Forces ion-dipôle

Signification des forces ion-dipôle

Avant de nous plonger dans les interactions ion-dipôle, nous devons d'abord approfondir le concept de dipôle. Un dipôle est présent dans une molécule lorsqu'un côté de la molécule est plus électronégatif que l'autre. Cela signifie qu'un côté est plus susceptible d'accepter un électron (plus électronégatif), il a donc une légère charge négative, tandis que l'autre côté est plus susceptible de perdre un électron, il a donc une légère charge positive.

Les tendances de l'électronégativité sont les suivantes :

• Les éléments qui sont plus proches de la partie supérieure droite du tableau périodique (comme le fluor, F) sont très électronégatifs.
• Les éléments moins électronégatifs (comme le francium, Fr) sont plus proches du bas gauche.

Les dipôles dans les molécules

La première chose à retenir est que toutes les molécules présentant une différence d'électronégativité n'ont pas forcément un dipôle. Prenons une comparaison :

Fig. 1 - _CH4 est un composé non polaire sans dipôle, tandis que NaCl est un composé polaire avec un dipôle.

Le méthane, _CH4, n'a pas de dipôle, et ce pour deux raisons. La première est que, bien qu'il y ait une différence d'électronégativité, cette différence n'est pas assez importante.

Pour qu'un composé soit considéré comme polaire, la différence d'électronégativité doit être supérieure à 0,4. Le carbone a une électronégativité de 2,5, tandis que l'hydrogène a une électronégativité de 2,2. La différence d'électronégativité est suffisamment négligeable pour que la molécule ne soit pas considérée comme polaire. La deuxième raison est que la molécule est symétrique. Même si les liaisons étaient polaires, la symétrie l'annule. Pense à ceci : si quatre personnes jouent au tir à la corde et qu'elles tirent toutes avec la même force, le centre ne bougera pas.

Pour NaCl, cette molécule est polaire et possède un dipôle. La différence d'électronégativité entre Na et Cl est supérieure à 2, la liaison est donc très polaire. Na a une électronégativité plus faible, donc le côté "positif" pointe vers lui, tandis que le côté "négatif" pointe vers Cl. La flèche est appelée moment dipolaire.

Le moment dipolaire est important pour calculer la force totale de l'interaction ion-dipôle. Le moment dipolaire est directement proportionnel à l'énergie potentielle de l'interaction

Force des forces ioniques et dipolaires

L'interaction de base est l'attraction/répulsion entre l'ion et le dipôle.

Fig. 2 - L'anion attire et repousse les différentes extrémités du dipôle

Les forces ion-dipôle sont sans contact, il y aura donc toujours une distance séparant l'ion et la molécule. Nous mesurons l'énergie de ces forces à l'aide de la formule du potentiel ion-dipôle.

On note que le potentiel ion-dipôle est dérivé du potentiel de la loi de Coulomb, donc :

1. Étant donné le potentiel de la loi de Coulomb:

$$ E = \frac{ -k q_1 q_2 } {r_1} $$

Où k est la constante de Coulomb, _q1 est la charge de l'ion, _q2 est la charge du dipôle et _r1 est le rayon entre l'ion et la molécule.

2. Ensuite, nous résolvons la charge du dipôle, q2, et l'insérons dans le potentiel de la loi de Coulomb :

\begin{align}& \mu = q_2 * r_1 \qquad (solving~ for~ q_2,~ we~ get) \\COPY01 & q_2 = \mu / r_1\end{align}

En soustrayant q2, on obtient :

$$ E = \frac{ -k q_1 (\frac {\mu} {r_1}) } {r_1} = \frac { -kq_1 \mu} { r_1^2} $$

L'intensité de la force ion-dipôle dépend de trois éléments : L'ampleur du moment dipolaire, la distance entre l'ion et la molécule, et la taille de la molécule polaire. En se basant sur l'équation, on peut voir pourquoi ces deux premiers éléments sont importants. La taille de la molécule affecte le rayon entre l'ion et la molécule, mais elle affecte également la facilité avec laquelle l'ion interagira avec elle. Si nous avons une grosse molécule avec de nombreuses liaisons, il sera plus difficile pour un ion de s'approcher de la molécule.

Exemples de forces ion-dipôle

Les forces ion-dipôle se retrouvent couramment dans les solutions où un composé ionique a été dissous dans un solvant polaire. L'exemple le plus courant est celui du sel dans l'eau.

Fig. 3 - Forces ion-dipôle entre le sel (NaCl) et l'eau

Le cation sodium (^Na+) attire l'oxygène (O) partiellement négatif, tandis que l'anion chlore (^Cl-) attire l'hydrogène (H) partiellement positif.

Dans ce type de solutions, le composé ionisé et le solvant polaire forment un "filet". Bien que cet exemple ne montre que 1 ion ^Na+ et 2 ions ^Cl-, en réalité, il y en aurait beaucoup , et chaque ion serait attiré par plusieurs molécules d'eau.

Forces dipolaires induites par les ions

Il existe un autre type de force ion-dipôle qui est plus faible que celle que nous avons examinée précédemment. Il s'agit des forces dipolaires induites par les ions.

Qu'entendons-nous par "répondre" ? Regardons un diagramme de l'interaction.

Fig. 4 - Un cation induit un dipôle dans une molécule non polaire.

Les électrons de la molécule sont attirés par le cation. Comme ces électrons sont attirés, la densité électronique se déplace. Maintenant qu'il y a plus d'électrons à gauche qu'à droite, un dipôle se forme.

Ces interactions seront beaucoup plus faibles, car la charge du dipôle induit dans une molécule non polaire est plus petite que la charge d'un dipôle dans une molécule polaire.