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									                          LES ÉTATS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE
                                                   PLAN



                     GENERALITES

                     FORCES INTERMOLÉCULAIRES
                         Forces d'attraction intermoléculaire
                             interactions dues aux dipôles et liaisons hydrogène

                         Forces de répulsion intermoléculaire

                     AGITATION MOLÉCULAIRE ET MOUVEMENT BROWNIEN

                     ÉNERGIE TOTALE D'UNE MOLÉCULE ET
                      ÉTATS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE : GAZEUX, LIQUIDE, SOLIDE




PCEM1 – Biophysique                                -1-
                          LES ÉTATS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE

           CORPS PUR : assemblage d'un très grand nombre de molécules identiques



          QUANTITÉ D'UN CORPS PUR
                  compter le nombre de molécules qui le composent
                  "mole": N molécules, avec N nombre d'Avogadro (N = 6,02.1023)
                           abréviation = mol (mmol, mol, ...)
                  "masse molaire" = masse de 1 mole d'un corps pur,
                 exprimée en daltons (1/12 de la masse de l'atome de C12)


           DIFFÉRENTS ÉTATS CONTIENNENT LES MÊMES MOLÉCULES
            La différence de "comportement" est due aux différences de liaisons
            intermoléculaires.

PCEM1 – Biophysique                          -2-
                Les molécules sont soumises à deux tendances opposées :

        Tendance au rassemblement :
        forces d'attraction intermoléculaire (forces de Van der Waals) :
                . essentiellement électrostatiques
                . dues à la présence de charges (ionisation) ou de dipôles
        forces de répulsion intermoléculaire (forces de Born ou de Pauli) :

                . enchevêtrement des nuages électroniques
        résultante de ces forces : forces de liaison



       Tendance à la dispersion :
        Phénomène d'agitation "thermique", désordonnée (mouvement brownien) énergie
        cinétique moyenne est proportionnelle à la température absolue

        (la constante de proportionnalité est la constante de Boltzmann k = 1,38 10-23)

PCEM1 – Biophysique                         -3-
                               ENERGIE DE LIAISON




           Energie qu'il faut fournir pour séparer deux molécules, pour les amener
           de leur distance actuelle (r0, rayon de Van der Waals) à l'infini (eV à
           l'échelle moléculaire et kJ.mol-1 à l'échelle macroscopique).


           L'énergie de liaison dépend de la somme des forces d'attraction (qui
           diminuent en 1/r7) et des forces de répulsion (qui diminuent en 1/r13)



               r0 : distance inter-moléculaire

PCEM1 – Biophysique                          -4-
                      FORCES D'ATTRACTION INTER-MOLÉCULAIRES


        forces de liaison physique (Van der Waals), de "faible énergie" (0,5 à
        20 kJ.mol-1), d'interactions réversibles


                                par opposition aux


        forces de liaison chimique (covalente ou ionique), de "forte énergie"
        (400 - 800 kJ.mol-1), d'interactions intra-moléculaires, "figeant"
        l'édifice moléculaire.




PCEM1 – Biophysique                      -5-
                                 CH3
                           CH3         CH3
                      OH          N
                                 CH2                        Acétylcholine
                                 CH2                        15 kJ/mole
                                  O
                            O C
                                                            électrostatique
                      NH
                                 CH3


                                  HF
                                                  O
                                      O               CH3
                      OH     F        P   O CH
                                                      CH3
                                                            Di-isopropyl-Fluoro-Phosphate
                                      O                     300 kJ/mole
                                          CH3
                                  CH
                                          CH3               liaison covalente
                      NH




                             Acétylcholinestérase

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                                 LES DIPÔLES ÉLECTRIQUES


               Molécules électriquement neutres mais dissymétrie de la
                répartition des charges positive et négative sur des groupes
                d'atomes constitutifs d'une molécule

               Moment dipolaire: grandeur vectorielle, orientée de la charge négative (q-)
                vers la charge positive (q+), espacées d'une distance d, de module q.d
                (Coulomb.mètre; C.m)

                                                              d
                 3 catégories de dipôles:
                         permanents                   q-           q+         q.d
                         induits
                         instantanés


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                      DIPÔLES PERMANENTS (ex. : molécules polaires)

      Lorsqu'un atome hydrogène, lié à un atome électronégatif et de petite taille (O-
      H, N-H), se trouve à proximité d'un autre atome électronégatif, il se forme une
      liaison électrostatique, plus forte que celle des autres interactions dipôle -
      dipôle, appelée "Liaison hydrogène".

      Les atomes de N, O et F sont respectivement porteurs de 1, 2 et 3 doublets
      non liants, préférentiellement localisés dans certaines directions. La liaison
      hydrogène est donc orientée.

                                CO               HCl           NH3             H2O
                 Moment
                Dipolaire       0,12             1,03          1,50            1,84
               (10-30 C.m)


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                                     Un cas particulier, l'eau

   les doublets électroniques des deux liaisons O-H sont beaucoup plus attirés
   par l'oxygène que par les atomes d'hydrogène. Les deux dipôles ainsi créés
   se composent en un dipôle résultant.



                              H 2O     H
                                       (+)

                      O (-)          104°28          -d          +d


                                       (+)
                                       H
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                      Proton




                                                      P

                                             N



                           Noyau
                         d'oxygène                                    Proton
                        SCHEMA DE LA MOLECULE POLAIRE H2O
    Les régions hachurées représentent les domaines de localisation des deux électrons p de
                   l’oxygène et des deux électrons s des atomes hydrogène
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                                                   1




                      STRUCTURE TETRAEDRIQUE DE LA GLACE
                         Les liaisons hydrogène sont figurées par des croix
                                          hydrogène        oxygène
PCEM1 – Biophysique                       - 11 -
               Quelques conséquences des liaisons hydrogène

            Températures de fusion et d’ébullition élevées

           Viscosité élévée (le glycérol possède 3 groupes OH dans sa molécule)


            Solubilité mutuelle des composés polaires (alcool et eau)

            Dureté (le saccharose présente 8 groupes OH dans sa molécule)


            Chélation (liaison hydrogène entre 2 parties de la même molécule)




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                                         EXEMPLES DE LIAISONS HYDROGÈNE


                 EAU                                     MOLECULE DE DNA
                  H                      H
                                                         Pyrimidines                                 Purines
                    -                                                                           H
                  Od                     O
                        d+                                     H
             H          H            H           H                             O       H   N               N           H
                                                          H    C    H
                               O                     O                                                             C
                                                                    C      C                    C     C
                                                     H                                                             N
                               H                           H   C               N   H        N              C
                                                                    N      C                    C     N
                                H+
                                d                                                           H
                  H     O            O       H                                 O
                                     -
                                     d
                                H                        Thymine                                     Adénine

                                                                           H
                                                                               N   H        O                  N       H
                                                                H
                                                                                                                   C
                 CHELATION                                             C   C                     C     C
                                          H                                                                        N
                                                           H       C           N       H     N             C
                                          C                            N   C                     C     N
                                                 O
                                                                               O       H     N
                                                 H
                                          O                                                      H
                                                           Cytosine                        Guanine
                             Aldéhyde salicyclique


PCEM1 – Biophysique                                            - 13 -
                      DIPÔLES INDUITS (ex : mélanges de gaz ou solutions)

        Molécule dont la répartition spatiale des électrons devient
        dissymétrique sous l'action du champ électrique d'un dipôle permanent
        (ou d'un ion)

                            attraction des électrons            répulsion des électrons




                         dipôle induit           dipôle permanent         dipôle induit
                                                    (inducteur)
       L'intensité du dipole dépend de l'intensité du champ et de le polarisabilité
       de la molécule
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+                                 -                           +




                      dipôle                            ion
                       LIGNES DE FORCE DU CHAMP ELECTRIQUE CRÉÉ
                         PAR UNE MOLECULE DIPOLE ET PAR UN ION
PCEM1 – Biophysique                     - 15 -
                      DIPÔLES INSTANTANÉS (ex : gaz rares)
     La répartition du nuage électronique n'est symétrique qu'en moyenne dans le
     temps et des dissymétries "instantanées", dues aux mouvements des électrons
     à l'intérieur de la molécule, durant un temps très court, peuvent induire des
     "dipôles instantanés".
     Les mouvements d'électrons sont assimilables à de petits dipoles.
     Les forces attractives (forces de London) sont "électrodynamiques", le dipôle
     moyen est nul.


                                              .     -
                                                     e-    .       e-


                                   .                                 .
                                           noyau                           noyau
                      Dipôle instantané : l'électron négatif et le noyau positif forment
                              un dipôle dont l'orientation varie dans le temps.

PCEM1 – Biophysique                               - 16 -
            Contribution partielle des liaisons à l’état liquide



                          dipôle              dipôle     dipôle
                         Hydrogène            Induit   Instantané

         Eau (H2O)          51 %              42 %        7%

         CH3-COOH           43 %              14 %       43 %

         R-(CH2)-CH3        0%                 0%       100 %




PCEM1 – Biophysique                  - 17 -
               LES FORCES DE RÉPULSION INTERMOLÉCULAIRES

                     Les forces d'attraction entre dipôles n'agissent qu'à très
                      courte distance (3 à 4 diamètres moléculaires) et
                      décroissent en 1/r7.

                     Les molécules ne peuvent cependant se rapprocher
                      indéfiniment en raison de l'interpénétration des nuages
                      électroniques et de la répulsion des noyaux entre eux.


                     Les forces de répulsion (dites Born ou de Pauli) décroissent
                      encore plus vite avec la distance (variation en 1/r13) que les
                      forces d'attraction et sont négligeables au delà d'une distance
                      égale à environ 1,25 diamètre moléculaire


PCEM1 – Biophysique                              - 18 -
                                         F
                                                                 Force de répulsion     (  1/r13)

    F, force de liaison                                                         1,25 Ø moléculaire
     intermoléculaire                    O
                                                      rm                                                r
                                                               Résultante


                                                                           Force d'attraction (     1/r7)
    E, énergie
    potentielle                                            Variation des forces d'interaction intermoléculaire
                                                           avec la distance r.
    du système                           E




    F=-dE/dr                                          rm                                                r

                          Energie de
                          dissociation

                                                              Variation de l'énergie potentielle avec la distance
                                                              intermoléculaire r.
                                   Em
                                                               rm = distance d'équilibre
                                                               Em = énergie de liaison



PCEM1 – Biophysique                          - 19 -
                         Forces de liaison intermoléculaire

                     Les forces attractives et répulsives s'équilibrent pour une
                      distance donnée (rayon de Van der Waals). Il s'agit d'une
                      position moyenne, car les molécules se déplacent en
                      permanence.
                     L'énergie potentielle du système est alors à son minimum.
                                                                                   o
                      Atome                                rayon de Van der Waals (A)

                         H                                           1,2
                         N                                           1,5
                         O                                           1,4
                         P                                           1,9
                         S                                           2,85

PCEM1 – Biophysique                               - 20 -
         TENDANCE A LA DISPERSION : AGITATION MOLÉCULAIRE

   Mouvement brownien :

                 Agitation incessante, désordonnée des grains de poussière dans le
                  rayon de soleil éclairant une pièce sombre

                 "Danse" de particules microscopiques (des milliards d'atomes) en
                  suspension dans un liquide


           Expression macroscopique de l'agitation moléculaire (A. Einstein, J. Perrin):
           Le libre parcours moyen (distance fixe par unité de temps) témoigne d'une
           énergie cinétique moyenne directement proportionnelle à la température
           absolue.

           La constante de proportionnalité fait intervenir la constante de Boltzmann
              (k = 1,38.10-23 Joule par degré ou J.K-1)

PCEM1 – Biophysique                             - 21 -
                                     MOUVEMENT BROWNIEN

          Chaque segment de droite correspond au
          libre parcours entre 2 chocs particulaires




                                                            t=0
                                                                                  d
                                                                                                 t
                                                                d, distance parcourue au bout du temps t

                                                                                   d= 6Dt

                                                                    D, coefficient de diffusion (m2/s)


PCEM1 – Biophysique                                    - 22 -
                      solide        liquide   gaz

PCEM1 – Biophysique            - 23 -
                              ÉNERGIE TOTALE D'UNE MOLÉCULE


                                    ET = EL + ETRANS + EROT + EVIB

                      Agitation moléculaire ne cesse qu'au zéro absolu (base de la théorie
                       cinétique des gaz: notions de pression, diffusion, conduction de la
                       chaleur,...)

                     Comportement macroscopique d'une population de molécules dépend
                      essentiellement de l'importance respective des énergies de liaison (EL) et
                      de translation (ETRANS)

                     Suivant la tendance prédominante, on distingue trois états physiques
                      fondamentaux de la matière : solide, liquide, gazeux


PCEM1 – Biophysique                                 - 24 -
                             ÉTAT SOLIDE : EL >> ETRANS

                     Les molécules ne peuvent se séparer les unes des autres

                     L'énergie cinétique d'agitation thermique ne se traduit que par des
                      rotations et des vibrations autour d'une position moyenne fixe.

                     C'est un état condensé (cohérent), ordonné (cristallin) ou désordonné
                      (amorphe), ayant une forme propre.




                                 solide cristallin             liquide ou solide amorphe

PCEM1 – Biophysique                                  - 25 -
                          ÉTAT GAZEUX : ETRANS >> EL

               Les molécules sont très indépendantes les unes des autres
                       gaz parfait : molécules, faiblement concentrées (pression
                        faible), ont des volumes faibles par rapport au volume offert
                        (molécules "ponctuelles", sans interaction entre elles)
                        EROT et EVIB sont négligeables devant ETRANS

                       gaz réel : molécules plus concentrées (pression forte), voire
                        plus grosses, occupant une partie non négligeable du volume
                        offert (interactions possibles)

               C'est un état non condensé (non cohérent ou dispersé), totalement
                désordonné, sans forme propre (fluide)


PCEM1 – Biophysique                            - 26 -
                  ÉTAT LIQUIDE : ETRANS et EL du même ordre de grandeur


                     Les molécules sont au contact les unes des autres mais, si elles sont
                      capables de quitter l'interaction de leur voisine, elles retombent
                      cependant immédiatement sous l'emprise d'une molécule proche (pas
                      d'arrachement)


                      C'est un état condensé (cohérent) avec un certain ordre à courte
                       distance, mais désordonné (à grande distance), sans forme propre
                       (fluide)


                      Glissement des molécules entre elles, mais état incompressible.



PCEM1 – Biophysique                                - 27 -
         1. En assimilant à un cube le volume moyen alloué à une molécule de gaz parfait, dans
         les conditions normales de température et de pression, on peut estimer la distance entre
         deux molécules à 30 Å environ.




     2. Les molécules d'un gaz à la pression               3. Les molécules de liquide, situées en
     normale, situées en moyenne à 30 Å l'une              moyenne à 3 Å l'une de l'autre, sont
     de l'autre, sont très espacées: la densité est        tassées les unes contre les autres: la
     faible                                                densité est élevée

PCEM1 – Biophysique                               - 28 -
                                 états condensés                                                    état non condensé

               état ordonné                                                    états non ordonnés




             solide cristallin                     liquide ou solide amorphe                             gaz




PCEM1 – Biophysique                                        - 29 -
                      LES ÉTATS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE




                                  non fluide       fluide

              Cohérent            SOLIDE         LIQUIDE

              Non cohérent                         GAZ




PCEM1 – Biophysique                  - 30 -
                         CHANGEMENTS D'ÉTAT
      Si on chauffe un solide (EL >> ETRANS), on augmente progressivement ETRANS
      qui devient du même ordre de grandeur que EL avec passage à l'état liquide, puis
      si on chauffe encore on passe à l'état gazeux (ETRANS >> EL)


                         T                        ETAT
                                                 GAZEUX

                                    vaporisation            condensation


                             sublimation            ETAT            condensation
                                                   LIQUIDE

                                     fusion              solidification


                                                    ETAT
                                                   SOLIDE


PCEM1 – Biophysique                           - 31 -
                      TRANSFORMATIONS RÉCIPROQUES LIQUIDE-SOLIDE

                                    q
                                                                          D
                                                                   L
                                                B        S+L
                          qF = qS                               C
                                            S
                                        A                  surfusion, lors du refroidissement


                                                                  temps
    BC : la constance de la température signifie que les calories ne servent plus à
     échauffer le solide mais sont utilisées pour le faire fondre
    qF, température de fusion du solide est aussi la température de solidification qS
     du liquide correspondant
    Chaleur latente de fusion LF: nombre de calories pour transformer 1 g de solide en
     liquide à la température de fusion (ex : LF = 80 cal.g-1 pour la glace)
PCEM1 – Biophysique                             - 32 -
         INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LA TEMPÉRATURE DE FUSION qF


                                           P

                                                   S

                                                                L

                                                                          qF
                Tout le long de la courbe, il y a équilibre entre le solide et le liquide
                Pour chaque couple Pression-Température, le plan définit les conditions dans
                 lesquelles un corps donné est à l'état solide ou liquide, ou présent dans les deux
                 états (le long de la courbe)
                De manière générale, qF augmente avec P

PCEM1 – Biophysique                                    - 33 -
                      TRANSFORMATIONS RÉCIPROQUES LIQUIDE-GAZ

        Liquide  gaz = VAPORISATION

    -      EVAPORATION : vaporisation en atmosphère gazeuse ou dans le vide


     - ÉBULLITION             : vaporisation avec formation de bulles dans le liquide
                                 vaporisation rapide
                                 Patm = Pgaz



        Gaz  liquide = LIQUÉFACTION


PCEM1 – Biophysique                          - 34 -
    TRANSFORMATIONS RÉCIPROQUES LIQUIDE-GAZ : 1. ÉVAPORATION

                 Vaporisation en atmosphère gazeuse ou dans le vide :
                  Les molécules de liquide quittent sa surface jusqu'à ce que la
                  pression partielle de "sa" vapeur dans l'atmosphère qui surmonte le
                  liquide soit égale à la pression (« tension ») saturante de vapeur, (f).

                 f est la pression maximale de vapeur pour une température donnée.
                  Au-delà de cette pression, certaines molécules sont également sous
                  forme liquide, et pas uniquement gazeuse

                 Si l’atmosphère est illimitée, l’évaporation est totale.

                 Chaleur latente de vaporisation (LV) ou de condensation (gaz 
                  liquide): nombre de calories nécessaires pour transformer 1 g de
                  liquide en vapeur à la température de vaporisation
                   (ex : LV = 537 cal.g-1 à 37°C pour l'eau)

PCEM1 – Biophysique                            - 35 -
                                            VAPORISATION

                                                                A   B


                                                                        f
                      h = p ression atmosphérique           h
                      f = tension de vapeur saturante




     L'éther, instantanément vaporisé à température ambiante, provoque une baisse
     du niveau de mercure (pression)
     A- Si tout est vaporisé : "vapeur sèche"
     B- Si tout n'est pas vaporisé (une nouvelle goutte introduite reste liquide): le
     niveau ne baisse plus, la vapeur est en contact avec son liquide, on a atteint la
     "vapeur saturante" à la température considérée

PCEM1 – Biophysique                                - 36 -
        INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE



                                                     q                          f
                                           (température en degrés (pression de valeur saturante
       f                                          Celsius)               en mm de Hg))
                      L
                                                       0                       4,6
                                                      20                      17,5
                          +L
                          V


                                                      37                       47
                               V                      50                       92
                                                      80                      535
                                                     100                      750
                                   q
                                                               EAU

     Influence de la température (q) sur
     la pression de vapeur saturante (f)


PCEM1 – Biophysique                         - 37 -
      TRANSFORMATIONS RÉCIPROQUES LIQUIDE-GAZ : 2. EBULLITION

                                     q


                                                                 V
                                   qE            B       L+V
                                                                 C
                                            L
                                            A
                                                               temps
         Ébullition :
          - vaporisation par formation de bulles à l’intérieur du liquide
          - la pression gazeuse dans les bulles est égale à la pression atmosphérique
          au-dessus du liquide (pression de vapeur saturante à la température
          d'ébullition qE )
         La température d’ébullition (qE) est la température de la vapeur au voisinage du
          liquide: elle diminue quand la pression au-dessus du liquide baisse et inversement

PCEM1 – Biophysique                             - 38 -
PCEM1 – Biophysique   - 39 -

								
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