séquence PARtiE 2 3 Manuel unique, p 158 ( Cohésion Manuel de chimie, p 72) des solides Le programme notions et contenus Solide ionique Interaction électrostatique ; loi de Coulomb Solide moléculaire Interactions de Van der Waals, liaison hydrogène Électronégativité Cohésion et transformation de la matière Compétences attendues Interpréter la cohésion des solides ioniques et moléculaires Réaliser et interpréter des expériences simples d électrisation Les compétences à acquérir dans la séquence 1 Mettre en évidence une liaison polaire 2 Expliquer la cohésion des solides ioniques 3 Connaître les forces intermoléculaires 86 Évaluation diagnostique p 158 Situation 1 Peu après son atterrissage, un avion est relié à la terre pour éliminer les charges électriques se trouvant sur le fuselage L avion s est chargé en volant à cause des frottements du fuselage avec l air L activité 1 permet de comprendre l évolution des idées et des théories relatives à l électrisation et aux forces électrostatiques, de l Antiquité jusqu à la formulation de la loi de Coulomb Situation 2 Les solides ioniques sont formés d ions placés de manière régulière dans l espace Ces ions sont immobiles, figés dans la structure cristalline Chaque cation a comme plus proches voisins des anions et chaque anion a comme plus proches voisins des cations, ainsi les forces d attraction sont plus intenses que les forces de répulsion L activité 2 permet de comprendre pourquoi les solides ioniques forment une structure stable et comment les ions sont agencés au sein du solide Situation 3 Les geckos peuvent défier les forces de pesanteur comme les escargots ou les oiseaux, cependant avec d autres méthodes Il leur est possible d escalader des parois lisses, car les pattes de ces petits reptiles sont garnies de nombreux poils microscopiques, appelés sétules Ces sétules sont en interaction avec la paroi et permettent au gecko d adhérer à pratiquement toutes les surfaces L activité 3 montre le lien existant entre la température de fusion d un solide et l intensité des forces d interaction intermoléculaire
Activités Activité 1 Les interactions électriques p 160 1 À la maison, on peut rencontrer la poussière collée à l écran de la télévision ou les bruits et étincelles liés à des décharges électriques lorsque l on enlève des vêtements synthétiques Lorsqu on touche la carrosserie métallique d une voiture, on reçoit parfois une décharge électrique 2 Les particules chargées rencontrées en chimie sont les ions, les protons et les électrons L électron est responsable du passage du courant dans les conducteurs métalliques d un circuit électrique 3 Le courant ne peut pas circuler dans les isolants électriques Les conducteurs électriques permettent le passage du courant 4 a Lors de l électrisation, des électrons sont arrachés ou déposés b Des électrons ont été transférés de l un à l autre 5 L électricité vitreuse porte le nom d électricité positive, tandis que l électricité résineuse est l électricité négative 6 Coulomb a proposé de faire intervenir la distance entre les charges électriques Il s est inspiré de la formule de Newton relative à la gravitation 7 La force d interaction entre deux particules portant les charges q A et q B placées à une distance r l une de l autre peut s écrire : k q q F = A B, où k est une constante r2 Activité 2 Les solides ioniques p 161 1 Les ions sodium ne sont pas en contact avec d autres ions sodium et les ions chlorure ne sont pas en contact avec d autres ions chlorure 2 Un ion sodium a six ions chlorure comme voisins directs 3 Un ion chlorure a six ions sodium comme voisins directs 4 Comme les deux ions sont de signes contraires, ils s attirent 5 r r r Na Cl- soit r 278 pm 2, 78 10-10 m 6 F soit Na/C k e e l = r2 9, 0 10 1, 6 10 1, 6 10 F Na/Cl ( 2, 78 10-10) 2 9-19 -19 3, 0 10-19 N 7 La longueur de l arête d un cube vaut a = 2 r soit 2 r Na + + 2 r Cl - = 5,56 10-10 m En utilisant le théorème de Pythagore, on exprime la longueur d une diagonale de face en fonction d une arête du cube et on obtient 2a soit 2 2r Or, sur une diagonale, on a deux fois la distance séparant les centres de deux ions chlorure proches Ainsi, entre deux centres, on trouve une distance 2r = 3,93 10-10 m 8 La force s exerçant entre deux ions chlorure est répulsive car les deux ions ont une charge de même signe Cette force aura une intensité moins grande que celle s exerçant entre un ion sodium et un ion chlorure, car la distance entre les deux centres des ions chlorure est plus grande 9 Il y a un ensemble de forces attractives d intensités plus importantes que les forces répulsives Ceci assure la stabilité et la cohésion de la structure PARTIE 2 Séquence 3 Cohésion des solides 87
Activité 3 Les forces intermoléculaires p 162 1 a température de fusion ( C) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 colonne 16 colonne 17 colonne 15 colonne 14 200 2 3 4 5 numéro de la ligne b La température de fusion des composés de l hydrogène augmente systématiquement le long d une colonne des lignes 3, 4 et 5 La température de fusion d une molécule formée entre les éléments de la ligne 2 et l hydrogène semble être nettement plus forte, voire anormalement élevée 2 a Il s agit de forces intermoléculaires, liées aux interactions électrostatiques entre les nuages électroniques de deux molécules b Les températures de fusion augmentent systématiquement et linéairement dans ces lignes Cela est dû aux interactions entre molécules, qui deviennent plus fortes 3 Ces températures de fusion des composés de l hydrogène de la deuxième ligne sont anormalement élevées, sauf pour le méthane C 4 4 a méthane C 4 ammoniac N 3 N C eau 2 O O fluorure d hydrogène F F b La liaison hydrogène entre deux molécules d eau est représentée ainsi : O O c Il n y a pas de liaisons hydrogène entre deux molécules de méthane 5 a Lorsque des molécules peuvent établir une liaison hydrogène entre elles, alors la température de fusion de ces espèces augmente considérablement b Il n y a pas de liaison hydrogène entre les molécules de méthane Cette molécule a donc une température de fusion qui correspond à celles des autres éléments de la colonne et qui s aligne (ou presque) avec elles 6 La température de fusion des molécules présentant la liaison hydrogène est beaucoup plus élevée : cette interaction est manifestement plus forte que les autres forces intermoléculaires présentes dans les autres espèces chimiques 88
7 La cohésion des solides moléculaires est assurée par des forces intermoléculaires (de nature électrostatique) Les forces de cohésion n ont pas toutes la même intensité selon qu il s agit de liaisons de van der Waals ou de liaisons hydrogène exercices Compétence 1 : Connaître l électronégativité et mettre en évidence une liaison polaire 1 1 Faux L électronégativité mesure la tendance d un atome à attirer un doublet d électrons liant 2 Vrai 3 Vrai 4 Faux Une liaison polaire est neutre 5 Vrai 6 Vrai 3 1 Les liaisons forcément apolaires concernent les molécules comportant deux atomes identiques : 2 et Br 2 2 a Les liaisons polaires concernent les molécules comportant deux atomes d électronégativités différentes : F et ClF b Cl d+ F d d+ F d 4 1 Les atomes d hydrogène et de tellure ont donc des électronégativités égales ou très proches 2 L électronégativité de l atome d hydrogène est donc plus grande que celle du magnésium 3 L électronégativité de l atome de brome est donc supérieure à celle de l atome d hydrogène 5 1 L électronégativité augmente le long d une colonne de bas en haut 2 L électronégativité augmente le long d une ligne de gauche à droite 3 Les atomes de la dernière colonne sont les gaz nobles, qui ne forment pas de liaison covalente On ne peut donc leur attribuer une électronégativité 4 a Pour obtenir une liaison covalente apolaire, il faut deux atomes identiques ou d électronégativités très proches b Pour obtenir une liaison covalente polaire, il faut deux atomes différents ayant une différence d électronégativité moyenne c Pour obtenir une liaison ionique, il faut deux atomes ayant des électronégativités très différentes 6 L électronégativité et les atomes L électronégativité mesure la tendance d un atome à attirer un doublet d électrons liant 1 Que se passe-t-il si une liaison s établit entre deux atomes ayant des électronégativités égales? Dans quelles molécules trouve-t-on ce type de liaison? 2 Que se passe-t-il si l atome B est légèrement plus électronégatif que l atome A? 3 Que se passe-t-il si l atome B est beaucoup plus électronégatif que l atome A? Ces composés sont-ils encore des molécules? 1 La liaison est apolaire Par exemple, 2, Cl 2 2 La liaison est polaire 3 La liaison est très polaire, voire ionique Dans ce cas, il ne s agit plus d une molécule 7 1 O C O 2 La molécule est linéaire car le carbone central a une structure AX 2 PARTIE 2 Séquence 3 Cohésion des solides 89
3 Les deux liaisons carbone-oxygène sont polaires et la molécule peut être représentée ainsi : d 2d+ d O C O Compétence 2 : Savoir expliquer la cohésion des solides ioniques 8 1 Vrai 2 Vrai 3 Faux Deux particules chargées portant des charges de même signe se repoussent 4 Vrai 9 1 La baguette est chargée positivement, elle a donc perdu des électrons, le chiffon de laine en a gagné 2 On divise la charge q par la charge élémentaire et on trouve alors le nombre N d électrons échangés : N q 1, 9 10-9 1, 2 10 10 électrons e 1, 6 10-19 10 1 La carrosserie d une voiture ou d un camion peut se charger par frottement avec l air Elle est isolée de la route et lorsqu on touche la carrosserie, on la décharge : les charges électriques passent par le corps pour aller vers la terre 2 En présence d essence, une étincelle peut engendrer une explosion Pour éviter cet accident tragique, il faut décharger le camion électriquement en le reliant à la terre avant la vidange 11 Les solides portent des charges électriques, il y a donc une interaction coulombienne Comme elles sont de même signe, il s agit d une répulsion Il faut utiliser la formule de Coulomb pour calculer la valeur de la force : k qa qb FA/B = r2 9, 0 109 2, 5 10-6 2, 5 10-6 soit F A/B 2, 5N 0, 152 12 1 Entre particules chargées, il existe une force électrostatique qui obéit à la loi de Coulomb Elle est attractive si les charges sont de signes opposés et répulsive si les charges sont de même signe 2 Les ions iodure I - ont comme plus proches voisins des ions sodium 3 Chaque ion iodure est entouré de 6 ions sodium 4 Les ions sodium ont comme plus proches voisins des anions, les ions chlorure, au nombre de 6 5 Il y a un ensemble de forces attractives anion/cation d intensités plus importantes (car à plus courte distance) que les forces répulsives anion/anion et cation/cation Ceci assure la stabilité et la cohésion de la structure 14 Le tableau est complété en utilisant les formules des ions du cours Na + Cu 2+ Zn 2+ K + Fe 3+ C - NaC CuC 2 ZnC 2 KCl FeC 3 SO2-4 Na 2 SO 4 CuSO 4 ZnSO 4 K 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 CO2-3 Na 2 CO 3 CuCO 3 ZnCO 3 K 2 CO 3 Fe 2 (CO 3 ) 3 15 1 Le savant français de Cisternay Du Fay a choisi les noms d électricité «vitreuse» et électricité «résineuse» car il a travaillé sur du verre, du cristal (électricité vitreuse) et de la résine 2 Des charges ayant des signes opposés s attirent 90
Compétence 3 : Connaître les forces intermoléculaires 16 1 Faux Les interactions de van der Waals sont des interactions entre molécules 2 Faux Les interactions de van der Waals sont moins intenses que les liaisons hydrogène 3 Faux C est une interaction de nature électrostatique 4 Vrai 17 1 La liaison hydrogène est une interaction électrostatique : elle s établit entre un atome d hydrogène lié à un atome très électronégatif et un autre atome O, N ou F Cette liaison est notée en pointillés 2 Une interaction de Van der Waals est une interaction électrostatique entre les nuages électroniques de deux molécules 18 1 Ces molécules sont apolaires car elles comportent deux atomes identiques 2 Les températures de fusion augmentent du difluor au diiode 3 a Des forces de van der Waals assurent la cohésion de ces solides b Ces interactions ont des intensités faibles par rapport à une liaison covalente c L intensité de ces interactions augmente du difluor au diiode 19 1 L atome le plus électronégatif est B 2 Les trois molécules vont se placer selon : A d+ æb d- A d+ æb d- A d+ æb d- 20 1 Ce sont des interactions de nature électrostatique 2 Ce sont des forces de van der Waals 21 La liaison hydrogène dans l eau La liaison hydrogène entre deux molécules d eau est représentée sur la figure 1 Quels sont les deux atomes impliqués dans cette liaison? 2 d + et 2d - sont écrits respectivement sur l atome d hydrogène et l atome d oxygène Que représentent ces charges? 3 Comparer la longueur de la liaison hydrogène à la longueur de la liaison de covalence dans une molécule d eau 1 Les deux atomes sont l atome d oxygène d une molécule d eau et un atome d hydrogène d une autre molécule 2 Ces charges représentent les excédents de charge liés au caractère polaire de la liaison covalente Oæ 3 La liaison hydrogène est plus longue qu une liaison covalente classique 22 1 La base azotée systématiquement présente en face de l adénine (A) est la thymine (T) 2 La base azotée systématiquement présente en face de la guanine (G) est la cytosine (C) 3 Les couplages de paires de bases azotées manifestement faux sont donc : T-G et C-A 4 Les pointillés représentent une liaison hydrogène entre les deux bases azotées adénine et thymine Il s agit d une interaction moins solide qu une liaison covalente 5 L atome d azote dispose d un doublet non liant disponible, ce qui permet la création de cette liaison hydrogène Les brins ne seraient pas aussi solidement attachés s il s agissait de forces de van der Waals, car ces interactions sont plus faibles Exercices de synthèse 23 1 Les feuilles verticales s écartent lorsqu on approche une baguette chargée négativement du plateau de l électroscope déchargé, car les électrons mobiles du plateau sont repoussés vers les feuilles par la baguette chargée et les feuilles sont alors chargées négativement : il y a répulsion Lorsqu on éloigne la baguette, les feuilles retombent, car l électroscope n est pas chargé PARTIE 2 Séquence 3 Cohésion des solides 91
2 Si la baguette touche le plateau, alors elle dépose des électrons sur le plateau Ces électrons se répartissent dans l électroscope et les feuilles restent écartées, même si on retire la baguette 3 Lorsque l on touche le plateau avec la main, on décharge l électroscope ; les feuilles retombent 24 1 L ammoniac N 3 et le chlorure d hydrogène Cl ont des liaisons polaires 2 La molécule de méthane ne comporte pas de liaison polaire car les atomes de carbone et d hydrogène ont à peu près la même électronégativité Sa température de fusion est la plus basse car les interactions de van der Waals sont plus faibles dans une molécule apolaire 3 Les liaisons -Cl sont plus polaires que les liaisons N- car la différence d électronégativité entre et Cl est plus forte qu entre et N 4 L atome d azote peut créer une liaison hydrogène avec l atome d hydrogène d une autre molécule, contrairement à l atome de chlore 5 Les liaisons hydrogène sont plus intenses que les interactions de van der Waals, c est pourquoi l ammoniac N 3 a une température de fusion plus élevée que le chlorure d hydrogène Cl 25 1 Il s agit de liaisons hydrogène 2 On remarque qu il ne peut pas se produire de nombreuses interactions au sein de cette protéine dépliée car les morceaux sont loin les uns des autres 3 La forme pliée est plus stable car les interactions intramoléculaires stabilisent la molécule 26 1 Les ions les plus proches d un ion césium sont les ions chlorure Il y a huit ions chlorure en contact avec un ion césium 2 Les ions les plus proches d un ion chlorure sont les d ions césium et huit sont en contact avec un ion chlorure 3 C est la force d interaction électrostatique qui obéit à la loi de Coulomb 4 Un seul ion césium fait partie du cube 5 Un ion chlorure appartient à huit cubes simultanément Or il y en a huit à partager entre huit cubes, cela fait donc un ion chlorure appartenant au cube 6 Un cube contient un ion césium et un ion chlorure La formule statistique doit donc être CsCl Il est possible de donner directement cette formule : la formule statistique est forcément neutre électriquement, donc il n y a que CsCl qui convienne 7 Le chlorure de césium n est pas un conducteur électrique car ses ions constitutifs ne sont pas mobiles 92