Gaz, liquides et solides : CHAPITRE forces ... ?· 7.2 Solides, liquides et gaz: une comparaison à…

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    22-Aug-2018

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  • Des tudes rcentes semblent indiquer que la remarquable capacit du lzard gecko escalader lesmurs et adhrer aux surfaces solides repose sur les forces intermolculaires.

    7.1 Gecko grimpeur et forces intermolculaires XXX

    7.2 Solides, liquides et gaz : unecomparaison lchelle molculaire XXX

    7.3 Gaz XXX

    7.4 Liquides : tension superficielle, viscosit et capillarit XXX

    7.5 Liquides : vaporisation et pression devapeur XXX

    7.6 Solides XXX

    7.7 Leau, une substance extraordinaire XXX

    7.8 Changements dtat XXX

    7.9 Diagrammes de phases XXX

    CHAPITRE

    7 lchelle molculaire, cest une piste de danse

    endiable.

    Roald Hoffmann

    (n en 1937)

    Gaz, liquides et solides : forces intermolculaires

    et substances

  • 272 CHAPITRE 7 Gaz, liquides et solides : forces intermolculaires et substances

    Au chapitre 1, nous avons appris que la matire existe essentiellement dans trois tats : solide, liquide et gaz. Les tats solide et liquide ont plus de points communs entre eux quils nen ont avec ltat gazeux. En effet, dans ltat gazeux, les particules constituantes atomes ou molcules sont trs distantes les unes des autres et ninteragissent pasbeaucoup entre elles, car les forces intermolculaires sont pratiquement inexistantes. Dansles tats condenss, les particules constituantes sont proches les unes des autres et tablissent entre elles des forces dattraction modres (forces intermolculaires) fortes (liaisons). Contrairement ltat gazeux, pour lequel on dispose dun bon modle quantitatif simple (la thorie cintique molculaire) permettant de dcrire et de prdire le comportement des gaz, il nexiste pas de tel modle pour les phases condenses. En fait, la modlisation des tats condenss est un domaine de recherche actif aujourdhui. Dans le prsent chapitre, nous nous intresserons particulirement la description des tats condenss et de leurs proprits et nous prsenterons quelques principes qualitatifs pour nous aider comprendre ces proprits.

    7.1 Gecko grimpeur et forces intermolculaires

    Le gecko peut grimper sur une fentre de verre poli en quelques secondes ou mme mar-cher au plafond. Il peut supporter tout son poids par un simple contact de ses doigts avec une surface. Comment est-ce possible ? Daprs les travaux rcents effectus par plusieurs scientifiques, ces prouesses du gecko se jouant des lois de la gravit proviendraient des forces intermolculaires, des forces dattraction qui existent entre les molcules. Dans de nombreux liquides et solides, comme leau et la glace, par exemple, la cohsion de la substance est assure par les forces intermolculaires.

    Lexplication de cette capacit surprenante du gecko rside dans les millions de poils microscopiques, appels stules, qui recouvrent lextrmit de ses pattes. Chaque stule mesure entre 30 et 130 mm de longueur et se ramifie pour se terminer en plusieurs cen-taines de pointes aplaties appeles spatules, comme on peut le voir sur la photo. Cette structure exceptionnelle donne naissance de nombreux points de contact, fournissant aux doigts du gecko un contact particulirement troit avec les surfaces verticales quil gravit. Ce contact troit permet la formation de forces intermolculaires de dispersion impor-tantes courtes distances seulement qui retiennent le gecko au mur ou au plafond.

    De faon plus gnrale, les forces intermolculaires ou dans certains cas les liaisons chimiques entre les atomes sont responsables de lexistence des tats condenss. Ltat dun chantillon de matire solide, liquide ou gaz dpend de la puissance des forces intermolculaires ou des liaisons entre les particules constituantes par rapport la quan-tit dnergie thermique dans lchantillon. Rappelez-vous que les molcules et les atomes qui composent la matire sont anims dun mouvement alatoire perptuel et que celui-ci augmente avec llvation de la temprature. Lnergie associe ce mouvement est appe-le nergie thermique. Lorsque lnergie thermique est faible par rapport aux forces inter-molculaires ou aux liaisons chimiques, la matire tend tre liquide ou solide.

    7.2 Solides, liquides et gaz : une comparaison lchelle molculaire

    Nous avons vu aux chapitres 5 et 6 que les forces de cohsion qui retiennent les atomes ou les molcules les unes aux autres peuvent tre classes en deux catgories. Les forces de liaisons (aussi appeles intramolculaires), importantes, rattachent les atomes les uns aux autres grce des forces lectrostatiques (liaisons mtalliques ou ioniques) ou par un partage dorbitale entre deux atomes (liaisons covalentes). Beaucoup plus faibles, les forces inter-molculaires (forces de dispersion, forces diple-diple, dont les ponts hydrogne, et forces ion-diple) sont de la plus haute importance, surtout pour les substances molculaires.

    Chacun des millions de poils microscopiques sur les pattes du gecko se ramifie pour se terminer en pointes aplaties appeles spatules.

  • 7.2 Solides, liquides et gaz : une comparaison lchelle molculaire 273

    Afin damorcer notre comprhension des diffrences entre les trois tats courants de la matire, examinons le tableau 7.1, qui prsente la masse volumique et le volume molaire de leau dans ses trois tats diffrents, accompagns chacun de reprsentations mol-culaires. Remarquez que les masses volumiques des tats solides et liquides sont beau-coup plus leves que celle de ltat gazeux. Notez galement que la masse volumique et le volume molaire des tats solides et liquides sont plus semblables entre eux quils ne le sont par rapport ltat gazeux. Les reprsentations molculaires illustrent la raison de ces diffrences. Les molcules dans leau liquide et la glace sont en contact troit les unes avec les autres, se touchant presque. Elles sont maintenues par les forces de dispersion et par les interactions diple-diple de type ponts hydrogne, alors que les molcules de leau gazeuse sont spares par de grandes distances et que les forces intermolculaires y sont pratiquement inexistantes. La reprsentation molculaire de leau ltat gazeux au tableau 7.1 nest pas lchelle, car les molcules deau dans le dessin devraient tre beau-coup plus loignes les unes des autres par rapport leur taille. (Si elle tait dessine lchelle, seul un fragment de molcule apparatrait dans le schma.) partir des volumes molaires, on sait que 18,0 mL deau liquide (lgrement plus quune cuillre soupe) occupe 30,5 L lorsquelle est convertie en gaz 100 8C. La faible masse volumique de leau gazeuse est due la grande distance qui sparer les molcules.

    Tableau 7.1 Les trois tats de leau

    PhaseTemprature

    (8C)Masse volumique

    (g/cm3, 1 atm)Volume molaire Vue molculaire

    Gaz (vapeur) 100 5,90 3 1024 30,5 L

    Liquide (eau) 20 0,998 18,0 mL

    Solide (glace) 0 0,917 19,6 mL

    Remarquez galement que dans le cas de leau, le solide est lgrement moins dense que le liquide. Il sagit dun comportement atypique. En effet, la plupart des solides sont lgrement plus denses que leurs liquides correspondants parce que les molcules se rap-prochent lors de la conglation. Comme on le verra la section 7.6, la glace est moins dense que leau liquide parce que la structure cristalline particulire de la glace permet une lgre sparation des molcules deau au moment de la conglation.

    Du point de vue molculaire, la libert de mouvement des molcules ou des atomes constituants illustre une diffrence importante entre les liquides et les solides. Mme si les atomes ou les molcules dans un liquide sont en contact troit, lnergie thermique plus importante affaiblit les forces intermolculaires ou les liaisons entre eux, ce qui leur per-met de se dplacer et de tourner les uns autour des autres. Ce phnomne ne se produit pas dans les solides, car les atomes ou les molcules retenus par de puissantes forces intermo-lculaires ou par des liaisons efficaces sont presque immobiliss dans leurs positions, ne pouvant que vibrer sans cesse autour dun point fixe. Le tableau 7.2 rsume les proprits des liquides et des solides, de mme que les proprits des gaz aux fins de comparaison.

  • 274 CHAPITRE 7 Gaz, liquides et solides : forces intermolculaires et substances

    Tableau 7.2 Proprits des tats de la matire

    tatMasse volumique Forme Volume

    Intensit des forces intermolculaires oudes liaisons*

    Gaz Faible Indfinie Indfini FaibleLiquide leve Indfinie Dfini ModreSolide leve Dfinie Dfini Forte

    * Par rapport lnergie thermique

    Les liquides adoptent la forme de leurs contenants parce que les atomes ou les molcules qui les composent sont libres de scouler (ou de se dplacer les uns par rapport aux autres) (figure 7.1). Les liquides se compriment difficilement parce que les molcules ou les atomes qui les composent sont en contact troit ; on ne peut les rapprocher plus quils le sont. Au contraire, dans un gaz, les molcules sont trs distantes les unes des autres et il est facile de les forcer occuper un volume plus petit en augmentant la pression externe (figure 7.2).

    Molcules rapproches dicilement compressibles

    Molcules largement espaces trs compressibles

    Liquide Gaz

    FIguRE 7.2 Les gaz sont compressibles Dans un liquide, les molcules sont proches les unes des autres et sont difficilement compressibles. Dans un gaz, les molcules sont trs espaces, ce qui rend les gaz compressibles.

    Les solides ont une forme dfinie parce que, contrairement aux liquides et aux gaz, les molcules ou les atomes composant les solides sont figs en place. Comme les liquides, les solides ont un volume dfini et ne peuvent gnralement pas tre comprims parce que les molcules ou les atomes qui les composent sont dj en contact troit. Les solides peuvent tre cristallins quand les atomes ou les molcules qui les composent sont dispo-ss dans un rseau tridimensionnel bien ordonn (par exemple, le sel de table), ou ils peuvent tre amorphes (par exemple le

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