Chimie23 : Structure de la matière
Les solides moléculaires
Les liaisons de Van der Waals

1. Les liaisons de Van der Waals

Les liaisons de Van der Waals sont des interactions électromagnétiques de trois types :

• dipôle-dipôle
• dipôle-dipôle induit
• dipôle induit-dipôle induit.

Elles varient en 1/r⁷.

Elles permettent d'expliquer la stabilité de la matière au niveau moléculaire, car elles sont responsables des interactions entre molécules.

Les forces de van der Waals correspondent à une interaction électrique d'intensité faible ayant lieu à courtes distances entre atomes et/ou molécules.

1.1. Les forces de Keesom

Le premier type d’interactions de Van der Waals que l'on considére est la force dite de Keesom. Elle résulte de l'interaction entre dipôles électriques permanents et n'a donc lieu qu’entre molécules polaires.

La force de Keesom est d'autant plus forte, que les dipôles permanents sont grands et alignés, et, que la température est basse. Cette interaction est assez faible car elle dépend de l'orientation des dipôles et possède une énergie assez basse allant de 0.5 à 3 kJ/mol.

On rappelle que l'énergie d'une liaison chimique est de l'ordre de plus de 100 kJ/mol.

1.2. Les forces de Debye

La seconde contribution aux forces de Van der Waals est la force de Debye qui provient de l'interaction entre un dipôle permanent et un dipôle induit.

Cette interaction peut avoir lieu entre une molécule polaire et une autre qui peut être polaire ou apolaire.

Tout atome ou molécule est polarisable c'est-à-dire que son nuage électronique se déforme suite à la présence d’un champ électrique. Ce champ électrique est créé par le dipôle permanent de la molécule polaire qui induit un dipôle au niveau de l'autre molécule.

Il est important de rappeler que la polarisabilité d’un atome ou d'un molécule augmente avec la taille.

L’énergie de cette interaction est du même ordre de grandeur que celle de Keesom, c'est à dire de 0.5 à 3 kJ/mol.

1.3. Les forces de London

La dernière contribution à prendre en compte dans les forces de Van der Waals est la force de London qui traduit l’interaction entre deux dipôles induits.

Une légère répartition inhomogène du nuage électronique dans une molécule va créer un dipôle induit qui va lui même entrainer la création d’un dipôle induit sur la molécule voisine.

Cette interaction peut avoir lieu a priori entre une molécule polaire/apolaire et une molécule polaire/apolaire mais elle est prépondérante lorsqu’elle a lieu entre molécules apolaires.

Cette énergie est prépondérante entre deux molécules apolaires et va de 0.5 à 30 kJ/mol (entre deux molécules apolaires très polarisables).

2. À propos de Johannes van der Waals

Johannes Diderik van der Waals ( 1837 à Leyde, Pays-Bas - 1923 à Amsterdam) est un physicien néerlandais.

Ses travaux sur les fluides, notamment les liquides et les gaz, lui ont permis de découvrir les forces de cohésion à courtes distances, dites forces de van der Waals.

Ses travaux lui ont aussi permis d'exprimer la compressibilité des gaz à diverses températures, en particulier par l'équation d'état de van der Waals. Cette équation permettant d’aller au delà de la description simpliste du gaz parfait.

L'équation d'état de van der Waals s'écrit:

(P + an²/V²)(V - n b) = nRT

avec :

• a le terme de cohésion (constant),
• b le covolume molaire (constant),
• n la quantité de matière (nombre de moles),
• P la pression,
• R la constante universelle des gaz parfaits,
• V le volume.

Van der Waals est lauréat du prix Nobel de physique de 1910 « pour ses travaux sur l'équation d'état des gaz et des liquides ».