Fiche de cours : Interpréter les propriétés d'une espèce chimique - Chimie Terminale PDF

**M7\_INTERPRETER LES PROPRIETES D'UNE ESPECE CHIMIQUE** **** **** **** **M27 :** J'explique la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l'analyse des interactions entre entités. ------------------- ------------------------------------------------------------------...

**M7\_INTERPRETER LES PROPRIETES D'UNE ESPECE CHIMIQUE** **** **** **** **M27 :** J'explique la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l'analyse des interactions entre entités. ------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- **** **** **** **M28 :** J'explique la capacité de l'eau à dissocier une espèce ionique et à solvater les ions. **** **** **** **M29 :** Je modélise, au niveau macroscopique, la dissolution d'un composé ionique dans l'eau par une équation de réaction, en utilisant les notations ~(s)~ et ~(aq)~. **** **** **** **M30 :** Je calcule la concentration des ions dans la solution obtenue. **** **** **** **M31 :** J'explique ou prévois la solubilité d'une espèce chimique dans un solvant par l'analyse des interactions entre les entités. **** **** **** **M33 :** J'interprète un protocole d'extraction liquide-liquide à partir des valeurs de solubilités de l'espèce chimique dans les deux solvants. **** **** **** **M35 :** J'explique le caractère amphiphile et les propriétés lavantes d'un savon à partir de la formule semi- développée de ses entités. Citer des applications usuelles de tensioactifs. *Les interactions au niveau microscopique entre les entités constituants une espèce sous forme solide vont permettre d'expliquer les propriétés physico-chimiques de l'espèce à notre échelle, comme la solubilité dans différents solvants, ou les températures de changement de phase.* 1. **[Cohésion de solides ioniques]** Le sel de cuisine est constitué de chlorure de sodium solide de formule NaCl. Le solide se dissout facilement dans l\'eau pour former une solution aqueuse ionique contenant les ions chlorure Cl^-^ et les ions sodium Na^+^. Le solide est lui aussi constitué des mêmes ions  Au début du 20e siècle, l\'utilisation des rayons X a permis de mettre en évidence un agencement tridimensionnel régulier des ions chlorure Cl^-^ et les ions sodium Na^+^ sur de longues distances. On peut décrire cette structure par un empilement de cubes élémentaires. 2 modèles de représentation des cubes élémentaires sont utilisés : un modèle compact où les ions sont assimilés à des sphères rigides et un modèle éclaté où seul le centre d\'édition est représenté  Tous les ions portent des charges multiples de la charge élémentaire e. La charge de l'ion sodium Na^+^ est positive q(~Na~+) =+1,6\*10^-19^ C. la charge d\'union chlorure est négative q(~Cl~-) =-1,6\*10^-19^ C Le rayon de l'ion sodium r(~Na~+) =97 pm et celui de l'ion chlorure r(~Cl~-) = 181 pm. Les ions sodium et chlorure étant chargés électriquement, on peut calculer l\'intensité de la force exercée entre les 2 ions grâce à la loi de coulomb r est la distance entre le centre des 2 ions en mètres, q~A~ et q~B~ les charges des ions A et B. [\$\\mathbf{F}\_{\\mathbf{\\text{AB}}}\\mathbf{=}\\mathbf{\\text{k.\\ }}\\frac{\\left\| \\mathbf{q}\_{\\mathbf{A}} \\right\|\\mathbf{\\text{.\\ }}\\left\| \\mathbf{q}\_{\\mathbf{B}} \\right\|}{\\mathbf{r}\^{\\mathbf{2}}}\$]{.math.inline} *avec k=9,0x10^9^ N.m^2^.C^-2^* - - - - - - - - - **[Pour conclure :]** Comment expliquer la cohésion d\'un solide ionique ? 2. **[Cohésion au sein d'un solide moléculaire]** Quand l\'hiver s\'installe la température de l\'eau de la piscine va considérablement baisser jusqu\'à provoquer le gel de l\'eau. Attention! L\'eau quand elle est gelée, prend plus de place dans le bassin que l\'eau à l\'état liquide. *Laisser de l\'eau gelée dans son bassin, c\'est donc courir le risque que le poids et le volume de l\'eau gelée, notre bassin ne se déforme ou fissure*.    Dans la glace comme dans l\'eau, toutes les molécules d\'eau sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène et sont en relation avec 4 molécules voisines. Dans l\'eau liquide, l\'agitation thermique permet aux liaisons hydrogènes de « se tordre » donnant ainsi aux molécules d\'eau une liberté de mouvement. Au sein de la glace, l\'agitation thermique est réduite au minimum : les molécules ne peuvent plus changer de position. *Elles forment alors un ensemble structuré où chaque molécule se trouve en moyenne plus éloigné que ses voisines dans l\'état liquide.*    Une liaison hydrogène est une interaction attractive établie entre un atome hydrogène lié à un atome A très électronégatif et un atome B très électronégatif appartenant à une autre molécule et porteur d\'au moins un doublet non liant. les atomes A et B sont essentiellement des atomes fluor F, oxygène O et azote N. Atome Configuration électronique Electronégativité χ ------------- ---------------------------- --------------------- Hydrogène H 1s^1^ 2,2 Azote N 1s^2^ 2s^2^2p^3^ 3,04 Oxygène O 1s^2^ 2s^2^2p^4^ 3,4 Fluor F 1s^2^ 2s^2^2p^5^ 3,98 - Qu\'affirme le texte concernant la masse et le volume d\'eau lors de la solidification ?  - Formuler une hypothèse sur l\'évolution de ces 2 grandeurs lors de la solidification de l\'eau.  - Etablir le schéma de Lewis d\'une molécule d\'eau.  - Schématiser la liaison hydrogène entre 2 molécules d\'eau.  - Modéliser la cohésion de 4 molécules d\'eau dans la glace d\'eau à partir de la phrase en italique du second document.  - Corriger et reformuler la phrase en italique du premier document. **[Pour conclure :]** comment la présence de liaison hydrogène influence elle la structure d\'un solide moléculaire ? **[\ ]** 3. **[Cohésion des solides]** Nous allons étudier dans ce chapitre le cas où la cohésion se fait par --- interaction entre ions --- interaction entre molécules polarisées --- interaction par pont hydrogène Selon la nature de l'interaction au niveau microscopique, l'énergie de cohésion peut changer de façon importante. 4. **[Cohésion des solides ioniques]** 1. **[Solide ionique :]** Un solide ionique est un arrangement très régulier d'anions et de cations, il est électriquement neutre. Sa formule statistique indique la nature et la proportion d'anions et de cations présents dans le cristal. *Le sel de cuisine (chlorure de sodium) est un cristal ionique constitué par un empilement régulier de cations Na*^+^ *et d'anions Cl*^-^*.* 2. **[Cohésion :]** La cohésion d'un cristal ionique est assurée par des forces d'attractions électrostatiques entre les cations et les anions. Il y a également une compétition avec les forces de répulsions entre les ions de même charge électrique. Enfin, les électrons des couches internes des ions forment comme une sphère dure infranchissable, et la structure du cristal ionique dépendra aussi de la taille des différents ions. Ces forces de cohésions sont intenses, et l'énergie nécessaire pour les vaincre est importante. Par exemple, pour faire fondre le chlorure de sodium, il faut le chauffer à plus de 800° C. 5. **[Cohésion des solides moléculaires]** 3. **[Solide moléculaire : ]** Un solide moléculaire est une espèce chimique pure dont les entités qui le forment sont des molécules, régulièrement empilées pour former une structure cristalline. On peut citer par exemple la glace, cristal formé par les molécules d'eau, les cristaux de sucres que l'on utilise en cuisine sont formés par des molécules de saccharose régulièrement empilées. 4. **[Cohésion par interaction de van der Waals : ]** Dans un cristal moléculaire, les forces qui permettent aux molécules d'interagir entre elles sont basées sur les forces électrostatiques. Entre les molécules, il existe toujours des interactions électrostatiques attractives, faibles et à courte portée, qui vont permettre au cristal de se former. Ces interactions sont appelées interactions de van der Waals. 5. **[Cohésion par pont hydrogène : ]** **[6. Dissolution des solides ioniques]** **[6.1. L'eau :]**  L'eau est un solvant polaire, la molécule H~2~O est plutôt négative coté oxygène et positive coté hydrogène, car les liaisons oxygène-hydrogène sont fortement polarisées. La molécule d'eau va donc être capable d'attirer des anions ou des cations selon son orientation dans l'espace. **[6.2. La dissolution : ]** *[1^ère^ étape : la dissociation]* *Quand le solide est introduit dans l'eau, des molécules d'eau s'orientent à sa proximité :* - *un cation attire la partie qui porte la charge partielle négative d'une molécule d'eau, c'est-à-dire l'atome d'oxygène,* - *un anion attire les atomes d'hydrogène de la molécule d'eau.* *Ces interactions électrostatiques modifient les forces assurant la cohésion du solide et finissent pas séparer les ions.*  *[2^ème^ étape : la solvatation et la dispersion]* *Les ions s'entourent de molécules d'eau qui jouent le rôle d'un écran éloignant les ions les uns des autres, diminuant ainsi les interactions électrostatiques attractives entre cations et anions.* *Les ions restent ainsi dispersés en solution.* **[6.3. Équation de réaction de dissolution]** Une dissolution peut être décrite par une équation de dissolution qui doit conserver la masse et la charge électrique. On part d'un solide (le sel) pour obtenir des ions en solution. La solution sera neutre électriquement. **[6.4. Concentration en ion]** On place un certain nombre de moles n~S~ de soluté dans un volume V de solvant. On a donc une concentration C en quantité de matière en soluté apporté qui sera Cependant, selon le type de sel, une mole de sel peut donner plusieurs moles d'ions en solution. On précisera alors la concentration en ion Ces concentrations seront supérieures ou égales à C. **[Exemple :]** Dissolution du chlorure de Fer III dans l'eau. On peut écrire le tableau d'avancement. On peut ensuite calculer la concentration en quantité de matière en soluté apporté  **[7. Solubilité d'une espèce dans un solvant]** **[7.1. Définition]** La solubilité *s* d'une espèce chimique est la quantité de matière maximale n~max~ qu'il est possible de dissoudre dans un volume *V* de solvant à une température donnée **[7.2. Type de solvant]** La solubilité d'une espèce chimique dépend du solvant dans lequel on essaie de la dissoudre. - **Espèces ioniques** Les espèces ioniques sont solubles dans les solvants polaires, car les ions seront entourés par les molécules polaires du solvant, grâce à des interactions électrostatiques. - **Espèces moléculaires** Pour les espèces moléculaires, on distingue le cas où l'espèce est polaire et celui où l'espèce est apolaire. - un soluté polaire sera miscible dans un solvant polaire grâce à des interaction de van der Waals, et parfois il est aussi possible de réaliser des ponts hydrogènes. - un soluté apolaire sera miscible dans un solvant apolaire grâce à des interactions de van der Waals. **[8. Extraction solvant solvant]** **[8.1 Principe]** L'extraction solvant solvant permet de faire passer une espèce chimique d'un solvant où elle est moins soluble à un autre solvant où elle est plus soluble. Les deux solvants ne doivent pas être miscibles pour pouvoir facilement les séparer par décantation. On utilise cette technique en fin de synthèse par exemple, pour extraire l'espèce synthétisée du mélange réactionnel. Elle passe dans un solvant qui sera ensuite évaporé pour isoler l'espèce synthétisée sous forme liquide ou cristalline. **[8.2. Protocole]** Pour une extraction liquide liquide, on utilise une ampoule à décanter. Les étapes du protocole sont - vérifier que le robinet de l'ampoule est fermé et placer un bécher sous l'ampoule - introduire le premier solvant avec l'espèce à isoler - introduire le solvant d'extraction, fermer l'ampoule - agiter vigoureusement l'ampoule pour brasser les solvants, dégazer régulièrement en ouvrant le robinet, pour libérer la pression qui peut s'accumuler - reposer l'ampoule sur son support, ôter le bouchon - laisser décanter les deux phases - récupérer la phase avec le solvant d'extraction **[9. Hydrophilie, lipophilie et amphiphilie]** **[9.1 Définition]** Une molécule amphiphile est une molécule qui possède une partie soluble dans l'eau (hydrophile) et une partie soluble dans les graisses (lipophile). *Molécule d'oléate de sodium dans le savon, avec la partie hydrophile et la partie lipophile.* **[9.2. Exemples]** Les molécules amphiphiles ont un rôle important dans notre quotidien (les savons), pour la vie (membranes de cellules), des applications industrielles et scientifiques (tensioactifs pour stabiliser les émulsions) et l'industrie agro-alimentaire (stabilisation des émulsions et des mousses). **[9.3. Le savon]** Un savon contient des molécules d'oléate de sodium qui sont amphiphiles. Elles permettent de former une fine couche entre les corps gras et l'eau et de former des micelles, qui seront entraînées par l'eau lors du lavage. La partie lipophile du savon se fixe sur la partie grasse et la partie hydrophile permet l'entraînement par l'eau. Une micelle est une «bulle de gras» enveloppée par une fine couche de savon, sa taille est inférieure au micromètre. Les molécules du savon forment une fine membrane autour des corps gras permettant qu'ils soient entraînés par l'eau. \