Forces intermoléculaires et chimie des solutions

Jeu de cartes de vocabulaire scientifique couvrant les interactions intermoléculaires (forces de Van der Waals, liaisons hydrogène), les propriétés physico-chimiques des solvants et leurs applications pratiques (extraction, recristallisation, chromatographie, catalyse).

Permittivité relative ($\varepsilon_r$)

Grandeur sans dimension, également appelée constante diélectrique, modélisant l'affaiblissement des interactions électrostatiques entre édifices chargés au sein d'un milieu matériel ou d'un solvant.

Interaction ion - dipôle mobile

Interaction électrostatique attractive entre un ion de charge $Ze$ et une molécule polaire de moment dipolaire $\mu$ en rotation thermique, dont l'énergie moyenne varie en $-\frac{1}{r^4}$ et est inversement proportionnelle à la température $T$.

Interaction de Keesom

Interaction de Van der Waals attractive s'exerçant entre deux molécules polaires possédant des moments dipolaires permanents, dont l'énergie dans le vide varie en $-\frac{1}{r^6}$ et diminue lorsque la température augmente.

Moment dipolaire induit ($\mu^*$)

Moment dipolaire temporaire apparaissant au sein d'une molécule apolaire sous l'effet du champ électrique $E$ généré par une molécule voisine, défini par la relation $\mu^* = \alpha E$.

Polarisabilité ($\alpha$)

Grandeur positive mesurant la facilité avec laquelle le nuage électronique d'une molécule se déforme sous l'effet d'un champ électrique extérieur, s'exprimant en $C\,V^{-1}\,m^2$.

Volume de polarisabilité ($\alpha'$)

Grandeur définie par $\alpha' = \frac{\alpha}{4\pi\varepsilon_0}$, possédant la dimension d'un volume ($m^3$) et du même ordre de grandeur que le volume réel de la molécule.

Interaction de Debye

Interaction attractive de Van der Waals établie entre un dipôle permanent et un dipôle induit, dont l'énergie potentielle d'interaction varie en $-\frac{1}{r^6}$.

Interaction de London

Interaction de dispersion de Van der Waals résultant de l'attraction moyenne non nulle entre des dipôles instantanés et induits créés par la fluctuation électronique au sein de molécules apolaires, avec une énergie variant en $-\frac{1}{r^6}$.

Potentiel de Lennard-Jones

Modèle décrivant l'énergie globale d'interaction entre deux molécules sous la forme $U(r) = \frac{A}{r^{12}} - \frac{C}{r^6}$, combinant les répulsions à courte portée ($\frac{A}{r^{12}}$) et l'attraction globale de Van der Waals ($-\frac{C}{r^6}$).

Distance d'équilibre de Van der Waals ($r_{\text{éq}}$)

Distance séparant les centres de deux molécules au minimum de la fonction d'énergie de Lennard-Jones, donnée par $r_{\text{éq}} = \left(\frac{2A}{C}\right)^{1/6}$ et égale à la somme de leurs rayons de Van der Waals.

Liaison hydrogène

Interaction attractive directionnelle (angle d'environ $180^\circ$) entre un groupe $A-H$ et un atome $B$, où $A$ et $B$ sont très électronégatifs ($O$, $N$, $F$) et $B$ possède un doublet non liant, d'énergie comprise entre $10$ et $40\,kJ\,mol^{-1}$.

Liaison hydrogène intramoléculaire

Liaison hydrogène s'établissant au sein d'une même molécule au détriment des interactions intermoléculaires, ce qui diminue la cohésion du milieu et abaisse les températures de fusion et d'ébullition par rapport aux isomères établissant des liaisons intermoléculaires.

Clathrate

Structure en forme de cage formée par des molécules d'eau reliées par des liaisons hydrogène, capable d'emprisonner des molécules ou des ions en solution aqueuse.

Liaison O-H liée (spectroscopie IR)

Liaison $O-H$ affaiblie par son engagement dans un réseau de liaisons hydrogène en phase condensée, conduisant à une bande d'absorption infrarouge large vers $3300\,cm^{-1}$ au lieu d'un pic fin vers $3600\,cm^{-1}$ en phase gazeuse.

Solvant dissociant

Solvant possédant une permittivité relative élevée ($\varepsilon_r > 40$ pour un solvant totalement dissociant), diminuant l'attraction mutuelle entre ions pour les séparer à l'état d'ions indépendants.

Solvant ionisant

Solvant constitué de molécules dotées d'un fort moment dipolaire, capable d'accentuer les charges partielles d'un soluté partiellement ionique pour le scinder en paires d'ions.

Solvant protique

Solvant composé de molécules possédant au moins un atome d'hydrogène polarisé positivement capable de se comporter comme donneur de proton $H^+$ ou de former des liaisons hydrogène (ex. : $H_2O$, alcools, acides carboxyliques).

Solvant aprotique

Solvant dont les molécules ne possèdent pas d'atome d'hydrogène mobile ou fortement polarisé positivement apte à établir des liaisons hydrogène (ex. : acétone, DMSO, cyclohexane).

Solvatation

Étape de mise en solution consistant en l'établissement d'interactions attractives stabilisantes (telles que des interactions ion-dipôle ou liaisons hydrogène) entre les molécules de solvant et les espèces dissoutes.

Électrolyte fort

Substance ionique ou partiellement ionique dont la dissolution s'accompagne d'une transformation totale en ions solvatés libres dans le solvant.

Électrolyte faible

Substance dont la dissolution conduit à un état d'équilibre entre des espèces ioniques solvatées et la forme moléculaire non dissociée électriquement neutre.

Extraction liquide-liquide

Opération unitaire de séparation consistant à transférer sélectivement un soluté présent dans un solvant initial $S$ vers un solvant d'extraction non miscible $S'$ dans une ampoule à décanter.

Coefficient de partage ($K_0$)

Constante thermodynamique de l'équilibre de répartition d'une espèce $A$ entre deux phases liquides non miscibles ($A_{(S)} \rightleftharpoons A_{(S')}$), définie par $K_0 = \frac{[A]_{S'\,\text{éq}}}{[A]_{S\,\text{éq}}}$.

Recristallisation

Méthode de purification de solides fondée sur le fait que le composé à purifier doit être très soluble à chaud et peu soluble à froid dans le solvant sélectionné, tandis que les impuretés restent solubles à froid ou sont insolubles à chaud.

Chromatographie sur Couche Mince (CCM)

Technique analytique et séparative fondée sur la différence d'affinité des composants d'un mélange entre une phase stationnaire polaire (ex. : silice) et une phase mobile liquide appelée éluant.

Rapport frontal ($R_f$)

Grandeur sans dimension en CCM définie par le rapport entre la distance parcourue par la substance ($d_{\text{sub}}$) et la distance parcourue par le front du solvant ($d_{\text{sol}}$), soit $R_f = \frac{d_{\text{sub}}}{d_{\text{sol}}}$.

Liquide ionique

Sel associant un petit anion et un cation organique volumineux, caractérisé par une température de fusion inférieure à $100\,^\circ C$, une pression de vapeur saturante quasi nulle et une faible volatilité.

Catalyse par transfert de phase (CTP)

Procédé utilisant un ion ammonium quaternaire amphiphile ($R_4N^+$) non consommé pour transporter un réactif anionique depuis une phase aqueuse vers une phase organique non miscible contenant le substrat.