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PARTIE II : COMPRENDRE

Interprter la cohsion des solides ioniques et molculaires. Raliser et interprter des expriences simples dlectrisation. Recueillir et exploiter des informations sur les applications de la structure de certaines molcules (super absorbants, tensioactifs,

alginates, etc.). Prvoir si un solvant est polaire. Interprter lchelle microscopique les aspects nergtiques dune variation de temprature et dun changement dtat. Pratiquer une dmarche exprimentale pour mesurer une nergie de changement dtat.

Chapitre 9

Cohsion de la matire ltat solide

I. Electrisation de la matire

I.1 Origine

On peut, par frottement, transfrer des lectrons d'un corps Alectriquement neutre vers un autre corps B lectriquement neutre.

Les deux corps se chargent alors en lectricit statique de telle manire que :

QA = - QB

Questions :

a) Expliquer pourquoi on obtient une telle galit.

b) Donner l'expression littrale de l'intensit de la force lectrostatique F qu'exerce chacun de ces deux corps sur l'autre si, une fois chargs, on les spare d'une distance h.

c) Calculer cette force sachant que QA = 230 nC et que h = 12,5 cm (on prendra k = 9,0109 S.I.)

d) Ecrire l'galit vectorielle existant entre les deux vecteurs force BAF / et ABF / . e) Choisir parmi les propositions suivantes celles qui sont vraies : ces deux forces ont mme direction

ces deux forces ont mme sens ces deux forces ont mme intensit ces deux forces ont mme point d'application

I.2 Electrisation par influence

Lorsque les deux corps A et B ont une charge de mme signe, ils se repoussent. (figure 2)

Lorsque les deux corps A et B ont une charge de signe oppos, ils s'attirent. (figure 3)

Lorsqu'on approche le corps A charg positivement (ou ngativement) du corps B lectriquement neutre (non charg), on observe que ce dernier est attir par le corps A (figure 4).

Questions :

a) En quoi ce rsultat est-il paradoxal ?

b) Sachant que la boule B, comme toute matire solide, est compose de protons fixes dans les noyaux et d'lectrons plus ou moins libres gravitant autour, proposer une explication du phnomne observ.

c) Que se passe-t-il si l'on approche A de B alors qu'ils sont tous deux dchargs ?

A

+ ++ ++

++

+

Figure 2

+ +

++

+

++

+ ++ + +

+

Figure 1 : Electrisation par frottements

BA

B

Figure 3

+ ++ ++

++

+

Figure 4

AB

+ ++ ++

++

+

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II. De l'atome aux difices chimiques

II.1 Ractivit d'un lment chimique

La rgle du duet et de l'octet implique que tous les atomes ragissent chimiquement de sorte avoir leur dernire couche lectronique complte. Ils peuvent donc soit :

Capturer un ou plusieurs lectrons et devenir un anion.

Cder un ou plusieurs lectrons et devenir un cation.

Partager un ou plusieurs lectrons et former autant de liaisons covalentes.

Questions :

a) Etablir la structure de Lewis des atomes suivants : 12Mg, 9F, 3Li, 10Ne

b) Dterminer pour chacun d'eux l'ion qu'ils peuvent donner lors d'une raction chimique.

c) Rappeler le nom de la famille d'lments chimiques qui, pour respecter la rgle du duet et de l'octet, doivent rester chimiquement inertes.

II.2 L'lectrongativit

Llectrongativit note c est une grandeur (exprime en debye D) qui traduit laptitude dun atome attirer lui le doublet dlectrons quil partage avec un autre atome (liaison covalente).

A noter :

Plus la valeur dans lchelle de Pauling est grande plus llment est lectrongatif.

Plus on monte dans le tableau et plus on va vers la droite, plus l'lment est lectrongatif.

Ainsi, au sein dune liaison covalente, les deux lectrons sont attirs vers latome le plus lectrongatif et ne sont donc pas mme distance des deux atomes. Si les deux atomes de la liaison ont une lectrongativit quivalente les lectrons restent rpartis quitablement.

Exemples :

Conclusion :

Soient deux atomes A et B lis: Si c(A) c(B), liaison covalente non polarise (diffrence < 0,3)

Si c(A) > c(B), liaison covalente polarise (0,3 < diffrence < 2)

Si c(A) >> c(B), liaison ionique : A et B sont alors deux ions qui s'attirent (loi de Coulomb)

Figure 5 : Electrongativit c des lments chimiques

(Echelle de Pauling)

Br Cl

c(F) > c(H)Les 2 lectrons de la liaison sont plus proches du fluor que de lhydrogne. Il apparait donc vers le fluor un excdent de charge ngative appele charge partielle ngative et not d (et donc d + pour l'hydrogne).

c(Br) c(Cl)

Les 2 lectrons de la liaison restent bien partags entre les deux atomes d'lectrongativit quivalente : pas de charge partielle (elles sont ngligeables).

F Hd d +

Figure 6 Figure 7

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Questions :

a) La liaison C O est-elle polarise ? Si oui, dfinir latome possdant la charge partielle ngative.

b) Mme question pour la liaison O H.

c) On considre que la liaison C H nest pas polarise. Justifier.

A retenir :

Du fait de l'existence des liaisons polarises, il existe deux types de molcules :

Les molcules polaires : molcules dont le barycentre des charges partielles positives n'est pas confondu avec le barycentre des charges partielles ngatives.

Les molcules apolaires : molcules dont le barycentre des charges partielles positives est confondu avec le barycentre des charges partielles ngatives ou ne prsentant pas de liaison polaire.

Exercice :

a) Donner la formule dveloppe des molcules suivantes : dihydrogne, mthane, eau, dioxyde de carbone.

b) Dterminer si elles sont polaires ou apolaires et pourquoi.

c) Expliquer alors pourquoi une paille lectrise peut dvier un filet d'eau (figure 8).

II.3 Les solides ioniques

Lorsque des ions sont en solution dans de l'eau et que cette dernire s'vapore, les ions positifs vont, grce la force de Coulomb, s'entourer d'ions ngatifs, et inversement (figure 9 et 10).

Lorsque toute l'eau se sera vapore, les ions se seront alors agencs de sorte former un cristal ionique solide (figure 11). dont la cohsion est directement due la force lectrique attractive qui existe entre charges lectriques de signe oppos.

Questions :

a) Comment nomme-t-on un ion positif ? Mme question pour un ion ngatif.

b) Dans le cristal ionique de la figure 11, quel type d'ions (positifs ou ngatifs) est le plus reprsent ?

c) En dduire la charge lectrique totale d'un cristal ionique, quel que soit sa taille.

A noter :

Un solide ionique est toujours lectriquement neutre.

Un solide ionique est un isolant lectrique car les ions qui le composent sont fixes.

La cohsion d'un solide ionique est assure par des interactions lectriques. Ces forces tant relativement fortes, il est souvent ncessaire de fortement chauffer pour russir faire fondre le cristal ionique.

(fusion de sel : 801C - fusion du sucre : 186C).

La formule statistique d'un compos ionique donne la proportion du cation et de l'anion. Le cation est toujours crit en premier dans la formule.

L'agencement des ions du cristal va dpendre de nombreux paramtres dont la formule statistique du compos ionique.

Exemples :

NaCl : 1 ion +Na pour 1 ion -Cl

FeCl3 : 1 ion +3Fe pour 3 ions -Cl

Figure 9 Figure 10 Figure 11

Figure 12

Figure 8

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III. Les solides molculaires

III.1 Les interactions de Van der Waals

Le nuage lectronique est lensemble des lectrons priphriques des atomes constituant la molcule. Lorsqu'un nuage lectronique nest pas uniformment rparti, on observe une polarisation constante ou temporaire de la molcule.

De telles polarisations crent des interactions lectrostatiques (loi de Coulomb), le plus souvent attractives, responsables de liaisons intermolculaires de faible intensit. Ce sont les interactions de Van der Waals.

A noter :

Ces interactions ont une courte porte.

Elles agissent sur les molcules polaires et apolaires.

Leur intensit est faible (5 100 fois plus faible que la liaison covalente).

Les molcules restent lectriquement neutres

III.2 La liaison hydrogne

On considre trois molcules de structure identique (coudes) : H2O (eau), H2S (sulfure d'hydrogne), H2Se (Slniure d'hydrogne). On notera au passage que l'oxygne, le soufre et le slnium font partie de la mme famille d'lments.Les tempratures d'bullition de H2S et de H2Se sont respectivement de -86C et de -66C temprature et pression normales.

Questions :

a) Quelle est, en C, la temprature d'bullition de l'eau temprature et pression normales ?

b) Convertir ces tempratures de changement d'tat dans l'unit du systme international.

c) Pourquoi peut-on s'tonner de telles tempratures ?

d) On a reprsent, figure 14, trois molcules d'eau en phase liquide et, figure 15, trois molcules de sulfure d'hydrogne liquides. A l'aide de ces figures et de la figure 5, proposer une explication la question c.

A retenir:

Si un atome d'hydrogne est fix un atome trs lectrongatif, alors il peut tablir une liaison nomme liaison hydrogne avec un atome trs lectrongatif possdant au moins un doublet non liant (gnralement O, F ou Cl).

A noter :

Ces interactions sont aussi de type lectrostatique.

Leur intensit est 5 10 fois suprieure celle des liaisons de Van der Waals, mais reste bien infrieure celle des liaisons covalente.

Lorsqu'on chauffe de la matire on augmente l'agitation des atomes (et donc des molcules) ou des ions qui la composent. Si l'on chauffe suffisamment, les liaisons intermolculaires ne suffisent plus maintenir les molcules en place et ces dernires se dplacent alors les unes par rapport aux autres : c'est la fusion. Il en va de mme pour les ions dans les composs ioniques.

En chauffant trop fort, l'agitation thermique peut devenir suffisante pour dtruire la structure molculaire (pyrolyse).

nuage lectronique

noyau

Figure 13

Figure 15

d+ d+H

HO

d+

d+

H

HO d+

d+H

HO

2 d-

2 d-

2 d-

Figure 14

d+d+

d+d+

2 d-

2 d-

HH

H

H

H

H

S

S

S

2 d-2 d-

2 d-

d+

d+

d+

d+

d+d+