Cohésion des solides moléculaires

Sommaire

Introduction

Solides moléculaires

Interaction de Van der Waals

Liaison hydrogène

Changements d'état

Les solides moléculaires

Définition

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.

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

les interactions de Van der Waals
les liaisons hydrogènes

Ces interactions sont faibles par rapport à l'interaction électrostatique des solides ioniques.

Les interactions des Van der Waals

Définition

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

Les molécules polaires vont s'aligner de telle sorte que les moments dipolaires permanents soient alignés.

Exemple

Dans l'exemple ci-dessous avec des molécules d'eau $H_2O$ , on retrouve bien un alignement des moments dipolaires permanents (en rouge).

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

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 également permettre aux molécules de s'aligner pour assurer la cohésion du solide moléculaire.

En conclusion, la cohésion d’un solide moléculaire peut être assurée par des interactions entre dipôles électriques permanents ou instantanés : ces interactions sont appelées interactions de Van der Waals.

La liaison hydrogène

Définition

Les liaisons hydrogène se forment entre :
- un atome d'hydrogène lié à un atome très électronégatif
- et un autre atome également très électronégatif et portant un doublet non liant.

En résumé, c'est une liaison entre un hydrogène et un doublet non-liant.

Les atomes très électronégatifs concernés sont essentiellement N, O, F et Cl.

Propriété

Les 3 atomes liés par une liaison hydrogène sont alignés.

Toute molécule possédant au moins un groupe $-O-H$ va faire des liaisons hydrogène.

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

Exemple

Dans l'exemple ci-dessous :
- l'hydrogène $H$ est lié à un atome très électronégatif : l'oxygène $O$
- la molécule comporte également un atome très électronégatif qui porte 2 doublets non liants (en rouge sur l'image) : l'oxygène $O$ (formant une double liaison $C=O$ )

Il va donc y avoir formation de liaisons hydrogène entre l'hydrogène du groupe $-O-H$ et l'oxygène du groupe $C=O$

Exemple de formation de liaisons hydrogène entre deux molécules

Les changements d'état

Propriété

Pour faire changer d'état un solide moléculaire en cassant les interactions de Van der Waals et les liaisons hydrogène, le plus simple est de le chauffer.

A l’état solide, les molécules sont disposées régulièrement et ne bougent que très peu, elles vibrent autour d’une position.

En chauffant, l’énergie thermique va être transformée en énergie cinétique et les molécules vont commencer à s’agiter, tout en restant solides.

A la température de fusion, les molécules sont déjà bien agitées et toute l’énergie thermique sert alors à rompre des interactions de Van der Waals ainsi que des liaisons hydrogène présentes, mais pas toutes.

Les molécules sont alors compactes mais en mouvement, c’est un liquide.

En continuant à chauffer, c'est le phénomène de vaporisation : les interactions de Van der Waals disparaissent une à une, ainsi que les liaisons hydrogène, les molécules n’interagissent plus et sont en mouvement désordonné : c’est un gaz.

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