Fiche de Cours. Un exemple classique d un cristal ionique le chlorure de Sodium,

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1 Sciences Physiques Unité : Interactions fondamentales Chapitre: Chapitre 3 - Solutions électrolytiques Fiche de Cours S. Zayyani En 2 nde on a abordé le sujet de la formation des structures moléculaires en introduisant la notion de liaisons entre les atomes afin de former des structures moléculaires. On a bien étudié une façon de former des liaisons (=bond), la mise-en-commun de deux électrons : c est la liaison covalente. Il existe une deuxième façon de former des liaisons, qui exploite les forces coulombiennes entres les atomes/ions : la liaison ionique. Solides Ioniques DEFINITION : Un solide ionique est un solide composé d ions. Dans un solide ionique cristallin (ou cristal ionique) les cations et les anions sont disposés de manière ordonnée dans l espace. EX. 1 : Globalement un solide ionique contient autant de cations que d anions. Il est donc électriquement neutre. Quelle est alors la formule d un solide ionique constitué d ions et? Un exemple classique d un cristal ionique le chlorure de Sodium, : c est le sel de table. Dans les molécules covalentes, la cohésion moléculaire est due aux échanges d électrons périphériques entre les atomes engagés à la liaison. En revanche dans les solides ioniques il n existe plus de tel échange. Dans ces cristaux chaque ion est en contact avec des ions de charge opposée, qui sont ses plus proches voisins. Donc ils subissent tous une force d attraction (coulombienne) entre eux. Il existe également des forces de répulsion entre ions de même signe. Cela explique pourquoi la plupart des cristaux ioniques sont assez rigides ainsi que «cassants» (=brittle). De plus, les cristaux ioniques ne contiennent pas d électrons libres ; ce sont donc des isolants électriques. Mais, maintenant il faut se poser la question : pourquoi, si les solides sont électriquement neutres, et privés d électrons libres, les solutions ioniques (e.g. eau salée) sont conductrices? Polarite d une mole cule En définissant une liaison covalente, on a dit qu il s agit de la miseen-commun, par chaque atome, d un électron périphérique. Mais, 1

2 même si cet électron appartient aux deux atomes participant à la liaison, l électron mis en commun n est pas forcement attiré de la même façon par les deux atomes. Pourquoi? Car chaque atome possède une propriété, appelée «électronégativité» (=electronegativity) qui est la tendance de l atome à attirer le doublet d une liaison de covalence qu il forme avec un autre atome. Plus un atome est électronégatif, plus il aura tendance à attirer les électrons de la liaison covalente dans laquelle il est engagé. (Linus Pauling) Il y a une relation entre l électronégativité d un atome et sa place dans la classification périodique : l électronégativité augmente de gauche à droite dans une période, et de bas en haut dans une colonne du tableau périodique. Q : Pourriez-vous expliquer ou justifier pourquoi? Q : Selon cette définition, quel atome est le plus électronégatif? Vérifier votre hypothèse. Considérons alors deux molécules diatomiques (i.e. composées de deux atomes) :. Si les deux atomes de la liaison sont identiques, les électrons du doublet liant ne sont pas davantage attirés par un atome que par l autre atome. Donc les électrons sont également «répartis» autour des deux atomes, et du coup il 2

3 n y aura pas de déséquilibre de charge négative autour d un des deux atomes. Cette molécule est dite apolaire (=apolar, non-polar). C est le cas pour la molécule de dihydrogène. Mais en comparant l électronégativité de à celle de, on constate une différence non-négligeable. Dans une telle situation, les électrons de la liaison seront plus attirés par l atome le plus électronégatif. Par conséquent la charge négative portée par les électrons n est plus également repartie autour des atomes de la molécule. L atome le plus électronégatif aura une concentration de charge négative, alors que l autre atome sera plutôt positivement chargé. La liaison dans ce cas est dite polarisée (=polarized), et la molécule polaire. On représente cette «concentration» de charge par des symboles (delta minuscule en grecque). On symbolise une molécule de Chlorure d hydrogène : Un tel système constitue un dipôle électrostatique. Molécule d eau Grâce à cette nouvelle connaissance faisons une étude simple de la molécule d eau. On se rappelle que la molécule d eau a une géométrie coudée. De plus, l oxygène est largement plus électronégatif que l hydrogène (pourriez-vous le justifier?) Par conséquent les liaisons seront polarisées, donc le dipôle s oriente vers l atome d oxygène. Cela rend la molécule d eau polaire. REMARQUE : il est très important de constater le rôle joué par la géométrie moléculaire de la molécule dans sa polarisation électrostatique. QUESTION : Si cette molécule était linéaire aurait-il la même polarisation? Justifier avec un schéma. 3

4 Solvatation des ions, et des solutions électrolytiques Revenons à la question précédente concernant la dissolution du sel dans l eau. La mise-en-solution du sel est représentée par : Le sel, étant un composé ionique, contient des ions, c'est-à-dire des particules chargées. L eau est un solvant polaire, c'est-à-dire composé de molécules polaires. Le contact entre les molécules d eau et les ions du solide, les mène à la dissolution de l électrolyte (les ions sodium et chlorure du sel), due à l action électrostatique attractives des molécules d eau. Par attraction électrostatique, les ions passés en solutions s entourent d un bouclier de molécules d eau. Ils ne peuvent plus alors se rapprocher les uns des autres afin de former des liaisons ioniques. Ce phénomène s appelle la solvatation. Si le solvant est l eau, on le nomme également hydratation. Les ions hydratés sont notés avec l indice. Donc symbolise un ion de sodium, entouré de molécules d eau. Enfin les ions solvatés/hydratés se dispersent uniformément dans la solution, ce qui crée une solution homogène. DEFINITION : La quantité maximum de soluté que l on peut dissoudre dans un solvant est appelée solubilité du soluté. Voici quelques mise-en-solutions : 4

5 Solvatation du proton L hydrogène étant le premier élément (Z=1) a une ionisation particulière : En perdant son électron seul, l ion d hydrogène devient simplement un proton libre. Donc, par exemple, la dissolution de libère des ions de chlorure ainsi que des protons libres dans la solution. Les ions sont, comme tous les ions, hydratés par les molécules d eau : on les note Mais en réalité une molécule d eau peut établir une véritable liaison covalente avec le proton pour former l ion Oxonium qui est lui-même hydraté par la suite :. On représente un proton en solvant aqueux par QUESTION : Donner deux équations équivalentes de la dissolution de l acide chlorhydrique dans l eau (avec proton libre simple et avec oxonium). 5

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