Lorsque l'on rentre un peu plus dans le vif du sujet en chimie, on en arrive rapidement à des éléments très techniques, car la chimie requiert énormément de connaissances pour chacun des sujets traités. En effet, le chapitre des liaisons chimiques tel qu'étudié en classes du secondaire en Wallonie nécessite d'avoir bien compris, par exemple, ce que sont tout bêtement des atomes, des molécules ainsi que de quoi chacun est constitué. Si vous avez en effet des lacunes sur ces sujets, nous vous conseillons d'aller consulter nos articles connexes à ce sujet, tels que celui sur les solutions chimiques ! Et maintenant, concentrons-nous sur l'un des sujets majeurs de la chimie, à savoir : les liaisons chimiques.
Qu'entend-t-on par "liaisons chimiques" ?
Inconsciemment, sans pouvoir toujours l’expliciter par des termes précis, tout le monde sait qu'il existe des liaisons chimiques. Mais comment expliquer ce dont il s'agit ? Partout autour de nous, les atomes se lient entre eux en suivant des chemins précis, ceci ayant pour conséquence la création de nouveaux métaux, matériaux, fibres et autres. Pourquoi, par exemple, l'hémoglobine dispose de la faculté totalement automatique et naturelle à transporter l'oxygène des poumons vers tous les autres tissus organiques du corps afin de nous permettre de vivre ?
Pourquoi est-ce cette protéine qu'est l'hémoglobine qui en est comme chargée ? Si la chimie est si passionnante, c'est notamment parce qu'elle nous explique des choses qui se déroulent naturellement dans notre corps et à l'extérieur sans même que nous ne remettions ces choses en question - excepté lorsque nous nous y intéressons de très près.
On appelle liaison chimique toute liaison s'établissant entre plusieurs atomes. Comme vous l'apprendrez lors de tout cours de chimie en ligne portant sur ces notions, il s'agit sans cesse de liaisons sous forme d'interactions attractives. Certains atomes se lient pour former un élément autre, d'autres se lient sous forme d'ions pour telle ou telle raison… Les liaisons chimiques occasionnent en tout cas, chaque fois, des variations d'énergie. Pourquoi ? Parce qu'à chaque fois, les électrons, qui rappellons-le se situent autour du noyau de l’atome, changent de place. Finalement, les liaisons chimiques sont occasionnées par les différentes structures électroniques de chaque atome.
La configuration électronique des atomes : la couche de valence
Le terme de couche de valence renvoie à la dernière couche située autour du noyau de chaque atome. Il s'agit en fait de la dernière couche électronique partiellement ou intégralement remplie de l'atome, faisant donc aussi partie de ce que l'on appelle le nuage électronique car il faut rappeler qu'il s'agit du nuage dans lequel voguent les électrons de chaque atome. Ainsi, visionnez l'atome de cette manière : au sein de chaque atome, nous retrouvons un noyau. Au sein de ce noyau, proton(s) et neutron(s) y sont plus ou moins en grand nombre selon l'atome concerné.
Si nous prenons par exemple le cas de l'atome d'hydrogène, il possède nécessairement un seul proton, mais le nombre de neutrons varie. Trois isotopes sont possibles avec l'atome d'hydrogène : on trouve parfois un atome d'hydrogène avec 1 seul proton et aucun neutron, parfois 1 proton avec 1 neutron, et parfois encore 1 proton avec 2 neutrons. Selon les cas donc, chaque atome dispose d'un nombre de protons et de neutrons différent. La chimie vous réserve son lot de termes spécifiques, n'est-ce pas ?
Autour de ce noyau contenant neutrons et protons, on retrouve la nuage électronique où se déplacent les électrons. Dans le cas de l'hydrogène, il n'y a toujours qu'un seul électron dans ce nuage, dont la dernière couche est appelée couche de valence. La couche de valence correspond donc à l'élément de l'atome le plus éloigné du noyau (et donc des protons et neutrons). Dans cette couche électronique de valence, les électrons qui y nagent sont appelés, sans surprise, les électrons de valence. La couche de valence délimite la "fin" de l'atome, car juste derrière elle se trouve "l'extérieur". Le terme de valence désigne, en chimie, le nombre maximal d'atomes pouvant établir des liaisons chimiques avec d'autres atomes déterminés selon leur configuration électronique.
Notons que la configuration électronique d'un atome est notée sur le tableau périodique de Mendeleïev. On dit que plus la couche électronique d'un atome est pleine, plus les atomes sont stables. Les atomes vont donc naturellement chercher à avoir une couche électronique de valence pleine. Étant donné qu'il s'agit de la dernière couche de l'atome, c'est la plus à même (et d'ailleurs la seule) à être apte à établir des liaisons chimiques avec les autres couches de valence d'atomes environnants définis.
Comment connaître le nombre d’électrons de valence d'un atome ?
Il s'agit en réalité d'un jeu assez simple ! Sur le tableau périodique, vous avez des lignes, les périodes, ainsi que des colonnes, appelées aussi familles. Si l'atome que vous recherchez se situe dans la colonne numérotée "6", par exemple, alors cela signifie que l'atome en question dispose de 6 électrons de valence (et non pas de 6 électrons en tout, mais bien de 6 électrons de valence, dans la dernière couche électronique donc).
Attention cependant, le seul piège concerne le cas de l'hélium. Bien qu'il soit dans la 18e colonne, il ne dispose que d'une couche électronique (il n'a que 2 protons et électrons), et donc par conséquent il ne dispose que de deux électrons. Pourquoi ne fut-il pas rangé du côté de la 2e colonne dans ce cas ? L'hélium dispose d'une couche pleine étant donné qu'il ne dispose que d'une seule couche, et la première couche ne peut pas contenir plus de 2 électrons. Il est resté dans cette colonne et famille en raison de sa similarité avec les autres atomes de la famille.
Ce qu'il se passe pour provoquer une liaison chimique
En chimie, les atomes ont tendance à se rapprocher d'autres atomes afin de disposer d'une couche de valence aussi pleine, et donc stable, que possible. Pour ce faire, les atomes vont venir former des molécules. Ainsi, les atomes, quels qu'ils soient, recherchent systématiquement la configuration la plus stable, et pour cela, ils vont donc se rapprocher des configurations de gaz nobles les plus proches de leur propre configuration. Prenons l'exemple le plus simple et rapide : l'hydrogène, comme toujours.
Etant donné que l'hydrogène ne dispose que d'une couche électronique, puisqu'il ne possède qu'un seul électron, et que la première couche d'un atome ne peut jamais contenir plus de deux électrons, l'atome d'hydrogène va nécessairement chercher, en présence d'un autre atome d'hydrogène, à vouloir partager leur unique électron. Il s'agit ici d'une liaison de covalence, mais tous les atomes ne réagissent pas de la même manière, comme nous allons le voir ! Les deux atomes se rapprochent nécessairement afin de partager leur électron, et ils disposent donc de deux mêmes électrons puisque les deux atomes sont désormais liés. On dit alors que les orbites des deux atomes se chevauchent, en s'emmêlant pour ne faire presque qu'un.
Les différents types de liaisons chimiques
Il existe un grand nombre de types de liaisons chimiques, en réalité. Si les plus connues sont les liaisons chimiques covalentes, ou encore les liaisons ioniques, il ne faut pas oublier les liaisons métalliques, hydrogènes ni les liaisons de Van Der Waals. Les deux types de liaisons chimiques les plus rencontrés sont les liaisons covalentes ainsi que les liaisons ioniques. Tout comme pour la chimie organique, il vous faut ici assimiler autant que possible les notions pour les retenir. Les liaisons hydrogènes ainsi que les liaisons de Van Der Waals sont les moins connues, et également les plus faibles car elles disposent d'un rôle moindre dans le bon maintien d'une molécule. Elles ont tout de même leur importance, bien sûr.
Les liaisons covalentes
Assurément, celles-ci sont celles dont vous entendrez le plus parler durant vos cours de chimie, spécialement à un niveau peu avancé encore. On les appelle également liaisons pures, liaisons parfaites ou encore liaisons polarisées. Il s'agit en fait des liaisons ayant lieu entre deux non-métaux. Pourquoi liaison covalente ? Parce qu'il s'agit d'une liaison chimique au sein de laquelle il y a un partage d'électrons. Pourquoi les éléments non-métalliques sont les seuls à provoquer des liaisons dites covalentes ?
Cela renvoie au fait qu'ils ne peuvent pas former, en se rapprochant, de cations. Rappelons que les cations sont les ions détenant une charge positive (par opposition aux anions), et étant donc composés de plus de protons que d'électrons. Les non-métaux, dans leur liaison chimique, se partagent un doublet d'électrons.
Dans le cas dont nous avons parlé ci-dessus concernant les deux atomes d'hydrogènes s'emmêlant naturellement, nous observons que l'électronégativité de chacun des deux atomes est identique, puisqu'ils disposent tous deux du même nombre d'électrons, de la même force donc. Rappelons au passage que l'électronégativité est la capacité d'un élément chimique à attirer les électrons. On dit alors que les orbitales fusionnent. Durant les liaisons chimiques covalentes donc, nous observons nécessairement un partage d'électrons entre les atomes.
Les liaisons ioniques
Autre notion importante enseignée en cours de chimie 3ème secondaire belgique, celle des liaisons ioniques, ayant lieu entre un élément métallique et un élément non-métallique. Dans ces liaisons chimiques-ci, nous observons des interactions électrostatiques entre différents ions ayant des charges opposées, autrement dit, entre cations (ions chargés positivement) et anions (ions chargés négativement). Contrairement à ce qu'il se passe au sein des liaisons covalentes, les électrons ne sont pas partagés au sein des liaisons ioniques. Ils restent bien sur les ions, et cela constitue des liaisons fortes, tout comme pour les liaisons covalentes : cela signifie que le gain en énergie de chacun des électrons est élevé.
La différence d'électronégativité entre les métaux et les non-métaux est très grande, c'est la plus grande de toutes les liaisons chimiques existantes. Les atomes des liaisons ioniques veulent se débarrasser de leur électron seul sur leur couche de valence, bien souvent, afin de se stabiliser. Il n'y a ici aucun partage, à proprement parler, car l'atome s'étant débarrassé de son électron a désormais une charge positive et dispose d'une dernière couche, complètement vide.
Dans ce type de liaison, on remarque systématiquement qu'un non-métal dispose d'une plus grande électronégativité qu'un métal proche, et que ce non-métal va donc complètement capter l'électron d'un métal. Cela forme un réseau cristallin, et non pas réellement des molécules.
Les liaisons métalliques
Les liaisons métalliques sont faites entre plusieurs métaux. Dans un bloc métallique, plein d'atomes se baladent totalement librement, dans ce que l'on appelle une "mer d'électrons". Les électrons échangent sans cesse de place. La mer d'électrons est chargée négativement puisque ce sont des électrons qui se baladent, et ne permettent pas aux cations (ions positifs donc) de se rencontrer. Les métaux sont ainsi de très bons conducteurs (thermiques, électriques…) puisque les électrons ne sont pas liés à un seul atome, ils bougent ainsi très facilement. Pourquoi ne pas comprendre le phénomène des réactions acido-basiques, également ? Les liaisons chimiques fonctionnent à peu près de la même manière, en un sens.
Les liaisons hydrogènes
Celles-ci sont essentiellement des liaisons entre molécules. On les appelle également souvent interactions inter-moléculaires. Dans ces liaisons, on a toujours au moins un atome d'hydrogène (une molécule d'eau par exemple). Les molécules d'eau ne sont jamais seules, elles sont toujours à plusieurs. Chaque hydrogène se met dans l'alignement d'un doublet d'un autre hydrogène. Ceci crée donc des liaisons hydrogènes, chaque hydrogène pouvant former quatre liaisons hydrogènes au maximum.
Les liaisons hydrogènes ont lieu lorsque :
- on a au moins un atome d'hydrogène lié à un atome très électronégatif
- il doit y avoir un doublet disponible (libre) sur un atome très électronégatif
Les liaisons de Van der Waals
Il s'agit d'une liaison, plutôt appelée interaction, entre deux atomes ou molécules, ou encore entre une molécule et un cristal. Ces liaisons chimiques électriques sont très faibles. Elles ne se manifestent d'ailleurs qu'à très basses températures ! Il s'agit de moments dits dipolaires et instantanés, sans aucun échange d'électrons de valence étant donné qu'aucun électron de valence n'est disponible ici.
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