Baccalauréat international · IB Diploma · Chemistry · SL · Sujet 6
Cette fiche enseigne Structure 2.1, Le modèle ionique, pour le cours évalué pour la première fois en 2025. Tout le contenu est SL et HL.
Prérequis : configurations électroniques et groupes du tableau périodique de Structure 1.3. Vous utiliserez les valeurs d'enthalpie réticulaire de la booklet de données.
| English | Français |
|---|---|
| ionic model/aɪˈɒnɪk ˈmɒdl/ | modèle ionique |
| ion/ˈaɪɒn/ | ion |
Enfoncez deux électrodes dans le sel de table solide et aucun courant ne circule. Faites fondre le sel ou dissoutez-le dans l'eau, et il conduit immédiatement. Rien n'a été ajouté : les mêmes particules y sont présentes. Le modèle ionique explique cela par une seule idée : le sel est composé de particules chargées qui sont immobilisées dans le solide et libres de se déplacer dans le liquide.
Un ion est un atome ou un groupe d'atomes portant une charge électrique. Les atomes forment des ions en perdant ou en gagnant des électrons jusqu'à atteindre une configuration stable, généralement celle d'un gaz noble.
Dans un composé ionique, les électrons perdus par le métal sont ceux gagnés par le non-métal, de sorte que la charge totale est nulle.
Pour les éléments du groupe principal, le numéro du groupe indique la charge :
| Groupe | 1 | 2 | 13 | 15 | 16 | 17 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Électrons perdus ou gagnés | perte 1 | perte 2 | perte 3 | gain 3 | gain 2 | gain 1 |
| Charge de l'ion | $+1$ | $+2$ | $+3$ | $-3$ | $-2$ | $-1$ |
| Exemple | $\text{Li}^{+}$ | $\text{Mg}^{2+}$ | $\text{Al}^{3+}$ | $\text{N}^{3-}$ | $\text{O}^{2-}$ | $\text{F}^{-}$ |
Les éléments de transition peuvent former des ions avec différentes charges ; le nom indique alors la charge par un chiffre romain : fer(II) correspond à $\text{Fe}^{2+}$ et fer(III) à $\text{Fe}^{3+}$ ; cuivre(I) correspond à $\text{Cu}^{+}$ et cuivre(II) à $\text{Cu}^{2+}$.
Un ion polyatomique est un groupe d'atomes liés par des liaisons covalentes qui porte une charge globale. Apprenez ceux-ci :
| Ion | Formule | Ion | Formule |
|---|---|---|---|
| ammonium | $\text{NH}_4^{+}$ | carbonate | $\text{CO}_3^{2-}$ |
| hydroxyde | $\text{OH}^{-}$ | hydrogénocarbonate | $\text{HCO}_3^{-}$ |
| nitrate | $\text{NO}_3^{-}$ | sulfate | $\text{SO}_4^{2-}$ |
| phosphate | $\text{PO}_4^{3-}$ |
| English | Français |
|---|---|
| cation/ˈkætaɪən/ | cation |
| anion/ˈænaɪən/ | anion |
| transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ | élément de transition |
| polyatomic ion | ion polyatomique |
| ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ | liaison ionique |
| electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/ | attraction électrostatique |
| electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ | électronégativité |
Une liaison ionique est l'attraction électrostatique entre des ions de charges opposées. L'attraction s'exerce dans toutes les directions, de sorte que chaque ion attire tous les ions de charge opposée qui l'entourent, et non seulement un seul partenaire.
La liaison ionique se forme entre des éléments présentant une grande différence d'électronegativité : généralement un métal situé à gauche du tableau périodique et un non-métal à droite. Plus cette différence est grande, plus la liaison est ionique. (La structure 2.4 représente la liaison comme une échelle, et non comme trois cases distinctes.)
La formule indique le rapport le plus simple d'ions dont la charge totale est nulle.
| Ions | Bilan | Formule | Nom |
|---|---|---|---|
| $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+1) + 1 \times (-1) = 0$ | NaCl | chlorure de sodium |
| $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{MgCl}_2$ | chlorure de magnésium |
| $\text{Al}^{3+}$, $\text{O}^{2-}$ | $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ | $\text{Al}_2\text{O}_3$ | oxyde d'aluminium |
| $\text{Ca}^{2+}$, $\text{NO}_3^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{Ca(NO}_3)_2$ | nitrate de calcium |
| $\text{NH}_4^{+}$, $\text{SO}_4^{2-}$ | $2 \times (+1) + 1 \times (-2) = 0$ | $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ | sulfate d'ammonium |
Nommer d'abord le cation, puis l'anion. Un anion simple se termine par -ure : chlorure, oxyde, nitrure, sulfure. Un ion polyatomique conserve son nom propre : sulfate, nitrate. Indiquer la charge d'un métal de transition en chiffres romains : $\text{FeCl}_3$ correspond au chlorure de fer(III).
Les composés ioniques ne forment pas de molécules. Les ions s'empilent selon un arrangement régulier et répétitif tridimensionnel appelé réseau. La formule NaCl indique uniquement le rapport d'ions, 1 : 1, et non une molécule.
Dans le chlorure de sodium, chaque ion $\text{Na}^{+}$ est entouré de six ions $\text{Cl}^{-}$, et chaque ion $\text{Cl}^{-}$ est entouré de six ions $\text{Na}^{+}$.
L'enthalpie réticulaire est le changement d'enthalpie lorsqu'une mole d'un composé ionique solide est séparée en ses ions gazeux :
La rupture des attractions nécessite toujours de l'énergie, donc l'enthalpie réticulaire est toujours positive (endothermique). Une valeur plus grande signifie une liaison ionique plus forte.
Deux facteurs déterminent sa grandeur, car l'attraction entre deux ions est plus forte lorsque les charges sont plus élevées et que les ions sont plus proches :
| Composé | Ions | Enthalpie réticulaire / $\text{kJ mol}^{-1}$ | Raison |
|---|---|---|---|
| KCl | $\text{K}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 720 | $\text{K}^{+}$ est plus grand que $\text{Na}^{+}$ |
| NaCl | $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 790 | référence |
| NaF | $\text{Na}^{+}$, $\text{F}^{-}$ | 930 | $\text{F}^{-}$ est plus petit que $\text{Cl}^{-}$ |
| MgO | $\text{Mg}^{2+}$, $\text{O}^{2-}$ | 3791 | les deux charges sont doublées |
Exemple résolu. Expliquez pourquoi l'oxyde de magnésium fond à $2852\ ^{\circ}\text{C}$ mais le chlorure de sodium fond à $801\ ^{\circ}\text{C}$.
Les deux sont des réseaux ioniques géants, donc la fusion consiste à vaincre les attractions électrostatiques entre les ions. $\text{Mg}^{2+}$ et $\text{O}^{2-}$ portent deux fois les charges de $\text{Na}^{+}$ et $\text{Cl}^{-}$, et ils sont aussi plus petits. Ainsi, l'attraction entre les ions est beaucoup plus forte, l'enthalpie réticulaire est beaucoup plus grande (3791 contre $790\ \text{kJ mol}^{-1}$), et plus d'énergie est nécessaire pour séparer les ions.
| English | Français |
|---|---|
| lattice/ˈlætɪs/ | réseau cristallin |
| lattice enthalpy | enthalpie de réseau |
| volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ | volatilité |
Pour expliquer une propriété quelconque, nommez la structure, les particules, les forces entre elles, et s'il y a des particules chargées mobiles.
| Propriété | Comportement typique | Explication |
|---|---|---|
| point de fusion et d'ébullition | élevé ; faible volatilité | de nombreuses fortes attractions électrostatiques dans un réseau géant doivent être surmontées |
| conductivité électrique | aucune à l'état solide ; conduit lorsqu'il est fondu ou en solution | les ions sont fixés dans le solide ; ils peuvent se déplacer et transporter la charge lorsqu'ils sont fondus ou dissous |
| solubilité | souvent soluble dans l'eau, insoluble dans les solvants non polaires comme l'hexane | les molécules d'eau polaires attirent et entoureront les ions ; les molécules non polaires ne le peuvent pas |
| fragilité | se brise sous un choc | un coup déplace une couche pour aligner des charges identiques qui se repoussent |
Notez qu'un composé ionique conduit par le mouvement d'ions mobiles, et non par celui d'électrons. L'électrolyse d'un sel fondu le démontre : les ions migrent vers les électrodes où ils y sont déchargés.
Une propriété seule prouve rarement une structure. Un solide covalent géant comme le dioxyde de silicium a également un point de fusion très élevé, et certaines substances moléculaires simples sont solubles dans l'eau. Cherchez le motif complet : point de fusion élevé, et absence de conduction à l'état solide, et conduction à l'état fondu.
Exemple résolu. La substance X fond à $801\ ^{\circ}\text{C}$, ne conduit pas à l'état solide, conduit à l'état fondu et est soluble dans l'eau. La substance Y fond à $60\ ^{\circ}\text{C}$ et ne conduit ni à l'état solide ni à l'état liquide. Laquelle est ionique ?
X correspond à chaque partie du motif ionique : un point de fusion élevé dû à de fortes attractions dans un réseau, et une conduction uniquement lorsque les ions sont libres de se déplacer. Y ne correspond pas : son point de fusion bas et l'absence de conduction suggèrent une substance moléculaire simple avec de faibles forces entre des molécules neutres.
Compare solid, molten and dissolved NaCl. The same ions can be held at lattice sites or mobile; reversing the field changes their drift, not their charge.
Réponses.
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