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anuelminim
de
chimiegnraleStructure de la matire
lisabeth BardezProfesseur des Universits honoraire
au Conservatoire National des Arts et Mtiers (Paris)
3e dition
Cours + Exos
9782100780938-Lim.fm Page I Mardi, 24. avril 2018 12:25 12
Dunod, 2007, 2014, 201811, rue Paul Bert, 92240 Malakoff
www.dunod.comISBN 978-2-10-078093-8
9782100780938-Lim.fm Page II Mardi, 24. avril 2018 12:25 12
Table des matires
1
tats de la matire, corps purs et mlanges 1
1.1
tats physiques de la matire (ou phases) 1
tats solide, liquide et gazeux 1Incidence des interactions intermolculaires et de lorganisation molculaire sur les proprits macroscopiques dune phase 2
1.2
Corps purs et changements de phase des corps purs 5
Changements de phase (ou changements dtat) des corps purs 5
1.3
Mlanges 10
Mlanges homognes 10Mlanges htrognes 11
Encadr 1
. Tensioactifs, stabilisation des systmes disperss et membrane cellulaire
13
Points clefs
14
Exercices
15
Solutions
17
2
Atome et cortge lectronique 21
2.1
Existence et constitution des atomes 22
lment et atome : dfinitions 22Existence des atomes 22Constitution des atomes et des ions 23
2.2
Le cortge (ou nuage) lectronique dun atome 25
Atome, chimie et lectrons 25De latome de Bohr au modle quantique 26tats de llectron dans un atome 34Configuration lectronique 46
Encadr 2.
Une histoire de photons et dlectrons : le LASER
51
9782100780938-livreTDM.fm Page III Mardi, 24. avril 2018 12:28 12
IV
Chimie gnrale
Points clefs
53
Exercices
54
Solutions
59
3
lments et classification priodique 69
3.1
Les lments et leurs symboles 70
lments : langage et histoire 70Abondance des lments 72
3.2
La classification priodique des lments 73
Classification et priodicit 73Blocs, groupes et familles chimiques 73Caractre mtallique 77
Encadr 3.
La Classification priodique des lments : science, imagination, art et mme marketing
78
3.3
volution de proprits au sein de la classification priodique 80
Dimensions des atomes 80nergie dionisation 82nergie de fixation lectronique et affinit lectronique 83lectrongativit 85
3.4
Tendances de ractivit chimique 86
Tendance lionisation 87Caractre oxydant ou rducteur 88
Points clefs
88
Exercices
90
Solutions
93
4
Noyau atomique, radioactivit, masse et nergie 99
4.1
Noyau atomique, radioactivit et nergie nuclaire 100
Reprsentation du noyau et dfinitions 100Reprsentation des particules lmentaires 101Radioactivit 102Radio-isotopes : traceurs et sources radioactives 109
Encadr 4.
Carbone 14 et datation
110nergie nuclaire 111
Encadr 5.
Le Soleil, une nergie libre par la fusion
115
9782100780938-livreTDM.fm Page IV Mardi, 24. avril 2018 12:28 12
Table des matires
V
4.2
Masse atomique 115
Masse dun atome : masse de son noyau ou masse de ses nuclons ? 115Masse atomique et unit de masse atomique (u) 116
4.3
Mole, masse molaire et quantit de matire 117
La mole : un changement dchelle 117Masse molaire 118Quantit de matire 119
Points clefs
120
Exercices
121
Solutions
124
5
La liaison covalente et ses modles 131
5.1
Vue densemble des liaisons interatomiques 132
5.2
Formation de la liaison covalente 133
Origine de la liaison covalente 133nergie du systme constitu de deux atomes 133Liaisons covalentes simples et multiples Valence 134
5.3
Modle de Lewis 136
Rpartition des liaisons covalentes autour dun atome 136tablissement des structures de Lewis 137
5.4
Orbitales molculaires de molcules diatomiques 140
Des orbitales atomiques aux orbitales molculaires 140Orbitales molculaires liantes et antiliantes. Cas de la molcule de dihydrogne H
2
140Molcules homonuclaires A
2
formes par le fluor, loxygne et lazote 145Molcules htronuclaires AB 152
Points clefs
155
Exercices
156
Solutions
158
6
Liaison covalente et gomtrie des molcules 167
6.1
Donnes structurales 167
Gomtries de H
2
O, NH
3
, CH
4
, BF
3
et BeH
2
168Gomtries de C
2
H
6
, C
2
H
4
et C
2
H
2
169
9782100780938-livreTDM.fm Page V Mardi, 24. avril 2018 12:28 12
VI
Chimie gnrale
6.2
Thorie de la liaison de valence et hybridation des orbitales atomiques 169
Localisation de la liaison covalente 169Hybridation des orbitales atomiques 170
6.3
Mthode VSEPR 178
Principe de la mthode VSEPR 178Formes des molcules 179
Encadr 6.
Linus Carl Pauling : chimiste exceptionnel, homme engag, personnalit atypique.
184
Points clefs
185
Exercices
186
Solutions
188
7
Liaison covalente : paramtres structuraux, vibrations, msomrie 195
7.1
Enthalpie de liaison 196
Dfinitions 196Comment varie lenthalpie de liaison ? 197Enthalpie de raction 197
7.2
Longueur de liaison 198
Dfinition et mesures 198Longueur de liaison et enthalpie de liaison 198
7.3
Moment dipolaire 198
Moment dipolaire permanent 198Moments dipolaires en phase condense 201
7.4
Vibrations molculaires 202
Absorption dans linfrarouge 202Modle de loscillateur harmonique pour une molcule diatomique 202Quantification de lnergie et nergie de point zro 204Vibrations dans les molcules polyatomiques 206
7.5
Msomrie (ou rsonance) 206
Gomtrie de HNO
3
et NO
3
206Dlocalisation des lectrons p et msomrie 207Stabilisation par rsonance 208Molcules polyatomiques conjugues 210
9782100780938-livreTDM.fm Page VI Mardi, 24. avril 2018 12:28 12
Table des matires
VII
Encadr 7.
Lart de la conjugaison : de la couleur aux carotnodes
214
Points clefs
215
Exercices
216
Solutions
220
8
Interactions non covalentes : ionique, de Van der Waals et liaison hydrogne 227
8.1
Interactions ion-ion et ion-diple 228
Interaction ion-ion 228Interaction ion-diple 230
8.2
Interactions de Van der Waals 232
Interaction diple-diple 232Interaction diple-diple induit 234Interaction diple instantan-diple induit 235nergie de Van der Waals 238
8.3
La liaison hydrogne 240
Observations exprimentales 240Nature et proprits de la liaison hydrogne 241Importance de la liaison hydrogne 241
8.4
Rcapitulatif et comparaison des nergies mises en jeu dans les liaisons intermolculaires 244
Encadr 8.
La chimie et la vie. LADN : un bel exemple ddifice supramolculaire
245
Points clefs
247
Exercices 248
Solutions 250
Index 255
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9782100780938-livreTDM.fm Page VIII Mardi, 24. avril 2018 12:28 12
1 tats de la matire, corps purs et mlanges
La chimie est la science de la matire et de ses transformations.Comment cette matire nous apparat-elle ? Quelle relation existe-t-ilentre son apparence macroscopique et sa constitution lchellelmentaire ?
1.1 TATS PHYSIQUES DE LA MATIRE (OU PHASES)
tats solide, liquide et gazeux
PLA
N
1.1 tats physiques de la matire
1.2 Corps purs et changements de phase des corps purs
1.3 Mlanges
OBJ
ECTI
FS
Revoir les notions fondamentales sur les tats de la matire et sur les changements dtat.
Associer qualitativement les proprits macroscopiques de la matire aux interactions intermolculaires lchelle atomique.
Savoir distinguer corps purs et mlanges, mlanges homognes et mlanges htrognes.
Dcouvrir les systmes disperss, en relation avec leur omniprsence dans notre quotidien.
La matire nous apparat sous trois tats physiques, ltat solide,ltat liquide et ltat gazeux. Un solide est rigide ; il possde sa forme propre, indpendante
du rcipient qui le contient, et son volume propre. Un liquide na pas de forme propre. Il prend la forme de la
partie du rcipient qui le contient ; en revanche, il possde sonvolume propre.
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2 Chapitre 1 tats de la matire, corps purs et mlanges
Le tableau 1.1 rsume les points essentiels.
Un tat donn de la matire est aussi appel une phase ; phase solide,phase liquide, phase gazeuse.
Une msophase (du grec mesos = intermdiaire, mdian) est une phaseintermdiaire entre deux phases. Ce terme sapplique notamment aux cristauxliquides, dont certaines proprits les font assimiler des liquides, et dautres des solides.
Incidence des interactions intermolculaires et de lorganisation molculaire sur les proprits macroscopiques dune phase
a) Forces intermolculaires de cohsion et agitation thermique
Isolment ces forces mettent en jeu de trs faibles nergies. Cepen-dant, parce quelles sont trs nombreuses, elles sont dune importanceprimordiale.
Les interactions intermolculaires sopposent, dans une phasedonne, lagitation propre des particules, qualifie d agitationthermique , car dautant plus importante que la temprature est plus
Un gaz (galement appel vapeur) spand dans tout le rcip