11.2: Forces intermoléculaires vs intramoléculaires

Les forces intermoléculaires (Fim) sont des attractions électrostatiques découlant des interactions charge-charge entre les molécules. L'intensité de la force intermoléculaire est influencée par la distance de séparation entre les molécules. Les forces ont un effet significatif sur les interactions dans les solides et les liquides, où les molécules sont proches les unes des autres. Dans les gaz, les Fim ne deviennent importantes que dans des conditions de haute pression (en raison de la proximité des molécules de gaz). Les forces intermoléculaires déterminent les propriétés physiques des substances, telles que leur point de fusion, leur point d'ébullition, leur densité ainsi que les enthalpies de fusion et de vaporisation. Lorsqu'un liquide est chauffé, l'énergie thermique acquise par ses molécules surmonte les Fim qui les maintiennent en place, et le liquide bout (se transforme en état gazeux). Les points d'ébullition et les points de fusion dépendent du type et de l'intensité des forces intermoléculaires. Par exemple, un liquide à haute ébullition, comme l'eau (H₂O, p.é. 100 °C), présente des forces intermoléculaires plus intenses que celles d'un liquide à basse ébullition, comme l'hexane (C₆H₁₄, p.é. 68,73 °C).

Bien qu'il existe des forces intermoléculaires entre les molécules, des forces intramoléculaires existent à l'intérieur des molécules et maintiennent ensemble les atomes d'une molécule donnée. Les forces intramoléculaires maintiennent une molécule intacte ; un changement dans l'état d'une substance n'a pas d'effet sur les interactions intramoléculaires. Par exemple, bien que la fonte de la glace perturbe partiellement les forces intermoléculaires entre les molécules de H₂O solide, les réorganisant ainsi et transformant la glace en eau liquide, elle ne décompose pas les molécules individuelles de H₂O.

Les forces intramoléculaires peuvent être de nature ionique, covalente ou métallique.

Les atomes gagnent (non-métaux) ou perdent des électrons (métaux) pour former des ions (anions et cations) avec des configurations électroniques particulièrement stables. Les composés qui sont composés d'ions sont appelés des composés ioniques (ou sels), et les ions qui les constituent sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques : des forces électrostatiques d'attraction entre les cations et les anions ayant des charges de signes opposés. Par exemple, le chlorure de magnésium (MgCl₂) est un composé ionique composé de cations de magnésium et d'anions chlorures maintenus ensemble par des liaisons ioniques fortes.

Une liaison covalente (non polarisée ou polarisée) se forme lorsque les électrons sont mis en commun entre les atomes et qu'une molécule se forme. Les liaisons covalentes non polarisées se produisent lorsque les atomes partage les mêmes électrons, comme dans l'hydrogène (H₂). La forme des liaisons covalentes polarisées est due à un partage inégal des électrons ; un atome exerce une force d'attraction plus intense sur les électrons que l'autre. Le chlorure d'hydrogène, HCl, en est un exemple.

Les solides métalliques tels que les cristaux de cuivre, d'aluminium et de fer sont formés par des atomes de métaux. Les atomes à l'intérieur d'un solide métallique sont maintenus ensemble par une force unique appelée liaison métallique qui donne lieu à de nombreuses propriétés utiles et variées.

Les forces intermoléculaires sont beaucoup plus faibles que les forces intramoléculaires. Par exemple, pour surmonter les Fim dans une mole de HCl liquide et la convertir en HCl gazeux ne nécessite qu'environ 17 kilojoules. Toutefois, pour rompre les liaisons covalentes entre les atomes d'hydrogène et de chlore dans une mole de HCl, il faut environ 25 fois plus d'énergie, soit 430 kilojoules.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 10 : Liquides et solides.

Des substances chimiques se forment lorsque des atomes ou des ions interagissent électrostatiquement. Par exemple, un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène se lient d'une manière covalente pour former une molécule d'eau. De telles forces de liaison qui maintiennent les atomes ensemble dans une molécule sont appelées des forces intramoléculaires.

Les forces intramoléculaires dictent les propriétés chimiques comme la stabilité et les types de liaisons chimiques. Les trois principaux types sont les liaisons ioniques, covalentes et métalliques. Une liaison ionique est formée par le transfert d'électrons de valence d'un métal à un atome non métallique, qui entraîne une attraction électrostatique entre les ions de charge opposée.

Une liaison covalente est formée lorsque des atomes non métalliques partagent leurs électrons de valence. Enfin, la liaison métallique résulte de l'interaction entre le réseau d'ions métalliques positifs et un groupe commun d'électrons de valence délocalisés. Cependant, les interactions électrostatiques n'existent pas seulement dans une molécule, mais aussi entre les molécules.

Par exemple, dans l'eau qu'elle soit solide, liquide, ou gazeux les molécules interagissent par des interactions, non-liantes électrostatiques dictant l'état de la matière. Ces interactions appelées forces intermoléculaires influencent diverses propriétés physiques, telles que les points de fusion et d'ébullition. Les forces intermoléculaires peuvent être classées en plusieurs types.

De puissantes forces ion-dipôle se produisent entre les ions et les molécules polaires;des forces dipôle-dipôle existent entre les molécules polaires, la liaison hydrogène étant un type spécial de force dipôle-dipôle et enfin, le plus faible de tous les forces de dispersion existent dans toutes les molécules, polaires et non polaires, et sont le résultat de dipôles temporaires. Les forces intermoléculaires sont faibles car des charges petites ou partielles interagissent sur de grandes distances, par rapport aux forces intramoléculaires, qui sont fortes en raison d'importantes interactions sur de courtes distances. Par exemple, dans l'eau liquide, les molécules sont séparés par une distance moyenne d'environ 300 picomètres, caractéristique des forces intermoléculaires comparativement plus faibles.

Par conséquent, il faut chauffer l'eau à seulement 100 degrés Celcius pour franchir ces forces intermoléculaires et faire passer les molécules d'eau en phase liquide à la phase vapeur. En revanche, la longueur de la liaison O H dans l'eau est de 96 picomètres, ce qui caractérise les liaisons intramoléculaires plus fortes. Il faut chauffer l'eau à environ 1000 degrés Celcius, bien plus que son point d'ébullition, pour rompre cette liaison intramoléculaire.