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Electronégativité et polarité

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Objectifs :

Rappeler le principe des liaisons chimiques. Définir la notion d’électronégativité, afin de caractériser les liaisons covalentes et ioniques. Voir ce qu’est la polarité d’une molécule.

1. Les liaisons chimiques

Les électrons d’un atome s’arrangent par couches électroniques. D’un point de vue chimique, seule la dernière couche intervient. Les gaz nobles satisfont la règle de l’octet (8 électrons sur la couche externe), sauf pour l’hélium (règle du duet). Cela leur permet d’être stables par eux-mêmes. Pour rappel, ils occupent la colonne la plus à droite de la classification périodique des éléments.

Pour être stables, les autres éléments chimiques peuvent satisfaire la règle de l’octet ou du duet en mettant en commun des électrons avec d’autres atomes dans la même situation. Il y a ainsi formation de doublets liants d’électrons.

Cela constitue les liaisons chimiques. Il en existe plusieurs catégories :
• Les liaisons métalliques.
• Les liaisons covalentes.
• Les liaisons ioniques.

Les liaisons métalliques sont un cas très particulier de liaisons chimiques car les électrons assurant la cohésion du métal ne restent pas localisés entre deux atomes, mais sont mobiles à l’intérieur du solide entier. Cela explique la conduction électrique des métaux.

Remarque : les liaisons de basses énergies (liaisons hydrogène et liaisons de Van der Waals) ne constituent pas un échange d’électrons, ce qui les exclut de notre liste.

2. L'électronégativité

Quand deux atomes identiques non métalliques établissent une liaison chimique, les électrons sont échangés de manière équitable entre les deux atomes. C’est une liaison covalente. Par exemple, cela concerne les liaisons C–C dans le graphite, ou H–H pour le dihydrogène.

Quand les atomes sont différents, le partage peut être moins équitable. On définit l’électronégativité comme « l’avidité » d’un atome en électrons intervenants dans une liaison chimique. Si deux atomes d’électronégativités voisines établissent une liaison chimique, les électrons resteront bien répartis entre les deux atomes. On reste dans le cadre des liaisons covalentes, comme pour la liaison C–H.

Par contre, une liaison formée avec deux atomes ayant une forte différence d’électronégativité ne sera pas équitable. Ce sera une liaison ionique. Par exemple, la liaison Na–Cl est typiquement une liaison ionique, assurant la cohésion du cristal de chlorure de sodium (sel de cuisine). Notons que la frontière entre liaison covalente et liaison ionique n’est pas nette.

L’échelle de Pauling est une échelle classant les éléments chimiques selon leur électronégativité.

Le fluor est l’élément le plus électronégatif. Dans la classification périodique des éléments, l’électronégativité décroît en se déplaçant vers la gauche et/ou vers le bas.

3. Les molécules polaires

Pour les liaisons chimiques non équitables, l’atome le plus électronégatif des deux aspire les électrons de la liaison vers son environnement proche, au détriment de l’autre atome. C’est le cas par exemple pour le chlorure d’hydrogène HCl. Les deux électrons de la liaison sont le plus souvent autour du chlore que de l’hydrogène. Le nuage dessiné par ces deux électrons du doublet liant a l’aspect suivant :

Ainsi, en moyenne, c’est comme si l’atome de chlore présentait une charge électrique formelle négative

et l’hydrogène une charge

Ces charges, en valeur absolue, sont inférieures à la charge électrique élémentaire e, sinon les deux atomes seraient ionisés et la liaison chimique rompue.

En résumé, pour une molécule diatomique, quand une liaison chimique est établie entre deux atomes ayant des électronégativités très différentes, la liaison n’est pas équitable. En conséquence, les atomes participants à la liaison présentent des charges électriques partielles. La molécule est polaire. Elle constitue un dipôle électrostatique. Cependant, elle reste globalement neutre.

D’une manière générale, pour des molécules plus complexes, on pourra retentir qu’une molécule est polaire si le barycentre des charges formelles positives n’est pas confondu avec celui des charges formelles négatives.

Dans le cas contraire, la molécule est dite apolaire. Une molécule est apolaire si elle ne comporte pas de liaisons notablement polarisées, comme le méthane

. Une autre possibilité est que la géométrie d’une molécule comportant des liaisons polarisées conduit à avoir les deux barycentres confondus, comme avec le tétrachlorométhane

Le barycentre des charges négatives se trouve au centre du tétraèdre, c'est-à-dire au niveau de l’atome de carbone portant la charge

(la molécule est neutre).

4. L'eau, un solvant polaire

Dans la molécule d’eau

, la structure de Lewis de l’oxygène est :

La molécule d’eau est coudée, à cause des doublets non liants de l’oxygène. D’autre part, l’oxygène est nettement plus électronégatif que les hydrogènes. Il draine les électrons des deux liaisons vers lui. Cela veut dire que l’eau est porteuse de charges électriques partielles :

Les charges positives portées par les hydrogènes sont égales, par symétrie de la molécule. Aussi, puisque celle-ci est neutre, l’oxygène se voit ainsi affecté de la charge formelle

. Après, comme pour HCl, on peut assimiler la molécule d’eau à un dipôle électrostatique. Pour cela, il suffit de placer le barycentre des deux charges positives.

On conclut alors que le barycentre des charges + et celui des charges – ne sont pas confondus, ce qui confirme que l’eau est une molécule polaire.

L’exemple de l’eau est important car l’eau est un solvant. On rappelle qu’un solvant est un liquide dans lequel il est possible de dissoudre des espèces chimiques. Il sera vu dans la fiche traitant de la dissolution le mode d’action de l’eau…

L'essentiel

Les liaisons chimiques covalentes et ioniques résultent d’une mise en commun d’électrons par deux atomes, afin que ces derniers vérifient la règle de l’octet ou du duet.

L’électronégativité traduit l’affinité d’un atome par rapport aux électrons qui participent à une liaison chimique. Deux atomes ayant une électronégativité proche ou égale forment une liaison ou les électrons sont échangés de manière équitable (liaison covalente).

Deux atomes qui ont une forte différence d’électronégativité forment une liaison ionique, où les électrons sont le plus souvent proches de l’atome ayant la plus forte électronégativité. Les atomes portent alors des charges électriques partielles. Pour une molécule diatomique, elle forme alors un dipôle électrostatique. La molécule est dite polaire, mais elle est neutre électriquement.

D’une manière générale, une molécule est apolaire si le barycentre des charges partielles positives est confondu avec le barycentre des charges partielles négatives. Dans le cas contraire, la molécule est dite polaire. La molécule d’eau est une molécule polaire. Elle constitue un solvant polaire.

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