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PHYSICO-CHIMIEdes MATERIAUX : 

PHYSICO-CHIMIEdes MATERIAUX Bruno Toulouse 2008-2009 09/05/2009 1 Louis de Broglie

Interactions entre molécules : 

Interactions entre molécules 1 – Moment électrique moléculaire 2 - Moment magnétique moléculaire 3 - Les états de la matière 4 - Les forces de de Van der Walls 5 - La liaison Hydrogène 09/05/2009 2 Louis de Broglie

Interactions entre molécules : 

Interactions entre molécules 1 – Moment électrique moléculaire La molécule d’eau comporte deux liaisons s (entre l’atome d’oxygène et les atomes d’hydrogène). Un tel édifice est stable et peut exister à l’état libre, contrairement aux atomes qui le constituent. Comment expliquer qu’une goutte d’eau ait tendance à se former ? Les molécules y sont-elles liées par des liaisons covalentes fortes ? Non ! Car un électron provenant d’un atome extérieur à une molécule ayant ses orbitales liantes déjà saturées serait contraint de se placer dans une orbitale antiliante. Cela déstabiliserait le système. L’interpénétration des molécules est donc interdite par la règle d’exclusion de Pauli. Au sein des liquides, ce n’est pas la liaison forte covalente qui lie les molécules entre elles. 09/05/2009 3 Louis de Broglie

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 4 Considérons une molécule covalente diatomique : si les atomes sont identiques (Cl2) ou de même électronégativité (CS), la liaison est non polarisée car la répartition des charges est statistiquement symétrique. Interactions entre molécules

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 5 Considérons une molécule covalente polyatomique faite d’atomes d’électronégativités différentes mais dont la forme est symétrique : la molécule est statistiquement non polarisée. Interactions entre molécules

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 6 Considérons une molécule covalente non symétrique : si les atomes sont d’électronégativités différentes, la répartition des charges est aussi dissymétrique. Elle induit un moment dipolaire permanent µ (en debye D), dont la valeur est proche de la différence d’électronégativité. 1 debye =3,33.10-30 Cm µD=48r’q/e Interactions entre molécules Moment dipolaire µ = q x r’ r' q+ q-

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 7 On peut décomposer vectoriellement le moment dipolaire d’une molécule polyatomique en moments propres à chaque liaison dont il serait la résultante. L’additivité parfaite des moments de liaison supposerait que les liaisons soient indépendantes les unes des autres et ne s’influenceraient pas Interactions entre molécules H µ H Cl Cl Cl d+ d- d- d- C µ

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 8 Un exemple : la molécule d’eau Interactions entre molécules

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 9 2 - Moment magnétique moléculaire L’existence d’interactions entre une molécule et un champ magnétique est liée au fait que le mouvement des électrons dans les atomes comme tout déplacement de charges électriques crée un moment magnétique. Lorsqu’une molécule comporte un nombre pair d’électrons, tous appariés en doublets associant 2 e- de spin opposé, son moment magnétique global résultant est nul. La substance correspondante est diamagnétique. Lorsqu’une molécule comporte un nombre impair d’électrons, ou un nombre pair qui ne sont pas tous appariés en doublets comme O2, le moment magnétique résultant n’est nul. La substance correspondante est paramagnétique. Interactions entre molécules

Interactions entre molécules : 

09/05/2009 Louis de Broglie 10 3 - Les états de la matière L’état gazeux : la matière ne possède pas de volume ni de forme. L’état liquide : la matière possède un volume mais pas de forme. L’état solide : la matière possède une forme et un volume. Importance de l’agitation thermique E=kT K constante de Boltzman = 1,381.10-23 JK-1 Interactions entre molécules

Interactions entre dipôles : 

11 Interactions entre dipôles A courte distance, les forces attractives de Van Der Waals, sont généralement en 1/r7, elles sont concurrencées par des forces répulsives en 1/r12.

Interaction dipôle-dipôle (Keesom) : 

12 Interaction dipôle-dipôle (Keesom) A l’état solide, la force d’attraction est en 1/r4, de courte portée. Une faible élévation de température fait osciller et s’écarter les dipôles, diminuant la cohésion jusqu’à la fusion du solide. Dans la glace, les molécules d’eau sont maintenues par des forces dipôle-dipôle. La température de fusion de l’eau est beaucoup plus basse que celle du fer, du diamant ou du chlorure de sodium.

Slide 13: 

13 Interaction dipôle-dipôle Dans les liquides, les dipôles sont mobiles et les forces sont en 1/r7. Statistiquement, les moments dipolaires s’annulent. Lorsque l’agitation thermique est suffisante pour rompre les liaisons dipôle-dipôle, le liquide se vaporise.

Interaction dipôle-dipôle induit (Debye) : 

14 Interaction dipôle-dipôle induit (Debye) La capacité d’une molécule à se polariser sous l’action d’un dipôle ou d’un ion se mesure par sa polarisabilité a. La polarisabilité croît avec la taille de la molécule et son nombre d’électrons. On constate que la molécule HI est moins polaire que la molécule HCl mais plus polarisable.

Interaction dipôle-dipôle induit : 

15 Interaction dipôle-dipôle induit

Interaction dipôle instantané– dipôle induit (London) : 

16 Interaction dipôle instantané– dipôle induit (London) Dans une molécule symétrique, le moment dipolaire est statistiquement nul. Cependant, à chaque instant la dissymétrie aléatoire du nuage électronique confère à la molécule un moment dipolaire instantané. Pendant leur brève existence, ces dipôles induisent d’autres dipôles autour d’eux avec lesquels ils interagissent. Ces forces sont d’autant plus grandes que les électrons sont nombreux et la molécule étendue.

Interaction dipôle-dipôle « Liaison hydrogène » : 

17 Interaction dipôle-dipôle « Liaison hydrogène » Un cas particulier d’interaction dipôle-dipôle, est celui de la «liaison hydrogène ». C’est la plus forte des liaisons intermoléculaires. Elle se manifeste uniquement entre une molécule qui comporte un atome d’hydrogène lié à un atome X très électronégatif (N, O ou F) et un autre atome, Y, possédant un doublet libre (F, O ou N) :

« Liaison hydrogène » dans l’eau : 

18 « Liaison hydrogène » dans l’eau

Interaction dipôle-dipôle : 

19 Interaction dipôle-dipôle L’existence de ces liaisons explique que le méthanol soit à l’état liquide à 25°C alors que l’éthane, de masse molaire identique, est gazeux

20 Interaction dipôle-dipôle L’existence d’interactions fortes entre les molécules d’eau et le groupe caractéristique OH de l’alcool justifie la solubilité du méthanol dans l’eau (alors que l’éthane y est insoluble).

Résumé des interactions entre dipôles : 

21 Résumé des interactions entre dipôles Intéressons nous à l’état liquide. Des forces peuvent s’exercer entre dipôles permanents (forces de Keesom), entre dipôles permanents et dipôles induits (forces de Debye) et entre dipôles instantanés (forces de London). Ces interactions sont toujours de courte portée, en 1/r7 et faibles par rapport aux liaisons covalentes. Elles participent ensemble et simultanément à la cohésion de la matière (tableau ci-contre). On les désigne sous le nom de forces de Van Der Waals. Elles sont responsables de nombreuses propriétés physiques (solubilité, changement d’état, viscosité) et interviennent dans les méthodes de fractionnement des mélanges.

Résumé des interactions entre dipôles : 

22 Résumé des interactions entre dipôles On les désigne sous le nom de forces de Van Der Waals. Elles sont responsables de nombreuses propriétés physiques (solubilité, changement d’état, viscosité) et interviennent dans les méthodes de fractionnement des mélanges.

Résumé des interactions en chimie : 

23 Résumé des interactions en chimie

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