Cours - PhyZik

B3
Cohésion des solides
Quel sont les phénomènes à l’échelle microscopique qui assurent la cohésion d’un solide ? Et ont-ils tous la même
influence ou intensité ?
I – Solide ionique
1) Interactions électrostatiques
Un solide ionique est constitué de cations (+) et d’anions (-) assimilés à des sphères
dures. L’ensemble est électriquement neutre.
L’interaction électrostatique entre ces ions assure la cohésion du solide ionique.
La force électrostatique assurant cette cohésion est la loi de Coulomb :
𝐹 = 𝑘.
|𝑞𝐴 |.|𝑞𝐵 |
𝑑2
avec 𝑘, constante de Coulomb
𝑘 = 9,0.109 𝑁. 𝑚2 . 𝐶 −2 dans l’air et dans le vide
2) Formule d’un solide ionique
Cations et anions à connaitre :
cations
formules
anions
fer II
formules
sulfure
fer III
sulfate
3+
NO3-
Al
cuivre II
carbonate
Zn2+
hydrogénocarbonate
+
Na
Ca
fluorure
2+
Cl -
K+
hydrogène
oxyde
O2-
hydroxyde
magnésium
phosphate
+
Ag
baryum
ammonium
La formule statistique d’un solide ionique indique la proportion des ions présents.
Ex : fluorure de calcium
 Ion fluor, F- et ion calcium : Ca2+
 Fluorure de calcium : CaF2
La formule indique le cation suivit de l’anion sans les charges avec en indice le nombre d’ions permettant de
respecter la neutralité électrique.
Autres exemples :
Hydroxyde de cuivre II
Chlorure de cuivre II
Nitrate d’aluminium
Acti – Van der Waals
nitrate d’argent
sulfate de baryum
carbonate de calcium sulfate d’ammonium
II – Solide moléculaire
1) Electronégativité
Dans une liaison covalente, le partage du doublet d’électrons entre
deux atomes ne se fait pas toujours de manière symétrique.
Tout dépend l’électronégativité des atomes, c'est-à-dire de leur
aptitude à attirer les électrons.
Elle augmente de gauche à droite et de bas en haut dans la
classification périodique :
 L’élément le plus électronégatif est le fluor F
Electronégativité
croissante
carbonate d’ammonium
phosphate d’argent
2) Caractère polaire d’une molécule
Ex 1 : le dioxyde de carbone CO2
Les deux liaisons covalentes C=O sont polarisées mais comme cette molécule est
linéaire le dipôle résultant est nul. Celle molécule est donc apolaire.
Ex 2 : l’eau H2O
Les deux liaisons covalentes O-H sont polarisées. Comme cette molécule est coudée, la
barycentre des charges positives et négatives ne coïncide pas et la molécule est polarisée.
3) Comment interpréter la cohésion des solides moléculaires ?
Ces solides sont constitués de molécules régulièrement disposées dans l’espace.
Dans le cas des molécules polaires, il existe des interactions électrostatiques entre les dipôles permanents qui
assurent la cohésion du solide, ce sont les interactions de Van der Waals.
Ex : Chlorure d’iode solide ICl
Ces interactions existent mais sont plus faibles pour les molécules apolaires.
Des interactions attractives supplémentaires peuvent s’ajouter : ce sont les liaisons hydrogène.
Ex : l’eau H2O
Une liaison hydrogène se forme entre un atome d’H lié à un atome d’oxygène très électronégatif d’une première
molécule à un atome d’oxygène O d’une seconde molécule.
Toute molécule qui possède des groupes –O-H présente des liaisons hydrogène qui renforcent la cohésion du solide
moléculaire.
Ex : Tébu(éthanol) = 78°C et Tébu(méthoxyéthane) = -25°C
car CH3-CH2-OH possède des liaisons hydrogène et pas l’isomère CH3-O-CH3
C2H5
H
C2H5
O
H
O
Liaisons hydrogène dans l’éthanol
Autre ex : Les polymères absorbants (polyacrylates de sodium) sont des polymères capables d’absorber plusieurs
centaines de fois leur poids en eau. Ils sont utilisés dans les couches.
-
H
O
COO
-
H
COO
O
-
H
H
-
H
-
H
H
COO
O
COO
COO
O
O
H
III – Dissolution d’un solide ionique
1) Mode de dissolution
Animation – Dissolution d’un sel
Les molécules d’eau entourent le cation en s’orientant de sorte que l’atome d’oxygène soit
au plus près du cation.
La dissolution d’un solide ionique dans un solvant polaire se déroule schématiquement en
trois étapes : la dissociation des ions du solide, solvatation des ions et la dispersion des ions dans la solution.
2) Equation d’une réaction de dissolution
𝑒𝑎𝑢
2+
−
Cas du chlorure de cobalt : 𝐶𝑜𝐶𝑙2(𝑠) → 𝐶𝑜(𝑎𝑞)
+2𝐶𝑙(𝑎𝑞)
IV – Dissolution d’un composé moléculaire dans un solvant
1) Dissolution d’un soluté polaire dans un solvant polaire
Exp : Mélange d’acétone et de butanone. Solution obtenue homogène.
Des interactions de Van Der Waals s’établissent entre les molécules polaires de soluté et les molécules polaires de
solvant.
Les solutés polaires sont donc solubles dans les solvants polaires.
Exp : Dissolution de molécules de saccharose 𝐶12 𝐻22 𝑂11 dans l’eau. Solution homogène qui ne conduit pas le courant
électrique.
La grande solubilité du saccharose dans l’eau résulte :
- Des interactions de Van Der Waals qui interviennent entre les molécules de soluté (le saccharose) et les molécules
de solvants (eau) ;
- Et la formation de nombreuses liaisons hydrogène.
La solubilité est favorisée lorsque des liaisons hydrogène s’établissent entre les molécules de soluté.
2) Dissolution d’un soluté apolaire dans un solvant apolaire
Exp : Diiode dans l’eau. Coloration jaune. Il reste du diiode solide au fond du tube à essais.
On ajoute de l’heptane à cette solution dans une ampoule à décanter.
L’heptane initialement incolore prend une teinte fuchsia et la solution aqueuse s’éclaircie. Le diiode a disparu.
Les solutés moléculaires apolaires ou peu polaires sont généralement solubles dans les solvants apolaires.
V – Concentration d’un ion en solution
1) Concentration molaire en soluté apporté
Ex : On prépare une solution de 𝑚 = 20𝑚𝑔 de chlorure de cobalt 𝐶𝑜𝐶𝑙2(𝑠) dans 𝑉 = 50𝑚𝐿 d’eau
𝑚
0,020
𝑛
𝑛 = 𝑀 = 129,9 = 1,54. 10−4 𝑚𝑜𝑙 et concentration molaire 𝐶 = 𝑉 =
1,54.10−4
0,050
= 3,08. 10−3 𝑚𝑜𝑙. 𝐿−1
où 𝑀 est la masse molaire du soluté 𝑀 = 𝑀(𝐶𝑜) + 2. 𝑀(𝐶𝑙) = 58,9 + 2.35,5 = 129,9𝑔. 𝑚𝑜𝑙 −1
2) Concentration molaire d’une espèce dissoute
Ex :
𝐶𝑜𝐶𝑙2(𝑠)
𝑒𝑎𝑢
→
2+
𝐶𝑜(𝑎𝑞)
+
−
2𝐶𝑙(𝑎𝑞)
Etat
avancement
Quantités de matière (mol)
initial
0
0
0
𝑛
en cours
𝑥
𝑛−𝑥
𝑥
2𝑥
final
0
𝑥𝑚𝑎𝑥 = 𝑛
𝑛
2𝑛
2+
−
−3
−1
−3
−1
Donc finalement : [𝐶𝑜(𝑎𝑞) ] = 𝐶 = 3,08. 10 𝑚𝑜𝑙. 𝐿 et [𝐶𝑙(𝑎𝑞) ] = 2𝐶 = 6,16. 10 𝑚𝑜𝑙. 𝐿
DI - Préparation d'une solution ionique