Vidéo de la leçon: Solvants polaires et apolaires Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les solvants polaires et apolaires. Nous allons examiner comment les forces intermoléculaires, entre les molécules, influencent la solubilité, et nous allons déterminer le sens de l’expression « le semblable dissout le semblable ». Avant d’examiner les interactions des solvants polaires et apolaires, voyons d’abord quelques concepts clés.

L’électronégativité est la tendance d’un atome à attirer les électrons partagés dans une liaison. En regardant le tableau périodique, l’électronégativité augmente généralement quand on monte dans un groupe et quand on va de gauche à droite sur une période. L’échelle d’électronégativité de Pauling, une échelle sans unité, qui va de zéro à quatre, nous donne un moyen de quantifier l’électronégativité des atomes. Le fluor a l’électronégativité la plus élevée, avec la valeur de 3,98, tandis que des éléments comme le potassium ont des valeurs d’électronégativité beaucoup plus petites. La différence d’électronégativité entre des atomes liés entre eux peut servir à déterminer si la liaison aura des caractéristiques plutôt ioniques, polaires ou apolaires.

Quand la différence d’électronégativité entre deux atomes liés est inférieure à 0,4, la liaison aura tendance à être apolaire. Quand la différence d’électronégativité entre deux atomes liés est supérieure à 1,8, la liaison aura tendance à être ionique. Et quand la différence d’électronégativité entre deux atomes liés est comprise entre 0,4 et 1,8, la liaison aura tendance à être polaire. Dans une liaison ionique, la différence d’électronégativité est si grande que l’atome le plus électronégatif devient un ion de charge négative et l’atome le moins électronégatif devient un ion de charge positive. Le chlorure de sodium est un exemple de composé qui présente une liaison ionique.

Dans une liaison polaire, les électrons de la liaison sont partagés de façon inégale et sont attirés vers l’atome le plus électronégatif. Le résultat est que l’atome le plus électronégatif a une charge partielle négative représentée par le symbole 𝛿-, tandis que l’atome le moins électronégatif a une charge partielle positive représentée par le symbole 𝛿+. Une flèche peut être utilisée pour représenter le côté partiellement négatif et le côté partiellement positif de la liaison. L’acide chlorhydrique est un exemple de composé contenant une liaison polaire.

Dans une liaison apolaire, les électrons de la liaison sont partagés de manière égale entre les deux atomes. Donc, aucun des deux atomes n’a de charge partielle positive ou négative. Une molécule de chlore contient une liaison apolaire. Quand une molécule ne contient que deux atomes, comme les exemples présentés ici, il est assez facile de déterminer si la molécule aura tendance à être polaire ou apolaire en utilisant des différences d’électronégativité. Mais quand la molécule contient plus de deux atomes, c’est un peu plus compliqué.

Une molécule polaire contient des liaisons polaires et aura une densité électronique non uniforme. Cela veut dire que certaines régions de la molécule auront une charge partielle négative, tandis que d’autres régions de la molécule auront une charge partielle positive. Les molécules polaires incluent par exemple l’eau et le méthanal, qu’on appelle couramment formaldéhyde. Les molécules apolaires peuvent contenir des liaisons polaires ou apolaires, mais leur densité électronique doit être uniforme. En général, si tous les atomes de la molécule sont identiques, si la molécule ne contient que des atomes de carbone et d’hydrogène, ou si les liaisons polaires sont distribuées de manière symétrique, la molécule sera apolaire.

Maintenant que nous savons reconnaître les molécules polaires et apolaires, examinons la solubilité de ces substances les unes dans les autres. La solubilité est la tendance d’une substance à se dissoudre dans un solvant pour former une solution. Considérons deux récipients contenant de l’eau. Dans le premier récipient, nous ajoutons de l’huile végétale. Et dans le deuxième récipient, nous ajoutons de l’alcool isopropylique. L’eau et l’huile ne se mélangent pas pour former une solution. Nous pouvons décrire l’eau et l’huile comme étant non miscibles, incapables de se mélanger pour former une solution. L’alcool isopropylique et l’eau se mélangent pour former une solution. Nous pouvons décrire l’eau et l’alcool isopropylique comme étant miscibles, capables de se mélanger pour former une solution. Mais pourquoi l’huile et l’alcool isopropylique se comportent-ils différemment quand ils sont mélangés à de l’eau ?

Pour comprendre ce qui se passe, nous devons jeter un coup d’œil aux forces intermoléculaires. Les forces intermoléculaires sont des forces électrostatiques entre les molécules. Comme nous l’avons dit plus tôt dans la vidéo, les molécules apolaires, comme par exemple une molécule de brome, n’ont pas de régions avec des charges partielles. Malgré cela, deux molécules apolaires auront tout de même une petite attraction électrostatique entre elles. Cette attraction électrostatique, appelée force de dispersion, est due au mouvement aléatoire des électrons dans la molécule et sera traitée plus en détail dans une autre vidéo.

Les molécules polaires, par contre, ont bien des régions avec des charges partielles positives et négatives. Quand deux molécules polaires sont proches l’une de l’autre, il se produit donc une attraction électrostatique entre la charge partielle positive d’une molécule et la charge partielle négative de l’autre molécule. Une force intermoléculaire encore plus intense se produit entre certaines molécules polaires contenant un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor. Il y a une très grande différence d’électronégativité entre un atome d’hydrogène et un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor. Cette grande différence d’électronégativité se traduit par des charges partielles négatives et positives plus prononcées.

L’atome d’hydrogène d’une molécule, qui a une grande charge partielle positive, subit une forte attraction électrostatique vers les électrons du doublet non liant d’un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor d’une autre molécule. Cette très forte attraction électrostatique est appelée liaison hydrogène, et elle se produit entre un donneur de liaison hydrogène, qui est une molécule avec un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor, et un accepteur de liaison hydrogène, qui est une molécule contenant un atome d’oxygène, d’azote, ou de fluor avec un doublet non liant.

Avec cette compréhension des forces intermoléculaires, revenons à l’exemple de l’huile et de l’alcool isopropylique mélangés avec de l’eau. Nous venons d’apprendre que les molécules d’eau sont polaires et présentent une liaison hydrogène avec d’autres molécules d’eau. L’huile végétale est constituée de triglycérides, que nous allons abréger TG. Les triglycérides sont des composés qui contiennent trois fonctions esters avec de grandes chaînes hydrocarbonées, et ils sont apolaires. Cela signifie que les triglycérides ont entre eux des forces électrostatiques faibles. Une molécule de triglycéride et une molécule d’eau présentent bien des attractions électrostatiques entre elles. Cette attraction électrostatique est plus forte que l’attraction entre deux molécules de triglycérides, mais elle est beaucoup plus faible que l’attraction entre deux molécules d’eau.

Comme les molécules d’eau sont plus fortement attirées entre elles que par les triglycérides, les deux substances ne se mélangent pas. Les molécules d’alcool isopropylique, comme les molécules d’eau, sont polaires et peuvent former des liaisons hydrogène avec d’autres molécules d’alcool isopropylique. Les molécules d’eau et d’alcool isopropylique peuvent également former des liaisons hydrogène entre elles. Cette attraction intermoléculaire est similaire à celle que chaque substance avait seule, et les deux liquides se mélangent.

En général, les solutés et les solvants qui présentent des forces intermoléculaires similaires, et d’une intensité similaire, ont de grandes chances de se dissoudre les uns dans les autres. Nous exprimons souvent cette généralisation avec l’expression « le semblable dissout le semblable », ce qui signifie que les solutés apolaires ont tendance à se dissoudre dans les solvants apolaires et que les solutés polaires ont tendance à se dissoudre dans les solvants polaires. Les solutés ioniques ont également tendance à se dissoudre dans les solvants polaires. Un échantillon de chlorure de sodium contient des cations sodium, de charge positive, et des anions chlorure, de charge négative, qui ont des attractions électrostatiques entre eux. Quand ils sont ajoutés à de l’eau, les ions chlorure de charge négative interagissent avec les régions de charge partielle positive des molécules d’eau. Et les ions sodium de charge positive interagissent avec les régions de charge partielle négative des molécules d’eau. Les ions se dissocient les uns des autres et s’entourent de molécules d’eau, formant ainsi une solution.

Il est important de noter que les solutés ioniques ne se dissolvent pas tous dans les solvants polaires. Pour que les solutés ioniques soient solubles dans les solvants polaires, les nouvelles interactions électrostatiques formées doivent être plus fortes. Maintenant que nous avons examiné la solubilité des substances dans les solvants polaires et apolaires, faisons une liste de quelques solvants courants parmi lesquels nous pouvons choisir.

Les solvants apolaires courants comprennent l’hexane, le benzène et le tétrachlorure de carbone. Les solvants polaires peuvent être classés comme protiques ou aprotiques. Les molécules de solvant protique contiennent un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor et présentent une liaison hydrogène. Le terme « protique » indique que ces molécules sont des donneurs de protons, d’ions hydrogène. Les solvants protiques comprennent par exemple l’eau, l’éthanol et l’acide méthanoïque, couramment appelé acide formique. Le a- dans « aprotique » signifie « non ». Ainsi, les solvants aprotiques ne contiennent pas d’atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor ; ils ne présentent pas de liaison hydrogène avec d’autres molécules de solvant aprotique, ils ne sont pas donneurs de protons. Les solvants polaires aprotiques comprennent par exemple le dichlorométhane, la propanone, couramment appelée acétone, et le tétrahydrofurane.

Il est souvent utile de voir la polarité des solvants comme une échelle continue. Certains solvants peuvent être considérés comme extrêmement polaires ou apolaires, mais la plupart des solvants se situent entre les deux. Certains composés peuvent même présenter des caractéristiques polaires et apolaires en même temps. Prenons par exemple l’éthanol et le pentanol, deux alcools. Bien que les deux molécules aient une structure similaire, l’éthanol est miscible dans l’eau, mais pas le pentanol. Nous pouvons voir que les deux molécules contiennent un atome d’oxygène lié à un atome d’hydrogène, un groupe qui est polaire et qui peut former des liaisons hydrogène. Nous voyons également que les deux molécules contiennent une partie hydrocarbonée apolaire. Comme le pentanol n’est pas miscible dans l’eau, la longue chaîne hydrocarbonée apolaire doit avoir une plus forte influence sur la solubilité que le groupe polaire OH.

En général, on peut constater que pour les alcools et acides carboxyliques à chaîne courte, la partie polaire de la molécule contribue davantage aux caractéristiques générales du soluté que la partie apolaire. De ce fait, ces molécules ont tendance à se dissoudre dans l’eau. Mais à mesure que la longueur de la chaîne carbonée augmente, la molécule tend à présenter plus de caractéristiques apolaires. Ainsi, les alcools et acides carboxyliques à chaîne longue ont tendance à être non miscibles dans l’eau. Maintenant que nous avons étudié la solubilité des substances dans les solvants polaires et apolaires, examinons une question.

Lequel des énoncés suivants décrit le brome qui se dissout dans l’hexane ? (A) Une substance apolaire qui se dissout dans un solvant polaire. (B) Une substance polaire qui se dissout dans un solvant apolaire. (C) Une substance polaire qui se dissout dans un solvant polaire. (D) Une substance apolaire qui se dissout dans un solvant apolaire.

Tout d’abord, définissons les termes polaire et apolaire. Une molécule polaire a une densité électronique non uniforme. Cela signifie que certaines parties de la molécule ont une charge partielle négative et que d’autres parties de la molécule ont une charge partielle positive. Les molécules apolaires ont une densité électronique uniforme. C’est le cas lorsque les électrons sont partagés de manière égale dans toutes les liaisons de la molécule ou quand les liaisons polaires de la molécule sont distribuées de manière symétrique. Le brome est une molécule diatomique composée de deux atomes de brome avec une liaison simple. Comme les atomes sont les mêmes, ils ont la même électronégativité. Cela signifie que les électrons de la liaison sont partagés de manière égale entre les deux atomes de brome. Donc, la molécule de brome est apolaire.

Comme le brome est la substance qui est dissoute, nous pouvons éliminer les réponses (B) et (C). L’hexane, de formule chimique C6H14, ne contient que des atomes de carbone et d’hydrogène. L’électronégativité d’un atome de carbone est très proche de celle d’un atome d’hydrogène. Puisque les électronégativités sont très similaires, nous pouvons considérer que les électrons d’une liaison carbone-hydrogène sont partagés de façon égale. Comme une molécule d’hexane ne contient que des liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène apolaires, l’hexane est apolaire. Par conséquent, l’énoncé qui décrit le brome se dissolvant dans l’hexane est la réponse (D), une substance apolaire qui se dissout dans un solvant apolaire.

Maintenant, résumons cette vidéo avec les points clés. Les solvants apolaires ont une densité électronique uniforme, contrairement aux solvants polaires. La densité électronique d’un solvant polaire étant non uniforme, la molécule a des régions de charges partielles positives et négatives. L’expression « le semblable dissout le semblable » peut être utilisée pour prédire quels solutés ont tendance à se dissoudre dans quels solvants. En général, les solutés polaires ont tendance à se dissoudre dans les solvants polaires et les solutés apolaires ont tendance à se dissoudre dans les solvants apolaires.

Les substances, en particulier les liquides, qui se mélangent pour former une solution sont miscibles. Les substances qui ne se mélangent pas pour former une solution sont non miscibles. Les solvants peuvent être classés parmi les solvants apolaires, polaires protiques et polaires aprotiques. Les solvants polaires protiques peuvent former des liaisons hydrogène, et les solvants polaires aprotiques ne le peuvent pas. En effet, les solvants polaires protiques contiennent un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor.