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Laloi de Coulomb explique les interactions entre les particules chargées négativement et positivement de telle sorte que les charges similaires se repoussent et les charges opposées s'attirent. En chimie, elle s'applique généralement à la charge électrostatique des liaisons ioniques.
Cette présentation explorera la loi de Coulomb et ses applications pour les liaisons ioniques !
- Nous examinerons plus précisément la définition de la force de Coulomb et des exemples.
- Ensuite, nous étudierons les différentes variables de l' équation de la force de Coulomb.
- Ensuite, nous examinerons l'ampleur de la force de Coulomb dans le contexte de la force d'interaction des liaisons ioniques.
- Nous examinerons les applications de la force de Coulomb pour les liaisons ioniques.
- Enfin, nous aborderons brièvement la force de répulsion de Coulomb.
Définition et exemples de la force de Coulomb
En repensant à notre exemple du ballon, qu'est-ce qui a fait que le ballon s'est collé au mur ? C'était une force électrostatique, également connue sous le nom de force de Coulomb.
Lesforces de Coulomb sont les forces d'attraction ou de répulsion entre les ions en raison de leur charge.
Fig. 1. Les ions s'attirent et se repoussent selon la loi de Coulomb.
Rappelle-toi que l'attraction entre les particules chargées négativement sur le ballon et le mur chargé positivement l'a fait "coller" ! Mais des forces répulsives sont également en jeu ici ! Le mur était initialement neutre, mais lorsque le ballon chargé négativement est approché, il repousse les électrons chargés négativement de la zone. Le mur est donc plus chargé positivement que le ballon, ce qui fait qu'il colle ! Ce seul exemple nous permet de comprendre les principes fondamentaux de la force de Coulomb : Les opposés s'attirent et les semblables se repoussent !
Cela imite le mythe amoureux séculaire selon lequel les opposés s'attirent, et il s'avère que ce concept est vrai dans les relations lorsqu'il est appliqué à la relation entre les particules chargées ! J'espère que tu t'en souviendras facilement !
La loi de Coulomb a en fait été publiée par un physicien et est largement reconnue comme un développement crucial pour l'étude de l'électromagnétisme et des champs électriques. Cependant, comme nous le verrons bientôt, les concepts de la loi de Coulomb s'appliquent facilement à notre compréhension des liaisons ioniques !
Maintenant, réfléchissons un instant à la façon dont ce concept de physique est important pour nous, chimistes, et à la raison pour laquelle il l'est. Qu'est-ce qui maintient les particules subatomiques d'un atome ensemble ? Comment se forment les liaisons chimiques ioniques ? Ce sont des questions différentes qui ont la même réponse : l'attraction électrostatique entre des particules chargées de façon opposée !
- Les atomes sont constitués de protons chargés positivement sur lesquels gravitent des électrons chargés négativement.
- Les liaisons ioniques sont constituées de cations chargés positivement et d'ions chargés négativement. Ces charges opposées sont attirées l'une par l'autre !
Nous passerons la majeure partie de notre temps à explorer ce que la loi de Coulomb nous dit sur l'énergie impliquée dans les liaisons ioniques. Pour ce faire, nous devons d'abord connaître la loi de Coulomb d'un point de vue mathématique et savoir ce qu'elle signifie !
Équation de la force de Coulomb
L'équation généralement associée à la force de Coulomb est \NF={k}\frac{q_1 q_2}{r^{2}}\Nmais comme nous nous intéressons à l'énergie associée aux liaisons ioniques, nous pouvons utiliser l'équation suivante
\N- E={k}\frac{q_1 q_2}{r} \N]
On passe de l'équation initiale de la force à l'énergie en faisant l'intégrale. Tu ne dois pas nécessairement savoir comment appliquer cette équation mathématiquement. Tu dois pouvoir l'utiliser conceptuellement pour faire des comparaisons et défendre des réponses sur les liaisons ioniques et les solides !
Décomposons ces différentes variables.
E = énergie nécessaire pour séparer les ions (force d'attraction et de répulsion).
Q1et Q2 = la charge du cation et de l'anion
r = désigne la distance entre les noyaux des deux ions (longueur de la liaison)
k = constante de Coulomb, sans rapport avec la chimie.
Cette équation est l'expression mathématique qui soutient la loi de Coulomb. Maintenant que nous connaissons certains aspects fondamentaux de la force de Coulomb, nous pouvons redéfinir la loi de Coulomb en fonction de cette équation. Tout d'abord, que nous apprend cette équation sur les liaisons ioniques et les particules chargées en général ?
- Elle montre une relation proportionnelle entre l'ampleur des charges et la force de la liaison ionique.
- Elle montre une relation inversement proportionnelle entre la distance entre les ions et la force de la liaison ionique.
Laloi de Coulomb explique que deux ions de charge opposée s'attirent avec une force proportionnelle à l'importance de leurs charges et inversement proportionnelle à la distance qui les sépare.
L'ampleur de la force de Coulomb
Que calculons-nous donc lorsque nous déterminons l'ampleur d'une force ou, dans ce cas, l'ampleur de l'énergie dans une liaison ionique ? Nous examinons la force des interactions entre les cations et les anions.
D'après ce que nous avons déjà couvert, cela signifie que la force de la liaison ionique dépend de deux facteurs :
1. la charge des ions: lorsque les charges augmentent, les ions sont plus fortement attirés l'un vers l'autre, ce qui augmente la force ionique.
2. la taille des ions : plus la taille augmente, plus la distance internucléaire entre les ions augmente, ce qui diminue la force ionique.
Pour tester tes connaissances, essayons de les appliquer en comparant la force de deux liaisons ioniques !
Quelle liaison ionique est la plus forte, NaCl ou KCl ? Pourquoi ?
- Tout d'abord, regardons les charges de chaque ion : Na = +1, Cl = -1 et K = +1, Cl = -1.
- Puisque les charges sont les mêmes, c'est la distance entre les ions qui doit influer sur la force.
- Examinons les rayons ioniques de Na et de K : K est plus loin dans la période, nous savons donc qu'il est plus grand, et Na est plus petit.
- Selon la loi de Coulomb, la force des liaisons ioniques augmente à mesure que la taille des ions diminue. NaCl a donc une énergie de réseau plus forte et constitue une liaison ionique plus forte.
Si tu veux réviser les tendances périodiques, consulte le site Tendances périodiques pour être plus confiant dans la détermination des charges et du rayon des différents ions !
Nous pouvons également utiliser la loi de Coulomb pour estimer l' énergie de réseau des composés ioniques.
L'énergiede réseau est l'énergie nécessaire pour briser un composé ionique et séparer les ions de charge opposée. On l'appelle énergie de réseau parce que les composés ioniques existent dans une structure de réseau cristallin, et c'est l'énergie nécessaire pour séparer ces réseaux d'ions en ions distincts.
Consulte la rubrique Structure des solides ioniques pour obtenir plus d'informations sur les réseaux cristallins et sur la façon dont l'énergie de réseau est liée aux diverses propriétés des solides ioniques !
Continuons à examiner les différentes applications de la loi de Coulomb en chimie !
Applications de la force de Coulomb
Nous savons déjà que l'une des applications les plus importantes des forces de Coulomb est la force d'interaction des liaisons ioniques et l'énergie du réseau, mais les forces de Coulomb sont partout, alors il y a quelques autres applications qui valent la peine d'être mentionnées !
1. Énergie du réseau et solubilité
- L'énergie du réseau a un impact direct sur la solubilité d'un solide ionique. Plus la liaison ionique est forte, moins elle est soluble. Selon la loi de Coulomb, s'il faut plus d'énergie pour séparer des ions, c'est que les ions ont une charge élevée et sont proches les uns des autres. S'il est plus difficile pour les ions d'être séparés, n'est-il pas logique qu'il y ait moins de chances que les ions s'attachent aux molécules d'eau ?
2. Énergie d'ionisation
- Les forces de Coulomb s'appliquent également à l'énergie d'ionisation des ions.
L'énergie d'ion isation désigne l'énergie nécessaire pour déplacer un électron d'un atome, le transformant ainsi en un ion.
Les mêmes principes de distance et de charge s'appliquent aux éléments, sauf entre les électrons chargés négativement et un noyau chargé positivement. Plus la distance entre le noyau et les électrons de valence est grande, et plus la charge du noyau est faible, moins il faut d'énergie pour enlever l'électron.
Force de recharge de Coulomb
La loi de Coulomb comprend les forces d'attraction entre les charges opposées et les forces de répulsion entre les charges similaires. On peut dire que les forces d'attraction entre les particules chargées de façon opposée sont très importantes et répandues dans toute la chimie. C'est pourquoi nous avons consacré la majeure partie de notre temps à ces forces. Cependant, les forces répulsives existent dans des situations telles que l'expulsion électron-électron et même à l'intérieur du noyau entre les protons chargés positivement.
Nous n'irons pas trop loin dans la mécanique d'un noyau, mais une fois que tu auras compris la loi de Coulomb, tu pourras te tourner vers l'atome. Quelles particules subatomiques se trouvent dans un noyau ? Des protons chargés positivement et des neutrons neutres. Comment est-ce possible si les charges similaires se repoussent... l'atome ne devrait-il pas être incapable de tenir ensemble ? C'est une autre force qui maintient les protons et les neutrons ensemble, appelée force nucléaire. Les protons subissent une répulsion électrique, mais la force nucléaire les domine. La science ne cesse de t'étonner !
Tu devrais maintenant connaître la loi de Coulomb et savoir comment l'utiliser pour comprendre les liaisons ioniques et leur force. Pour plus d'exemples sur la façon d'appliquer le concept de la force de Coulomb aux liaisons ioniques, travaille avec les flashcards !
Force de Coulomb - Principaux enseignements
- Laloi de Coulomb explique l'attraction électrostatique entre les ions chargés négativement et les ions chargés positivement dans une liaison ionique.
- L'énergie de réseau fait référence à l'énergie nécessaire pour séparer les ions de leur structure de réseau. Elle mesure la force des liaisons ioniques.
- Lorsque les charges des ions augmentent et que leurs rayons diminuent, l'énergie du réseau augmente
- Lorsque tu compares la force d'une liaison ionique, la solubilité ou l'énergie d'ionisation, compare les charges et les rayons ioniques des ions.
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