États de la matière, changements d'état et propriétés de l'eau

Organisation moléculaire des états de la matière

Un état physique décrit l'organisation microscopique d'un ensemble de particules et les propriétés macroscopiques qui en résultent. Il dépend de la compétition entre deux tendances :

• l'agitation thermique, qui désordonne et éloigne les particules ;
• les interactions intermoléculaires, qui tendent à les rapprocher et à maintenir leur cohésion.

La température mesure le niveau d'agitation thermique. Lorsque celle-ci devient prépondérante, la matière évolue vers un état plus dispersé. À l'inverse, lorsque les interactions dominent, la matière adopte un état plus condensé et plus ordonné.

État solide

Dans un solide, les particules sont proches et fortement liées à leurs voisines. Elles ne se déplacent pas librement les unes par rapport aux autres, mais vibrent autour d'une position moyenne.

Cette organisation explique qu'un solide possède un volume propre et résiste à la déformation. Il est peu compressible, car ses particules sont déjà très rapprochées.

Un solide cristallin présente une organisation régulière et périodique à longue distance. Un solide amorphe ne possède pas cette périodicité, bien que ses particules restent peu mobiles.

État liquide

Dans un liquide, les particules restent proches grâce aux interactions intermoléculaires, mais elles peuvent changer de voisines et se déplacer les unes par rapport aux autres. Le liquide conserve donc un volume propre tout en épousant la forme du récipient.

Sa faible compressibilité provient de la faible distance séparant les particules. Sa capacité à s'écouler résulte de leur mobilité relative. La viscosité traduit la résistance interne du liquide à cet écoulement.

État gazeux

Dans un gaz, les particules sont très éloignées et se déplacent de manière désordonnée. Leurs interactions sont généralement faibles devant leur énergie d'agitation thermique, sauf au cours de collisions.

Un gaz ne possède ni forme propre ni volume propre. Il occupe tout le volume disponible et reste fortement compressible, car les distances intermoléculaires peuvent être réduites.

Structure et propriétés moléculaires de l'eau

Une molécule polaire

La molécule d'eau $\ce{H2O}$ comporte un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène. L'oxygène attire plus fortement les électrons des liaisons covalentes : il porte une charge partielle négative, notée $\delta^-$, tandis que les hydrogènes portent chacun une charge partielle positive, notée $\delta^+$.

La géométrie coudée de la molécule empêche les effets électriques des deux liaisons de se compenser. L'eau possède donc un moment dipolaire permanent.

Entre deux molécules d'eau, l'hydrogène partiellement positif de l'une peut interagir avec l'oxygène partiellement négatif de l'autre. Cette interaction constitue une liaison hydrogène. Individuellement plus faible qu'une liaison covalente, elle devient déterminante lorsqu'un grand nombre de molécules sont associées.

Le réseau transitoire de liaisons hydrogène confère à l'eau :

• une forte cohésion ;
• une capacité thermique massique élevée ;
• des chaleurs latentes importantes ;
• un fort pouvoir de solvatation envers les espèces ioniques ou polaires.

Solvatation des ions

Au voisinage d'un cation, les molécules d'eau orientent préférentiellement leur pôle oxygène $\delta^-$. Autour d'un anion, elles orientent leurs pôles hydrogène $\delta^+$. Cette orientation forme une couche d'hydratation qui stabilise l'ion dispersé dans le liquide.

La dissolution d'un solide ionique dépend d'un bilan énergétique. Il faut fournir de l'énergie pour séparer les ions initialement associés, mais l'établissement d'interactions ion-dipôle avec l'eau libère de l'énergie. La dissolution est favorisée lorsque la stabilisation par hydratation compense suffisamment la rupture des interactions initiales.