T'es-tu déjà détendu dans ton lit en levant les yeux pour voir une araignée qui te regarde fixement ? Bien que ta première pensée soit de la tuer, t'es-tu déjà demandé comment elle pouvait grimper au plafond comme ça ? À moins d'avoir les pouvoirs de Spider-Man, si tu essayais de le faire toi-même, tu tomberais du mur avant même d'avoir atteint le plafond.
Alors comment font-ils ? Le secret est la force de Van der Waals. Dans ce résumé de cours, nous allons tout apprendre sur ces forces, et autres comme force de London, dipôle-dipôle et leur fonctionnement. Peut-être qu'après avoir appris à les connaître, tu pourras aussi apprendre à exploiter leur pouvoir pour grimper (bien que je ne te le recommande pas !).
- Ce résumé de cours traite les forces de Van der Waals.
- Tout d'abord, nous allons apprendre la définition d'un atome, l'électronégativité.
- Ensuite, nous découvrirons les molécules polaires, l'interaction électrostatique et les forces de Van der Waals.
- Puis, nous expliquons les interactions dipôle-dipôle, dipôle induit - dipôle et les forces de London.
- Avant de terminer nous apprenons les facteurs affectant les forces de Van der Waals tel que le nombre d'électrons, la forme de molécule et la distance.
- Enfin, nous verrons pourquoi les forces de Van der Waals sont si importantes et nous étudierons quelques exemples de ces forces en action.
Qu'est-ce qu'un atome ?
Un atome est la plus petite unité de matière qui possède encore les propriétés d'un élément. La matière est tout ce qui a une masse et occupe de l'espace.
Les éléments sont des types de matière qui ont des propriétés chimiques et physiques spécifiques et ne peuvent pas être décomposés en d'autres substances. Les atomes sont les unités individuelles de chaque élément. Ainsi, un élément est composé d'un seul type d'atome. Il existe \( 118 \) éléments, dont la plupart sont présents à l'état naturel, mais dont certains sont fabriqués synthétiquement en laboratoire.
Lorsque des atomes se lient chimiquement entre eux, ils transfèrent ou partagent des électrons pour se lier et former une molécule. Le fait que les atomes finissent par partager ou transférer des électrons entre eux dépend des éléments impliqués dans la réaction et de la différence de leur électronégativité.
Électronégativité
L'électronégativité est une mesure de la tendance d'un atome à perdre des électrons ou à priver d'autres atomes de leurs électrons.
Les atomes à forte électronégativité dépouillent ou partagent inégalement les électrons des atomes à faible électronégativité. De plus, les atomes à forte électronégativité ont une énergie d'ionisation élevée, c'est-à-dire qu'une grande quantité d'énergie est nécessaire pour les dépouiller de leurs électrons.
Que sont les molécules ?
Les molécules sont les plus petites portions d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques et physiques. Chaque molécule est un système composé d'un ensemble d'atomes organisés et liés entre eux.
Ces atomes peuvent être du même élément ou d'éléments différents, auquel cas, ils sont appelés composés.
Molécule polaire
Une molécule polaire est un type de molécule qui présente une séparation de charge électrique, où un côté de la molécule est chargé positivement et l'autre négativement.
Par exemple, l'eau est une molécule polaire, car le côté oxygène de la molécule est chargé négativement, tandis que le côté hydrogène est chargé positivement.
Les facteurs qui contribuent à déterminer la polarité des molécules sont les formes géométriques des molécules et le type de liaison entre leurs atomes.
Les interactions électrostatiques
Les interactions électrostatiques comprennent les interactions attractives ou répulsives entre les molécules chargées.
Il existe trois types différents d'interactions électrostatiques, à savoir les interactions dipôle-dipôle, les forces de dispersion de London et les liaisons hydrogène. Les deux premières interactions sont collectivement appelées forces de van der Waals.
La liaison de Van der Waals
La liaison de Van der Waals est l'attraction ou répulsion électrostatique entre des molécules possédant des dipôles permanents ou temporaires.
Un atome plus électronégatif va attirer la paire d'électrons de la liaison vers lui, devenant ainsi partiellement chargé négativement, laissant le second atome partiellement chargé positivement. On dit que cela a formé une liaison polaire et que la molécule contient un moment dipolaire.
Les dipôles sont un ensemble de charges séparées dans un atome ou une molécule. Ils sont causés par une distribution inégale des électrons.
Lorsqu'une espèce possède un dipôle, elle présente une extrémité partielle positive \( ( \delta + ) \) et une extrémité partielle négative \( ( \delta - ) \) . Ces pôles agissent comme ceux d'un aimant et attirent les charges opposées tout en repoussant les charges semblables.
Les forces de Van der Waals sont essentiellement la poussée/traction causée par ces molécules polaires qui se rapprochent les unes des autres.
Fig. 1- Un dipôle temporaire dans une molécule induit un dipôle dans une seconde molécule. Ce phénomène se propage à toutes les molécules d'un système. Ces forces sont connues sous le nom de forces de van der Waals.
Types de forces de Van der Waals
Il existe trois types de forces de Van der Waals avec lesquelles tu dois te familiariser :
- Les interactions dipôle-dipôle ;
- Interactions dipôle induit-dipôle ;
- Forces de dispersion de London (dipôle induit instantané) Ces forces sont classées selon que les deux molécules/atomes qui interagissent ont un dipôle permanent ou temporaire, ce dont nous parlerons plus tard.
Maintenant, parlons en détail de chacune de ces forces de Van der Waals.
Les plus fortes des forces de Van der Waals sont les interactions dipôle-dipôle.
Interactions dipôle-dipôle
Les interactions dipôle-dipôle sont les forces d'attraction/répulsion qui existent entre deux molécules polaires (molécules possédant un dipôle permanent).
La façon dont nous déterminons si une molécule est polaire ou non est basée sur l'électronégativité.
L'électronégativité est la tendance d'un atome à attirer les électrons ou la densité électronique vers lui.
L'électronégativité augmente plus un élément se trouve en haut à droite (fluor) du tableau périodique, elle diminue plus on se rapproche du bas à droite (francium). La différence d'électronégativité est ce qui détermine la polarité des liaisons. Si deux atomes ont une différence d'électronégativité \( >0,5 \) , la liaison est polaire. Cependant, si une molécule est symétrique, la molécule elle-même sera non polaire puisque les polarités s'annuleront.
Interactions dipôle induit - dipôle
Parlons maintenant du deuxième type de forces de Van der Waals : les interactions dipôle induit - dipôle.
Les interactions dipôle induit - dipôle sont les forces d'attraction/répulsion entre une molécule polaire et un atome/molécule présentant un dipôle induit.
Un dipôle induit est un dipôle temporaire causé par l'attraction des électrons d'un atome/molécule vers l'extrémité positive partielle d'une molécule polaire.
Ensuite, nous avons les forces de London.
Force de London
La force de London est la force d'attraction/répulsion entre un atome/molécule non polaire avec un dipôle instantané et un atome/molécule non polaire avec un dipôle induit.
Un dipôle instantané est un dipôle temporaire qui se forme lorsque les électrons en orbite autour d'un atome ou d'une molécule sont répartis de manière inégale.
Dans une molécule apolaire, les électrons sont répartis uniformément. Cependant, comme les électrons se déplacent dans le nuage électronique, ils peuvent être répartis de manière aléatoire et inégale.
Contrairement aux dipôles induits, qui n'existent qu'en présence d'une molécule polaire, les dipôles instantanés apparaissent et disparaissent de manière aléatoire et autonome.
Bien qu'ils soient faibles, un dipôle instantané peut induire des dipôles. C'est pourquoi les molécules apolaires ont certaines forces entre elles, bien qu'elles soient apolaires. Les forces de dispersion de London sont l'interaction entre le dipôle instantané et le dipôle induit.
Facteurs affectant les forces de Van der Waals
Les forces de Van der Waals sont affectées par trois facteurs :
Le nombre d'électrons
Plus le nombre d'électrons est élevé, plus il y a de chances que des dipôles instantanés se forment.
Exemple : l'argon \( (18 électrons) \) a un point d'ébullition plus bas que le xénon \( (54 électrons) \) , ce qui signifie que l'argon a des forces plus faibles.
Forme de la molécule
Les molécules longues et non ramifiées ont des forces plus fortes que les molécules courtes et ramifiées.
Exemple : l'isobutane a un point d'ébullition plus bas que le butane, car l'isobutane est ramifié, alors que le butane ne l'est pas.
Distance
Plus les molécules/atomes sont éloignés les uns des autres, plus leurs interactions sont faibles.
La loi de Coulomb stipule que la force entre deux charges s'affaiblit à mesure qu'elles sont éloignées l'une de l'autre.
$$ F= k \frac{q_1q_2}{r^2} $$ où \( k \) est une constante, \( q_{1} \) et \( q_{2} \) sont des charges différentes et \( r \) est la distance qui les sépare.
Alors que les forces de dispersion de London ne sont pas affectées par la température, les interactions dipôle-dipôle le sont.
Importance des forces de Van der Waals
Les forces de Van der Waals sont importantes pour plusieurs raisons. En voici quelques exemples :
Rien que sur la base de cette petite liste, tu peux comprendre pourquoi ces forces sont si importantes !
Comme je viens de le mentionner, les forces de Van der Waals sont très importantes, et nous pouvons en voir la preuve dans notre vie quotidienne.
L'isobutane a un point d'ébullition plus bas que le butane, car l'isobutane est ramifié, alors que le butane ne l'est pas.
Les geckos et les araignées ont sur leurs pattes de petites soies semblables à des poils qu'ils utilisent pour se coller à des surfaces lisses et même pour se mettre à l'envers ! Cela est dû aux forces d'attraction de van der Waals entre ces poils et les surfaces sur lesquelles ils marchent. Les scientifiques ont essayé de reproduire ce phénomène en fabriquant du "Geckskin" qui utilise également ces forces. Bien que les tests soient toujours en cours, nous pourrions un jour avoir un véritable Spider-Man !
Autre exemple : les forces de Van der Waals sont celles qui maintiennent ensemble les "barreaux" de l'échelle de \( l'ADN \) . Sans ces forces, \( l'ADN \) n'aurait pas la stabilité nécessaire et serait enclin à se désagréger, ce qui serait un gros problème pour nous !
Force de van der waals - Points clés
- L'électronégativité est une mesure de la tendance d'un atome à perdre des électrons ou à priver d'autres atomes de leurs électrons.
- Les interactions électrostatiques comprennent les interactions attractives ou répulsives entre les molécules chargées.
- La liaison de Van der Waals est l'attraction/répulsion électrostatique entre les molécules ayant des dipôles permanents ou temporaires.
- Les dipôles sont un ensemble de charges séparées dans un atome ou une molécule. Ils sont causés par une distribution uniforme des électrons.
- Les interactions dipôle-dipôle sont les forces d'attraction/répulsion qui existent entre deux molécules polaires (molécules possédant un dipôle permanent).
- Les interactions dipôle induit sont les forces d'attraction/répulsion entre une molécule polaire et un atome/molécule ayant un dipôle induit.
- Un dipôle induit est un dipôle temporaire causé par l'attraction des électrons d'un atome ou d'une molécule vers l'extrémité positive partielle d'une molécule polaire.
- Les forces de London sont les forces d'attraction/répulsion entre un atome/molécule non polaire ayant un dipôle instantané et un atome/molécule non polaire ayant un dipôle induit.
- Le nombre d'électrons, la forme de molécule et la distance sont des facteurs affectant les forces de Van der Waals.
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