TP-liaisons

LOIS ET MODELES
TP : Qui me retient ?
Objectifs :
moléculaires.
Interpréter à l'échelle microscopique la cohésion des solides ioniques et
I- Les états de la matière
Décrire les molécules en complétant le tableau à l’aide des mots :
En contact les unes avec les autres - Peu liées et peuvent glisser les unes sur les autres Très éloignées les unes des autres - Très fortement liées - Empilées très régulièrement - Animées de mouvements
désordonnées et incessants - En contact lorsqu’elles glissent.
Etat solide
Etat liquide
Etat gazeux
Modèle
microscopique
Description des
Particules
II- La cohésion de solides
Un solide peut être ionique (NaCl) ou atomique (Cu) ou moléculaire (H2O) selon la nature des liaisons qui
s’établissent entre ses constituants.
1- La liaison ionique
Comment expliquer la cohésion d’un solide ionique ?
2- La liaison de Van der Waals
Qu’est-ce qu’une molécule ? De quel type est la liaison entre les atomes ?
La cohésion des solides moléculaires est due à des interactions, appelées forces de Van der Waals. A l'aide du
document ci-dessous répondre aux questions suivantes.
"L’interaction de Van der Waals est une interaction électrique de faible
valeur entre des atomes, des molécules. 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."
When two atoms come within 5 nanometers of each other, there will be a
slight interaction between them, thus causing polarity and a slight attraction
(slight: adjectif signifiant léger).
a- Les forces de Van der Waals sont dues à quel type d'interaction (forte, faible, électrostatique,
gravitationnelle) ?
b- Quelle est la portée de ces forces ?
c- Rappeler à quelle condition une molécule est dite polaire ?
d- Dans quel cas un atome peut-il être qualifié de polaire ?
3- La liaison hydrogène
Les liaisons hydrogène sont des liaisons intermoléculaires qui ne s’établissent
qu’entre certaines molécules et qui implique toujours un atome d’hydrogène. Elles
sont vingt fois moins solides que les liaisons covalentes, et elles sont dix fois plus
solides que les liaisons de Van der Waals.
a- Expliquer le terme "liaisons intermoléculaires". Les liaisons covalentes
peuvent-elles être qualifiées ainsi ?
b- Quelle interaction permet d’expliquer la présence des liaisons hydrogène ?
V- Lien entre la cohésion de la matière et la température
Lorsque l’on chauffe un solide moléculaire, la chaleur que reçoit le solide est transformée en énergie cinétique
notée Ec. L’agitation des molécules qui constituent le solide augmente. Quand cette agitation est suffisante, des
liaisons de Van der Waals puis des liaisons hydrogène qui assurent la cohésion du cristal, sont rompues et l’édifice
cristallin se disloque.
Le document donné ci-dessous représente les structures cristallographiques et les températures de changement
d’état de quelques composés chimiques usuels sous la même pression (1.105 Pascal = 1 bar).
a- Rappeler la définition de la température de fusion et de la température d’ébullition d’un corps pur.
b- Expliquer ces différences.
Dichlore (Cl2)
Tf = - 101 °C
Téb = - 34 °C
Glace (H2O)
Tf = 0 °C
Téb = 100 °C
Chlorure de césium (CsCl)
Tf = 646 °C
Téb = 1 290 °C
Chlorure de sodium (NaCl)
Tf = 801 °C
Téb = 1 413 °C
VI- Application
1- Les polymères super-absorbants : le polyacrylate de sodium
Le polyacrylate de sodium est un polymère. Un polymère est une longue molécule qui est faite de la répétition d'un
motif formé par des atomes. Ce motif est appelé monomère.
La formule chimique d'un polymère est décrite par la structure du monomère et par la façon
dont les monomères sont accrochés entre-eux. Dans cette représentation, le monomère est la
partie à l'intérieur des parenthèses.
Celle-ci est répétée n fois en reliant le bout à droite d'un monomère au bout à gauche du
monomère suivant. n est typiquement très grand (beaucoup plus que 1 000 pour les polymères super-absorbants) et
varie d'une chaine à l'autre. Pour cette raison le polymère est représenté par une simple longue chaine.
Pour plus de clarté le polymère sera représenté de la façon ci-contre.
Dans l'état solide, les chaines de polymère sont repliées sur elle-même.
Comme chaque atome d'oxygène est relié à un atome de sodium,
l'ensemble des deux a une charge nulle, et il n'y a pas de forces
attractives ou répulsives entre les différents morceaux d'une chaine.
a- Que se passe-t-il en présence d'eau ? Quelle est la liaison qui
est cassée ? Pourquoi ? Quelle est alors la charge de chaque motif ?
b- En utilisant les schémas donnés en annexe montrer que le
polymère va dans un 1er temps se déployer puis dans un 2ème temps se
rétracter pour assurer la cohésion.
II- Les pattes du gecko : an animal qui défie la gravité !!
Mouches, araignées et autres moustiques, nous sommes habitués à voir nos amis les petites bêtes grimper aux murs
sans difficultés apparentes. Mais le plus spectaculaire d’entre tous est très certainement le lézard gecko.
Capable d’escalader les surfaces les plus lisses et même de marcher au plafond, le gecko intrigue depuis des
dizaines d’années les scientifiques. Mais heureusement depuis peu, il semble que son mystère soit enfin percé, et
ouvre la voie à de nouvelles applications technologiques. La fascination des scientifiques pour le gecko ne date pas
d’hier.
Dès le 4ème siècle avant notre ère, Aristote avait noté l’incroyable capacité que possède le gecko à grimper ou
descendre des arbres dans n’importe quelle position.
Avec le développement des méthodes de test, il n’a pas fallu longtemps pour que des chercheurs s’efforcent de
mesurer les propriétés d’adhésion du gecko.
Mais le plus incroyable, c’est qu’il s’accroche ainsi tout en étant capable de se déplacer rapidement, à des
vitesses de plusieurs mètres par seconde, avec un mouvement de patte toutes les 15 millisecondes.
Des hypothèses ont été faites :
• substance très collante (aucune glande capable de secréter cette colle)
• ventouse (adhésion même sous vide)
• capillarité (adhésion sur des surfaces super-hydrophobes)
Alors, quel est le secret du gecko ?
Il se trouve qu’en cherchant sous les pattes des geckos, si on ne trouve pas de colle on observe en revanche des
choses très intéressantes. Leurs pattes possèdent en effet une structure très particulière.
La scène la plus impressionnante est sans conteste celle où l'on voit, Tom Cruise
dans la peau d'Ethan Hunt, escalader la tour Burj Khalifa (gratte-ciel, situé à
Dubaï, culminant à 828 mètres de hauteur) en utilisant des gants en geckskin
(ou peau de gecko).
Document 1 : les pattes du gecko
Comme on peut le voir sur les images micrométrique et nanométrique ci-dessous, les orteils "fractals" du gecko sont
recouverts de sétules ou setae (forme de cheveux) qui se ramifient elles-mêmes en spatules ou spatulae. Les tailles
des sétules et des spatules sont minuscules. Une sétule mesure 110 micromètres de long pour 4,2 micromètres de
large. Chaque sétule est constituée de quelques centaines voire plusieurs milliers de spatules mesurant 200
nanomètres de long et de large. On dénombre 14 400 sétules par mm2.
Document 2 : le mécanisme d’adhésion
Les spatules permettent aux pattes du gecko d’aller "coller" à une surface. On suppose, conformément aux
estimations récentes, que chaque spatule crée une force d'attraction de l'ordre de 20 nN.
Un gecko de 50 grammes peut supporter 20 N (soit une masse de plus de 2 kg), c'est à dire plus de 40 fois son
poids ! À titre de comparaison, c’est comme si un homme de 80 kg supportait une masse de 3,2 tonnes.
En supposant que la dimension d’une main d’homme adulte, de masse 65 kg, est de 150 cm2 et qu’il y a
1 000 spatules dans une sétule, répondre à la question.
Tom Cruise peut-il réellement adhérer à la paroi du gratte-ciel si ses gants sont en peau de gecko ?