Exercices liaison hydrogène
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 θfusion (t°C) Energie de liaison (kJ/kg)… …. entre …
NaCl(S) NaCl(L) 801 7000
H2O(S) H2O(L) 100 334
CH4(S)CH4(L) -161,7 58
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) Rayon de l’halogénure (pm)
NaCl 801 100
NaBr 755 115
NaI 651 140
Expliquer l’évolution de la température de fusion des 3 composés ioniques présentés.
3. 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 Alcane eb (°C) Formule brute Alcane eb (°C)
CH4 Méthane - 161,7 C4H10 Butane - 0,5
C2H6 Ethane - 88,6 C5H12 Pentane 36,1
C3H8 Propane - 42,1 C6H14 Hexane 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 intermoléculaires (appelées liaison de Van der Waals) et taille de la molécule ? c. Comment expliquer les liaisons de Van der Waals entre ces molécules ?
d. Le décane est un alcane linéaire de formule brute C10H22. Quel est son état physique à température ambiante ? Justifier
e. 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.
4. 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) Formule
brute Alcool eb (°C)
CH3OH Méthanol 65 C4H9OH Butanol 117
C2H5OH Ethanol 78 C5H22OH Pentanol 138
C3H7OH Propanol 97 C6H13OH Hexanol 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
5. 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.
Le maillon de base de la chaîne de kevlar est indiqué figure 1.
Fig. 1. motif de la chaîne de PPD-T
Fig. 2. Représentation schématique du PPD-T
Expliquer comment s’associent les différentes chaînes pour former des couches et justifier la grande résistance à la traction ou a l’élongation.
6. 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 :
b. 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 ?
c. La kératine et le verre se lient par des liaisons hydrogène. Après avoir identifié les atomes
intervenant dans ces liaisons, faire un schéma d’un morceau de kératine lié à un morceau de verre.
d. On suppose que chaque soie crée une force 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).
7. Pneus de voiture
Les pneumatiques de nos voitures sont des
polymères élastomères appelés caoutchouc obtenus par la polymérisation du butadiène.
La formule semi-développée du butadiène est donnée ci-dessous :
C H2 CH
CH CH2
La formule du polymère obtenu par polyaddition (ouverture d’une des 2 double-liaisons) est donnée ci-contre :
SH NH2 O
O H
O
O N
H2 R
H
O
OH N
R
H H
O
N N
H2
R O
OH H
R
O H2
S O
O Si
Si
O O
Si Si
O O O O
O
O
O O
O
O O
Si Si
Si
Si
Si Si
OH
O O
O O
O O O
O
O
C C H
CH3
C
CH CH2 CH2
C H3
C CH C
H3
C CH C H2 CH2
CH3
C CH
CH3 C
CH CH2 CH3
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.
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 ?
8. On mélange m1=100g d’eau à θ1=40°C avec 25g d’eau à θ2=15°C. Calculer la température θf du mélange. (On néglige toutes les quantités de chaleur échangées avec le récipient, l’air…) 9. Un calorimètre contient m1=250 g d'eau à θ1=60 °C. On y ajoute un glaçon de masse m2=50 g à
la température θ2 = -5,0°C. On néglige la quantité de chaleur échangée avec le calorimètre.
Calculer la température de l’eau obtenue θf à l’équilibre thermique.
10. On veut refroidir un verre de jus de fruit pris à θ1=30 °C. La capacité calorifique du verre et du jus est de C1=550 J.C-1. On introduit alors une certaine masse m2 de glace à θ2=0 °C. On veut que la température finale de l'ensemble soit de θf=10 °C. On admet qu'il n'y a échange de chaleur qu'entre la glace, le verre et le jus de fruit. Calculer la masse de glace m2 nécessaire.
