What is Investigating Liaison?

Imagine un monde sans liaison - sans liaison chimique, pour être précis. Les atomes s'ignorent les uns les autres et se contentent de dériver dans l'espace vide, en s'occupant de leurs propres affaires. L'eau des océans se divise en gaz d'hydrogène et d'oxygène, qui se dilatent jusqu'à 1500 fois leur volume liquide. Les atomes de chlore provenant des sels dissous dans l'eau forment un nuage toxique, empoisonnant toute vie avec des vapeurs mortelles. Non pas qu'il y ait de la vie, de l'eau, ou en fait beaucoup de choses.

Toutes les réactions qui ont lieu et toutes les molécules que nous trouvons dans la vie n'existent que grâce aux liaisons. Les seuls éléments que l'on trouve couramment sans liaison sont les gaz nobles.

Il existe deux catégories de liaisons, les liaisons primaires et les liaisons secondaires. La liaison primaire est celle à laquelle la plupart des gens pensent lorsque le mot est mentionné. Les liaisons primaires sont également connues sous le nom de forces intramoléculaires. Elles ont lieu entre les atomes à l'intérieur de la molécule. Elles sont généralement solides et difficiles à briser.

En revanche, les liaisons secondaires sont beaucoup plus faibles. Elles sont plus communément appeléesforces intermoléculaires, puisqu'elles ont lieu entre les molécules. Lorsque nous mentionnons les liaisons ici, nous parlons de liaisons primaires, sauf indication contraire.

Pourquoi les liaisons se forment-elles ?

Les atomes veulent être stables - ils aiment être dans l'état d'énergie le plus bas possible. En s'associant à d'autres atomes selon diverses combinaisons, ils peuvent former différentes substances dont l'état énergétique est beaucoup plus bas.

La stabilité dépend du nombre d'électrons qu'un atome possède dans son enveloppe extérieure. Pour être le plus stable possible, un atome doit avoir une enveloppe extérieure complète d'électrons, comme celle d'un gaz noble. C'est pourquoi les gaz rares ne forment pas facilement de liaisons avec d'autres atomes. Ils sont déjà aussi stables qu'ils peuvent l'être ! Au lieu de cela, nous les trouvons sous forme de gaz monatomiques.

Les atomes liés entre eux forment des molécules ou des composés.

Types de liaisons

Nous avons mentionné plus haut que la liaison se produit en raison de l'attraction entre les charges positives et négatives. Tu dois savoir, d'après la structure atomique et les particules fondamentales, que les atomes sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Le tableau ci-dessous résume leurs charges et leurs emplacements dans l'atome.

Fig. 1 - Tableau comparant les protons, les neutrons et les électrons

Tu peux voir que les protons ont une charge positive et les électrons une charge négative. Ce sont les seules particules chargées à l'intérieur d'un atome. Toute attraction, et donc toute liaison, doit se faire entre les protons et les électrons.

Nous savons que les atomes essaient de former des liaisons afin d'obtenir une enveloppe extérieure complète d'électrons. Pour ce faire, ils déplacent leurs électrons entre eux. Ils peuvent le faire de trois façons différentes, ce qui donne lieu à trois types de liaisons différentes :

• Le partage d'électrons donne lieu à une liaison covalente.
• Le don d'électrons entraîne une liaison ionique.
• La délocalisation des électrons est à l'origine de la liaison métallique.

Liaison covalente

Les atomes liés par une liaison covalente partagent des électrons entre eux, de sorte qu'ils ont tous des enveloppes extérieures d'électrons pleines.

Seuls les non-métaux forment des liaisons covalentes. Les orbitales des électrons de deux atomes différents se chevauchent et une paire d'électrons partagée est formée en utilisant un électron de chaque atome. La liaison est maintenue par l'attraction entre la paire d'électrons négative partagée et les noyaux positifs à l'intérieur des deux atomes.

Fig. 2 - Schéma illustrant la liaison covalente. Chaque liaison contient un électron du carbone et un électron de l'hydrogène

Liaison ionique

La liaison ionique se produit entre les métaux et les non-métaux. Les liaisons ioniques se forment lorsqu'un atome de métal donne des électrons à un non-métal. Cela forme des atomes chargés, appelés ions, qui sont attirés les uns par les autres. Une liaison ionique est une attraction électrostatique entre des ions de charge opposée.

Fig. 3 - Schéma illustrant la liaison ionique. Chaque atome de sodium donne un électron à un atome de chlore, formant ainsi des ions sodium positifs et des ions chlorure négatifs

Liaison métallique

Pour qu'un métal ait une enveloppe électronique externe complète, il doit faire quelque chose de tout à fait différent. Ses électrons externes se délocalisent et le métal forme des ions métalliques positifs. Contrairement à la liaison ionique, où les électrons sont captés par un autre atome, dans la liaison métallique, les électrons flottent librement à l'intérieur de la structure. L'attraction entre les électrons négatifs et les ions métalliques positifs maintient le métal ensemble.

Fig. 4 - Liaison métallique dans le sodium. Chaque atome de sodium perd un électron pour former un ion positif. Les électrons sont délocalisés et se déplacent au sein de la structure

Forces intermoléculaires

Comme tu le sais maintenant, les substances composées de deux ou plusieurs atomes reliés entre eux par des liaisons chimiques sont appelées des molécules. Par exemple, deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène se lient pour former une molécule d'eau. Nous savons que les liaisons se trouvent à l'intérieur des molécules. Quelles sont les forces qui s'exercent entre les molécules ?

La réponse est : lesforces intermoléculaires, que l'on peut aussi appeler les liaisons secondaires. Il en existe trois types différents :

• Lesforces de Van der Waals.
• Les forces dipôle-dipôle permanentes.
• Liaison hydrogène.

Les forces de Van der Waals

Les forces de Van der Waals sont le type de force intermoléculaire le plus faible. Elles se produisent entre toutes les molécules. Le mouvement aléatoire des électrons au sein d'une molécule provoque un dipôle temporaire, qui induit un dipôle dans une molécule voisine. L'attraction entre les deux dipôles maintient les molécules ensemble.

Forces dipôle-dipôle permanentes

Dans certaines molécules, les électrons sont répartis de façon permanente et inégale. Cela signifie qu'un côté de la molécule est constamment plus négatif que l'autre, et nous appelons cela un dipôle permanent. Les dipôles chargés de manière opposée s'attirent mutuellement. Ces forces sont connues sous le nom de forces dipôle-dipôle permanenteset sont plus fortes que les forces de van der Waals .

Liaison avec l'hydrogène

Certaines molécules contenant des atomes d'hydrogène subissent un type de force intermoléculaire encore plus fort que l'on appelle la liaison hydrogène. Elle se produit entre les molécules dont l'atome d'hydrogène est lié à un atome d'oxygène, d'azote ou de fluor.

Le diagramme suivant classe les différents types de liaisons primaires et secondaires, également appelées respectivement forces intramoléculaires et intermoléculaires, en fonction de leur force relative.

Fig. 5 - Diagramme montrant les forces relatives des forces intermoléculaires et intramoléculaires.

Liaison et structure

Tu peux probablement deviner, rien qu'en regardant les objets quotidiens qui t'entourent, que les différents types de liaisons produisent des types de structures très différents. Prends par exemple une bague en diamant. Le métal qui compose l'anneau est facilement fondu ou battu dans sa forme de tore circulaire, mais le diamant enchâssé au centre est extrêmement dur et solide. En fait, le diamant ne fond pas du tout dans des conditions atmosphériques normales. Si tu le chauffes à des températures extrêmement élevées, il se sublime tout simplement, c'est-à-dire qu'il se transforme directement en gaz.

Cela s'explique par le fait que les métaux se lient par des liaisons métalliques alors que le diamant utilise des liaisons covalentes. Ces deux substances ont donc des structures et des propriétés très différentes. Cependant, l'oxygène est également une molécule covalente, mais son comportement est complètement différent de celui du diamant ! Regarde leurs états de matière, par exemple. Nous venons d'apprendre qu'un diamant a besoin de températures extrêmes pour se sublimer, mais l'oxygène, lui, est un gaz à température ambiante. Nous pouvons donc en déduire que ce n'est pas seulement le type de liaison qui affecte les propriétés d'une molécule, mais aussi la structure et l'arrangement des atomes et la façon dont les liaisons maintiennent la molécule ensemble. Le tableau suivant résume les différents types de structures que l'on trouve en chimie.

Fig. 6 - Tableau comparant les différentes structures causées par les liaisons

Liaison et forme

Nous avons appris plus haut que les métaux et les substances ioniques forment des réseaux. C'est également le cas de certaines substances covalentes.

Par exemple, le réseau ionique du chlorure de sodium alterne des ions sodium positifs et des ions chlorure négatifs. Cependant, une simple molécule covalente n'a pas de structure en treillis. Au lieu de cela, elle forme une molécule avec une forme spécifique, en fonction du nombre de paires d'électrons et de liaisons covalentes qu'elle contient.

Laforme de la molécule est dictée par les paires d'électrons. Imagine deux aimants. Si tu tiens les deux pôles sud l'un près de l'autre, ils essaieront de se séparer. C'est parce que des charges similaires se repoussent. Les paires d'électrons fonctionnent de la même façon. Mets un groupe de paires d'électrons ensemble dans l'enveloppe d'un atome et ils se repousseront, essayant de s'écarter le plus possible les uns des autres. Si toutes les paires d'électrons font partie de liaisons covalentes, les liaisons seront également espacées. Mais les paires d'électrons qui ne font pas partie d'une liaison, appelées paires solitaires, ont une force de répulsion plus forte que les paires liées. Elles repoussent davantage les autres paires d'électrons et écrasent les paires liées plus près les unes des autres.

Le méthane, ou \(CH_4\), en est un exemple. Il possède quatre paires d'électrons dans son enveloppe extérieure. Ce sont toutes des paires liées et elles se repoussent de la même façon. L'angle entre chacune des paires liées est de 109,5°. L'eau (H_2O) possède également quatre paires d'électrons dans son enveloppe externe. Cependant, deux de ces paires ne sont pas liées - ce sont des paires d'électrons solitaires. L'angle de liaison n'est donc plus que de 104,5°.

Le tableau suivant résume les formes de différentes molécules covalentes. Il contient également des diagrammes qui t'aideront à consolider tes connaissances.

Fig. 7 - Tableau comparant les différentes formes de molécules