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    11-Sep-2018

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  • Chapitre 5 : Les interactionsde faible nergie

    Pierre-Alexis GAUCHARDAgrg de chimie, Docteur s sciences

    UE1 : Chimie Chimie physique

    Anne universitaire 2011/2012Universit Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits rservs.

  • II. Interactions de Van der Waals

    Chapitre 5. Les interactions de faible nergie

    III. Liaison hydrogne

    I. Interactions lectrostatiques

    IV. Hydrophilie / hydrophobicit

  • GAZ LIQUIDE SOLIDEPas de volume proprePas de forme propre

    Un volume proprePas de forme propre

    Un volume propreUne forme propre

    Interactions intermolculaires augmentent

    refroidissement

    chauffage

    refroidissement

    chauffage

    Passage entre les diffrents tats de la matire

    Si les molcules dun corps A forment entre elles des interactions plus fortes quecelles que forment entre elles les molcules dun corps B, alors le corps A aurades tempratures de changement dtat plus leves que celles du corps B.

    Plus les molcules dun solut (compos dissoudre) forment dinteractionsintermolculaires avec celles dun solvant, plus ce solut est soluble dans lesolvant considr.

    Solubilit dun compos dans un solvant donn

    Introduction

  • I. Interactions lectrostatiques

    I.1) Interaction entre 2 charges

    I.2) Interaction ion - diple

  • 'q qEr

    q

    r

    q

    Si q et q sont de mme signe E > 0 interaction rpulsive

    Si q et q sont de signe diffrent E < 0 interaction attractive

    I.1) interaction entre deux charges

    21fr

  • + q q

    Une molcule polaire (qui possde un moment dipolaire) est un diple lectrostatique.

    +

    Consquences : Les ions ont beaucoup daffinit avec leau, solvant polaire.Dans les molcules de taille importante, les zones charges sont hydrophiles.

    I.1) interaction ion - diple

  • II.1) interaction diple-diple

    II. Interactions de Van der Waals

    II.2) interaction lie la cration dun diple induit

    II.3) interaction diple instantann diple instantann

    II.4) Expression et comparaison des interactions de Van der Waals

    II.5) exemples de consquences de lexistence des interactions de Van der Waals

  • ICl

    ICl

    Liaisons covalentes : fortes

    Interaction diple - diple : faible

    II.1) interaction diple-dipleInteractions entre deux diples permanents

    i.e. entre deux molcules polaires

    ou forces dorientation ou interaction de Keesom

    Les interactions diple-diple sont dautant plus fortes que les moments

    dipolaires sont levs et que la temprature est basse.

  • interaction entre une espce polaire et une espce apolaire

    +Molcule polaire molcule apolaire

    Espces

    proches

    RapprochementPolarisation

    Interaction Moment dipolaire induit

    Interaction

    II.2) Interaction lie la cration dun diple induit

    ou forces dinduction ou interaction de Debye

    Espces loignes

    +Molcule polaire atome

  • II.2) interaction lie la cration dun diple induit

    Les interactions entre une espce polaire et une espce apolaire sont dautant plus fortes que :

    le moment dipolaire de lespce polaire est grand la polarisabilit de lespce apolaire est grande.

    Rappel : la polarisabilit augmente avec la taille dun atome.En premire approximation, la polarisabilit dune molcule augmente avec sa

    taille.

  • interaction entre deux espces apolaires

    Moments dipolaires instantans

    distribution moyenne

    II.3) Interaction diple instantann diple instantann

  • II.3) Interaction diple instantann diple instantann

    ou forces de dispersion ou interaction de London

    Les interactions entre deux espces apolaires sont dautant plus fortes que les espces considres sont polalisables.

  • Interaction entre les deux mmes espces spares dune distance d.

    vdW 6K D LK K KE

    d

    Les interactions de London sont prpondrantes dans les espces apolaires de tailles importantes; les interactions de Keesom sont

    prpondrantes dans les espces polaires de petite taille.

    La force dattraction intramolculaire qui drive de ce potentiel dinteraction, appele force de Van der Waals, varie en 1/d7. Cest donc

    une force de trs courte porte.(exemple : si d est multiplie par 2, la force est divise par 27 soit 128).

    II.4) expression et comparaison des interactions de Van der Waals

  • II.5) exemples de consquences de lexistence des interactions de Van der Waals

    Exemple 1. Implication sur les tempratures de changement dtat des gaz nobles

    Gaz noble Tbullition (C) Tfusion (C)He -269 -270Ne -246 -249

    Ar -186 -189Kr -153 - 157Xe -108 -112

    Le rayon des atomes donc la

    polarisabilit augmente

    i) Influence sur les tempratures de changement dtat.

    Effet des interactions de London uniquement

  • i) Influence sur les tempratures de changement dtat.

    butaneTfusion = - 138C

    Tbullition = - 0,5CCH3

    H2C

    CH2

    H3C

    H3CC

    CH3

    O

    Exemple 2: composs de volumes comparables

    actoneTfusion = - 95CTbullition = 56C

    Molcule apolairepas d interaction de Keesom

    Molcule polaireinteractions de Keesom

    Butane et actone, composs de masse molaire 58 g.mol-1

    II.5) exemples de consquences de lexistence des interactions de Van der Waals

  • ii) Influence sur la solubilit

    I2 , molcule apolaire, est trs peu soluble dans leau.Mais solubilit est non nulle du fait dinteractions de Debye

    ICl , molcule polaire, soluble dans leau (interactions de Keesom)

    Les gaz nobles sont trs peu solubles dans leau. Toutefois leur solubilit dans leau augmente lorsque lon descend dans la colonne (augmentation de la polarisabilit des gaz nobles donc des interactions de Debye).

    ICl

    II

    II.5) exemples de consquences de lexistence des interactions de Van der Waals

  • III.1) dfinition

    III. Liaison hydrogne

    III.2) exemple de liaison hydrogne

    III.3) exemples de consquences de lexistence de liaisons hydrogne

    III.4) liaisons hydrognes intramolculaires

  • La liaison hydrogne rsulte de linteraction lectrostatique entre :

    un lment trs lectrongatif portant au moins un doublet non liantet

    un atome dhydrogne li un lment trs lectrongatif

    A H

    B Reste de la molcule

    Liaison covalentefortement polarise Liaison hydrogne

    III.1) Dfinition

    - + -

  • OH H

    O

    HH

    Cristal de glace

    Liaison hydrogne entre les molcules deau

    III.2) Exemple de liaison hydrogne

    -

    -+

  • III.3) Exemples de consquences de lexistence de liaisons hydrogne

    Solubilit importante des composs comportant peu datomespouvant former avec leau des liaisons hydrognes (ammoniac NH3trs soluble / PH3 et CH4 insolubles etc.)

    Reconnaissance des bases nucliques (Adnine-Thymine / Guanine-Cytosine)

  • III.3) Exemples de consquences de lexistence de liaisons hydrogneTe

    mp

    ratu

    re d

    bu

    llitio

    n (

    C s

    ous

    1 ba

    r)

    priode

    Existence de liaison hydrogne

    Forces de dispersion

    Pour leau, Tbullition = +100C au lieu de -80C (si il ny avait

    que des interactions de Van der Waals).

    Idem Tfusion = 0C au lieu de -110C

  • Tfusion = 130CTfusion = 286 C

    Acide maliqueAcide Z-butanedioque

    C

    CC O

    H

    OCH

    H

    O

    O

    H

    Acide fumariqueAcide E-butanedioque

    C

    CC O

    H

    HC

    H

    O

    O

    O

    HLiaison hydrogne

    intramolculaire

    Moins dinteractions intermolculaires possibles du fait de la liaison hydrogne

    intramolculaire

    III.4) liaisons hydrognes intramolculaires

  • Solubilit des alcools dans leau.

    Alcool Formule semi-dveloppe

    Solubilit dans leau (g/L)

    Mthanol HOCH3 TotaleEthanol HOCH2CH3 Totale

    Propan-1-ol HO(CH2)2CH3 TotaleButan-1-ol HO(CH2)3CH3 80Pentan-1-ol HO(CH2)4CH3 22Hexan-1-ol HO(CH2)5CH3 7Heptan-1-ol HO(CH2)6CH3 2

    Alcools suprieurs insolubles

    Prpondrance de leffet des

    liaisons hydrognes

    Prpondrance de laugmentation de la chane carbone, qui minimise les liaisons hydrognes : effet hydrophobe.

    IV) Hydrophilie / hydrophobicit

  • IV) Hydrophilie / hydrophobicit

    Pour des molcules comportant beaucoup datomes, il y a co-existence de parties hydrophiles (zone(s) charge(s), zone(s) polaire(s) de la molcule,

    hydrogne(s) li(s) des atomes de fluor, doxygne, d azote) et les parties hydrophobes (zone apolaires).

    H2 C

    H

    COHOR

    N

    Exemples des -aminos acidesH2N CH C

    CH2

    OH

    O

    C

    NH2

    O Aspargine

    Leucine

    H2N CH C

    CH2

    OH

    O

    CH CH3

    CH3

    Tous les acides amins sont solubles dans leau, mais plus ou moins selon si la chane

    latrale R est charge ou non, polaire ou apolaire.

    Un des AA les plus solubles dans leau

    Un des AA les moins solubles dans leau

  • CQFR

    Connatre les 3 types dinteractions de Van der Waals

    Connatre la liaison hydrogne

    Savoir discuter sur des diffrences de tempratures de changement dtat entre diffrents composs

    Savoir discuter de la solubilit plus ou moins importante dun compos dans leau.

  • ExercicesQuestion 1. Le dioxyde de soufre SO2 a des tempratures de changement dtat beaucoup plus importantes que le dioxyde de carbone CO2, pourtant de taille comparable. De plus, SO2 est 10 fois plus soluble que CO2 dans leau. Quelle est lorigine de ces diffrences?

    Question 2. Dans la colonne des halognes, temprature ambiante, F2 et Cl2 sontgazeux, Br2 est liquide et I2 solide. Que peut-on invoquer pour expliquer cesdiffrences?

    Question 3. Parmi les couples de molcules (A, B) suivants, quels sont ceux qui prsentent des interactions de type liaison hydrogne entre la molcule A et la molcule B : (NH3, H2O) (NH3, CH4) (NH3, HF) (NH3, CF4)

  • ExercicesQuestion 4. On sintresse aux hydrures XH2 des lments X de la colonne 16 (oxygne 8O, soufre 16S, slnium 34Se, tellure 52Te). Sous pression atmosphrique, la temprature dbullition est de +100C pour H2O, 60C pour H2S, 41C pour H2Se et 2C pour H2Te. On prcise les lectrongativits des lments H(~2), O(~3,5), S(~2,5), Se (~2) et Te (~2). Parmi les propositions suivantes, indiquer celle(s) qui est (sont) juste(s) :A- Lvolution normale des tempratures dbullition lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te sexplique par laugmentation de la polarisabilit de ces molcules lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te.B- Lvolution normale des tempratures dbullition lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te sexplique par laugmentation de la taille de ces molcules lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te.C- Lvolution normale des tempratures dbullition lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te sexplique par laugmentation des moments dipolaires de ces molcules lorsque lon passe de H2S H2Se puis H2Te.D- La valeur anormalement leve de la temprature dbullition de H2O na pas encore t ce jour explique.

  • ExercicesQuestion 1. SO2 est polaire, CO2 est apolaire. Cest lorigine des diffrences observes. Des interactions diples-diples (soit entre plusieurs molcules de SO2, soit entre des molcules de SO2 et deau, polaire) expliquent les proprits de SO2.

    Question 2. Daprs les tats physiques : Tambiante < Tfusion (I2)Tfusion (Br2) < Tambiante < Tbullition (Br2)Tbullition (Cl2) < Tambiante et Tbullition (F2) < Tambiante

    F2, Cl2, Br2 et I2 sont des molcules apolaires. Mais (cf. volution des rayonsatomiques dans la classification priodique) : (F) < (Cl) < (Br) < (I)donc taille(F2) < taille (Cl2) < taille (Br2) < taille (I2),donc polarisabilit de I2 > celle de Br2 > celle de Cl2 > celle de F2,donc les forces intermolculaires (de type diple instantan diple instantan)sont plus fortes dans I2 que dans Br2, plus fortes dans Br2 que dans Cl2, et plusfortes dans Cl2 que dans F2.On peut en conclure que les tempratures de changement dtat (fusion etbullition) sont plus leves pour I2, puis Br2, puis Cl2 et enfin F2, ce qui est enaccord avec les tats physiques.

  • Question 3. (NH3, H2O), (NH3, HF) et (NH3, CF4)

    Question 4. A et B

    les hydrures XH2 considrs sont de type AX2E2 (gomtries coudes). Lesvaleurs dlectrongativit permettent de conclure que H2O est polaire, H2Slgrement polaire, H2Se et H2Te apolaires. Les interactions diple-diple sonten contradiction avec lvolution donne et ne sont donc pas les interactionsprpondrantes ici.daprs lvolution des rayons atomiques, on peut classer les diffrentshydrures par ordre de taille (et donc par ordre de polarisabilit):taille (H2O) < taille (H2S) < taille (H2Se)< taille (H2Te).Les interactions diple instantan-diple instantan expliquent lvolutionobserve pour H2Te, H2Se et H2S (on retrouve les explications donnesdiapositive 21).ce sont les liaisons hydrognes qui expliquent la valeur anormalement levede la temprature dbullition de H2O.

    Exercices

  • Mentions lgales

    Ce document a t ralis par la Cellule TICE de la Facult de Mdecine et de Pharmacie de Grenoble(Universit Joseph Fourier Grenoble 1)

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