La densité (que les didacticiens francophones préfèrent appeler masse volumique), c’est-à-dire la masse d’une substance par unité de volume, n’est PAS reliée à la masse moléculaire des molécules considérées (ou à la masse atomique des éléments considérés) !

Si tel était le cas, la densité des éléments dans le tableau périodique croîtrait de manière constante au fur et à mesure qu’on parcourrait les cases du tableau. Or, à part pour les trois premiers éléments du tableau périodique, il n’en est rien : les densités croissantes vont dansl’ordre suivant des numéros atomiques (nombre de protons dans le noyau) : 1 < 2 < 3 < 18 < 10 < 11 < 7 < 8 < 20 < 37 < 9 < 12 < 19 < 15 < 4 < 55 < 16 < 6 < 14 < 5 < 38 < 13 < 21, etc.

Pour les molécules, c’est la même chose : la masse moléculaire ne dit rien sur la densité de la substance.

En fait, la densité est reliée à la compaction des molécules (ou des atomes) dans la matière : plus les molécules sont proches l’une de l’autre, plus la matière résultante sera compacte, et plus sa densité sera élevée.

Mais qu’est-ce qui peut bien gouverner la compaction des molécules ? Les forces d’attraction qui s’exercent entre elles. Ou inversement : l’éloignement des molécules l’une par rapport à l’autre est fonction des forces de répulsion qui s’exercent entre elles.

Les molécules d’eau sont constituées d’un atome « central » d’oxygène, lié à deux atomes « périphériques » d’hydrogène. Mais ce n’est pas tout : l’atome d’oxygène possède, en plus des électrons qui forment des liaisons avec les atomes d’hydrogène, deux paires d’électrons libres qu’il faut bien caser quelque part. La manière la plus stable d’arranger ce petit monde est de former une sorte de « pyramide » à quatre coins (un tétraèdre) constituée en son centre de l’atome d’oxygène, à deux de ses quatre coins des deux atomes d’hydrogène, et à deux autres de ses quatre coins des deux paires d’électrons. Le tétraèdre ainsi formé n’est pas parfait : les deux paires d’électrons prennent plus de place dans l’espace que les deux atomes d’hydrogène.

Cette molécule a une faculté exemplaire : celle de former des « liaisons faibles », qu’on appelle des liaisons hydrogène (ou aussi des ponts hydrogène), avec des molécules d’eau voisines. Chaque atome d’hydrogène de la molécule d’eau est partiellement attiré par une paire d’électrons libres de l’atome d’oxygène d’une molécule voisine (2 molécules d’eau se lient partiellement par leur atome d’oxygène aux 2 atomes d’hydrogène), et chaque paire d’électrons de l’atome d’oxygène de notre molécule d’eau attire un atome d’hydrogène d’une molécule voisine. C’est plus simple à comprendre avec un schéma qu’avec des phrases !

En conséquence, chaque molécule d’eau peut se lier partiellement avec quatre autres molécules d’eau voisines, grâce aux fameuses liaisons hydrogène, et ces liaisons partielles, c’est-à-dire les forces d’attraction entre molécules voisines, assurent une grande cohésion entre les molécules d’eau, ainsi qu’un fort degré de compaction entre elles. En d’autres termes : les molécules d’eau sont très proches l’une de l’autre dans l’eau, ce qui confère à l’eau une densité « élevée » (exactement 1.0 gramme par centimètre cube, à 4 °C).

A l’inverse, l’hexane, constitué de 6 atomes de carbone liés entre eux et de 14 atomes d’hydrogène liés chacun à un atome de carbone (CH₃–CH₂– CH₂– CH₂–CH₂– CH₃) a certes une masse moléculaire presque 5 fois plus élevée que l’eau (86 grammes par mole, contre 18 grammes par mole pour l’eau), mais sa densité est plus faible que celle de l’eau : 0.66 grammes par centimètre cube.

Cette densité plus faible s’explique par le fait que chaque molécule d’hexane ne ressent pas de force d’attraction particulière pour ses molécules voisines, et qu’en conséquence les molécules d’hexane ont tendance à se repousser partiellement. En d’autres termes : les molécules d’hexane sont éloignées l’une de l’autre dans l’hexane, ce qui confère à l’hexane une densité « faible ».

On pourrait se demander pourquoi les molécules d’eau voisines s’attirent, tandis que c’est l’inverse pour les molécules d’hexane voisines. Ceci réside dans le fait que la différence d’affinité pour les électrons entre l’oxygène et l’hydrogène est élevée (ceci s’exprime par la différence d’électronégativité entre les deux éléments), tandis que cette différence d’affinité pour les électrons entre le carbone et l’hydrogène est très faible. En l’occurrence, la différence d’électronégativité entre oxygène et hydrogène (molécules d’eau) est environ 3.6 fois plus élevée qu’entre carbone et hydrogène (molécules d’hexane), ce qui résulte en des forces d’attraction nettement plus élevées entre molécules d’eau qu’entre molécules d’hexane.