LA MATIÈRE : SOLUTIONS ET SOLIDES

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1 Stage sciences 25 novembre 2015 LA MATIÈRE : SOLUTIONS ET SOLIDES CLARISSE HUGUENARD DEVAUX Enseignante chercheuse Chimie Moléculaire de l'etat Solide, Université de Strasbourg huguenard@unistra.fr

2 LES SOLUTIONS : QUI SE RESSEMBLE S ASSEMBLE!

3 POLARITÉ DES COMPOSÉS H 2 O CO 2 Méthane CH 4 Sel, NaCl Éthanol C 2 H 5 OH Heptane C 7 H 16 très polaire Le saccharose Un triglycéride peu polaire

4 INTERACTIONS AU SEIN D UN COMPOSÉ actions/11.2_intermolecular_forces

5 UNE «INTERACTION FAIBLE»PLUTÔT FORTE : LA «LIAISON HYDROGÈNE» H 2 O solide (glace) toutes les molécules d eau sont impliquées dans des liaisons hydrogène (liaisons O---H ) H 2 O liquide A 25 C, 80 % des atomes d hydrogène sont impliqués dans une liaison hydrogène (liaisons O H )

6 UNE «INTERACTION FAIBLE»PLUTÔT FORTE : LA «LIAISON HYDROGÈNE» Dans la double hélice de l ADN, liaisons O---H et N----H

7 LA DISSOLUTION N EST PAS LA FUSION Dans l eau à 20 C le sucre et le sel se dissolvent (Le sucre fond à 185 C et le sel de cuisine fond à 801 C) Structure cristalline et dissolution de NaCl Structure cristalline et dissolution du sucre (saccharose)

8 L EAU PEUT DISSOUDRE DES SOLIDES, DES LIQUIDES, DES GAZ sciences.com/ Sel, NaCl Sucre, saccharose Ethanol CO 2

9 LA SOLUBILITÉ DANS L EAU DÉPEND DE LA TEMPÉRATURE Nom composé Formule composé Solubilité à 20 C pour 100 g d eau Solubilité à 100 C pour 100 g d eau Paracétamol C 8 H 9 NO 2 1 g 25 g Sucre de table, saccharose Sel de table, chlorure de sodium C 12 H 22 O g 470 g NaCl 55 g 60 g NB. Chlorure de sodium : sel = composé ionique Paracétamol et saccharose : composés moléculaires

10 LA SOLUBILITÉ DÉPEND DE LA TEMPÉRATURE Sel Sucre Solubilité du sel et du sucre dans l eau Solubilité du dioxyde de carbone dans l eau

11 LA SATURATION : SOLUBLE JUSQU À UNCERTAINPOINT! 2 j 7 j sel sucre Cristallisation (lente) à partir de solutions sursaturées Photos : C. Huguenard pourtales strasbourg.ac strasbourg.fr/

12 FAIBLESOLUBILITÉDESCOMPOSÉSPEUPOLAIRES DANS L EAU sciences.org/ éthanol L huile, un mélange de lipides divers, acides gras, glycérides

13 C EST GÉNÉRAL : QUISERESSEMBLE, S ASSEMBLE! De l eau + de l huile + un légume râpé Le carotène, apolaire, lipophile, se dissout dans l huile L anthocyane du chou rouge, polaire, hydrophile, se dissout dans l eau C. Huguenard La chlorophylle amphiphile, se dissout dans huile et eau

14 L ÉTAT SOLIDE : ORDONNÉ OU DÉSORDONNÉ 14

15 LES CRISTAUX DE SEL : DES CRISTAUX IONIQUES Sel de table : chlorure de sodium toulouse.fr/maths sciences lp/18 Schemateque.html

16 LES CRISTAUX DE SUCRE : DES CRISTAUX MOLECULAIRES Modèle «éclaté», boules et bâtonnets Modèle «sphères de van der waals» Saccharose nice.fr/svt/productions/minusc/cristaux/html/saccharose.html

17 PARFOIS L ANALOGIE EST ÉVIDENTE ENTRE STRUCTURES MICRO- ET MACROSCOPIQUE Ag (cristal métallique) Système cubique NaCl (cristal ionique) Système cubique H 2 O glace (cristal moléculaire) Système hexagonal

18 CRISTALLISATION DU SEL

19 MAIS LE PLUS SOUVENT : UNE MÊME STRUCTURE MICROSCOPIQUE DONNE DE MULTIPLES FORMES EXTÉRIEURES DE CRISTAUX (FACIÈS) molybdate de strontium MEB Les Fondamentaux de la Cristallisation et de la Précipitation, Groupe des Ecoles des Mines, saccharose (sucre de table) Morphologie générale d un cristal de saccharose Tout dépend de l histoire de la cristallisation (concentration et température globales, fluctuations locales )

20 PETITS ET GRANDS CRISTAUX 10 microns Cristaux géants de gypse CaSO 4 (H 2 O) 2 Mine Naica, Mexique Plâtre pris CaSO 4 (H 2 O) 2 Microscope à Balayage Electronique Encore une question d histoire de cristallisation

21 MATÉRIAUX AMORPHES : DU DÉSORDRE! Le sucre fond puis se solidifie brusquement en refroidissant : état amorphe («vitreux») Le saccharose (température de fusion 185 C) caramélise en même temps, une transformation chimique irréversible Avec du fructose : température de fusion 103 C, plus basse, on évite la caramélisation. Remarque : l essentiel de l eau solide dans l univers est amorphe

22 QUE D OSES! = le saccharose 22

23 LA CRISTALLISATION : DES GERMES ET DU TEMPS! 2 j 7 j Saccharose Gypse Quartz : silice SiO 2

24 DES SOLIDES AMORPHES : LES VERRES tarn.com/ On obtient un verre car refroidissement rapide et viscosité élevée du solide/propri_verres_2.htm

25 SOLIDES AMORPHES : SILICE ET SILICATES Fusion d un silicate de magnésium MgSiO 3 Disparition de l ordre à longue distance (Persistance d un ordre très local et d oligomères) L obsidienne, un verre volcanique, est tout aussi amorphe qu un canard en caoutchouc! Ce que disent les minéraux, P. Cordier et Hugues Leroux, Paris : Belin Pour la Science, 2008

26 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET SITOGRAPHIQUES Etienne Guyon, Alice Pedregosa et Béatrice Salviat. Matière et matériaux, de quoi est fait le monde? Editeur : Belin, Collection : Bibliothèque scientifique, (2010) Chun wei Huan. Les états de l eau, In : La Main à la Pâte, Graines de Sciences 7, Paris : Le Pommier, (2007) American Chemical society, Middleschool chemistry, big ideas about the very small, [en ligne] consulté Marie Terrien et Josette Fournier. Chimie du petit déjeuner. Nantes : Cultures et techniques, collection Formation, (1998) Serge Schall. Plantes à bonbons. Toulouse : Plume de carotte, collection Terra Curiosa, (2011) Annie Perrier Robert et Marie Paule Bernardin. Le grand livre du sucre. Paris : Solar, (1999) 26

27 ANNEXES

28 P. Menzel par Ernst Klett Verlage GmbH Stuttgart, 1984 CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES

29 ÉLECTRONÉGATIVITÉ DES ÉLÉMENTS (ÉCHELLE DE PAULING) «avidité en électrons» Mc QUARRIE / ROCK. Chimie Générale. 3 e éd. trad. Bruxelles : De Boeck Université, 1992

30 POLARITÉ DES «LIAISONS» CHIMIQUES H Na Cl Charges entières Charges partielles 0<δ<1 Partage équitable des charges Na + Cl - H Cl Cl Cl interaction ionique composé ionique forte polarité interaction iono-covalente composé moléculaire polarité moyenne interaction purement covalente composé moléculaire polarité nulle Force d interaction entre atomes croissante Polarité du composé décroissante