5 nov 2013 · Chimie inorganique Cours + Exercices Jean-François Lambert Professeur à l' UPMC (Paris) Maguy Jaber Maître de conférences à l'UPMC
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3Liaison hydrogène,
liaison de van der Waals, chimie supramoléculaire PLAN 3.1Unité et diversité de la chimie
3.2Liaisons intra- et intermoléculaires
3.3 Classi?cation des interactions intermoléculaires 3.4La chimie supramoléculaire
OBJECTIFS
Apprendre à distinguer interactions inter- et intramoléculaires. Comprendre l"origine des di?érentes interactions pertinentes en chimie. Classer ces interactions d"après les critères : énergie, spéci?cité, directionnalité, rayon d"action. Comprendre le rôle structurant des interactions intermoléculaires en fonction de la température. 3.1UNITÉ ET DIVERSITÉ DE LA CHIMIE
Ce titre est emprunté aux cours de science de la vie (unité et diversité du vivant). Comme le monde du vivant, celui de la chimie est basé sur une unité des grands principes fondamentaux, qui se manifeste par une grande diversité de formes et d"organisations. a) Unité de la chimie En effet, toute la chimie (à quelques exceptions près, concernant des domaines très " pointus ») est conséquence d"une seule inter- action physique fondamentale, l"interaction électrostatique. L"expression donnant l"énergie d"interaction entre deux charges ponc- tuelles q1 et q2 séparées d"une distance r est très simple en principe :
3.4 La chimie supramoléculaire47
macroscopique : elle peut approcher une autre molécule, presque la toucher (R tend vers 0), mais à ce moment une répulsion forte empêche les deux objets de s"interpénétrer... excepté lorsque l"approche initie une réaction chimique ! 3.4LA CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
a) Structuration de la matière à l"échelle de plusieurs molécules À température ambiante, les interactions intermoléculaires se trou- vent dans un intervalle d"énergie compris entre une fraction de kT, et quelques kT. Cela signi?e qu"une seule interaction est facile à briser, prise individuellement, mais que l"effet coopératif de plusieurs interac tions aboutit à un assemblage assez solide. Cette situation fait penser à des dispositifs bien connus dans la vie courante : les bandes Velcro et les Post-itLe rêve d"une biochimie alternative
Jean-Marie Lehn, Prix Nobel de chimie en 1989 pour ses travaux précurseurs en chimie supramoléculaire, présente souvent un programme à très long terme pour la chimie du xxi e siècle sous forme d"un diagramme bidimensionnel portant sur un de ses axes la complexité et la spéci?cité des assemblages, sur l"autre la diversité chimique. Sur ce diagramme, la biochimie occupe la zone correspondant à une complexité élevée, mais à une diver sité chimique faible puisqu"elle est presque entièrement basée sur la chimie du carbone. La chimie inorganique se trouve à l"opposé puisqu"elle utilise la diversité entière du tableau pério dique, mais jusqu"à présent n"atteint que de faibles niveaux de complexité. Peut-être pourra-t-on un jour fabriquer des molécules aussi complexes que les protéines ou l"ARN, et les assembler en structures supramoléculaires, en utilisant toutes les possibilités offertes par les éléments du tableau périodique ? On peut l"espérer au vu de certains résultats préliminaires, comme la découverte par Achim Müller de la " grande roue », un composé oxydé du molybdène comportant plusieurs centaines d"atomes, dont la structure toroïdale (en forme de pneu ou de beignet avec une cavité centrale) donne lieu à une chimie supramoléculaire très spéci?que.Table des matières
TaLes atomes et le tableau périodique 1
TbTStructure atomique 1
Tbl Approximation orbitalaire et con?gurations électroniques 6 TbeLa classi?cation périodique 11
TbÉvolution des propriétés atomiques 13
Points-clés
18Exercices
19Solutions
19 laLes liaisons covalentes et les liaisons ioniques 22 lbTLa liaison covalente : modèle de Lewis 22
lblLa liaison covalente : modèle des orbitales
moléculaires (OM) 26lbe
La liaison ionique 32
Points-clés
33Exercices
34Solutions
34eaLiaison hydrogène, liaison de van der Waals, chimie supramoléculaire 37
ebT
Unité et diversité de la chimie 37
eblLiaisons intra- et intermoléculaires 39
ebe Classi?cation des interactions intermoléculaires 41 ebLa chimie supramoléculaire 47
Points-clés
49VITable des matières
Exercices
50Solutions
50leLa spéciation des éléments 52 lsL
Composantes, espèces, spéciation 52
lsRappels de thermodynamique chimique 53
lséSpéciation acide, spéciation redox 54
lslDiagrammes potentiel-pH 60
lsmLe diagramme de Frost 65
Points-clés
68Exercices
69Solutions
71meLa cristallochimie : les notions fondamentales 73 msL L"état cristallin - nuds, réseaux, mailles 73 ms
Description du réseau 74
mséDescription de la maille 77
msl Étude expérimentale des cristaux : la di?raction 79 msmLa liaison dans les cristaux 79
Points-clés
82Exercices
83Solutions
84neLa cristallochimie : structures métalliques simples 87 nsL