Passer au contenu

Structure et propriétés des composés

AP Chimie · Sujet 2

Entrainer
Leçon vidéo pour ce sujet Ouvrir la page vidéo
8:45

Structure et propriétés des composés

Trois solides sur un bureau. Du sel de table. Un diamant. Un morceau de cuivre. Tapez sur le sel avec un marteau et il se brise. Le diamant raye presque tout. Le…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

2.1

Types de Liaisons Chimiques

Programme

Objectif d'apprentissage 2.1.A : Expliquer la relation entre le type de liaison et les propriétés des éléments participant à la liaison.

  • 2.1.A.1 Les valeurs d'électronégativité pour les éléments représentatifs augmentent de gauche à droite sur une période et diminuent en descendant dans un groupe. Ces tendances peuvent être comprises qualitativement grâce à la structure électronique des atomes, au modèle des couches et à la loi de Coulomb.
  • 2.1.A.2 Les électrons de valence partagés entre des atomes de similarité d'électronégativité constituent une liaison covalente non polaire. Par exemple, les liaisons entre le carbone et l'hydrogène sont effectivement non polaires, bien que le carbone soit légèrement plus électronégatif que l'hydrogène.
  • 2.1.A.3 Les électrons de valence partagés entre des atomes d'électronégativité inégale constituent une liaison covalente polaire.
    • i. L'atome ayant une électronégativité plus élevée développera une charge partielle négative par rapport à l'autre atome dans la liaison.
    • ii. Dans les liaisons simples, des différences plus grandes d'électronégativité conduisent à des dipôles de liaison plus importants.
    • iii. Toutes les liaisons polaires possèdent une certaine caractère ionique, et la distinction entre liaison ionique et liaison covalente n'est pas nette mais plutôt un continuum.
  • 2.1.A.4 La différence d'électronégativité n'est pas le seul facteur pour déterminer si une liaison doit être désignée comme ionique ou covalente. Généralement, les liaisons entre un métal et un non-métal sont ioniques, et les liaisons entre deux non-métaux sont covalentes. L'examen des propriétés d'un composé est le meilleur moyen de caractériser le type de liaison.
  • 2.1.A.5 Dans un solide métallique, les électrons de valence des atomes métalliques sont considérés comme délocalisés et non associés à aucun atome individuel.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Cristaux de chlorure de sodium : les solides ioniques forment un réseau d'ions de charges opposées
Cristaux de chlorure de sodium : les solides ioniques forment un réseau d'ions de charges opposées

Une liaison chimique 化学键 est une attraction qui maintient les atomes ensemble. Le type formé dépend des électronégativités des atomes :

Liaison ionique : un métal transfère ses électrons externes à un non-métal
Liaison ionique : un métal transfère ses électrons externes à un non-métal
  • Liaison ionique 离子键 : transfert d'électrons d'un métal vers un non-métal (grande différence d'électronégativité).
  • Liaison covalente 共价键 : les non-métaux partagent des électrons (petite différence). Une grande mais pas trop grande différence donne une liaison covalente polaire 极性共价.
  • Liaison métallique 金属键 : les atomes métalliques partagent une « mer » d'électrons mobiles.
Cristal de diamant : les réseaux géants covalents expliquent la dureté extrême et les points de fusion élevés
Cristal de diamant : les réseaux géants covalents expliquent la dureté extrême et les points de fusion élevés
Explorer

Former une liaison ionique par transfert d'électrons

Une liaison ionique se forme lorsqu'un métal cède des électrons à un non-métal, créant des ions de charges opposées qui s'attirent ; une liaison covalente partage plutôt les électrons.

2.2

Force Intramoléculaire et Énergie Potentielle

Programme

Objectif d'apprentissage 2.2.A : Représenter la relation entre l'énergie potentielle et la distance entre les atomes, basée sur les facteurs influençant l'intensité de l'interaction.

  • 2.2.A.1 Un graphique de l'énergie potentielle en fonction de la distance entre les atomes (distance internucléaire) est une représentation utile pour décrire les interactions entre les atomes. De tels graphiques illustrent à la fois la longueur d'équilibre de la liaison (la séparation entre les atomes où l'énergie potentielle est la plus basse) et l'énergie de liaison (l'énergie requise pour séparer les atomes).
  • 2.2.A.2 Dans une liaison covalente, la longueur de liaison est influencée à la fois par la taille du cœur de l'atome et par l'ordre de liaison (c.-à-d., simple, double, triple). Les liaisons avec un ordre supérieur sont plus courtes et possèdent des énergies de liaison plus élevées.
  • 2.2.A.3 La loi de Coulomb peut être utilisée pour comprendre l'intensité des interactions entre les cations et les anions.
    • i. Puisque l'intensité de l'interaction est proportionnelle à la charge de chaque ion, des charges plus grandes conduisent à des interactions plus fortes.
    • ii. Puisque l'intensité de l'interaction augmente lorsque la distance entre les centres des ions (noyaux) diminue, des ions plus petits conduisent à des interactions plus fortes.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Lorsque deux atomes s'approchent, une courbe d'énergie potentielle 势能 capture l'équilibre entre attraction et répulsion. Elle descend à un minimum à la longueur de liaison 键长 (séparation stable) dont la profondeur est l'énergie de liaison 键能. Les liaisons plus courtes et plus fortes sont situées dans des puits plus profonds et plus étroits ; davantage de paires partagées (liaisons doubles, triples) donnent des liaisons plus courtes et plus fortes.

2.3

Structure des Solides Ioniques

Programme

Objectif d'apprentissage 2.3.A : Représenter un solide ionique par un modèle particulaire cohérent avec la loi de Coulomb et les propriétés des ions constitutifs.

  • 2.3.A.1 Les cations et les anions dans un cristal ionique sont disposés dans un réseau 3-D systématique et périodique qui maximise les forces attractives entre les cations et les anions tout en minimisant les forces répulsives.
    • Déclaration d'exclusion : La connaissance de structures cristallines spécifiques n'est pas essentielle à la compréhension de l'objectif d'apprentissage et ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un solide ionique est un réseau 3D répétitif d'alternance de cations et d'anions, maintenu par une forte attraction électrostatique. Cela explique leurs points de fusion élevés, leur fragilité, et pourquoi ils conduisent uniquement lorsqu'ils sont fondus ou dissous (ions libérés pour se déplacer). L'énergie réticulaire augmente avec des charges ioniques plus grandes et des ions plus petits, donc MgO (tous deux $2+/2-$) fond bien plus haut que NaCl (tous deux $1+/1-$).

Les ions s'empilent dans un réseau géant d'ions positifs et négatifs alternés
Les ions s'empilent dans un réseau géant d'ions positifs et négatifs alternés
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
delocalized/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
2.4

Structure des Métaux et Alliages

Programme

Objectif d'apprentissage 2.4.A : Représenter un solide métallique et/ou un alliage à l'aide d'un modèle montrant les caractéristiques essentielles de la structure et des interactions présentes dans la substance.

  • 2.4.A.1 La liaison métallique peut être représentée par un réseau d'ions métalliques positifs entourés d'électrons de valence délocalisés (c'est-à-dire une « mer d'électrons »).
  • 2.4.A.2 Les alliages interstitiels se forment entre des atomes de rayons significativement différents, où les plus petits atomes remplissent les espaces interstitiels entre les plus grands atomes (par exemple, dans l'acier, le carbone occupe les interstices du fer).
  • 2.4.A.3 Les alliages substitutionnels se forment entre des atomes de rayon comparable, où un atome remplace l'autre dans la maille cristalline. (Par exemple, dans certains alliages de laiton, d'autres éléments, généralement le zinc, remplacent le cuivre.)

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Dans un métal, les cations reposent dans un réseau baigné d'électrons délocalisés 离域, ce qui explique la conductivité, la malléabilité et l'éclat. Un alliage 合金 mélange des métaux : un alliage substitutionnel remplace des atomes de taille similaire ; un alliage interstitiel (comme l'acier) insère de petits atomes dans les interstices, le rendant plus dur.

Des atomes de tailles différentes dans un alliage empêchent les couches de glisser, donc il est plus dur
Des atomes de tailles différentes dans un alliage empêchent les couches de glisser, donc il est plus dur
Liaison métallique : ions positifs dans une mer d'électrons délocalisés
Liaison métallique : ions positifs dans une mer d'électrons délocalisés
Cuivre natif : la liaison métallique donne un solide brillant et malléable avec des électrons délocalisés
Cuivre natif : la liaison métallique donne un solide brillant et malléable avec des électrons délocalisés
Explorer

Faire glisser les couches dans un réseau métallique

Un métal est constitué d'ions positifs dans une mer d'électrons délocalisés. Les couches peuvent glisser sans rompre la liaison, ce qui rend les métaux malléables et conducteurs.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
chemical bond/ˈkemɪkl bɒnd/ 化学键 huà xué jiàn
Ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ 离子键 lí zi jiàn
Covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/ 共价键 gòng jià jiàn
polar covalent/ˈpəʊlə ˈkəʊvələnt/ 极性共价 jí xìng gòng jià
Metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/ 金属键 jīn shǔ jiàn
potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 势能 shì néng
bond length/bɒnd leŋθ/ 键长 jiàn zhǎng
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
ionic solid/aɪˈɒnɪk ˈsɒlɪd/ 离子固体 lí zi gù tǐ
alloy/ˈælɔɪ/ 合金 hé jīn
Lewis diagram/ˈluːɪs ˈdaɪəɡræm/ 路易斯结构 lù yì sī jié gòu
lone pairs/ləʊn peəz/ 孤对电子 gū duì diàn zi
2.5

Schémas de Lewis

Programme

Objectif d'apprentissage 2.5.A : Représenter une molécule par un schéma de Lewis.

  • 2.5.A.1 Les schémas de Lewis peuvent être construits selon un ensemble établi de principes.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un schéma de Lewis 路易斯结构 représente les électrons de valence comme des paires de liaison et des paires libres 孤对电子, donnant à la plupart des atomes un octet 八隅é (8 électrons de valence ; H veut 2). Étapes : compter les électrons de valence totaux, relier les atomes par des liaisons simples, compléter les octets sur les atomes externes, puis former des liaisons multiples si l'atome central manque d'électrons.

Les schémas point et croix montrent les paires de liaison et les paires libres dans une molécule
Les schémas point et croix montrent les paires de liaison et les paires libres dans une molécule

Exemple résolu. Dessinez le dioxyde de carbone, $\text{CO}_2$. Total des électrons de valence $=4+2(6)=16$. Placez C au centre ; les liaisons simples vers chaque O utilisent $4$ électrons et laissent les atomes O externes incomplets. Compléter les octets impose deux doubles liaisons, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$ : chaque O a alors deux paires libres, C n'en a aucune, et tous les $16$ électrons sont placés avec chaque atome à un octet.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
octet/ɒkˈtet/ 八隅体 bā yú tǐ
resonance/ˈrezənəns/ 共振 gòng zhèn
Formal charge/ˈfɔːml tʃɑːdʒ/ 形式电荷 xíng shì diàn hè
2.6

Résonance et Charge Formelle

Programme

Objectif d'apprentissage 2.6.A : Représenter une molécule par un schéma de Lewis tenant compte de la résonance entre des structures équivalentes ou utilisant la charge formelle pour choisir entre des structures non équivalentes.

  • 2.6.A.1 Dans les cas où plusieurs structures de Lewis équivalentes peuvent être construites, la résonance doit être incluse comme un raffinement du schéma de Lewis. Dans beaucoup de ces cas, ce raffinement est nécessaire pour fournir des prédictions qualitativement précises de la structure et des propriétés moléculaires.
  • 2.6.A.2 La règle de l'octet et la charge formelle peuvent être utilisées comme critères pour déterminer lequel de plusieurs schémas de Lewis valides possibles fournit le meilleur modèle pour prédire la structure et les propriétés moléculaires.
  • 2.6.A.3 Comme tout modèle, il existe des limites à l'utilisation du modèle de la structure de Lewis, en particulier dans les cas comportant un nombre impair d'électrons de valence.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Lorsque deux ou plusieurs schémas de Lewis valides diffèrent uniquement par le placement des électrons, la structure réelle est une moyenne – résonance 共振. La charge formelle 形式电荷 (électrons de valence moins électrons de paire libre moins la moitié des électrons de liaison) sélectionne la meilleure structure : celle où les charges formelles sont les plus proches de zéro, et toute charge négative sur l'atome le plus électronégatif.

Exemple résolu. Attribuez les charges formelles dans l'ion nitrate, $\text{NO}_3^{-}$ (une double liaison, deux liaisons simples). Pour N (4 liaisons, aucune paire libre) : $5-0-4=+1$. Pour l'O à double liaison (2 paires libres) : $6-4-2=0$. Pour chaque O à liaison simple (3 paires libres) : $6-6-1=-1$. Le total est $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, correspondant à la charge globale de l'ion – une bonne vérification que la structure est bien dessinée. Comme les trois atomes O sont équivalents par résonance, l'ion réel possède trois liaisons identiques.

2.7

VSEPR et Hybridation des Liaisons

Programme

Objectif d'apprentissage 2.7.A : Sur la base de la relation entre les schémas de Lewis, la théorie VSEPR, les ordres de liaison et les polarités de liaison :

  • i. Expliquer les propriétés structurales des molécules.

  • ii. Expliquer les propriétés électroniques des molécules.

  • 2.7.A.1 La théorie VSEPR utilise la répulsion coulombienne entre les électrons comme base pour prédire l'arrangement des paires d'électrons autour d'un atome central.

  • 2.7.A.2 Les deux, les schémas de Lewis et la théorie VSEPR, doivent être utilisés pour prédire les propriétés électroniques et structurales de nombreuses molécules et ions polyatomiques liés par des liaisons covalentes, y compris les suivants :

    • i. Géométrie moléculaire (linéaire, trigonale plane, tétraédrique, pyramidale trigonale, coudée, bipyramidale trigonale, chaise, en T, octaédrique, pyramidale carrée, plane carrée)
    • ii. Angles de liaison
    • iii. Énergies de liaison relatives basées sur l'ordre de liaison
    • iv. Longueurs de liaison relatives (liaisons multiples, effets du rayon atomique)
    • v. Présence d'un moment dipolaire
    • vi. Hybridation des orbitales de valence pour les atomes au sein d'une molécule ou d'un ion polyatomique
  • 2.7.A.3 Les termes « hybridation » et « orbitale atomique hybride » sont utilisés pour décrire l'arrangement des électrons autour d'un atome central. Lorsque l'atome central est $sp$ hybridé, ses angles de liaison idéaux sont $180°$ ; pour les atomes $sp^2$ hybridés, les angles de liaison sont $120°$ ; et pour les atomes $sp^3$ hybridés, les angles de liaison sont $109.5°$.

    • Déclaration d'exclusion : La compréhension de la dérivation et de la représentation des orbitales hybrides ne sera pas évaluée à l'examen AP. Le cours comprend la distinction entre les liaisons sigma et pi, l'utilisation de la VSEPR pour expliquer les formes des molécules, et la nomenclature $sp$, $sp^2$ et $sp^3$.
    • Déclaration d'exclusion : L'hybridation impliquant des orbitales d ne sera pas évaluée à l'examen AP. Lorsqu'un atome possède plus de quatre paires d'électrons entourant l'atome central, les élèves ne sont responsables que de la forme résultante de la molécule.
  • 2.7.A.4 La formation de liaison est associée au recouvrement entre les orbitales atomiques. Dans les liaisons multiples, ce recouvrement conduit à la formation de liaisons sigma et pi. Le recouvrement est plus fort dans les liaisons sigma que dans les liaisons pi, ce qui se reflète par des énergies de liaison plus élevées pour les liaisons sigma que pour les liaisons pi. La présence d'une liaison pi empêche également la rotation de la liaison et conduit à des isomères géométriques.

    • Déclaration d'exclusion : La théorie des orbitales moléculaires est recommandée comme moyen d'apporter des éclairages plus profonds sur la liaison. Cependant, l'examen AP n'évaluera ni explicitement les diagrammes d'orbitales moléculaires, ni le remplissage des orbitales moléculaires, ni la distinction entre les orbitales liantes, non liantes et antibondantes.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

VSEPR: molecular shapes

VSEPR 价层电子对互斥 théorie prédit la forme : les paires d'électrons (liaisons et paires libres) autour d'un atome central s'éloignent autant que possible. Compter les domaines électroniques donne la géométrie (linéaire, trigonale plane, tétraédrique, …) ; les paires libres repoussent les liaisons, courbant la forme. L'hybridation 杂化 ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) décrit les orbitales mixtes correspondant à cette géométrie. La forme moléculaire et la polarité des liaisons décident ensemble si la molécule entière est polaire.

Hybridation et forme : sp3 tétraédrique, sp2 planaire, sp linéaire
Hybridation et forme : sp3 tétraédrique, sp2 planaire, sp linéaire
Les formes VSEPR courantes et leurs angles de liaison
Les formes VSEPR courantes et leurs angles de liaison

Exemple résolu. Prédisez la forme de l'ammoniac, $\text{NH}_3$. L'azote a $3$ paires de liaison et $1$ paire libre – quatre domaines électroniques, donc la géométrie électronique est tétraédrique et l'hybridation est $sp^3$. La paire libre est invisible dans la forme mais repousse toujours les liaisons, donc la forme moléculaire est pyramidale trigonale avec un angle de liaison d'environ $107^{\circ}$ (un peu moins que l'idéal $109.5^{\circ}$). Les trois dipôles N–H ne s'annulent pas, donc la molécule est polaire.

Les liaisons se forment lorsque des orbitales atomiques se superposent. Chaque liaison simple est une liaison sigma σ键 – superposition frontale le long de la ligne reliant les deux atomes. Une liaison multiple ajoute une liaison pi π键, formée par $p$ orbitales se superposant latéralement au-dessus et en dessous de cette ligne : une liaison double est une sigma + une pi, une triple une sigma + deux pi. La superposition frontale est plus efficace, donc une liaison sigma est plus forte (énergie de liaison plus élevée) qu'une liaison pi – pourquoi une liaison double est plus forte qu'une simple mais pas deux fois plus forte. Une liaison pi verrouille aussi les deux atomes pour qu'ils ne puissent pas tourner autour de la liaison ; une double liaison C=C a donc des formes cis et trans fixes – des isomères géométriques 几何异构体 qu'une liaison simple pouvant tourner librement ne pourrait jamais montrer.

Exemple résolu. Comptez les liaisons dans l'éthène, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. Les quatre liaisons C–H sont des liaisons simples (une sigma chacune) ; la C=C est une sigma plus une pi. L'éthène a donc 5 liaisons sigma et 1 liaison pi, et cette unique liaison pi est exactement ce qui empêche les deux extrémités $\text{CH}_2$ de tordre l'une par rapport à l'autre.

Explorer

Prédire la forme moléculaire avec VSEPR

VSEPR : les paires d'électrons se repoussent et s'écartent autant que possible, définissant la forme de la molécule. Ajoutez des paires liantes et des doublets non liants et observez la géométrie changer.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
VSEPR/ˈvespə/ 价层电子对互斥 jià céng diàn zi duì hù chì
Hybridization/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
geometric isomers/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈaɪsəməz/ 几何异构体 jǐ hé yì gòu tǐ
2.7

Conseils d'examen

  • Déterminez le type de liaison selon les atomes : ionique (métal + non-métal, transfert d'électrons), covalente (non-métaux, partage), métallique (mer d'électrons délocalisés).
  • Un solide ionique ne conduit que lorsqu'il est fondu ou dissous (ions libres de bouger), jamais à l'état solide.
  • Dessinez des structures de Lewis satisfaisant l'octet (H veut 2), puis utilisez VSEPR – les paires d'électrons s'écartant au maximum – pour prédire la forme.
  • Les paires libres occupent de l'espace et repoussent les liaisons plus près, courbant la forme (l'eau est coudée, l'ammoniac pyramidal).
  • Une molécule peut avoir des liaisons polaires tout en étant globalement non polaire si sa symétrie annule les dipôles ($\text{CO}_2$).
  • Une liaison simple est 1 sigma ; une double liaison est 1 sigma + 1 pi, une triple liaison 1 sigma + 2 pi. La liaison sigma est plus forte qu'une liaison pi, et une liaison pi empêche la rotation, donnant des isomères géométriques cis/trans.

Leçons interactives sur ce sujet

Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.

Épreuves Passées

Plus de sujets dans AP Chimie

Se connecter ou créer un compte

IGCSE, A-Level & AP