cohésion chimique cours_akto.docx

COMPRENDRE

Séquence 2

Cohésion de la matière

en chimie

Plan de la séquence 2

1. Solide ionique.a. Description

b. Cohésion du cristal ionique

2. Solide moléculaire.a. Electronégativité

b. Polarité d’une molécule

c. Interaction de Vander Waals

d. Liaison hydrogène.

3. Conservation de la matière lors d'une dissolution.a. Polarité d’un solvant

b. Dissolution d’un solide ionique

c. Dissolution d’un solide moléculaire

d. Concentration d’un ion en solution

4. Transformation physique d'un système par transfert thermique.

1. Solide ionique

a. Description

Un cristal est une structure ordonnée.

Les solides ioniques sont constitués de

cristaux dans lesquels les ions sont agencés

suivant des structures bien identifiées.

Exemples : le chlorure de césium cristallise

dans la structure cubique centrée, le

chlorure de sodium possède une structure

cubique face centrée.

Structure cubique centrée

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rubidium-chloride-CsCl-

structure-3D-ionic.png

http://www.pearson-

studium.de/books/3827370597/cd01/Gallery/Images/Crysta

l/F38b.gif

Structure cubique face centrée

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Sodi

um-chloride-3D-vdW.png

http://www.chemhume.co.uk/ASCHEM/Unit%201/Ch3IM

F/Chemical%20Struct.htm

Le solide ionique est constitué de cations et

d’anions. Il est électriquement neutre.

On appelle maille le motif le plus petit

représentatif du cristal.

Dans une maille de chlorure de césium, l’ion

Cs+ intervient totalement alors que les 8 ions

Cl- ne participent que pour 1/8ème.

Ce qui explique la formule statistique de ce

solide : CsCl.

Même raisonnement pour le fluorure de

calcium constitué des ions Ca 2+ et F- . Tout

cristal doit être électriquement neutre sa

formule statistique CaF2 .

Modèles éclatés

NaClhttp://musingsofanaspiringpolymath.blogspot.com/2010/07

/on-general-uselessness-of-anecdotal.html

CsClhttp://cnx.org/content/m15058/latest/

b. Cohésion dans le cristal ionique

La cohésion est assurée par les interactions

électrostatiques entre les ions.

Chaque ion est soumis aux forces

coulombiennes exercées par les ions voisins.

Il s’agit de liaisons ioniques.

Les cations Na + , Ca 2+ , Al 3+ ont pour

charges respectives : e, 2e et 3e.

Les anions F - , O 2- ont pour charges

respectives : - e et -2e.

2. Solide moléculaire

a. ElectronégativitéL’électronégativité est une grandeur relative et positive qui traduit l’aptitude d’un atome à attirer les électrons qui l’associent à d’autres par liaison covalente.Linus Pauling (1932) a établit une échelle d’électronégativité des atomes des éléments chimiques.

http://www.angelo.edu/faculty/kboudrea/general/shapes/00_lewis.htm

http://faculty.njcu.edu/tpamer/gilbert-lessons/lesson5/gilbert6-5.htm

Une liaison entre deux atomes est polarisée

si leurs électronégativités sont différentes.

Dans ce cas les charges portées par les

atomes sont partielles on les note :

- portée par l’atome le plus

électronégatif,

+ portée par l’atome le moins

électronégatif.

b. Polarité d’une molécule

Un dipôle électrique est

constitué de deux charges

électriques ponctuelles, +q

et –q, séparées d’une

distance d.

F2 : apolaire

LiF : plus polaire que HF

c. Interaction de Vander Waals

La cohésion dans les solides moléculaires peut être assurée par les interactions entre des dipôles électriques permanents ou instantanés. Il s’agit d’interactions entre les nuages électroniques : interactions de Vander Waals.

Ces interactions peuvent également intervenir dans les liquides, plus rarement à l’état gazeux, car les molécules sont trop éloignées.

F2 : apolaire

LiF plus polaire que HF

d. Liaison hydrogène

http://chem.sci.utsunomiya-u.ac.jp/v13n2/16Vargas-

Gonzalez/Vargas-gonzalez.html

C ’est une interaction entre

un atome d’hydrogène lié à

un atome électronégatif et

un autre atome portant un

doublet non liant, aussi

électronégatif. Exemples :

Formation du dimère de

l’acide (acétique ou)

éthanoïque.

Cohésion de la structure en hélice de l’ADNhttp://courses.biology.utah.edu/horvath/biol.3525/1_DNA/Fig2/Guinness%20Step%2068%20Figure%202

Cohésion de l’eau à l’état liquide ou solide.http://www.lakelandschools.us/lh/lburris/pages/bonds.htm

3. Conservation de la matière lors

d'une dissolution.

a. Polarité d’un

solvant

b. Un solvant constitué

de molécules polaires

est polaire.

c. Exemples : méthanol

:

CH3OH, dichloromét

hane :

CH2Cl2, diméthylsulf

oxyde :

Solvant apolaire

a. Un solvant constitué de molécules apolaires est apolaire.

b. Exemples : tétrachlorométhane : CCl4 ; cyclohexane : C6H12.Remarque : une molécule apolaire peut contenir des liaisons polarisées, CCl4 par exemple.

b. Dissolution d’un solide ionique

La dissolution d’un solide ionique peut se

décomposer en 3 phases.

Dissociation : ruptures des liaisons ioniques

Solvatation : les molécules du solvant

interagissent aves les ions isolés. Si l’eau est

le solvant, il s’agit d’une hydratation.

Dispersion : les ions solvatés se répartissent

dans l’ensemble de la solution par diffusion

ou sous l’effet de l’agitation.

Ecriture de l’équation de dissolution dans l’eau

NaCl(s) Na+(aq) + Cl-

(aq)

FeCl 3(s) Fe3+(aq) + 3 Cl-

(aq)

(CuSO4, 5H2O)(s) Cu2+

(aq) + SO42-

(aq)

On peut écrire H2O au-dessus de la flèche.

a. Dissolution d’un composé moléculaire

Les espèces chimiques constituées de molécules

polaires sont solubles dans les solvants polaires.

HCl(g) → H+(aq) + Cl-

(aq)

H2SO4 (l) → 2H+(aq) + SO4

2-(aq)

C6H12O6(s) → C6H12O6( aq)

CH3- CH2- OH (l) → CH3- CH2- OH (aq)

On peut écrire H2O au- dessus de la flèche.

Un soluté polaire sera d’autant plus soluble

dans un solvant que la formation de liaisons

hydrogène entre le solvant et le soluté sera

facile.

Les espèces chimiques constituées de

molécules apolaires sont solubles dans les

solvants apolaires.

Exemple de solvants apolaires :

cyclohexane : C6H12 ; hexane : C6H14.

d. Concentration d’un ion en

solution aqueuse

Une solution aqueuse de sulfate de

cuivre, de volume V, est obtenue en

dissolvant n moles de (CuSO4, 5H2O)(s) . On

note c sa concentration molaire.

On considère que le solide a été totalement

dissout à l’état final.

Quelles sont les concentrations molaires de

chacun des constituants du système, à l’état

final ?

H2O

(CuSO4,5H2O)(s) → Cu2+(aq) + SO4

2-(aq)

Quantité de

matière

Etat initial

(mol)

n 0 0

Etat final

(mol)0 n n

On divise la quantité de matière de l’espèce chimique par

le volume de la solution pour obtenir sa concentration,

pour l’état du système choisi.

H2O

(CuSO4,5H2O)(s) → Cu2+(aq) + SO4

2-(aq)

concentration

Etat initial

(mol. L-1)

c = n/V 0 0

Etat final

(mol.L-1)0 c = n/V c = n/V

Concentration apportée La concentration apportée en soluté est

égale à la quantité de matière de soluté

divisée par le volume de solution à l’instant

initial de la dissolution.

Notation

La concentration molaire d’un ion est notée

[ion]. Exemple :

n(SO42-) / V = [SO4

2-]

e. L’extraction

La solubilité d’une espèce chimique dans

une solution correspond à la quantité

maximale de soluté que l’on peut dissoudre

par litre de solution. Elle peut être

exprimée en mol.L-1 ou en g.L-1.

Le choix d’un solvant pour extraire une espèce chimique d’une solution nécessite :

1. Que l’espèce à extraire soit plus soluble dans le solvant choisi que dans celui de la solution initiale

2. Que le solvant choisi ne soit pas miscible avec la solution initiale

○ Voir fiche pratique du livre p. 457

On dit qu’il s’agit d’une extraction liquide-liquide.

a. Transfert thermiqueSi deux corps de températures différentes sont mis en contact, alors le corps froid reçoit l’énergie thermique cédée par le corps chaud, jusqu’à ce que l’équilibre thermique s’établisse. Tant que l’équilibre thermique n’est pas atteint, le transfert thermique se poursuit.

L’énergie thermique du corps le plus chaud diminue et celle du plus froid augmente.

4. Transformation physique d'un

système par transfert thermique

Remarque : on suppose que les systèmes étudiés ne subissent pas de réactions chimiques au cours de ces transferts thermiques.

Notation

La variation d’énergie thermique est souvent notée Q. Elle s’exprime en joule (J).

Si le système reçoit de l’énergie thermique alors Q > 0 J.Si le système perd de l’énergie thermique alors Q < 0 J.

Quelles modifications physiques peut

provoquer un transfert thermique ?

Transfert thermique

Variation de température

Qreçue E = Ef -Ei > 0

Ef > Ei

Augmentation de température

Qperdue E = Ef -Ei < 0

Ef < Ei

Diminution de température

Changement d ’état

suite

Liquide

Solide Gaz

Fusion

Condensation

Vaporisation

b. Etats physiques d’un corps et

changements d’état

E = Ef -Ei > 0= Ef -Ei > 0

E = Ef -Ei < 0

Liquide

Solide Gaz

Solidification

Sublimation

Liquéfaction

Q E = Ef -Ei < 0

Q E = Ef -Ei > 0

Q E = Ef -Ei < 0

A pression constante, quand un corps pur

change d’état physique, sa température ne

varie pas. L’énergie thermique qu’il

échange n’est utilisée que pour le

changement d’état.

La température de fusion et la température

d’ébullition sont des caractéristiques d’un

corps pur.

c. Aspect microscopique

http://www.assignmenthelp.net/assignment_help/states-of-

matter.php

La température est une grandeur macroscopique.

Une augmentation de la température d’un système chimique correspond à une agitation thermique des particules (atomes, ions, molécules) plus importante. Elle s’accompagne d’une augmentation de la vitesse de vibration (dans les solides) ou de déplacement (dans les fluides) des particules.Une augmentation de la température s’accompagne aussi de ruptures d’interactions intermoléculaires : Vander Waals et liaison hydrogène.

d. Energie de changement d’état

On appelle énergie molaire de changement d’état l’énergie reçue ou perdue par mole de corps pur transformée.

Exemple – L’énergie molaire de vaporisation de l’eau est : Lvap = 40,6 kJ.mol-1.

Ainsi l’énergie Q nécessaire pour vaporiser 3,0 moles d’eau est Q = 3,0 x 40,6 soit Q = 121,8 kJ

On donne M(H2O) = 18 g.mol-1, déterminer la valeur de l’énergie massique de vaporisation exprimée en kJ.kg-1.

La chaleur de changement d’état s’appelle aussi chaleur latente de changement d’état.

e. Capacité thermique d’un corps

La capacité thermique d’un corps est notée

c, elle peut être massique ou molaire.

Pour un corps qui échange par transfert

thermique l’énergie Q au cours de son

changement de température T on a les

relations suivantes :

Q = m x c x Tm : la masse du corps en kg

c : capacité thermique massique du corps en J.kg-1.°C-1

T : variation de température en °C

Q = n x c x T

n : quantité de matière du corps en mol

c : capacité thermique molaire du corps en J.mol-1.°C-1

Fin