États de la matière

Origine de la pression gazeuse

Les molécules de gaz se déplacent rapidement dans toutes les directions. Elles continuent de heurter – entrer en collision 碰撞 avec – les parois de leur contenant. Chaque impact exerce une petite poussée sur la paroi. La pression 压强 du gaz est le résultat global de ces multiples collisions sur les parois.

Gaz idéaux

Un gaz idéal 理想气体 est un modèle simplifié. Nous supposons deux choses :

• les particules elles-mêmes occupent un volume nul.
• il n'y a pas de forces intermoléculaires 分子间作用力 d'attraction entre les particules.

Un gaz réel 实际气体 suit ce modèle étroitement à basse pression et haute température. Il se comporte le moins comme un gaz idéal à haute pression et basse température, lorsque les particules sont comprimées ensemble et que les forces entre elles commencent à avoir de l'importance.

Équation des gaz parfaits

L'équation des gaz parfaits 理想气体方程 relie la pression, le volume, la quantité et la température :

où $p$ est la pression en Pa, $V$ est le volume en $\text{m}^3$, $n$ est la quantité en moles, $T$ est la température en kelvin 开尔文 (K), et $R$ est la constante des gaz 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

Toujours convertir les unités d'abord : °C en K (ajouter 273), et $\text{cm}^3$ ou $\text{dm}^3$ en $\text{m}^3$.

Exemple résolu. Trouvez le volume de $0.50\ \text{mol}$ d'un gaz idéal à $27\ ^{\circ}\text{C}$ et $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convertissez d'abord : $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Puis

Vous pouvez également utiliser l'équation pour trouver une masse molaire 摩尔质量. Puisque $n = m/M$ :

Cela vous permet de calculer $M_r$ à partir de la masse (ou de la densité) d'un gaz.

Exemple résolu. Un ballon contient $0.96\ \text{g}$ d'un gaz dans $600\ \text{cm}^3$ à $100\ \text{kPa}$ et $27\ ^{\circ}\text{C}$. Trouvez la masse molaire du gaz. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convertissez : $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Puis

Le comportement d'une substance dépend de la façon dont ses particules sont liées. Il existe quatre structures principales de solide cristallin 晶体.

Ionique géant

Une structure ionique géante 离子晶体 est un vaste réseau régulier lattice 晶格 d'ions 离子 positifs et négatifs, maintenus ensemble par une forte attraction dans toutes les directions. Exemples : chlorure de sodium et oxyde de magnésium.

Moléculaire simple

Une structure moléculaire simple 分子晶体 est constituée de petites molécules 分子. Les liaisons à l'intérieur de chaque molécule sont fortes, mais les forces intermoléculaires entre les molécules sont faibles. Exemples : iode ($\text{I}_2$), fullerène 富勒烯 ($\text{C}_{60}$) et glace.

Moléculaire géante

Une structure moléculaire géante 原子晶体 (aussi appelée réseau covalent géant) est un vaste réseau d'atomes liés par de fortes liaisons covalentes 共价键. Exemples : oxyde de silicium(IV) 二氧化硅, graphite 石墨 et diamant 金刚石.

Métallique géant

Une structure métallique géante 金属晶体 est un réseau d'ions métalliques positifs dans une « mer » d'électrons délocalisés 离域电子. Exemple : cuivre.

Propriétés physiques

La structure détermine les propriétés physiques :

• Le point de fusion 熔点 et le point d'ébullition 沸点 sont élevés lorsque des forces fortes (ioniques, covalentes ou métalliques) doivent être rompues, et faibles lorsqu'on ne brise que de faibles forces intermoléculaires.
• La conductivité électrique 导电性 nécessite des particules chargées capables de se déplacer — des ions libres (à l'état fondu ou dissous) ou des électrons délocalisés. Le graphite conduit car certains de ses électrons sont délocalisés.
• La solubilité 溶解度 dans l'eau est généralement élevée pour les solides ioniques et faible pour les solides moléculaires et covalents géants.

On peut aussi procéder à l'envers : à partir du point de fusion, de la conductivité et de la solubilité d'une substance inconnue, déduire son type de structure et de liaison.

• Utiliser les unités SI en $pV = nRT$ : pression en Pa, volume en $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), température en K ($^\circ\text{C} + 273$).
• Énoncer les hypothèses du gaz parfait (volume moléculaire négligeable, pas de forces intermoléculaires) et quand les gaz réels s'en écartent (haute pression, basse température).
• Relier chaque propriété à la structure : ionique géant (m.p. élevé, conduit à l'état fondu), covalent géant (m.p. très élevé), moléculaire simple (m.p. faible), métallique géant (conduit, malléable).
• Le graphite conduit car chaque atome de carbone a un électron délocalisé ; le diamant ne conduit pas — comparaison fréquente.