Les atomes d’éléments différents peuvent s’assembler de deux manières principales. Dans une liaison ionique, un métal donne un ou plusieurs électrons à un non-métal, formant des ions de charges opposées qui sont maintenus ensemble par attraction électrique. Des liaisons covalentes se forment par deux ou plusieurs non-métaux partageant des électrons. Les composés ioniques ne forment pas de molécules en tant que telles, mais à la place, sous forme solide, se composent de réseaux cristallins tridimensionnels contenant un grand nombre d’atomes. Certains composés covalents peuvent former des réseaux cristallins similaires. Une unité de formule est le plus petit rapport entre les atomes de différents éléments dans ce type de structure qui peut être exprimé en nombres entiers.
Composés ioniques
Un exemple simple est le chlorure de sodium, ou sel commun, un composé des éléments sodium et chlore. Un cristal de sel est constitué d’ions sodium chargés positivement liés à des ions chlorure chargés négativement – les ions négatifs formés par les non-métaux se terminent par « -ide ». Le cristal contient un nombre énorme d’ions sodium et chlorure, mais il y a un ion chlorure pour chaque ion sodium, donc l’unité de formule montre un de chaque. Les symboles chimiques pour le sodium et le chlore sont Na et Cl, respectivement, donc l’unité de la formule s’écrit NaCl.
De nombreux composés ioniques sont légèrement plus complexes, par exemple l’oxyde d’aluminium. Ici, l’oxygène cherche deux électrons et l’aluminium veut en donner trois. Ils peuvent donc former un composé stable de formule unité Al2O3. Le nombre d’atomes d’un élément dans n’importe quel type de formule chimique apparaît en indice et à droite du symbole de cet élément. S’il n’y a qu’un seul atome présent, le nombre en indice est omis.
Composés covalents
Bien que les composés et substances covalents forment souvent des molécules distinctes et autonomes, ils peuvent également former des structures cristallines. Par exemple, le dioxyde de silicium, également connu sous le nom de silice, peut former des cristaux. Ceux-ci sont communément appelés quartz et, comme le sel, se composent d’un grand nombre de deux atomes différents – dans ce cas, du silicium et de l’oxygène – mais maintenus ensemble par des liaisons covalentes. Étant donné que le rapport entre l’oxygène et les atomes de silicium est de 2:1, le quartz a pour formule l’unité SiO2.
Termes connexes
Il existe quelques autres termes connexes qui pourraient prêter à confusion. La formule empirique est un terme plus général pour le rapport le plus simple d’éléments dans un composé, qu’il soit ionique ou covalent, cristallin ou non. Dans un composé cristallin, c’est la même chose que l’unité de formule, mais le terme s’applique également aux molécules covalentes non cristallines autonomes. La formule moléculaire est le nombre réel d’atomes de chaque élément dans une molécule covalente autonome et ne s’applique pas aux composés ioniques, car ceux-ci ne forment pas de molécules distinctes.
Dans les composés ioniques, l’unité de formule a tendance à être utilisée pour montrer le rapport d’atomes le plus simple, tandis que dans les composés covalents non cristallins, le terme habituel pour cela est la formule empirique. Par exemple, les composés carbone-hydrogène acétylène et benzène contiennent tous deux le même nombre d’atomes de carbone que d’atomes d’hydrogène et ont donc tous deux la formule empirique CH. La formule moléculaire de l’acétylène, cependant, est C2H2, tandis que celle du benzène est C6H6. Ce sont des composés très différents, avec des propriétés différentes.
Dans de nombreux composés covalents, la formule empirique et la formule moléculaire sont les mêmes. Dans l’eau, par exemple, ils sont tous les deux H2O. C’est cependant rarement le cas avec les composés organiques, qui peuvent être très complexes. Dans ces composés, il y a souvent plus d’une possibilité pour le même rapport d’éléments, comme déjà noté avec l’acétylène et le benzène. Parfois, il existe de nombreuses variantes.
Dans de nombreux cas, même la formule moléculaire ne dit pas toute l’histoire. Par exemple, le glucose et le fructose, deux types de sucre différents, ont la même formule moléculaire, C6H12O6. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont cependant disposés légèrement différemment, ce qui confère aux deux composés des propriétés légèrement différentes. La formule empirique du glucose et du fructose est CH2O.
Détermination de l’unité de formule d’un composé
Dans de nombreux cas, tout ce qui est nécessaire pour trouver l’unité de formule d’un composé ionique, et pour certains composés covalents cristallins simples, est de connaître le nombre de liaisons simples que les éléments sont capables de former. Dans le cas des métaux, il s’agit du nombre d’électrons qu’ils peuvent fournir, tandis que dans le cas des non-métaux, il s’agit du nombre d’électrons qu’ils peuvent accepter ou, dans le cas des composés covalents, partager. C’est ce qu’on appelle le nombre d’oxydation. Il est normalement positif dans les métaux – qui perdent des électrons chargés négativement en formant des composés – et négatif dans les non-métaux – qui gagnent des électrons, au moins lorsqu’ils se combinent avec des métaux.
Pour revenir à l’exemple de l’oxyde d’aluminium, l’aluminium a un indice d’oxydation de +3, tandis que l’oxygène a un indice d’oxydation de -2. Pour trouver l’unité de formule de l’oxyde d’aluminium, ces nombres sont simplement intervertis pour donner un composé avec trois atomes d’oxygène pour deux d’aluminium : Al2O3. La même procédure fonctionne pour de nombreux autres composés ioniques et pour certains composés covalents simples. Il y a cependant des complications, car certains éléments peuvent avoir plus d’un nombre d’oxydation, selon les circonstances. Le fer, par exemple, peut être +2 ou +3, et de nombreux non-métaux peuvent avoir plusieurs nombres d’oxydation, qui peuvent être positifs dans certains composés covalents.