Les liaisons de Van der Waals







Cours de physique – niveau classe de première S – partie « Lois et modèles – Cohésion et transformations de la matière »

  1. Définition: qu’est-ce qu’une liaison de Van der Waals ?
  2. Rôles des liaisons de Van der Waals
  3. Quelles molécules établissent des liaisons de Van der Waals ?
  4. Comparaison des liaisons de Van der Waals aux autres liaisons
  5. Liaisons de Van der Waals entre dipôles permanents
  6. Liaisons de Van der Waals entre dipôles instantanés
  7. Influence des liaisons de Van der Waals sur les températures de changement d’état

Définition: qu’est-ce qu’une liaison de Van der Waals ?

Il s’agit d’une liaison de type intermoléculaire qui s’exerce entre les molécules d’une substance (contrairement aux liaisons de covalence qui sont des liaisons intramoléculaires car elles s’établissent entre les atomes d’une même molécule).

Cette liaison est plus précisément une interaction électrique de faible intensité qui s’exerce entre les molécules présentant un moment dipolaires.

Par définition ces molécules sont globalement neutres mais présentent un pôle positif (centre des charges partielles positives localisées sur les atomes les moins électronégatifs) et un pôle négatif (centre des charges partielles négatives). Il s’exerce une force électrique globalement attractive entre les pôles de signes opposés des différentes molécules.

Remarque

Les liaison de Van der Waals doivent leur nom au physicien théoricien néerlandais Johannes Diderik Van der Waals (1837-1923). Il soutient en 1873 une thèse proposant une description de la structure moléculaire des gaz et des liquides (à une époque ou la notion de molécule n’était pas encore admise par la totalité de scientifiques) en tenant compte des attractions mutuelles pouvant exister entre différentes molécule.

Rôles des liaisons de Van der Waals

Elles sont en général à l’origine de la cohésion des solides moléculaires, les interactions globalement attractives imposent une place fixe à chaque molécule.

Elles peuvent aussi influencer la structure de ces solides par le biais d’une contrainte principale: lors de la solidification, les molécules polarisées s’orientent de manière à ce que les pôles portant des charges de signes opposés soient les plus proches proches possibles.

À l’état liquide elle s’exerce toujours et maintient les molécules polarisées au contact les unes des autres mais n’est plus assez intense pour leur imposer une place fixe (l’agitation thermique y est trop importante).

Quelles molécules établissent des liaisons de Van der Waals ?

Les liaisons de Van der Waals peuvent s’établir entre les molécules d’un corps lorsque ces dernières sont polaires.

Ces molécules sont caractérisées par un moment dipolaire non nul qui résulte de l’addition des moments dipolaires associés aux différentes liaisons polarisées. Cependant les molécules dîtes apolaire possèdent aussi un moment dipolaire mais celui-ci est variable au cours du temps (sa valeur change) et il en résulte qu’en moyenne il est globalement nul.



On distingue donc:

  • les liaisons de Van der Waals entre dipôles permanents qui existent pour des molécules polaires.
  • les liaisons de Van der Waals entre dipôles instantanés qui existent pour toute les molécules y compris celles qui sont apolaires.

Comparaison des liaisons de Van der Waals aux autres liaisons

Les liaisons de Van der Waals sont:

  • nettement plus faibles que les liaisons covalentes et que les liaisons ioniques
  • en général légèrement plus faible que les liaisons hydrogène.

Les liaisons de Van der Waals entre dipôles permanents sont par ailleurs nettement plus fortes que celles entre dipôles instantanés.

Liaisons de Van der Waals entre dipôles permanents

Ce sont des interactions électriques globalement attractives entre les dipôles électriques permanents que constituent les molécules polaires.

Leur intensité dépend directement de la polarisation des molécules : Plus la molécule est polaire (plus moment dipolaire est élevé) et plus les liaisons de Van der Waals sont fortes.

En l’absence de liaisons ioniques ou de liaisons hydrogène ce sont les principales interactions intermoleculaires:

  • elles sont responsables de la cohérence de l’état solide et y influencent l’orientation des molécules.
  • elles influent sur la capacité des liquides à jouer le rôle solvant ainsi que sur la solubilité des solutés.
  • elles influence les températures de changement d’état ( fusion et ébullition )

Remarque

Ce type de liaison de Van der Waals est aussi appelé force de Keesom

Liaisons de Van der Waals entre dipôles instantanés

Que ce soit au sein des atomes ou des molécules les électrons qui orbitent autour des noyaux atomiques sont chacun localisé en un point précis de l’espace et leur répartition n’est pas nécessairement symétrique par rapport au noyau. Par conséquent, à un instant donné, le centre des charges négatives (les électrons) ne coïncide pas nécessairement avec le centre des charges positives (le noyau), il existe une polarisation temporaire et un moment dipolaire non nul.



En dehors des polarisations résultant des différences d’électronégativité, une molécule possède un moment dipolaire non nul à chaque instant mais dont la moyenne temporelle est nulle:

  • Chaque atome et molécule constitue un dipôle instantané susceptible d’interagir avec ses voisins.
  • Ces liaisons de Van der Waals entre dipôles instantanés sont nettement plus faibles que celles entre dipoles permanents et que toute les autres interactions intermoleculaires par conséquent elles ne jouent un rôle déterminant que lorsqu’elles sont seules à intervenir.
  • Elles sont en général d’autant plus intenses que les molécules comportent un nombre important d’atomes.

Remarque

Ce type de liaison de Van der Waals porte aussi le nom de forces de London

Influence des liaisons de Van der Waals sur les températures de changement d’état

Que ce soit pour des dipôles permanents ou instantanés les températures de changement d’état croissent avec l’intensité des liaisons de Van der Waals :

  • dans le cas de dipôles permanents les températures de fusion et d’ébullition sont d’autant plus élevées que les molécules sont polaires (disposent d’un moment dipolaire élevé)
  • dans le cas de dipôles instantanés les températures de fusion et d’ébullition sont d’autant plus élevées que que les chaînes moléculaires sont longues.

 


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