MATIÈRE (physique) État gazeux
Les gaz réels en équilibre thermodynamique
Forces intermoléculaires
La nature des forces intermoléculaires est d'origine électromagnétique et résulte de l'existence de charges électroniques et nucléaires. L'interaction entre deux molécules séparées par la distance r s'exprime par l'énergie potentielle V(r) ou par la force F(r) reliée au potentiel par :
Énergie d'interaction de deux molécules
Encyclopædia Universalis France
En général, V(r) et F(r) dépendent également de l'orientation relative des molécules. Le potentiel intermoléculaire V(r) possède la forme générale représentée sur la figure 3. Cette forme traduit l'existence de forces attractives à longue portée (r ~ 1 nm) et répulsives à courte portée (r ~ 0,1 nm). Les premières, appelées forces de Van der Waals, sont responsables de la condensation des gaz lorsque leur température est suffisamment basse. Les secondes sont à l'origine de la compressibilité limitée de la matière condensée. L'idée que les molécules se repoussent à courte distance et s'attirent à longue distance a été proposée pour la première fois par le physicien allemand Rudolf Clausius en 1857. Mais ce n'est que grâce à la mécanique quantique qu'on a pu arriver, vers 1930, à une compréhension satisfaisante de la nature des forces intermoléculaires. Leur description précise, entreprise depuis le début des années 1960, est l'un des objectifs majeurs de la physique moléculaire.
Forces attractives
Un atome, ou une molécule, constitue une distribution de charges caractérisée par ses moments multipolaires :
L'énergie potentielle d'interaction s'exprime par une série de termes faisant intervenir les moments d'ordres croissants et l'orientation relative des molécules. Le premier terme non nul décrivant l'interaction entre deux molécules neutres fait intervenir leurs moments dipolaires MA1 et MB1. Dans un gaz, la moyenne de l'énergie d'interaction dipôle-dipôle effectuée sur toutes les orientations possibles vaut :
Les termes suivants, décrivant les interactions dipôle-quadrupôle, quadrupôle-quadrupôle..., sont en général plus faibles. Les forces attractives entre multipôles permanents constituent les forces d'orientation.
En présence d'un champ électrique E, la distribution de charge d'une molécule est modifiée. Il apparaît un moment dipolaire induit μ = αE, où α est la polarisabilité de la molécule dont l'ordre de grandeur est 4πε0 fois son volume, soit 10—40 F.m2. Il en résulte une interaction dipôle-dipôle induit dont l'énergie moyenne a pour expression :
Une molécule dépourvue de moments électriques permanents possède néanmoins un moment dipolaire instantané résultant du mouvement des électrons par rapport aux noyaux. Bien que la valeur de ce moment soit nulle en moyenne, la valeur moyenne du produit des moments de deux molécules voisines ne l'est pas. L'énergie d'interaction qui résulte de cet effet purement quantique vaut en première approximation :
Les forces de Van der Waals sont très faibles par rapport aux forces intramoléculaires. Dans une molécule stable, l'énergie de liaison[...]
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Écrit par
- Henri DUBOST : docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S.
- Jean-Marie FLAUD : docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S.
Classification
Médias
États désordonnés de la matière
Encyclopædia Universalis France
Représentation du diagramme de phase d'un corps pur
Encyclopædia Universalis France
Température d'ébullition des gaz rares
Encyclopædia Universalis France
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