9.1: Types de liaisons chimiques

Le chimiste américain Gilbert N. Lewis a été le pionnier des théories de la liaison chimique. Il a conçu un modèle appelé le modèle de Lewis pour expliquer le type des différentes liaisons et leur formation. La liaison chimique est essentielle en chimie ; elle explique comment les atomes ou les ions se lient pour former des molécules. Elle explique pourquoi certaines liaisons sont fortes et d'autres faibles, ou pourquoi un carbone se lie avec deux oxygènes et non trois ; pourquoi l'eau est H₂O et non H₄O.  

Liaisons ioniques

Les ions sont des atomes ou des molécules portant une charge électrique. Un cation (un ion positif) se forme lorsqu'un atome neutre perd un ou plusieurs électrons de sa couche de valence, et un anion (un ion négatif) se forme lorsqu'un atome neutre gagne un ou plusieurs électrons sur sa couche de valence. Les composés constitués d'ions sont appelés des composés ioniques (ou sels), et leurs constituants ioniques sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques : des forces d'attraction électrostatiques entre les cations et les anions de charges opposées.

Les propriétés des composés ioniques mettent en évidence la nature des liaisons ioniques. Les solides ioniques présentent une structure cristalline et ont tendance à être rigides et cassants ; ils ont également tendance à avoir des points de fusion et d'ébullition élevés, ce qui suggère que les liaisons ioniques sont très fortes. Les solides ioniques sont également de mauvais conducteurs d'électricité pour la même raison : la force des liaisons ioniques empêche les ions de se déplacer librement à l'état solide. Toutefois, la plupart des solides ioniques se dissolvent facilement dans l'eau. Une fois dissous ou fondus, les composés ioniques sont d'excellents conducteurs d'électricité et de chaleur car les ions peuvent se déplacer librement.

Liaisons covalentes

Les atomes des non-métaux forment souvent des liaisons covalentes avec d'autres atomes de non-métaux. Les liaisons covalentes se forment lorsque les électrons sont mis en commun entre les atomes et qu'ils sont attirés par les noyaux des deux atomes. Si les atomes qui forment une liaison covalente sont identiques, comme dans H₂, Cl₂ et d'autres molécules diatomiques, alors les électrons de la liaison doivent être partagés de façon égale. C'est ce qu'on appelle une liaison covalente pure. Lorsque les atomes liés par une liaison covalente sont différents, les électrons liants sont partagés, mais plus de façon égale. Au lieu de cela, les électrons liants sont plus attirés par un atome que par l'autre, ce qui donne lieu à un déplacement de la densité électronique vers cet atome. Cette répartition inégale des électrons est connue sous le nom de liaison covalente polarisée.

Les composés qui contiennent des liaisons covalentes présentent des propriétés physiques différentes de celles des composés ioniques. Comme l'attraction entre les molécules, qui sont électriquement neutres, est plus faible que celle qui existe entre les ions chargés électriquement, les composés covalents ont généralement des points de fusion et d'ébullition beaucoup plus faibles que les composés ioniques. En outre, alors que les composés ioniques sont de bons conducteurs d'électricité lorsqu'ils sont dissous dans l'eau, la plupart des composés covalents sont insolubles dans l'eau ; comme ils sont électriquement neutres, ils sont de mauvais conducteurs d'électricité quel que soit l'état.

Liaisons métalliques

Des liaisons métalliques se forment entre les atomes de deux métaux. Paul Drüde a conçu un modèle simplifié pour décrire la liaison métallique, appelé le ' ; modèle de la mer d'électrons ' ;. Basé sur les faibles énergies d'ionisation des métaux, le modèle indique que les atomes d'un métal perdent facilement leurs électrons de valence et deviennent des cations. Ces électrons de valence créent une mer d'électrons délocalisés entourant les cations sur l'ensemble du métal.  

Les solides métalliques, tels que les cristaux de cuivre, d'aluminium et de fer, sont formés par les atomes des métaux et présentent tous une conductivité thermique et électrique élevée, un éclat métallique et une malléabilité. Beaucoup sont très durs et assez solides. En raison de leur malléabilité (la capacité de se déformer sous une pression ou un martelage), ils ne se brisent pas et, par conséquent, font des matériaux de construction utiles. Les points de fusion des métaux varient considérablement. Le mercure est un liquide à température ambiante et les métaux alcalins fondent en dessous de 200 °C. Plusieurs métaux de post-transition ont également des points de fusion bas, alors que les métaux de transition fondent à des températures supérieures à 1000 °C. Ces différences reflètent les différences au niveau de la force de la liaison métallique parmi les métaux.  

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 7.1 : Liaison ionique, Openstax, Chimie 2e, Section 7.2 : Liaison covalente, et Openstax, Chimie 2e, Section 10.5 : L'état solide de la matière.

Les liaisons chimiques sont essentielles pour que les atomes forment une variété de composés, tels que le sel, l'eau ou les alliages. Comprendre la formation de liaisons chimiques, ou plus précisément l'attraction entre les atomes, aidera à comprendre et à prédire le comportement moléculaire. Le noyau d'un atome est constitué de neutrons et de protons chargés positivement, qui est entouré par les électrons chargés négativement.

Lorsque deux atomes se rapprochent l'un de l'autre, les électrons d'un atome sont attirés vers le noyau de l'autre atome et vice versa. Simultanément, les noyaux des deux atomes se repoussent, tout comme les électrons de chaque atome. Lorsque ces interactions conduisent à une réduction nette de l'énergie potentielle, une liaison chimique est formée.

Il existe trois types de liaisons chimiques. Un métal et un non-métal, comme le sodium et le chlore, forment une liaison ionique. Les métaux ont de faibles énergies d'ionisation permettant une élimination plus facile des électrons de l'atome.

Ces électrons sont facilement acceptés par les non-métaux compte tenu de leurs affinités électroniques élevées et de leur désir d'obtenir une coquille de valence complète. Par conséquent, le métal transfère des électrons au non-métal formant un cation et un anion. Ces particules chargées s'attirent pour créer une liaison ionique.

Le deuxième type est des liaisons covalentes formées entre deux non-métaux, comme un carbone et deux atomes d'oxygène formant du dioxyde de carbone. Les non-métaux ont des énergies d'ionisation élevées, ce qui rend difficile l'élimination et le transfert des électrons de valence d'un atome à un autre, d'où les électrons sont partagés entre les atomes. Ces électrons partagés interagissent avec les deux noyaux des atomes de liaison et réduisent l'énergie potentielle.

Le dernier type est une liaison métallique formée entre deux atomes métalliques. Les atomes métalliques perdent facilement des électrons de valence, formant un pool d'électrons selon le modèle de mer d'électrons le plus simple. Les électrons de valence se délocalisent sur l'ensemble du métal et les atomes de métal chargés positivement sont attirés par ce pool d'électrons qui maintient les atomes ensemble.