Activité documentaire: La cohésion moléculaire
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Activité documentaire: La cohésion moléculaire Compétence attendue : Durée : 1 H 30 Comprendre la cohésion des solides moléculaires grâce à plusieurs types de liaisons chimiques. APP : Extraire des informations, questionner et identifier le problème VAL : Interpréter des résultats COM : Rendre compte à l’écrit Document 1 : Interactions entre molécules 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. « Le parfum de la fraise », Peter Atkins, Dunod Document 2 : Électronégativité d’un atome L’électronégativité d’un élément chimique est sa capacité à attirer les électrons partagés de la liaison covalente avec un autre élément. Voici ci-dessous la classification simplifiée de Mendeleïev. Les valeurs données font partie d’une échelle d’électronégativité dite de Pauling. Plus la valeur est importante et plus l’élément est électronégatif. Exemple : F de valeur 4,0 est très électronégatif Na de valeur 0,9 est très peu électronégatif, donc électropositif Document 3 : Polarité d’une liaison, d’une molécule Si deux atomes impliqués dans une liaison de covalence sont d’électronégativités différentes, les électrons de la liaison sont délocalisés vers l’atome le plus électronégatif, qui porte alors une charge partielle négative notée δ-. L’autre atome de la liaison porte, quant à lui, une charge partielle positive notée δ+. La liaison covalente est dite polarisée. Exemple : Note : La liaison C-H n’est pas polarisée (liaison apolaire) car les valeurs d’électronégativité de C et de H sont proches. On dira qu’une molécule est polaire lorsque le centre géométrique des charges partielles positives n’est pas confondu avec le centre géométrique des charges partielles négatives. AD - La cohésion moléculaire - Page 1 Document 4 : Différentes interactions entre solides Il existe 3 interactions principales pour les phases condensées (solides et liquides). Classons-les par forces croissantes : Liaisons de van der Waals (Liaisons faibles énergétiquement) Concerne les solides moléculaires Liaisons Hydrogènes en pointillés (environ 10 fois plus intenses que les liaisons Van der Waals) Concerne les solides moléculaires Liaisons électrostatiques (beaucoup plus intenses que les liaisons hydrogènes) concerne les solides ioniques Document 5 : La liaison hydrogène Une liaison hydrogène est possible entre 2 molécules si les conditions suivantes sont réunies : La molécule 1 possède un atome très électronégatif (O, N, F, Cl) porteur d’au moins un doublet non liant, La molécule 2 possède un atome H doté d’une liaison polarisée avec l’atome voisin. Document 6 : Températures de fusion Colonne de l’oxygène Oxygène O Soufre S Sélénium Se Tellure Te Colonne de l’azote Azote N Phosphore P Arsenic As Antimoine Sb Colonne du fluor Fluor F Chlore Cl Brome Br Iode I AD - La cohésion moléculaire - Page 2 QUESTIONS Q1 : Représenter les charges partielles portées sur les atomes des molécules citées ci-dessous. En déduire si la molécule a un caractère polaire ou apolaire. Le chorure d’hydrogène :HCl, l’eau : H2O, le tétrachlorure de carbone :CCl4, le dioxyde de carbone : CO2, l’acétone : C3H6O, le toluène : C7H8 Q2 : Le professeur fait l’expérience suivante : dans un premier temps, il approche une paille électrisée à un mince filet d’eau, le filet d’eau est attiré par la paille puis ensuite à un mince filet de cyclohexane, ce dernier ne bouge pas. Expliquer ce phénomène. On pourra s’aider d’un schéma. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Q3 : En classe de seconde, vous avez effectué une distillation et une synthèse. Le mélange obtenu était hétérogène (deux phases, dont une était de l’eau). La dernière étape était une extraction liquide-liquide afin d’obtenir l’espèce chimique recherchée. Le solvant extracteur était choisi principalement de telle sorte : - qu’il ne soit pas miscible avec le solvant d’origine, en général l’eau, - que les espèces chimiques à extraire y soient le plus solubles possibles, Pourquoi certaines espèces sont solubles dans des solvants et pas dans d’autres ? Comment expliquezvous la solvatation ? Pourquoi certains liquides ne sont pas miscibles entre eux ? Nous vous proposons de répondre à l’aide des documents et des deux éprouvettes sur la paillasse du professeur, les deux éprouvettes contiennent du tétrachlorure de méthane, de l’eau et du cyclohexane ; dans l’une du sulfate de cuivre, dans l’autre du diode. Expliquez pourquoi le solvant extracteur pour le sulfate de cuivre sera l’eau et pour le diiode le tétrachlorure de méthane ou le cyclohexane ? ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. AD - La cohésion moléculaire - Page 3 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Q4 : Un solide plus léger qu’un liquide ! Une bouteille pleine d’eau abandonnée dehors par une froide nuit d’hiver éclate quand l’eau gèle. Or, si l’eau était un liquide comme les autres, par exemple comme le cyclohexane, voir fig.1, son volume devrait diminuer lors de la solidification et le glaçon coulerait. L’éclatement de la bouteille montre donc que le contraire se produit : la densité de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide. Cela est d’ailleurs en accord avec le fait que les icebergs flottent sur la mer fig.2 Glaçon de cyclohexane coule dans du cyclohexane Tfusion= 6,5°C Tébullition = 80,75°C Caractéristiques : C6H12 Iceberg flotte sur la mer Caractéristiques : H2O Tfusion= 0°C Tébullition = 100°C Comment pouvez-vous expliquer ce phénomène ? ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………………………………………... .……………………………………………………………………………………………………………………………….. Q5 : Etude du document n°6 Pour les composés d’une même ligne, justifier l’évolution des températures pour n > 2 : ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… AD - La cohésion moléculaire - Page 4 Comment justifier la discontinuité qui apparaît alors pour l’acide fluorhydrique HF, l’eau H2O et pour l’ammoniac NH3 ? ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Q6 : 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 CnH2n+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) : Questions : Compléter la dernière colonne du tableau ci-dessus en calculant les masses molaires des alcanes. Tracer la courbe donnant la température d’ébullition en fonction de la masse molaire. Qu’observez-vous ? ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… AD - La cohésion moléculaire - Page 5 Comment expliquer ce constat à l’aide des documents précédent : ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Le décane est un alcane linéaire de formule brute C10H22. À votre avis, quel est son état physique à température ambiante ? Pourquoi ? ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… 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 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Proposer une synthèse des connaissances découvertes pour expliquer la cohésion moléculaires au cours de cette activité documentaire. Mots clés : liaison de Van der Walls, liaison hydrogène, molécules polaire et apolaire, température de changement d’état ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… AD - La cohésion moléculaire - Page 6 Quelques éléments de réponse La température d’ébullition augmente de manière quasi-linéaire avec la masse molaire des alcanes linéaires car l’intensité des forces d’interaction de Van der Waals augmentent avec la longueur de la chaîne carbonée :plus les molécules sont grosses et contiennent d’électrons, plus elles sont polarisables, plus les interactions de Van der Waals sont fortes entre elles, plus il faut apporter d’énergie pour les faire passer à l’état gazeux. Le décane est liquide à température ambiante car il contient 10 atomes de carbone (Teb = 174°C). La paraffine contient plus de 10 atomes de carbone (C25H52). Conclusion : (à établir avec les élèves) L’interaction de Van der Waals est une interaction électrique de faible intensité entre des atomes, des molécules, ou entre une molécule et un cristal. Elle est associée à des forces attractives, généralement en 1/r7, de très courte portée. Les forces de Van der Waals sont d’autant plus grandes que les électrons sont nombreux et la molécule étendue. Elles peuvent résulter d’interactions existant entre des dipôles permanents de molécules polaires (on parle de forces de Keesom) mais également se manifester entre des molécules apolaires comme les gaz monoatomiques rares, les corps simples diatomiques (N2, O2, I2…) ou les molécules polyatomiques symétriques (CO2, CCl4…) (on parle alors de forces de London). Dans ce cas, ce sont les fluctuations de la densité électrique qui engendrent des dipôles instantanés induisant des dipôles dans les molécules voisines. Evolution de la masse molaire des alcanes en fonction de leur température d’ébullition a- Pour les composés d’une même ligne, justifier l’évolution des températures pour n>2 : Seules existent des interactions de van der Waals, lorsque n croît, les molécules sont de plus en plus volumineuse, donc de plus en plus liés les unes aux autres, ce qui explique que la température de fusion des composés augmente avec n. b- Comment justifier la discontinuité qui apparaît alors pour l’acide fluorhydrique HF, l’eau H2O et pour l’ammoniac NH3 ? AD - La cohésion moléculaire - Page 7 Dans ces molécules, des liaisons hydrogène s’ajoutent aux interactions de van der Waals augmentant la cohésion de ces solides, ce qui se traduit par une valeur élevée de la température de fusion de ces solides. Si un solide moléculaire est formé de molécules apolaires, il est très soluble dans un solvant apolaire. Si un solide moléculaire est formé de molécules polaires, il est alors très soluble ans un solvant polaire. La géométrie de la molécule intervient aussi Exemple d’une molécule apolaire : le dioxyde de carbone .En effet, la géométrie linéaire de la molécule annule globalement la différence de répartition des charges. Solvants organiques : Un solvant organique dont les molécules comportent un atome très électronégatif N, O, F ou Cl est généralement polaire. Les solvants hydrogénocarbonés (uniquement constitués d’atomes de carbone et d’hydrogène) sont considérés comme apolaire car les électronégativités du carbone et de l’hydrogène sont très proches. Q4 : Comment pouvez-vous expliquer ce phénomène ? Cette variation anormale de la densité s’explique grâce aux liaisons hydrogène qui maintiennent les molécules d’eau à grande distance. Lorsque la température s’élève AD - La cohésion moléculaire - Page 8 et que la glace fond, ces liaisons hydrogène sont rompues et les molécules d’eau se rapprochent. L’eau liquide est ainsi plus dense que la glace. Q5 : Au sein de la famille chimique de l’oxygène (4ème colonne), la température d’ébullition augmente avec la masse molaire : plus les atomes sont gros et contiennent d’électrons, plus ils sont polarisables, plus les interactions de Van der Waals sont fortes entre eux, plus il faut apporter d’énergie pour les faire passer à l’état gazeux. La température d’ébullition de H2O est plus élevée, donc ces molécules sont plus fortement liées entre elles. Elles sont le siège de liaisons intermoléculaires particulières : les liaisons hydrogènes. AD - La cohésion moléculaire - Page 9
