Sciences · Chimie
Énergie de liaison
L’énergie de liaison est l’énergie qu’il faut fournir pour rompre une mole d’une liaison donnée, à l’état gazeux. Elle mesure la solidité d’une liaison et permet d’estimer l’énergie libérée ou absorbée par une réaction.
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Une liaison chimique est un état d’énergie plus bas que celui des atomes séparés : pour la casser, il faut donc payer. Le prix à payer est l'énergie de liaison. À l’inverse, quand une liaison se forme, la même énergie est libérée. Toute la thermochimie repose sur ce bilan : une réaction qui forme des liaisons plus solides que celles qu’elle rompt libère de l’énergie. C’est ce qui rend la combustion du gaz ou du bois si énergétique.
Tableau des principales énergies de liaison
Valeurs moyennes, en kJ/mol. Pour une même liaison, la valeur varie légèrement d’une molécule à l’autre ; on utilise donc des moyennes.
| Liaison | Énergie (kJ/mol) | Liaison | Énergie (kJ/mol) |
|---|---|---|---|
| H–H | 436 | C=C | 614 |
| C–H | 413 | C≡C | 839 |
| C–C | 347 | C=O (dans CO₂) | 799 |
| C–O | 358 | C≡O (monoxyde de carbone) | 1 072 |
| O–H | 463 | O=O | 498 |
| N–H | 391 | N≡N | 945 |
| H–Cl | 432 | N=N | 418 |
| Cl–Cl | 243 | C–N | 293 |
| H–F | 565 | F–F | 158 |
| O–O (peroxyde) | ≈ 146 | C–Cl | 339 |
Quelques constats :
- une liaison multiple est plus forte qu’une simple entre les mêmes atomes, mais pas deux ou trois fois plus : C–C 347, C=C 614, C≡C 839 kJ/mol ;
- la triple liaison N≡N (945 kJ/mol) explique l’inertie du diazote de l’air, et la difficulté du procédé Haber-Bosch de synthèse de l'ammoniac ;
- la liaison O–O simple des peroxydes est faible : c’est le point de rupture du peroxyde d’hydrogène ;
- la liaison F–F est étonnamment faible, ce qui contribue à l’extrême réactivité du difluor.
Énergie et longueur
Plus une liaison est forte, plus elle est courte en général. Les liaisons multiples rapprochent les atomes : 154 pm pour C–C, 134 pm pour C=C, 120 pm pour C≡C. Les liaisons avec l’hydrogène, petit atome, sont courtes et souvent fortes. Pour le détail des liaisons simples, doubles et triples, voir la liaison covalente.
Calculer l’énergie d’une réaction
Une réaction peut être vue comme une suite fictive en deux temps :
- on rompt toutes les liaisons des réactifs (coût en énergie) ;
- on forme toutes les liaisons des produits (gain d’énergie).
Énergie de réaction ≈ Σ énergies des liaisons rompues − Σ énergies des liaisons formées
- Si le résultat est négatif, la réaction libère de l’énergie : elle est exothermique.
- S’il est positif, elle en absorbe : elle est endothermique.
Voir les réactions exothermiques et endothermiques.
Les limites de la méthode
- Les énergies tabulées sont des moyennes : le résultat est une estimation, souvent à quelques pour cent près, parfois moins bon.
- La méthode s’applique à des espèces gazeuses. Si un produit est liquide (l’eau, par exemple), il faut ajouter l’énergie de liquéfaction : la combustion du méthane donne alors environ −890 kJ/mol.
- Pour des calculs précis, on utilise les enthalpies standard de formation tabulées, selon la loi de Hess (Germain Henri Hess, 1840) : l’énergie d’une réaction ne dépend que des états initial et final, pas du chemin suivi. Voir la thermodynamique.
Pourquoi les combustibles sont-ils énergétiques ?
Les combustibles (hydrocarbures, sucres, graisses) sont riches en liaisons C–H et C–C, relativement faibles ; leur combustion forme des liaisons C=O et O–H très solides. La différence est libérée sous forme de chaleur. Les liaisons du dioxygène O₂, double mais assez faible pour une double liaison, contribuent aussi à ce bilan favorable. Voir la combustion.
À l’inverse, le CO₂ et l’eau, produits finaux, sont pauvres en énergie chimique : pour les reconvertir en combustible, comme le fait la photosynthèse, il faut un apport d’énergie extérieur, celui de la lumière solaire.
Énergie de liaison et autres énergies
| Énergie | Ordre de grandeur |
|---|---|
| Interactions de Van der Waals | 0,5 à 10 kJ/mol |
| Liaison hydrogène | 5 à 40 kJ/mol |
| Liaison covalente | 150 à 1 000 kJ/mol |
| Énergie de liaison nucléaire (par nucléon) | ≈ 800 millions de kJ/mol, soit environ 8 MeV par nucléon |
Le dernier chiffre explique pourquoi les réactions nucléaires libèrent des millions de fois plus d’énergie que les réactions chimiques (voir fission et fusion nucléaire).
Questions fréquentes
Rompre une liaison libère-t-il de l’énergie ?
Non, c’est une idée reçue fréquente. Rompre une liaison coûte toujours de l’énergie ; c’est la formation de nouvelles liaisons qui en libère. L’énergie « contenue » dans un combustible n’est disponible qu’en formant des liaisons plus solides avec l’oxygène.
Quelle est la liaison la plus forte ?
Parmi les liaisons entre deux atomes, la triple liaison du monoxyde de carbone (environ 1 072 kJ/mol) est l’une des plus fortes connues, devant N≡N (945 kJ/mol).
Pourquoi les valeurs varient-elles selon les sources ?
Parce que l’énergie d’une liaison dépend légèrement de son environnement dans la molécule, et que les tables donnent des moyennes calculées sur des ensembles de composés différents, à des températures de référence parfois différentes.