Cohésion de la matière

ACTIVITES

A1. Expliquer la cohésion de la matière.

L'oxygène et le soufre font partie de la même colonne de la classification périodique et forment des composés analogiques : l'eau et le sulfure d'hydrogène. La température de fusion de l'eau H₂O est de 0°C alors que celle du sulfure d'hydrogène H₂S est de -85,5°C.

Question : Comment expliquer la différence de température de fusion de ces deux composés ?

Doc1. Quelques données à la pression atmosphérique.

Chlorure de sodium NaCl :

θ_fusion= 810°C

Eau (glace) H₂O :

θ_fusion= 0°C

Propanone C₃H₆O :

θ_fusion= -95°C

Butane : C₄H₁₀

θ_fusion= -138°C

Doc2. Les interactions entre entités chimiques.

Il existe trois types d'interactions permettant d'assurer la cohésion des solides.

• L'interaction électrostatique entre les ions des composés ioniques qui est une interaction forte.

• Les interactions de Van der Waals entre les molécules polaires ou entre molécules apolaires sont relativement faibles.

Type d'interaction

Modèle de phénomène électrostatique

Entre molécules polaires

Entre molécules apolaires

Une molécule apolaire peut se polariser car son nuage électronique se déforme et elle peut polariser une autre molécule par influence

Pont hydrogène :

Doc3 : L'électronégativité.

L'électronégativité de Pauling d'un atome est noté χ (khi). C'est un nombre compris entre 0 et 4.

Plus cette valeur est élevée, plus l'atome considéré est électronégatif.

Dans la classification périodique des éléments, elle augmente de la gauche vers la droite et de bas en haut.

L'atome le plus électronégatif est l'atome de fluor.

Celle des gaz rares n'est pas définie.

Electronégativités de Pauling

• Indiquer les espèces moléculaires et les composés ioniques du Doc 1.

• Déterminer à partir des valeurs des électronégativités, quelles sont les molécules polaires et indiquer leurs charges partielles.

• Associer à chaque solide du Doc 1, le(s) type(s) d’interaction(s) responsable(s) de leur cohésion.

• Certaines molécules font intervenir plusieurs interactions : leurs énergies s’additionnent. Classer les solides du Doc 1 selon l’intensité des interactions.

• Expliquer le décalage de température de fusion entre l’eau et le sulfure d’hydrogène.

A2 Préparer une solution ionique.

Pourquoi le sel se dissout-il dans l'eau et pas dans le cyclohexane ?

Doc1 : Interaction électrostatique.

On rappelle la loi de Coulomb :

$F = k \times \dfrac {\lvert q_A \rvert \times \lvert q_B \rvert }{d^2_{AB}}$

La constante k dépend du milieu dans lequel se trouvent les espèces chargées A et B.

Milieu	k (N.m².C^-2)
Air	9,0.10⁹
Cyclohexane C₆H₁₂	4,5.10⁹
Ethanol CH₃ - CH₂ - OH	3,8.10⁹
Eau	1,1.10⁹

Doc2 : Agitation thermique.

Les particules d'un liquide sont en constante agitation.

Cette agitation augmente avec la température.

Doc3 : Dissolution du sel dans l'eau.

dissolution du sel (chlorure de sodium)

A20. Introduction.

• Rappeler les répartitions électroniques et les représentations de Lewis des atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, de sodium et de chlore.

• En déduire aussi les représentations de Lewis des ions sodium Na⁺ et chlorure Cl^-.

A21. Dans l'eau.

• Donner la géométrie de la molécule d'eau ainsi que son éventuelle polarité.

• Expliquer en quoi les molécules d’eau peuvent exercer une force électrostatique sur un ion et justifier leur orientation à proximité des ions.

• Calculer et comparer les valeurs des forces électrostatiques qui s’exercent sur un ion sodium et un ion chlorure séparés d’une distance d_AB = 2,0 nm lorsque ces ions sont placés dans l’air, dans l’eau, dans l’éthanol.

• Expliquer pourquoi la dispersion est plus efficace dans l’eau que dans l’éthanol.

• Expliquer comment l’eau parvient à dissocier le cristal et à solvater les ions libérés. Expliquer la dispersion des ions.

A22. Dans le cyclohexane.

• Donner la représentation de Lewis du cyclohexane et son éventuelle polarité (utiliser le logiciel Avogadro).

• Comparer les valeurs des forces électrostatiques qui s’exercent entre un ion sodium et un ion chlorure séparés d’une distance d_AB = 2,0 nm lorsque ces ions sont placés dans l'eau et le cyclohexane.

• Expliquer pourquoi le sel est soluble dans l’eau mais pas le cyclohexane.

A23. Conclusion.

Si un corps est polaire, il se dissout plus facilement dans un solvant………………….

Si un corps est apolaire, il se dissout plus facilement dans un solvant ………………..

A3 Extraction.

Comment trier les déchets ?

Doc 1. Une manipulation à nettoyer.

Après une activité expérimentale, on dispose d’une solution aqueuse S de sulfate de cuivre (II) Cu_2+(aq) + SO^2- _4(aq) et de diiode I₂. Cette solution ne peut être rejetée directement à l’évier. Les solutions aqueuses de diiode doivent être recyclées dans un flacon étiqueté « déchets halogénés » et les solutions de sulfate de cuivre (II) dans des flacons étiquetés « solutions de sels métalliques ».

Doc 2. Technique d'extraction.

L'ampoule à décanter est utilisée pour séparer deux liquides non miscibles.

Elle est souvent utilisée pour extraire une espèce dissoute dans un solvant à l'aide d'un autre solvant non miscible au premier et dans lequel il est plus soluble.

On agite l'ampoule et on dégaze plusieurs fois.

Doc 3. Le cyclohexane.

• Le diiode est-il une molécule polaire ?

• Le sulfate de cuivre en solution possède-t-il des propriétés polaires une fois dissout dans l'eau ?

• Le cyclohexane est-il polaire ?

• Proposer un protocole pour trier les produits de la solution du doc 1.

• Le diiode est aussi soluble dans l'huile d'arachide. Affiner le protocole précédent afin d'être moins nuisible à l'environnement.

A4 Propriété des savons.

Les savons contiennent des liaisons à longue chaine carbonée. Leurs propriétés lavantes sont dues à la structure des ces ions en interaction avec le milieu qui les contient.

Quels types d'interactions mettent en jeu les ions carboxylates lors de l'utilisation d'un savon ?

Doc1. Constitutions des savons.

Le savon est composé de carboxylates de sodium R – CO₂Na ou de carboxylates de potassium R – CO₂K (R est une chaine carbonée non ramifiée possédant généralement plus de dix atomes de carbone).

Leur caractère amphiphile* donne au savon ses propriétés, principalement la formation de mousse utile pour le lavage

Qui possède un groupe hydrophile (du grec hydro : eau et philos : ami) et un groupe lipophile (du grec lipos : graisse)

Doc 2 : action détergente du savon.

· Les savons sont faiblement solubles dans l'eau. Leur réaction de dissolution s'écrit :

$ R - CO_2Na_{(s)} \xleftarrow {\xrightarrow {eau}} R - CO^{-}_{2(aq)} + Na^+_{(aq)}$

· La réaction de dissolution du savon dans l'eau est réversible. Ce caractère réversible est modélisé par la double flèche dans l'équation de la réaction.

· En présence d'alcool, cette solubilité croît. Il est possible de fabriquer des solutions aqueuses ou alcooliques de savon. Le pouvoir moussant des solutions de savon donne une indication sur les propriétés lavantes du savon.

Protocole :

· Dans 100 mL d'eau distillée, introduire environ 3g de copeaux de savon de Marseille.

· Agiter et filtrer. La solution limpide obtenue est une solution de savon.

· Reproduire la manipulation précédente dans 100mL d'éthanol. La solution limpide obtenue est une liqueur de savon.

Doc 3. Données

Modèle de l'eau

Modèle de l'éthanol

• On dispose d’une solution de chlorure de sodium $\left (Na^{+}_{(aq)};Cl^{-}_{(aq)} \right ) $eau salée.

• D’une solution de chlorure de calcium $\left (Ca^{2+}_{(aq)};2Cl^{-}_{(aq)} \right ) $eau dure.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole mettant en évidence les effets d’une eau dure ou d’une eau salée sur les propriétés lavantes des savons.

• Proposer une explication du caractère hydrophile de l’ion carboxylate.

• Justifier l’action d’une solution de chlorure de sodium ou de calcium sur les propriétés lavantes du savon.

•Quels types d’interactions les ions carboxylate mettent-ils en jeu

EXERCICES : P 90 à 103.

8, 9, 11, 13, 14, 15, 18, 20, 23, 25, 28, 29, 36.

COURS

C1. Cohésion d'un solide.

C11. Solide ionique.

Structure du fluorure de calcium

• Un solide ionique est constitué de cations et d'anions organisés régulièrement dans l'espace.

• Ces ions s'attirent mutuellement selon la force électrostatique :

$F_{A/B} \ = \ F_{B/A} \ = \ 9,0.10^{9} \times \dfrac{|q_A| \times |q_B|}{d^2}$

C12. Solide moléculaire.

Les molécules sont électriquement neutres, régulièrement disposées dans l'espace.

C12a. Interaction de Van Der Waals.

Ce sont des interactions électrostatiques attractives présentes entre les molécules.

Cas des molécules polaires.

Elles sont constituées d'atomes ayant un grand écart d'électronégativité.

Cet écart fait apparaître une charge partielle sur chaque atome. Cette charge partielle implique une interaction électrostatique entre les molécules.

Interaction entre les molécules de chlorure d'hydrogène

Cas des molécules apolaires.

Elles sont constituées d'atomes n'ayant pas ou peu d'écart d'électronégativité.

Cependant, le mouvement désordonné des électrons fait apparaître des charges partielles qui impliquent alors l'attraction simultanée des molécules.

Interaction entre les molécules de diiode

C12b. Les liaisons hydrogène.

C'est une interaction attractive établie entre un atome d'hydrogène lié à un atome très électronégatif et l'atome très électronégatif d'une autre molécule porteur d'un doublet non liant.

C'est ce type de liaison qui assure la cohésion de l'eau

C2. Solubilité d'une espèce chimique.

C21. Selon le solvant.

Un solvant peut être constitué de molécules polaires (eau, éthanol…) on parle alors de SOLVANT POLAIRE, ou de molécules apolaires (cyclohexane), on parle dans ce cas de SOLVANT APOLAIRE.

solvants polaires

eau(H₂O)

éthanol(C₂H₅OH)

solvant apolaire

cyclohexane (C₆H₁₂)

C22. Solubilité dans le solvant.

La solubilité d'un soluté dans un solvant donné sera d'autant plus importante que les interactions entre le solvant et le soluté seront importantes.

Les solides ioniques sont solubles dans les solvants polaires (interactions électrostatiques entre le solvant et le soluté).
Les solutés moléculaires polaires sont solubles dans les solvants polaires pour la même raison.
Inversement, les solutés moléculaires apolaires sont solubles dans les solvants apolaires.

C23. Dissolution d'un solide ionique dans l'eau.

La dissolution s'effectue en trois étapes :

La dissociation des ions.
La solvatation.
La dispersion.

Rappel.

La dissolution d'un solide ionique $A_xB_{y(s)}$ dans l'eau est modélisée par l'équation de dissolution : $ A_xB_{y(s)} \xrightarrow { \ \ eau \ \ } x \ A^{y+}_{(aq)} + \ y \ B^{x-}_{(aq)} $

Cette réaction respecte la conservation de la matière et de la charge.

Les concentrations en quantité de matière sont données par les relations :

$\left [ A^{y+}_{(aq)} \right ] = \dfrac {n \left ( A^{y+}_{(aq)} \right )}{V} = \dfrac { x \times n (A_xB_y)}{V} $

$\left [ B^{x-}_{(aq)} \right ] = \dfrac {n \left ( B^{x-}_{(aq)} \right )}{V} = \dfrac { y \times n (A_xB_y)}{V} $

Commentaires

- 1. Greg Le 22/04/2021
Bonjour.
Il s'agit d'activités proposées à mes classes pendant les séances.
Tu comprendras que je veuille bien répondre à des questions, mais pas fournir des corrigés... au départ, il s'agit d'un travail à effectuer par des élèves.
Cordialement.
- 2. Thomas Le 20/04/2021
Pourrait-on avoir la correction des questions s’il vous plaît
- 3. Greg Le 09/04/2021
Tu dois pouvoir y accéder directement... clic-droit, enregistrer...
Merci de préciser quand tu l'utiliseras de préciser d'où elle vient...
Sinon... ben... tant pis ou tant mieux.. pour moi.
- 4. Greg Le 02/04/2021
Bonjour.
De quelles vidéos parles-tu ?
Généralement ce sont des gif que je crée.
(Activité2, doc3... je n'en vous pas d'autres).
Dis-moi.
Greg
- 5. pin Le 20/03/2021
Bonjour, pourrais tu m'envoyer s'il te plait la video qui explique les 3 étapes de la dissolution de NaCl dans l'eau

Cordialement

Bruno PIN

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