Cohésion de la matière

Cohésion de la matière
Il existe 3 états de la matière : solide, liquide et gaz.
Un solide ionique est un empilement ordonné et compact
d’un très grand nombre d’ions.
Un solide moléculaire est un empilement ordonné et compact
d’un très grand nombre de molécules.
Quelle est la nature des interactions entre les ions d’un
composé ionique ou les molécules d’un solide moléculaire ?
I. Cohésion de la matière au sein des composés ioniques
1. Définition
Un composé ionique solide est un empilement régulier d’un très grand nombre d’anions et de
cations, l’ensemble étant électriquement neutre.
La formule indique les proportions des ions constituant le composé (formule statistique) ; elle
s’établit en respectant la neutralité électrique.
Exemple :
le carbonate de calcium dont la formule est CaCO3, formé
d’ions Ca2+ (gris) et CO32- (gris clair et rouge), les proportions
étant 1 pour 1
2. Formule d’un composé ionique
Ions présents
Cation Anion
Proportions
X cations pour Y anions
Formule
Chlorure de sodium
Nitrate d’argent
Sulfate de cuivre II
Hydroxyde de calcium
Chlorure de cuivre II
Sulfate d’aluminium
Sulfate d’ammonium
3. Cohésion d’un cristal ionique solide
Le cristal de chlorure de sodium est constitué d’un empilement ordonné d’ions. Les ions Cl- sont aux
sommets de cubes contigus d’arête a et aux centre de chaque face de ce cube. Les ions Na + sont
situés au milieu de chaque arête et au centre de chaque cube.
Les anions Cl- forment un sous réseau cubique à faces centrées dans lequel les cations Na+ occupent
tous les sites octaédriques de la maille.
La cohésion du cristal est assurée par les forces de nature électrostatique entre les ions.
a. Exprimer en fonction de a les plus petites distances entre les centres
de :



deux Cldeux Na+
-
un Cl et un Na
Na
+
Cl
+
-
b. Exprimer en fonction de a et e (quantité d’électricité élémentaire) la force électrique :
 Entre deux Cl- les plus proches
 Entre un ion Cl- et un ion Na+
Au sein des solides moléculaires :
La glace est un solide moléculaire dans lequel les molécules d’eau
sont très organisées.
1. Electronégativité des éléments chimiques – polarité de la liaison covalente :
On a définit la liaison covalente comme une mise en commun équitable d’un doublet d’électrons. En
réalité, certains atomes sont plus « avides » d’électrons que d’autres : ils ont davantage tendance à
attirer les électrons. La grandeur physique qui quantifie cette capacité à attirer les électrons est
nommée l’électronégativité.
H
2,2
Li
0,98
Na
0,93
K
0,82
Rb
0,82
Cs
0,79
Fr
0,7
He
Electronégativité des éléments chimiques
Be
1,57
Mg
1,31
Ca
1
Sr
0,95
Ba
0,89
Ra
0,9
Sc
1,36
Y
1,22
*
Ti
1,54
Zr
1,33
Hf
1,3
V
1,63
Nb
1,6
Ta
1,5
Cr
1,66
Mo
2,16
W
1,7
Mn
1,55
Tc
2,1
Re
1,9
Fe
1,83
Ru
2,2
Os
2,2
Co
1,88
Rh
2,28
Ir
2,2
Ni
1,91
Pd
2,2
Pt
2,2
Cu
1,9
Ag
1,93
Au
2,4
Zn
1,65
Cd
1,69
Hg
1,9
B
2,04
Al
1,61
Ga
1,81
In
1,78
Tl
1,8
C
2,55
Si
1,9
Ge
2,01
Sn
1,96
Pb
1,8
N
3,04
P
2,19
As
2,18
Sb
2,05
Bi
1,9
O
3,44
S
2,58
Se
2,55
Te
2,1
Po
2
F
3,98
Cl
3,16
Br
2,96
I
2,66
At
2,2
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
Electronégativité croissante
Ainsi, l’atome d’oxygène est plus électronégatif que l’atome d’hydrogène. Il en résulte que les
électrons intervenant dans la liaison entre ces deux atomes se trouvent plus souvent autour du
noyau de l’atome d’oxygène qu’autour du noyau de l’atome d’hydrogène.
L’atome d’hydrogène présente donc un déficit partiel d’électrons, qu’on note δ+ (δ+ < +e)
L’atome d’oxygène, au contraire, présente un excès partiel d’électrons, qu’on note δ- (δ- > -e).
On parle de déficit ou excès partiel parce qu’aucun des atomes n’a totalement perdu ou gagné un
électron !
On schématise la liaison entre les deux atomes de façon suivante :
Electronégativité croissante
II.
Une telle liaison est dite polarisée.
A contrario, si les charges sont réparties de façon totalement symétrique, elle sera apolaire, c'est-àdire non polaire.
2. L’eau : molécule polaire
Du fait de sa géométrie, l’eau possède un caractère dipolaire : elle se comporte comme un petit
élément à deux pôles électriques de signe opposés :
O
H
O
H
Molécule d’eau
H
δ+
H δ+
Comportement dipolaire
Dipôle électrostatique associé
à la molécule
Mise en évidence du caractère dipolaire associé à la molécule : action d’un bâton électrisé sur un
filet d’eau :
3. Molécules polaires ou apolaires :
Méthode :
 Déterminer la structure spatiale de la molécule
 Repérer les répartitions des charges partielles de chaque atome en fonction de la polarité des
liaisons
 Trouver le barycentre (moyenne) des charges partielles positives et négatives ; si les deux
barycentres coïncident, la molécule est apolaire.
tétrachlorure de
carbone CCl4
dioxyde de
carbone CO2
Ammoniac
NH3
Ethanol
CH3CH2OH
Schéma de
Lewis
Représentation
de Cram +
répartition des
charges
partielles
4. Interaction entre molécules : liaisons intermoléculaires
a. Forces de Van der Waals : interactions de courte portée le plus souvent attractives entre molécules.
Elles concernent aussi bien les molécules polaires à travers leurs charges partielles que les molécules
apolaires qui subissent une polarisation temporaire par influence.
b. Liaison hydrogène : interaction de nature électrostatique toujours attractive. Elle est la plus forte
des liaisons intermoléculaires. C’est un cas particulier des interactions de Van der Waals.
Elle se manifeste uniquement entre une molécule qui comporte un atome d’hydrogène lié à un
atome X petit et très électronégatif (N, O ou F) et un autre atome, Y, possédant un doublet non liant
(F, O ou N).
Pour que la liaison hydrogène existe, les trois atomes doivent être alignés et la distance entre eux
relativement faible. C’est une interaction à courte portée.
Cas de la glace : indiquer sur les schémas les liaisons hydrogène ; compléter le schéma en dessinant
d’autres molécules d’eau qui montre une organisation en un véritable réseau cristallin.
III.
Effet des transferts thermiques sur la cohésion de la matière
Un apport d’énergie thermique (chaleur) à un corps pur formé d’ions ou de molécules peut :
-
entraîner une élévation de température : cela traduit l’augmentation de l’agitation des ions ou des
molécules (augmentation de leur énergie cinétique)
Corps pur
Solide
Liquide
Gaz
-
Effet d’un transfert thermique reçu
Augmentation du mouvement de vibration des ions ou molécules
Augmentation du mouvement désordonné des ions ou molécules
Augmentation de la vitesse des ions ou molécules
permettre de casser les liaisons qui lient les ions ou les molécules. Il y a alors changement d’état.
La température reste alors constante tout au long du changement d’état ; on l’appelle
« température de changement d’état ». A l’état solide, les interactions électrostatiques entre ions
d’un composé ionique ou molécules d’un solide moléculaire sont plus importantes qu’à l’état
liquide ; elles deviennent très faibles à l’état gazeux.
1. Température d’ébullition et énergie de liaison :
Dans le tableau ci-dessous sont répertoriées pour quelques solides (ioniques ou moléculaires) les
valeurs de leurs températures de fusion et les valeurs de leur énergie de liaison : il s’agit de l’énergie
qu’il faut apporter ces solides pour casser les liaisons qui lient les ions ou molécules de 1kg de corps
pur solide et afin de le rendre liquide.
Composés
NaCl(S)  NaCl(L)
H2O(S) H2O(L)
CH4(S)CH4(L)
θfusion (t°C)
801
100
-161,7
Energie de liaison (kJ/kg)…
7000
334
58
…. entre …
Préciser dans le tableau entre quelles particules la liaison est rompue lors du passage de l’état solide
à l’état liquide.
Quelle relation existe-t-il entre température de fusion et énergie de liaison.
2. Liaisons ioniques
Composés
θfusion (t°C)
NaCl
NaBr
NaI
801
755
651
Rayon de l’halogénure
(pm)
100
115
140
Expliquer l’évolution de la température de fusion des 3 composés ioniques présentés.
3. Température d’ébullition des hydrogénure du groupe 4A
Le groupe 4A définit une famille d’éléments chimiques situés dans une même colonne du tableau
périodique : C, Si, Ge, Sn. Ces éléments ont des propriétés chimiques similaires.
Le tableau suivant donne les températures d’ébullition des molécules de ce groupe.
Espèce chimique
CH4
SiH4
GeH4
SnH4
T° ébullition (°C)
-161,5
-112
-88,5
-52
Quelle hypothèse peut-on suggérer quant à la relation entre les forces de Van der Waals et le
nombre d’électrons que contient la molécule.
4. 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) :
Formule brute
CH4
C2H6
C3H8
Alcane
Méthane
Ethane
Propane
eb (°C)
- 161,7
- 88,6
- 42,1
Formule brute
C4H10
C5H12
C6H14
Alcane
Butane
Pentane
Hexane
eb (°C)
- 0,5
36,1
68,7
a. Tracer la courbe donnant la température d’ébullition en fonction du nombre d’atomes de carbone.
Commenter la courbe obtenue et conclure.
b. Quelle hypothèse peut-on suggérer quant à la relation entre intensité des forces de Van der Waals
et taille de la molécule ?
c. Le décane est un alcane linéaire de formule brute C10H22. À votre avis, quel est son état physique à
température ambiante ? Pourquoi ?
d. 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.
5. Les alcools sont des composés organiques oxygénés (molécules constituées d’atomes de C, H et de
O) comportant une fonction alcool – OH (groupement hydroxyle). Voici les températures d’ébullition
de quelques alcools linéaires
Formule brute
Alcool
eb (°C)
CH3OH
C2H5OH
C3H7OH
Méthanol
Ethanol
Propanol
65
78
97
Formule
brute
C4H9OH
C5H22OH
C6H13OH
Alcool
eb (°C)
Butanol
Pentanol
Hexanol
117
138
157
Justifier l’évolution de la température d’ébullition des alcools en fonction du nombre d’atomes de
carbone de leur chaîne carbonée.
Quelle différence constate-t-on entre la température d’ébullition de l’alcane et celle de l’alcool ayant
la même longueur de chaîne carbonée ? Expliquer cette différence
IV.
Tableau comparatif solide ionique/ solide moléculaire
Solide ionique
Solide moléculaire
Eléments de base
Type de liaison
Nature de la
liaison
Structure
Comparaison
l’énergie de liaison
Température de
fusion
V.
Applications :
1.
Le Kevlar®
Le poly-para-phénylène téréphtalamide (ou PPD-T), plus connu sous le nom déposé de Kevlar®, est une
fibre d'aramide découverte en 1965 et fabriquée par la firme Dupont de Nemours. Commercialisée
depuis les années 1970 sous le nom de Kevlar®, elle possède des propriétés très intéressantes pour
l’industrie.
Son exceptionnelle résistance à la traction et à l'élongation, aux chocs et à l’usure est notamment
exploitée pour la fabrication de gilets pare-balles mais aussi dans l’industrie aéronautique.
Ce polymère est constitué de noyaux de benzène séparés par des groupements amides. Parmi
l’ensemble des matériaux connus, seuls la toile d'araignée (qui est trois fois plus résistante) et les
nanotubes le surpassent. Il a pour autres qualités sa faible densité, sa capacité d’absorption des
vibrations et son excellente résistance aux chocs. Sa rigidité est supérieure à celle de l'acier. Par ailleurs,
ce matériau se caractérise par une dilatation thermique nulle et un bon comportement chimique vis-àvis des carburants.
En contrepartie, le Kevlar® résiste mal aux rayons UV et aux fortes températures (il se décompose à
400°C) et est difficile à usiner.
Applications :
- industrie textile : renfort de vêtements et voiles de bateau
- industrie aéronautique et aérospatiale
- nautisme : câbles, renforcement des coques de bateaux.
- fabrication de casques et de gilets pare-balle.
- Automobile de compétition (renforcement des pneus et d'autres caoutchoucs, doublure de freins)
- matériel sportif : snowboard, ski, escrime, raquettes ou cordage, cadres de vélos
a. Chercher la définition des mots en gras.
b. Le maillon de base de la chaîne de kevlar est indiqué figure 1. Justifiez l’organisation spatiale des
chaînes de PPD-T (figure 2) ainsi que ses propriétés mécaniques.
Fig. 1. motif de la chaîne de PPD-T
2.
Fig. 2. Représentation schématique du PPD-T
Les pattes du gecko
Une étude récente entreprise aux USA, entreprise par Autumn et ses collègues de l'Université de
Berkeley [K. Autumn et al., «Adhesive force of a single gecko foot-hair» Nature, 405 (2000) 681-685.],
fait apparaître que le gecko, un lézard qui vit dans les régions tropicales, est capable de se mouvoir sur
n'importe quelle surface lisse verticale ou sous un plan horizontal tout aussi lisse, par la seule action des
forces de Van der Waals. […] Les pattes du gecko (qui ne porte pas de griffes comme ses cousins de nos
pays tempérés) sont terminées par cinq doigts dont l'observation au microscope électronique à
balayage fait apparaître qu'ils présentent chacun environ 5000 poils de kératine par millimètre carré, qui
se divisent à leur terminaison en plusieurs centaines de soies. Au total, ce lézard possède environ deux
milliards de soies qui lui assurent à la fois suspension et progression.
Dessous de la patte avant gauche
du gecko tropical (a) et poils
recouvrant le dessous des pattes
vus au microscope électronique à
balayage (b). (Photographies :
Kellar Autumn).
a.
La kératine est une protéine principalement constituée de cystéine. A l’aide du modèle général
de liaison peptidique ci-dessous, construire la molécule de kératine issue de l’assemblage de 3
molécules de cystéine par liaison peptidique.
cystéine :
liaison peptidique :
O
R
O
H2N
O
R
H
H
O
N
OH
H
NH2
HO
R
R
O
O
SH
H2N
OH
N
H
H2O
b.
Dans la kératine obtenue, entourez les atomes d’hydrogène susceptibles de former des liaisons
hydrogène. Justifier.
c.
On donne ci-dessous une représentation de la
structure du verre donnée.
Le verre est-il un composé ionique, d’une molécule ou
d’un solide moléculaire ? S’agit d’un cristal ou un
solide amorphe ?
Quels sont les atomes du verre susceptibles de se lier
aux atomes d’hydrogène identifiés précédemment
dans la kératine ? Justifier.
Faire un schéma d’un morceau de kératine lié à un
morceau de verre.
O
O
Si
O
O
Si
Si
Si
S
O
O
O
Si
O
Si
O
O
O
Si
O
Si
O
O
OH
Si
Si
d.
On suppose que chaque soie crée une force O
O
O
O
d'attraction de l'ordre de 20 nanonewtons. Calculez la
force d’attraction exercée par les 4 pattes du lézard.
Comparez à son propre poids (il ne pèse lui-même pas plus de 200 à 300 grammes).
3.
O
O
O
O
O
O
Pneus de voiture
Les pneumatiques de nos voitures sont des polymères élastomères appelés caoutchouc obtenus par la
polymérisation du butadiène.
H2C
CH
CH CH2
La formule semi-développée du butadiène est :
Le polymère obtenu par polyaddition (ouverture d’une des 2 doubleliaisons) est :
CH3
C
HC
CH2
Le caoutchouc obtenu à ce stade n'a pas de consistance solide. Si l'on
fait une bille de caoutchouc pur et qu'on la pose sur un support plan,
elle coule tout doucement et forme finalement une flaque de
caoutchouc ; les enchevêtrements et interactions entre les différentes
chaines de macromolécules assurent une cohésion suffisante pour
donner à ce liquide une assez grande viscosité.
H3C
CH3
CH2 C
C
CH
CH2
C
CH
CH
H2C
CH3
H3C
C
CH
CH2
C
CH3
CH
Pour le rendre solide, le caoutchouc subit une vulcanisation : on le mélange avec un certain pourcentage
d’atomes de soufre. Il est alors recuit de 140 °C à 200 °C, ce qui apporte l'énergie nécessaire à
l'établissement des liaisons covalentes entre le soufre et les macromolécules du caoutchouc. La
vulcanisation est donc une réaction chimique irréversible qui crée une réticulation entre les chaînes
macromoléculaires et les atomes de soufre qui jouent ainsi le rôle de pontages.
Les propriétés du caoutchouc vulcanisé
sont son étanchéité (imperméabilité aux
gaz et aux liquides), sa grande capacité à
filtrer le bruit, mais surtout son élasticité.
Un bon dosage du soufre est essentiel :
trop de soufre fait perdre l'élasticité ; pas
assez de soufre limite la cohésion et la
durée de vie diminue.
a.
Comment peut-on expliquer le
caractère visqueux du caoutchouc avant
vulcanisation ?
b.
Pourquoi la vulcanisation du
caoutchouc lui confère un caractère solide ?
c.
Pourquoi un pourcentage élevé de soufre ajouté lors de la vulcanisation réduit les propriétés
élastiques de ce polymère ?