Cohésion des solides ioniques et moléculaires : exercices de 1re

Le chlorure de sodium est cité comme exemple de solide ionique ⁴ : ses entités sont des ions.

Le chlorure de cobalt $\mathrm{CoCl_2}$ est donné comme exemple de soluté ionique ² : c'est aussi un solide ionique.

La glace est un solide moléculaire, c'est même le plus connu ⁴.

Le sucre (saccharose) est un exemple courant de solide moléculaire cristallin ⁴.

Cas 1 : le cristal contient des cations et des anions. Ils s'attirent par la force électrostatique entre charges de signes opposés ; c'est la liaison ionique ³.

Cas 2 : les entités sont des molécules neutres. La cohésion vient des forces de van der Waals et, ici, des liaisons hydrogène ⁴.

Vérifie la cohérence : dans le cas 1 on parle d'ions, dans le cas 2 de molécules, donc les interactions sont de nature différente.

Charge totale portée par les cations : $6 \times (+3) = +18$ (en unités de charge élémentaire).

Le cristal est neutre ², donc les anions portent au total $-18$.

Chaque ion oxyde porte $-2$ : le nombre d'ions vaut $\dfrac{18}{2}$.

Calcul : $\dfrac{6 \times 3}{2} = 9$.

Note $x$ la charge de l'ion cobalt.

Pour une unité de formule : $x + 2 \times (-1) = 0$, car le cristal est neutre ².

Résous : $x = 2$.

Charge négative totale : $4 \times (-3) = -12$.

Neutralité du cristal ² : la charge positive totale vaut $+12$.

Chaque ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ apporte $+2$, donc il en faut $\dfrac{12}{2}$.

Calcul : $\dfrac{4 \times 3}{2} = 6$.

Carbone : $12 \times 12 = 144\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Hydrogène : $22 \times 1 = 22\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Oxygène : $11 \times 16 = 176\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Somme : $144 + 22 + 176 = 342\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Relation : $n = \dfrac{m}{M}$.

Remplace : $n = \dfrac{17{,}1}{342}$.

Calcule : $n = 0{,}0500\ \mathrm{mol}$.

Contrôle : 342 g correspondent à 1 mol, donc 17,1 g (vingt fois moins) donnent vingt fois moins de moles, soit $0{,}05$ mol.

De $T = \theta + 273{,}15$, on tire $\theta = T - 273{,}15$.

Calcul : $\theta = 14{,}025 - 273{,}15 = -259{,}125\ ^\circ\mathrm{C}$.

Interprétation : quand les attractions entre molécules sont peu intenses, la fusion se produit à une température relativement basse ⁴. Ici, si l'on met de côté les gaz rares, aucun solide ne fond à une température aussi basse ⁴.

Conclusion sur les entités : les molécules de dihydrogène sont retenues par des interactions intermoléculaires très faibles, qui cèdent dès qu'on apporte très peu d'énergie.

Chlorure de sodium : entités = cations et anions ; cohésion par la force électrostatique entre ions de signes opposés (liaison ionique) ³.

Glace : entités = molécules d'eau, neutres ; cohésion par des interactions intermoléculaires, dont la liaison hydrogène ⁴.

Comparaison : entre molécules, les attractions sont peu intenses, d'où une fusion à température relativement basse pour un solide moléculaire ⁴. Dans le solide ionique, la cohésion repose sur l'attraction électrostatique entre ions, qui est d'une autre nature.

Neutralité : un cristal ionique est toujours neutre ² ; pour NaCl, chaque cation $\mathrm{Na^+}$ ($+1$) est compensé par un anion $\mathrm{Cl^-}$ ($-1$), donc la charge totale est nulle.