Fiche de physique - chimie
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Les molécules et les états de la matière

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La matière existe sous trois états: l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. Le modèle particulaire montre que la matière est constituée de très fines particules invisibles, qui sont le plus souvent des molécules. Une molécule est un assemblage de plusieurs atomes. On sait, par exemple, que la molécule d'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Sa formule brute en chimie est donnée par H2O. Dans cette fiche, nous allons étudier le lien qui existe entre les molécules et les différents états de la matière.

I. Rappels sur les molécules

Nous avons déjà vu que l'air était un mélange composé principalement de diazote et de dioxygène. Le diazote et le dioxygène sont des molécules, de même que le dioxyde de carbone ou l'eau. Leurs formules brutes chimiques sont respectivement N2, O2, CO2 et H2O.
On remarque donc qu'une molécule est un assemblage de plusieurs atomes identiques ou différents. Ainsi, par exemple la molécule de dioxyde de carbone est formée de deux atomes d'oxygène et d'un atome de carbone, sa formule bute en chimie est CO2.
Les atomes sont représentés par des symboles alors que les molécules sont représentées par des formules. Celles-ci indiquent donc le symbole et le nombre de chaque type d'atomes qui les constituent.
En ce qui concerne la matière, l'eau par exemple, existe sous les trois états: l'état solide (glace), l'état liquide (l'eau de pluie ...) et l'état gazeux (vapeur d'eau), la formule chimique de l'eau est la même qu'elle soit sous forme solide, liquide ou gazeuse.
On cherche donc à savoir ce qui est responsable des trois états différents observés pour l'eau. Nous allons expliquer cela microscopiquement au niveau des molécules.

II. Molécules et états de la matière.


L'état solide est un état compact, rigide et ordonné car les molécules sont très voisines les unes des autres et surtout elles ne peuvent pas se déplacer librement. Les solides ont une forme propre mais ils peuvent se casser. A l'état solide, les particules (atomes, molécules ou ions) sont liées les unes aux autres par des liaisons chimiques qui vont fixer leurs positions relatives.

L'état liquide est un état compact et désordonné car les molécules sont proches les unes des autres et donc elles peuvent se déplacer librement, ce qui permet aux liquides de couler et de prendre la forme du récipient qui le contient. Les liquides sont incompressibles et inexpansibles, possèdent un volume propre, ne possèdent pas de forme propre, ont une surface libre au repos plane et horizontale. Les particules sont faiblement liées, elles peuvent se déplacer spontanément les unes par rapport aux autres (déformabilité), par contre, elles ne sont pas indépendantes, ce qui explique l'incompressibilité. C'est un état fluide, parfaitement déformable.

L'état gazeux est désordonné et dispersé car les molécules sont très éloignées les unes des autres et surtout très agitées dans tous les sens, ainsi le gaz occupe tout l'espace qui est disponible. Les gaz sont compressibles et expansibles, ne possèdent pas de forme propre, ni de volume. C'est un état fluide.

Le tableau ci-dessous permet de comparer les trois états:

Etat de la matière Etat condensé Fluide Forme Volume Compressibilité
SOLIDE OUI NON Défini Défini Pratiquement nulle
LIQUIDE OUI OUI Indéterminé Défini Très faible
GAZ NON OUI Indéterminé Indéterminé Très grande

III. Schéma de la disposition des molécules d'eau selon les trois états:

Les molécules et les états de la matière : image 1


Les changements d'état
Les changements d'état se font sous l'effet d'une modification du volume, de la température et/ou de la pression.

On distingue six changements d'état possibles :

la solidification qui correspond au passage de l'état liquide à l'état solide.

la fusion qui correspond au passage de l'état solide à l'état liquide.

la liquéfaction qui correspond au passage de l'état gazeux à l'état liquide.

la sublimation qui correspond au passage de l'état solide à l'état gazeux.

la condensation qui correspond au passage de l'état gazeux à l'état solide.

la vaporisation qui correspond au passage de l'état liquide à l'état gazeux.

Attention pour la condensation, on utilise aussi la condensation liquide qui correspond au passage de l'état gazeux à l'état liquide et la condensation solide qui correspond au passage de l'état gazeux à l'état solide.

Schéma des différents changements d'état :
Les molécules et les états de la matière : image 2


Les molécules changent de position lors d'un changement d'état. Le volume varie légèrement. Ainsi, on a déjà observé que l'eau à l'état solide occupe plus de place que l'eau à l'état liquide. Les molécules d'eau à l'état solide occupent plus de place que les mêmes molécules à l'état liquide: elles s'organisent, se placent différemment les unes par rapport aux autres. Ce n'est pas le nombre de molécules qui varie lors d'un changement d'état mais c'est leur disposition.

C'est la cristallographie qui permet d'étudier les positions occupées par les molécules dans un solide. Les chimistes sont ainsi capables de déterminer comment sont disposées les molécules dans l'eau à l'état solide par exemple dans de la glace.
Le schéma ci-dessous représente les molécules d'eau dans un cristal de glace. Celles-ci sont disposées en hexagone, formant des couches supposées les unes aux autres.
Cette disposition très particulière des molécules permet d'expliquer pourquoi la glace est plus légère que l'eau liquide (ce qui est une exception, la plupart des corps purs sont plus lourds à l'état solide).

Schéma de la disposition des molécules d'eau dans de la glace :
Les molécules et les états de la matière : image 3
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