Comparaison moléculaire des gaz, liquides et solides

Les particules dans un solide sont étroitement assemblées (forme fixe) et souvent disposées selon un motif régulier ; dans un liquide, elles sont proches les unes des autres sans arrangement régulier (pas de forme fixe) ; dans un gaz, elles sont très éloignées sans arrangement régulier (pas de forme fixe). Les particules dans un solide vibrent autour de positions fixes (ne peuvent pas circuler) et ne se déplacent généralement pas les unes par rapport aux autres ; dans un liquide, elles se déplacent les unes au-delà des autres (peuvent circuler) mais restent en contact essentiellement constant ; dans un gaz, elles se déplacent indépendamment les unes des autres (peuvent circuler et s’étendre) sauf lorsqu’elles entrent en collision.

Les différences dans les propriétés d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz reflètent les intensités des forces d’attraction entre les atomes, les molécules ou les ions qui composent chaque phase. La phase dans laquelle une substance existe dépend de l’étendue relative de ses forces intermoléculaires (Fim) – les forces électrostatiques d’attraction existant entre les atomes et les molécules d’une substance – et les énergies cinétiques (Ec) de ses molécules. Tandis que les Fim servent à maintenir les particules proches les unes des autres, l’Ec des particules fournit l’énergie nécessaire pour surmonter l’attraction et ainsi augmenter la distance entre les particules. Par exemple, dans un liquide, des forces intermoléculaires d’attraction maintiennent les molécules en contact, bien qu’elles aient encore suffisamment de Ec pour se déplacer les unes au-delà des autres. Pour cette raison, les liquides s’écoulent et prennent la forme de leur récipient.

Selon la théorie cinétique-moléculaire (TCM), la température d’une substance est proportionnelle au Ec moyen de ses particules. La modification de l’énergie cinétique moyenne (température) induit des changements dans l’état physique ainsi que des changements associés au niveau des forces intermoléculaires. Par exemple, lorsque l’eau gazeuse est suffisamment refroidie ou que l’énergie cinétique moyenne des molécules est réduite, l’attraction accrue entre les molécules d’H₂O sera capable de les maintenir ensemble lorsqu’elles entrent en contact les unes avec les autres ; le gaz se condense, formant ainsi de liquide H₂O.  Lorsque le liquide H₂O est refroidi davantage, les forces d’attraction deviennent plus fortes et l’eau gèle pour former de la glace solide.

Dans les cas où les températures ne sont pas trop hautes, les gaz peuvent être liquéfiés par compression (haute pression). Les gaz présentent des forces d’attraction très faibles en raison desquelles les particules sont répandues à de grandes distances les unes des autres. La pression élevée rapproche les molécules d’un gaz, de sorte que les attractions entre les molécules deviennent fortes par rapport à leur Ec. Par conséquent, ils forment des liquides. Le butane, C₄H₁₀, est le combustible utilisé dans les briquets jetables et c’est un gaz à la température et la pression standard. À l’intérieur du compartiment à carburant du briquet, le butane est comprimé à une pression qui entraîne sa condensation à l’état liquide. En outre, si la température d’un liquide devient suffisamment basse ou si la pression sur le liquide devient suffisamment haute, les molécules du liquide n’ont plus assez de Ec pour surmonter les Fim qu’il y a entre elles et un solide se forme.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 10 : Liquides et solides.