Cohésion de la matière moléculaire
 

I. La molécule.

1. Définition.

Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'atomes liés entre eux par des liaisons covalentes.

2. Longueur des liaisons.

La longueur d'une liaison dans une molécule est la distance entre les centres des deux atomes liés dans cette molécule.

Remarques:

Les longueurs des liaisons sont de l'ordre d'une centaine de picomètres (1pm=10^-12m).
La longueur d'une liaison dans une molécule diatomique A—A est inférieure à la somme des rayons r_a des atomes liés. Ce qui signifie que les nuages électroniques des atomes liés s'interpénètrent. Il en est de même dans une molécule de type A—B (voir schémas ci-dessous).

3. Énergie de liaison.

1. Cas des molécules diatomiques.

1.1 Remarque d'ordre énergétique.

Un système évolue spontanément vers un état de moindre énergie (énergie plus faible). Ce qui correspond à un état plus stable. Donc si deux atomes A et B s'unissent pour former une molécule A—B c'est que cette molécule possède moins d'énergie que les atomes isolés et représente donc un système plus stable que celui formé par les deux atomes isolés.

Inversement, pour dissocier la molécules A—B (casser la liaison A—B) en ses différents atomes A et B il faut lui fournir de l'énergie.

1.2 Définition de l'énergie de liaison (ou énergie de cohésion).

L'énergie de la liaison A—B est l'énergie qu'il faut fournir à une mole de molécules A—B, prise à l'état gazeux, pour les dissocier en leurs atomes constitutifs A et B à l'état gazeux.
L'énergie de liaison est une grandeur positive et s'exprime en J.mol^-1 (ou kJ.mol^-1). On la note en général D _A—B.

Cette énergie correspond à la transformation modélisée par  l'équation:
 

2. Cas des molécules polyatomiques.

2.1 Cas de l'eau.

Il apparaît deux liaisons O—H.

L'énergie moyenne de la liaison O—H est définie comme la moitié de l'énergie à apporter à une mole de molécules d'eau, prises à l'état gazeux, pour la dissocier en ses atomes constitutifs O, H et H à l'état gazeux.

On admet en effet que pour passer de H₂O_(g) à H_(g)+H_(g)+O_(g) il y a deux liaisons O—H à rompre et qu'elles ont la même énergie de liaison.

Cette énergie correspond à la transformation modélisée par l'équation:
 

2.2 Généralisation.

L'énergie de cohésion d'une molécule est égale à la somme des énergies moyennes de chacune de ses liaisons.

Ces énergies moyennes de liaisons sont données dans des tables.
 

II. Les assemblages de molécules.

1. Les états de la matière.

1.1 L'état solide.

A l'état solide, les molécules sont rangées dans l'espace de manière ordonnée, à des distances moyennes constantes et faibles. Un solide possède une forme propre.
L'état solide est un état ordonné.

1.2 L'état liquide.

A l'état liquide, les molécules ne sont plus rangées de façon ordonnée. Elles peuvent glisser les unes sur les autres. Un liquide ne possède pas de forme propre mais prend celle du récipient qui le contient. Les distances entre les molécules sont plus grandes que dans le cas du solide.
L'état liquide est un état désordonné fluide.

1.3 L'état gazeux.

A l'état gazeux, les molécules sont encore plus éloignées les unes des autres que dans les états précédents. Un gaz n'a ni forme propre ni volume propre. Il est expansible (occupe tout le volume qui lui est offert) et il est compressible.
L'état fluide est un état très désordonné et fluide.

2. Energie de cohésion intermoléculaire.

1. Agitation thermique.

Le passage de l'état solide à l'état liquide se caractérise par une augmentation du désordre. L'agitation thermique moléculaire augmente de l'état solide à l'état gazeux.
Cette augmentation de l'agitation thermique à laquelle correspond une augmentation de l'énergie cinétique de chaque molécule est capable de rompre les liens qui retiennent les molécules entre elles. La cohésion de la matière s'en trouve amoindrie.

2. Energie de cohésion.

2.1 Energie de cohésion d'un solide moléculaire.

L'énergie de cohésion d'un solide moléculaire formé de molécules M est l'énergie qu'il faut lui apporter pour dissocier une mole de molécules M à l'état solide en une mole de molécules M à l'état gazeux.
Cette énergie correspond à la transformation modélisée par
 

2.2 Energie de cohésion d'un liquide moléculaire.

L'énergie de cohésion d'un liquide moléculaire formé de molécules M est l'énergie qu'il faut lui apporter pour dissocier une mole de molécules M à l'état liquide en une mole de molécules M à l'état gazeux.
Cette énergie correspond à la transformation modélisée par
 

Remarque: L'énergie de cohésion d'un solide moléculaire est inférieure à l'énergie de cohésion de la molécule constituant le solide comme en témoigne le fait expérimental que l'on peut faire fondre de la glace (eau solide) ou vaporiser de l'eau liquide sans détruire la molécule d'eau.

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