Cohésion de la matière et des solides [cohésion et transformation de la matière]

Pourquoi les molécules ou les ions restent-ils soudées ensemble dans les solides ? Quelles sont les liaisons qui interviennent entre ces entités ?
Voici les questions auxquelles nous allons répondre.

1. Les constituants de la matière

Les protons, les neutrons et les électrons constituent les briques de base de la matière de tout l’Univers ; elles sont appelées particules élémentaires. Toutes les charges électriques sont des multiples entiers de la charge élémentaire e.

Particule	Charge	Masse
Proton	+ e = 1,6.10-19 C	mp = 1,67x10-27 kg
Neutron	0	mn = 1,67x10-27 kg
Electron	- e = -1,6.10-19 C	me = 9,11x10-31 kg

2. Les interactions fondamentales

• L’interaction gravitationnelle entre deux corps A et B est attractive et de portée infinie. Elle est modélisée par une force en N (Newton) qui a pour intensité :

  \[F_{A/B} = F_{B/A} = G.\frac{m_A.m_B}{d^2}\]

avec 

m_A (masse du corps A) et m_B (masse du corps B) en kg.
d (distance entre les corps A et B) en m.
G (constante gravitationnelle) égale à 6,67.10^-11 N.m².kg^-2.  

• L’interaction électromagnétique entre deux charges A et B est attractive lorsque les corps portent des charges de signe contraire ou répulsive lorsque les corps portent des charges de même signe et de portée infinie. Elle est modélisée par une force en N (Newton) qui a pour intensité :

  \[F_{A/B} = F_{B/A} = k.\frac{q_A.q_B}{d^2}\]

avec  
       
q_A (charge du corps A) et q_B (charge du corps B) en C (coulomb).
d (distance entre les corps A et B) en m.
k (constante de coulomb) égale à 9,0.10⁹ N.m².C^-2.  

• L’interaction forte est attractive, très intense et d’une portée très faible, elle assure la cohésion des nucléons dans le noyau.
• L’interaction faible a une portée très faible aussi et intervient dans les nucléons.

3. Transferts thermiques

Lors d’un transfert thermique, le corps chaud cède de l’énergie au corps froid.
Un transfert thermique entraîne une variation de température et/ou un changement d’état.
Une élévation de température est liée à l’augmentation  de l’agitation microscopique des molécules ou des ions appelée agitation thermique.
Dans le cas d’un changement d’état, les interactions entre les particules sont modifiées.
À l’état gazeux, il n’y a pas ou peu d’interactions entre les molécules et les ions.
L’état gazeux est très désordonné. Les états liquides et solides sont plus condensés et ordonnés que l’état gazeux.
Il existe en outre, des interactions non négligeables entre les molécules et les ions qui en assurent la cohésion.

Plus les interactions intermoléculaires sont importantes, plus les températures de changements d’états sont élevées.

4. Cohésion des solides ioniques

Un solide ionique est constitué d’anions (-) et de cations (+) disposés de manière régulière.

La cohésion des solides ioniques est assurée par l’interaction électrostatique (ou électromagnétique)  selon la loi de coulomb.

L’attraction des ions de charges de signes contraires l’emporte sur la répulsion entre les ions de charges de signes identiques. Cette cohésion est assez forte. Les températures de changements d’états sont donc assez élevées.

5. Cohésion des solides moléculaires

Les interactions intermoléculaires qui assurent la cohésion des solides moléculaires sont de deux types :

• Les interactions de Van der Waals.
• Les liaisons hydrogène (existent uniquement entre un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor et un autre atome d’oxygène, d’azote ou de fluor).

Les interactions qui assurent la cohésion des solides moléculaires sont plus faibles que celles qui assurent la cohésion des solides ioniques d’où des températures de changement d’état plus faibles également. Les interactions de Van der Waals sont plus faibles que les liaisons hydrogène d’où des températures de changement d’état plus faibles aussi.

Cohésion de la matière Les interactions fondamentales expliquent la cohésion de la matière aux différentes échelles.

Nom	Echelle	Ordre de grandeur (m)	Interaction prédominante
Voie lactée	Echelle Astronomique	1021	Interaction gravitationnelle
Système solaire	Echelle Astronomique	1013	Interaction gravitationnelle
Terre	Echelle atomique et humaine	107	Interaction électromagnétique
Homme	Echelle atomique et humaine	1	Interaction électromagnétique
Cellule	Echelle atomique et humaine	10-5	Interaction électromagnétique
Atome	Echelle atomique et humaine	10-10	Interaction électromagnétique
Noyau	Echelle du noyau	10-15	Interaction forte et faible

Rappels sur les préfixes d’unités appliqués aux mètres

1 km = 103 m (kilo)	1 mm = 10-3 m (milli)
1Mm = 106 m (méga)	1 μm = 10-6 m (micro)
1Gm = 109 m (giga)	1 nm = 10-9 m (nano)
1 Tm = 1012 m (téra)	1 pm = 10-12 m (pico)