R.C. Smith
C’était l’un de mes types de questions préférés lors de mon premier apprentissage de la physique de la chimie. La réponse est qu’il y a plusieurs raisons pour lesquelles le chlorure de sodium (NaCl) se dissout dans l’eau mais pas le dioxyde de silicium.
- i) Le chlorure de sodium
Permettons d’abord de penser au chlorure de sodium (NaCl), plus communément appelé sel, ou sel de table.
Le NaCl est un composé ionique. En fait, nous pouvons le décrire en fonction de sa structure ionique géante. La structure ionique du NaCl est si grande que nous ne savons pas exactement combien d’ions il y a. Les composés ioniques géants tels que le NaCl sont potentiellement constitués de milliards, voire de trillions d’ions sodium et d’ions chlorure comprimés ou compactés ensemble. Pour cette raison, certains le décrivent comme un réseau infini, ou se répétant à l’infini, d’ions, de telle sorte que le nombre d’ions dépend de la taille du cristal.
En outre, la structure ionique géante du NaCl peut être considérée comme assez différente des molécules plus communément structurées, qui contiennent une recette exacte d’atomes. C’est pourquoi le NaCl est considéré comme un cas classique de liaison ionique, dans lequel les atomes transfèrent ou partagent des électrons de valence. On peut visualiser cela à l’aide d’un diagramme de Lewis :
Le chlorure de sodium présente un composé ionique fort. Pour invoquer la physique, on peut dire que c’est parce qu’il existe une forte force électrostatique entre les ions de charge opposée (cations et annions). Cela est généralement vrai lorsque les métaux (dans ce cas, le sodium) réagissent avec des non-métaux (dans ce cas, le chlorure).
Nous pouvons expliquer ces forces électrostatiques, ainsi que la force du composé ionique des chlorures de sodium, en citant la loi de Coulomb. Cette loi de la physique décrit la force de la force entre deux particules statiques chargées électriquement.
Malgré la force de son composé ionique, le NaCl se dissout dans H2O. La réaction ressemble à ceci :
NaCl(solide) + H2O -> Na+(aqueux) + Cl-(aqueux) + H2O
Notez qu’il y a dissociation. La raison pour laquelle le sodium et le chlorure se dissocient est liée à un certain nombre de facteurs :
Premièrement, l’eau est une molécule polaire. En fait, elle est très polaire. Cela signifie qu’une molécule d’eau présente une disposition asymétrique de charges positives partielles et de charges négatives partielles qui forment des liaisons polaires (vous trouverez ci-dessous un schéma que j’ai esquissé à des fins d’illustration).
Comme nous le savons, l’eau est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Les liaisons atomiques dans H2O sont des liaisons covalentes, ce qui signifie que les électrons sont partagés. Il en résulte que les électrons qui restent plus proches de l’atome d’oxygène reçoivent une charge négative, tandis que l’atome d’hydrogène a tendance à avoir une charge positive.
Le NaCl, quant à lui, est composé d’ions sodium positifs et d’ions chlorure négatifs. Par conséquent, les extrémités polaires de la molécule d’eau attirent leurs parties de charge opposée du NaCl. De façon plus concise, les molécules d’eau chargées positivement attirent les ions chlorure négatifs et les molécules d’eau chargées négativement attirent les ions sodium positifs.
La raison pour laquelle le sel se dissout dans l’eau est donc due à la façon dont, les ions sodium chargés positivement sont attirés par la zone polaire négative de la molécule d’eau. De même, les ions chlorure chargés négativement sont attirés par la zone polaire positive de la molécule d’eau. Ces forces d’attraction avec la molécule d’eau écrasent les forces entre les ions sodium positifs et les ions chlorure négatifs, ainsi la dissociation se produit et le composé ionique de NaCl passe en solution.
- ii) Le dioxyde de silicium
Mais qu’en est-il du dioxyde de silicium (SiO2) ?
Le dioxyde de silicium a une structure covalente géante. Cette structure covalente, ou macromolécules, est composée d’atomes d’oxygène et de silicium.
Le composé composé de silicium et d’oxygène pour former SiO2 a un rapport de deux atomes d’oxygène pour chaque atome de silicium. De manière plus concise, chaque atome de silicium est lié de manière covalente à quatre atomes d’oxygène, tandis que chaque atome d’oxygène est lié de manière covalente à deux atomes de silicium. En général, les liaisons covalentes se forment lorsque l’élément partage ses quatre électrons de valence, ns2np2, ce qui entraîne la formation de quatre liaisons covalentes (Clugston et Flemming, 2015).
Le dioxyde de silicium, ou silice, est très dur. D’où sa structure en diamant. Cela tient à la force des liaisons covalentes, avec des atomes d’oxygène entre chaque paire d’atomes de silicium. Cette force dépend largement de l’électronégativité des atomes dans la mesure où l’électronégativité est la force entre les électrons partagés dans la liaison covalente entre les atomes de silicium et d’oxygène.
En outre, le SiO2 n’est pas une molécule. C’est un solide atomique covalent en réseau. Ce réseau géant d’atomes liés par covalence peut être illustré pour ressembler à quelque chose comme un réseau covalent 3D :
En ce que SiO2 est un solide atomique covalent en réseau (dans des conditions normales), cette structure covalente géante possède des liaisons covalentes très fortes. Ces liaisons sont diffuses ou réparties dans toute la structure.
La raison pour laquelle il y a une forte électronégativité a à voir avec les atomes d’oxygène, qui fournissent une force d’attraction plus forte sur les électrons que les atomes de silicium, acquérant une charge négative partielle. Les électrons sont également très compacts, ce qui signifie que le SiO2 n’est pas conducteur (sauf à la température de fusion). D’autre part, SiO2 a une énergie de réseau élevée.
Tout cela joue dans la raison pour laquelle le dioxyde de silicium n’est pas soluble dans l’eau. En ce qui concerne la liaison en particulier, le SiO2, ou sable siliceux, est insoluble parce que les forces d’attraction des molécules d’eau ne sont pas assez fortes pour rompre les liaisons covalentes entre les atomes de silicium et d’oxygène. En termes plus précis, il n’existe aucune attraction entre les molécules d’eau polaires et les atomes de silicium ou d’oxygène en raison de la non-polarité du SiO2. En effet, bien que les liaisons silicium-oxygène soient très polaires, la géométrie de la molécule – il y a quatre liaisons silicium-oxygène qui annulent le dipôle – fait que les moments dipolaires s’annulent, ce qui entraîne la non-polarité.
En conclusion, alors que le chlorure de sodium (NaCl) se dissout dans l’eau en raison des forces d’attraction avec les molécules d’eau polaires qui écrasent les forces entre les ions sodium positifs et les ions chlorure négatifs, ce qui entraîne la dissociation ; le dioxyde de silicium (SiO2) ne se dissout pas car il s’agit d’une structure covalente géante dans laquelle les moments dipolaires s’annulent, ce qui entraîne la non-polarité.
Atkins, P., et De Paula, J. (2013). Éléments de physique-chimie. Oxford University Press. Oxford, Royaume-Uni.
Chemguide : http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/giantcov.html
Clayden, J. Greeves, N., Warren, S. (2012). Chimie organique. Oxford University Press. Oxford, UK.
Clugston, M., et Flemming, R. (2015). Chimie avancée. Oxford University Press. Oxford, UK.
Hyperphysique : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/NaCl.html#c1
Lister, T. et Renshaw, J.. (2015). AQA Chemistry. Oxford University Press. Oxford, Royaume-Uni.
Weller, M., Overton, T., Rourke, J. et Armstrong, F. (2014). Chimie inorganique. Oxford University Press. Oxford, UK.