Structure : comment les atomes sont disposés
Les atomes s'unissent en partageant ou en déplaçant des électrons. Dans une molécule, chaque atome place ses paires d'électrons (liaisons et doublets libres) aussi loin que possible les unes des autres, car les paires d'électrons se repoussent. Cette idée simple (appelée VSEPR) donne la forme.
Formes courantes
- Linéaire : CO2 (180 degrés).
- Coudée : H2O (environ 104.5 degrés), car deux doublets libres rapprochent les liaisons.
- Pyramide : NH3 (environ 107 degrés), un doublet libre.
- Tétraédrique : CH4 (109.5 degrés), quatre liaisons, aucun doublet libre.
Les grandes structures suivent les mêmes idées : le diamant est un énorme réseau d'atomes de carbone, un cristal de sel est une grille répétée d'ions.
Propriétés : ce que décident la forme et la charge
Certains atomes attirent les électrons partagés plus fort ; cette attraction s'appelle l'électronégativité. Si les attractions dans une molécule ne s'annulent pas, une extrémité est légèrement négative et l'autre légèrement positive. La molécule est polaire. Si les attractions s'annulent, comme dans CO2 droit ou CH4 tétraédrique, la molécule est apolaire.
Ce que cela change
- Les molécules polaires s'attirent davantage : l'eau bout à 100 °C alors que le méthane bout vers −162 °C.
- Qui se ressemble s'assemble : le sel et le sucre se dissolvent dans l'eau, pas l'huile.
- Les grands réseaux (diamant, silice) sont très durs et fondent à très haute température ; les métaux conduisent car leurs électrons circulent librement.
Énergie : énergie d'activation, chaleur et catalyseurs
Pour démarrer une réaction, les anciennes liaisons doivent d'abord se desserrer. Cela demande un coup de pouce minimal appelé énergie d'activation (Ea). Pense à une bille qui doit monter une colline avant de pouvoir redescendre.
Chaleur de réaction
Si les produits ont moins d'énergie que les réactifs, de la chaleur est libérée (exothermique, ΔH négatif). S'ils en ont plus, de la chaleur est absorbée (endothermique, ΔH positif). ΔH ne dépend pas de la hauteur de la colline.
Catalyseurs
Un catalyseur offre à la réaction un chemin plus facile, avec une colline plus basse. La réaction devient plus rapide, mais les énergies de départ et d'arrivée, donc ΔH, ne changent pas. Un catalyseur n'est pas consommé.
Équilibre : quand une réaction semble s'arrêter
Beaucoup de réactions sont réversibles : A ⇄ B. Au début, seule la réaction directe a lieu. Quand B s'accumule, la réaction inverse s'accélère. À l'équilibre, les deux vitesses sont égales, donc les quantités de A et de B restent constantes. Rien ne s'est arrêté ; les deux réactions continuent (l'équilibre est dynamique).
Constante d'équilibre
Pour A ⇄ B, K = [B] / [A]. Un K grand signifie surtout des produits ; un K petit, surtout des réactifs. K ne change qu'avec la température.
L'idée de Le Chatelier
Si tu perturbes un système à l'équilibre (ajout de A, changement de pression ou de température), il se déplace pour réduire la perturbation. Un catalyseur ne déplace pas l'équilibre ; il permet seulement de l'atteindre plus vite.
À essayer : voir la polarité avec un peigne
Frotte un peigne en plastique sur des cheveux secs. Ouvre un robinet pour qu'un mince filet d'eau coule. Approche le peigne du filet : l'eau se courbe vers lui, car les molécules d'eau sont polaires. Essaie maintenant avec un mince filet d'huile de cuisine : il bouge à peine. Dans la 3D, choisis tour à tour l'eau et le dioxyde de carbone et compare les valeurs affichées.
Formules et définitions clés
- Angles de liaison : CO2 180, NH3 environ 107, H2O environ 104.5, CH4 109.5 (degrés)
- Exothermique : produits plus bas que les réactifs, dH < 0
- Endothermique : produits plus hauts que les réactifs, dH > 0
- Pour A <-> B : K = [B] / [A]
- À l'équilibre : vitesse directe = vitesse inverse
Exemples résolus
1. Pourquoi le dioxyde de carbone est-il apolaire alors que chaque liaison C=O est polaire ?
CO2 est droit. Les deux attractions sont égales et de sens opposés, donc elles s'annulent. La molécule n'a ni pôle positif ni pôle négatif.
2. Un mélange réactionnel à l'équilibre a [A] = 0.2 mol/L et [B] = 0.6 mol/L pour A <-> B. Trouve K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. Les produits sont favorisés.
3. Un catalyseur abaisse l'énergie d'activation de 80 kJ à 50 kJ. Les réactifs sont 20 kJ au-dessus des produits. Quel est dH, et quelle est la nouvelle barrière directe ?
dH = produits moins réactifs = -20 kJ (exothermique), et le catalyseur ne le change pas. La nouvelle barrière est de 50 kJ.
Erreurs fréquentes
- Croire qu'un catalyseur change la quantité de produit à l'équilibre. Il change seulement la vitesse à laquelle l'équilibre est atteint.
- Dire qu'une réaction s'arrête à l'équilibre. Les réactions directe et inverse continuent à vitesses égales.
- Croire que des liaisons polaires donnent toujours une molécule polaire. La forme peut annuler les attractions (CO2).
- Confondre énergie d'activation et dH. L'une est la hauteur de la colline, l'autre est la différence entre le départ et l'arrivée.