Lernzettel: Forces intermoléculaires et solvants

📋 Plan du Cours

1. Interactions intermoléculaires générales
2. Interactions ioniques
3. Forces de van der Waals
4. Liaison hydrogène
5. Conséquences sur les propriétés
6. Propriétés et classification des solvants
7. Dissolution et miscibilité
8. Extraction et coefficient de partage
9. Chromatographie sur couche mince
10. Espèces amphiphiles et tensioactifs

📖 1. Interactions intermoléculaires générales

📝 Points essentiels

📌 Les interactions intramoléculaires lient les atomes au sein d’une molécule par des liaisons covalentes fortes, tandis que les interactions intermoléculaires relient les molécules dans les phases condensées et sont plus faibles, avec une énergie typique de 1 à 20 kJ·mol⁻¹.

💡 Astuce mémo

Intramoléculaire = dans, intermoléculaire = entre

📖 2. Interactions ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Interaction ion-ion : L’interaction ion-ion est une attraction électrostatique entre des ions de charges opposées, dont l’énergie potentielle est proportionnelle à q₁q₂/R et dont l’intensité est de l’ordre de 500 à 1000 kJ·mol⁻¹.
• Interaction ion-dipôle : L’interaction ion-dipôle est l’attraction entre un ion et une molécule possédant un moment dipolaire permanent, avec une énergie de l’ordre de 100 à 500 kJ·mol⁻¹, plus forte lorsque le moment dipolaire est grand.

📝 Points essentiels

• Les solides ioniques comme le chlorure de sodium NaCl et le chlorure de césium CsCl reposent sur des interactions ion-ion.

• Lors de la dissolution du chlorure de sodium dans l’eau, les molécules d’eau solvatent les ions Na⁺ et Cl⁻ par des interactions ion-dipôle.

💡 Astuce mémo

Ion-ion plus fort qu’ion-dipôle

📖 3. Forces de van der Waals

🔑 Notions clés & Définitions

• Forces de van der Waals : Des interactions électrostatiques dipôle-dipôle entre entités chimiques non ioniques, généralement d’environ 10 kJ·mol⁻¹.
• Polarisabilité : La polarisabilité est la capacité d’une molécule à déformer son nuage électronique sous l’effet d’une charge ou d’un dipôle extérieur, et elle augmente généralement avec la taille de l’entité.

📝 Points essentiels

📌 Les interactions de Keesom opposent deux dipôles permanents, les interactions de Debye associent un dipôle permanent à un dipôle induit, et les interactions de London associent un dipôle instantané à un dipôle induit.

📐 Formule — L’énergie potentielle totale de van der Waals est la somme des contributions de Keesom, Debye et London : EᵥdW = Eᴋeesom + Eᴅebye + Eʟondon.

💡 Astuce mémo

Keesom, Debye, London : permanent, induit, instantané

📖 4. Liaison hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison hydrogène : Une interaction attractive entre un hydrogène lié à un atome très électronégatif A, avec A égal à O, F ou N, et un atome très électronégatif B portant un doublet non liant.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

• L’énergie d’une liaison hydrogène est de l’ordre de 10 à 40 kJ·mol⁻¹, sa longueur est d’environ 200 pm et elle est directionnelle, avec un angle proche de 180° dans l’exemple représenté.

Compléments

• L’eau, l’acide acétique et l’ammoniac sont des exemples de composés capables de former des liaisons hydrogène.

💡 Astuce mémo

H lié à O, N ou F

📖 5. Conséquences sur les propriétés

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

📌 La fusion et la vaporisation nécessitent de rompre des interactions intermoléculaires ; plus ces interactions sont fortes, plus les températures de changement d’état sont élevées.

• Dans les séries de gaz nobles et de dihalogènes, la température d’ébullition augmente avec la polarisabilité, car les interactions de London deviennent plus fortes lorsque la taille des espèces augmente.

Compléments

• La viscosité des alcanes augmente avec leur nombre d’atomes de carbone, car les interactions de London deviennent plus importantes lorsque les molécules sont plus grandes et plus longues.

• La grande résistance mécanique du Kevlar s’explique notamment par le réseau de liaisons hydrogène entre ses chaînes polymères.

• Dans l’ADN, les deux bases azotées qui forment les barreaux de la double hélice sont liées entre elles par des liaisons hydrogène.

💡 Astuce mémo

Plus l’interaction est forte, plus le changement d’état est difficile

📖 6. Propriétés et classification des solvants

🔑 Notions clés & Définitions

• Pouvoir ionisant : La capacité d’un solvant à ioniser des molécules possédant des liaisons covalentes partiellement ioniques et il est lié à la polarité du solvant.
• Permittivité relative : Εᵣ est le facteur par lequel il faut diviser l’énergie d’interaction de deux ions dans le vide pour obtenir leur énergie d’interaction dans le solvant.
• Solvant protique : Peut fournir des liaisons hydrogène et possède pour cela un hydrogène lié à un atome très électronégatif comme O, N ou F.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

📌 Les solvants polaires protiques ont une polarité et une permittivité élevées et peuvent former des liaisons hydrogène, les solvants polaires aprotiques ont une polarité et une permittivité élevées sans proticité, et les solvants apolaires aprotiques ont une faible polarité et une faible permittivité.

Compléments

• La permittivité relative de l’eau vaut εᵣ = 78,5, ce qui rend l’attraction entre deux ions près de 80 fois plus faible que dans le vide.

💡 Astuce mémo

Ionisant, dissociant, protique

📖 7. Dissolution et miscibilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Miscibilité : Deux solvants sont miscibles lorsqu’ils forment un mélange homogène constitué d’une seule phase.

📝 Points essentiels

📌 De façon générale, les solvants polaires sont miscibles entre eux et les solvants apolaires sont miscibles entre eux, selon le principe « qui se ressemble s’assemble ».

🔄 Processus — La dissolution d’un composé polaire implique de rompre les interactions entre les particules du soluté et celles du solvant, puis de former des interactions soluté-solvant favorables.

💡 Astuce mémo

Qui se ressemble s’assemble

📖 8. Extraction et coefficient de partage

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

📌 Une extraction transfère sélectivement une molécule d’intérêt d’une phase vers une autre, tandis qu’un lavage transfère les impuretés vers une solution aqueuse en laissant la molécule d’intérêt dans sa phase initiale.

📐 Formule — À l’équilibre entre deux phases, le coefficient de partage d’un soluté S est le rapport de sa concentration dans un solvant à sa concentration dans l’autre solvant : K = [S]₂/[S]₁.

📐 Formule — Le logP est le logarithme du coefficient de partage d’une espèce chimique entre l’octanol et l’eau et indique son caractère hydrophile ou lipophile.

Compléments

📌 Lors d’une extraction liquide-liquide, les deux solvants doivent être non miscibles et les phases se placent selon leur densité, la plus dense étant en bas.

📌 Selon la règle de Lipinski, un médicament destiné à la voie orale doit avoir un logP inférieur à 5, avec une valeur idéale comprise entre 1,4 et 1,8.

💡 Astuce mémo

Extraction : la molécule change de phase ; lavage : l’impureté change de phase

📖 9. Chromatographie sur couche mince

🔑 Notions clés & Définitions

• Chromatographie sur couche mince : Une technique analytique permettant de caractériser la composition d’un mélange.

📝 Points essentiels

🔄 Processus — Une CCM se réalise en déposant les échantillons sur la ligne de départ, en éluant la plaque avec un solvant, puis en révélant et analysant les taches, notamment sous UV.

📐 Formule — Le rapport frontal d’une espèce A est Rf(A) = distance parcourue par A / distance parcourue par le front de l’éluant, et chaque espèce est caractérisée par un Rf dans un solvant donné.

📌 Sur une plaque de silice polaire et protique en surface, une espèce migre d’autant plus qu’elle présente une affinité plus grande pour la phase mobile que pour la phase stationnaire.

💡 Astuce mémo

Dépôt, élution, révélation

📖 10. Espèces amphiphiles et tensioactifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèce amphiphile : Possède une partie hydrophile ayant une affinité pour l’eau et une partie hydrophobe ayant une affinité pour les milieux organiques.
• Concentration micellaire critique : La concentration à partir de laquelle la surface est saturée en tensioactifs et où l’augmentation de leur concentration entraîne la formation de micelles.

📝 Points essentiels

★ À maîtriser

🔄 Processus — Les espèces amphiphiles se positionnent préférentiellement aux interfaces eau-air ou eau-phase organique et abaissent la tension superficielle.

🔄 Processus — Les tensioactifs des savons solubilisent les graisses dans l’eau grâce à leur structure amphiphile, et ils sont obtenus par saponification des triglycérides en milieu basique.

Compléments

• Selon la nature du tensioactif, des micelles, des bicouches lipidiques ou des liposomes peuvent se former en solution.

• Les tensioactifs anioniques comprennent l’ion laurate et l’ion oléate, les tensioactifs cationiques comprennent l’ion hexadécyltriméthylammonium, et les tensioactifs zwitterioniques comprennent la cocamidopropyl bétaïne.

📌 Une émulsion disperse des gouttelettes d’un liquide dans un autre liquide, comme l’huile dans l’eau de la mayonnaise ou l’eau dans l’huile du beurre, et un tensioactif stabilise cette dispersion.

💡 Astuce mémo

Une tête hydrophile, une queue hydrophobe

📊 Tableaux de synthèse

Classification des solvants

Famille	Polarité et permittivité	Proticité	Exemples
Polaire protique	Élevées	Oui	Eau, méthanol, éthanol
Polaire aprotique	Élevées	Non	Acétone, DMSO, acétonitrile
Apolaire aprotique	Faibles	Non	Cyclohexane, toluène, tétrachlorure de carbone

Types de forces de van der Waals

Interaction	Dipôles concernés	Exemple ou condition
Keesom	Permanent–permanent	Deux molécules polaires
Debye	Permanent–induit	Molécule polaire et molécule apolaire
London	Instantané–induit	Deux molécules apolaires ou polaires

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Les interactions intermoléculaires ne doivent pas être confondues avec les liaisons covalentes intramoléculaires.
2. L’interaction ion-ion concerne deux ions, contrairement à l’interaction ion-dipôle.
3. Les forces de van der Waals regroupent trois contributions distinctes.
4. Une liaison hydrogène exige un hydrogène lié à O, F ou N et un accepteur porteur d’un doublet non liant.
5. Une température d’ébullition élevée peut résulter de liaisons hydrogène ou de forces de London importantes, et pas uniquement de la polarité.
6. Le pouvoir ionisant concerne la formation d’ions, tandis que le pouvoir dissociant sépare des ions déjà présents.
7. La miscibilité concerne deux solvants, tandis que la solubilité concerne la dissolution d’un composé dans un solvant.