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Expliquer la cohésion des solides ioniques et moléculaires

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Objectif

Expliquer la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l’analyse des interactions entre entités.

Points clés

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.

Pour bien comprendre

Atome et ion
L’interaction électrostatique
La formule d’une molécule

1. La cohésion d'un solide ionique grâce à la force électrostatique attractive

Un solide ionique est constitué par un arrangement régulier de cations et d’anions dans l’espace. Il est électriquement neutre.

Exemple
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

La cohésion d’un solide ionique est assurée par la force électrostatique attractive entre les cations et les anions.

a. Principe de la force électrostatique dans un solide ionique

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 :
= 9,0 × 10⁹ N·m²·C⁻² ;
et les charges des ions A et B, en coulomb (C) ;
la distance entre les ions A et B, en mètre (m).

Remarques

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.

b. Exemple pour expliquer la cohésion d'un solide ionique

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.

Calcul des forces électrostatiques entre les différents ions

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

Observations et conclusion

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.

2. La cohésion d'un solide moléculaire

Un solide moléculaire est composé de molécules qui sont électriquement neutres. Ces molécules sont régulièrement disposées dans l’espace.

Exemple
La glace est un solide moléculaire constitué de molécules d’eau H₂O.

Structure de la glace (eau solide)

La cohésion d’un solide moléculaire est assurée par deux types d’interactions d’origines électrostatiques : les interactions de van der Waals et les liaisons hydrogène.

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.

Remarque
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).

Exemple
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

L’atome d’hydrogène est lié à à deux atomes d’oxygène qui sont très électronégatifs. L’atome d’oxygène de la seconde molécule (en haut) est bien porteur d’au moins un doublet non liant.

Remarque
Les liaisons hydrogène sont plus fortes que les interactions de van der Waals.