Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES

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1 Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 1) Document 1 : Les liaisons intermoléculaires : Le fait que les molécules ne se déplacent pas toujours librement comme elles le font à l'état gazeux mais qu'elles forment aussi des liquides et des solides, signifie qu'il existe des interactions entre elles. Ainsi, le fait que l'eau soit liquide à la température ambiante est la manifestation que les molécules d'eau adhèrent les unes aux autres. Pour faire bouillir l'eau nous devons apporter suffisamment d'énergie pour écarter les molécules les unes des autres. Les forces responsables de l'adhérence des molécules sont appelées forces de van der Waals en référence au scientifique hollandais du dix-neuvième siècle qui les étudia pour la première fois. [ ] Les molécules sont composées d'atomes eux-mêmes constitués d'un minuscule noyau central chargé positivement, entouré d'un nuage d'électrons chargé négativement. Nous devons nous imaginer que ce nuage n'est pas figé dans le temps. Au contraire, il est comme un brouillard mouvant, épais à un endroit donné à un certain instant et léger au même endroit l'instant suivant. Là où brièvement le nuage s'éclaircit, la charge positive du noyau arrive à percer. Là où brièvement le nuage s'épaissit, la charge négative des électrons surpasse la charge positive du noyau. Lorsque deux molécules sont proches, les charges résultant des fluctuations du nuage électronique interagissent ; la charge positive du noyau qui pointe par endroit est attirée par la charge négative partiellement accumulée dans la partie dense du nuage électronique. De ce fait les deux molécules adhèrent. Toutes les molécules interagissent de cette façon, toutefois la force de l'interaction est plus grande entre les molécules contenant des atomes possédant beaucoup d'électrons comme le chlore et le soufre. «Le parfum de la fraise», Peter Atkins, Dunod

2 1. Grace à ce texte, rappeler les différents états de la matière. 2. Comment sont organisées les molécules dans les différents états? 3. Comment peut-on justifier l expression suivante : «L état physique d une matière est le résultat d un bras de fer entre l agitation thermique et les forces de cohésions.» 4. Les dihalogénes sont des molécules dites apolaires. Justifier cette appellation. 5. Observer et compléter les données du tableau suivant. Molécule Dichlore Cl 2 Dibrome Br 2 Diiode I 2 Longueur picomètres Nombre d électrons Température de fusion en C Température d ébullition en C 6. Comment peut on expliquer les différences de température de fusion et d ébullition des dihalogénes? 7. Expliquer la phrase suivante : «La cohésion d un solide moléculaire peut-être assurer par des interactions entre dipôles électriques permanents ou instantanés appelées interactions de Van Der Waals.»

3 Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 2) Document 2 :les liaisons hydrogènes La liaison hydrogène, souvent évoquée est une liaison dont peu de monde soupçonnait l'importance, il y a quelques années encore. Pourtant, on pourrait la baptiser "la liaison de la vie", au même titre que l'on pourrait baptiser H 2 O "la molécule de la vie", tellement toutes deux jouent un rôle central dans les processus biologiques au niveau moléculaire. On l a vu, la molécule H 2 O est capable de développer des liaisons hydrogène. Mais elle n est pas la seule : la plupart des molécules polaires, en particulier les molécules biologiques, peuvent le faire et se lier ainsi entre elles ou avec des molécules d eau. Toutes les molécules possédant des groupes carbonyles (C=O) polaires peuvent également se lier par liaisons hydrogène aux molécules d eau. Mais la petite molécule d eau est capable d établir jusqu à quatre de ces liaisons. Dans l'eau liquide ou la glace, où il n y a que des molécules d eau, cela permet d avoir un nombre de liaisons hydrogène particulièrement élevé : autant que de liaisons de valence. C est ce qui donne à l'eau ses propriétés physiques exceptionnelles (au voisinage de Celsius, elle se contracte quand on la chauffe et devient plus fluide quand on la comprime), et ses propriétés chimiques non moins exceptionnelles (elle est unique pour dissoudre les sels, acides ou bases en les dissociant en ions positifs et négatifs, etc...). D apès un article de Yves Maréchal CEA Grenoble

4 1. Quelles sont les molécules capables d agir sur la cohésion de la matière grâce aux liaisons hydrogènes? 2. La présence de liaison hydrogène est étroitement liée à l électronégativité des atomes. Rappeler ce que signifie ce terme. 3. Rappeler ce qu est une liaison de covalence. 4. En quoi la liaison hydrogène diffère de la liaison de covalence? 5. Observer la figure représentant les différentes liaisons hydrogène de l eau. Expliquer pourquoi la molécule d eau peut faire jusqu à quatre liaisons hydrogène. 6. Donner une représentation possible de ce type de liaison entre deux molécules d eau. 7. Les molecules d éthanol et de méthoxyméthane, de formule brute C 2 H 6 O, sont des isoméres. Rappeler ce que signifie le terme isomère puis donner les formules brutes correspondantes. 8. Montrer qu elles sont polaires? 9. A partir du tableau suivant, justifiez le fait que leur différence de température d ébullition ne peut pas venir uniquement des interacions de Van der Waals. molécule Ethanol Méthanol Moment dipôlaire 1,7 D 1,4D Température de -117 C -142 C fusion Température d ébullition 78 C -25 C

5 Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 3) Document 3 : Température d ébullition des alcanes et masse molaire Les alcanes sont des hydrocarbures (molécules constituées uniquement d atomes de C et de H) ne présentant que des liaisons C-C simples. Leur formule brute est C n H 2n+2. Voici quelques alcanes linéaires (alcanes dont la chaîne carbonée ne comporte pas de ramification (chaque atome de C n est lié qu à 2 autres atomes de C) : Formule brute Alcane θ eb ( C) CH 4 Méthane - 161,7 C 2 H 6 Ethane - 88,6 C 3 H 8 Propane - 42,1 C 4 H 1 Butane -,5 Masse molaire (g.mol -1 ) Document 4 : Tableau des électronégativité. H 2,1 Li 1, Na,9 Be 1,5 Mg 1,2 B 2, Al 1,5 C 2,5 Si 1,8 N 3, P 2,1 O 3,5 S 2,5 F 4, Cl 3, He Ne Ar Echelle d'électronégativité de PAULING pour quelques éléments chimiques (en unité atomique de moment dipolaire : 1 u.a.m.d = 2,54 Debye)

6 Questionnaire : a. D après la partie 1, les molécules apolaires interagissent quand même : pourquoi? b. Calculer la différence d électronégativité entre l hydrogène et le carbone grâce au tableau de la partie 1. Comparer avec la différence d électronégativité entre l hydrogène et le l oxygène. Les alcanes sont-ils polaires ou apolaires? c. Compléter la dernière colonne du tableau du document 2 en calculant les masses molaires des alcanes. d. Tracer la courbe donnant la température d ébullition en fonction de la masse molaire. e. Qu observez-vous? f. Comment expliquer ce constat à l aide des interactions décrites précédemment? g. Le décane est un alcane linéaire de formule brute C 1 H 22. À votre avis, quel est son état physique à température ambiante? Pourquoi? h. La paraffine de bougie est constituée de molécules d alcanes à chaîne linéaire. Que pouvez-vous dire sur la longueur de la chaîne carbonée de la paraffine de bougie? Argumenter. i. Le pétrole est essentiellement un mélange d alcanes de différentes longueurs. Comment peut-on procéder pour séparer les différents alcanes du pétrole?

7 Correction : La courbe donnant la température d ébullition en fonction de la masse molaire Température d'ébullition Masse moléculaire Tableau de valeurs Formule brute θ eb ( C) Masse molaire (g.mol -1 ) CH 4-161,7 16 C 2 H 6-88,6 3 C 3 H 8-42,1 44 C 4 H 1 -,5 58 C 1 H

8 4 3 y = 3,7864x - 213,32 Température d'ébullition Masse moléculaire

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