En regardant une dune dans le désert, on ne s’aperçoit pas qu’elle est faite d’une multitude de minuscules grains de sable...
Dès l’antiquité, des savants ont pensé que cela pouvait être la même chose pour toute la matière : même si on ne les voit pas, la matière est faite de grains, les molécules.

Il a fallut attendre le 20ème siècle pour réussir à observer ces grains de matière et valider ainsi leur existence. Avant, ils ne furent qu’un modèle théorique, c’est-à-dire une simple idée... Et pour savoir si une idée est intéressante, il faut regarder le nombre d

e phénomènes qu’elle permet de comprendre, c’est sa puissance explicative. Et dans le cas des molécules, il y en a beaucoup.

Même si c’est largement anachronique, on va utiliser les légos pour certaines explications. On va faire comme si la matière est un grand jeu de légo.

Les changements d’état

Première énigme que notre petit modèle permet de résoudre : comment se fait-il que lors d’un changement d’état, l’aspect et les propriétés de la matière changent tellement alors que la masse ne bouge pas d’un poil ?
C’est tout simple avec les molécules... Faisons un gros cube avec nos petits légo-molécules. C’est l’état solide : compact et ordonné, on peut le saisir d’un bloc.

Si on détache toutes les pièces du cube et qu’on les laisse en vrac dans un sac, on a alors l’état liquide : on ne peut pas le saisir (les pièces “coulent” autour de la main), ça prend la forme du récipient. On retrouve donc les principales propriétés d’un liquide. On est toujours très compact (les pièces sont proches les unes des autres) mais on n’est plus du tout ordonné (les pièces ne sont plus rangées, encastrées, elles vont où elles veulent).

Cette énorme changement de propriété s’est fait sans le moindre changement de masse ! En effet, la masse du gros cube est bien sûr égale à la somme des masses de chaque pièce. Il a suffit de détacher les pièces.

Passer à l’état gazeux nécessite un peu d’imagination : il faut faire voler nos petites pièces détachées dans tous les sens. On voit alors que notre gaz de légo va occuper tout l’espace disponible puisque les pièces vont se cogner un peu partout. On verra plus loin que cela permet de comprendre la pression.  Encore une fois, comme on n’a pas perdu de pièces, la masse est la même (par contre, le volume occupé change, lui, l’état gazeux n’étant plus du tout compact).

Les petites animations de ce site résument ce qu’on a dit : 

Cette petite vidéo en anglais est, elle aussi, éclairante :

      


La dissolution

Imaginons un sac de petits légos bleus séparés : c’est l’eau. Le morceau de sucre sera un cube de petits légos blancs encastrés. Sous l’effet de l’eau, chaque pièce du cube se séparent et se retrouvent dispersés au milieu des petits légos bleus. Le résultat : un liquide intermédiaire fait de plein de molécule d’eau et aussi de plusieurs molécules de sucre se baladant au milieu. On a bien un liquide : de l’eau sucré. Et encore une fois, on explique simplement le fait que la masse de l’eau sucrée est juste la somme de la masse de l’eau et de celle du sucre. Le sucre n’a pas disparu, il est dispersé dans l’eau.

Compressibilité et incompressibilité

Notre modèle sert aussi à comprendre pourquoi un gaz est compressible alors qu’un liquide ne l’est pas. En effet, on peut bien diminuer le volume occupé par un gaz puisqu’il y a beaucoup d’espace, de vide, entre les molécules de gaz qui volent en tout sens. Au contraire, il n’y a pas d’espace entre les molécules dans le cas du liquide, elles sont déjà compactées.

La pression

La pression d’un gaz, c’est le fait qu’un gaz “appuie” sur toute chose, le presse. Dans un ballon de baudruche, l’air qu’on a rajouté à l’intérieur en soufflant appuie sur la surface et gonfle le ballon. A l’inverse, si on aspire l’air du ballon, il se ratatine, écrasé par l’air extérieur. On voit aussi qu’en essayant de comprimer un gaz, il résiste ! Cela se comprend bien avec notre modèle. Comme le gaz est fait de petites molécules minuscules volant dans tous les sens, ce sont les nombreux chocs répétés de ces molécules sur tout obstacle qui crée la pression. Et si on essaye de réduire l’espace disponible pour le gaz, le nombre de chocs va augmenter, c’est ce qui fait résister le gaz.

Là encore, une animation de ce site permet de mieux comprendre.

Les transformations chimiques

C’est le succès principal du modèle moléculaire et ce qui a permis de l’imposer parmi la communauté scientifique : ce modèle permet de comprendre la conservation de la masse lors d’une transformation chimique ! En effet, fabriquons un bateau pirate avec nos légos. Séparons les pièces du bateau et fabriquons maintenant un vaisseau spatial, toujours avec les mêmes pièces. La masse, bien sûr, n’a pas changé alors que le produit est entièrement différent ! C’est ça une transformation chimique : un réarrangement des grains de matière.

photos : Death Valley, California, United States of America / Photo taken by User:Urban
               Bloc de glace sur une plage près de Jökulsárlón, en Islande de Andreas Tille