Pour bien comprendre la structure et le comportement des fluides, l’élève doit d’abord saisir que la matière est constituée de particules. Ce qui nous ramène à la notion d’atome et de molécule.
Le philosophe grec Démocrite (vers 400 av.J.-C.) a été l’un des premiers à concevoir l’existence des atomes. Selon lui, le monde était formé de deux substances : le vide et de minuscules particules appelées atomes. En grec, le mot « atomos » veut dire indivisible. L’atome était donc considéré comme la plus petite particule possible de matière. Toujours selon Démocrite, il y avait différents types d’atomes et chacun correspondait à une substance qu'on retrouvait sur la Terre.
Cependant, jusqu’au XVIe siècle, on refusa de croire au concept d’atome en préférant s’en tenir aux enseignements d’un autre philosophe grec, Aristote, qui avait déclaré que la matière était continue, uniforme et composée de seulement quatre éléments : terre, air, eau et feu.
Au début des années 1800, le chercheur britannique Dalton s’attarda à étudier les résultats d’expériences effectuées par d’autres savants tels Antoine Lavoisier et Joseph Proust.
Lavoisier avait découvert que, lors d’une réaction chimique ordinaire, la matière peut être transformée de plusieurs manières mais elle ne peut être créée ni détruite. C’est la loi de la conservation de la masse.
Proust, pour sa part, avait trouvé qu’une substance donnée renferme toujours les mêmes éléments dans un même rapport de masse. Par exemple, pour l’eau (H2O) le rapport entre la masse d’hydrogène et la masse d’oxygène est de 1 : 8 alors que pour le peroxyde d’hydrogène (H2O2), le rapport de masse entre l’hydrogène et l’oxygène est de 1 : 16.
Ce principe se nomme la loi des proportions définies.
Pour expliquer ces deux lois, Dalton proposa une théorie, la théorie atomique de Dalton, qui comprend quatre énoncés :
- Toute matière se compose d’atomes qui sont indestructibles.
- Tous les atomes d’un même élément sont identiques.
- Les atomes de différents éléments ne se ressemblent pas.
- Les atomes se combinent dans des rapports simples (ex. 1 : 2 ou 2 : 3) pour former des composés.
On sait aujourd’hui que les atomes peuvent être détruits lors de réactions nucléaires. De plus, on admet que l’atome n’est plus la plus petite particule de matière. Dans la prochaine section nous allons discuter de la découverte des particules subatomiques, c’est-à-dire des particules qui constituent l’atome.
Les constituants de l’atome
Au milieu du XIXe siècle, des études avec des tubes à rayons cathodiques ont permis aux chercheurs de découvrir que les atomes étaient à leur tour composés de particules plus petites et chargées électriquement. On attribue à J.J. Thomson la découverte des électrons en 1897. On assigne aux électrons une charge négative de valeur ( -1).
Thomson a découvert plus tard, en utilisant encore une fois un tube à rayon cathodique, que les atomes renfermaient aussi des particules chargées positivement, les protons dont la charge est de( +1). Il calcula que la masse du proton était 1836 fois la masse de l’électron.
La découverte du neutron a été réalisée en 1932 par l’anglais James Chadwick. Les neutrons possèdent la même masse que les protons mais n’ont pas de charge électrique.
L’évolution du modèle atomique
Il fallut attendre au début du XXesiècle pour comprendre comment étaient disposés les électrons, protons et neutrons dans un atome. Lord Rutherford et son équipe durant les années 1912-1913 ont exécuté une expérience durant laquelle ils bombardèrent une mince feuille d’or avec des particules alpha qui sont des particules à charge positive. La plupart des particules alpha passaient à travers la feuille d’or sans dévier. Cependant, certaines particules alpha étaient fortement déviées alors que d’autres rebondissaient carrément après avoir frappé la feuille d’or. Rutherford arriva à la conclusion que les atomes sont essentiellement constitués d’espaces vides. Pour expliquer les déviations et le rebondissement des particules alpha, Rutherford émit l’hypothèse que le centre de l’atome était cependant dur et minuscule et renfermait la charge positive (c’est-à-dire les protons).
Ce sont les chercheurs Lord Rutherford et Niels Bohr qui proposèrent que l’atome ressemblait à un minuscule système planétaire (le modèle atomique planétaire) D’après ce modèle, dans un atome, les électrons sont en orbite autour du noyau, un peu comme la Terre est en orbite autour du Soleil. Les électrons qui sont dans l’orbite le plus près du noyau auraient moins d’énergie que ceux qui sont dans les orbites les plus éloignés du noyau.
Avec le développement de la mécanique quantique, on a rejeté le modèle planétaire atomique de Bohr-Rutherford. Aujourd’hui, on reconnaît toujours que les électrons circulent autour du noyau mais non pas dans des orbites fixes comme les planètes. Les électrons se déplaceraient plutôt dans des régions autour du noyau qu'on appelle nuages électriques. Il peut être difficile de s’imaginer à quoi ressemble un nuage électrique. Faisons cependant une analogie avec les palmes d’un ventilateur. Lorsque le ventilateur est arrêté, on distingue facilement les palmes. Si on met les palmes en mouvement, on ne peut plus les distinguer mais elles laissent un tracé continu. Si on pouvait pénétrer à l’intérieur d’un atome pour tenter d’observer les électrons, on ne pourrait distinguer chacun des électrons individuellement. Ils se déplacent à une très grande vitesse et ils laisseraient un tracé en 3D qui ferait penser à un nuage. Toujours selon la mécanique quantique, il y a des régions autour du noyau où l’on a le plus de chance de trouver les électrons. On nomme ces régions les orbitales.
On comprend maintenant que les particules chargées électriquement (protons et électrons) exercent des forces d’attraction qui rendent possibles le états solide et liquide de la matière. En effet, ce sont ces forces d’attraction qui maintiennent les atomes ou les molécules ensemble dans un solide ou un liquide.
La formation des molécules
Les atomes sont souvent instables et dans les fluides les atomes sont la plupart du temps unis à d'autres atomes pour former des molécules. La découverte de la règle de l'octet au XXe siècle nous a permis de comprendre l'existence des molécules. Selon cette règle, un atome cherche à avoir dans son dernier niveau d'énergie huit électrons. À ce moment, l'atome devient stable. Pour compléter leur nombre d'électrons dans leur dernier niveau d'énergie, les atomes peuvent partager une ou plusieurs paires d'électrons. Par exemple, l'atome de chlore possède sept électrons sur son dernier niveau d'énergie. Il va donc partager un électron avec un autre atome de chlore, ce qui aura pour effet de compléter le dernier niveau d'énergie de chaque atome et le rendre stable.
On représentera la molécule de chlore de différentes façons: Cl-Cl (le trait - représente le partage d'une paire d'électrons entre deux atomes de chlore) ou encore Cl2 où l'indice 2 indique qu'il s'agit de deux atomes de chlore unis chimiquement.
