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.