L’eau dans tous ses états – Les liaisons hydrogène
Il existe 3 états de la matière : solide, liquide et gaz.Comment s’explique l’organisation particulière des molécules d’eau dans ses trois états ?
Document 1 : Electronégativité des éléments chimiques :
On a défini la liaison covalente comme une mise en commun équitable d’un doublet d’électrons. En réalité, certains atomes ont davantage tendance à attirer les électrons. La grandeur physique qui quantifie cette capacité à attirer les électrons est nommée l’électronégativité. C’est une grandeur qui n’a pas d’unité.
H
2,2 Electronégativité des éléments chimiques He
Li 0,98
Be 1,57
B 2,04
C 2,55
N 3,04
O 3,44
F 3,98
Ne
Na 0,93
Mg 1,31
Al 1,61
Si 1,9
P 2,19
S 2,58
Cl 3,16
Ar
K 0,82
Ca 1
Sc 1,36
Ti 1,54
V 1,63
Cr 1,66
Mn 1,55
Fe 1,83
Co 1,88
Ni 1,91
Cu 1,9
Zn 1,65
Ga 1,81
Ge 2,01
As 2,18
Se 2,55
Br 2,96
Kr
Rb 0,82
Sr 0,95
Y 1,22
Zr 1,33
Nb 1,6
Mo 2,16
Tc 2,1
Ru 2,2
Rh 2,28
Pd 2,2
Ag 1,93
Cd 1,69
In 1,78
Sn 1,96
Sb 2,05
Te 2,1
I 2,66
Xe
Cs 0,79
Ba 0,89
* Hf
1,3 Ta 1,5
W 1,7
Re 1,9
Os 2,2
Ir 2,2
Pt 2,2
Au 2,4
Hg 1,9
Tl 1,8
Pb 1,8
Bi 1,9
Po 2
At 2,2
Rn
Fr 0,7
Ra 0,9
L’atome le moins électronégatif autour duquel les électrons sont moins présents est porteur d’une charge partielle positive δ+.
L’atome le plus électronégatif est porteur d’une charge partielle négative δ-.
Electronégativité croissante
Electronégativité croissante
Document 2 : Interaction électrostatique entre molécules d’eau : la liaison hydrogène : Elle se manifeste uniquement entre une molécule qui comporte un atome d’hydrogène portant une charge partielle δ+ et un autre atome, Y possédant un doublet non liant (F, O ou N).
Pour que la liaison hydrogène existe, les trois atomes doivent être alignés et la distance entre eux relativement faible. C’est une interaction à courte portée.
Document 3 : la température traduit à l’agitation microscopique des molécules : plus la température est basse, moins les molécules sont agitées.
1. Dessiner la liaison covalente polarisée entre un atome d’hydrogène et un atome d’oxygène en indiquant les charges partielles gagnées par chaque atome.
2. Dessiner une liaison hydrogène entre 2 molécules d’eau.
3. Comment évolue l’intensité des liaisons hydrogène entre molécules en fonction de l’état de l’eau ? Justifier.
4. Dans la glace, les molécules d’eau sont très peu agitées.
Quel est l’effet des liaisons hydrogène sur les molécules d’eau ?
Indiquer en pointillé sur le schémas les liaisons hydrogène qui se forment entre les molécules ; compléter le schéma en dessinant d’autres molécules d’eau qui montre une organisation en un véritable réseau cristallin.
Les flocons de neige sont des cristaux dont la croissance se fait prioritairement suivant les axes les plus « solides ». Mettre en relation l’organisation des molécules et la forme des flocons.
5. Dans l’eau liquide, les molécules glissent les unes sur les autres. Proposer une explication à ce phénomène.
6. Dans la vapeur d’eau, les molécules d’eau sont très éloignées les unes des autres. Que peut-on en conclure au sujet des liaisons hydrogène ?
Photos de flocons de neige
Chaleur latente de fusion de la glace
Document 1 : Capacité thermique massique d’un corps
Lorsqu’un apport d’énergie thermique (chaleur) à un corps entraîne une élévation de température, la relation entre l’énergie thermique Q apportée et l’élévation de température Δϴ se calcule de façon suivante :
𝑄 = 𝑚 . 𝑐 . 𝛥𝛳
Où c est la capacité thermique massique du corps : c’est ’énergie qu’il faut apportée à 1kg de ce corps pour élever sa température de 1°) ; c s’exprime en J/kg/°
Document 2 : chaleur latente de changement d’état :
Un corps change d’état à température constante. L’énergie Q qui lui est apporté permet alors de casser les liaisons entre les molécules du corps ; il change alors d’état.
La relation entre l’énergie apportée Q et la masse du corps es alors : 𝑄 = 𝑚 . 𝐿
Où L est appelé la chaleur latente de changement d’état : c’est l’énergie qu’il faut apporter à 1kg de ce corps pour qu’il change d’état. L s’exprime en J/kg
Document 3 : évolution de la température en fonction de l’énergie apporté Q à une masse m d’eau initialement sous forme de glace à la température θ1 qui se transforme en eau liquide à la température θ2
On cherche à déterminer Lf la chaleur latente de fusion de la glace.
Cette grandeur correspond à l’énergie mise en jeu dans les liaisons hydrogène entre molécules d’eau dans la glace.
Matériel : le calorimètre
On considère que les quantités d’énergie échangées par le calorimètre sont négligeables devant les autres quantités d’énergies mises en jeu dans l’expérience.
Energie apportée Q (J)
Q1 Q2 Q3
θ1
0
Température θ (°C)
glace glace eau eau
θ2
Parois isolantes Thermomètr e
Agitateur
Quelques données :
Capacité thermique de l’eau liquide : ce = 4185 J/kg/°
Capacité thermique de la glace : cg = 2060 J/kg/°
Protocole
- Introduire 150mL d’eau dans le calorimètre (masse m =150g)
- Mesurer la température θ’1 de l’eau (et du calorimètre) une fois l’équilibre thermique atteint θ’1 =
- Prélever 2 glaçons fondants à la température θ1=0°C et mesurer rapidement la masse totale de la glace
mg=
- Introduire les glaçons (séché) dans le calorimètre. Agiter
- Mesurer la température finale θ2 lorsque l’équilibre thermique est atteint.
θ2 =
Exploitation :
1. Exprimer la quantité de chaleur Qg reçu par le glaçon pour se transformer en eau liquide à la température ϴ2 en fonction de mg , Lf, ϴ1 et ϴ2.
2. Exprimer la quantité de chaleur Qe cédée par les 150mL d’eau lorsqu’elle se refroidit de ϴ’1 à ϴ2. 3. Quelle relation existe-t-il entre Qg et Qe ? En déduire l’expression de Lf.
4. Calculer Lf et la comparer à la valeur attendue Lf=3,3×102 kJ.kg-1. Commenter.
