10.4: Forme moléculaire et polarité

Moment dipolaire d'une molécule

Les liaisons covalentes polarisées relient deux atomes avec des électronégativités différentes, laissant un atome avec une charge partielle positive (δ⁺) et l'autre atome avec une charge partielle négative (δ^–), car les électrons sont attirés vers l'atome le plus électronégatif. Cette séparation des charges donne lieu au moment dipolaire d'une liaison. L'intensité du moment dipolaire d'une liaison est représentée par la lettre grecque mu (µ) et elle est donnée par la formule illustrée ici, où Q est l'intensité des charges partielles (déterminée par la différence d'électronégativité) et r est la distance entre les charges : μ = Qr.

Ce moment de liaison peut être représenté comme un vecteur, une grandeur ayant à la fois une direction et une norme. Les vecteurs de dipôles sont représentés par des flèches pointant le long de la liaison de l'atome le moins électronégatif vers l'atome le plus électronégatif. Un petit signe plus est dessiné sur l'extrémité la moins électronégative pour indiquer l'extrémité partiellement positive de la liaison. La longueur de la flèche est proportionnelle à la valeur absolue de la différence d'électronégativité entre les deux atomes.

Facteurs déterminant la polarité d'une molécule

Une molécule entière peut aussi avoir une séparation de charge, selon sa structure moléculaire et la polarisation de chacune de ses liaisons. Si une telle séparation de charge existe, on dit que la molécule est une molécule polaire ; sinon, on dit que la molécule est apolaire. Le moment dipolaire mesure l'étendue de la séparation nette des charges dans l'ensemble de la molécule. Nous déterminons le moment dipolaire en additionnant les moments des liaisons dans l'espace tridimensionnel, en tenant compte de la structure moléculaire.

Pour les molécules diatomiques, il n'y a qu'une seule liaison, de sorte que le moment dipolaire de la liaison détermine la polarité moléculaire. Les molécules diatomiques homonucléaires telles que Br₂ et N₂ ne présentent aucune différence au niveau de l'électronégativité, de sorte que leur moment dipolaire est nul. Pour les molécules hétéronucléaires telles que CO, il y a un petit moment dipolaire. Pour HF, il y a un moment dipolaire plus grand car il y a une différence d'électronégativité plus grande.

Lorsqu'une molécule contient plus d'une liaison, la géométrie doit être prise en compte. Si les liaisons d'une molécule sont disposées de manière à ce que leurs moments de liaison s'annulent (somme vectorielle égale à zéro), alors la molécule est apolaire. C'est le cas de CO₂. Chacune des liaisons est polarisée, mais la molécule dans son ensemble est apolaire. À partir de la structure de Lewis, et en utilisant la théorie VSEPR, nous déterminons que la molécule de CO₂ est linéaire avec des liaisons C=O polarisées sur les côtés opposés de l'atome de carbone. Les moments des liaisons s'annulent car ils pointent dans des directions opposées. Dans le cas de la molécule d'eau, la structure de Lewis montre à nouveau qu'il y a deux liaisons à un atome central, et la différence d'électronégativité montre à nouveau que chacune de ces liaisons a un moment de liaison non nul. Dans ce cas, cependant, la structure moléculaire est courbée en raison des doublets libres sur O, et les deux moments des liaisons ne s'annulent pas. Par conséquent, l'eau a un moment dipolaire net et c'est une molécule polaire (dipôle).

Dans une molécule OCS, la structure est similaire à CO₂, mais un atome de soufre  remplace l'un des atomes d'oxygène.  

La liaison C-O est considérablement polarisée. Bien que C et S aient des valeurs d'électronégativité très similaires, S est légèrement plus électronégatif que C, et donc la liaison C-S est légèrement polarisée. Comme l'oxygène est plus électronégatif que le soufre, l'extrémité de la molécule avec l'oxygène est l'extrémité négative

Le chlorométhane, CH₃Cl, est une molécule tétraédrique avec trois liaisons C-H légèrement polarisées et une liaison C-Cl qui est plus polarisée. Les électronégativités relatives des atomes liés sont H < C < Cl, et donc les moments de liaison pointent tous vers l'extrémité Cl de la molécule et s'additionnent pour donner un moment dipolaire considérable (les molécules sont relativement polaires).

Pour les molécules de haute symétrie telles que BF₃ (plane trigonale), CH₄ (tétraédrique), PF₅ (bipyramidale trigonale) et SF₆ (octaédrique), toutes les liaisons sont polarisées de façon identique (le même moment de liaison) et sont orientées dans des géométries qui produisent des molécules non polaires (le moment dipolaire est zéro). Cependant, les molécules de symétrie moins géométrique peuvent être polaires même lorsque tous les moments de liaison sont identiques. Pour ces molécules, les directions des moments de liaison égaux sont telles que leur somme donne un moment dipolaire non nul et une molécule polaire. Les exemples de telles molécules incluent le sulfure d'hydrogène, H₂S (non linéaire) et l'ammoniac, NH₃ (pyramidal trigonal)

Pour résumer, pour être polaire, une molécule doit :

1. contenir au moins une liaison covalente polarisée ;
2. avoir une structure moléculaire telle que la somme des vecteurs des moments dipolaires de chaque liaison ne s'annule pas.

Ce texte a été adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 7.6 Structure moléculaire et polarité.

Dans une liaison covalente comme celle de l'acide fluorhydrique, les électrons sont tirés vers l'atome le plus électronégatif, indiqué par une charge partielle. De telles liaisons sont appelées liaisons polaires. La séparation de charge crée un vecteur appelé le moment dipolaire de liaison, qui est indiqué par la lettre grecque mu.

Sa valeur est le produit de l'ampleur des charges partielles et de la distance entre eux. Le vecteur pointe de l'atome le moins à l'atome le plus électronégatif et indique le moment dipolaire de liaison. Sa longueur est proportionnelle à l'ampleur de la différence d'électronégativité entre les deux atomes.

La plupart des molécules diatomiques contenant des atomes de différents éléments ont des moments dipolaires et sont donc des molécules polaires. Les cartes de potentiel électrostatique indiquent les régions de densité électronique élevée et faible dans le composé avec des couleurs rouges et bleues, respectivement. Les couleurs intermédiaires représentent une densité électronique modérée.

Dans les composés polyatomiques, le moment dipolaire net est déterminé par les moments dipolaires de liaison individuels et la géométrie du composé. Considérons une molécule d'eau avec deux liaisons polaires. Elle a une forme courbée et est une molécule polaire.

En revanche, une molécule de dioxyde de carbone est linéaire. Les deux liaisons carbone-oxygène sont polaires mais sont orientées dans des directions opposées, annulant le moment dipolaire de l'autre et rendant la molécule globale non polaire. Les molécules de sulfure de carbonyle sont également linéaires.

Cependant, les moments dipolaires des liaisons carbone-oxygène et carbone-soufre ne s'annulent pas l'un l'autre, et la molécule a un moment dipolaire net. Le trifluorure de bore est un composé plan trigonal. Les moments dipolaires des liaisons bore-fluor s'annulent en raison de la symétrie moléculaire, et le composé est non polaire.

Cependant, les moments dipolaires des trois liaisons polaires dans les molécules de trichlorure de phosphore pyramidal trigonal ne s'annulent pas, ce qui en fait un composé polaire. Le tétrafluorométhane est une molécule tétraédrique qui n'est pas polaire car les moments dipolaires des quatre liaisons polaires identiques s'annulent mutuellement. Le fluorométhane est également une molécule tétraédrique.

Cependant, il possède un moment dipolaire net car la liaison C-F a un grand moment dipolaire par rapport aux liaisons C-H, et les moments dipolaires de liaison ne s'annulent pas. Dans un champ électrique, les molécules polaires alignent l'extrémité positive vers la plaque négative et l'extrémité négative vers la plaque positive. En revanche, les molécules non polaires ne sont pas affectées par un champ électrique.

Généralement, les solvants polaires dissolvent les solutés polaires, et les solvants non polaires dissolvent les solutés non polaires parce que des types similaires de molécules ont tendance à avoir des interactions plus favorables. L'eau est polaire et dissout facilement les composés polaires tels que le saccharose, communément appelé sucre de table. L'huile est non polaire et reste immiscible dans l'eau.