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Chapitre 11: Liquides, solides et forces intermoléculaires Back To Chapter

11.16: Solides moléculaires et ioniques

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Molecular and Ionic Solids

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TRANSCRIPTION

Les solides moléculaires sont un type de solides cristallins qui ont des molécules ou atomes en tant que particules constitutives et sont maintenus ensemble par des forces intermoléculaires non ioniques comme liaisons hydrogène, forces de dispersion, ou les interactions dipôle dipôle. La force de ces forces intermoléculaires dicte les propriétés des solides moléculaires. Dans l'ensemble, ces solides ont tendance à être mous, ont des points de fusion faible, et une faible conductivité thermique et électrique.

Les solides moléculaires non polaires ou non polaires nets comme l'azote solide ou la neige carbonique sont principalement maintenus ensemble par de faibles forces de dispersion. Ces solides ont des points de fusion très bas et subliment facilement. Les solides moléculaires polaires comme la glace et le dioxyde de soufre solide présentent des liaisons hydrogène et des interactions dipôle-dipôle.

Ces solides ont des points de fusion comparativement plus élevés et existent sous forme de solides mous ou de liquides volatils à température et pression standard. Un autre exemple de la façon dont les forces intermoléculaires influencent les propriétés des solides moléculaires est illustré par l'iode solide. La force accrue de certaines forces intermoléculaires entre des molécules plus grosses se reflète dans les propriétés de l'iode.

Bien qu'ils soient tous deux des solides non polaires, le point de fusion de l'iode est nettement plus élevé que celle de l'azote solide. Les solides ioniques sont des solides cristallins avec des espèces ou des ions chargés électriquement en tant que particules constituantes maintenues ensemble par de fortes forces électrostatiques. Par exemple, le chlorure de sodium est un solide ionique composé des cations sodium et des anions chlorure.

L'emballage des solides ioniques maximise l'interaction entre les ions de charge opposée et minimise l'interaction entre les ions de même charge. Ceci est souvent visualisé comme un ensemble d'ions sur les points de maillage et les ions opposés occupant certains ou tous les espaces entre eux, ou les sites interstitiels. En raison de fortes interactions coulombiques, les solides ioniques ont des températures de fusion élevées.

Les interactions ioniques deviennent généralement plus fortes avec une augmentation de la charge ou une diminution de la taille des ions. Par exemple, le chlorure de césium fond à 645 degrés Celsius et le chlorure de sodium fond à 801 degrés Celsius, ce qui peut être attribué au plus petit cation sodium permettant un emballage plus étroit. L'oxyde de calcium, qui a des charges ioniques plus élevées, fond à 2572 degrés Celsius.

11.16: 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 :

Eq1

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.

Type de solide cristallin

Type de particule constitutive

Type d'attractions

Propriétés

Exemples

Solides moléculaires

Molécules

Forces intermoléculaires (Fim) : forces de dispersion, forces dipôle-dipôle, liaisons hydrogène

Dureté variable, fragilité variable, points de fusion bas, un mauvais conducteur de chaleur et d'électricité

Ar, H₂O (glace), CO₂ (glace carbonique), I₂, C₁₂H₂₂O₁₁ (saccharose)

Solides ioniques

Ions

Électrostatiques

Dur, fragile, points de fusion élevés à très élevés, conducteur d'électricité à l'état fondu et dissous

NaCl (sel de table),
MgO(oxyde de magnésium),
Al₂O₃ (alumine)

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

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