Mécanismes de la liaison chimique

Caractéristiques de la liaison chimique

La première étape pour comprendre la liaison chimique est de la définir.

Les caractéristiques de tous les types de liaisons chimiques sont les suivantes:

• Lesatomes interagissent entre eux pour former des molécules ou des composés.

• L'énergie nécessaire pour former et rompre les liaisons chimiques.

Pour pouvoir comprendre pourquoi les liaisons chimiques se forment, nous devons comprendre ce qu'est l'électronégativité. L'électronégativité d'un atome désigne sa capacité à attirer les électrons à lui. La figure 1 présente l'échelle d'électronégativité de Pauling.

Figure 1. Échelle d'électronégativité de Pauling, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Dans une liaison chimique, ladifférence de valeurs d'électronégativité entre les atomes d'un composé déterminera le type de liaison chimique formé.

Types de liaisons chimiques

La structure d'un atome détermine le type de liaison qu'il peut former avec un autre atome. Il existe trois types de liaisons chimiques :

• la liaison ionique
• Liaison covalente
• Métallique métallique

Liaison ionique

Tout d'abord, nous avons la liaison ionique.

Ce type de liaison ionique se produit généralement entre les métaux et les non-métaux lorsqu'il existe une grande différence d'électronégativité entre eux. Par exemple, le potassium (K) a une valeur d'électronégativité de 0,8, tandis que le chlore (Cl) a une valeur d'électronégativité de 3,0. Comme la différence d'électronégativité entre le sodium et le chlore est supérieure à 1,7, on dit que la liaison entre le potassium et le chlore pour former le chlorure de potassium (KCl) est un type de liaison ionique.

Pour trouver la différence d'électronégativité entre deux atomes, nous pouvons utiliser l'équation ci-dessous :

$$ \Delta \text{EN = (Atome avec la plus grande valeur EN) - (Atome avec la plus petite valeur EN) } $$

Lescomposés ion iques formés par liaison ionique ont tendance à être des solides cristallins avec des points de fusion très élevés. Les composés ioniques ont également tendance à être solubles dans l'eau (_H2O) et insolubles dans les solvants non polaires. Les solides ioniques ne peuvent conduire l'électricité que dans des solutions aqueuses.

Examinons la structure du réseau cristallin du chlorure de potassium (KCl), illustrée à la figure 2.

Figure 2. Structure du réseau cristallin du solide ionique KCl, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Voyons maintenant le mécanisme qui forme une liaison ionique entre le sodium (Na) et le chlore (Cl) pour former le sel de table, NaCl (figure 3).

Dans le tableau périodique, le sodium se trouve dans le groupe 1. Les éléments de ce groupe ont tendance à perdre un électron pour former un cation chargé "+1". En revanche, les halogènes (groupe 17) tels que le chlore ont tendance à gagner un électron, formant un anion chargé "-1".

Les éléments du groupe 1 et du groupe 17 veulent tous deux avoir huit électrons dans leur enveloppe extérieure, comme un gaz noble. Pour cela, le sodium doit perdre un électron et passer de 11 électrons à 10 électrons, tout comme le gaz rare néon (qui a également 10 électrons au total) !

De même, le chlore veut gagner un électron et avoir huit électrons dans son enveloppe extérieure, tout comme le gaz noble argon, qui contient un total de 18 électrons et 8 dans son enveloppe extérieure.

Par conséquent, dans cette liaison chimique entre le sodium et le chlore, le sodium donnera un électron au chlore, formant une liaison ionique à la suite de ce transfert d'électrons !

Un autre exemple de liaison ionique est la liaison chimique qui se produit entre le magnésium (Mg) et l'oxygène (O). Faisant partie du groupe 2, le magnésium veut perdre deux électrons et former un cation +2, afin d'avoir le même nombre d'électrons que le gaz noble néon. L'oxygène veut gagner deux électrons pour avoir le même nombre d'électrons que le néon et former un cation -2.

Figure 3. Liaison ionique entre NaCl et MgO, Daniela Lin - StudySmarter Originals.

Liaison covalente

Le deuxième type de liaison ionique que nous allons explorer est la liaison covalente. La liaison covalente se produit généralement entre deux non-métaux.

Pour qu'une liaison covalente se produise, la différence d'électronégativité entre deux atomes doit être inférieure à 1,7. Par exemple, si nous combinons deux atomes d'hydrogène pour former une molécule d'hydrogène, chaque atome d'hydrogène apportera un électron de valence à la molécule finale, et ces deux électrons de valence seront partagés par les deux atomes !

• La liaison sera covalente non polaire (ou pure) si la différence d'électronégativité est inférieure à 0,5.

• Si la différence d'électronégativité est supérieure à 0,5, mais toujours inférieure à 1,7, la forme de la liaison est considérée comme une liaison covalente polaire. Dans les liaisons covalentes polaires, les électrons appartiennent majoritairement à un type d'atome tout en étant partiellement partagés par l'autre type.

• Si la différence d'électronégativité est égale ou supérieure à 1,7, la forme de la liaison est considérée commeune liaison ionique. Dans les liaisons ioniques, les électrons appartiennent à l'atome le plus électronégatif.

Les composés ou molécules formés par liaison covalente ont tendance à être des gaz, des liquides ou des solides mous à température ambiante. Les points de fusion et d'ébullition des composés covalents sont bas. Dans l'eau, ils sont insolubles, mais dans les solvants non polaires, ils sont solubles.

Examinons le mécanisme de formation des liaisons covalentes entre deux atomes de chlore (Cl) (figure 4). Comme le chlore est un atome dont le numéro atomique est 17, il contient 17 protons et 17 électrons.

Comme les deux atomes veulent gagner un électron pour avoir une coquille extérieure pleine, ils acceptent de partager deux électrons de valence ! De la même façon, deux atomes d'oxygène peuvent partager des électrons pour former une molécule d'_O2.

Figure 4. Exemple de liaison covalente dans _Cl2 et _O2, Daniela Lin - StudySmarter Originals.

Liaison métallique

Maintenant que nous savons ce que sont les liaisons ioniques et covalentes, parlons de la liaison métallique. Cette liaison chimique ne se produit qu'entre les atomes de métaux, plus précisément lorsque les noyaux métalliques chargés positivement sont attirés par les électrons de valence délocalisés d'un autre atome métallique.

Lessolides métalliques ont généralement des points de fusion et d'ébullition élevés et sont insolubles dans l'eau (_H2O) et les solvants non polaires. Les solides métalliques sont brillants et bons conducteurs de chaleur et d'électricité.

Les électrons de la liaison métallique peuvent se déplacer autour des ions métalliques positifs, qui sont disposés dans une structure en treillis géante. C'est grâce à cette capacité des électrons à se déplacer librement que les solides métalliques conduisent si bien l'électricité !

Figure 5. Exemple de liaison métallique, Daniela Lin - StudySmarter Originals.

La liaison chimique la plus forte

Maintenant que nous avons appris les différents types de liaisons chimiques, nous pouvons nous demander quelle est la liaison chimique la plus forte. S'agit-il d'une liaison métallique, covalente ou ionique ? Cela dépend de la longueur de la liaison.

Plus la liaison est longue, plus il est facile de la rompre, alors que plus elle est courte, plus la liaison est forte et plus il est difficile de la rompre. Par conséquent, les liaisons covalentes devraient être les liaisons chimiques les plus fortes parce que les atomes sont plus proches les uns des autres et tirent les uns sur les autres avec plus de force que les liaisons ioniques !

La figure ci-dessous montre la longueur et la force des liaisons de certains composés covalents (figure 6).

Exemples de liaisons chimiques

Jetons un coup d'œil à d'autres exemples de liaisons chimiques. La figure 7 montre le diagramme en points et en croix du chlorure de calcium (_CaCl2). La liaison formée entre le calcium et les deux atomes de chlore est une liaison ionique.

Dans ce cas, le calcium (Ca) veut perdre deux électrons et devenir un ion +2, tandis que chaque atome de chlore veut gagner un électron et devenir un ion "-1". Le calcium donne donc un électron à chaque atome de chlore !

Dans le cas de l'ammoniac (_NH3), l'atome d'azote (N) possède 5 électrons dans ses enveloppes extérieures. Il veut donc gagner 3 électrons pour remplir ses enveloppes extérieures. Il partagera donc des électrons avec les trois atomes d'hydrogène afin qu'ils puissent tous avoir des enveloppes extérieures pleines. Comme les électrons sont partagés, il s'agit d'un exemple de liaison covalente.

Le mécanisme de transfert d'énergie des liaisons chimiques

Enfin, explorons l'énergie de liaison et le mécanisme de transfert d'énergie dans les liaisons chimiques L'échange d'énergie entre une réaction chimique et son environnement est décrit par un changement d'enthalpie (ΔH).

La formule pour calculer le changement d'enthalpie est la suivante :

$$ \Delta \text{H = H}_{produits} \text{ - H}_{réactifs} $$

Où ,

• \( \Delta \text { H}_{produits} \) est l'enthalpie des produits
• \( \Delta \text { H}_{réactifs} \) est l'enthalpie des réactifs.

Le mécanisme de rupture des liaisons est considéré comme endothermique. Dans les réactions exothermiques, la variation d'enthalpie (ΔH) est positive.

En revanche, la création de liaisons est dite exothermique. Dans les processus exothermiques, les produits contiennent moins d'énergie que les réactifs car la chaleur est cédée à l'environnement. Par conséquent, les réactions exothermiques ont une variation d'enthalpie négative (ΔH).

Figure 9. Diagrammes de profil d'enthalpie pour les réactions exothermiques et endothermiques, Daniela Lin - StudySmarter Originals.

La formation de liaisons ioniques est un processus hautement exothermique car lorsque les ions se combinent pour former un solide ionique, de grandes quantités d'énergie sont libérées dans l'environnement ! Dans le cas des liaisons ioniques, l'énergie libérée lorsque des ions de charges opposées s'assemblent et forment un réseau cristallin est appelée énergie de réseau (\( \Delta \text{H }_{lattice}^{\Theta} \)). Par exemple, l'énergie de réseau pour la formation du solide ionique NaCl est de -787 kJ ^mol-1.

• Dans la liaison ionique, plus l'énergie du réseau est exothermique, plus la liaison ionique est forte dans le réseau !

Lesliaisons métalliques et covalentes sont également exothermiques puisqu'elles impliquent toutes la formation de liaisons ! Par exemple, la liaison covalente formée entre l'hydrogène et l'oxygène, a une enthalpie de liaison (ΔH) de -463 kJ/mol.

Maintenant, j'espère que tu as compris les caractéristiques générales de la liaison chimique, les types de liaison chimique et les mécanismes impliqués dans la liaison chimique !