Plus de \( 96 \% \) de ton corps est constitué de quatre éléments simples : l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote. Sans ces éléments, la vie serait complètement différente. On les trouve dans toutes sortes de substances essentielles, des molécules simples aux chaînes ramifiées et aux polymères enchevêtrés. Par exemple, le carbone est à la base de la plupart des molécules organiques, tandis que l'oxygène et l'hydrogène se combinent pour former l'eau et que l'azote est un élément fondamental de toutes nos protéines. Les scientifiques ont proposé des formes de vie basées sur d'autres molécules - par exemple, la vie basée sur l'ammoniac - mais même ces formes de vie nécessiteraient certains des éléments susmentionnés.
On peut dire que la vie tourne autour de ces quatre éléments. Mais on ne les trouve jamais sous forme d'atomes simples. Au contraire, l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote, ainsi que de nombreux autres éléments du tableau périodique, s'associent pour former les structures complexes familières qui constituent la majeure partie du monde qui nous entoure, au moyen de liaisons covalentes.
- Ce résumé de cours est consacré aux liaisons covalentes en chimie physique.
- Nous définirons les liaisons covalentes avant d'examiner la manière dont elles sont représentées dans les diagrammes en points et en croix.
- Nous explorerons ensuite les types de liaisons covalentes, y compris les liaisons datives, les liaisons doubles et triples, et les liaisons sigma et pi.
- Cela impliquera une introduction aux orbitales et à l'hybridation.
- Enfin, nous étudierons les propriétés des liaisons covalentes et leur lien avec les structures covalentes.
- Tout au long de ce résumé de cours, tu trouveras de nombreux exemples de liaisons covalentes qui t'aideront à consolider ton apprentissage.
Liaison chimique
Certains atomes sont beaucoup plus heureux seuls, tandis que d'autres préfèrent s'associer à d'autres. Ils y parviennent en formant des liaisons chimiques.
La liaison chimique est l'attraction entre différents atomes qui permet la formation de molécules ou de composés. Elle se produit grâce au partage, au transfert ou à la délocalisation d'électrons.
Qu'est-ce qu'une liaison covalente ?
Dans "La liaison", nous avons appris que les atomes aiment se trouver dans l'état d'énergie le plus bas possible. C'est à ce moment-là qu'ils sont le plus stables. Pour la majorité des atomes, cela implique d'avoir une couche externe complète d'électrons - ou plus précisément, huit électrons de valence. Il existe différentes façons pour les atomes d'obtenir une couche externe complète, mais les non-métaux trouvent plus facile d'atteindre cet état stable en partageant des électrons les uns avec les autres. C'est ce qu'on appelle une liaison covalente.
Une liaison covalente est une paire d'électrons partagée.
Les liaisons covalentes se forment entre deux atomes non métalliques par le chevauchement de certains de leurs électrons de la couche externe. Il en résulte généralement que les atomes ont des couches externes pleines. Cela leur donne la configuration électronique d'un gaz noble, qui est un arrangement électronique plus stable. Les atomes sont maintenus ensemble par une forte attraction électrostatique entre les noyaux positifs et la paire d'électrons partagée, également connue sous le nom de paire liée. En revanche, les paires d'électrons qui ne participent pas à la liaison covalente sont appelées paires solitaires.
Il est important de se rappeler que les atomes impliqués ne forment pas d'ions. Tu te souviendras qu'un ion est un atome qui a gagné ou perdu des électrons pour former une particule chargée. Les molécules covalentes partagent leurs électrons au lieu de les perdre et restent donc des particules neutres.
Certains métaux font exception à la règle : ils sont également capables de se lier de manière covalente. Par exemple, le béryllium peut s'associer au chlore par des liaisons covalentes pour former le chlorure de béryllium, \( BeCl_2 \) .
Diagrammes de liaisons covalentes
Il existe deux façons de représenter les liaisons covalentes. Pour une vue plus détaillée de la liaison, nous utilisons les diagrammes en points et en croix. Pour une représentation plus simple, nous utilisons les formules affichées.
Diagrammes en pointillés et en croix : Structure de Lewis
Les liaisons covalentes peuvent être représentées à l'aide de diagrammes en points et en croix. Ils présentent quelques caractéristiques importantes :
- Les diagrammes en points et en croix montrent la couche extérieure de chaque atome et les électrons qu'elle contient.
- Les électrons d'un atome sont représentés par des points et les électrons du second par des croix. Si nous avons d'autres atomes, nous pouvons choisir d'utiliser d'autres symboles, comme des triangles ou des étoiles, pour éviter toute confusion.
- Les électrons sont généralement représentés par paires, à intervalles réguliers autour de l'atome.
- Les liaisons covalentes sont représentées en superposant les couches électroniques de deux atomes et en dessinant une paire d'électrons à l'intérieur de la zone de chevauchement.
Voyons ensemble un exemple.
Dessine le diagramme en points et en croix d'une molécule de chlore, \( Cl_2 \) .
Un atome de chlore possède sept électrons dans sa couche externe. Pour obtenir une couche externe complète d'électrons, il doit gagner un électron supplémentaire. Deux atomes de chlore peuvent le faire en s'unissant et en partageant chacun un de leurs électrons grâce au chevauchement de leurs orbitales atomiques. Cela forme une liaison covalente. Comme chaque atome de chlore possède désormais un électron supplémentaire dans sa couche externe, les deux atomes ont une configuration électronique de gaz noble et sont plus stables.
Pour représenter ce phénomène sur un diagramme en points et en croix, les couches externes des électrons des atomes de chlore sont représentées par des cercles. Comme les atomes sont liés de manière covalente, les cercles se chevauchent légèrement. Chaque atome de chlore possède sept électrons propres ; nous en dessinons six sous la forme de trois paires solitaires autour du bord de chaque cercle. L'électron restant de chaque atome fait partie de la paire de liaison et est donc dessiné dans le chevauchement entre les cercles. Il s'agit d'une paire d'électrons partagée : une liaison covalente.
Fig.1- Structure de Lewis d'une molécule de chlore
Certains éléments peuvent former des molécules stables avec plus de huit électrons dans leur couche externe. C'est le cas du xénon, qui possède souvent \( 10 \) électrons de valence. C'est ce que l'on appelle un octet élargi. Inversement, d'autres éléments sont stables avec moins de huit électrons dans leur couche externe. C'est le cas de l'hydrogène, qui aime n'avoir que deux électrons de valence.
Formules affichées
Les diagrammes en pointillés et en croix peuvent prendre beaucoup de temps à dessiner pour les grosses molécules. Nous pouvons représenter la liaison covalente beaucoup plus facilement en dessinant simplement le symbole chimique de chaque atome et en montrant les liaisons covalentes entre eux à l'aide de lignes droites. Les paires d'électrons solitaires sont généralement omises, mais elles peuvent être incluses si elles sont particulièrement pertinentes pour l'espèce. Cette façon de représenter les molécules est connue sous le nom de formules affichées.
Dessine la formule affichée d'une molécule de chlore, \( Cl_2 \) .
Nous connaissons maintenant la liaison covalente au sein d'une molécule de chlore. Pour le montrer à l'aide de formules affichées, il suffit de représenter les deux atomes à l'aide de leurs symboles chimiques et de dessiner la liaison entre eux à l'aide d'une ligne droite. Les paires d'électrons solitaires n'étant pas très importantes ici, nous les laissons de côté :
Fig.2- La formule affichée d'une molécule de chlore
Consulte le résumé de cours "Composé organique" pour en savoir plus sur les différents types de formules utilisées en chimie.
Types de liaisons covalentes
Les liaisons covalentes ont toutes un point commun : une paire d'électrons partagée. Mais dans le domaine de la liaison covalente, il existe différents types de liaisons. Il s'agit notamment des liaisons suivantes
- Les liaisons covalentes datives ;
- Les liaisons simples, doubles et triples ;
- Les liaisons sigma et pi.
Explorons-les maintenant.
Liaisons simples, doubles et triples
Certains atomes n'ont besoin que d'une seule paire d'électrons partagée pour compléter leur couche externe. C'est le cas de la molécule de chlore, \( Cl_2 \) , que nous avons étudiée précédemment. Les atomes de chlore ont sept électrons de valence, mais si deux atomes de chlore partagent un électron l'un avec l'autre, ils en auront tous deux huit, complétant ainsi leur couche externe.
Toutefois, certains atomes ont besoin de plus d'une paire d'électrons partagée pour compléter leur couche externe. Pour ce faire, ils peuvent former plusieurs liaisons simples avec différents atomes, ou une liaison double ou triple avec le même atome.
- Dans une liaison covalente simple, deux atomes partagent une paire d'électrons. Un électron provient de chaque atome.
- Dans une liaison covalente double, deux atomes partagent deux paires d'électrons. Deux électrons proviennent de chaque atome ; au total, quatre électrons sont partagés.
- Dans une triple liaison covalente, deux atomes partagent trois paires d'électrons. Trois électrons proviennent de chaque atome ; au total, six électrons sont partagés.
Pour représenter les liaisons doubles et triples dans les diagrammes en points et en croix, il suffit d'augmenter le nombre d'électrons présents dans les couches électroniques qui se chevauchent. Par exemple, une liaison double contient deux points et deux croix, soit un total de quatre électrons. Pour représenter les liaisons doubles et triples dans les formules affichées, il suffit de tracer une ligne double ou triple respectivement.
L'oxygène, \( O_2 \) , contient une double liaison, tandis que l'azote, \( N_2 \) , contient une triple liaison. Représente ces molécules à l'aide de diagrammes en points et en croix et de formules affichées.
L'oxygène possède six électrons de valence. Il peut atteindre une couche extérieure complète en partageant deux paires d'électrons avec un autre atome d'oxygène, formant ainsi une double liaison covalente :
Fig.3- Un diagramme en points et en croix et la formule affichée d'une molécule d'oxygène.
L'azote, quant à lui, possède cinq électrons de valence. Il peut atteindre une couche externe complète en partageant trois paires d'électrons avec un autre atome d'azote, formant ainsi une triple liaison covalente :
Fig.4- Un diagramme en points et en croix et la formule affichée d'une molécule d'azote.
Les liaisons simples, doubles et triples varient également en longueur et en énergie :
Fig.5- L'énergie et la longueur relatives des liaisons covalentes simples, doubles et triples.
Liaisons sigma et pi : Orbitale atomique
Nous avons dit que les liaisons covalentes impliquaient un chevauchement d'orbitales atomiques ?
Eh bien, les orbitales peuvent se chevaucher de différentes manières, ce qui crée deux autres façons de classer les liaisons covalentes :
- Les liaisons sigma sont formées par le chevauchement bout à bout d'orbitales \( s \) ou d'orbitales hybridées \( sp \) . Toutes les liaisons covalentes simples sont des liaisons sigma.
- Les liaisons Pi sont formées par le chevauchement latéral d'orbitales p. Les deuxième et troisième liaisons dans les liaisons doubles et doubles sont des liaisons sigma. Les deuxième et troisième liaisons dans les liaisons doubles et triples sont des liaisons \( \pi \) .
Pour en savoir plus sur les orbitales et l'hybridation, consulte le résumé de cours du même nom, "Orbitale atomique".
Les liaisons pi sont beaucoup plus faibles que les liaisons sigma. Toutefois, comme une double liaison contient une liaison sigma et une liaison pi, elle est globalement beaucoup plus forte qu'une simple liaison sigma seule. De même, comme les liaisons triples contiennent une liaison sigma et deux liaisons pi, elles sont encore plus fortes.
Liaisons covalentes datives
Enfin, considérons les liaisons covalentes datives.
Dans notre exemple de \( Cl_2 \) ci-dessus, deux atomes se sont réunis et ont formé une liaison covalente en partageant chacun un électron. Mais parfois, les deux électrons de la paire liée peuvent provenir du même atome. C'est ce qu'on appelle une liaison covalente dative.
Une liaison covalente dative est un type de liaison covalente où les deux électrons de la paire partagée proviennent du même atome. Elle est également connue sous le nom de liaison de coordination.
Pour former une liaison dative, il faut une espèce avec une paire d'électrons solitaire et une espèce avec une orbitale électronique vide. L'espèce possédant une paire d'électrons solitaire offre ses deux électrons pour former la paire liée, tandis que l'espèce possédant une orbitale vide ne partage aucun de ses électrons.
Tu peux identifier les liaisons covalentes datives dans les diagrammes en points et en croix, car les deux électrons proviennent du même atome - au lieu d'un point et d'une croix, tu verras deux points ou deux croix. Dans les formules affichées, ces liaisons sont représentées par une flèche allant de l'espèce donneuse vers l'espèce réceptrice. Cependant, les liaisons datives sont exactement les mêmes que les liaisons covalentes ordinaires à tous les autres égards : elles ont la même longueur et les mêmes propriétés.
L'ion ammonium, \( NH_4^+ \) , contient une liaison covalente dative. Démontre-le à l'aide d'un diagramme en points et en croix et d'une formule affichée.
L'azote possède cinq électrons de valence. Il doit former trois liaisons covalentes pour obtenir une couche extérieure complète, ce qu'il fait en formant trois liaisons simples avec trois atomes d'hydrogène différents. L'azote dispose donc d'une paire d'électrons solitaires. Il les utilise pour se lier à un ion hydrogène, \( H^+ \) , qui possède une orbitale électronique vide. Il s'agit d'une liaison covalente dative. Ici, l'azote fournit les deux électrons de la paire liée :
Fig.6- Un diagramme en points et en croix et la formule affichée d'un ion ammonium.
Propriétés des liaisons covalentes
Les liaisons covalentes sont très solides. Elles sont maintenues ensemble par une forte attraction électrostatique entre la paire d'électrons partagée et les deux noyaux atomiques, qui nécessite beaucoup d'énergie pour être surmontée. Mais différentes espèces covalentes contiennent différents nombres et arrangements de liaisons covalentes, ce qui modifie leurs propriétés. Par exemple, les deux éléments les plus abondants qui composent la Terre, l'oxygène et le silicium, contiennent tous deux des liaisons covalentes, mais dans leur forme élémentaire, ils sont structurés de manière très différente. Alors que les atomes d'oxygène se déplacent par paires sous forme de simples molécules covalentes, les atomes de silicium forment d'énormes structures cristallines de taille indéterminée, connues sous le nom de macromolécules covalentes géantes. Leurs structures contrastées leur confèrent des propriétés différentes :
Les molécules covalentes simples sont constituées d'un petit nombre d'atomes liés entre eux par des liaisons covalentes. Bien que les liaisons covalentes elles-mêmes soient solides, les forces entre les molécules individuelles sont faibles et ne nécessitent pas beaucoup d'énergie pour être surmontées. C'est pourquoi les molécules covalentes simples ont des points de fusion et d'ébullition peu élevés.
Macromolécules
Les macromolécules, également connues sous le nom de structures covalentes géantes, sont d'immenses treillis composés de nombreux atomes reliés entre eux par de multiples liaisons covalentes dans toutes les directions. Elles ont des points de fusion et d'ébullition élevés, car toutes leurs liaisons covalentes sont extrêmement solides et nécessitent beaucoup d'énergie pour être surmontées. C'est pour cette même raison qu'ils sont durs et solides.
Fig.7- Un exemple de molécule covalente simple et de macromolécule covalente géante.
Tu peux comparer les molécules covalentes simples et les macromolécules covalentes géantes dans le résumé de cours "Propriétés physiques des structures lattices", qui les oppose également aux treillis ioniques et métalliques géants.
Exemples de liaisons covalentes
Tout au long de ce résumé de cours, nous avons inclus de nombreux exemples de liaisons covalentes, qu'il s'agisse de liaisons simples, doubles ou triples, de liaisons covalentes datives ou de différentes structures covalentes. Mais si tu veux voir d'autres liaisons covalentes en action, rends-toi au résumé de cours "Exemples de liaisons covalentes", où tu trouveras de nombreuses autres molécules.
Tu peux également découvrir des macromolécules covalentes géantes dans le résumé de cours "Atome de carbone".
Liaison covalente polaire
Si les deux atomes impliqués dans la liaison covalente sont différents, la paire d'électrons peut ne pas être partagée de manière égale entre eux. Un atome pourrait attirer la paire d'électrons partagée plus fortement que l'autre atome, attirant les électrons vers lui. La paire d'électrons est partagée de manière inégale entre les deux atomes. C'est ce qu'on appelle une liaison polaire.
Une liaison covalente polaire est une liaison dans laquelle la paire d'électrons est partagée de manière inégale entre les deux atomes liés.
Liaison covalente et doublets non-liants - Points clés
- Une liaison covalente est une paire d'électrons partagée. Elle se forme généralement entre deux non-métaux et se traduit par des couches extérieures pleines pour les deux atomes.
- Elle est formée par le chevauchement des orbitales des électrons.
- Les liaisons covalentes peuvent être représentées à l'aide de diagrammes en points et en croix, qui montrent la couche externe des électrons, ou à l'aide de formules affichées.
- Les atomes peuvent former des liaisons simples, doubles ou triples.
- Les liaisons simples sont les plus longues, tandis que les liaisons triples sont les plus énergétiques.
- Les liaisons sigma sont dues à la superposition bout à bout d'orbitales \( s \) ou \( sp \) -hybridées, tandis que les liaisons pi sont dues à la superposition latérale d'orbitales \( p \).
- Une liaison covalente dative est un type de liaison covalente où une espèce fournit les deux électrons partagés.
- Elle se produit entre une espèce possédant une paire d'électrons solitaire et une espèce possédant une orbitale vacante.
- Les atomes liés par une liaison covalente peuvent former des molécules covalentes simples ou des macromolécules covalentes géantes.
- Leurs propriétés varient en fonction du nombre et de la disposition des liaisons covalentes.
- Une liaison covalente polaire est une liaison dans laquelle la paire d'électrons est partagée de manière inégale entre les deux atomes liés.
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