i
i
“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 247 — #255
i
i
i
i
i
i
5
Forces intermoléculaires
Les liaisons physiques résultent des forces intermoléculaires qui s’exercent entre molécules, atomes ou ions distincts, par opposition à la liaison chimique qui s’exerce entre
atomes dans la molécule (ou l’ion). L’intensité des liaisons physiques est moindre que
celle des liaisons covalentes, mais leur portée s’étend sur de grandes distances pouvant
atteindre l’intégralité d’un milieu. Nous étudions dans ce chapitre l’existence des interactions physiques, en abordant notamment le cas particulier important de la liaison hydrogène. Nous développerons comment la présence de liaisons physiques explique la
miscibilité ou la non miscibilité de deux solvants. Les solvants moléculaires sont étudiés
ici, en abordant un exemple particulièrement riche dans le cas de l’étude de l’eau.
1 Existence de forces intermoléculaires
1.1 Nécessaire modélisation des systèmes étudiés
L’objectif que nous nous fixons est l’étude de l’interaction qui existe entre deux édifices
particuliers (atome, molécule, ion). Ces édifices sont constitués par des particules chargées
(protons, électrons) de signe opposé (respectivement positif et négatif). Il existe des interactions entre charges :
• lorsque deux charges de signe opposé se rapprochent il y a stabilisation ;
• lorsque deux charges de même signe se rapprochent il y a déstabilisation.
L’application de cette étude à deux édifices quelconques est un travail d’une extrême complexité car les charges sont multiples (la totalité des électrons et des protons des deux édifices) et de position dépendant du temps (les électrons dans un édifice, les deux édifices l’un
par rapport à l’autre). Cette complexité ne doit pas conduire à renoncer mais à modéliser le
problème pour le simplifier. Dans une approche simplifiée, on décrit les interactions entre
édifices en prenant en compte :
• seulement leur charge si celle-ci est non nulle : les ions sont décrits comme des sphères
uniformément chargées de rayon r i et et charge z i e ;
• dans le cas de molécules (neutres), la distribution de charge considérée correspond à la
situation de la molécule isolée (qui ne subit pas de champ électrique, notamment celui
créé par les ions voisins ou les molécules voisines.
Nous avons vu dans l’étude des molécules que dès que le barycentre des charges positives
et le barycentre des charges négatives ne sont pas confondus, on attribue à la molécule une
grandeur vectorielle −
→ µ (ou −
→ p ) appelée moment dipolaire qui est la description la plus
grossière de cette répartition de charge. Dans le cas de molécules (neutres) ne possédant
i
“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 247 — #255
i
i
i
i
i
i
5
Forces intermoléculaires
Les liaisons physiques résultent des forces intermoléculaires qui s’exercent entre molécules, atomes ou ions distincts, par opposition à la liaison chimique qui s’exerce entre
atomes dans la molécule (ou l’ion). L’intensité des liaisons physiques est moindre que
celle des liaisons covalentes, mais leur portée s’étend sur de grandes distances pouvant
atteindre l’intégralité d’un milieu. Nous étudions dans ce chapitre l’existence des interactions physiques, en abordant notamment le cas particulier important de la liaison hydrogène. Nous développerons comment la présence de liaisons physiques explique la
miscibilité ou la non miscibilité de deux solvants. Les solvants moléculaires sont étudiés
ici, en abordant un exemple particulièrement riche dans le cas de l’étude de l’eau.
1 Existence de forces intermoléculaires
1.1 Nécessaire modélisation des systèmes étudiés
L’objectif que nous nous fixons est l’étude de l’interaction qui existe entre deux édifices
particuliers (atome, molécule, ion). Ces édifices sont constitués par des particules chargées
(protons, électrons) de signe opposé (respectivement positif et négatif). Il existe des interactions entre charges :
• lorsque deux charges de signe opposé se rapprochent il y a stabilisation ;
• lorsque deux charges de même signe se rapprochent il y a déstabilisation.
L’application de cette étude à deux édifices quelconques est un travail d’une extrême complexité car les charges sont multiples (la totalité des électrons et des protons des deux édifices) et de position dépendant du temps (les électrons dans un édifice, les deux édifices l’un
par rapport à l’autre). Cette complexité ne doit pas conduire à renoncer mais à modéliser le
problème pour le simplifier. Dans une approche simplifiée, on décrit les interactions entre
édifices en prenant en compte :
• seulement leur charge si celle-ci est non nulle : les ions sont décrits comme des sphères
uniformément chargées de rayon r i et et charge z i e ;
• dans le cas de molécules (neutres), la distribution de charge considérée correspond à la
situation de la molécule isolée (qui ne subit pas de champ électrique, notamment celui
créé par les ions voisins ou les molécules voisines.
Nous avons vu dans l’étude des molécules que dès que le barycentre des charges positives
et le barycentre des charges négatives ne sont pas confondus, on attribue à la molécule une
grandeur vectorielle −
→ µ (ou −
→ p ) appelée moment dipolaire qui est la description la plus
grossière de cette répartition de charge. Dans le cas de molécules (neutres) ne possédant