L'état liquide

L’état liquide est en quelque sorte un état intermédiaire entre deux extrêmes: l’état solide et l’état gazeux. Les particules dans un liquide restent proches les unes des autres, mais sont mobiles et subissent d’importantes interactions mutuelles.

Lorsque la glace fond, seul 10% des liaisons hydrogène sont rompues. Les 90% restantes se brisent et se reforment continuellement, il y a donc un ordre local à courte distance mais qui ne persiste pas au-delà des particules du voisinage immédiat.

Viscosité

La viscosité d’un liquide est sa résistance à l’écoulement.
Plus la viscosité est élevée, plus l’écoulement est lent.
La viscosité d’un liquide dépend des interactions entre les particules (forces de Van der Waals) mais aussi de la taille et de la forme des particules — ce qui les rend plus ou moins aptes à changer de position lors de l’écoulement du liquide.

Les huiles, caractérisées par de longues chaînes carbonées, sont des molécules apolaires: les forces intermoléculaires sont donc des forces dipôle-instantané (force relativement faibles); mais les longues chaînes carbonées s’enchevêtrent, comme des spaghettis cuits, ce qui rend les huiles visqueuses.
En général, la viscosité des liquides diminue quand la température augmente, parce que les molécules disposent de plus d’énergie cinétique pour se déplacer les unes par rapport aux autres.

Tension superficielle

La tension superficielle est ce qui permet à un objet de tenir à la surface d’un liquide sans couler
— et aux araignées d’eau de marcher sur l’eau.
La tension superficielle est liée aux forces d’interactions dans le liquide: les molécules à la surface du liquide interagissent entre-elles et avec celles qui se trouvent en-dessous, davantage qu’avec les molécules situées au-dessus. Ces forces attirent les molécules à la surface vers le bas et tend à minimiser la surface du liquide. C’est un peu comme si la surface du liquide était recouverte d’une “peau” très tendue.
La surface va exercer une résistance lorsqu’on cherche à augmenter sa taille.
L’énergie à fournir, par unité de surface, pour agrandir cette surface est appellée la tension surficielle.
Cette tension diminue si la température augmente
car l’agitation thermique accrue l’emporte sur les interactions intermoléculaires.

Capillarité

La capillarité également appelée action capillaire, est un phénomène qui se produit lorsqu’un liquide est attiré par la surface d’un solide. Ce phénomène est dû à la tension superficielle du liquide et aux forces d’adhésion et de cohésion entre les molécules du liquide et la surface du solide. Dans l’action capillaire, les molécules liquides sont attirées par la surface solide plus fortement qu’elles ne sont attirées les unes par les autres.

On peut observer la capillarité dans la vie de tous les jours, comme lorsqu’une serviette en papier absorbe du liquide
ou lorsqu’un liquide remonte dans un tube étroit.
Les capillaires sont les plus petits vaisseaux sanguins de notre corps, ils sont si fins qu’ils permettent à l’action capillaire de se produire. La capillarité est la force motrice du mouvement du sang dans les capillaires, qui permet l’échange de nutriments, d’oxygène et de déchets entre le sang et les tissus. Elle joue donc un rôle critique dans le fonctionnement du corps humain.

Pourquoi l’eau mouille

Les forces d’adhésion entre les molécules d’eau, les atomes d’oxygène, et les groupements -OH à la surface du verre ont une intensité comparable aux forces de cohésion entre les molécules du liquide. L’eau va donc maximiser le contact en s’étalant dessus. C’est ce qui explique le phénomène de capillarité.

De manière générale, l’eau a de fortes interactions avec le papier, le bois, le verre et le tissu,
car ces matériaux forment des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau en surface.
Dans un tube étroit, la surface de l’eau est concave: l’eau maximise le contact.

Hydrophobie

Au contraire, les liaisons entre les atomes de mercure sont fortes — elles ont un caractère partiellement covalent. Elles sont plus fortes que les forces d’adhésion entre le mercure et le verre. Dans un tube étroit, la surface du mercure est convexe: le mercure minimise le contact. De manière générale, le mercure ne mouille pas la plupart des surfaces, il s’éparpille en gouttelettes.
Certaines surfaces présentent très peu d’interactions avec des liquides.
C’est le cas du Téflon (un polymère fluoré), qui est utilisé comme recouvrement des poêles antiadhésives.
C’est aussi la raison pour laquelle l’eau s’éparpille en gouttelettes sur des toiles d’araignée.

Lorsqu’une substance présente très peu d’interactions avec l’eau, on dit qu’elle est hydrophobe.

Constante diélectrique

La constante diélectrique, aussi appelée permitivité,
est une grandeur quantifiant la réponse d’une substance donnée à un champ électrique.

Dans un liquide, l’énergie d’interaction entre deux particules chargées sera
diminuée proportionnellement à la constante diélectrique:

Dans le vide, l’énergie d’interaction entre deux particules chargées est le produit
d’une constante k et des charges Q₁ et Q₂, le tout divisé par la distance R qui sépare ces deux charges.

Si ces deux mêmes charges sont placées dans un milieu matériel (comme un liquide),
alors il faut multiplier le dénominateur par la constante diélectrique
La constante diélectrique d’un liquide dépend du moment dipolaire des particules qui le constituent.
- Pour un liquide non polaire, elle est de l’ordre de 2 ou 3.
  Exemple: 1.9 pour l’hexane.
- Pour un liquide polaire, elle est nettement plus élevée.
  Exemple: 26 pour l’éthanol, 78 pour l’eau.
La constante diélectrique de 78 pour l’eau signifie que, dans l’eau, deux ions de charges contraires (comme Na⁺ et Cl^-)
s’attirent mutuellement avec une force qui est 78 fois plus petite que dans le vide.

Dissolution

Les liquides ayant une constante diélectrique élevée sont donc de bons solvants pour les composés ioniques:
les interactions ion-ion des composés ioniques deviennent moindre et sont remplacées par les interactions ion-dipôle — chaque ion s’entoure d’une molécule d’eau. Notons que l’orientation des molécules d’eau dépend de la charge de l’ion.
- La dissociation est le processus dans lequel
  les constituants d’une molécule ou composé se séparent.
- La solvatation (ou hydratation pour l’eau) est le processus dans lequel
  des ions dissous se lient avec une molécule.
- La dissolution est un processus en 3 étapes:
  dissociation du soluté, solvatation du soluté par les molécules du solvant, dipersion du soluté au sein du solvant.

Solubilité

De manière générale,
Les composés polaires sont solubles dans les solvants polaires (ils ont une constante diélectrique élevée).
Mais très peu voire pas solubles dans les solvants peu polaires.

Les composés peu polaires sont eux insolubles dans les solvants polaires.
Mais soluble dans un solvant peu polaire (caractérisé par une faible constante diélectrique).

En bref, les composés polaires sont solubles dans les solvants polaires
et les composés peu ou non polaires, dans les solvants peu ou non polaires.

Électrolytes

Un électrolyte est une substance qui, dissoute dans l’eau, conduit l’électricité par migration d’ions.
Parmi les électrolytes, on distingue 2 classes:
- les électrolytes forts, qui se dissocient presque complètement en ions dans un soluté.
  C’est le cas des acides forts, des bases fortes et de la plupart des sels
- les électrolytes faibles, qui ne se dissocient que partiellement en ions, beaucoup de molécules restant intactes.
  C’est le cas des acides faibles, bases faibles et certains sels (ex: HgCl₂, PbCl₂)
Un non-électrolyte existe presqu’exclusivement sous forme moléculaire, à l’état pur ou en solution.
C’est le cas de la plupart des composés organiques (sauf acides et bases organiques).
À même concentration molaire du soluté,
une solution d’électrolyte fort est plus conductrice qu’une solution d’électrolyte faible.

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