Solides moléculaires et ioniques

Les solides cristallins sont divisés en quatre types : moléculaires, ioniques, métalliques et covalents en fonction du type d’unités constitutives et de leurs interactions interparticulaires.

Solides moléculaires

Les solides cristallins moléculaires, tels que la glace, le saccharose (sucre de table) et l’iode, sont des solides composés de molécules neutres comme unités constitutives. Ces molécules sont maintenues ensemble par des forces intermoléculaires faibles telles que les forces de dispersion de London, les interactions dipôle-dipôle ou les liaisons hydrogène, qui dictent leurs propriétés (tableau 1).

L’intensité des forces d’attraction entre les unités présentes dans les différents cristaux varie considérablement, ce qui se reflète au niveau des points de fusion de ces cristaux.

•  Les petites molécules apolaires symétriques, comme H₂, N₂, O₂ et F₂, ont des forces de dispersion faibles et elles forment des solides moléculaires avec des points de fusion très bas (inférieurs à −200 °C). Les substances composées de molécules apolaires de plus grande taille ont des forces d’attraction plus importantes et fondent à des températures plus élevées.
•   Les solides moléculaires composés de molécules polaires ayant des moments dipolaires permanents fondent à des températures encore plus élevées. Le solide SO₂ et le sucre de table en sont des exemples. Les liaisons hydrogène intermoléculaires sont principalement responsables du maintien du réseau tridimensionnel de ces solides moléculaires, comme on le voit dans l’eau congelée ou la glace.

Les propriétés des solides moléculaires dépendent de l’efficacité de l’assemblage de leurs unités constitutives, les molécules, en trois dimensions. Comme les forces intermoléculaires dépendent du contact, une plus grande symétrie des molécules constitutives garantit un assemblage compact et étroit dans la structure cristalline avec des attractions intermoléculaires élevées. Cela augmente le point de fusion. La symétrie plus basse des molécules empêche l’assemblage efficace. Les forces intermoléculaires ne sont donc pas aussi efficaces et le point de fusion est plus bas.

Solides ioniques

Les solides cristallins ioniques, comme le chlorure de sodium, sont composés d’ions positifs et négatifs qui sont maintenus ensemble par de fortes attractions électrostatiques.

Les solides ioniques ont des points de fusion élevés en raison des fortes attractions ioniques. On peut avoir une approximation de la force de l’interaction ionique entre les cations et les anions dans un solide ionique grâce à la force électrostatique, donnée par la loi de Coulomb :  

Ici, K est une constante de proportionnalité, r est la distance entre les charges, et q_a et q_c représentent respectivement les charges sur les anions et les cations. Plus la charge sur les cations et les anions est élevée, plus la force de l’attraction ionique est grande. De même, l’assemblage étroit des anions et des cations dans le réseau cristallin réduit la distance entre les charges, ce qui entraîne des forces d’attraction ionique plus importantes.

Les solides ioniques sont durs, ils ont également tendance à être fragiles et ils se brisent plutôt que de se plier. Leur fragilité est attribuée à la présence d’interactions d’attraction (cation-anion) et de répulsion (cation–cation et anion–anion) dans le réseau cristallin. Comme les ions ne peuvent pas se déplacer librement en raison des forces coulombiennes importantes, les solides ioniques ne conduisent pas l’électricité. Cependant, à l’état fondu ou lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, les ions deviennent libres de se déplacer et ils conduisent l’électricité.

Tableau 1.  Caractéristiques des solides moléculaires et ioniques.

Une partie de ce texte a été adaptée d’Openstax, Chimie 2e, Section 10.5 : L’état solide de la matière.