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de chimie générale - dunod.com · PDF fileRevoir les notions fondamentales sur les états de la matière et sur les ... Forces intermoléculaires de cohésion et ... 4 Chapitre 1

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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

    9782100780938-livreTDM.fm Page VII Mardi, 24. avril 2018 12:28 12

  • 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.

    9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 1 Mardi, 24. avril 2018 11:50 11

  • 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

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