La molécule, définition

Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'atomes. Il résulte de la formation de liaisons entre les atomes. La liaison entre les atomes peut être simple si les atomes ne sont liés que par une seule liaison ou multiple si les atomes sont liés par 2 ou 3 liaisons (elle est dite double ou triple). La première fois qu'un scientifique a évoqué le concept de molécule, c'était en 1811. C'est en effet Avogadro, un physicien et chimiste italien, qui fut le premier à distinguer les molécules des atomes.

Les compositions des molécules dépendent de chacune d'entres elles. On peut déduire la composition de ces dernières en fonction de leur formule chimique. Par exemple, CO2 est une molécule de dioxyde de carbone. Cette dernière est donc composée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygènes.

Comment se forment les molécules ?
Une molécule est un association d'atomes. Ces derniers s'assemblent selon leur charge électroniques.

L'état de la molécule donnera son ordonnancement. Il existe trois états différents :

  • L'état solide ;
  • L'état liquide ;
  • L'état gazeux.

A chaque état correspond une structure particulière. A l'état solide, les molécules s'empilent, le plus souvent de manière régulière. A l'état liquide, l'espacement entre les molécules est petit, ce qui fait qu'elles sont peu agitées. En revanche, à l'état gazeux, les molécules sont espacées et leur agitation est maximale. C'est pour cela que l'on dit qu'un gaz prend toute la place qu'on lui offre. Ce sont les forces d'interaction entre les molécules qui régissent leur agencement. Celui-ci est défini par les forces de Van Der Waals.

Les forces de Van Der Waals

Nommées ainsi en l'honneur de Johannes Diderik van der Waals, un physicien néerlandais du XIX ème siècle, ces forces peuvent se décrire comme les interactions électroniques entres les atomes ou molécules, qui les lient ensemble. Johannes Diderik van der Waals fut le premier a les prendre en compte dans ses calculs en 1873. Cela lui valut de recevoir en 1910 le prix Nobel de physique.

Un prix Nobel, Nobelpriset de son nom original en suédois, est une récompense au niveau mondial qui gratifie son détenteur d’être l’une des personne ayant apporté le plus grand bénéfice à l’humanité. C’est un prix qui se remet tous les ans.Le premier a été remis en 1901. Ils récompensent des découvertes ou un travail en faveur de la paix. Il en existe 5 : le prix Nobel de physique, le prix Nobel de chimie, le prix Nobel de la paix, le prix Nobel de médecine et de physiologie et le prix Nobel de littérature.

Ce phénomène s'explique par la répartition des charges au sein d'une molécule ou au sein des couples d'atomes. Pour plus de détails, il faut néanmoins se plonger dans la physique quantique pour en comprendre les principes les plus poussés. On peut leur trouver trois origines :

  • L'interaction électrostatique attractive entre deux multipôles induits, il s'agira dans ce cas des forces de London ;
  • L'interaction attractive entre un multipôle permanent et un multipôle induit et il s'agira des forces de Debye ;
  • L'interaction électrostatique attractive ou répulsive entre deux multipôles permanents selon leurs orientations, il s'agit alors des forces de Keesom.

Les exemples les plus flagrants des effets des forces de Van Der Waals sont les absorptions par capillarité ainsi que les systèmes d'accroche des pattes de gecko qui peuvent coller aux murs.

Avogadro

Avogadro, de son nom Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro était un chimiste et physicien italien ayant vécu entre 1776 et 1856. Comte de Quaregna et de Cerreto, il est surtout connu pour avoir énoncé la loi d'Avogadro, une loi physique sur les différences de poids des gaz.

La constante d'Avogadro

La loi d'Avogadro, aussi appelée loi d'Ampère ou loi d'Avogadro-Ampère, cette loi de thermodynamique en rapport avec les gaz parfaits fut énoncée en 1811 par Amedeo Avogadro, une célèbre physicien et chimiste originaire d'Italie ayant vécu entre 1776 et 1856. Egalement connu pour avoir donné son nom au nombre d'Avogadro qui sert à calculer le nombre d'éléments contenus dans une mole, il a énoncé cette loi selon laquelle pour deux gaz parfaits différents, le même volume contient forcément le même nombre de molécules si les conditions de pression et de température sont les mêmes, ce qui signifie également qu'à mêmes conditions de température et de pression, tous les gaz parfaits auront le même volume molaire. D'après cette loi, dans des conditions habituelles de pression à 1 bar et avec 20°C, une mole de gaz parfait occupera 24 L. Voici la formule exprimée pour deux gaz parfaits 1 et 2 :

    \[ \frac {V_1} {n_1} = \frac {V_2} {n_2} \]

avec V, volume de gaz et n, nombre de molécules de gaz.

Qu'est-ce que le nombre d'Avogadro ?
Le nombre d'Avogadro est une grandeur scalaire qui définit le nombre d'entités élémentaires qui se trouvent dans une mole de matière. Il se note en mol-1. Sa valeur est 6,02214076 × 1023 mol-1.
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Présentation d’un gaz

L’air est essentiellement constitué  de 80% de diazote (soit 4) et 20% de dioxygène. L’air est compressible, expansible, élastique et occupe tous le volume qui lui est offert il peut s’échapper du récipient ouverts. Comme l’air, tous les gaz sont constitués de petits grains de matière appelés molécules. Ces molécules sont indéformables. Les molécules sont dispersées, espacés et animés de mouvements désordonnés. L’air n’est pas un corps pur mais un mélange car il est constitué de molécule différente. Les molécules d’un corps pur sont identiques. Pour un gaz, les chocs de molécules entre elles et contre les parois du récipient sont à l’origine de la pression.

Lorsque l’on appuie sur le piston :

Le nombre de molécules ne change pas. Le volume occupé par l’air diminue. La pression de l’air dans la seringue augmente car que les molécules sont plus rapproché entre elles et leurs chocs contre les parois sont plus nombreux. Propriété de l’air : l’air est compressible. Lorsqu’on tire sur le piton : Le nombre de molécules ne change pas. Le volume occupé par l’air augment. La pression de l’air dans la seringue diminué car les molécules espacé et leurs chocs contre les parois sont moins nombreux. Propriété de l’air : l’air est expansible. Conclusion : Un gaz est modélisé par des molécules invisibles à soleil nu, indéformables et séparé par du vide. Ces molécules sont en mouvement désordre,l’état gaz est disposé et très  désordonné un corps pur est constituer de molécules identique un mélange est constituer de molécules différente.

Représentation des états liquide et solide

L’eau n’est pas compressible. L’eau possède un volume propre mais ne possède pas de forme, elle prend la forme du récipient qui l’accompagne. Le glaçon ne peut pas être comprimé. Un glaçon possède un volume propre et une forme propre. Conclusion : Dans un liquide, les molécules sont en contacte, elles sont peu liées, et peuvent se déplacées, l’état liquide est compacte et désordonné. Dans un liquide, les molécules sont en contacte; elles sont liées  et pratiquement immobile. L’état solide et compact et ordonné pour un solide cristallin.

Les changements d'états

Il existe 3 états élémentaires de la matière auxquels on peut ajouter un quatrième :

  1. Solide ;
  2. Liquide ;
  3. Gazeux ;
  4. Plasma.

L'état solide est l'état le plus "serré" de la matière. En effet, toutes les molécules sont collées les unes au autres, c'est ce qui donne à l'élément sa solidité. L'état liquide est un intermédiaire entre l'état solide et l'état gazeux. La matière y est malléable et coule. L'état gazeux est l'état dans lequel la matière est la plus dissipée. En effet, un gaz occupe toute la place qu'on lui offre, ce qui signifie qu'il peut s'étendre. Le plasma apparaît dans des conditions de température et de pression extrêmes. Dans ces conditions, même la structure atomique est totalement désorganisée. Ainsi, dans l’état de plasma, les constituants de l'atome se séparent. Les noyaux et les électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre. Cet état de neutralité en fait l’état le plus important de l’Univers : le plasma représente près de 90% de la matière visible.

Il existe en tout 6 changements d'états possibles. Ce sont les six transformations fondamentales qui interviennent en chimie. Nous prendrons pour les détailler l'exemple de l'eau.

Qu'est-ce que le plasma ?
L'état de plasma est considéré comme le quatrième état de la matière. Il se constitue d'ions, d'électron et de molécules. Il se forme quand il y a beaucoup d'énergie dans son milieu.

La condensation solide

La condensation solide est le phénomène qui se produit lorsque de l'eau sous forme de vapeur vient toucher une surface très froide. Par exemple, si l'on souffle sur une vitre gelée, la vapeur d'eau contenue dans notre respiration gèlera instantanément en se transformant en eau solide.

La vaporisation

La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Même si le nom est proche, cela n'a aucun rapport avec le fait de projeter de l'eau avec un vaporisateur. La vaporisation a lieu lorsqu'on laisse évaporer de l'eau au soleil ou quand on la porte à ébullition.

La solidification

La solidification est le phénomène durant lequel l'eau liquide devient solide. Cela se produit quand elle gèle, on parle alors de congélation. L'eau se met à se solidifier une fois qu'elle descend en dessous de 0° C. L'eau peut aussi se solidifier en cas de cristallisation ou d'augmentation de la pression.

La fusion

La fusion intervient lorsque de la glace fond. Par exemple, un glaçon dans un verre d'eau. Il s'agit donc du passage de l'état solide à l'état liquide.

La sublimation

La sublimation intervient quand l'eau passe directement de l'état solide à l'état gazeux. Cela fait que la glace devient vapeur sans même passer par les étapes habituelles de fusion et de vaporisation. Cela peut arriver lorsque de l'eau très chaude entre en contact avec de l'air très froid. Elle part alors en fumée blanche (de la vapeur d'eau).

La liquéfaction

Il s'agit de la transformation inverse de la vaporisation. Elle intervient quand de la vapeur d'eau se transforme en eau liquide. La liquéfaction a lieu soit par compression : la pression qui augmente rends l'eau gazeuse liquide ou par refroidissement et dans ce cas le gaz refroidit pour devenir liquide, c'est la condensation.

Conservation de la masse

Comment fonctionnent les réactions chimiques ?
Antoine Lavoisier, chimiste français à énoncé une règle de conservation de la matière : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Il énonce alors que lors d'une transformation chimique, il y a toujours conservation de masse même si les molécules se divisent pour en former de nouvelles.

Le sirop de menthe et l’eau ont leurs masses identiques. Les molécules d’eau et les molécules de sirop de menthe se retrouvent intégralement, dans le mélange. Leurs nombres et leurs natures ne changent pas. La masse se converse au cours d’un changement d’état car le nombre et la nature des molécules ne changement pas. Conclusion : Au cours d’une transformation physique (changement d’état, mélange,...) : - la masse se conserve - le nombre de molécules de même nature ne change pas.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.