Cohésion dans un solide ionique ou moléculaire

• Certains composés solides présentent des formes régulières tels que le chlorure de sodium ou le sucre.

• C'est l'abbé René Just Haüy qui fut le premier à penser que la régularité des formes du cristal était la conséquence d'un arrangement des composants du cristal (atomes, ions ou molécules).

I. Cohésion des solides ioniques

1. Structure

• Définition :

  Un solide ionique, appelé également solide ionique cristallin ou encore cristal ionique, est une espèce chimique constituée d'un empilement compact régulier (= ordonné dans l'espace) d'anions (= ions négatifs) et de cations (= ions positifs) en nombre tel que la neutralité électrique du cristal est assurée.

• Le solide ionique peut être représenté sous différente manières : le modèle éclaté, le modèle compact et le modèle macroscopique.

_{Illustration des 3 modèles pour un solide ionique (d'après theo.ism.u-bordeaux.fr)}

2. Cohésion

$\textcolor{purple}{\text{a. Rappels : forces d'interaction électrostatique}}$

• Deux particules portant respectivement une charge électrique $q_A$ et $q_B$ exercent l'une sur l'autre :

  $\circ\quad$ Des forces répulsives pour des charges de même signe, de même valeur,

  $\circ\quad$ Des forces attractives pour des charges de signes contraires, également de même valeur.

• Pour plus d'information sur la loi de Coulomb, se référer à la fiche suivante : Les interactions fondamentales.

• Remarque : les forces d'interaction électrostatique peuvent également être appelées interactions coulombiennes.

$\textcolor{purple}{\text{b. Les interactions coulombiennes au coeur}}$ $\textcolor{purple}{\text{de la cohésion du solide ionique}}$

• Nous avons vu précédemment qu'un solide ionique est constitué d'un arrangement régulier de cations et d'anions.

• Ainsi, les ions présents dans un solide ionique exercent les uns sur les autres des forces d'interaction électrostatique (interactions coulombiennes).

• Si les deux charges sont de même signe alors elles vont se repousser et si les charges sont de signes contraires alors les charges vont s'attirer.

• En vertu de la loi de Coulomb, la valeur de la force d'attraction ou de répulsion est plus forte si les ions sont plus proches, plus faible dans le cas contraire.

• Les interactions coulombiennes sont donc à l'origine de la cohésion des ions dans le solide ionique.

$\textcolor{purple}{\text{c. Les interactions coulombiennes attractives}}$ $\textcolor{purple}{\text{responsables de cette cohésion}}$

• Propriété :

  $\circ\quad$ Les forces électrostatiques attractives exercées entre les cations et les anions l'emportent sur les forces répulsives entre anions ou entre cations : ces interactions sont responsables de la cohésion du solide ionique.

  $\circ\quad$ Afin d'avoir des interactions attractives, la structure du cristal ionique est telle :

  $\Longrightarrow$ Qu'un ion de charge négative s'entoure toujours d'ions de charge positive

  $\Longrightarrow$ Et qu'un ion de charge positive s'entoure toujours d'ions de charge négative.

$\textcolor{purple}{\text{3. Formule statistique d'un solide ionique}}$

• Définition :

  La formule statistique du solide ionique indique la nature et la proportion de chaque ion à l'intérieur du cristal.

• Remarque importante : un solide ionique est électriquement neutre en vertu du principe de Lavoisier : l'arrangement du cristal est tel que les charges positives et négatives doivent se compenser.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Le chlorure de sodium a pour formule statistique $NaCl_{(s)}$ : l'ion sodium $Na^+$ (portant $1$ charge positive) est compensé par l'ion chlorure $Cl^-$ (portant $1$ charge négative) ;

  $\circ\quad$ Le permanganate de potassium a pour formule statistique $KMnO_{4_(s)}$ : l'ion potassium $K^+$ (portant $1$ charge positive) est compensé par l'ion permanganate $MnO_4^-$ (portant $1$ charge négative) ;

  $\circ\quad$ Le fluorure de calcium a pour formule statistique $CaF_{2_(s)}$ : l'ion calcium $Ca^{+2}$ (portant $2$ charges positives) est compensé par $2$ ions fluorure $F^-$ (portant chacun $1$ charge négative).

II. Cohésion des solides moléculaires

1. Notions d'électronégativité et de polarité

Ces notions sont abordées en détail dans la fiche suivante :

Electronégativité, liaison polarisée et polarité d'une molécule

2. Interaction de Van der Waals

• Définition :

  Les interactions de Van der Waals sont des interactions entre dipôles électriques.

• Propriété :

  La cohésion d'un solide moléculaire est assurée par les interactions de Van der Waals qui sont des interactions électrostatiques le plus souvent attractives :

  $\circ\quad$ Si la molécule est polaire, les dipôles s'orientent de manière à ce que l'interaction soit attractive ;

  $\circ\quad$ Si la molécule est apolaire, le nuage électronique a la capacité de se déformer et ainsi faire apparaître un dipôle instantané donnant lieu à une interaction attractive.

3. Liaison hydrogène (ou pont hydrogène)

• Définition :

  Une liaison hydrogène, ou pont hydrogène, est une interaction électrostatique attractive entre un atome d'hydrogène, lié à un atome très électronégatif, et un atome d'une autre molécule, très électronégatif et porteur d'un doublet non liant.

• Les molécules qui possèdent des atomes d'hydrogène impliqués dans des liaisons polarisées ont la capacité d'établir des liaisons hydrogène.

• Ces liaisons sont des interactions intermoléculaires entre un atome d'hydrogène et un autre atome d'une autre molécule plus électronégatif, le plus souvent l'oxygène $O$, l'azote $N$, le fluor $F$ ou le chlore $Cl$.

• En conséquence, toutes les molécules appartenant à la famille des alcools présentent des liaisons hydrogène.

• Les liaisons hydrogène sont des interactions attractives, plus fortes que les liaisons de Van der Waals.

• Remarque : les liaisons hydrogène créées entre les molécules d'eau ont une conséquence importante : l'eau liquide est plus compacte que l'eau solide, ce qui n'est pas le cas pour les autres corps purs.

_{= Merci à gbm / Skops pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}