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EXERCICES 11-B

Solides ioniques - Force électrostatique de Coulomb

Molécules polaires

EXERCICE 1


ENONCE : Solides ioniques - Force électrostatique de Coulomb


· 1-
Donner le contenu de la maille élémentaire du chlorure de sodium solide (sel de cuisine) dessinée ci-dessous


· 2- En supposant leurs charges ponctuelles, calculer la force électrostatique entre 2 ions de signe contraire, séparés par une distance de 275 pm.

Données :

charge élémentaire e = 1,60 x 10 - 19 C 1 pm = 10 - 12 m

A désignant l'ion Cl - et B désignant l'ion Na +, la force électrostatique de Coulomb entre A et B s'écrit :

avec k = 9,00 ´ 10 9 m3 . kg . s - 2 . C - 2

Unités internationales :m pour mètrekg pour kilogrammes pour secondeC pour coulomb.


·
3-
Donner le nom et les formules ioniques et statistiques des solides cristallins suivants :

a) Solide formé d'ions sodium Na + et d'ions carbonate CO3 - -.

b) Solide formé d'ions aluminium Al + + + et d'ions sulfateSO4 - -.

c) Solide formé d'ions cuivreux Cu+ et d'ions chlorure Cl -.

d) Solide formé d'ions cuivrique Cu+ + et d'ions chlorure Cl -.

e) Solide formé d'ions sodium Na + et d'ions hydrogénocarbonate HCO3 - .


SOLUTION :


· 1-
Donnons le contenu de la maille élémentaire du chlorure de sodium solide.

Le cristal de chlorure de sodium (sel de cuisine) est formé d'ions Na + et Cl - qui satisfont à la règle de l'octet.

La maille cubique possède 8 sommets ayant un ion chlorure Na + partagé par 8 mailles voisines ( 1 ion Na + pour la maille élémentaire dessinée ).

Au centre des 6 faces de la maille élémentaire on trouve un ion Na + partagé par 2 mailles voisines ( 3 ions Na + pour la maille dessinée).

Au centre de la maille on trouve un ion Cl - (1 ion Cl - pour la maille dessinée).

Au centre des 12 arêtes on trouve un ion Cl - partagé par 4 mailles ( 3 ions Cl - pour la maille élémentaire dessinée).

_________________________________________________

La maille élémentaire cubique contient donc l'équivalent de 4 ions Na + et de 4 ions Cl -.

Remarque : Autour de chaque ion Cl - se trouvent comme plus proches voisins 6 ions Na + formant un octaèdre et vice-versa.

Remarque : On peut également montrer que la maille élémentaire de fluorure de calcium de formule statistique CaF2 contient l'équivalent de 4 ions calcium et 8 ions fluorure.

l

 

· 2- En supposant leurs charges ponctuelles, calculons la force d'interaction entre 2 ions de signe contraire Cl - et Na + , séparés par une distance de 275 pm. 

A désigne l'ion Cl - et B désigne l'ion Na +.

Les forces FA et FB sont attractives car qA et qB sont de signe contraire.

avec :

k = 9,00 ´ 10 9 m3 . kg . s - 2 . C - 2

r = 275 pm = 275 x 10 - 12 m = 2,75 x 10 - 10 m

qA = - qB = - e = - 1,60 x 10 - 19 C

Donc :

FA = FB = 9,00 ´ 10 9 ( 1,60 x 10 - 19 x 1,60 x 10 - 19) / ( 2,75 x 10 - 10) 2

FA = FB = 3,05 x 10 - 9 N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remarque : Tous les autres ions du cristal exercent sur les ions A et B des forces électrostatiques dont la valeur décroit avec la distance. Le cristal étant stable les ions A et B sont quasiment au repos dans le référentiel du laboratoire, par conséquent la somme vectorielle des forces électriques agissant sur A ou sur B est pratiquement égale au vecteur nul.


·
3-
Donnons le nom et les formules ioniques et statistiques des solides cristallins suivants :

a) Solide formé d'ions sodium Na + et d'ions carbonate CO3 - -.

b) Solide formé d'ions aluminium Al + + + et d'ions sulfateSO4 - -.

c) Solide formé d'ions cuivreux Cu+ et d'ions chlorure Cl -.

d) Solide formé d'ions cuivrique Cu+ + et d'ions chlorure Cl -.

 

Constitution du solide

Nom du solide ionique

a) ions sodium Na + et ions carbonate CO3 - -

2 Na + + 1 CO3 - -

Na2CO3

Carbonate de sodium

b) ions aluminium Al + + + et ions sulfate SO4 - -

2 Al + + + + 3 SO4 - -

Al2(SO4)3

Sulfate d'aluminium

c) ions cuivreux Cu+ et d'ions chlorure Cl -

Cu+ + Cl -

CuCl

Chlorure cuivreux

d) ions cuivrique Cu+ + et ions chlorure Cl -

Cu+ + + 2 Cl -

CuCl2

Chlorure cuivrique

e) ions sodium Na + et ions hydrogénocarbonate HCO3 -

Na + + HCO3 -

NaHCO3

Hydrogénocarbonate de sodium

Remarque : L'hydrogénocarbonate de sodium ou bicarbonate de sodium (incorrectement appelé bicarbonate de soude) calme les maux d'estomac (aigreurs). Cela se fait en buvant une préparation réalisée avec une cuillerée à café de bicarbonate de sodium en poudre dissous dans un verre d'eau froide  

 

EXERCICE 2 :


ENONCE : Molécules polaires


· 1-
Décrire brièvement les atomes de carbone (Z = 6, A = 12) et de soufre (Z = 16, a = 32).


·
2-
Dessiner les molécules de dioxyde de carbone CO2 (linéaire) et de dioxyde de soufre SO2 (molécule coudée).


·
3-
Expliquer pourquoi la première molécule est apolaire alors que la seconde est polaire.


·
4-
Comparer la solubilité dans l'eau de ces 2 molécules.


SOLUTION :


· 1-
Décrivons brièvement les atomes de carbone (Z = 6, A = 12) et de soufre (Z = 16, A = 32).

Atome de carbone :

- le noyau contient A = 12 nucléons soit Z = 6 protons positifs et N = A - Z = 12 - 6 = 6 neutrons. On écrit .

- les couches électroniques contiennent 6 électrons négatifs sur 2 couches : (K)2 (L)4.

- On résume : (K)2 (L)4.

Atome de soufre :

- le noyau contient A = 32 nucléons soit Z = 16 protons positifs et N = A - Z = 32 - 16 = 16 neutrons. On écrit .

- les couches électroniques contiennent 16 électrons négatifs sur 3 couches : (K)2 (L)8 (M)6.

- On résume : (K)2 (L)8 (M)6.


·
2-
Dessinons les molécules de dioxyde de carbone CO2 (linéaire) et de dioxyde de soufre SO2 (molécule coudée).

Molécule de dioxyde de carbone CO2 (linéaire)

Molécule de dioxyde de soufre SO2 (coudée)

C amène 4 e - externes et chaque O amène 6 e - externes.

Total : 16 e - externes, soit 8 doublets.

La règle de l'octet est satisfaite par le schéma ci-dessous.

 .

S amène 6 e - externes et chaque O amène 6 e - externes.

Total : 18 e - externes.

La règle de l'octet n'est pas satisfaite par l'atome S.

 


·
3-
Expliquons pourquoi la première molécule est apolaire alors que la seconde est polaire.

- Molécule CO2 : Les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que l'atome de carbone. Ils attirent davantage vers eux les électrons négatifs des doublets liants. Mais le "Centre" de - d et - d coïncide avec la charge + 2 d portée par l'atome de carbone C. La molécule de dioxyde de carbone CO2 n'est donc pas polaire.

- Molécule SO2 : Les atomes d'oxygène sont plus électronégatifs que l'atome de soufre. Ils attirent davantage vers eux les électrons négatifs. Ici le "Centre" de - d et - d ne coïncide pas avec la charge + 2 d portée par l'atome de soufre . La molécule de dioxyde de soufre SO2 est donc une molécule polaire.


·
4-
Comparons la solubilité dans l'eau des molécules CO2 et SO2.

L'eau est un solvant polaire (voir la leçon). Dans des conditions physiques identiques (température, pression, etc.) le dioxyde de soufre polaire sera donc plus soluble que le dioxyde de carbone apolaire.

Ces gaz, une fois dans l'eau, peuvent réagir chimiquement avec elle.

 

A VOIR :

Exercice 11-A : Connaissances du cours n° 11.

Exercices 11-B : Solides ioniques - Force électrostatique de Coulomb - Molécules polaires (ci-dessus).

Exercices 11-C : Interactions dans les solides moléculaires et dans les liquides moléculaires - Interactions de Van der Walls.

Exercices 11-D : Dissolution de certains solides dans certains liquides.

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