Stabilisation de la matière

Dmitri Ivanovitch Mendeleïev

(1834-1907)

Doc 3 : Des molécules qui nous entourent.

L'eau $H_2O$ est indispensable à toute forme de vie animale et végétale sur Terre. Les plantes, comme les animaux terrestres respirent le dioxygène $O_2$ présent dans l'air constitué à 80% de diazote $N_2$.

Le méthane $CH_4$, gaz à effet de serre est produit à 40% par les sources agricoles sans lesquelles nous ne pourrions désormais plus nous nourrir et donc survivre.

Lorsque nous nous nourrissons, les aliments sont décomposés dans notre estomac par de l'acide chlorhydrique $H_Cl$. Cet acide est aussi produit industriellement en faisant réagir du dihydrogène $H_2$ avec du dichlore $Cl_2$.

Dans la haute atmosphère, on trouve en très petite quantité des gaz, comme le néon $Ne$, le xénon $Xe$ que nous utilisons encore pour la réalisation de tubes fluorescents.

L'hélium $He$, gaz très léger, utilisé pour les ballons gonflables se trouve aussi dans la haute atmosphère…

Et tant d'autres…

Doc 4 : Qu'est-ce q'une molécules ?

Les éléments de la dernière colonne (Hélium, Néon, Argon, Krypton, Xénon et Krypton) sont des gaz inertes, ce qui signifie qu'ils ne réagissent avec aucun autre élément. Leur couche externe est dite "saturée". On parle de "gaz rares" ou encore de "gaz nobles".

En revanche, les autres éléments réagissent entre eux pour former des molécules, créant ainsi des "liaisons interatomiques". Ces liaisons consistent à la mise en commun d'électrons.

Dans les conditions normales de température et de pression, les molécules formant un milieu constitué des mêmes molécules ne réagissent pas entre elles, formant ainsi un milieu stable.

Doc1 : Les routes d'hiver.

Les routes se recouvrent de glace l'hiver, pouvant entraîner des accidents mortels. Les routes sont traitées à l'aide de différents sels, le chlorure de sodium $(NaCl)$ et le chlorure de calcium $(CaCl_2)$. Leur effet est d'abaisser le point de fusion de solidification de l'eau à – 6 °C pour le chlorure de sodium et à – 30 °C pour le chlorure de calcium. Cependant, le chlorure de sodium augmente l'effet de corrosion et à affecter le milieu naturel. On tend à augmenter l'utilisation du chlorure de calcium qui ne présente pas ces désagréments. De plus, le chlorure de calcium a un effet plus rapide, rendant l'accès aux routes plus facile.

Doc2 : Tests caractéristiques..

Lors d'une expérience simple, on a réussi à mettre en évidence la présence d'ions dans deux flacons contenant des solutions ne portant aucune indication. Les résultats sont portés dans les tableaux ci-dessous.

$\bullet$ La mise en évidence d’ions en solution s’effectue à l’aide de réactifs appropriés :

$\bullet$ La présence d'autres ions peut être mise en évidence peut être réalisée par un test à la flamme, en trempant un fil de fer décapé dans une solution contenant l'ion concerné et en le plaçant dans une flamme :

Ion Formule Couleur. Résultat Lithium ?? Rouge cramoisi Négatif Sodium $Na^{ \ +}$ Jaune orangé Positif Potassium ?? Lavande Négatif Calcium $Ca^{ \ 2+}$ Orange rougeâtre Positif

Doc3 : Extrait.

Répartitions électroniques: $\bullet$ Sodium : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}} \ \color{green}{3} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{1}}$ $\bullet$ Néon : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}}$ $\bullet$ Chlore : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}} \ \color{green}{3} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{3} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{5}}$ $\bullet$ Calcium : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}} \ \color{green}{3} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{3} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}} \ \color{green}{4} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}}$ $\bullet$ Argon : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}} \ \color{green}{3} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{3} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{6}}$

Doc1 : Un nouveau modèle de la liaison chimique..

Le chimiste américain Gilbert Norton Lewis (1875-1946) a remarqué que seuls les électrons de valence des atomes, ceux situés sur la dernière couche électronique, interviennent dans les liaisons chimiques lors de la formation de molécules.

Des atomes avec des sous-couches électroniques externes incomplètes peuvent se stabiliser lors de la mise en commun d'une paire ou plusieurs paires d'électrons. Cette mise en commun, un doublet liant, est une liaison de valence.

Chaque atome de la molécule formée acquiert alors une couche électronique externe identique à celle du gaz rare le plus proche dans classification périodique.

Les électrons qui ne participent pas à ces liaisons se regroupent, formant ainsi des doublets non liants.

Doc2 : La vie..

L'apparition des molécules propres à la vie serait due à diverses transformations chimiques entre molécules simples de l'atmosphère primitive et de l'eau. Cette théorie est vérifiée en 1953 grâce au biologiste américain S.Miller en soumettant un mélange gazeux de méthane ($CH_4$), d'ammoniaque ($NH_3$), de dihydrogène ($H_2$) et d'eau ($H_2O$) à des décharges électriques dans un milieu stérile. Il obtient au bout de quelques jours divers acides aminés, molécules de base de notre ADN, dont la glycine. Cette expérience en laboratoire constitue une étape importante dans la compréhension de l'apparition des molécules complexes sur terre. La photosynthèse est également une transformation chimique spécifique du vivant. En présence de lumière, de dioxyde de carbone ($CO_2$) et d'eau, les organismes contenant de la chlorophylle synthétisent des glucides et du dioxygène ($O_2$).

Représentation 3D de la glycine. Schéma de Lewis de la glycine.

Doc3 : Répartitions électroniques..

$\bullet$ Hydrogène : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{1}}$

$\bullet$ Carbone : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{2}} $

$\bullet$ Azote : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{3}}$

$\bullet$ Oxygène : $\color{green}{1} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{s}^{ \ \color{blue}{2}} \ \color{green}{2} \color{red}{p}^{ \ \color{blue}{4}}$

Molécule

Représentation de Lewis

Dihydrogène $H_2$

Méthane $CH_4$

Ammoniac $NH_3$

Eau $H_2O$

Dioxyde de carbone $CO_2$

Dioxygène $O_2$

Atome

Répartition électronique

Electrons de valence

Electrons manquant pour la saturation

Nombre de doublets liants

Nombre de doublets non liants.

Hydrogène

Carbone

Azote

Oxygène

Doc1 : La combustion d'une bougie..

Une combustion est une transformation chimique : des molécules interagissent pour en former d'autres. Une bougie est essentiellement composée d'acide stéarique de formule brute $C_{18}H_{36}O_2$. Sa combustion dans le dioxygène se modélise par la réaction chimique : $C_{18}H_{36}O_2 \ + \ 26 \ O_2 \ \longrightarrow \ 18 \ CO_2 \ + \ 18 \ H_2O$

Doc2 : Représentations de Lewis..

Acide stéarique :

Doc5 : La calorie..

Une calorie est la quantité d'énergie nécessaire à l'augmentation en température d'un degré Celsius, d'un gramme d'eau..

L'unité SI de l'énergie est le Joule (J).

1 cal = 4,18 J.

Liaison

Quantité

Energie libérée.

$C \ - \ H$

$C \ - \ C$

$C \ - \ O$

$C \ = \ O$

$O \ - \ H$

Pour chaque élément, la case correspondante case détaille l'élément :

$\bullet$ Son numéro atomique

$\bullet$ Son symbole

$\bullet$ Son nom

$\bullet$ Sa masse molaire

$\bullet$ Colonne 1 : Alcalins

$\bullet$ Colonne 2 : Alcalino-terreux

$\bullet$ Colonne 17 : Halogènes

$\bullet$ Colonne 18 : Gaz rares

$\bullet$ Les niveaux (1s,2s,3s...) sont complétés dans l'ordre indiqué par le schéma de gauche.

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p...

$\bullet$ Deux électrons de spins opposés par cellule :

$\rightarrow$ Un premier électron de spin 1/2 par cellule.

$\rightarrow$ Une fois toutes les cellules remplies de ce premier électron, elles sont complétées par le deuxième électron

$\bullet$ Les gaz nobles (rares) ont la particularité d'être "inertes" : ils ne forment pas de molécules avec d'autres éléments.

$\bullet$ Cette particularité est due au fait que leurs couches de valence sont "saturées" à 2 ou 8 électrons.

D'après la règle de Klechkowski, les électrons de la couche de valence sont ainsi regroupés en 4 doublets non liants (1 seul pour l'hélium).

Dans la représentation de Lewis, on représente, autour de l'atome ces doublets par un segment.

Pour les autres éléments, les électrons qui ne sont pas impliqués dans ces doublets sont représentés par un point.

Représentation de Lewis de l'atome de Néon.

Représentation de Lewis de l'atome de Fluor.

Le carbone :

L'azote :

L'oxygène:

Le fluor :

Le néon:

De la même façon que les gaz rares sont stables, tous les atomes tendent à cette stabilité, en saturant leur couche de valence à 8 (ou 2) électrons.

De ce fait, ils s'associent entre eux, gagnent ou perdent des électrons de sorte que leur couche de valence soit semblable à celle du gaz rare le plus proche dans la classification périodique des éléments.

Dans le modèle de Lewis, la mise en commun d'électrons de valence entre deux atomes constitue la liaison de valence.

Ces liaisons peuvent être simples, doubles, ou triples.

Cette représentation fait apparaître tous les électrons de valence de tous les atomes.

Selon la règle de l'octet, les atomes (sauf l'hydrogène) sont entourés de quatre doublets d'électrons (soit 8 au total), comme tous les gaz nobles.

Méthane

$CH_4$

Ethène

$C_2H_4$

Dioxyde de carbone

$CO_2$

Diazote

$N_2$

Elément

Gaz rare

le plus proche

Ion

Lacune

Lewis

Notation

$H :  \color{red}{s^1}$

$H^{ \ +} \ : \ \color{red}{1s^0}$

$H^{ \ +}$

$H^{ \ +}$

$Li: 1s^{ \ 2}  \color{red}{2s^{ \ 1}}$

Li $\bullet$

$He \ : \ \color{blue}{1s^2}$

$Li^{ \ +} \ : \ \color{blue}{1s^2} \ \color{red}{2s^0}$

$Li^{ \ +}$

$Na: 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \color{red}{3s^{ \ 1}}$

$Ne \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6}$

$Na^{ \ +} \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6} \ \color{red}{3s^0}$

$Na^{ \ +}$

$K : 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \\ 3s^{2} \ 3p^{ \ 6} \color{red}{4s^{ \ 1}}$

$Ar \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6 \  \\ 3s^2 \ 3p^6}$

$K^{ \ +}  \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6 \  \\ 3s^2 \ 3p^6} \ \color{red}{4s0}$

$K^{ \ +}$

Elément

Gaz rare

le plus proche

Ion

Lewis

Notation

$Be : 1s^{ \ 1} \ \color{red}{2s^2}$

$\bullet$

$ Be \ \bullet$

$He \ : \ \color{blue}{1s^2}$

$Be^{ \ 2+} \ : \ \color{blue}{1s^2} \ \color{red}{2s^0}$

$Be^{ \ 2+}$

$Mg : 1s^{ \ 2} \ 2s^2 \ 2p^6 \color{red}{3s^{ \ 2}}$

$\bullet$

$ Mg \ \bullet$

$Ne \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6}$

$Mg^{ \ 2+} \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6} \ \color{red}{3s^0}$

$Mg^{ \ 2+}$

$Ca : 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \\ 3s^2 \ 3p^6 \color{red}{4s^{ \ 2}}$

$\bullet$

$ Ca \ \bullet$

$Ar \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6 \  \\ 3s^2 \ 3p^6}$

$Na^{ \ +} \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6 \ 3s^2 \ 3p^6} \ \color{red}{4s^0}$

$Ca^{ \ 2+}$

Elément

Gaz rare

le plus proche

Ion

Lacune

Lewis

Notation

$F \ : 1s^{ \ 2}  \  \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^5}$

$Ne \ : \ \color{blue}{1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6}$

$F^{ \ -} \ : \  [He] \ \color{blue}{2s^2 \ 2p ^{ \ \color{red}{6}}}$

$F^{ \ -}$

$Cl \ : [Ne] \ \color{red}{3s^{ \ 2} \ 3p^5}$

$Ar \ : \ [Ne]  \color{blue}{3s^2 \ 3p^6}$

$Cl^{ \ -} \ : \  [Ne] \ \color{blue}{3s^2 \ 3p ^{ \ \color{red}{6}}}$

$Cl^{ \ -}$

$Br : [Ar] \  \color{red}{4s^{ \ 2}4p^5}$

$Kr \ : \ [Ar]  \color{blue}{4s^2 \ 4p^6}$

$Brl^{ \ -} \ : \  [Ar] \ \color{blue}{4s^2 \ 4p ^{ \ \color{red}{6}}}$

$Br^{ \ -}$

Ces pertes ou gains d'électrons sont en fait des "échanges d'électrons", entre atomes.

Il en résulte une solidarisation, grâce à la force d'interaction électrostatique (deux charges de signes opposés s'attirent), formant ainsi des solides cristallins, tels le chlorure de sodium NaCl (sel).

Structure cristalline cubique à faces centrées du chlorure de sodium.

La stabilisation de la matière se fait aussi entre les atomes, par la mise en commun d'électrons, toujours de sorte que chaque atome atteigne une couche de valence saturée.

C'est une liaison de covalence.

Dans la représentation de Lewis, ce doublet est représenté par un segment reliant les électrons de valence impliqués dans cette mise en commun.

Représentation de la molécule d'eau $H_2O$

Liaison

$ C \ - \ H$

$ C \ - \ C$

$ C \ = \ C$

$ C \ - \ O$

$ C \ = \ O$

$ O \ - \ H$

Energie de liaison (J)

$6,84.10^{ \ -19}$

$5,74.10^{ \ -19}$

$1,02.10^{ \ -19}$

$5,94.10^{ \ -19}$

$1,33.10^{ \ -18}$

$7,62.10^{ \ -19}$