mon cours sur la cohésion à l`échelle m

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Ecole Jeannine Manuel
Cohésion de la matière à l’échelle microscopique
I. Qu’est ce qui assure la cohésion dans un solide ionique ?
1. Le solide ionique :
Un solide ou cristal ionique est une espèce chimique constituée d’anions (ions chargés
négativement) et de cations (ions chargés positivement).
Un solide ionique est électriquement neutre : les charges négatives des anions et les charges
positives des cations se compensent exactement.
La formule, dite formule statistique, indique la nature et la proportion des ions présents sans en
mentionner les charges. Ex ci-dessous : chlorure de sodium, NaCl (s) ; fluorure de calcium, CaF2(s) .
Cube élémentaire d’un cristal de chlorure de sodium : a. modèle compact ; b. modèle éclaté ; c. le cristal macroscopique.
Cube élémentaire d'un cristal de fluorure de calcium CaF2: a. modèle compact; b. modèle éclaté ;c. Le cristal macroscopique.
Dans le cristal ionique (solide ionique cristallin) : les anions et les cations présentent une
structure ordonnée et régulière dans l’espace.
2. D’où vient la cohésion du cristal ionique ?
Dans un cristal ionique, chaque ion s’entoure d’ions de signes opposés.
La cohésion des solides ioniques est assurée par une interaction électrostatique selon la loi
de Coulomb.
L’empilement des ions est tel que les attractions électriques entre anions et cations soient
maximales et les répulsions entre ions de même charge minimales. Les ions d’un solide ionique
étant fixes, il est un isolant électrique.
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II. Qu’est-ce qu’une molécule polaire :
1. Polarité d’une liaison et dipôle électrique :
Dans les solides moléculaires, les atomes sont liés par des liaisons covalentes. Lorsque les deux
atomes sont identiques, la paire d’électrons formant la liaison est répartie de manière symétrique
entre les deux atomes. Cependant, certains atomes ont plus ou moins tendance à attirer les
électrons de la liaison covalente à eux : on dit que ces atomes sont plus électronégatifs.
Dans ce cas, le doublet d’électron n’est pas localisé entre les deux atomes mais il est plus
fortement attiré par un atome que par l’autre : Il se forme alors un dipôle électrique : c’est un
ensemble de deux charges électriques q, égales et de signes contraires, placées à une
distance fixe l’un de l’autre. La liaison est alors appelée liaison covalente polarisée.
Une liaison A – B polarisée est notée : A – B
+
L’électronégativité varie avec la place d'un élément dans la
classification périodique.
• Sur une ligne, de gauche à droite, l’électronégativité
augmente.
• Sur une colonne, de bas en haut, l’électronégativité
augmente.
• Elle est nulle pour les gaz nobles.
Le fluor (F) est l’élément le plus électronégatif et le césium (Cs)
est l’élément le moins électronégatif.
Une liaison est polarisée si les deux atomes ont des électronégativités différentes. Plus la
différence d’électronégativité est importante, plus la liaison est polarisée.
2. Polarité d’une molécule :
Une molécule diatomique constituée de deux atomes identiques est apolaire.
Une molécule diatomique constituée de deux atomes différents est polaire.
Une molécule polyatomique est polaire :
• si elle présente une liaison polarisée.
• et si le barycentre de ses charges négatives n’est pas confondu avec celui de ses
charges positives.
Exemple :
• la molécule de chlorure d’hydrogène :
Il apparaît donc deux pôles électriques différents et distincts aux
extrémités de la liaison H – Cl.
On dit que cette liaison est polarisée. Il en résulte que la molécule HCl présente un caractère
dipolaire.
• La molécule de dioxyde de carbone :
-2δ
O = C = O
-δ +2δ -δ
Ici, les deux liaisons sont polarisées mais les deux barycentres sont confondus, la molécule est
apolaire.
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III. Mais d’où vient la cohésion au sein des solides moléculaires ?
1. Qu’est ce qu’un solide moléculaire ?
La glace, le diiode I2, le chlorure d’iode ICl, l’acide benzoïque (C6H5COOH), le saccharose C12H22O11
sont des solides moléculaires :
Un solide moléculaire est un empilement régulier de molécules dans l’espace.
La cohésion des solides moléculaires est assurée par deux types d’interactions intermoléculaires :
• les interactions de Van der Walls ;
• les liaisons hydrogène.
L’énergie mise en jeu dans ces interactions est très inférieure à celle rencontrée dans les
cristaux ionique : la cohésion des cristaux moléculaires est beaucoup moins forte que celle des
cristaux ioniques.
2. Les interactions de Van der Walls :
Les interactions de Van de Walls sont des interactions entre dipôles électriques. Ces forces
sont d’autant plus intenses que les liaisons internes aux molécules sont polaires et que les
molécules qui interagissent sont proches (on parle d’interactions à courtes distances).
a. Cas des molécules polaires:
Dans le cas du cristal de chlorure d’iode, les molécules I-Cl sont
orientées de manière à ce qu’un atome de iode d’une molécule soit
Les interactions électrostatiques entre ces dipôles permanents assurent la
cohésion du solide moléculaire.
toujours voisin d’un atome
de chlore d’une autre molécule.
b. Cas des molécules non polaires
A température ambiante, le diiode est un solide moléculaire. Dans la molécule
de diiode, les électrons n’ont pas de position définie et sont constamment en
mouvement autour des noyaux au sein des nuages électroniques. Ainsi, au sein
de la molécule de diiode, les électrons se trouvent statistiquement aussi prêt
d’un noyau, que de l’autre. La molécule de diiode est apolaire (voir ci-contre).
Par contre à un instant donné, ces électrons peuvent être plus proches de l’un
des noyaux : il se forme alors un dipôle instantané (voir ci-contre). Il en est de
même pour toutes les molécules du solide ; Les dipôles instantanés ainsi créés
interagissent, ce qui assurent la cohésion du cristal de diiode. Ces interactions
changent tout le temps, mais leurs effets eux sont permanents.
Les interactions électrostatiques entre ces dipôles instantanés assurent la cohésion du solide
moléculaire.
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3. La liaison hydrogène :
Dans certains cas, des interactions attractives supplémentaires s’ajoutent aux interactions de
Van der Waals : ce sont les liaisons hydrogène.
Une liaison hydrogène se forme lorsqu’un
atome d’hydrogène, lié à un atome A très
électronégatif, interagit avec un atome B,
également très électronégatif et porteur
d’un doublet non liant (O, N, Cl, F).
La liaison hydrogène correspond à une interaction électrostatique entre l’atome d’hydrogène, qui
porte un excès de charge partielle positive, et le doublet non liant d’un atome O,N ou F.
Cette liaison est notée en pointillé et les trois atomes concernés sont alignés.
Toute molécule qui possède des groupes –O-H présente des liaisons hydrogène qui vont participer,
en plus des liaisons de Van der Waals, à la cohésion du solide moléculaire.
C’est le cas, par exemple, de l’éthanol C2H5-OH ou de la glace H2O.
Remarques :
• Les liaisons hydrogène peuvent aussi s’établir entre les molécules d’espèces liquides.
•
•
Les liaisons hydrogènes sont plus intenses que les liaisons de Van der Walls mais beaucoup
moins intense qu’une liaison covalente.
Les interactions qui assurent la cohésion des solides moléculaires sont plus faibles que
celles qui assurent la cohésion des solides ioniques.
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