Déjà plus de
1 million
d'inscrits !
Cohésion de la matière
Déjà plus de
1 million
d'inscrits !
Introduction :
La matière dont nous et tout ce qui nous entoure sommes faits est constituée d’atomes. Chacun de ces atomes contient un noyau et des électrons, l’espace entre ces particules étant vide.
Malgré tout ce vide, il n’est pas possible de passer à travers un mur solide et, quand on appuie sur un fluide, celui-ci résiste.
Ceci est dû à l’interaction électrostatique qui permet la cohésion de la matière.
Des interactions de même nature permettent à certains de défier la gravité, comme les geckos, les insectes, ou un célèbre homme-araignée de bande dessinée : Spider-Man.
Ce cours vise à présenter les interactions, d’origine électrostatique, qui assurent la cohésion des solides ioniques (liaison ionique), ainsi que des fluides et solides moléculaires (liaisons hydrogène et de van der Waals).
Cristal ionique
Considérons l’exemple du chlorure de sodium, de formule chimique .
Composition
Le chlorure de sodium solide n’est pas formé de molécules. La formule chimique rend seulement compte des proportions des deux espèces.
En effet, les atomes d’un cristal ionique ne partagent pas leurs électrons de valence comme les atomes d’une molécule, mais cèdent ou captent un ou plusieurs électrons.
Cristal de chlorure de sodium
Liaison ionique par échange d’électron
Cristal ionique :
Un cristal ionique est formé de la combinaison de cations métalliques et d’anions non métalliques. Chacun cède ou capte des électrons de sorte que sa couche externe est complète.
Cohésion du cristal ionique
La cohésion du cristal ionique est assurée par une force attractive. Chaque ion est en interaction avec tous ceux qui l’entourent.
L’attraction gravitationnelle est négligeable devant l’interaction électrostatique.
La liaison ionique consiste en l’attraction électrostatique entre cations et anions. Cette liaison est généralement moins forte que la liaison covalente et caractérisée par une distance interatomique plus importante.
Dissolution d’un cristal ionique
La dissolution du cristal ionique dans l’eau libère des cations et des anions. Dans l’équation-bilan, un indice indique l’espèce solide, et un indice indique les espèces en solution aqueuse.
Par exemple, le chlorure de sodium se dissout selon la réaction suivante :
La concentration en ions de la solution obtenue peut être déduite de la masse de solide ionique dissoute et de sa formule chimique.
Considérons la dissolution d’une masse de chlorure de sodium dans un volume d’eau.
La masse de sodium contenue dans l’échantillon dissous vaut :
La concentration molaire en sodium de la solution vaut donc :
La quantité de cristal ionique qu’on peut dissoudre dans l’eau est limitée.
Matériaux moléculaires
Considérons deux autres exemples : l’eau et le diiode.
Partage des électrons de valence
La cohésion de chaque molécule d’eau ou de diiode est assurée par des liaisons covalentes.
Comme on le verra dans les chapitres suivants, les électrons ainsi partagés sont parfois déplacés vers un des atomes. En particulier, les atomes d’oxygène, azote et fluor sont les plus susceptibles d’attirer vers eux les électrons de valence.
Dipôle :
Un dipôle est l’association d’une charge positive et d’une charge négative, exactement opposées, et séparées par une faible distance.
Pont hydrogène
Prenons l’exemple de la molécule d’eau :
Liaison hydrogène :
Une liaison hydrogène est l’attraction électrostatique entre un atome d’hydrogène et les doublets d’électrons non liants d’un autre atome. Elle peut être intra ou intermoléculaire et est moins intense que la liaison covalente ou la liaison ionique.
L’intensité et la longueur de la liaison hydrogène dépendent des charges en présence, et donc de l’espèce chimique considérée.
Liaisons hydrogène entre deux bases complémentaires de la molécule d’ADN
Structure en double hélice de l’ADN et présence des ponts hydrogène
La faible intensité de la liaison hydrogène, comparée à la liaison covalente, permet aux molécules de matériaux moléculaires de se déplacer les unes par rapport aux autres tout en étant liées, en phase liquide.
La cohésion d’un milieu est d’autant meilleure que ses liaisons intermoléculaires sont intenses. Il faut donc d’autant plus d’énergie aux molécules pour se libérer de cette interaction.
Interaction de van der Waals
Considérons maintenant l’exemple du diiode.
Les mouvements des électrons de valence créent, à chaque instant, des charges partielles positive et négative dans chaque molécule : ce sont des dipôles instantanés.
La présence de charges partielles dans une molécule favorise l’apparition de charges partielles dans les molécules voisines : ce sont des dipôles induits.
Interaction de van der Waals :
L’interaction de van der Waals assure la cohésion de matériaux moléculaires ne contenant pas d’hydrogène. Elle résulte des interactions électrostatiques entre dipôles permanents ou instantanés. Les liaisons dues à cette interaction sont moins fortes que les ponts hydrogène.
L’interaction de van der Waals est effective entre des molécules espacées au plus de environ. Ainsi, elle peut s’exercer entre les surfaces de deux objets si les surfaces en contact sont suffisamment proches.
Par exemple, les pattes du gecko sont couvertes de spatules nanométriques qui approchent la surface de son support à une distance inférieure à la portée de l’interaction de van der Waals, lui permettant d’escalader les murs en défiant la gravité.
Conclusion :
La cohésion de la matière, solide ou liquide, est assurée par l’interaction électrostatique.
La liaison ionique est l’attraction entre cations métalliques et anions non métalliques d’un cristal ionique. Ceux-ci cèdent ou captent un ou plusieurs électrons de sorte à présenter une couche externe complète.
Le pont hydrogène et l’interaction de van der Waals assurent la cohésion de matériaux moléculaires. Elles consistent en l’attraction entre des charges apparentes opposées dues à la polarisation permanente ou instantanée des liaisons covalentes.
Les ponts hydrogène, intra ou intermoléculaires, apparaissent entre les atomes d’hydrogène et les doublets non liants d’autres atomes.
Les interactions de van der Waals apparaissent entre dipôles permanents ou instantanés de molécules ne contenant pas d’hydrogène.