Les particules dans les solides, les liquides et les gaz

À 30 °C, les molécules de diazote de l’air qui t’entoure se déplacent à environ 519 m/s, plus vite qu’un avion de ligne.

Verse de l’eau dans un verre : elle se rassemble au fond avec une surface horizontale. Fais bouillir cette même eau : la vapeur se répand dans la pièce. Les molécules d’eau n’ont pas changé ; H₂O reste H₂O dans la glace, l’eau liquide et la vapeur. Ce qui change, c’est l’écartement entre les molécules, la force avec laquelle elles s’attirent et leur vitesse. Le modèle particulaire de cette page représente les mêmes 40 particules dans chaque état pour faciliter la comparaison.

Comparer les trois états

Les particules des solides et des liquides étant déjà en contact, une pression plus forte ne peut guère les rapprocher. C’est pourquoi un cric hydraulique transmet une force par l’intermédiaire de l’huile sans que celle-ci se comprime. Dans un gaz, l’essentiel du volume est l’espace vide entre les molécules : une pompe à vélo peut donc comprimer l’air dans un pneu. Les forces entre molécules expliquent aussi pourquoi les liquides forment des gouttes et les solides gardent leur forme : dans les deux cas, l’attraction est assez forte pour maintenir les particules ensemble. Dans un gaz, elles se déplacent trop vite et sont trop éloignées pour que ces attractions les retiennent.

L’eau fait exception

Pour la plupart des substances, le solide est plus dense que le liquide et coule donc dans son propre liquide. L’eau est différente. À 0 °C, l’eau liquide a une masse volumique de 0.99987 g/cm³ ; lorsqu’elle gèle, cette valeur diminue d’environ 9 % (USGS). La glace flotte, mais l’essentiel de son volume reste immergé : la plus grande partie d’un iceberg est donc cachée. L’organisation ouverte des molécules dans un cristal de glace occupe plus de place que leur organisation désordonnée dans le liquide. L’eau liquide atteint sa masse volumique maximale à 4 °C, avec 1.00000 g/cm³. En se réchauffant, elle devient de nouveau moins dense, jusqu’à 0.95865 g/cm³ à 100 °C.

La température traduit l’agitation des particules

L’échelle Celsius place 0 au point de congélation de l’eau. C’est pratique, mais sans rapport direct avec les particules. L’échelle kelvin commence au zéro absolu, la température la plus basse possible : −273.15 °C. Pour convertir, ajoute 273.15 : 25 °C correspondent à 298.15 K. Sur cette échelle, l’énergie cinétique moyenne des particules est directement proportionnelle à la température : un gaz à 600 K a donc une énergie cinétique moyenne deux fois plus grande que le même gaz à 300 K.

Pour un gaz, la vitesse découle de cette énergie. La vitesse quadratique moyenne vaut u = √(3RT/M), où R vaut 8.314 J/(mol K), T s’exprime en kelvins et M est la masse molaire en kilogrammes par mole. Pour le diazote à 30 °C, OpenStax calcule √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s. À température égale, les molécules plus lourdes se déplacent plus lentement : une molécule de dioxygène à −23 °C se déplace en moyenne à environ 441 m/s. Les particules de l’illustration sont ralenties de plusieurs millions de fois pour que tu puisses les suivre.