Expliquer la cohésion des solides ioniques et moléculaires
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Expliquer la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l’analyse des interactions entre entités.
- La cohésion d’un solide ionique est assurée par l’interaction électrostatique attractive entre un cation et un anion.
- La cohésion des solides moléculaires est assurée par les interactions de van der Waals et par les liaisons hydrogène dans certains cas.
- La liaison hydrogène est une interaction attractive qui n’existe que pour certaines molécules qui possèdent un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif et porteur d’au moins un doublet non liant.
- Atome et ion
- L’interaction électrostatique
- La formule d’une molécule
Le chlorure de sodium solide NaCl(s) est un solide ionique constitué d’ions sodium Na+ et chlorure Cl−.
Structure du chlorure de sodium solide
Les ions exercent les uns sur les autres des forces électrostatiques qui sont attractives si les charges électriques des ions sont de signes opposés et répulsives si les charges électriques des ions sont de même signe.
L’expression de la valeur de cette force électrostatique est la suivante.
|
|
avec :
|
l’intensité de la
force exercée par l’ion A
sur l’ion B (et inversement),
en newton (N) ;
la constante de
Coulomb :
et 
les charges des
ions A et B,
en coulomb (C) ;
la distance entre les
ions A et B,
en mètre (m).
- La double barre signifie qu’il s’agit d’une valeur absolue. En mathématiques, la valeur absolue d’un nombre correspond à sa valeur sans tenir compte de son signe.
- Cette expression est aussi appelée loi de Coulomb.
Les distances entre les ions sont parfois exprimées en nanomètre (nm). Pour appliquer la formule précédente, il faut alors penser à réaliser la conversion suivante : 1 nm = 1 × 10−9 m.
On étudie le chlorure de sodium solide NaCl(s), lequel est un solide ionique constitué d’ions sodium Na+ et chlorure Cl−.
On va étudier les forces électrostatiques entre les différents ions qui constituent ce solide ionique, afin d’expliquer sa cohésion.
Dans cette structure, les distances entres les différents ions les plus proches sont les suivantes.
| Distance d entre deux ions sodium | Distance d entre deux ions chlorure | Distance d entre un ion sodium et un ion chlorure |
| 3,93 × 10−7 m | 3,93 × 10−7 m | 2,78 × 10−7 m |
On calcule les forces électrostatiques pour chaque paire d’ions.
L’ion sodium Na+ porte une charge
électrique élémentaire positive
donc 
1,60 × 10−19 C
et l’ion chlorure Cl− porte
une charge électrique élémentaire
négative donc 
−1,60 × 10−19 C.
| Force F exercée entre deux ions sodium | Force F exercée entre deux ions chlorure | Force F exercée entre un ion sodium et un ion chlorure |
| 1,49 × 10−15 N | 1,49 × 10−15 N | 2,98 × 10−15 N |
On constate que la valeur de la force électrostatique attractive entre un cation et un anion est environ deux fois supérieure à celles des forces répulsives entre deux cations ou deux anions :
On en conclut que c’est la force électrostatique attractive entre les cations et les anions qui est responsable de la cohésion du solide ionique.
La glace est un solide moléculaire constitué de molécules d’eau H2O.
Structure de la glace (eau solide)
- Les interactions de van der Waals sont des interactions électrostatiques attractives qui existent toujours entre les molécules.
- Les liaisons hydrogène sont des
interactions électrostatiques attractives qui
n’existent que pour un certain type de
molécules.
Une liaison hydrogène s’établit entre un atome d’hydrogène de la première molécule, lié à un atome très électronégatif, et un atome très électronégatif porteur d’au moins un doublet non liant de la deuxième molécule.
Les atomes très électronégatifs et porteurs de doublets non liants sont le plus souvent l’oxygène O (2 doublets non liants et
(O) = 3,44), le chlore Cl
(3 doublets non liants et (Cl) = 3,16) et l’azote N
(1 doublet non liant et (N) = 3,04).
Dans le solide suivant composé de 2 molécules d’eau, la cohésion entre les deux molécules est assurée par la liaison hydrogène.
Liaison hydrogène entre deux molécules d’eau
Les liaisons hydrogène sont plus fortes que les interactions de van der Waals.
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