Les états de la matière : solide, liquide, gaz, propriétés et modèle particulaire

Trois façons d’être de la matière

Une pierre, l’eau d’un verre, l’air de la pièce : trois choses qui n’ont apparemment rien de commun. La pierre est dure et garde sa forme, on peut la tenir. L’eau coule, prend la forme du verre, mouille les doigts. L’air ne se voit pas, ne se tient pas, et pourtant il gonfle un ballon et résiste quand on pédale contre le vent. Ce sont les trois états physiques de la matière : solide, liquide, gaz.

La même substance peut passer par les trois : la glace, l’eau et la vapeur sont trois états de l’eau. Le fer est solide dans un clou, liquide dans un haut fourneau à 1 538 °C, gazeux à 2 861 °C. L’air que nous respirons devient liquide à −196 °C, et les centrales de gaz industriel le vendent ainsi en camions-citernes. L’état n’est donc pas une propriété de la substance, mais une façon d’être qui dépend de la température et de la pression.

Le programme de 6e demande de savoir reconnaître l’état d’un échantillon d’après ses propriétés observables, et de connaître ces propriétés : forme, volume, surface libre, compressibilité. La 5e y ajoute le modèle particulaire, qui explique ces propriétés par l’arrangement de particules invisibles. Cette page couvre les deux niveaux, avec les expériences de classe et les ordres de grandeur.

Les propriétés des trois états

On reconnaît l’état d’un échantillon de matière sans instrument, par quelques tests simples : peut-on le saisir ? Prend-il la forme du récipient ? Sa surface est-elle horizontale ? Peut-on le comprimer ? Voici ce que l’on observe.

Le solide a une forme propre : il la garde quel que soit le récipient, et il faut le casser, le tordre ou le couper pour la changer. Il a un volume propre : on ne peut pratiquement pas le comprimer. On peut le saisir avec les doigts. Un solide compact (pierre, bois, métal, glace) se distingue d’un solide divisé (sable, farine, sucre en poudre), formé de nombreux petits solides ; les poudres coulent et prennent la forme du récipient, mais chaque grain garde sa forme, et le tas qu’elles forment n’a pas de surface horizontale.

Le liquide n’a pas de forme propre : il coule et prend la forme du récipient qui le contient. Sa surface libre, la surface en contact avec l’air, est plane et horizontale au repos, quelle que soit l’inclinaison du récipient : c’est le principe du niveau à bulle et du niveau d’eau des maçons. En revanche, il a un volume propre : 100 mL d’eau restent 100 mL, dans un verre étroit ou une assiette large, et l’on ne peut pas les comprimer. On ne peut pas saisir un liquide : il coule entre les doigts.

Le gaz n’a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout le volume du récipient fermé qui le contient, et se répand dans tout l’espace disponible si le récipient est ouvert. Il est compressible : on peut réduire son volume en poussant un piston, et expansible : il augmente de volume si on lui donne plus de place. La plupart des gaz sont invisibles, ce qui rend leur étude délicate ; on les met en évidence par leurs effets : ils gonflent un ballon, font des bulles dans l’eau, exercent une pression, ont une masse.

Propriété	Solide	Liquide	Gaz
Forme propre	oui	non (prend celle du récipient)	non (occupe tout le récipient)
Volume propre	oui	oui	non (occupe tout le volume offert)
Surface libre	pas de sens (forme fixe)	plane et horizontale	pas de surface libre
Compressible	non (très peu)	non (très peu)	oui, facilement
Se saisit avec les doigts	oui	non, il coule	non, il s’échappe
Masse volumique typique	1 000 à 20 000 kg/m³	700 à 1 600 kg/m³	0,1 à 5 kg/m³
Exemples	glace, fer, bois, sucre	eau, huile, alcool, mercure	air, vapeur d’eau, dioxygène, butane

Sources : CRC Handbook of Chemistry and Physics pour les masses volumiques ; programme de cycle 3 et cycle 4 (BO) pour les propriétés attendues.

Trois expériences de classe

Exemple 1 — Identifier l’état

On observe quatre échantillons : A garde sa forme quand on le sort de son récipient ; B prend la forme du fond du récipient et sa surface est plate ; C remplit tout un flacon fermé et l’on peut enfoncer un piston ; D coule d’un récipient à l’autre mais forme un tas à surface inclinée.

A : solide (forme propre). B : liquide (pas de forme propre, surface libre horizontale). C : gaz (occupe tout le volume, compressible). D : solide divisé (une poudre : elle coule mais ne fait pas de surface horizontale ; chaque grain est un solide).

Le modèle particulaire

Pourquoi un liquide coule-t-il et pas un solide ? Pourquoi peut-on comprimer un gaz ? L’observation ne suffit pas à répondre ; il faut un modèle, une représentation de ce que la matière est « à l’intérieur ». Celui du programme de 5e est le modèle particulaire : toute matière est faite de particules extrêmement petites (les atomes et les molécules, précisés en 4e), identiques pour une substance pure, séparées par du vide, et en mouvement permanent.

Ce qui distingue les trois états, ce n’est pas la nature des particules, ce sont leur arrangement, leur distance et leur liberté de mouvement.

Dans un solide, les particules sont serrées les unes contre les autres et rangées de façon régulière, comme des oranges sur un étal. Chacune est liée à ses voisines et ne peut que vibrer autour de sa position. Cela explique la forme propre (les particules ne changent pas de place), le volume propre et l’incompressibilité (elles se touchent déjà). L’état solide est compact et ordonné.

Dans un liquide, les particules sont toujours serrées, presque autant que dans le solide, mais elles ne sont plus rangées : elles glissent les unes sur les autres, changent de voisines, se déplacent lentement. Cela explique que le liquide coule et prenne la forme du récipient (les particules bougent), que sa surface libre soit horizontale (elles se répartissent au plus bas sous l’effet de leur poids), et qu’il soit incompressible (elles se touchent). L’état liquide est compact et désordonné.

Dans un gaz, les particules sont très éloignées les unes des autres, séparées par du vide, et elles se déplacent très vite (plusieurs centaines de mètres par seconde pour l’air) dans toutes les directions, en rebondissant sur les parois et entre elles. Cela explique que le gaz occupe tout le volume disponible (rien ne retient les particules), qu’il soit compressible (on réduit le vide entre elles), qu’il soit expansible, et qu’il exerce une pression (les chocs sur les parois). L’état gazeux est dispersé et désordonné.

État	Distance entre particules	Arrangement	Mouvement	Conséquences
Solide	au contact	ordonné (réseau)	vibration sur place	forme propre, volume propre, incompressible
Liquide	au contact	désordonné	glissement, déplacements lents	coule, prend la forme du récipient, surface horizontale, volume propre
Gaz	environ 10 fois la taille des particules	désordonné	déplacements rapides et libres	occupe tout le volume, compressible, exerce une pression

Le modèle rend compte aussi de la masse volumique. Un liquide et un solide, compacts, ont des masses volumiques du même ordre (l’eau 1 000 kg/m³, la glace 917 kg/m³). Un gaz, dont les particules sont dix fois plus éloignées dans chaque direction, occupe environ mille fois plus de place : la vapeur d’eau à 100 °C a une masse volumique de 0,6 kg/m³, 1 700 fois plus petite que l’eau liquide. C’est pourquoi un litre d’eau donne 1 700 L de vapeur, et pourquoi la cocotte-minute a besoin d’une soupape.

$$V=\frac{m}{\mathrm{\rho }}\text{:}1\text{kg d’eau liquide}\to 1\text{L}\text{;}1\text{kg de vapeur}\to 1700\text{L}$$

Exemple 2 — Expliquer avec le modèle

Pourquoi un parfum vaporisé dans un coin de la pièce se sent-il partout au bout de quelques minutes ? Pourquoi une goutte d’encre dans un verre d’eau se répartit-elle plus lentement ?

Les particules du parfum, à l’état gazeux, se déplacent vite et librement entre les particules de l’air, très espacées : elles atteignent l’autre bout de la pièce en quelques minutes, un peu ralenties par les chocs avec l’air. C’est la diffusion. Dans l’eau liquide, les particules d’encre doivent se glisser entre des particules d’eau serrées : elles avancent bien plus lentement, et la tache met des heures à s’étendre sans agitation. Dans un solide, la diffusion est pratiquement nulle : une tache d’encre sur une pierre ne se répand pas.

La masse ne dépend pas de l’état

Un changement d’état ne change ni le nombre ni la nature des particules : il change seulement leur arrangement. La masse est donc la même avant et après : 100 g de glace donnent 100 g d’eau, qui donnent 100 g de vapeur. C’est une conséquence directe du modèle, vérifiée par la balance, et détaillée sur la page des changements d’état.

Le volume, lui, change, parce que l’espace entre les particules change : peu entre solide et liquide (quelques pour cent, en plus ou en moins selon la substance), énormément entre liquide et gaz (un facteur 1 000 environ). La glace fait exception parmi les solides courants : son réseau ordonné laisse plus de vide que le désordre du liquide, elle occupe 9 % de plus et flotte.

Exemple 3 — Le ballon de baudruche

Un ballon dégonflé pèse 3,0 g. Gonflé avec 2 L d’air, il pèse 5,4 g. Que montre cette expérience ? Que se passe-t-il si on le met au congélateur ?

La masse a augmenté de 2,4 g pour 2 L : l’air a une masse, environ 1,2 g par litre, c’est bien de la matière. Au congélateur, l’air refroidi occupe moins de volume (les particules bougent moins vite et frappent moins fort les parois) : le ballon se dégonfle partiellement, mais sa masse ne change pas (5,4 g). Ressorti, il reprend son volume. Le volume d’un gaz dépend de la température ; sa masse, non.

Un quatrième état : le plasma

Les trois états du programme suffisent pour la matière de la Terre. Mais si l’on chauffe un gaz à plusieurs milliers de degrés, ou qu’on le soumet à une forte tension électrique, ses particules perdent des électrons et le gaz devient conducteur et lumineux : c’est le plasma, souvent appelé quatrième état de la matière.

On en connaît sans le savoir : la flamme d’une bougie en contient un peu ; l’éclair est un canal de plasma à 30 000 °C ; les tubes fluorescents et les enseignes au néon contiennent un plasma froid ; les aurores boréales sont dues à un plasma de haute atmosphère ; les écrans plasma des années 2000 en enfermaient des millions de cellules. Et surtout, les étoiles sont entièrement faites de plasma : le Soleil est une boule de plasma d’hydrogène et d’hélium. À l’échelle de l’Univers visible, plus de 99 % de la matière ordinaire est du plasma ; les solides, liquides et gaz que nous connaissons sont l’exception.

Les physiciens distinguent encore d’autres états dans des conditions extrêmes (condensats à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, matière des étoiles à neutrons), mais ils sont hors du programme du collège et de l’expérience courante.

Ordres de grandeur

Substance	État à 20 °C	Masse volumique (kg/m³)	Volume d’1 kg	Remarque
Air	gaz	1,2	830 L	1 L d’air pèse 1,2 g
Vapeur d’eau (100 °C)	gaz	0,6	1 700 L	1 L d’eau → 1 700 L de vapeur
Butane	gaz	2,5	400 L	plus dense que l’air : s’accumule au sol
Hélium	gaz	0,17	5 900 L	plus léger que l’air : les ballons montent
Eau	liquide	998	1,0 L	référence
Huile	liquide	920	1,09 L	flotte sur l’eau
Mercure	liquide	13 500	0,074 L	13,5 fois plus dense que l’eau
Glace	solide	917	1,09 L	flotte : exception parmi les solides
Bois (chêne)	solide	700	1,4 L	flotte
Fer	solide	7 870	0,13 L
Or	solide	19 300	0,052 L	un lingot d’1 kg tient dans la main

Source : CRC Handbook of Chemistry and Physics, 104^e édition ; le tableau des masses volumiques en donne une centaine d’autres.

Le tableau montre l’écart entre les états : tous les gaz ont des masses volumiques de l’ordre du kilogramme par mètre cube, tous les liquides et solides du millier de kilogrammes par mètre cube. Un gaz, c’est de la matière diluée dans du vide ; c’est ce que le modèle particulaire représente par les particules éloignées.

Exemple 4 — Du butane dans la cuisine

Une bouteille contient 13 kg de butane liquide sous pression. Quel volume ce butane occupe-t-il à l’état liquide (masse volumique 580 kg/m³) ? Et une fois sorti, à l’état gazeux (2,5 kg/m³) ? Pourquoi une fuite de butane est-elle dangereuse dans une pièce basse ?

Liquide : V = 13 / 580 ≈ 0,022 m³ = 22 L, ce qui correspond à la bouteille. Gaz : V = 13 / 2,5 = 5,2 m³, soit 5 200 L, 230 fois plus. Le butane gazeux étant plus dense que l’air (2,5 contre 1,2 kg/m³), une fuite s’accumule au ras du sol et dans les caves au lieu de se disperser : d’où l’interdiction de stocker des bouteilles en sous-sol et l’obligation d’une aération basse dans les cuisines au gaz.

Un peu d’histoire

Les Grecs anciens rangeaient la matière en quatre éléments, terre, eau, air et feu, qui correspondent à peu près aux trois états et au plasma de la flamme. Démocrite, vers 400 avant notre ère, propose que tout est fait d’atomes insécables séparés par du vide ; l’idée est écartée par Aristote et dormira deux mille ans.

Elle renaît au XVII^e siècle avec Pierre Gassendi et surtout Robert Boyle, qui mesure en 1662 la compressibilité de l’air et montre que son volume est inversement proportionnel à la pression : les particules d’un gaz sont donc séparées par de l’espace que l’on peut réduire. Ce résultat, redécouvert par Edme Mariotte en 1676, porte les deux noms.

$$p\times V=\text{constante}$$

Au XIX^e siècle, la théorie cinétique des gaz de Clausius, Maxwell et Boltzmann décrit le gaz comme une foule de particules en mouvement rapide dont les chocs expliquent la pression et la température : le modèle particulaire du collège en est la version simplifiée. En 1827, le botaniste Robert Brown observe au microscope l’agitation incessante de grains de pollen dans l’eau ; Einstein montre en 1905 qu’elle est due aux chocs des molécules d’eau, invisibles, et Jean Perrin le vérifie en 1908 : les particules existent vraiment. Le mot plasma est donné au gaz ionisé par Irving Langmuir en 1928.

Les erreurs classiques

Croire que l’air n’est pas de la matière. Il a une masse (1,2 g/L), un volume, il exerce une pression. Ce qui n’est pas de la matière, c’est le vide.

Classer le sable ou la farine comme liquides. Ce sont des solides divisés : chaque grain garde sa forme, et le tas n’a pas de surface horizontale.

Penser que les particules d’un liquide sont plus petites ou plus légères que celles du solide. Ce sont les mêmes particules ; seul leur arrangement change. La masse est conservée.

Dessiner un gaz avec des particules serrées ou un liquide avec des particules éloignées. Solide et liquide : compacts. Gaz : dispersé, dix fois plus d’espace dans chaque direction.

Croire que le vide entre les particules d’un gaz est « rempli d’air ». Entre les particules d’air, il n’y a rien : c’est du vide. L’air, c’est les particules.

Penser que les particules grossissent quand on chauffe. Elles bougent plus vite et s’écartent (dilatation), elles ne changent pas de taille.

Confondre état et substance. « L’eau est un liquide » est faux en général : l’eau est liquide à 20 °C, solide à −10 °C, gazeuse à 120 °C. L’état dépend des conditions.

Exercices corrigés

De la reconnaissance des états au raisonnement avec le modèle particulaire.

Exercice 1

Reconnaître l’état

6e●○○

Donner l’état physique, à température ambiante, de : le lait, une pièce de monnaie, le dioxygène, le sucre en poudre, l’huile, la vapeur qui sort d’une bouilloire, un glaçon, le gaz d’un briquet quand il sort.

Voir la correction

Lait : liquide. Pièce : solide. Dioxygène : gaz. Sucre en poudre : solide (divisé). Huile : liquide. « Vapeur » visible de la bouilloire : en réalité de fines gouttelettes liquides (la vapeur d’eau, gaz, est invisible). Glaçon : solide. Gaz du briquet à la sortie : gaz (liquide sous pression à l’intérieur).

Exercice 2

Propriétés

6e●○○

Vrai ou faux ? Corriger les affirmations fausses.

1. Un liquide a un volume propre.
2. Un gaz a une forme propre.
3. La surface libre d’un liquide au repos est toujours horizontale.
4. On peut comprimer de l’eau dans une seringue bouchée.
5. Un solide garde sa forme quand on le change de récipient.
6. L’air n’a pas de masse.

Voir la correction

1. Vrai.
2. Faux : il n’a ni forme ni volume propres, il occupe tout le récipient.
3. Vrai (plane et horizontale, quelle que soit l’inclinaison du récipient).
4. Faux : l’eau est incompressible, le piston ne bouge pas ; c’est l’air que l’on comprime.
5. Vrai.
6. Faux : 1 L d’air a une masse d’environ 1,2 g.

Exercice 3

La bouteille penchée

6e●●○

On remplit à moitié une bouteille d’eau et on la couche presque à l’horizontale.

1. Décrire la surface de l’eau. Quelle propriété des liquides est illustrée ?
2. On remplace l’eau par du sable et on recommence. Que voit-on ? Le sable est-il un liquide ?
3. On remplace le sable par de l’air (bouteille « vide » fermée). Où est l’air dans la bouteille ?
4. Citer un outil du quotidien qui utilise la propriété de la question 1.

Voir la correction

1. Elle reste plane et horizontale, parallèle au sol, quel que soit l’angle de la bouteille : propriété de la surface libre des liquides.
2. Le sable forme une pente (un talus) et ne s’étale pas horizontalement : c’est un solide divisé, pas un liquide.
3. Partout : l’air occupe tout le volume de la bouteille, il n’a pas de surface libre.
4. Le niveau à bulle (ou le niveau d’eau des maçons, les vases communicants) : l’horizontale de la surface d’un liquide sert de référence.

Exercice 4

Modèle particulaire

5e●●○

1. Dessiner (décrire) l’arrangement des particules dans un solide, un liquide, un gaz.
2. Expliquer avec le modèle pourquoi un liquide coule et un solide non.
3. Expliquer pourquoi on peut comprimer un gaz mais pas un liquide.
4. Un élève a dessiné un gaz avec des particules serrées et un liquide avec des particules très espacées. Corriger.

Voir la correction

1. Solide : particules serrées et ordonnées ; liquide : serrées et désordonnées ; gaz : très espacées et désordonnées.
2. Dans le liquide, les particules glissent les unes sur les autres et changent de place ; dans le solide, elles sont liées à une position fixe et ne font que vibrer.
3. Dans le gaz, il y a du vide entre les particules que l’on peut réduire ; dans le liquide, elles sont déjà au contact.
4. C’est l’inverse : le liquide est compact (particules au contact) et le gaz dispersé (particules éloignées). C’est le gaz qui a le plus grand volume pour la même masse.

Exercice 5

Masse, volume et état

5e●●●

On fait bouillir 250 g d’eau dans une cocotte-minute fermée, jusqu’à tout vaporiser. Masse volumique de l’eau liquide : 1 000 kg/m³ ; de la vapeur à 100 °C : 0,6 kg/m³.

1. Quelle est la masse de vapeur obtenue ? Justifier avec le modèle particulaire.
2. Quel volume occupait l’eau liquide ? Quel volume occuperait la vapeur à la pression atmosphérique ?
3. La cocotte a un volume de 6 L. Que se passe-t-il ? Pourquoi une cocotte-minute a-t-elle une soupape ?
4. Comment le modèle particulaire explique-t-il l’augmentation de pression ?

Voir la correction

1. 250 g : mêmes particules, seul leur arrangement change ; la masse est conservée.
2. Liquide : V = 0,250 / 1 000 = 0,00025 m³ = 250 mL. Vapeur : V = 0,250 / 0,6 ≈ 0,42 m³ = 420 L.
3. La vapeur ne peut pas occuper 420 L dans 6 L : elle est comprimée, la pression monte fortement. La soupape laisse échapper la vapeur au-delà d’une pression de sécurité, pour éviter l’explosion.
4. Beaucoup plus de particules dans un petit volume, très rapides à 100 °C : elles frappent les parois plus souvent, ce qui augmente la pression.

Exercice 6

Reconnaître un gaz, mesurer sa masse

5e●●●

Un élève veut prouver que l’air est de la matière. Il dispose d’un ballon de football, d’une pompe avec manomètre, d’une balance au décigramme et d’une éprouvette.

1. Proposer un protocole pour montrer que l’air a une masse.
2. Le ballon pèse 420,0 g dégonflé (mais gardant sa forme) et 427,2 g gonflé. Quelle masse d’air a-t-on ajoutée ? Quel volume cela représente-t-il environ (1,2 g/L) ?
3. Le ballon a un volume intérieur de 5,5 L. Comment expliquer que 6 L d’air « tiennent » dans 5,5 L ?
4. Pourquoi ne peut-on pas montrer de la même façon que l’air occupe tout le volume avec un ballon, alors qu’on le peut avec une seringue ?

Voir la correction

1. Peser le ballon dégonflé, le gonfler, le repeser : si la masse augmente, l’air ajouté a une masse.
2. 427,2 − 420,0 = 7,2 g d’air ; V ≈ 7,2 / 1,2 = 6 L.
3. L’air est compressible : sous pression dans le ballon, ses particules sont plus rapprochées et 6 L d’air à la pression atmosphérique tiennent dans 5,5 L (le manomètre indique la surpression).
4. Le ballon est opaque et déformable : on ne voit ni ne mesure directement le volume occupé. La seringue transparente et graduée montre le volume d’air et son changement quand on pousse le piston.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Un solide…

   prend la forme du récipienta une forme propre et un volume propreoccupe tout le volume disponibleest compressible
2. La surface libre d’un liquide au repos est…

   inclinée comme le récipientplane et horizontalebombéeinvisible
3. Un gaz…

   a un volume propreoccupe tout le volume du récipienta une surface librene peut pas être comprimé
4. Dans une seringue bouchée, on peut enfoncer le piston si elle contient…

   de l’eaude l’airde l’huiledu sable tassé
5. Le sable est…

   un liquide car il couleun solide diviséun gazun mélange liquide-solide
6. Dans le modèle particulaire, un liquide est représenté par des particules…

   serrées et ordonnéesserrées et désordonnéeséloignées et désordonnéeséloignées et ordonnées
7. Dans un gaz, entre les particules, il y a…

   de l’airde l’eaudu videdes particules plus petites
8. Un litre d’air a une masse d’environ…

   0 g1,2 g120 g1 kg
9. Quand la glace fond, la masse…

   augmentediminuereste la mêmedevient nulle
10. Le quatrième état de la matière, présent dans les étoiles et les éclairs, est…

    le cristalle plasmala moussela vapeur

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Fiche : ce qu’il faut retenir

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