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PremièrePhysiqueCohésion de la Matière Solide
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Cohésion de la matière solide

Cohésion des solides

Solides ioniques

Définition

Les ions peuvent être assimilés à des sphères chargées positivement (cations) ou négativement (anions).

Ils peuvent former des solides ioniques par association d’un anion et d’un cation, puisque cation et cations se repoussent, tout comme anions et anions.

Un solide ionique est électriquement neutre.

Exemple

Pour le chlorure de sodium, il y a un anion chlorure Cl−Cl^- de charge −e-e et un cation sodium Na+Na^+ de charge +e+e.

Les ions chlorure vont être attirés par les ions sodium, et réciproquement.

On aura donc un solide ionique NaClNaCl (le positif en premier).

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Cette formule est appelée formule statistique. Elle indique les ions présents et en quelles proportions.

Propriété

Asservi à la force électrostatique, chaque ion s’entoure d’ions de signes opposés et forme un cristal ionique. C’est cette interaction électrostatique qui assure la cohésion du solide ionique.

Théorème

Dans un solide ionique, les ions sont immobiles et ont des positions déterminées.

Représentation d'un solide ionique de type "NaCl"

Représentation d'un solide ionique de type "NaCl"

Solides moléculaires

Propriété

Un solide moléculaire est constitué de molécules régulièrement disposées dans l’espace et qui sont statiques.

Les molécules sont généralement disposées de telle sorte que les moments dipolaires soient alignés, c’est à dire que les pôles électriques de signe opposés soient les plus proches.

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La cohésion des solides moléculaires est assurée par deux types d’interactions intermoléculaires :

  • les interactions de Van der Waals

  • les liaisons hydrogènes

Définition

Les interactions de Van der Waals sont des interactions entre dipôles électriques.

Propriété

Pour les molécules polaires, le pôle positif va être au plus proche du pôle négatif d’une autre molécule.

Ainsi les moments dipolaires sont alignés. Les interactions électrostatiques entre les dipôles permanents assurent la cohésion du solide.

Propriété

Pour une molécule apolaire, il n’y a pas de moment dipolaire, il n’y aura donc pas d’interaction électrostatique permanente entre les dipôles.

Néanmoins, à un moment donné, les électrons vont se retrouver davantage autour d’un des atomes et créer un dipôle instantané.

Ces dipôles instantanés vont interagir et assurer la cohésion du solide, de manière permanente.

Définition

Les liaisons hydrogène se forment entre un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif, et un autre atome (également très électronégatif) portant un doublet non liant.

C’est donc une liaison entre un hydrogène et un doublet non-liant. Les atomes concernés sont essentiellement NN, OO, FF, et ClCl.

Les trois atomes liés par une liaison hydrogène sont alignés.

La liaison hydrogène est généralement représentée par un trait discontinu entre l’hydrogène et le doublet non liant.

Liaisons hydrogène

Propriété

Toute molécule possédant un groupe (au moins) –O−H–O-H va faire des liaisons hydrogène.

Solubilité d'une espèce chimique

Nature du solvant

Définition

Un solvant constitué de molécules polaires est un solvant polaire.

Exemple

L'eau, l’ammoniac, l’éthanol, etc.

Définition

Un solvant constitué de molécules apolaires est un solvant apolaire.

Exemple

Le tétrachlorométhane, le cyclohexane, etc.

Solubilité d’un soluté dans un solvant

Propriété

Un soluté est soluble dans un solvant si les interactions entre les entités (molécules, ions) du soluté sont de même nature que celles qui s’exercent entre les molécules de solvant.

Propriété

Les solides ioniques sont solubles dans les solvants polaires ; ils sont donc solubles dans l’eau.

Cette dissolution s’explique par l’établissement d’interaction électrostatiques entre les molécules de solvant et les ions du solide.

Exemple

Le sel NaClNaCl dans l’eau.

Propriété

Les solutés moléculaires polaires sont généralement solubles dans les solvants polaires.

Exemple

Le sucre dans l’eau.

Propriété

Les solutés moléculaires apolaires sont généralement solubles dans les solvants apolaires.

Exemple

le diiode I2I_2 apolaire soluble dans le cyclohexane C6H12C_6H_{12} apolaire.

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Le tableau ci-dessous récapitule l'ensemble des propriétés vues plus haut :

Tableau récapitulatif : solubilité et polarité

Dissolution d’un solide ionique dans l’eau

Définition

La dissolution se fait en 3 étapes successives :

  • Dissociation des ions du solide

  • Solvatation des ions

  • Dispersion des ions.

Remarque

Les solides ioniques sont très solubles dans les solvants polaires.

La solvatation dans l’eau est appelée hydratation.

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Etape 1 : dissociation du solide ionique

Un solide ionique, placé dans un solvant polaire va s’entourer des molécules du solvant.

Les cations du solide vont être attirés par le pole négatif de la molécule, les anions par le pôle positif.

Les interactions entre le solvant et les ions vont faire diminuer les forces attractives entre les ions dans le solide : les anions et cations se dissocient du solide ionique.

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Etape 2 : solvatation des ions

Chaque ion va s’entourer de molécules de solvant présentant le pôle opposé à la charge de l’ion. Ils sont solvatés.

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Etape 3 : dispersion des ions

Sous l’effet de l’agitation thermique, les ions s’éloignent du solide ionique et se répartissent dans toute la solution ; ils se dispersent.

Définition

La dissolution d’un solide ionique dans l’eau est modélisée par une équation de réaction de dissolution qui doit respecter la conservation des éléments chimiques et de la charge électrique.

Pour un solide ionique de formule MnXp(s)M_nX_p(s) constitué des ions Mp+M^{p+} et Xn−X^{n-}, cette équation s’écrit :

MnXp(s)→nMp+(aq)+pXn−(aq)M_nX_p(s) \rightarrow nM^{p+}(aq)+pX^{n-}(aq)

Exemple

Prenons l'exemple de la dissolution du sulfate de sodium Na2SO4Na_2SO_4 :

Na2SO4(s)→2Na+(aq)+SO42−(aq)Na_2SO_4(s) \rightarrow 2Na^+(aq)+SO_4^{2-}(aq)

Définition

La concentration en quantité de matière des ions en solution Mp+M^{p+} et Xn−X^{n-} est notée [Mp+][M^{p+}] et [Xn−][X^{n-}]. Soit :

[Mp+]=n(Mp+)Vsol et[Xn−]=n(Xn−)Vsol[M^{p+}]=\frac{n(M^{p+})}{V_{sol}} \text{ et} [X^{n-}]=\frac{n(X^{n-})}{V_{sol}}

Où [Mp+][M^{p+}] et [Xn−][X^{n-}] s'expriment en mol.L−1mol.L^{-1}.

Propriété

La concentration en quantité de matière des ions est reliée à quantité n0n_0 de solide à dissoudre.

Cette relation peut être déterminée à l’aide d’un tableau d’avancement (voir chapitre 3).

Exemple

Prenons l'exemple du Sulfate de sodium :

Exemple de tableau d'avancement

Le savon : un solide ionique particulier

Définition

Un savon est un mélange de carboxylates de sodium (ou de potassium) de formule R−CO2NaR-CO_2Na.

RR est une chaîne carbonée non ramifiée possédant plus de 1010 atomes de carbone.

Définition

Les ions carboxylates présents dans les savons possèdent une extrémité hydrophile (et lipophobe) et une extrémité lipophile (et hydrophobe) : ce sont des espèces amphiphiles.

On les appelle aussi tensioactifs.

Exemple d'espèce amphiphile

Les savons sont faiblement solubles dans l’eau, en présence d’alcool leur solubilité augmente.

On remarque alors que le groupe carboxylate −CO2−-CO_2- est négatif et s’entoure facilement de molécules d’eau.

Propriété

Les salissures peuvent être de nature :

  • Minérale (terre, rouille) et interagissent avec la partie polaire de la molécule

  • Organique (graisses, huiles) et interagissent avec la partie apolaire de la molécule

Extraction par solvant

Définition

Une extraction consiste à prélever une espèce chimique du milieu qui la contient.

Lors d’une extraction liquide-liquide, une espèce présente dans un solvant S1S_1 est extraite par un autre solvant S2S_2 dans lequel elle est plus soluble.

Ce solvant S2S_2 est choisi tel que :

  • L’espèce à extraire y est plus soluble

  • Les deux solvants sont non-miscibles

  • Il présente un danger minimal pour la santé et l’environnement

Schéma d'une ampoule à décanter : extraction par solvant
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