Les forces intermol

1
Les forces intermoléculaires, les liquides, et
les solides
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La théorie cinétique des liquides et de solides

• un gaz ses molécules bougent très librement et
  il prend le volume et la forme de son contenant
• une basse masse volumique et une compressibilité
  élevée
• un liquide ses molécules glissent librement les
  unes contre les autres et il y a un volume
  défini, mais il prend la forme de sont contenant
• une masse volumique élevée et une très légère
  compressibilité
• un solide ses molécules vibrent dans une
  position fixe et il a un volume une forme définis
• une masse volumique élevée et une compressiblité
  pratiquement nulle

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Les forces intermoléculaires

• les forces intramoléculaires sont les forces
  attractives qui maintiennent les atomes ensemble
  dans une molécule telles que les liaisons
  chimiques
• les forces intermoléculaires sont les forces
  attractives qui sexercent entre les molécules
• les forces intermoléculaires sont typiquement
  moins fortes que les forces intramoléculaires
• sans les forces intermoléculaires, toutes les
  substances seraient des gaz parfaits
• à une assez basse température, les molécules dun
  gaz ralentissent à un tel point quelles ne
  peuvent pas échapper les forces
  intermoléculaires, et il y aura condensation du
  gaz

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Les forces intermoléculaires

• les forces de van der Waals
• les interactions dipôle-dipôle
• les interactions dipôle-dipôle induit
• les interactions de dispersion
• les forces ion-ion
• les forces ion-dipôle
• les liaisons hydrogène
• toutes ces forces/interactions peuvent agir en
  même temps dans un système
• il existe aussi des forces répulsives entre deux
  molécules (répulsions entre les électrons et
  entre les noyaux) qui augmentent très rapidement
  si la distance qui sépare les molécules dans un
  état condensé diminue
• les solides et liquides sont donc très peu
  compressibles

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Les forces dipôle-dipôle

• les forces dipôle-dipôle sont celles qui agissent
  entre les molécules polaires
• dans un solide, les molécules sallignent afin de
  permettre une attraction mutuelle maximale
• dans un liquide, les molécules essaient de
  salligner autant que possible pour maximiser
  linteraction attractive dipôle-dipôle

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Les forces ion-dipôle

• les forces ion-dipôle sexercent entre un ion
  (cation ou anion) et une molécule polaire
• les interactions ion-dipôle avec un cation sont
  typiquement plus importantes à cause du petit
  rayon du cation (à comparer avec celui dun anion)

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Les forces de dispersion

• un ion ou molécule polaire situé près dune
  molécule non-polaire peut générer un dipôle
  induit sur la molécule non-polaire
• ces interactions deviennent plus importantes si
  la polarisabilité de la molécule est élevée
• la polarisabilité indique la facilité avec
  laquelle le nuage électronique dans un atome ou
  une molécule peut être déformée
• la polarisabilité devient plus importante lorsque
  le volume de latome ou de la molécule augmente
  car les électrons sont plus loins des noyaux et
  plus faiblement retenus

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Les forces de dispersion

• dû aux positions instantanées des électrons, un
  atome ou molécule non-polaire peut toujours avoir
  un dipôle instantané (ou temporaire)
• ce dipôle instantané peut induire un dipôle dans
  les autres atomes ou molécules
• N.B. moyenné sur le temps, un atome ou molécule
  non-polaire na aucun moment dipolaire
• les forces de dispersion expliquent pourquoi des
  gaz non-polaires tels quun gaz noble, ou H2, N2,
  O2, etc. condense éventuellement

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Les forces de dispersion

• les forces de dispersion augmentent généralement
  avec la masse molaire car la polarisabilité
  augmente généralement avec la masse
  molaire
  substance point de fusion
  (oC) CH4 -182
  CF4 -150 CC
  l4 -23 CBr4
  90 CI4 171
• N.B. les points de fusion et débullition
  augmentent si les forces intermoléculaires
  deviennent plus importantes
• les forces de dispersion peuvent devenir plus
  importantes que les forces dipôle-dipôle
• eg. CBr4 et CI4 ont des plus hauts points de
  fusion que le H2O

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La liaison hydrogène

• la liaison hydrogène est un type dinteraction
  dipôle-dipôle entre un atome H participant déjà à
  une liaison polaire (N-H, O-H, ou F-H) et un
  atome O, N, ou F électronégatif
  
  AHB ou AHA
• la liaison hydrogène a une énergie qui peut être
  aussi grande que 40 kJ/mol (?10 dune liaison
  covalent)

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La liaison hydrogène

• les liaisons hydrogène constituent une force
  importante dans le maintien de la structure et
  dans les propriétés de nombreux composés
• limportance des liaisons hydrogène se voit dans
  les points débullition des hydrures des groupes
  5A, 6A, et 7A
• dans chaque groupe, le composé le plus léger a le
  plus haut point débullition car les liaisons
  hydrogène doivent être cassées avant que les
  molécules puissent rentrer dans la phase gazeuse
  (après ceci, le point débullition augmente avec
  la masse)

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La liaison hydrogène

• la force des liaisons hydrogène augmente lorsque
  lélectronégativité de lélément attaché à H
  augmente, donc HF a les plus fortes liaisons
  hydrogène
• cependant, H2O a le plus haut point débullition
  car les liaisons hydrogène stabilise ce composé
  le plus
• H2O est unique car il a deux doublets libres
  sur le O et deux H et chaque molécule peut donc
  participer dans quatre liaisons hydrogène
• NH3 (un seul doublet libre sur N) et HF (un seul
  hydrogène) peuvent juste participer dans deux
  liaisons hydrogène

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La tension superficielle

• une molécule dun liquide est attirée dans tous
  les sens si elle nest pas à la surface
• si la molécule est à la surface, elle est attirée
  vers le bas et vers les côtés, mais par vers le
  haut
• il y a donc un resserrement à la surface
• la tension superficielle est la quantité
  dénergie requise par unité de surface pour
  étirer ou augmenter la surface dun liquide

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La viscosité

• la viscosité exprime la résistance dun liquide à
  lécoulement
• plus un liquide sécoule lentement, plus sa
  viscosité est élevée
• un liquide comme leau a une relativement grande
  viscosité à cause des liaisons hydrogène entre
  ses molécules molécule viscosité
  (Ns/m2) acétone 3.16 x
  10-4 benzène 6.25 x 10-4 eau
  1.01 x 10-3 glycérol 1.49
• des liquides comme le glycérol ont une viscosité
  élevée car ses molécules sentremèlent lorsquils
  essaie de glisser un par-dessus lautre

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La structure et les propriétés de leau

• leau a une haute capacité calorifique car, pour
  augmenter lénergie cinétique des molécules, on
  doit casser plusieurs liaisons hydrogène
• la haute capacité calorifique de leau est
  importante
• le fait que leau absorbe beaucoup de chaleur
  quand elle se réchauffe et libère beaucoup de
  chaleur quand elle se refroidie explique pourquoi
  les lacs et les océans peut rendre le climat des
  terres adjacents modéré

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La structure est les propriétés de leau

• H2O est une des très rares substances où le
  liquide est plus dense que le solide
• dans la glace, les molécules H2O forme un réseau
  tridimensionnel unique car chaque molécule peut
  participer dans quatre liaisons hydrogène
• le réseau tridimensionnel introduit des petites
  cavités

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La structure et les propriétés de leau

• lorsque la glace fond, la structure
  tridimensionnel collapse et les cavités
  emprisonnent des molécules deau
• leau liquide est donc plus dense que la glace à
  0oC
• leffet demprisonnement domine jusquà 4oC, la
  température ou leau est la plus dense
• au-dessus de 4oC, leau devient moins dense
  lorsquon le réchauffe (comme presque toutes les
  autres substances)

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Les changements de phase

• une phase est une partie homogène dun système en
  contact avec dautres parties du même système,
  séparée de celles-ci par une frontière bien
  définie
• eg. la glace qui flotte sur leau est un système
  à deux phase, la phase solide (la glace) et la
  phase liquide (leau)
• un changement de phase est le passage dune phase
  à une autre
• un changement de phase implique (habituellement)
  un transfert de chaleur et un changement dans le
  désordre des molécules (eg. la fusion de la
  glace est un processus endothermique qui augmente
  le désordre dans les molécules de H2O)

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Léquilibre liquide-vapeur

• à toute température (i.e., même plus basse que la
  température débullition), il y a un certain
  nombre de molécules dans un liquide qui possèdent
  assez dénergie cinétique pour séchapper de la
  surface
• ce processus sappelle évaporation ou
  vaporisation
• la pression quexercent ces molécules qui ont
  rentré dans la phase gazeuse sappelle la
  pression de vapeur

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Léquilibre liquide-vapeur

• à même temps que les molécules du liquide
  rentrent dans la phase gazeuse, des molécules
  dans la phase gazeuse retournent dans la phase
  liquide
• ce retours à la phase liquide est la condensation
• la vitesse dévaporation est une constante mais
  la vitesse de condensation augmente avec la
  pression partielle du vapeur
• éventuellement, un équilibre dynamique sétablit
  quand les deux vitesses ségalisent

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Léquilibre liquide-vapeur

• lorsquon a un équilibre entre les phases liquide
  et gazeux, la pression de vapeur mesurée est la
  pression de vapeur à léquilibre
• ou tout court la pression de vapeur
• la pression de vapeur à léquilibre est la
  pression de vapeur maximale quexerce la vapeur
  dun liquide à une température constante
• la pression de vapeur à léquilibre augmente avec
  la température

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La chaleur de vaporisation et le point
débullition

• la chaleur de vaporisation (?Hvap) est lénergie
  requise pour vaporiser une mole dun liquide
• la valeur de la chaleur de vaporisation est
  directement reliée aux forces intermoléculaires
• on doit fournir lénergie pour casser les
  interactions intermoléculaires afin que les
  molécules puissent rentrer dans la phase gazeuse
• le point débullition est la température à
  laquelle la pression de vapeur dun liquide est
  égale à la pression extérieure
• le point débullition normal dun liquide est
  celui qui est mesuré quand la pression extérieure
  est de 1 atm

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La chaleur de vaporisation et le point
débullition

• à plus basse pression, un liquide bout à une plus
  basse température
• il y a une excellente correspondence entre le
  point débullition et la chaleur de vaporisation,
  i.e., un liquide avec un haut point débullition
  possède une grande chaleur de vaporisation
  substance point débullition
  (oC) ?Hvap(kJ/mol) argon -186
  6.3 méthane -164 9.2
  benzène 80 31.0 eau 100
  40.8 mercure 357 59.0

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La température critique et la pression critique

• on peut liquéfier un gaz en baissant la
  température (lénergie cinétique baisse à tel
  point que les molécules ne peuvent pas séchapper
  un de lautre) ou en augmentant la pression (les
  molécules sapprochent et les attractions
  mutuelles deviennent efficaces)
• cependant, il est parfois impossible de liquéfier
  un gaz
• la température critique (Tc) est la température
  au-dessus de laquelle un gaz ne peut pas être
  liquéfié, quelle que soit la valeur de la
  pression appliquée
• la pression critique (Pc) est la pression
  minimale quil faut appliquer pour liquéfier un
  gaz à sa température critique
• au-dessus de la température critique, les
  molécules ont toujours assez dénergie cinétique
  pour échapper les forces intermoléculaires

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Léquilibre liquide-solide

• le passage de liquide à solide est la congélation
• le passage de solide à liquide est la fusion
• le point de fusion dun solide est la température
  à laquelle les phases solide et liquide
  coexistent en équilibre (léquilibre est
  dynamique)
• la chaleur molaire de fusion (?Hfus) est
  lénergie requise pour fondre une mole dun
  solide
• ?Hfus est typiquement beaucoup plus petite que
  ?Hvap car, en allant de solide à liquide, les
  molécules restent près un de lautre et on
  retient les attractions intermoléculaires
• on perd toutes les attractions intermoléculaires
  en allant de liquide à gaz

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Léquilibre solide-vapeur

• le passage direct de la phase solide à la phase
  gazeuse sappelle la sublimation
• le passage direct de la phase gazeuse à la phase
  solide sappelle la déposition
• la chaleur molaire de sublimation (?Hsub) est
  lénergie nécessaire pour sublimer une mole de
  solide
• daprès la loi de Hess ?Hsub ?Hfus
  ?Hvap

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Les diagrammes de phase

• un diagramme de phase décrit les conditions de
  température et de pression dans lesquelles une
  substance se retrouve à létat solide, liquide,
  ou gazeux
• chacune des trois surfaces est appelée une
  domaine (il y a une domaine par phase)
• la courbe délimitant deux domaines indiquent les
  conditions dans lesquelles les deux phases
  peuvent coexister en équilibre

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Les diagrammes de phase

• la courbe entre liquide et vapeur est la même que
  celle pour la pression de vapeur en fonction de
  la température
• la courbe qui délimite la glace de leau liquide
  a une pente négative car il est plus difficile de
  produire la glace à haute pression à cause de sa
  plus basse densité (la pente est presque toujours
  positive avec les autres substances)
• le point triple est la seule température et
  pression ou solide, liquide, et gaz coexistent en
  équilibre (pour leau, cest 0.01oC et 0.006 atm)

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Les diagrammes de phase

• le diagramme de phase du CO2 nous indique
  pourquoi on na pas le CO2(l) sous des pressions
  normales
• le CO2(l) peut seulement exister à des pressions
  plus élevées que 5.2 atm
• ceci explique pourquoi la glace sèche (i.e.,
  CO2(s)) va directement de solide à gaz lorsquon
  le réchauffe à pression normale

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(No Transcript)