Cours de Physique – Chimie Première S
Partie : Comprendre : Lois et modèles
Thème : Cohésion et transformation de la matière
Chapitre XII
COHESION DE LA MATIERE A L'ETAT SOLIDE
Compétences attendues :• Interpréter la cohésion des solides ioniques et moléculaires.
• Interpréter des expériences simples d'électrisation.
Les températures de fusion sont très différentes selon les solides. Elles dépendent des forces de cohésion entre les entités microscopiques.
I. Cohésion des solides ioniques 1°) Électrisation par frottement
Une règle en plastique frottée avec de la laine attire des petits morceaux de papier.
Ce phénomène est appelé électrisation.
Lors de l'électrisation, un corps se charge électriquement. Certains matériaux sont électrisés par frottement ou par contact.
Dans un solide, seuls les électrons peuvent se déplacer. Ce phénomène est interprété comme un transfert d'électron d'un corps à l'autre.
Le corps électrisé porte une charge globale positive s'il présente un défaut d'électron, ou négative dans le cas d'un excès d'électron.
La charge électrique q portée par un corps électrisé s'exprime en coulomb (C).
C'est un multiple de la charge élémentaire e.
Exemple :
✗ Quand on frotte une tige de verre avec de la laine, la tige se charge positivement.
Lors du frottement, des électrons sont arrachés à la tige de verre et transférés à la laine.
✗ Quand on frotte une tige en PVC avec de la laine, la tige se charge négativement, car elle présente un excès d'électrons arrachés à la laine.
2°) Loi de Coulomb
En 1785, Charles Coulomb établit la loi des interactions électrostatiques.
Ces deux forces :
• ont la même direction, celle de la droite (AB) ;
• sont respectivement appliquées en A et en B ;
• sont répulsives si les charges sont de même signes et attractives si les charges ont des signes opposées ;
• ont la même valeur F, telle que :
F = k ⋅ ∣q
A⋅q
B∣ d
21/4
k = 9,0 . 109 N.m2.C-2 F en NqA et qB en C d en m.
avec
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3°) Le solide ionique
La formule d'un solide ou cristal ionique, appelée formule statistique, comporte le nombre minimal de cations et d'anions permettant la neutralité électrique. Elle commence toujours par la formule du cation.
Dans un cristal ionique, chaque ion s'entoure d'ions de signes opposés.
L'interaction électrostatique (qui respecte la loi de Coulomb) existant entre les ions de charges contraires assure la cohésion du solide ionique. On parle de liaisons ioniques.
Exemple :
Comme l'ion sodium Na + porte une charge positive et l'ion chlorure Cl - une charge négative, le cristal de chlorure de sodium comporte autant d'ions sodium que d'ions chlorure. On le note NaCl.
Dans le cristal de chlorure de sodium, un cation sodium Na + attire les anions chlorure Cl - qui l'entourent. Inversement, un anion Cl - n'est entouré que de cations Na +.
II. Polarité des Molécules 1°) Électronégativité
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Plus l'électronégativité d'un atome est élevée, plus celui-ci attire à lui les électrons.
L'électronégativité des atomes évolue selon la position des éléments chimiques dans la classification périodique :
• elle augmente de gauche à droite dans une ligne ou période ;
• elle augmente de bas en haut dans une colonne ou famille.
2°) Polarité d'une liaison (et moment dipolaire)
Les électrons ne sont alors pas répartis de manière symétrique entre les deux atomes.
On considère que :
•
l'atome A porte un excès de charge négative noté δ - ;•
l'atome B porte un excès de charge positive noté δ +.•
Une liaison covalente constituée de deux atomes identiques est apolaire, c'est à dire non polaire. Le doublet d'électron est alors équitablement réparti.exemple : H H, O O, Cl Cl
• Une liaison covalente constituée de deux atomes différents ayant une différence
d'électronégativité faible est apolaire. Le doublet d'électron est alors équitablement réparti.
exemple : C H
• Une liaison covalente constitué de deux atomes différents ayant une différence d'électronégativité significative (moyenne à forte) est polaire. Le doublet l'électron est globalement plus proche de l'atome le plus électronégatif.
exemple : HF, HCl
III. Cohésion des solides moléculaires 1°) Les solides moléculaires
L'énergie mise en jeu dans ces interactions est très inférieure à celle rencontrée dans les cristaux ioniques : la cohésion des solides moléculaires est beaucoup moins forte que celle des cristaux ioniques.
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2°) Les interactions de Van der Waals
Il existe des interactions entre les molécules non chargées qui assurent la cohésion des solides moléculaires (mais aussi des liquides moléculaires).
Elles sont appelées interactions de Van der Waals et sont d'autant plus importantes que les molécules sont volumineuses.
Les valeurs des forces sont beaucoup plus faibles que celles des interactions électrostatiques qui s'exercent entre les ions dans un solide ionique. (Attention : Il n'y a pas de transfert d'électrons entre les molécules).
3°) La liaison hydrogène
La température de fusion de l'eau est élevée par rapport à celle des autres composés de formule H2X, où X est un élément appartenant à la même colonne que l'oxygène.
Il existe des forces d'interactions entre les molécules d'eau dont les valeurs sont plus fortes que celles des forces d'interactions de Van der Waals. Ces interactions sont modélisées par des liaisons appelées liaisons hydrogène.
L'interaction assurée par une liaison hydrogène est plus intense que les interactions de Van der Waals, mais beaucoup moins intense qu'une liaison covalente.
