Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 1)

Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 1) Document 1 : Les liaisons intermoléculaires :
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.
[…] Les molécules sont composées d'atomes eux-mêmes
constitués d'un minuscule noyau central chargé positivement,
entouré d'un nuage d'électrons chargé négativement. Nous
devons nous imaginer que ce nuage n'est pas figé dans le temps.
Au contraire, il est comme un brouillard mouvant, épais à un
endroit donné à un certain instant et léger au même endroit
l'instant suivant. Là où brièvement le nuage s'éclaircit, la charge
positive du noyau arrive à percer. Là où brièvement le nuage
s'épaissit, la charge négative des électrons surpasse la charge
positive du noyau. Lorsque deux molécules sont proches, les
charges résultant des fluctuations du nuage électronique
interagissent ; la charge positive du noyau qui pointe par endroit
est attirée par la charge négative partiellement accumulée dans
la partie dense du nuage électronique. De ce fait les deux
molécules adhèrent. Toutes les molécules interagissent de cette
façon, toutefois la force de l'interaction est plus grande entre les
molécules contenant des atomes possédant beaucoup d'électrons
comme le chlore et le soufre.
« Le parfum de la fraise », Peter Atkins, Dunod
1. Grace à ce texte, rappeler les différents états de la
matière .
2. Comment sont organisées les molécules dans les
différents états ?
3. Comment peut-on justifier l’expression suivante :
« L’état physique d’une matière est le résultat d’un bras
de fer entre l’agitation thermique et les forces de
cohésions. »
4. Les dihalogénes sont
des molécules dites
apolaires. Justifier cette appellation.
5. Observer et compléter les données du tableau
suivant.
Molécule
Longueur
picomètres
Nombre
d’électrons
Température Température
de fusion en d’ébullition en
°C
°C
Dichlore
Cl2
199
-101
-34
Dibrome
Br2
229
-7
59
Diiode
I2
266
114
184
6. Comment peut on expliquer les différences de
température de fusion et d’ébullition des
dihalogénes ?
7. Expliquer la phrase suivante :
« La cohésion d’un solide moléculaire peut-être
assurer par des interactions entre dipôles électriques
permanents ou instantanés appelées interactions de
Van Der Waals. »
Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 2) Document 2 :les liaisons hydrogènes
La
liaison
hydrogène,
souvent évoquée est une
liaison dont peu de monde
soupçonnait l'importance, il y
a quelques années encore.
Pourtant, on pourrait la
baptiser "la liaison de la vie",
au même titre que l'on
pourrait baptiser H2O "la
molécule de la vie", tellement
toutes deux jouent un rôle
central dans les processus biologiques au niveau
moléculaire.
On l’a vu, la molécule H2O est capable de développer des
liaisons hydrogène. Mais elle n’est pas la seule : la plupart
des molécules polaires, en particulier les molécules
biologiques, peuvent le faire et se lier ainsi entre elles ou
avec des molécules d’eau. Toutes les molécules
possédant des groupes carbonyles (C=O) polaires
peuvent également se lier par liaisons hydrogène aux
molécules d’eau. Mais la petite molécule d’eau est
capable d’établir jusqu’à quatre de ces liaisons. Dans l'eau
liquide ou la glace, où il n’y a que des molécules d’eau,
cela permet d’avoir un nombre de liaisons hydrogène
particulièrement élevé : autant que de liaisons de
valence. C’est ce qui donne à l'eau ses propriétés
physiques exceptionnelles (au voisinage de 0° Celsius,
elle se contracte quand on la chauffe et devient plus fluide
quand on la comprime), et ses propriétés chimiques non
moins exceptionnelles (elle est unique pour dissoudre les
sels, acides ou bases en les dissociant en ions positifs et
négatifs, etc....).
D’apès un article de Yves Maréchal
CEA Grenoble
1. Quelles sont les molécules capables d’agir sur la cohésion de la matière grâce aux liaisons hydrogènes? 2. La présence de liaison hydrogène est étroitement liée à l’électronégativité des atomes. Rappeler ce que signifie ce terme. 3. Rappeler ce qu’est une liaison de covalence.
4. En quoi la liaison hydrogène diffère de la liaison de covalence?
5. Observer la figure représentant les différentes liaisons hydrogène de l’eau. Expliquer pourquoi la molécule d’eau peut faire jusqu’à quatre liaisons hydrogène. 6. Donner une représentation possible de ce type de liaison entre deux molécules d’eau.
7. Les molecules d’éthanol et de méthoxyméthane, de formule brute C2H6O, sont des isoméres. Rappeler ce que signifie le terme isomère puis donner les formules brutes correspondantes. 8. Montrer qu’elles sont polaires? 9. A partir du tableau suivant , justifiez le fait que leur différence de température d’ébullition ne peut pas venir uniquement des interacions de Van der Waals. molécule
Moment dipôlaire
Température de
fusion
Température
d’ébullition
Ethanol
1,7 D
-117 °C
Méthanol
1,4D
-142 °C
78 °C
-25°C
Activité : INTERACTIONS ENTRE MOLECULES (partie 3) Document 3 : Température d’ébullition des alcanes et
masse molaire
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) :
Masse
Formule
Alcane θeb (°C) molaire
brute
(g.mol-1)
CH4
Méthane - 161,7
C2H6
Ethane - 88,6
C3H8
Propane - 42,1
C4H10
Butane
- 0,5
Document 4 : Tableau des électronégativité.
H
2,1
Li
1,0
Na
0,9
Be
1,5
Mg
1,2
B
2,0
Al
1,5
C
2,5
Si
1,8
N
3,0
P
2,1
O
3,5
S
2,5
F
4,0
Cl
3,0
He
0
Ne
0
Ar
0
Echelle d'électronégativité de PAULING pour quelques éléments
chimiques
(en unité atomique de moment dipolaire : 1 u.a.m.d = 2,54 Debye)
Questionnaire :
a. D’après la partie 1, les molécules apolaires interagissent
quand même : pourquoi ?
b. Calculer la différence d’électronégativité entre l’hydrogène
et le carbone grâce au tableau de la partie 1. Comparer avec
la différence d’électronégativité entre l’hydrogène et le
l’oxygène. Les alcanes sont-ils polaires ou apolaires ?
c. Compléter la dernière colonne du tableau du document 2 en
calculant les masses molaires des alcanes.
d. Tracer la courbe donnant la température d’ébullition en
fonction de la masse molaire.
e. Qu’observez-vous ?
f. Comment expliquer ce constat à l’aide des interactions
décrites précédemment ?
g. Le décane est un alcane linéaire de formule brute C10H22. À
votre avis, quel est son état physique à température
ambiante ? Pourquoi ?
h. 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.
i. Le pétrole est essentiellement un mélange d’alcanes de
différentes longueurs. Comment peut-on procéder pour
séparer les différents alcanes du pétrole ?
Correction :
La courbe donnant la température d’ébullition en fonction de la masse molaire
20 0 0 10 20 30 40 Température d'ébullition -­‐20 -­‐40 -­‐60 -­‐80 -­‐100 -­‐120 -­‐140 -­‐160 -­‐180 Masse moléculaire Tableau de valeurs
Formule brute CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C10H22 θeb
(°C)
-­‐161,7 -­‐88,6 -­‐42,1 -­‐0,5 Masse
molaire
(g.mol-1)
16 30 44 58 142 50 60 70 400 y = 3,7864x -­‐ 213,32 Température d'ébullition 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 -­‐100 -­‐200 Masse moléculaire 120 140 160