Interactions intermoléculaires

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1 Interactions intermoléculaires Classe Préparatoire Universitaire Atomistique et Liaisons Chimiques Portail L1 - Physique Chimie

2 Interactions Intermoléculaires Molécule: atomes reliés par des liaisons Liaisons: covalentes ou ioniques (cf. pourcentage d ionicité) on parle de liaisons intramoléculaires (= dans la molécule)

3 Interactions Intermoléculaires Ordre de grandeurs énergétiques de quelques dizaines à 1000 kj/mol A 2 Li 2 Be 2 B 2 C 2 N 2 O 2 F 2 Ne 2 n R(pm) D(kJ.mol 1 ) R: distance interatomique D: énergie de dissociation

4 Interactions Intermoléculaires Comment les molécules interagissent-elles? Quelles sont les différences entre 1 molécules et N A molécules? interactions intermoléculaires de nature principalement électrostatique

5 Interactions ions ions Energie potentielle d interaction entre deux ions A et B de charges q A et q B séparées par une distance r: E ion ion = 1 q A.q B 4πɛ 0 ɛ r r q A.q B r interaction intense et à longue portée Ex. deux ions monovalents dans le vide: E = 277 kj/mol à 5 Å de distance, 100 kj/mol à 14 Å de distance responsable de la cohésion dans les cristaux ioniques

6 Interactions ions-dipôles E < 0 E = 0 E > 0 (attractif) (neutre) (répulsif) E ion-dipôle Q.µ r 2 (ion de charge Q, dipôle µ) interaction assez intense et à moyenne portée responsable de l hydratation des ions (couches de solvatation)

7 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals entre 2 dipôles permanents: force de Keesom Deux dipôles tendents à s aligner µ 1 µ 2 En tenant compte de la température (=agitation) et en moyennant sur toutes les configurations possibles: E Keesom µ 1µ 2 T.r 6 interaction peu intense, à courte portée et dépendante de la température

8 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals entre dipôle permanent et dipôle induit: force de Debye En présence d un moment dipolaire, le nuage électronique d une molécule peut se déformer, entraînant la création d un moment dipolaire induit Ex. entre un dipôle permanent et un atome neutre: devient: µ induit

9 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals entre dipôle permanent et dipôle induit: force de Debye µ induit α : polarisabilité de l atome ou de la molécule Polarisabilité: capacité d un nuage électronique à se déformer en présence d un champ électrique externe E Debye α.µ2 r 6 interaction peu intense et à courte portée

10 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals entre dipôle instantané et dipôle induit: force de London La distribution des électrons autour d un atome ou d une molécule connaît des fluctuations au cours du temps Ainsi, même pour un atome neutre ou une molécule apolaire, un moment dipolaire instantanée peut exister (du fait du caractère probabiliste du mouvement des électrons) Le moment dipolaire instantanée peut induire un moment dipolaire sur une molécule voisine E London α 1.α 2 r 6 avec α 1 et α 2 les polarisabilités des deux espèces mises en jeu interaction peu intense, à courte portée

11 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals E van der Waals = E Keesom E Debye E London 1 r 6 Energie d interaction (kj/mol) µ (D) M (g/mol) Keesom Debye London Total Ar HCl HBr HI si µ = 0, alors Keesom = Debye = 0 les forces de London prédominent toujours (sur les forces de Keesom et Debye) London polarisabilité taille du nuage électronique nombre d électrons masse molaire masse molaire polarisabilité E London

12 Interactions entre dipôles: forces de van der Waals Relation avec les températures de changement d état M T vap M T vap M T vap (g/mol) o C (g/mol) o C (g/mol) o C He HCl CH Ne HBr C 2 H Ar HI C 3 H plus les interactions intermoléculaires sont intenses, plus les températures de changement d état (T fusion, T vaporisation ) sont élevées les forces de London étant le plus souvent prépondérantes, les T fusion et T vaporisation augmente souvent avec la masse molaire des molécules

13 Liaison hydrogène Il existe des exceptions à la loi qui relie masse moléculaire et températures normales de fusion et de vaporisation: M T vap M T vap M T vap (g/mol) o C (g/mol) o C (g/mol) o C NH H 2 O HF PH H 2 S HCl AsH H 2 Se Hbr SbH H 2 Te HI T vap de H 2 O devrait a priori être de -65 o C Ces anomalies n existe pas dans les autres colonnes (ex.: CH 4 vs. SiH 4 )

14 Liaison hydrogène Forces d attraction particulièrement importantes entre les molécules NH 3, H 2 O et HF Dans les trois cas, l hydrogène est lié à un élément fortement électronégatif les liaisons N H, O H et F H sont fortement polarisées et présentent un moment dipolaire important N, O et F sont également des atomes très petit les distances intermoléculaires sont courtes les interactions dipôle-dipôle sont particulièrement fortes Notation: X H Y X: accepteur Y: donneur de liaison hydrogène