Phys. N° 06

Cohésion de la

matière à l'état solide.

Exercices.

 

   

 

Mots clés :

Cohésion des solides ioniques,

électrisation par frottement, loi de Coulomb,

solide ionique, molécule polaire, molécule apolaire,

électronégativité, polarité d'une liaison covalente, moment dipolaire,

polatité d'une molécule, le chlorure d'hydrogène,

cohésion des solides moléculaires, les solides moléculaires,

interaction de Van Der Waals, Van Der Waals,

la liaison hydrogène,

 chauffage d'un solide, changement d'état physique, les états de la matière,

état solide, état liquide, état gazeux,

transferts thermiques, applications,

QCM, exercices, correction, structure de la glace, structure de l'eau liquide, structure de la vapeur d'eau, chlorure d'iode solide, ...

 

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I- Exercice 7 page 164. Identifier la nature des charges électriques.

II- Exercice 9 page 164. Connaître la loi de Coulomb.

III- Exercice 10 page 164. Déterminer la formule de cristaux ioniques.

IV- Exercice 13 page 164. Rechercher des molécules polaires.

V- Exercice 15 page 165. Identifier des interactions de Van Der Waals.

VI- Exercices 16 page 165. Rechercher la présence de liaisons hydrogène.

VII- Exercice 17 page 165. Interpréter des effets thermiques.

VIII- Exercice 21 page 166. Géométrie des molécules et polarité.


 

I- Exercice 7 page 164. Identifier la nature des charges électriques.

 

Frottées avec de la laine, une tige de verre T1 se charge positivement, alors qu’une tige de polystyrène T2 se charge négativement.

1)- Une tige T3 de plexiglas frottée avec de la laine est repoussée par la tige T1 :

a)-  Déterminer le signe des charges portées par la tige T3.

b)-  Qu’observerait-on si on approchait, de la tige T3, la tige de polystyrène T2 ?

2)- Une tige de polystyrène T4, frottée avec le la laine, est attirée par la tige de verre T1. Qu’observerait-on si on approchait, de la tige T4, la tige de polystyrène T2 ?

 

1)- Charges électriques :

a)-  Signe des charges portées par la tige T3 :

-    La tige T3 de plexiglas frottée avec de la laine est repoussée par la tige T1.
-    Or la tige T1 est chargée positivement.
-    Comme deux charges de mêmes signes se repoussent
-    La tige T3 est chargée positivement.

b)-  Tiges T3 et T2 :

-    La tige T2 est chargée négativement.
-    La tige T3 est chargée positivement
-    Comme deux charges de signes opposés s’attirent
-    La tige T2 est attirée par la tige de verre T3.

2)- Tiges T4 et T2 :

-    La tige de polystyrène T4 est attirée par la tige de verre T1
-    Or la tige T1 est chargée positivement
-    Comme deux charges de signes opposés s’attirent
-    La tige T4 est chargée négativement
-    Comme la tige T2 est chargée négativement
-    Les tiges T4 et T2 se repoussent.

 

II- Exercice 9 page 164. Connaître la loi de Coulomb.

 

Dans le système international d’unité, la valeur des forces électriques s’exerçant entre deux charges qA et qB distantes de d vaut :

 

1)- Rappeler les unités de F, qA, qB et d dans le système international d’unités.

2)- Dans un atome d’hydrogène, qA = – qB = 1,6 x 10 – 19 C et d = 53 pm.

      Calculer la valeur des forces FA/B et FB/A s’exerçant entre le noyau et l’électron de l’atome d’hydrogène.

 

1)- Les unités de F, qA, qB et d dans le système international d’unités :

-    FA/B et FB/A s’expriment en newton (N).
-    qA et qB s’expriment en coulomb (C)
-    d s’exprime en mètre (m)

2)- Valeur des forces FA/B et FB/A s’exerçant entre le noyau et l’électron de l’atome d’hydrogène :

-     

 

III- Exercice 10 page 164. Déterminer la formule de cristaux ioniques.

 

Recopier et compléter le tableau ci-dessous en ajoutant soit la formule du solide ionique comportant ces ions, soit les formules de l’anion et du cation qui le composent.

Cation

Anion

Na+

 

Al3+

 

NaF

 

 

S2–

 

 

 

NO3

 

Mg(NO3)2

 

C2O42–

 

 

Al2(C2O4)3

 

 

Cation

Anion

Na+

Mg2+

Al3+

F

NaF

MgF2

AlF3

S2–

Na2S

MgS

Al2S3

NO3

Na NO3

Mg(NO3)2

Al(NO3)3

C2O42–

Na2C2O4

Mg C2O4

Al2(C2O4)3

 

IV- Exercice 13 page 164. Rechercher des molécules polaires.

 

 

 

Dans une ligne ou une période de la classification périodique, l’électronégativité des éléments croît de gauche à droite, hormis pour les gaz nobles.

 

1)- En consultant la classification périodique, dire pourquoi chacune des liaisons présentes dans les molécules d’oxyde d’azote NO (a), de carbure de béryllium CBe2 (b), de fluorure d’oxygène F2O (c) est polarisée ?

2)- En utilisant les modèles moléculaires ci-dessus prévoir si ces trois molécules sont polaires.

 

1)- Polarisation des liaisons :

    Molécule d’oxyde d’azote NO (a) :

-    L’oxygène se situe à droite de l’azote.
-   En conséquence, l’oxygène est plus électronégatif que l’azote. La liaison N – O est polarisée.

    Molécule de carbure de béryllium :

-    Les liaisons C = Be sont polarisées car le carbone est plus électronégatif que le béryllium.
-   Le béryllium est situé à gauche de l’atome de carbone dans la classification périodique.

    Le fluorure d’oxygène :

-     Les liaisons O – F sont polarisées car le fluor est plus électronégatif que l’oxygène.

2)- Molécules polaires :

-    La molécule d’oxyde d’azote est une molécule polaire.
-   Elle possède un moment dipolaire.

 

-    La molécule de carbure de béryllium qui est une molécule linéaire (comme de dioxyde de carbone) n’est pas une molécule polaire.

 

-    La molécule de fluorure d’oxygène, qui est une molécule coudée, est une molécule polaire.

 

 

V- Exercice 15 page 165. Identifier des interactions de Van Der Waals.

 

1)- Rappeler, en s’aidant d’exemples, ce qui distingue, dans une molécule diatomique, un dipôle électrique permanent d’un dipôle électrique instantané.

2)- On considère les molécules des espèces suivantes : N2, Cl2, H2S, CBe2, CS2, Cl2O, IBr et HI. Les molécules H2S et Cl2O sont coudées alors que les molécules CBe2 et CS2 sont linéaires.

a)-  Repérer celles dont le moment dipolaires est nul.

b)-  En déduire celles qui ont un dipôle électrique permanent et celles qui ne peuvent présenter qu’un dipôle électrique instantané.

 

1)- Dipôle électrique permanent et dipôle électrique instantané :

    Dipôle électrique permanent dans une molécule diatomique :

-    Il correspond à une distribution permanente non symétrique du doublet de liaison entre les deux atomes.
-   Le barycentre des charges positives n’est pas confondu avec le barycentre des charges négatives.

    Dipôle électrique instantané dans une molécule diatomique :

-    Il résulte de l’existence, à un moment donné, d’une dissymétrie dans la répartition des charges électriques entre les deux atomes.
-   Il se peut que la densité électronique soit plus grande sur un atome que sur l’autre.
-   Il apparaît alors un moment dipolaire instantané.
-   C’est le cas des molécules diatomiques constituées d’atomes identiques.

2)- Molécules polaires et apolaires :

a)-  Molécules apolaires : molécules dont le moment dipolaire est nul

-    C’est le cas des molécules diatomiques constituées d’atomes identiques :
-    N2 (N ≡ N), Cl2 (Cl – Cl)
-    C’est le cas de molécules linéaires symétriques :
-    CBe2 (Be = C = Be), CS2 (S = C = S)
-    Le moment dipolaire résultant est nul.

 

b)-  Molécules polaires : molécules dont le moment dipolaire n’est pas nul :

-    Molécules diatomiques constituées de deux atomes différents :
-    IBr (I – Br) et HI (H – I).
-    Les molécules triatomiques coudées comme :
-    H2S et Cl2O
-    Les liaisons sont polarisées et la somme des moments dipolaires n’est pas nulle.
-   La molécule possède un moment dipolaire résultant.

 

 

 

VI- Exercices 16 page 165. Rechercher la présence de liaisons hydrogène.

 

Les représentations de Lewis de l’iodure d’hydrogène HI, du sulfure de dihydrogène H2S, du peroxyde d’hydrogène H2O2 (eau oxygénée), du fluorure d’hydrogène HF, du méthane CH4 et du chloroforme CH3Cl sont les suivantes :

Formule brute

HI

H2S

H2O2

Schéma

De

Lewis

 

 

 

Formule brute

HF

CH4

CH3Cl

Schéma

De

Lewis

 

 

 

1)- Parmi ces molécules, quelles sont celles qui peuvent participer à des liaisons hydrogène ?

2)- Représenter quelques liaisons hydrogène pour chacune d’elles :

 

 

1)- Liaisons hydrogène :

-    Une liaison hydrogène se forme lorsqu’un atome d’hydrogène H, qui est lié à un atome A très électronégatif, interagit avec un atome B, également très électronégatif et porteur d’un ou plusieurs doublets non liants.
-    Les atomes A et B qui interviennent généralement sont : l’azote N, l’oxygène O, le fluor F et le chlore Cl.
-    Les trois atomes qui participent à la liaison hydrogène sont généralement alignés.
-    C’est le cas de la molécule HF et de la molécule H2O2.

2)- Représentation des liaisons hydrogène :

-    Avec la molécule H2O:

 

-     Avec la molécule HF : ne pas oublier que l’atome de fluor porte quatre doublets qui se répartissent de telle sorte que l’interaction entre eux soit minimale.
-   C’est pour cette raison que l’enchaînement n’est pas linéaire.
-    L’angle que forme la liaison covalente avec la liaison hydrogène est voisin de 109 °.

 

 

VII- Exercice 17 page 165. Interpréter des effets thermiques.

 

Le triiodométhane ou iodoforme fond à 6 ° C et bout à 180 ° C sous la pression atmosphérique. Son moment dipolaire vaut 1,2 D.

1)- Décrire ce qui se produit à l’échelle macroscopique lorsque l’on chauffe du triiodométhane de 0 ° C à 10 ° C.

2)- La molécule de triiodométhane peut-elle participer à des liaisons hydrogène ?

3)- En déduire les évolutions qui se produisent, à l’échelle microscopique, lorsque l’on chauffe du triiodométhane de 0 ° C à 10 ° C.

 

1)- Échelle macroscopique : On chauffe du triiodométhane de 0 ° C à 10 ° C :

-    La température de fusion du triiodométhane est 6 ° C
-    De 0 ° C à 6 ° C, on chauffe le solide. La température du triiodométhane à l’état solide augmente.
-    À 6 ° C : le triiodométhane passe de l’état solide à l’état liquide : c’est la fusion qui s’effectue à température constant θ = 6 ° C.
-   Du triiodométhane solide se transforme à triiodométhane à l’état liquide.
-    De 6 ° C à 10 ° C : lorsque tout le triiodométhane se trouve à l’état liquide, la température augmente à nouveau.
-   On chauffe alors le triiodométhane à l’état liquide.

2)- Liaisons hydrogène :

-    Une liaison hydrogène se forme lorsqu’un atome d’hydrogène H, qui est lié à un atome A très électronégatif, interagit avec un atome B, également très électronégatif et porteur d’un ou plusieurs doublets non liants.
-    Les atomes A et B qui interviennent généralement sont : l’azote N, l’oxygène O, le fluor F et le chlore Cl.
-    Comme la molécule de triiodométhane ne possède pas d’atome, d’azote N, d’oxygène O, de fluor F ou de chlore Cl, il ne se forme pas de liaisons hydrogène.

3)- Échelle microscopique : On chauffe du triiodométhane de 0 ° C à 10 ° C :

-    De 0 ° C à 6 ° C : Lorsque l’on chauffe le solide moléculaire CHI3, la chaleur que reçoit le solide est transformée en énergie cinétique Ec.
-   L’agitation des molécules qui constituent le solide augmente.
-    Quand cette agitation est suffisante, des interactions de Van Der Waals, qui assurent la cohésion du cristal sont rompues.
-    Puis à 6 ° C l’édifice cristallin se disloque.
-    Les molécules restent en contact mais se séparent.
-   Il n’y a plus de disposition régulière dans l’espace.  
-    C’est la fusion : on passe de l’état solide à l’état liquide.
-    Au cours de la fusion, l’énergie thermique fournie au cristal est utilisée pour rompre des interactions de Van Der Waals.
-    La température reste constante pendant toute la durée de la fusion.
-    De 6 ° C à 10 ° C : Une fois toute l’espèce moléculaire à l’état liquide, l’agitation thermique augmente à nouveau et la température aussi et des interactions de Van Der Waals, qui assurent la cohésion du liquide sont rompues.

 

VIII- Exercice 21 page 166. Géométrie des molécules et polarité.

 

1)- Repérer, dans la classification périodique la place des éléments bore B, azote N et fluor F. En déduire que les liaisons B – F, N –F sont polarisées.

2)- Situer les charges positives et négatives des dipôles B – F et N – F et représenter, sans souci d’échelle, les vecteurs moments dipolaires associés.

3)- Justifier que le trifluorure de bore BF3 (a) est apolaire, alors que le trifluorure d’azote NF3 (b) est polaire.

 

1)- Repérage dans la classification périodique :

 

-    Le fluor est plus électronégatif que l’azote, qui est plus électronégatif que le bore.
-    Les liaisons B – F et N –F sont polarisées :

2)- Liaisons polaires et Moments dipolaires :

-    et

 

3)- Molécule apolaire et molécule polaire :

-    La molécule de trifluorure de bore BF3 (a) est apolaire :
-  

 

-    La molécule de trifluorure d’azote NF3 (b) est polaire :
-     
-    Pour aller plus loin :