Propriétés des substances et mélanges

Objectif d'apprentissage 3.1.A : Expliquer la relation entre les structures chimiques des molécules et la force relative de leurs forces intermoléculaires lorsque : i. Les molécules appartiennent à la même espèce chimique. ii. Les molécules appartiennent à deux espèces chimiques différentes.

• 3.1.A.1 Les forces de dispersion de London résultent des interactions coulombiennes entre des dipôles temporaires fluctuants. Les forces de dispersion de London sont souvent la force intermoléculaire nette la plus forte entre les grandes molécules.
  • i. Les forces de dispersion augmentent avec l'augmentation de la surface de contact entre les molécules et avec l'augmentation de la polarisabilité des molécules.
  • ii. La polarisabilité d'une molécule augmente avec le nombre croissant d'électrons dans la molécule et la taille du nuage électronique. Elle est renforcée par la présence de liaisons pi.
  • iii. Le terme « forces de dispersion de London » ne doit pas être utilisé synonymiquement avec le terme « forces de van der Waals ».
• 3.1.A.2 Le moment dipolaire d'une molécule polaire entraîne des interactions supplémentaires avec d'autres espèces chimiques.
  • i. Les interactions dipôle-induit-dipôle sont présentes entre une molécule polaire et une molécule apolaire. Ces forces sont toujours attractives. La force de ces forces augmente avec l'amplitude du dipôle de la molécule polaire et avec la polarisabilité de la molécule apolaire.
  • ii. Les interactions dipôle-dipôle sont présentes entre des molécules polaires. L'intensité de l'interaction dépend des amplitudes des dipôles et de leur orientation relative. Les interactions entre molécules polaires sont généralement supérieures à celles entre des molécules apolaires de taille comparable car ces interactions s'ajoutent aux forces de dispersion de London.
  • iii. Les forces d'attraction ion-dipôle sont présentes entre des ions et des molécules polaires. Elles ont tendance à être plus fortes que les forces dipôle-dipôle.
• 3.1.A.3 La force relative et la dépendance à l'orientation des forces dipôle-dipôle et ion-dipôle peuvent être comprises qualitativement en considérant le signe des charges partielles responsables du moment dipolaire moléculaire, et la façon dont ces charges partielles interagissent avec un ion ou avec un dipôle adjacent.
• 3.1.A.4 La liaison hydrogène est un type intense d'interaction intermoléculaire qui existe lorsque des atomes d'hydrogène liés covalemment à des atomes très électronégatifs (N, O et F) sont attirés par l'extrémité négative d'un dipôle formé par l'atome électronégatif (N, O et F) dans une autre molécule, ou dans une autre partie de la même molécule.
• 3.1.A.5 Dans les grandes biomolécules, des interactions non covalentes peuvent se produire entre différentes molécules ou entre différentes régions de la même grande biomolécule.

Objectif d'apprentissage 3.2.A : Expliquer la relation entre les propriétés macroscopiques d'une substance, la structure au niveau des particules de la substance et les interactions entre ces particules.

• 3.2.A.1 De nombreuses propriétés des liquides et des solides sont déterminées par l'intensité et le type des forces intermoléculaires présentes. Comme les interactions intermoléculaires sont totalement surmontées lors de la vaporisation d'une substance, la pression de vapeur et le point d'ébullition sont directement liés à l'intensité de ces interactions. Les points de fusion tendent également à corrélérer avec l'intensité des interactions, mais comme celles-ci ne font que se réarranger lors de la fusion, les relations peuvent être plus subtiles.
• 3.2.A.2 Les représentations au niveau particulaire, montrant plusieurs espèces chimiques en interaction, constituent un moyen utile de communiquer ou de comprendre comment les interactions intermoléculaires contribuent à établir les propriétés macroscopiques.
• 3.2.A.3 En raison des fortes interactions entre ions, les solides ioniques ont tendance à avoir une faible pression de vapeur, des points de fusion élevés et des points d'ébullition élevés. Ils ont tendance à être cassants en raison de la répulsion des charges similaires causée lorsqu'une couche glisse sur une autre couche. Ils conduisent l'électricité uniquement lorsque les ions sont mobiles, comme lorsque le solide ionique est fondu (c.-à-d. à l'état fondu) ou dissous dans l'eau ou un autre solvant.
• 3.2.A.4 Dans les solides à réseau covalent, les atomes sont liés entre eux par des liaisons covalentes pour former un réseau tridimensionnel (ex. : diamant) ou des couches de réseaux bidimensionnels (ex. : graphite). Ceux-ci se forment uniquement à partir de non-métaux et de métalloïdes : éléments (ex. : diamant, graphite) ou composés binaires (ex. : dioxyde de silicium et carbure de silicium). En raison des fortes interactions covalentes, les solides covalents ont des points de fusion élevés. Les solides à réseau tridimensionnel sont également rigides et durs, car les angles de liaison covalente sont fixes. Cependant, le graphite est mou car les couches adjacentes peuvent glisser les unes sur les autres relativement facilement.
• 3.2.A.5 Les solides moléculaires sont constitués d'unités distinctes et individuelles de molécules liées covalentement, attirées les unes aux autres par des forces intermoléculaires relativement faibles. Les solides moléculaires ont généralement un point de fusion bas en raison des forces intermoléculaires relativement faibles présentes entre les molécules. Ils ne conduisent pas l'électricité car leurs électrons de valence sont fermement retenus dans les liaisons covalentes et les doublets libres de chaque molécule constitutive. Les solides moléculaires sont parfois composés de très grandes molécules ou de polymères.
• 3.2.A.6 Les solides métalliques sont de bons conducteurs d'électricité et de chaleur, en raison de la présence d'électrons de valence libres. Ils ont également tendance à être malléables et ductiles, en raison de la facilité avec laquelle les noyaux métalliques peuvent réarranger leur structure. Dans un alliage interstitiel, les atomes interstitiels ont tendance à rigidifier le réseau, diminuant la malléabilité et la ductilité. Les alliages conservent généralement une mer d'électrons mobiles et restent donc conducteurs.
• 3.2.A.7 Dans les grandes biomolécules ou polymères, des interactions non covalentes peuvent se produire entre différentes molécules ou entre différentes régions de la même grande biomolécule. La fonctionnalité et les propriétés de telles molécules dépendent fortement de la forme de la molécule, qui est largement dictée par les interactions non covalentes.

Objectif d'apprentissage 3.3.A : Représenter les différences entre les phases solide, liquide et gazeuse à l'aide d'un modèle au niveau particulaire.

• 3.3.A.1 Les solides peuvent être cristallins, où les particules sont disposées selon une structure régulière tridimensionnelle, ou amorphes, où les particules n'ont pas d'arrangement régulier et ordonné. Dans les deux cas, le mouvement des particules individuelles est limité, et les particules ne subissent pas de translation globale les unes par rapport aux autres. La structure du solide est influencée par les interactions interparticulaires et la capacité des particules à s'empiler les unes contre les autres.
• 3.3.A.2 Les particules constitutantes des liquides sont en contact étroit les unes avec les autres, et elles bougent continuellement et entrent en collision. L'arrangement et le mouvement des particules sont influencés par la nature et l'intensité des forces (ex. : polarité, liaisons hydrogène et température) entre les particules.
• 3.3.A.3 Les phases solide et liquide d'une substance donnée ont généralement un volume molaire similaire car, dans les deux phases, les particules constitutantes sont en contact étroit en tout temps.
• 3.3.A.4 Dans la phase gazeuse, les particules sont en mouvement constant. Leurs fréquences de collision et l'espacement moyen entre elles dépendent de la température, de la pression et du volume. En raison de ce mouvement constant et des effets minimes des forces entre les particules, un gaz n'a ni volume défini ni forme définie.
  • Énoncé d'exclusion : La compréhension/interprétation des diagrammes de phase ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 3.4.A : Expliquer la relation entre les propriétés macroscopiques d'un échantillon de gaz ou d'un mélange de gaz en utilisant la loi des gaz parfaits.

• 3.4.A.1 Les propriétés macroscopiques des gaz parfaits sont liées par la loi des gaz parfaits :
  • EQN : $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 Dans un échantillon contenant un mélange de gaz parfaits, la pression exercée par chaque composant (la pression partielle) est indépendante des autres composants. Par conséquent, la pression partielle d'un gaz dans le mélange est proportionnelle à sa fraction molaire ($X$), et la pression totale de l'échantillon est la somme des pressions partielles.
  • ÉQN : $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, où $X_{A} =$ moles A / moles totales;
  • ÉQN : $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 Les représentations graphiques des relations entre $P$, $V$, $T$ et $n$ sont utiles pour décrire le comportement des gaz.

Objectif d'apprentissage 3.5.A : Expliquer la relation entre le mouvement des particules et les propriétés macroscopiques des gaz avec : i. La théorie cinétique des gaz (KMT). ii. Un modèle particulaire. iii. Une représentation graphique.

• 3.5.A.1 La théorie cinétique des gaz (KMT) relie les propriétés macroscopiques des gaz aux mouvements des particules dans le gaz. La distribution de Maxwell-Boltzmann décrit la distribution des énergies cinétiques des particules à une température donnée.
• 3.5.A.2 Toutes les particules d'un échantillon de matière sont en mouvement continu et aléatoire. L'énergie cinétique moyenne d'une particule est liée à sa vitesse moyenne par l'équation :
  • EQN : $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 La température Kelvin d'un échantillon de matière est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des particules dans l'échantillon.
• 3.5.A.4 La distribution de Maxwell-Boltzmann fournit une représentation graphique des énergies/vitesses des particules à une température donnée.

Objectif d'apprentissage 3.6.A : Expliquer la relation entre les comportements non idéaux des gaz, les forces interparticulaires et/ou les volumes.

• 3.6.A.1 La loi des gaz parfaits n'explique pas le comportement réel des gaz réels. Les écarts par rapport à la loi des gaz parfaits peuvent résulter d'attractions interparticulaires entre les molécules de gaz, particulièrement dans des conditions proches de celles entraînant la condensation. Des écarts peuvent également provenir des volumes des particules, particulièrement à des pressions extrêmement élevées.

Objectif d'apprentissage 3.7.A : Calculer le nombre de particules de soluté, le volume ou la molarité des solutions.

• 3.7.A.1 Les solutions, aussi appelées parfois mélanges homogènes, peuvent être solides, liquides ou gazeuses. Dans une solution, les propriétés macroscopiques ne varient pas à travers l'échantillon. Dans un mélange hétérogène, les propriétés macroscopiques dépendent de l'emplacement dans le mélange.
• 3.7.A.2 La composition d'une solution peut s'exprimer de diverses façons ; la molarité est la méthode la plus couramment utilisée en laboratoire.
  • ÉQN : $M = n_{solute}/L_{solution}$

Objectif d'apprentissage 3.8.A : En utilisant des modèles particulaires pour les mélanges : i. Représenter les interactions entre les composants. ii. Représenter les concentrations des composants.

• 3.8.A.1 Les représentations particulaires des solutions communiquent la structure et les propriétés des solutions, par l'illustration des concentrations relatives des composants dans la solution et/ou des dessins montrant les interactions entre les composants.
  • Énoncé d'exclusion : Les propriétés colligatives ne seront pas évaluées à l'examen AP.
  • Énoncé d'exclusion : Les calculs de molalité, de pourcentage massique et de pourcentage volumique pour les solutions ne seront pas évalués à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 3.9.A : Expliquer les résultats d'une expérience de séparation basée sur les interactions intermoléculaires.

• 3.9.A.1 Les composants d'une solution liquide ne peuvent pas être séparés par filtration. Ils peuvent cependant être séparés à l'aide de processus qui tirent parti des différences d'interactions intermoléculaires entre les composants.
  • i. La chromatographie (papier, couche min et colonne) sépare les espèces chimiques en tirant parti de la force différentielle des interactions intermoléculaires entre et parmi les composants de la solution (phase mobile) et avec les composants de surface de la phase stationnaire. Le chromatogramme résultant peut être utilisé pour inférer les polarités relatives des composants d'un mélange.
  • ii. La distillation sépare les espèces chimiques en tirant parti de la force différentielle des interactions intermoléculaires entre et parmi les composants et des effets de ces interactions sur les pressions de vapeur des composants dans le mélange.

Objectif d'apprentissage 3.10.A : Expliquer la relation entre la solubilité des composés ioniques et moléculaires dans les solvants aqueux et non aqueux, et les interactions intermoléculaires entre les particules.

• 3.10.A.1 Les substances présentant des interactions intermoléculaires similaires ont tendance à être miscibles ou solubles les unes dans les autres.

Objectif d'apprentissage 3.11.A : Expliquer la relation entre une région du spectre électromagnétique et les types de transitions moléculaires ou électroniques associées à cette région.

• 3.11.A.1 Les différences d'absorption ou d'émission de photons dans différentes régions spectrales sont liées aux différents types de mouvements moléculaires ou de transitions électroniques :
  • i. Le rayonnement micro-onde est associé à des transitions entre les niveaux de rotation moléculaire.
  • ii. Le rayonnement infrarouge est associé à des transitions entre les niveaux de vibration moléculaire.
  • iii. Le rayonnement ultraviolet/visible est associé à des transitions entre les niveaux d'énergie électronique.

Objectif d'apprentissage 3.12.A : Expliquer les propriétés d'un photon absorbé ou émis par rapport à une transition électronique dans un atome ou une molécule.

• 3.12.A.1 Lorsqu'un photon est absorbé (ou émis) par un atome ou une molécule, l'énergie de l'espèce est augmentée (ou diminuée) d'une quantité égale à l'énergie du photon.

• 3.12.A.2 La longueur d'onde de l'onde électromagnétique est liée à sa fréquence et à la vitesse de la lumière par l'équation :

  • EQN : $c = \lambda\nu$.

  L'énergie d'un photon est liée à la fréquence de l'onde électromagnétique par l'équation de Planck :

  • EQN : $E = h\nu$.

Objectif d'apprentissage 3.13.A : Expliquer la quantité de lumière absorbée par une solution de molécules ou d'ions par rapport à la concentration, à la longueur du trajet optique et à l'absorptivité molaire.

• 3.13.A.1 La loi de Beer-Lambert relie l'absorption de la lumière par une solution à trois variables selon l'équation :

  • EQN : $A = \varepsilon bc$.

  L'absorptivité molaire, $\varepsilon$, décrit l'intensité avec laquelle une espèce chimique absorbe la lumière d'une longueur d'onde spécifique. La longueur du trajet optique, $b$, et la concentration, $c$, sont proportionnelles au nombre de particules absorbant la lumière dans le trajet lumineux.

• 3.13.A.2 Dans la plupart des expériences, la longueur du trajet optique et la longueur d'onde de la lumière sont maintenues constantes. Dans de tels cas, l'absorbance est proportionnelle uniquement à la concentration des molécules ou des ions absorbants. Le spectrophotomètre est généralement réglé sur la longueur d'onde d'absorption maximale (longueur d'onde optimale) de l'espèce analysée pour assurer la sensibilité maximale de la mesure.