Loi de Coulomb et force d'interaction

Définition et exemples de la force de Coulomb

En repensant à notre exemple du ballon, qu'est-ce qui a fait que le ballon s'est collé au mur ? C'était une force électrostatique, également connue sous le nom de force de Coulomb.

Fig. 1. Les ions s'attirent et se repoussent selon la loi de Coulomb.

Rappelle-toi que l'attraction entre les particules chargées négativement sur le ballon et le mur chargé positivement l'a fait "coller" ! Mais des forces répulsives sont également en jeu ici ! Le mur était initialement neutre, mais lorsque le ballon chargé négativement est approché, il repousse les électrons chargés négativement de la zone. Le mur est donc plus chargé positivement que le ballon, ce qui fait qu'il colle ! Ce seul exemple nous permet de comprendre les principes fondamentaux de la force de Coulomb : Les opposés s'attirent et les semblables se repoussent !

Maintenant, réfléchissons un instant à la façon dont ce concept de physique est important pour nous, chimistes, et à la raison pour laquelle il l'est. Qu'est-ce qui maintient les particules subatomiques d'un atome ensemble ? Comment se forment les liaisons chimiques ioniques ? Ce sont des questions différentes qui ont la même réponse : l'attraction électrostatique entre des particules chargées de façon opposée !

• Les atomes sont constitués de protons chargés positivement sur lesquels gravitent des électrons chargés négativement.
• Les liaisons ioniques sont constituées de cations chargés positivement et d'ions chargés négativement. Ces charges opposées sont attirées l'une par l'autre !

Nous passerons la majeure partie de notre temps à explorer ce que la loi de Coulomb nous dit sur l'énergie impliquée dans les liaisons ioniques. Pour ce faire, nous devons d'abord connaître la loi de Coulomb d'un point de vue mathématique et savoir ce qu'elle signifie !

Équation de la force de Coulomb

L'équation généralement associée à la force de Coulomb est \NF={k}\frac{q_1 q_2}{r^{2}}\Nmais comme nous nous intéressons à l'énergie associée aux liaisons ioniques, nous pouvons utiliser l'équation suivante

\N- E={k}\frac{q_1 q_2}{r} \N]

Décomposons ces différentes variables.

E = énergie nécessaire pour séparer les ions (force d'attraction et de répulsion).

Q1_{et Q2} = la charge du cation et de l'anion

r = désigne la distance entre les noyaux des deux ions (longueur de la liaison)

k = constante de Coulomb, sans rapport avec la chimie.

Cette équation est l'expression mathématique qui soutient la loi de Coulomb. Maintenant que nous connaissons certains aspects fondamentaux de la force de Coulomb, nous pouvons redéfinir la loi de Coulomb en fonction de cette équation. Tout d'abord, que nous apprend cette équation sur les liaisons ioniques et les particules chargées en général ?

1. Elle montre une relation proportionnelle entre l'ampleur des charges et la force de la liaison ionique.
2. Elle montre une relation inversement proportionnelle entre la distance entre les ions et la force de la liaison ionique.

L'ampleur de la force de Coulomb

Que calculons-nous donc lorsque nous déterminons l'ampleur d'une force ou, dans ce cas, l'ampleur de l'énergie dans une liaison ionique ? Nous examinons la force des interactions entre les cations et les anions.

D'après ce que nous avons déjà couvert, cela signifie que la force de la liaison ionique dépend de deux facteurs :

1. la charge des ions: lorsque les charges augmentent, les ions sont plus fortement attirés l'un vers l'autre, ce qui augmente la force ionique.

2. la taille des ions : plus la taille augmente, plus la distance internucléaire entre les ions augmente, ce qui diminue la force ionique.

Pour tester tes connaissances, essayons de les appliquer en comparant la force de deux liaisons ioniques !

Nous pouvons également utiliser la loi de Coulomb pour estimer l' énergie de réseau des composés ioniques.

Continuons à examiner les différentes applications de la loi de Coulomb en chimie !

Applications de la force de Coulomb

Nous savons déjà que l'une des applications les plus importantes des forces de Coulomb est la force d'interaction des liaisons ioniques et l'énergie du réseau, mais les forces de Coulomb sont partout, alors il y a quelques autres applications qui valent la peine d'être mentionnées !

1. Énergie du réseau et solubilité

• L'énergie du réseau a un impact direct sur la solubilité d'un solide ionique. Plus la liaison ionique est forte, moins elle est soluble. Selon la loi de Coulomb, s'il faut plus d'énergie pour séparer des ions, c'est que les ions ont une charge élevée et sont proches les uns des autres. S'il est plus difficile pour les ions d'être séparés, n'est-il pas logique qu'il y ait moins de chances que les ions s'attachent aux molécules d'eau ?

2. Énergie d'ionisation

• Les forces de Coulomb s'appliquent également à l'énergie d'ionisation des ions.

Les mêmes principes de distance et de charge s'appliquent aux éléments, sauf entre les électrons chargés négativement et un noyau chargé positivement. Plus la distance entre le noyau et les électrons de valence est grande, et plus la charge du noyau est faible, moins il faut d'énergie pour enlever l'électron.

Force de recharge de Coulomb

La loi de Coulomb comprend les forces d'attraction entre les charges opposées et les forces de répulsion entre les charges similaires. On peut dire que les forces d'attraction entre les particules chargées de façon opposée sont très importantes et répandues dans toute la chimie. C'est pourquoi nous avons consacré la majeure partie de notre temps à ces forces. Cependant, les forces répulsives existent dans des situations telles que l'expulsion électron-électron et même à l'intérieur du noyau entre les protons chargés positivement.

Tu devrais maintenant connaître la loi de Coulomb et savoir comment l'utiliser pour comprendre les liaisons ioniques et leur force. Pour plus d'exemples sur la façon d'appliquer le concept de la force de Coulomb aux liaisons ioniques, travaille avec les flashcards !