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Université du Maine ‐ Faculté des Sciences L’eau 1/4 1 L'eau - H2O I - La moléc

Université du Maine ‐ Faculté des Sciences L’eau 1/4 1 L'eau - H2O I - La molécule H2O En utilisant la méthode VSEPR on trouve que cette molécule est tétraédrique avec 2 doublets non liants (type AX2E2, les doublets sont en rouge) Les études spectroscopiques ont montré que la distance c O H r d 0.96Å ( 1.19Å) avec =104.5°     La méthode VSEPR a été décrite dans la partie dédiée à la Liaison Chimique. II - Etat physique - Constantes physiques. 1. Eau vapeur : les propriétés de la molécule (déjà décrites dans la liaison chimique) sont essentiellement celles de l'eau vapeur. La vapeur d'eau surchauffée (200-800°C) est un réactif industriel (cracking du pétrole) et un vecteur d'énergie (machines à vapeur, turbines des centrales électriques). 2. Eau liquide -Importance de la liaison hydrogène (cf. liaisons longue distance) Les températures de changement d'état de l'eau caractérisent l'importance des associations intermoléculaires dues à la liaison hydrogène. On rappelle que dans la série des dérivés hydrogénés des non-métaux, les températures d'ébullition (fusion aussi) ainsi que les énergies de liaison des molécules rendent bien compte des conséquences de la variation de la structure électronique des non-métaux (l'électronégativité décroît quand Z augmente). HF H2O NH3 Electronégativité (Pauling) 4 3.5 3.0 Energie de liaison kJ mol-1 42 29 8 Dans les dessins ci-contre des liaisons hydrogène, les doublets non-liants ne sont pas représentés, mais il est bien entendu que la liaison hydrogène s'établit entre un hydrogène et le doublet non-liant d'un oxygène de la molécule voisine. La masse volumique de l'eau varie avec la température ( 3 0.999g.cm  à 0°C, maximale à 4°C). Université du Maine ‐ Faculté des Sciences L’eau 2/4 2 3. Eau solide (glace) : la densité diminue d = 0.916 . On connaît de nombreuses structures cristallines (le motif cristallochimique moyen dérive cependant de la molécule tétraédrique associée à ses voisines par 2 liaisons hydrogène de 1.8 Å à 2.0 Å). Là encore, l'activité des doublets non liants se manifeste en renforçant la cohésion. III - Propriétés chimiques. 1. Réactions d'oxydo-réduction  Oxydation de l'eau : c'est l'oxygène qui se fait oxyder II 0 2 2 2 II 0 2 2 2 H O F 2HF O H O Cl 2HCl Cl         Réaction catalytique à 400°C (procédé Deacon Shell) J.C. Bünzli ‐ Lausanne  Réduction de l'eau : c'est l'hydrogène qui se fait réduire I 0 2 2 2 H O Na Na O H     2. Réactions d'hydrolyse : c'est l'action des espèces dissociées de l'eau  Hydrolyse d'un sel 2 3 2 2 2 Al S 3H O Al O3 3H S     Estérification en milieu acide 2 RCOO R ' H O RCOOH+R 'OH    3. Réactions d'hydratation : formation de composés définis que l'on peut normalement cristalliser. Exemple :     2 2 2 2 2 2 2 2 4 CoCl CoCl ,2H O CoCl ,6H O en fait Co Cl , H O , 2H O     Les hydrates sont des composés définis peu stables thermiquement dont la couleur et les propriétés physiques vont dépendre des complexes réellement formés. (Voir " La liaison chimique - Champ cristallin ") IV - L'eau, molécule polaire. (cf. La liaison chimique - les liaisons longue distance) 1. Activité des doublets non-liants  Rôle de la constante diélectrique ( 0 / 87  ) sur l'énergie de liaison électrostatique ( 2 0 1 qq' E 4 r  ), l'énergie de liaison électrostatique d'un composé ionique plongé dans l'eau est divisée par 87, les forces de répulsion électrostatiques deviennent prédominantes et les ions se dispersent dans l'eau. C'est la dissolution.  Solvatation des cations après destruction des liaisons hydrogène, formation de complexes (éléments de transition) Cet aspect a déjà été étudié en Atomistique. 2. Auto-dissociation de l'eau : Milieu aqueux, solvant protonique essentiel (milieu minéral et biologique) : 2 3 2H O H O OH     le proton H se fixe sur un des doublets non-liants d'une molécule d'eau qui le transporte sous forme de l'ion hydroxonium tétraédrique 3 H O Les propriétés du milieu aqueux (acidimétrie, complexes, systèmes redox) ont déjà été largement détaillées en cours Université du Maine ‐ Faculté des Sciences L’eau 3/4 3 V - L'eau milieu naturel Constituant essentiel de la matière vivante (>70% du corps humain, >90% des plantes). 1. Différents types d'eau  eau de pluie contient des gaz dissous ( 2 2 3 CO , SO , NH …) pluies acides ( 2 2 CO , SO d'origine industrielle et automobile)  eau de ruissellement, elle contient des sels minéraux et des gaz dissous des suspensions colloïdales (hydroxydes..), des particules (sable, déchets organiques, microbes etc..). 2. Potabilité de l'eau  les critères: goût, stérilité, aspect, salinité (dureté)  Titre Hydrotimétrique (dureté de l'eau) en °TH: 1 3 1 TH 10mg.l CaCO    10°TH 20°THG 30°TH Le Mans et sa région >30°TH Eau douce Eau dure  Sels fréquents 2 2 3 3 4 3 2 2 3 CO HCO SO Cl NO Ca Mg Na K Fe           , attention aux anions oxydants comme les nitrates provenant des activités agricoles et des élevages intensifs.  Stérilisation par oxydation avec Cl2 ou NaOCl (goût d'eau de javel), ozone ou par irradiation UV  Goût, aspect importance de la décantation et de la filtration. 3. L'eau et la corrosion  Dépôts calcaire :  Calcaire 3 CaCO déposé par décomposition de l'hydrogénocarbonate de calcium 3 2 Ca(HCO ) , Voir le cours sur la précipitation et la solubilité des sels (dissolution par des solutions acides faibles comme l'acide acétique ou l'acide citrique).  tartre 4 CaSO (très dur et isolant thermique formé dans les circuits de chauffage, difficile à décomposer).  Corrosion métallique : un métal M est corrodé dès que sa concentration dissous dans l'eau dépasse 6 1 10 mole.l   Par exemple, dans le cas de la formation de la rouille, les équilibres qui conduisent à la corrosion du fer sont les suivants:  Le fer est oxydé en milieu acide par H + : 2 Fe 2H Fe H      Puis l'oxygène dissous dans l'eau oxyde le fer (+II) en fer (+III):   2 2 2 3 4Fe O 2H O 4Fe OH     Université du Maine ‐ Faculté des Sciences L’eau 4/4 4 Diagramme de corrosion du fer en milieu aqueux. Le diagramme de corrosion du fer ( 2 c 10 M   ) montre ainsi que le fer se corrode à l'air en milieu humide : si 4 pH 12   . La corrosion cesse si le résultat est adhérent et oxydé, c'est pour cela que l'on réalise des oxydations chimiques par phosphatation ou par chromatation . Université du Maine - Faculté des Sciences Structure électronique des complexes des éléments de transition 1/12 La structure électronique des complexes des métaux de transition : Relation Géométrie – Propriétés physiques Un complexe est un édifice polyatomique constitué d’un atome ou d’un cation central auquel sont liés des molécules ou ions appelés ligands. Il est caractérisé par sa géométrie qui dépend de son indice de coordination (nombre de liaisons simples formées par l’atome ou l’ion central avec les ligands). Les complexes de métaux de transition, avec leurs sous niveaux nd incomplets, possèdent des propriétés optiques et magnétiques (dia ou paramagnétique) qui dépendront de la nature de la liaison dans le complexe.  Exemple : [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ présente une coloration bleue soutenue et est paramagnétique (un e- libre) Configuration électronique des éléments de transition de la première série de transition : Z Elément Configuration réduite Ion stable Configuration de l’ion Ion stable Configuration de l’ion 22 Ti [Ar]3d2 4s2 4p0 Ti3+ [Ar]3d1 4s0 4p0 23 V [Ar]3d3 4s2 4p0 V3+ [Ar]3d2 4s0 4p0 24 Cr [Ar]3d5 4s1 4p0 Cr3+ [Ar]3d3 4s0 4p0 Cr2+ [Ar]3d4 4s0 4p0 25 Mn [Ar]3d5 4s2 4p0 Mn2+ [Ar]3d5 4s0 4p0 26 Fe [Ar]3d6 4s2 4p0 Fe3+ [Ar]3d5 4s0 4p0 Fe2+ [Ar]3d6 4s0 4p0 27 Co [Ar]3d7 4s2 4p0 Co3+ [Ar]3d6 4s0 4p0 Co2+ [Ar]3d7 4s0 4p0 28 Ni [Ar]3d8 4s2 4p0 Ni2+ [Ar]3d8 4s0 4p0 29 Cu [Ar]3d10 4s1 4p0 Cu2+ [Ar]3d9 4s0 4p0 Cu+ [Ar]3d10 4s0 4p0 30 Zn [Ar]3d10 4s2 4p0 Zn2+ [Ar]3d10 4s0 4p0 Rappels :  Propriétés magnétiques : - Un composé est paramagnétique s’il possède des électrons dont les spins ne sont pas appariés c’est à dire des électrons célibataires ; il est attiré par un champ magnétique. - Un composé est diamagnétique si tous ses électrons sont appariés ; il est repoussé par un champ magnétique. Le moment magnétique M, qui est un moment induit, est la résultante du moment de spin ( S μ  ) et du moment orbital ( L μ ). Pour un élément de transition engagé dans un complexe uploads/Geographie/ chimie-descriptive.pdf