CHIMIE

© Hachette Livre – H Prépa / Chimie, 1 re année, PCSI –La photocopie non autorisée est un délit
COURS
332
11
Interactions de faible énergie
(*) Si le dipôle est fixe l’énergie potentiel
d’interaction double :
E’D = 2 . ED
gaz noble qéb(°C) qfus(°C)
hélium – 269 – 270
Doc. 8 Températures de changement
d’état des gaz nobles.
Kr 1
néon – 246 – 249
argon – 186 – 189
krypton – 153 – 157
xénon – 108 – 112
– d
rp 1
+ d
Doc. 9 Distribution asymétrique
des électrons d’un atome de krypton
à un instant donné. Cette asymétrie
provoque l’apparition d’un
moment dipolaire instantané.
Kr – d + d – d + d
1 Kr2 rp 1 rp 2
Doc. 10 Deux atomes de krypton
voisins s’influencent mutuellement :
les moments dipolaires instantanés
qui en découlent s’alignent.
Les données du document 7, page 331, montrent l’influence du volume de l’élément
considéré sur la polarisabilité réduite a’.
Les atomes de numéro atomique élevé, dont le rayon atomique est grand,
sont très polarisables.
1.3.2. Effet d’induction ou interaction de Debye
À l’interaction entre une espèce moléculaire polaire, de moment permanent p
et une espèce moléculaire de polarisabilité a correspond une énergie potentielle
ED plus particulièrement étudiée par le chimiste hollandais P. DEBYE (en
1920). Pour des molécules libres de tourner (*) , elle s’écrit :
p KD ED =– =– (11.7)
d 6
L’interaction de Debye explique, par exemple :
2 . a
(4π . eo) 2 . d 6
– la solubilité (faible cependant) du diode I 2 dans l’eau H 2Oou l’éthanol
C 2H 5OH ;
– l’existence, à l’état solide, d’hydrates de dichlore (Cl 2, 6 H 2O), de gaz nobles
(Kr, 6 H 2O) ou de méthane (CH 4, 7 H 2O).
1.4 Interactions entre deux dipôles induits instantanés
1.4.1. Existence de dipôles instantanés
Le dichlore Cl 2, constitué de molécules diatomiques symétriques, se liquéfie
à – 34 °C sous la pression atmosphérique :il est donc manifeste que les molécules
de dichlore, quoique non polaires, s’attirent mutuellement. Il en est de
même, pour les molécules monoatomiques des gaz nobles, gaz qu’il est possible
de liquéfier voire de solidifier par refroidissement à très basse température
(doc. 8).
L’interaction entre deux molécules apolaires fut élucidée, en 1930, par le physicien
allemand F. LONDON dans le cadre de la Mécanique quantique de l’atome.
Il justifia l’existence de ces interactions en imaginant l’existence, au sein des
molécules, de dipôles instantanés.
Précisons cette notion en considérant un atome de gaz noble, par exemple de
krypton (Z =36).
Statistiquement cet atome, noté Kr 1 , est apolaire, les barycentres des charges
positives et négatives étant confondus. Cependant, à un instant donné, il est
possible que la distribution des électrons autour du noyau ne soit pas parfaitement
symétrique. Cette asymétrie instantanée dans la distribution de la charge
électronique s’accompagne donc de l’apparition d’un moment dipolaire instantané
(doc. 9) qui fluctue au cours du temps. Il en est de même pour les molécules
voisines par exemple pour la molécule de krypton, notée Kr 2 .
Les fluctuations temporelles des moments dipolaires instantanés de molécules
voisines ne sont pas indépendantes : leur couplage tend à aligner les moments
dipolaires instantanés (doc. 10). L’interaction dipôle instantané-dipôle instantané
qui découle de ce couplage se traduit donc par une interaction attractive
en moyenne entre ces deux molécules ; l’énergie potentielle correspondante
a été établie par F. LONDON.
1.4.2. Effet de dispersion ou interaction de London
L’énergie potentielle d’interaction entre les dipôles instantanés qui apparaissent
dans des molécules A et B dépend des polarisabilités a A et a B des molécules