Cohésion et transformations de la matière

Le fait que les molécules ne se déplacent pas toujours librement comme elles le font à l’état gazeux mais qu’elles forment aussi des liquides et des solides, signifie qu’il existe des interactions entre elles. Ainsi, le fait que l’eau soit liquide à la température ambiante est la manifestation que les molécules d’eau adhèrent les unes aux autres. Pour faire bouillir l’eau nous devons apporter suffisamment d’énergie pour écarter les molécules les unes des autres. Les forces responsables de l’adhérence des molécules sont appelées forces de van der Waals en référence au scientifique hollandais du dix-neuvième siècle qui les étudia pour la première fois.Si deux atomes impliqués dans une liaison de covalence sont d’électronégativités différentes, la répartition des charges est dissymétrique : les électrons de la liaison sont délocalisés vers l’atome le plus électronégatif, qui porte alors une charge partielle négative notée δ-. L’autre atome de la liaison porte, quant à lui, une charge partielle positive notée δ+. Plus les charges sont réparties de façon asymétrique, plus une liaison ou molécule sera polaire (elle peut être assimilée à un dipôle électrostatique), et a contrario, si les charges sont réparties de façon totalement symétrique, elle sera apolaire, c’est-à-dire non polaire. La polarité des molécules influe sur un certain nombre de caractéristiques physiques (températures de fusion et d’ébullition, solubilité, tension superficielle) ou chimiques (réactivité).

 Les molécules sont composées d’atomes eux-mêmes constitués d’un minuscule noyau central chargé positivement, entouré d’un nuage d’électrons chargé négativement. Nous devons nous imaginer que ce nuage n’est pas figé dans le temps. Au contraire, il est comme un brouillard mouvant, épais à un endroit donné à un certain instant et léger au même endroit l’instant suivant. Là où brièvement le nuage s’éclaircit, la charge positive du noyau arrive à percer. Là où brièvement le nuage s’épaissit, la charge négative des électrons surpasse la charge positive du noyau. Lorsque deux molécules sont proches, les charges résultant des fluctuations du nuage électronique interagissent ; la charge positive du noyau qui pointe par endroit est attirée par la charge négative partiellement accumulée dans la partie dense du nuage électronique. De ce fait les deux molécules adhèrent. Toutes les molécules interagissent de cette façon, toutefois la force de l’interaction est plus grande entre les molécules contenant des atomes possédant beaucoup d’électrons comme le chlore et le soufre.Les alcanes sont des hydrocarbures (molécules constituées uniquement d’atomes de C et de H) ne présentant que des liaisons C-C simples. Leur formule brute est C_nH_2n+2.

Voici quelques alcanes linéaires (alcanes dont la chaîne carbonée ne comporte pas de ramification (chaque atome de C n’est lié qu’à 2 autres atomes de C) :D’après le document 1, les molécules apolaires interagissent quand même : pourquoi ? Calculer la différence d’électronégativité entre l’hydrogène et le carbone grâce au tableau de la partie 1. Comparer avec la différence d’électronégativité entre l’hydrogène et l’oxygène. Les alcanes sont-ils polaires ou apolaires ? Compléter la dernière colonne du tableau du document 2 en calculant les masses molaires des alcanes. Tracer la courbe donnant la température d’ébullition en fonction de la masse molaire. Qu’observez-vous ? Comment expliquer ce constat à l’aide de l’interaction décrite précédemment ? Le décane est un alcane linéaire de formule brute C10H22. À votre avis, quel est son état physique à température ambiante ? Pourquoi ? La paraffine de bougie est constituée de molécules d’alcanes à chaîne linéaire. Que pouvez-vous dire sur la longueur de la chaîne carbonée de la paraffine de bougie ? Argumenter.La température d’ébullition augmente de manière quasi-linéaire avec la masse molaire des alcanes linéaires car l’intensité des forces d’interaction de Van der Waals augmentent avec la longueur de la chaîne carbonée :plus les molécules sont grosses et contiennent d’électrons, plus elles sont polarisables, plus les interactions de Van der Waals sont fortes entre elles, plus il faut apporter d’énergie pour les faire passer à l’état gazeux.

Le décane est liquide à température ambiante car il contient 10 atomes de carbone (Teb = 174°C). La paraffine contient plus de 10 atomes de carbone (C25H52).L’interaction de Van der Waals est une interaction électrique de faible intensité entre des atomes, des molécules, ou entre une molécule et un cristal. Elle est associée à des forces attractives, généralement en 1/r7, de très courte portée. Les forces de Van der Waals sont d’autant plus grandes que les électrons sont nombreux et la molécule étendue. Elles peuvent résulter d’interactions existant entre des dipôles permanents de molécules polaires (on parle de forces de Keesom) mais également se manifester entre des molécules apolaires comme les gaz monoatomiques rares, les corps simples diatomiques (N2, O2, I2…) ou les molécules polyatomiques symétriques (CO2, CCl4…) (on parle alors de forces de London). Dans ce cas, ce sont les fluctuations de la densité électrique qui engendrent des dipôles instantanés induisant des dipôles dans les molécules voisines.