La liaison métallique
1
Expliquez à l'aide d'un schéma pourquoi les métaux conduisent l'électricité.
Réponse :
Le schéma ci-dessous représente la structure interne d'un métal :
Chaque atome libère un électron de valence. les atomes baignent ainsi dans une "mer"
d'électrons libres. Ces derniers peuvent se déplacer librement entre les atomes, permettant le passage du courant.
2
A l'aide du tableau périodique, dessinez les mailles élémentaire des éléments suivants :
Or Oxygène Chrome Titane
Réponses :
Or (Au) Oxygène (O) Chrome (Cr) Titane (Ti)
Cubique face centrée Cubique Cubique centré Hexagonal
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La liaison ionique
3
Expliquez schématiquement la liaison ionique.
Réponse :
La liaison ionique est une force d'attraction électrostatique entre deux ions chargés positivement et négativement :
4
Comment peut-on obtenir des corps ioniques ?
Réponse :
Un corps ionique est obtenu par une réaction chimique entre un métal et un non-métal, avec un échange de un ou plusieurs électrons pour que chaque atome puisse acquérir la structure électronique d'un gaz rare.
5
Lesquels des corps composés ci-dessous sont-ils des corps ioniques ?
NH3 H2O MgBr2 KCl C6H6 CaF2
Réponses : MgBr2, KCl et CaF2.
6
Comment appelle-t-on l'anion S2- ? et l'anion O2- ?
Réponses :
S2- est l'anion sulfure et O2- l'anion oxyde.
7
Indiquez la formule des corps ioniques formés à partir de : a) sodium et soufre,
b) magnésium et chlore, c) aluminium et oxygène, d) germanium et oxygène.
Réponses :
a) Na2S (2 Na+ et S2-).
b) MgCl2 (Mg2+ et 2 Cl-).
c) Al2O3 (2 Al3+ et 3 O2-).
d) GeO2 (Ge4+ et 2 O2-).
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8
Nommez les sels de l'exercice 7.
Réponses :
a) Sulfure de sodium.
b) Chlorure de magnésium.
c) Oxyde d'aluminium.
d) Oxyde de germanium.
9
Indiquez les formules chimiques du chlorure de cuivre (I) et du chlorure de cuivre (II).
Réponses :
Chlorure de cuivre (I) : CuCl (Cu+ et Cl–).
Chlorure de cuivre (II) : CuCl2 (Cu2+ et 2 Cl–).
10
Vérifiez l'exactitude des formules suivantes :
LiO NaH2 Ga3F KH
Réponses :
LiO : somme des charges = -1 (Li+ et O2-) à Li2O.
NaH2 : somme des charges = -1 (Na+ et 2 H–) à NaH.
Ga3F : somme des charges = +8 (3 Ga3+ et F–) à GaF3.
KH : somme des charges = 0 (K+ et H–) à La formule est correcte !
11
La liaison ionique est-elle plus forte dans KCl ou dans MgO ?
Réponse :
La liaison ionique sera quatre fois plus forte dans MgO que dans KCl, car dans l'oxyde de magnésium MgO, la liaison correspond à l'attraction électrostatique de deux ions chargés respectivement Mg2+ et O2-. Comme la force dépend du produit des charges et de l'inverse du carré de la distance et qu'on peut estimer en bonne approximation que les distances entres les charges sont comparables pour les deux sels, seul la valeur des charges joue un rôle. Dans KCl (K+ et Cl–) le produit de +e et –e (en valeur absolue) vaut 1, tandis que dans MgO, le produit de +2e et –2e (en valeur absolue) vaut 4. Bien sûr, un calcul plus précis doit se faire en tenant compte de l'éloignement des charges en fonctions des tailles des ions, mais en bonne approximation, on voit que la liaison ionique dans MgO est 4 fois plus solide.
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Propriétés des corps ioniques
12
a) Qu'est-ce qui assure la cohésion des corps ioniques ? b) La liaison ionique est-elle dirigée dans l'espace ?
Réponses :
a) La cohésion des corps ionique est assurée par les forces électrostatiques entre les ions de charge opposée.
b) Non, car les forces électrostatiques se dirigent vers le centre des ions, qui sont des sphères, depuis n'importe quel endroit de l'espace.
13
Quel corps a-t-il le plus haut point de fusion, KCl ou CaO ?
Réponse :
CaO a le plus haut point de fusion, PF = 2614 °C, parce que les forces de cohésion (= forces électrostatiques) sont plus grandes à cause du nombre de charges plus grand : Ca2+ et O2-, donc 4 charges. KCl ne possède que deux charges (K+ et Cl–) et il est donc plus facile de rompre les forces électrostatiques : PF = 770 °C.
14
Lesquels des corps ci-dessous conduisent-ils le courant électrique : a) à l'état solide, b) à l'état liquide ?
Na S8 Na2S Hg
Réponses :
Corps Solide Liquide
Na (sodium) C'est un métal, donc il conduit l'électricité.
Un métal liquide conduit aussi l'électricité.
S8 (soufre) C'est un composé covalent, donc ne possède pas d'électrons libres. Il ne conduit pas l'électricité.
Le soufre liquide ne laisse pas apparaître de charge libre, donc ne conduit pas
l'électricité.
Na2S (sulfure de sodium) Il y a des charges dans un sel, mais qui ne peuvent pas
bouger dans le solide : il ne conduit pas l'électricité.
Dans le liquide, les charges sont libérées et peuvent se
déplacer : il conduit l'électricité.
Hg (mercure) Le mercure solide est toujours un métal, donc il
conduit l'électricité.
Il conduit l'électricité.
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15
Lesquels des corps ci-dessous ne sont-ils pas malléables ?
LiCl S8 Au NaF
Réponse :
LiCl et NaF ne sont pas malléables car se sont des sels.
Lorsqu'on exerce une force sur un sel, les atomes se déplacent d'une couche d'ions (voir figure).
De ce fait, les ions de même
charge se trouvent face à face et se repoussent brutalement : le sel se casse de façon nette.
16
Dans la maille du chlorure de sodium, les ions Na+ et Cl– sont-ils en contact le long d'une arête du cube ou le long de la diagonale d'une de ses faces ?
Montrez, à l'aide d'un dessin dans le plan, qu'il existe une relation entre l'arête a de la maille élémentaire et les rayons des ions présents.
Réponse :
Comme le montre le dessin ci-dessous, les ions Na+ et Cl– sont en contact le long de l'arête du cube. Le long de la diagonale d'une face, on voit que les chlores (sphères bleues) ne se touchent pas. Il existe donc une relation entre l'arête a de la maille élémentaire et les rayons des ions Na+ et Cl–. En fait, la relation est : a = 2 rNa + 2 rCl.
Na+
Cl– Arête a de la maille
élémentaire
rNa
rCl rNa rCl
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17
Déterminez la distance séparant les centres des ions Na+ et Cl– dans un cristal de chlorure de sodium, sachant que la masse volumique du NaCl vaut 2,164 g/cm3. Déterminer ensuite le rayon des anions chlorure, sachant que celui des ions sodium vaut 98 pm.
Réponse :
On calcule d'abord la masse formulaire de NaCl : A = 23 + 35,45 = 58,45 u.
Sachant que 1 u à 1,660.10-24 g (Formulaires et Tables), on peut calculer la masse réelle de 1 NaCl : m = 58,45 . 1,660.10-24 = 9,7027.10-23 g.
Les figures 15-a et 15-b nous permettent de visualiser le nombre d'atomes de sodium et de chlore dans une maille élémentaire. NaCl est cubique face-centrée, comme nous le montre la figure 15-a. Pour compter le nombre d'atome dans la maille élémentaire, il ne faut comptabiliser que les atomes ou parties d'atome qui sont uniquement à l'intérieur du cube, ce que montre la figure 15-b. On compte 4 atomes de chlore et 4 atomes de sodium dans une maille élémentaire, donc 4 NaCl.
Figure 15-a Figure 15-b
La masse de 4 NaCl est donc : m = 4 . 9,7027.10-23 = 3,881.10-22 g
Connaissant une masse, on peut calculer son volume par la masse volumique : V =m
ρ = 3,881⋅10−22
2,164 = 1,793.10-22 cm3
Il s'agit du volume des 4 NaCl, donc du volume de la maille élémentaire. Or, il s'agit d'un cube. Connaissant le volume du cube, il est très facile d'en calculer l'arête a :
a= 3 V =31,793⋅10−22 = 5,639.10-8 cm à a = 563,9 pm
On a vu à l'exercice 14 que la relation entre l'arête de la maille élémentaire et les rayons ioniques de Na et Cl est la suivante :
a = 2 rNa + 2 rCl
Mais on sait que rNa = 98 pm (donnée de l'exercice).
à rCl = 184,0 pm
La littérature donne la valeur rCl = 181 pm. Notre calcul est donc en bon accord avec les
valeurs mesurées.
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18
Le chlorure de césium cristallise dans le système cubique centré. La maille élémentaire est un cube d'arête a dont chaque sommet est occupé par un ion chlorure. Au centre du cube se trouve un ion césium.
S'agit-il d'un réseau du type NaCl ?
Combien d'anions chlorures et de cations césium y a-t-il par maille ?
Comment les ions se touchent-ils dans cette maille ? Quelle relation y a-t-il entre la diagonale du cube et les rayons des ions ?
Réponses :
La maille élémentaire du CsCl est présentée ci-dessous à la figure 16-a. Il ne s'agit pas d'un réseau du type NaCl (cf. fig. 15-a).
La figure 16-b nous permet de voir qu'il n'y a qu'un seul atome de Cs au centre du cube et 8 atomes de chlore coupés en huitièmes d'atome aux sommets du cube, ce qui fait 1 atome de chlore. Donc, nous avons en tout 1 CsCl.
Figure 16-a Figure 16-b
Les ions ne se touchent pas le long des arêtes, comme on peut le voir sur les deux dessins (fig. 16-a et fig. 16-b). Les chlorure (en gris) sont en contact avec les césium (en rouge) par la grande diagonale du cube. La relation entre la grande diagonale D et les rayons des atomes sont : D = 2 rCl + 2 rCs.
19
Calculez la masse volumique du chlorure de césium, sachant que le cation césium a un rayon de 167 pm alors que l'anion chlorure a un rayon de 181 pm.
Réponse :
La relation D = 2 rCl + 2 rCs (cf. ex. 16) nous permet de calculer la valeur de la grande diagonale du cube de la maille élémentaire :
D = 2 . 167 + 2 . 181 = 696 pm D = 6,96.10-8 cm
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Lorsqu'on connaît la grande diagonale d'un cube, on peut alors calculer son arête a avec la relation suivante :
a= D
3 = 4,018.10-8 cm
Le volume du cube est dès lors calculable : V = a3 = 6,4885.10-23 cm3
Il ne reste qu'à trouver la masse de CsCl. On calcule la masse formulaire : A = 132,91 + 35,45 = 168,36 u.
Sachant que 1 u à 1,660.10-24 g (Formulaires et Tables), on peut calculer la masse réelle de 1 CsCl : m = 168,36 . 1,660.10-24 = 2,795.10-22 g.
La masse volumique est alors facile à trouver :
€
ρ=m
V= 2,795⋅10−22
6,4885⋅10−23 = 4,31 g/cm3
La littérature (Handbook) donne la valeur ρ = 3,988 g/cm3. Notre calcul est donc en bon accord avec les valeurs mesurées.
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La liaison atomique ou covalente
20
Un nuage électronique à moitié rempli constitue-t-il un état stable ?
Réponse :
Non, un nuage électronique doit être complètement rempli pour être stable.
21
Qu'entend-on par électrons mis en commun ?
Réponse :
Il s'agit de la formation d'un nouveau nuage électronique distribué entre deux noyaux atomiques, avec deux électrons à l'intérieur. La paire d'électrons ainsi formée s'appelle une liaison covalente.
22
Y a-t-il mise en commun d'électrons lorsqu'un métal réagit avec un non-métal ?
Réponse :
Non, il y a transfert d'électrons. Le ou les électrons de la dernière couche du métal sont donnés au non-métal.
23
Y a-t-il mise en commun d'électrons lorsque l'hydrogène réagit avec du carbone ? Quelle est la formule chimique de la molécule résultante ?
Dessinez cette particule à l'aide du modèle de Lewis.
Que pensez-vous de la structure électronique du carbone ?
Réponse :
Oui, il y a mise en commun d'électrons lorsque l'hydrogène réagit avec le carbone. La formule chimique résultante est CH4, car le carbone possède 4 électrons célibataires et l'hydrogène un seul.
Représentation de Lewis du méthane CH4
La structure électronique du carbone ressemble maintenant à celle du néon.
H C H
H H
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34
De l'hydrogène réagit avec de l'azote.
Quelle est la formule chimique de la molécule résultante ? Dessinez cette particule à l'aide de modèle de Lewis.
Que pensez-vous de la structure électronique de l'azote ?
Réponse :
La formule chimique est NH3.
Représentation de Lewis de l'ammoniac NH3
La structure électronique de l'azote ressemble maintenant à celle du néon.
35
Une particule formée d'un atome de soufre et de deux atomes d'hydrogène exerce-t-elle de grandes forces d'attraction sur les particules voisines ? Est-elle susceptible d'exister à l'état isolé ?
Réponse :
H2S n'exerce pas de grandes forces d'attraction sur les particules voisines, car elle est globalement neutre. Cette particule existe à l'état isolé.
36
Une particule formée d'un ion Na+ et d'un ion Cl– exerce-t-elle de grandes forces d'attraction sur les particules voisines ? Est-elle susceptible d'exister à l'état isolé ?
Réponse :
La particule en question va exercer de grandes forces d'attraction sur les particules voisines. Certes NaCl est globalement neutre, mais il s'agit en fait de deux sphères chargées positivement et négativement qui s'attire mutuellement. Cl– va attirer encore d'autres charges positive et Na+ d'autres charges négatives. La particule NaCl n'existe à l'état isolé qu'en phase gazeuse.
N H
H H
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37
Dans la liste ci-dessous, dites quels sont les corps formant des molécules :
HF NaH CS2 PF3 KF
Réponse :
HF, CS2 et PF3 forment des molécules.
NaH et KF forment des composés ioniques.
38
Pour qu'un atome d'hydrogène soit stable, de combien de paires doit-il être entouré ? Et les autres atomes non-métalliques ?
Réponse :
Pour être stable, l'hydrogène doit être entouré d'une seule paire, car il s'agit de la première couche électronique (couche K). Les autres atomes non-métalliques, ayant des électrons dans les couches L, M ou N, sont stables avec un entourage de 4 paires.
39
Dessinez les molécules suivantes à l'aide du modèle de Lewis, et montrer que chaque atome possède une structure électronique stable.
a) PH3 b) CO2 c) C2Cl4 d) HCN e) H2CO f) C6Cl6 (cyclique !) Réponses :
a) b) c)
d) e) f)
Chaque atome est stable car il est entouré de 4 paires électroniques et les hydrogènes sont stables car il possède une paire électronique.
H P
H H
O C O C C
Cl
Cl Cl
Cl
H C N
H C O
H
C C
C C C C Cl Cl
Cl
Cl
Cl Cl
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40
Combien existe-t-il de molécules dont la formule brute est C2H6O ? Dessinez-les ! Réponse :
Il en existe deux :
41
Comment nomme-t-on les molécules qui ont la même formule brute mais des formules de Lewis différentes ?
Réponse :
On appelle ces molécules des isomères.
42
Laquelle des deux écritures ci-dessous est-elle correcte ?
H2 + Cl2 à H2Cl2 ou H2 + Cl2 à 2 HCl
Réponse :
La deuxième écriture est correcte.
Les ions complexes
43
Donner le nom des ions ci-dessous :
a) NO2– b) NO3– c) SO32- d) SO42-
e) CO32- f) HCO3– g) PO43- h) H2PO4–
i) ClO– j) ClO2– k) ClO3– l) ClO4–
m) Cl– n) CH3COO– o) N3- p) NH4+
Réponses :
a) Nitrite b) Nitrate c) Sulfite
d) Sulfate e) Carbonate f) Hydrogénocarbonate
g) Phosphate h) Dihydrogénophosphate i) Hypochlorite
j) Chlorite k) Chlorate l) Perchlorate
m) Chlorure n) Acétate o) Nitrure
p) Ammonium
C C O H
H H
H H
H
C O C H
H H
H
H
H
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44
Nommer les sels ci-dessous :
a) LiNO3 b) KHSO4 c) KNO2 d) Al2(SO4)3
e) K2SO3 f) CaCO3 g) (NH4)2CO3 h) NaH2PO4
Réponses :
a) Nitrate de lithium b) Hydrogénosulfate de potassium c) Nitrite de potassium d) Sulfate d’aluminium
e) Sulfite de potassium f) Carbonate de calcium
g) Carbonate d’ammonium h) Dihydrogénophosphate de sodium
45
Indiquer la formule chimique des substances suivantes : a) Nitrite de baryum
b) Chlorate de potassium c) Carbonate de sodium
d) Hydrogénocarbonate de lithium e) Phosphate de calcium
f) Perchlorate d'aluminium g) Nitrate d'ammonium h) Chlorure de strontium i) Iodate de magnésium
Réponses :
a) Ba(NO2)2 b) KClO3 c) Na2CO3
d) LiHCO3 e) Ca3(PO4)2 f) Al(ClO4)3
g) NH4NO3 h) SrCl2 i) Mg(IO3)2
46
Dessiner les formules de Lewis des ions complexes suivants :
a) PO33- b) NH4+ c) OH–
d) ClO3– e) ClO2– f) SO32-
Réponses :
a) O P b)
O O
3-
H N H
H
H +
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c) d)
e) f)
47
Donner la formule chimique des substances suivantes:
a) Sulfate de potassium b) Acétate de calcium c) Carbonate d'aluminium d) Sulfure de sodium e) Nitrate de baryum f) Nitrite de strontium g) Chlorure d'ammonium
Réponses :
a) K2SO4 b) Ca(CH3COO)2
c) Al2(CO3)3 d) Na2S e) Ba(NO3)2 f) Sr(NO2)2
g) NH4Cl
48
Donner le nom des substances suivantes:
a) Mg(NO3)2 b) Al2S3
c) NH4Br d) CaHPO4
e) Zn(NO2)2
Réponses :
a) Nitrate de magnésium b) Sulfure d'aluminium
c) Bromure d'ammonium d) Hydrogénophosphate de calcium e) Nitrite de zinc
O H
– O Cl
O O
–
O Cl O
–
O S O
O 2-
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La mésomérie
49
Dessiner les formules de Lewis des particules suivantes en indiquant toutes les formules limites dans le cas de mésomérie :
a) NO2+
b) O3
c) CH3COO– d) SO32-
e) SO3
f) SO2
g) HSO4–
h) NO3–
i) NO2–
j) C6H5CH3
Réponses : a)
b)
c)
d)
e)
+
O N O
O O O
O O O
C C O
O
C C O
O H
H H
H
H H
O S O
O 2-
O S
O O O
S O O
O S O
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Of)
g)
h)
i)
j)
aussi accepté en « zig-zag » : O S
O
O S O
O S O
O O H –
O N
O O O
N O O
O N O
O
– – –
O N O
O N O
– –
C
C C C C C
C C
C C C C C
C H
H
H H
H
H
H
H H
H
H H
H
H
H H
