La liaison chimique se produit lorsque deux atomes ou plus se rejoignent pour former une molécule. C’est un principe général en science que tous les systèmes essaieront d’atteindre leur niveau d’énergie le plus bas, et la liaison chimique n’aura lieu que lorsqu’une molécule peut se former avec moins d’énergie que ses atomes non combinés. Les trois principaux types de liaisons sont ioniques, covalentes et métalliques. Ceux-ci impliquent tous des électrons se déplaçant entre les atomes de diverses manières. Un autre type, beaucoup plus faible, est la liaison hydrogène.
Structure atomique
Les atomes sont constitués d’un noyau contenant des protons chargés positivement, qui est entouré d’un nombre égal d’électrons chargés négativement. Normalement, ils sont donc électriquement neutres. Un atome peut cependant perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, lui conférant une charge positive ou négative. Quand on a une charge électrique, on l’appelle un ion.
Ce sont les électrons qui sont impliqués dans la liaison chimique. Ces particules sont disposées en coquilles qui peuvent être considérées comme existant à des distances croissantes du noyau. En général, plus les coquilles sont éloignées du noyau, plus elles ont d’énergie. Il y a une limite au nombre d’électrons qui peuvent occuper une couche. Par exemple, la première coque, la plus interne, a une limite de deux et la suivante une limite de huit.
Dans la plupart des cas, seuls les électrons de la couche la plus externe participent à la liaison. Ceux-ci sont souvent appelés les électrons de valence. En règle générale, les atomes auront tendance à se combiner les uns avec les autres de telle sorte qu’ils atteignent tous des enveloppes externes complètes, car ces configurations ont généralement moins d’énergie. Un groupe d’éléments connus sous le nom de gaz nobles – l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon – ont déjà des enveloppes externes complètes et de ce fait, ils ne forment normalement pas de liaisons chimiques. D’autres éléments essaieront généralement d’obtenir une structure de gaz noble en donnant, en acceptant ou en partageant des électrons avec d’autres atomes.
Les liaisons chimiques sont parfois représentées par ce qu’on appelle une structure de Lewis, du nom du chimiste américain Gilbert N. Lewis. Dans une structure de Lewis, les électrons de valence sont représentés par des points juste à l’extérieur des symboles chimiques des éléments d’une molécule. Ils montrent clairement où les électrons se sont déplacés d’un atome à un autre et où ils sont partagés entre les atomes.
Une liaison ionique
Ce type de liaison chimique a lieu entre les métaux, qui cèdent facilement des électrons, et les non-métaux, qui sont prêts à les accepter. Le métal donne les électrons de sa coque extérieure incomplète au non-métal, laissant cette coque vide de sorte que la coque pleine en dessous devienne sa nouvelle coque la plus extérieure. Le non-métal accepte les électrons de manière à remplir son enveloppe extérieure incomplète. De cette façon, les deux atomes ont atteint des enveloppes extérieures complètes. Cela laisse le métal avec une charge positive et le non-métal avec une charge négative, ce sont donc des ions positifs et négatifs qui s’attirent.
Un exemple simple est le fluorure de sodium. Le sodium a trois couches, avec un électron de valence à l’extérieur. Le fluor a deux couches, avec sept électrons à l’extérieur. Le sodium donne son électron de valence à l’atome de fluor, de sorte que le sodium a maintenant deux couches complètes et une charge positive, tandis que le fluor a deux couches complètes et une charge négative. La molécule résultante – le fluorure de sodium – comporte deux atomes avec des enveloppes externes complètes liées ensemble par attraction électrique.
Liaison covalente
Les atomes de non-métaux se combinent entre eux en partageant des électrons de telle sorte qu’ils abaissent leur niveau d’énergie global. Cela signifie généralement que, lorsqu’ils sont combinés, ils ont tous des coques extérieures complètes. Pour prendre un exemple simple, l’hydrogène n’a qu’un seul électron, dans sa première – et unique – coquille, ce qui lui laisse un court-circuit d’une coquille pleine. Deux atomes d’hydrogène peuvent partager leurs électrons pour former une molécule dans laquelle les deux ont une enveloppe extérieure complète.
Il est souvent possible de prédire comment les atomes se combineront entre eux à partir du nombre d’électrons qu’ils possèdent. Par exemple, le carbone en a six, ce qui signifie qu’il a une première coque complète de deux et une coque la plus externe de quatre, ce qui en fait quatre de moins qu’une coque extérieure complète. L’oxygène en a huit, et il en a donc six dans son enveloppe extérieure – deux de moins qu’une enveloppe pleine. Un atome de carbone peut se combiner avec deux atomes d’oxygène pour former du dioxyde de carbone, dans lequel le carbone partage ses quatre électrons, deux avec chaque atome d’oxygène, et les atomes d’oxygène à leur tour partagent chacun deux de leurs électrons avec l’atome de carbone. De cette façon, les trois atomes ont des enveloppes externes pleines contenant huit électrons.
Collage métallique
Dans un morceau de métal, les électrons de valence sont plus ou moins libres de se déplacer, plutôt que d’appartenir à des atomes individuels. Le métal est donc constitué d’ions chargés positivement entourés d’électrons mobiles chargés négativement. Les ions peuvent être déplacés relativement facilement, mais sont difficiles à détacher, en raison de leur attraction pour les électrons. Cela explique pourquoi les métaux sont généralement faciles à plier mais difficiles à casser. La mobilité des électrons explique aussi pourquoi les métaux sont de bons conducteurs d’électricité.
Liaison hydrogène
Contrairement aux exemples ci-dessus, la liaison hydrogène implique une liaison entre les molécules plutôt qu’à l’intérieur. Lorsque l’hydrogène se combine avec un élément qui attire fortement les électrons, comme le fluor ou l’oxygène, les électrons sont éloignés de l’hydrogène. Il en résulte une molécule avec une charge globale positive d’un côté et une charge négative de l’autre. Dans un liquide, les côtés positif et négatif s’attirent, formant des liaisons entre les molécules.
Bien que ces liaisons soient beaucoup plus faibles que les liaisons ioniques, covalentes ou métalliques, elles sont très importantes. La liaison hydrogène a lieu dans l’eau, un composé contenant deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène. Cela signifie qu’il faut plus d’énergie pour convertir l’eau liquide en gaz que ce ne serait le cas autrement. Sans liaison hydrogène, l’eau aurait un point d’ébullition beaucoup plus bas et ne pourrait pas exister sous forme liquide sur Terre.