Sciences · Chimie
Les liaisons chimiques
Une liaison chimique est une force qui maintient des atomes ensemble. Les trois grands types sont la liaison covalente (partage d’électrons), ionique (transfert d’électrons) et métallique.
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Les atomes isolés sont rares dans la nature : seuls les gaz nobles existent naturellement à l’état d’atomes libres. Tous les autres s’associent, parce qu’en mettant en commun, en cédant ou en captant des électrons de leur couche externe, ils atteignent un état d’énergie plus bas, donc plus stable. Le type de liaison dépend de la différence d'électronégativité entre les atomes, c’est-à-dire de leur tendance à attirer les électrons.
Vue d’ensemble
| Liaison | Mécanisme | Entre… | Énergie typique | Exemple |
|---|---|---|---|---|
| Covalente | Partage d’une ou plusieurs paires d’électrons | Non-métaux | 150 à 1 000 kJ/mol | H₂, H₂O, CH₄, diamant |
| Ionique | Transfert d’électrons puis attraction entre ions | Métal + non-métal | Réseau : plusieurs centaines à milliers de kJ/mol | NaCl, CaF₂ |
| Métallique | Électrons mis en commun dans tout le cristal | Métaux | 100 à 800 kJ/mol | Fer, cuivre, or |
| Hydrogène | Attraction entre H lié à N, O ou F et un doublet voisin | Entre molécules (ou dans une même molécule) | 5 à 40 kJ/mol | Eau, ADN |
| Van der Waals | Attractions entre dipôles permanents ou temporaires | Entre molécules | 0,5 à 10 kJ/mol | Gaz nobles liquides, gecko |
Les trois premières sont des liaisons fortes (intramoléculaires ou de réseau) ; les deux dernières des interactions faibles (intermoléculaires), qui déterminent notamment les températures de fusion et d’ébullition.
La liaison covalente
Deux atomes mettent chacun un électron en commun pour former un doublet liant. Chaque atome « compte » alors ce doublet dans sa couche externe et peut atteindre 8 électrons (règle de l’octet) ou 2 pour l’hydrogène. Le concept a été proposé par Gilbert Lewis en 1916.
Simple, double, triple
| Liaison | Doublets partagés | Exemple | Longueur | Énergie |
|---|---|---|---|---|
| Simple | 1 | C–C (éthane) | 154 pm | ≈ 347 kJ/mol |
| Double | 2 | C=C (éthylène), O=O | 134 pm | ≈ 614 kJ/mol |
| Triple | 3 | C≡C (acétylène), N≡N | 120 pm | ≈ 839 kJ/mol |
Plus il y a de doublets partagés, plus la liaison est courte et solide. La triple liaison du diazote N₂ (945 kJ/mol) explique la grande stabilité de l’azote de l’air.
Covalente polaire ou apolaire
- Entre deux atomes identiques (H₂, Cl₂), le doublet est partagé équitablement : liaison apolaire.
- Entre atomes d’électronégativités différentes (O–H), le doublet est attiré vers le plus électronégatif, qui porte une charge partielle négative (δ−) ; l’autre porte δ+. La liaison est polaire.
Une molécule peut contenir des liaisons polaires sans être polaire, si sa géométrie les compense : CO₂ est linéaire, ses deux dipôles s’annulent. L’eau, coudée, est polaire. Voir la géométrie des molécules.
La liaison ionique
Quand la différence d’électronégativité est grande (en pratique, au-delà de 1,7 environ sur l’échelle de Pauling), un atome cède un ou plusieurs électrons à l’autre. On obtient un cation (positif) et un anion (négatif), qui s’attirent par force électrostatique.
Propriétés des composés ioniques :
- solides cristallins durs mais cassants ;
- températures de fusion élevées (801 °C pour NaCl) ;
- isolants à l’état solide, conducteurs une fois fondus ou dissous dans l’eau, car les ions deviennent mobiles ;
- souvent solubles dans l’eau.
La frontière entre covalent et ionique n’est pas tranchée : il existe un continuum de liaisons plus ou moins polarisées.
La liaison métallique
Dans un métal, les atomes cèdent leurs électrons de valence à l’ensemble du cristal. On obtient un réseau de cations baignant dans une « mer » d’électrons libres, partagés par tous. Ce modèle explique les propriétés des métaux :
- conductivité électrique et thermique : les électrons libres transportent courant et chaleur (voir l'électricité) ;
- éclat métallique : les électrons libres réfléchissent la lumière ;
- malléabilité et ductilité : les couches d’atomes peuvent glisser sans rompre la cohésion. Un gramme d’or peut être étiré en un fil de plus de 2 km.
Les interactions intermoléculaires
La liaison hydrogène
Un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif (azote, oxygène ou fluor) porte une forte charge partielle positive ; il est attiré par un doublet libre d’un atome électronégatif voisin. Cette liaison, environ dix à vingt fois plus faible qu’une covalente, a des effets considérables :
- l'eau est liquide à température ambiante alors que H₂S, molécule plus lourde, est gazeuse ;
- la glace, dont les liaisons hydrogène imposent une structure ouverte, est moins dense que l’eau liquide ;
- les deux brins de l'ADN sont tenus par des liaisons hydrogène entre bases (A–T : 2 ; G–C : 3), assez solides pour garder l’information, assez faibles pour s’ouvrir lors de la copie.
Les forces de Van der Waals
Ce sont de faibles attractions entre dipôles électriques, permanents ou fluctuants (forces de London). Elles existent entre toutes les molécules et croissent avec leur taille. Elles expliquent que les gaz nobles puissent être liquéfiés et que le gecko adhère aux murs grâce aux millions de poils microscopiques de ses doigts.
Comment prévoir le type de liaison
| Différence d’électronégativité (Δχ) | Type de liaison | Exemple |
|---|---|---|
| ≈ 0 | Covalente apolaire | H–H, C–C, Cl–Cl |
| 0,4 à 1,7 environ | Covalente polaire | O–H (Δχ = 1,24), C–O |
| > 1,7 environ | Ionique | Na–Cl (Δχ = 2,23), K–F |
| Métal + métal | Métallique | Cu, alliages |
Ces seuils sont indicatifs ; ils servent de règle de pensée, non de frontière stricte.
Questions fréquentes
Quelle est la liaison chimique la plus forte ?
Parmi les liaisons entre deux atomes, la triple liaison du monoxyde de carbone (C≡O, environ 1 070 kJ/mol) est l’une des plus fortes connues. Les réseaux covalents comme le diamant, où chaque carbone est lié à quatre autres, comptent parmi les matériaux les plus durs.
Quelle différence entre liaison covalente et ionique ?
Dans une liaison covalente, les électrons sont partagés entre les atomes. Dans une liaison ionique, ils sont transférés d’un atome à l’autre, ce qui crée des ions de charges opposées qui s’attirent.
Pourquoi l’huile et l’eau ne se mélangent-elles pas ?
Les molécules d’eau, polaires, sont fortement liées entre elles par des liaisons hydrogène. Les molécules d’huile, apolaires, ne peuvent pas en former : l’eau reste groupée et repousse l’huile. « Le semblable dissout le semblable. »
Que se passe-t-il quand on rompt une liaison ?
Rompre une liaison demande toujours de l’énergie ; en former une en libère. Le bilan d’une réaction chimique dépend de la différence entre les deux.