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Solides ioniques et solides moléculaires

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Objectifs :
Définir ce que sont les solides ioniques et les solides moléculaires. Etudier la cohésion de ces solides. Pour cela, revoir la loi de coulomb (interaction électrostatique) et introduire les notions d’interaction de Van der Waals et de liaison hydrogène.
1. Solides ioniques
a. La loi de Coulomb
Des corps chargés électriquement subissent l’interaction électromagnétique. Pour des charges immobiles, on parle d’interaction électrostatique. Deux charges exercent l’une sur l’autre une force. Si les deux charges sont de signes différents, la force est attractive,



La valeur de la force est donnée par la loi de Coulomb :

Les charges électriques sont notées et et s’expriment en Coulomb. La distance d entre les charges est en mètre. La constante est la constante de Coulomb. La force F est bien entendu en Newton.
b. Le solide ionique
Le chlorure de sodium , le sel de cuisine, est une solide ionique. Sa structure microscopique fait apparaître un arrangement particulier entre les ions chlorure et les ions sodium , selon une structure cristalline. Le cube que l’on voit sur la figure a des arrêtes mesurant . Pour rappel, .

De manière générale, un solide ionique est constitué d’une disposition régulière entre des cations (ions positifs) et des anions (ions négatifs). Un des plus proches voisins d’un ion négatif sera un ion positif. Ces deux ions vont interagir par une force électrostatique attractive (loi de Coulomb). Cette interaction constitue une liaison ionique.

Pour le chlorure de sodium, chaque ion a 6 ions comme proche voisin. De part la symétrie du cristal, la résultante des forces que l’ion subit est nulle. La structure cristalline est stable. Les liaisons entre ions assurent ainsi la cohésion du solide. Bien entendu, les ions sont stables aux aussi car ils satisfont la règle de l’octet.

Un solide ionique comporte autant de charges négatives que de charges positives : il est neutre électriquement. Pour le fluorure de calcium (fluorite/fluorine), les ions sont l’ion fluor et les ions calcium . En conséquence, il faut deux fois plus d’ions fluor que d’ion calcium pour garantir la neutralité. Notons au passage que pour nommer un solide ionique, seules les proportions des éléments sont indiquées, mais pas leur charges électriques.

Les liaisons ioniques sont des liaisons fortes. Ainsi, un solide ionique est en général dur et sa température de fusion est élevée. Elle est de 801 °C pour le chlorure de sodium. Cependant, il est plus facile de dissoudre du sel de cuisine dans de l’eau que de le faire fondre…
2. Solides moléculaires
a. Liaisons hydrogènes et liaisons de Van der Waals
Dans une molécule d’eau , l’atome d’oxygène est plus avide en électron (plus électronégatif) que les atomes d’hydrogènes. Les électrons participant aux liaisons covalentes sont plus souvent proches de l’oxygène que des hydrogènes. Il en résulte l’apparition de charges électriques partielles (fraction de la charge élémentaire). Chaque hydrogène porte une charge positive +δ et l’oxygène porte une charge négative –2δ. L’eau est une molécule polaire : même si elle est neutre, elle présente des charges électriques. C’est un dipôle électrique.

Des molécules d’eau peuvent interagir entre elles : un hydrogène d’une molécule est attiré par un oxygène d’une autre molécule. La liaison établie consiste en une attraction électrostatique, mais sans transfert d’électron. C’est une liaison dipôle/dipôle intermoléculaire nommée liaison hydrogène. Ces liaisons sont plus faibles que les liaisons covalentes d’un facteur 20. Dans l’eau liquide, elles se font et se défont sans cesse, mais en assurent la cohésion. Elles disparaissent lorsqu’il y a chauffage, l’eau se vaporise alors.

D’une manière générale, une liaison intermoléculaire faisant intervenir l’hydrogène sera qualifiée à juste titre de liaison hydrogène. Les autres liaisons intermoléculaires sont nommées liaisons de van der Waals. La littérature qualifie d’ailleurs les liaisons hydrogène de cas particulier de liaisons de van der Waals, car elles sont de même nature. Cependant, les liaisons hydrogène sont environ dix fois plus forte que les van der Waals.
b. Les solides moléculaires
Les solides moléculaires sont des solides dont la cohésion repose sur des liaisons intermoléculaires, donc sur des liaisons hydrogène ou des liaisons de van der Waals. Certains peuvent être de structure cristalline.

La glace formée par l’eau est un bon exemple de solide moléculaire. En se refroidissant, les molécules d’eau prennent une disposition particulière pour former un cristal de structure hexagonale. Chaque molécule est reliée à quatre autres par des liaisons hydrogène. Ces dernières ne se cassent plus comme dans l’eau liquide du fait de l’agitation thermique. Elles assurent alors la cohésion et la rigidité du solide

Les liaisons hydrogènes et van der Waals ne sont pas des liaisons fortes, comme les liaisons ioniques ou covalentes. Les solides moléculaires sont ainsi dans l’ensemble plus fragiles que les solides ioniques. Cela se manifeste par une température de fusion plus basse. A pression atmosphérique ordinaire, la glace fond à 0 °C.

Le sucre de cuisine est un autre exemple de solide moléculaire. Il est constitué d’un assemblage de molécules de saccharose. L’ensemble est rigidifié par liaisons hydrogènes.

Les liaisons de van der Waals sont responsables de la cohésion de gaz liquéfiés à basses températures, comme l’azote liquide, ou de solides comme la neige carbonique. La faiblesse de ces liaisons explique qu’il faille des basses températures.

Tous les solides moléculaires ne sont pas de structure cristalline. Les liaisons intermoléculaires permettent aussi la cohésion des matières synthétiques (plastiques, kevlar, nylon …). Les macromolécules obtenues par polymérisation sont alors collées les unes aux autres par ces liaisons.
3. Autres structures possibles
a. Solide covalent
Un solide covalent est formé d’atomes neutres, qui établissent entre eux des liaisons covalentes. Le carbone donne des assemblages comme le graphite ou le diamant qui sont des solides covalents. La seule différence entre les deux est l’arrangement des atomes (la structure cristalline), ce qui rend le diamant nettement plus résistant que le graphite.
b. Solide métallique
Comme son nom l’indique, un solide métallique consiste en un assemblage rigide d’éléments chimiques appartenant à la catégorie des métaux. Les liaisons métalliques peuvent être vues comme un cas très particulier de liaison, car certains électrons sont mis en commun avec le solide entier, ce qui en fait un conducteur électrique.

L'essentiel
Les solides ioniques sont constitués d’anions et de cations qui forment un édifice stable, rigide et neutre électriquement. En effet, les ions interagissent entre eux par liaisons ioniques, qui résultent d’une interaction électrostatique, décrite par la loi de Coulomb. Les solides ioniques sont dans l’ensemble dur et ne fondent qu’à de hautes températures. Cependant, ils peuvent être dissous dans l’eau. Le sel de cuisine est un exemple de solide ionique.

Les solides moléculaires sont un assemblage de molécules. Celles-ci sont liées entre elles par des liaisons de basses énergies intermoléculaires. Ces liaisons sont de nature électrostatiques dipôle/dipôle. Si celles-ci font intervenir un atome d’hydrogène, ce sont des liaisons hydrogène, sinon des liaisons de van der Waals. Les liaisons hydrogène sont moins fortes que les liaisons ioniques, mais plus fortes que les liaisons de van der Waals. Les solides moléculaires sont potentiellement plus fragiles que les solides ioniques et fondent à des températures plus basses. La glace formée par l’eau est un exemple de solide moléculaire.

Aller plus loin :
Les liaisons de van der Waals, même si elles sont qualifiées de liaisons faibles, trouvent des applications assez surprenantes. Elles sont en effet responsable de l’adhérence exceptionnelle des pattes de certains petits lézards, les geckos.

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