Fiche de révision : Liaison ionique et cristaux

📋 Plan du Cours

1. Formation des ions et liaison ionique
2. Stabilité électronique et règle de l’octet
3. Bilan énergétique de la liaison ionique
4. Rayons ioniques et taille des ions
5. Mailles ioniques et coordination
6. Calcul des paramètres cristallins
7. Sels hydratés et eau de cristallisation
8. Propriétés des composés ioniques

📖 1. Formation des ions et liaison ionique

🔑 Notions clés & Définitions

• Réseau ionique : Un arrangement régulier et ordonné d’ions dans l’espace.
• Liaison ionique : L’attraction électrostatique entre des ions de charges opposées qui les maintient ensemble.
• Sel : Un composé ionique formé de cations métalliques et d’anions non métalliques associés en réseau ionique, les ions pouvant être monoatomiques ou polyatomiques.

★ À maîtriser

• Lors de la formation de NaCl, chaque atome de sodium cède un électron à un atome de chlore, qui le capte, ce qui forme les ions Na⁺ et Cl⁻.

• Dans un réseau ionique, les ions de charges opposées s’attirent et les ions de même charge se repoussent.

• La liaison ionique se forme typiquement entre un métal et un non-métal pour former un composé ionique appelé sel.

Compléments

• Lors de la synthèse du chlorure de sodium, le sodium fondu brûle dans le dichlore avec une vive lumière jaune et forme une poudre blanche de NaCl dans une réaction fortement exothermique.

📐 Formule - La réaction de synthèse du chlorure de sodium s’écrit $2\,\mathrm{Na}+\mathrm{Cl_2}\rightarrow 2\,\mathrm{NaCl}+Q$.

• Le sodium métallique est constitué d’atomes liés par liaison métallique, tandis que le dichlore gazeux est constitué de molécules Cl₂ dont les atomes sont liés par liaison covalente.

💡 Astuce mémo

Charges opposées s’attirent, charges identiques se repoussent

📖 2. Stabilité électronique et règle de l’octet

★ À maîtriser

• La stabilité particulière des gaz nobles est liée au remplissage complet de leur couche de valence.

📌 Selon la règle de l’octet, les atomes qui deviennent des ions tendent à obtenir huit électrons sur leur couche externe, comme le gaz noble le plus proche dans le tableau périodique.

Compléments

• Les gaz nobles sont chimiquement inertes et restent à l’état d’atomes isolés, contrairement aux autres éléments qui forment des liaisons chimiques.

• L’ion Na⁺ possède la même configuration électronique que le néon, soit 1s² 2s² 2p⁶.

• L’ion Cl⁻ possède la même configuration électronique que l’argon, soit 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.

📌 Les atomes dont le numéro atomique est voisin de celui de l’hélium tendent à obtenir deux électrons sur leur couche externe, comme l’hélium.

📖 3. Bilan énergétique de la liaison ionique

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie d’ionisation : L’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome de sodium gazeux; elle vaut +490 kJ/mol.
• Affinité électronique : L’énergie libérée lorsque l’atome de chlore gazeux capte un électron; elle vaut −349 kJ/mol.
• Énergie réticulaire : L’énergie libérée lors de l’association des ions en réseau; pour NaCl, elle vaut −768 kJ/mol.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour former les ions Na⁺ et Cl⁻ à l’état gazeux, la variation énergétique est $+490+(-349)=+141\ \mathrm{kJ/mol}$.

📐 Formule - La variation énergétique globale de formation de NaCl solide vaut $+141+(-768)=-627\ \mathrm{kJ/mol}$.

• La réaction spontanée exothermique s’explique par l’abaissement d’énergie dû à la formation du réseau ionique, et non par la seule obtention de l’octet.

Compléments

• Le transfert électronique du sodium au chlore est endothermique, car il présente un déficit énergétique de +141 kJ/mol.

💡 Astuce mémo

Association en réseau → libération d’énergie réticulaire

📖 4. Rayons ioniques et taille des ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon ionique : La contribution d’un ion à la distance entre deux ions voisins dans un réseau ionique.

★ À maîtriser

• Un cation est plus petit que l’atome neutre dont il dérive, car il perd des électrons et ses orbitales se contractent sous l’effet de l’excès de charge positive.

• Un anion est plus volumineux que l’atome neutre dont il dérive, car les électrons supplémentaires se repoussent.

Compléments

• La distance internucléaire entre deux ions voisins de charges opposées correspond à la somme de leurs rayons ioniques.

• La perte ou le gain d’électrons fait varier le volume de l’atome et rend les rayons ioniques différents des rayons atomiques correspondants.

💡 Astuce mémo

Cation rétréci, anion agrandi

📖 5. Mailles ioniques et coordination

🔑 Notions clés & Définitions

• Maille élémentaire : La plus petite association d’ions qui présente toutes les caractéristiques géométriques du réseau; sa répétition dans les trois dimensions engendre le réseau entier.

★ À maîtriser

• Dans la maille de type NaCl, les anions Cl⁻ occupent les sommets et les centres des faces du cube, tandis que les cations Na⁺ occupent les creux entre eux.

• La maille NaCl est cubique à faces centrées; elle contient quatre ions Na⁺ et quatre ions Cl⁻, soit quatre unités formulaires NaCl.

• Dans la maille NaCl, chaque ion Na⁺ est entouré de six ions Cl⁻ et chaque ion Cl⁻ de six ions Na⁺; les deux nombres de coordination valent 6.

• Dans la maille CsCl, les ions Cl⁻ occupent les sommets du cube et l’ion Cs⁺ son centre; la maille est cubique simple et contient une unité formulaire CsCl.

• Dans la maille CsCl, les nombres de coordination de Cs⁺ et de Cl⁻ valent tous deux 8.

• La maille CaF₂ contient quatre cations Ca²⁺ et huit anions F⁻, soit quatre unités formulaires CaF₂.

• Dans la maille CaF₂, le nombre de coordination de Ca²⁺ vaut 8 et celui de F⁻ vaut 4.

Compléments

• Quatorze types de mailles élémentaires décrivent les solides cristallins, et le cours étudie trois exemples cubiques à arêtes égales et angles droits de 90°.

• Le type de maille d’un composé dépend notamment du rapport entre le nombre de cations et d’anions ainsi que du rapport de leurs rayons.

📖 6. Calcul des paramètres cristallins

★ À maîtriser

• La longueur d’arête d’une maille NaCl peut être calculée à partir des rayons ioniques en additionnant les rayons le long de l’axe de contact: $a=2r(\mathrm{Cl^-})+2r(\mathrm{Na^+})=2\times181+2\times95=552\ \mathrm{pm}$.

Compléments

• La longueur d’arête ou d’une diagonale peut être déterminée à partir du volume de la maille, lequel peut être calculé à partir de la masse volumique si le type de maille est connu.

• La longueur d’arête d’une maille CsCl peut être calculée à partir des rayons ioniques en utilisant la grande diagonale du cube, le long de laquelle les ions se touchent.

📖 7. Sels hydratés et eau de cristallisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Eau de cristallisation : L’eau associée en proportion parfaitement définie aux ions d’un réseau cristallin.

★ À maîtriser

📌 Un sel hydraté contient de l’eau de cristallisation, tandis qu’un sel anhydre n’en contient pas.

• Chaque entité formulaire CuSO₄ du sulfate de cuivre(II) hydraté est associée à cinq molécules d’eau, et sa formule est CuSO₄ × 5 H₂O.

Compléments

• Le sulfate de cuivre(II) hydraté est bleu; chauffé, il devient une poudre blanche anhydre et libère de l’eau, puis l’ajout d’eau lui rend sa couleur bleue.

• Des exemples de sels hydratés sont : le chlorure de calcium dihydraté CaCl₂ × 2 H₂O, le sulfate de nickel(II) hexahydraté NiSO₄ × 6 H₂O, le sulfate de fer(II) heptahydraté FeSO₄ × 7 H₂O, le carbonate de sodium décahydraté Na₂CO₃ × 10 H₂O

• Les sels hydratés sont généralement hygroscopiques et fixent l’humidité de l’air dans leur réseau ionique; le chlorure de calcium est utilisé dans les absorbeurs d’humidité.

• 🔄 Le fonctionnement de la chaufferette suit ces étapes :

  1. Le chauffage au bain-marie dissout le sel dans son eau de cristallisation et liquéfie le contenu.
  2. Le refroidissement maintient le sel liquide dans un état de surfusion.
  3. La flexion de la pastille métallique déclenche la cristallisation exothermique et dégage de la chaleur.

• La chaleur libérée par la chaufferette correspond à l’énergie réticulaire libérée lorsque les ions acétate CH₃COO⁻ et sodium Na⁺ s’associent en réseau ionique.

📖 8. Propriétés des composés ioniques

★ À maîtriser

• À température ambiante, les sels sont solides, ont des températures de fusion élevées et sont durs et cassants.

📌 Les sels solides ne conduisent pas le courant électrique, tandis que les sels fondus ou dissous le conduisent.

Compléments

• La plupart des sels sont bien solubles dans l’eau.

💡 Astuce mémo

Solide isolant, fondu ou dissous conducteur

📊 Tableaux de synthèse

Coordination et contenu des mailles