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Lesson Explainer: Liaison covalente Chemistry • 7th Grade

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la liaison covalente en fonction de l’attraction électrostatique entre les noyaux atomiques et les paires d’électrons partagées.

Les composés covalents sont des molécules qui contiennent des liaisons covalentes. Les océans sont remplis de molécules d’eau liées de manière covalente qui ont une largeur d'environ 0,3 nm et l’atmosphère est principalement composée de molécules covalentes qui ne sont pas plus grosses que 0,5 nm. Des petits composés covalents se retrouvent partout dans le monde et il doit bien y avoir une règle qui explique pourquoi les atomes non métalliques ont si souvent tendance à former des composés covalents. Les scientifiques utilisent généralement la règle de l’octet pour expliquer pourquoi les atomes non métalliques forment des composés liés de manière covalente. Ils utilisent la règle de l’octet afin d'expliquer pourquoi les atomes non métalliques forment si souvent de petits composés covalents stables.

Définition : Liaison covalente

Les liaisons covalentes sont des liaisons chimiques qui se forment lorsque deux atomes non métalliques partagent une ou plusieurs paire(s) d’électrons.

La règle de l’octet est une hypothèse scientifique étonnamment simple. Elle stipule que les atomes ont tendance à partager ou à transférer des électrons afin de pouvoir obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble. De nombreux atomes non métalliques peuvent effectivement atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en partageant un ou plusieurs électron(s) avec d’autres atomes non métalliques. Cette affirmation pourrait être reformulée pour indiquer que les atomes non métalliques peuvent obtenir la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant une ou plusieurs liaison(s) covalente(s), car ces dernières représentent simplement des paires d’électrons partagées. La figure suivante illustre la configuration électronique des trois atomes de gaz noble qui sont à la base de la règle de l’octet. Les atomes de gaz nobles ont une configuration électronique très stable, car ils possèdent huit électrons de valence.

Définition : Règle de l’octet

La règle de l’octet stipule que les atomes ont tendance à transférer ou à partager des électrons afin de pouvoir obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble.

La figure suivante illustre qu’un seul atome d’oxygène peut atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en établissant des liaisons covalentes simples avec deux atomes d’hydrogène. Cette figure indique que les atomes d’oxygène possèdent six électrons de valence lorsqu'ils ne forment pas de liaison et huit électrons de valence lorsqu’ils forment des liaisons covalentes avec deux atomes d’hydrogène. Les atomes d’oxygène se retrouvent donc avec une configuration électronique plus stable en formant des liaisons covalentes avec deux atomes d’hydrogène. Ces atomes d’oxygène obtiennent donc la même configuration électronique que le néon en formant des liaisons covalentes avec deux atomes d’hydrogène.

Exemple 1: Comprendre ce qu'est la règle d’octet et comment elle est définie

Laquelle des affirmations suivantes constitue une définition de la règle de l’octet?

  1. Il s'agit d'une règle qui fait référence à la tendance d’un atome à avoir des couches de valence vides.
  2. Il s'agit d'une règle qui fait référence à la tendance d’un atome à avoir huit électrons sur sa couche de valence.
  3. Il s'agit d'une règle qui fait référence à la tendance des électrons à orbiter autour d’un atome dans les couches électroniques.
  4. Il s'agit d'une règle qui fait référence à la tendance des électrons à se retrouver dans le noyau d’un atome.

Réponse

La règle de l’octet est une hypothèse scientifique simple. Elle stipule que les atomes ont tendance à transférer ou à partager des électrons afin de pouvoir obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble qui est très stable. De nombreux atomes non métalliques ont quelques électrons dans leur couche périphérique et ils peuvent donc atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en partageant un ou plusieurs électron(s) avec d’autres atomes non métalliques. Nous pouvons utiliser ces arguments pour déterminer que le choix de réponse B représente la bonne réponse à cette question.

Les liaisons covalentes sont stables en raison d’une combinaison de forces électrostatiques attractives et répulsives entre les protons et les électrons des atomes liés de manière covalente. Il existe une répulsion électrostatique entre des particules qui portent une charge de même signe et une attraction électrostatique entre des particules qui portent une charge de signe opposé. Les forces d'attraction rapprochent les atomes, tandis que les forces de répulsion éloignent les atomes. Les atomes finissent par être à une distance stable dans laquelle les forces électrostatiques attractives et répulsives s’équilibrent.

Exemple 2: Équilibre des forces dans une liaison covalente

La stabilité d’une liaison covalente dépend de l’équilibre entre les forces d’attraction et de répulsion entre les électrons et les noyaux des atomes impliqués dans la liaison.

  1. Laquelle des affirmations suivantes représente une description exacte des forces d’attraction et de répulsion dans une liaison covalente?
    1. Les électrons sont repoussés par le noyau et par les autres électrons.
    2. Les électrons sont attirés vers le noyau et repoussés par les autres électrons.
    3. Les électrons sont attirés vers le noyau et vers les autres électrons.
    4. Les électrons sont repoussés par le noyau et attirés vers les autres électrons.
  2. Quelles particules interagissent afin de générer la force d’attraction entre les atomes dans une liaison covalente?
    1. les électrons et les neutrons
    2. les protons et les protons
    3. les électrons et les électrons
    4. les protons et les électrons
    5. les protons et les neutrons

Réponse

Partie 1

Il existe une attraction électrostatique entre des particules de charge opposée et une répulsion électrostatique entre des particules de charge similaire. Les électrons sont des particules chargées négativement, alors que le noyau contient des protons chargés positivement. Les électrons sont donc attirés vers le noyau chargé positivement, mais ils ont tendance à se repousser entre eux. Cette affirmation correspond davantage au choix de réponse B. Nous pouvons donc utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix B est approprié pour répondre à cette question.

Partie 2

Des particules de charge opposée subissent des forces électrostatiques attractives. Les protons et les électrons sont attirés les uns envers les autres étant donné que les protons portent une charge électrostatique positive (+), alors que les électrons portent une charge électrostatique négative (). Nous pouvons utiliser cette affirmation pour déterminer que le choix D est approprié pour répondre à cette question.

Les structures de Lewis sont des illustrations schématiques simples qui montrent comment les électrons de la couche de valence sont partagés entre les atomes dans des composés liés de manière covalente ou ionique. Chaque électron de la couche de valence est représenté par un petit point ou une croix unique, alors que les noyaux atomiques contenant des électrons de cœur sont représentés par des symboles chimiques, tels que H ou He.

L'hydrogène gazeux (H2) possède l'une des structures de Lewis les plus simples, car les molécules d’hydrogène contiennent seulement deux atomes d’hydrogène (H) qui possèdent chacun une seule couche de valence. La figure suivante montre une molécule d’hydrogène avec la structure de Lewis y étant associée.

L’un des électrons de valence est représenté par un point rouge et l’autre par un point noir. Les couleurs rouge et noir contrastantes sont utilisées pour aider le lecteur à différencier l’électron de valence d’un atome d’hydrogène de l’électron de valence de l’autre atome d’hydrogène. Des points rouges et noirs contrastants seront utilisés tout au long de cette fiche explicative afin d'aider le lecteur à différencier les électrons de valence des atomes liés de manière covalente.

Définition : Structure de Lewis

Les structures de Lewis sont des illustrations schématiques simples qui montrent comment les électrons de la couche de valence sont partagés ou transférés entre les atomes dans des composés liés de manière covalente ou ionique.

Les structures de Lewis peuvent également être dessinées afin que les liaisons covalentes soient représentées par des lignes droites simples. La figure suivante compare les structures de Lewis des molécules d’hydrogène (H2) et d’ammoniac (NH3). La molécule d’hydrogène est dessinée avec une ligne droite, car elle contient une seule liaison covalente hydrogène-hydrogène (HH). La molécule d’ammoniac est dessinée avec trois lignes droites, car elle contient trois liaisons covalentes azote-hydrogène (NH). Chaque ligne droite représente une liaison covalente simple. Vous pouvez remarquer ici que les électrons de valence non liés de l’atome d’azote sont représentés par une paire de petits points. Une paire d’électrons de valence non liée est appelée un doublet non liant d’électrons.

Définition : Doublet non liant d'électrons

Les doublets non liants représentent des électrons de valence qui ne font pas partie d'une liaison chimique.

Définition : Doublet liant d'électrons

Les doublets liants représentent des électrons de valence qui font partie d'une liaison chimique.

Les figures suivantes représentent les structures de Lewis de deux autres composés moléculaires simples courants. La première figure illustre les structures de Lewis de l’eau (HO2), alors que la deuxième figure illustre les structures de Lewis des molécules de méthane (CH4). Ces structures de Lewis démontrent que les atomes d’oxygène et de carbone peuvent atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant le bon nombre de liaisons covalentes avec les atomes d’hydrogène. Les atomes d’oxygène peuvent atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant deux liaisons oxygène-hydrogène (OH). Les atomes de carbone peuvent atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant quatre liaisons carbone-hydrogène (CH).

Exemple 3: Comprendre quelles particules sont représentées par les structures de Lewis

Lequel des éléments suivants est représenté dans une structure de Lewis?

  1. les protons de valence d'un élément
  2. les neutrons, les protons et les électrons d'un élément
  3. les électrons de valence d'un élément
  4. les électrons des deux dernières couches d’un élément
  5. tous les électrons d'un élément

Réponse

Les structures de Lewis sont des illustrations schématiques simples qui démontrent comment les électrons de valence sont partagés ou transférés entre les atomes dans des composés liés de manière covalente ou ionique. Les électrons de valence sont représentés par de simples petits points dans les structures de Lewis, alors que les noyaux atomiques contenant les électrons de cœur sont représentés par des symboles chimiques. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix C est approprié pour répondre à cette question.

Certains atomes forment des liaisons covalentes dites doubles lorsqu’ils partagent deux électrons de valence. La figure suivante illustre une liaison covalente double qui se forme entre deux atomes d’oxygène. La liaison double contient quatre électrons de valence au total. Deux de ces électrons proviennent d’un atome d’oxygène, alors que les deux autres électrons proviennent de l’autre atome d’oxygène. La formation d'une liaison covalente double peut s'expliquer par la règle de l’octet. Les atomes d’oxygène ont six électrons de valence lorsqu’ils ne sont pas liés, alors qu'ils ont huit électrons de valence lorsqu’ils forment une liaison double avec un autre atome d’oxygène. Les atomes d’oxygène acquièrent la même configuration électronique qu’un atome de néon lorsqu’ils forment une liaison double avec un autre atome d’oxygène.

Il n'est donc pas surprenant de constater que certains atomes puissent également partager trois électrons de valence avec d’autres atomes afin d'atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble. La formation de liaisons covalentes doubles ou triples aide les atomes à obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère une configuration électronique plus stable. La figure suivante illustre comment un atome d’azote peut partager trois de ses électrons de valence avec un autre atome d’azote pour former une molécule de diazote (N2) contenant une liaison triple.

Les structures de Lewis peuvent être utilisées pour représenter des molécules covalentes contenant des liaisons doubles ou triples. Les liaisons doubles sont représentées par quatre points ou deux lignes droites entre les symboles chimiques. Les liaisons triples sont représentées par six points ou trois lignes droites entre les symboles chimiques. La figure suivante illustre les structures de Lewis de certains composés moléculaires simples qui contiennent des liaisons covalentes doubles ou triples. La première structure de Lewis représente la molécule de dioxygène (O2), alors que les autres structures de Lewis représentent les molécules de dioxyde de carbone (CO2) et de diazote (N2).

La structure de Lewis du dioxygène a quatre points ou deux lignes droites entre les deux symboles chimiques de l’oxygène (O). Les représentations avec des points et des droites soulignent toutes les deux que la liaison oxygène-oxygène (OO) est constituée de quatre électrons de valence. Les structures de Lewis pour les molécules de dioxyde de carbone et diazote sont légèrement différentes. La structure de Lewis pour le dioxyde de carbone a quatre points ou deux lignes droites entre le carbone (C) et chacun des symboles de l’oxygène (O). La structure de Lewis pour la molécule de diazote comprend trois lignes entre deux symboles chimiques représentant l'azote (N). Les structures de Lewis illustrent que la liaison azote-azote (NN) dans les molécules de N2 comprennent six électrons, alors que les liaisons carbone-oxygène (CO) dans les molécules de CO2 comprennent quatre électrons chacune.

Les paragraphes précédents ont démontré comment les atomes peuvent se combiner pour former différents types de liaisons covalentes. Il a été démontré que certains atomes peuvent former des liaisons covalentes simples lorsqu'ils partagent un électron, alors que d’autres atomes peuvent former des liaisons covalentes doubles lorsqu'ils partagent une paire d’électrons. Il a également été démontré que certains atomes peuvent former des liaisons covalentes triples lorsqu'ils partagent trois électrons. Le tableau suivant récapitule ces informations. Il illustre comment les atomes forment différents types de liaisons covalentes en partageant un nombre différent d’électrons. Vous pouvez remarquer ici que les liaisons covalentes simples sont représentées par une ligne droite entre les symboles chimiques. Les liaisons covalentes doubles sont représentées par deux lignes droites entre les symboles chimiques, alors que les liaisons covalentes triples sont représentées par trois lignes droites entre les symboles chimiques.

Nom du premier atome dans la liaisonNom du deuxième atome dans la liaisonType de liaison covalenteLiaison covalenteNombre de paires d’électrons partagées
Oxygène (O)Hydrogène (H)SimpleOH1
Carbone (C)Hydrogène (H)SimpleCH1
Azote (N)Hydrogène (H)SimpleNH1
Oxygène (O)Oxygène (O)DoubleOO2
Carbone (C)Oxygène (O)DoubleCO2
Azote (N)Azote (N)TripleNN3

Exemple 4: Expliquer la liaison covalente dans le dioxygène

Le dioxygène est une molécule diatomique contenant une liaison covalente double. Voici la formule structurale du dioxygène:OO

  1. Pourquoi les atomes d’oxygène dans cette molécule forment-ils plus d’une liaison covalente?
    1. Il y a six électrons de valence dans l’atome d’oxygène, donc deux électrons doivent être partagés entre les atomes pour générer des octets stables dans leurs couches périphériques.
    2. Il y a deux électrons de valence dans l’atome d’oxygène, donc le partage de quatre électrons entre ces atomes remplit complètement leurs couches périphériques.
    3. Il y a six électrons de valence dans l’atome d’oxygène, donc quatre électrons doivent être partagés entre les atomes pour générer des octets stables dans leurs couches périphériques.
    4. Il y a deux électrons de valence dans l’atome d’oxygène, donc le partage de deux électrons entre les atomes remplit complètement leurs couches périphériques.
    5. Il y a quatre électrons de valence dans l’atome d’oxygène, donc quatre électrons doivent être partagés entre les atomes pour générer des octets stables dans leurs couches périphériques.
  2. Lequel des éléments suivants forme aussi communément une molécule diatomique contenant plus d’une liaison covalente?
    1. Be
    2. Ne
    3. C
    4. N
    5. F

Réponse

Partie 1

La règle de l’octet énonce que les atomes ont tendance à transférer ou à partager des électrons afin de pouvoir obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble. Les atomes d’oxygène ont six électrons de valence et ils doivent donc acquérir deux électrons de valence supplémentaires afin d'atteindre la même configuration électronique qu’un atome de néon. Les atomes d’oxygène non liés peuvent effectivement gagner deux autres électrons en formant deux liaisons covalentes avec un autre atome d’oxygène. Cette affirmation peut être résumée en indiquant que quatre électrons sont partagés entre deux atomes d’oxygène, car les atomes d’oxygène non liés ont six électrons de valence. Cette affirmation démontre que le choix C est approprié pour répondre à cette question.

Partie 2

Les atomes d’azote non liés ont cinq électrons de valence. Les atomes d’azote non liés peuvent donc atteindre la même configuration électronique qu’un atome de néon en partageant trois électrons avec d’autres atomes d’azote. Les molécules de diazote ont tendance à exister, car elles permettent à deux atomes d’azote d’atteindre efficacement la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble. Nous pouvons utiliser cette affirmation pour déterminer que le choix D est approprié pour répondre à cette question.

La règle de l’octet n’est toutefois pas une hypothèse scientifique infaillible. Il existe de nombreux atomes qui ne semblent pas obéir à cette règle. De nombreux atomes n'atteignent pas la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant des liaisons covalentes dans des composés. De nombreux atomes ne partagent pas leurs électrons de valence simplement pour leur permettre d'obtenir huit électrons et la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble.

Le trifluorure de bore est une molécule relativement petite liée de manière covalente qui semble contredire la règle de l’octet. Cette molécule a la formule chimique BF3 et sa structure de Lewis est illustrée dans la figure suivante. On peut constater que le bore dans la molécule de BF3 possède six électrons de valence plutôt que les huit prédits par la règle de l’octet. L’atome de bore ne partage pas ses électrons de valence juste pour pouvoir atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble. L’atome de bore partage ses électrons pour des raisons différentes, qui ne seront pas détaillées dans cette fiche explicative.

Il existe d’autres molécules liées de manière covalente qui semblent contredire la règle de l’octet. Le pentachlorure de phosphore est un composé qui contient un atome de phosphore lié de manière covalente à cinq atomes de chlore. Cette molécule a la formule chimique PCl5 et sa structure de Lewis est illustrée dans la figure suivante. Nous pouvons constater que le phosphore dans la molécule de PCl5 a dix électrons plutôt que les huit prédits par la règle de l’octet. L’atome de phosphore ne partage pas ses électrons juste pour l'aider à atteindre la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble.

Les molécules de trifluorure de bore et de pentachlorure de phosphore illustrent que les atomes non métalliques n'atteignent pas toujours la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble en formant des composés moléculaires simples. Certains atomes non métalliques se retrouvent avec plus de huit électrons de valence lorsqu'ils forment des composés liés de manière covalente, alors que certains atomes se retrouvent avec moins de huit électrons de valence lorsqu'ils forment des composés liés de manière covalente. La règle de l’octet a clairement ses limites et elle ne peut pas être utilisée pour expliquer toutes les molécules liées de manière covalente. Cette règle est également limitée dans la mesure où elle ne peut pas être utilisée pour prédire la géométrie d’un composé covalent. Nous utilisons habituellement la théorie de la répulsion des paires électroniques de la couche de valence (VSEPR) afin de prédire les géométries moléculaires.

Il y a beaucoup de composés moléculaires simples qui sont formés par des liaisons covalentes et ils ont tous tendance à avoir des propriétés physiques similaires. La plupart des composés covalents simples ont des points de fusion et d’ébullition relativement bas, car il n’y a pas d’interactions intermoléculaires fortes entre des molécules adjacentes liées de manière covalente. La liaison covalente elle-même est très forte et difficile à briser, mais les forces intermoléculaires entre les molécules covalentes sont très faibles et elles sont facilement neutralisées avec une quantité d’énergie relativement faible. Le tableau suivant mentionne les propriétés physiques communes des composés moléculaires covalents simples.

Les propriétés physiques communes des composés moléculaires covalents simples
Point de fusion bas
Point d’ébullition bas
Faible conductivité électrique
Faible conductivité thermique

Ce tableau indique que les composés covalents ne sont pas des conducteurs efficaces de chaleur ou d’électricité. La faible conductivité électrique des composés covalents peut s'expliquer en considérant les particules mobiles porteuses de charges. Nous savons que les matériaux conduisent l’électricité seulement lorsqu'ils contiennent un certain type de particules mobiles porteuses de charges. Les particules porteuses de charges conduisent un courant électrique et font en sorte que le matériau est un conducteur efficace d’électricité. Les molécules liées de manière covalente ne génèrent pas de particules porteuses de charges pouvant conduire un courant électrique et les composés covalents simples ont donc des valeurs de conductivité électrique faibles.

Les petites molécules liées de manière covalente ne peuvent pas conduire très bien la chaleur, étant donné qu'il y a beaucoup d’espace entre les molécules covalentes adjacentes et que ces molécules n'entrent pas très souvent en collision. Ceci rend difficile le transfert de chaleur, car la conduction thermique se produit lorsque les molécules entrent en collision. La figure suivante illustre comment la chaleur est transférée entre deux molécules lorsqu’elles entrent en collision. L’une des molécules est chaude, tandis que l’autre est froide (étape 1). Les molécules entrent ensuite en collision, ce qui transfère l’énergie thermique de la molécule chaude vers la molécule froide (étape 2). La molécule froide gagne de l’énergie thermique, tandis que l’autre molécule perd de l’énergie thermique. Les deux molécules se retrouvent avec des quantités similaires d’énergie thermique suite à la collision (étape 3).

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Des liaisons covalentes se forment lorsque deux atomes non métalliques partagent une ou plusieurs paire(s) d’électrons.
  • La règle de l’octet stipule que les atomes ont tendance à transférer ou à partager des électrons afin de pouvoir obtenir huit électrons de valence, ce qui leur confère la même configuration électronique qu’un atome de gaz noble.
  • Les structures de Lewis sont des illustrations schématiques simples qui montrent comment les électrons de valence sont partagés entre les atomes dans les molécules liées de manière covalente ou ionique.
  • La règle de l’octet est une hypothèse scientifique relativement simple qui ne peut pas toujours être utilisée pour expliquer comment et pourquoi les atomes non métalliques forment des composés liés de manière covalente.
  • Certains atomes forment des liaisons covalentes doubles ou triples lorsqu’ils partagent plusieurs électrons avec un autre atome.
  • Il y a seulement des interactions intermoléculaires faibles entre les molécules adjacentes liées de manière covalente, ce qui explique pourquoi les petites molécules covalentes ont des points de fusion et d’ébullition aussi bas.
  • Les molécules simples liées de manière covalente ne possèdent pas d’électrons ni d’ions libres, ce qui explique pourquoi elles ne peuvent pas conduire l’électricité de façon efficace.
  • Les molécules simples liées de manière covalente n'entrent pas très souvent en collision, ce qui explique pourquoi elles ne conduisent pas très bien la chaleur.

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