Fiche explicative de la leçon: Liaisons covalentes de coordination Chimie • Deuxième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et illustrer des liaisons covalentes de coordination dans des molécules simples et des composés métalliques.

Des liaisons covalentes se forment lorsque deux atomes de non-métaux partagent une paire d’électrons. Les liaisons covalentes de coordination sont une classe spéciale de liaisons covalentes qui se forment lorsque la paire d’électrons impliquée dans la liaison est donnée par un seul des atomes de la liaison. Elles sont également connues sous le nom de liaisons covalentes datives. L’atome qui fait don de la paire d’électrons libres (ou doublet non liant) est appelé l’atome donneur et est considéré comme une base de Lewis. L’atome qui accepte la paire d’électrons libres (ou doublet non liant) dans une orbitale vide est appelé l’atome accepteur et est un acide de Lewis.

Les molécules d’ammoniac sont des molécules polyatomiques électriquement neutres qui contiennent un atome d’azote et trois atomes d’hydrogène. L’atome d’azote a cinq électrons de valence et trois de ces électrons de valence sont utilisés pour établir des liaisons covalentes avec les trois atomes d’hydrogène. Les deux derniers électrons de valence ne sont liés à aucun atome. Les deux derniers électrons de valence existent sous la forme de doublet non liant et ils peuvent former une liaison covalente de coordination avec un autre atome accepteur.

Les molécules d’ammoniac peuvent être converties en ions ammonium chargés positivement dont la formule chimique est . La transformation se produit lorsque des molécules d’ammoniac réagissent avec des ions hydrogène chargés positivement () ou avec des protons : 

L’image suivante montre comment le doublet non liant d’une seule molécule d’ammoniac peut se lier avec un proton pour former un seul ion ammonium chargé positivement. Il est important de noter ici que la liaison covalente de coordination est représentée par une flèche simple et que les autres liaisons covalentes sont représentées par des droites ordinaires. Les flèches simples sont utilisées pour représenter les liaisons covalentes de coordination et pour les différencier des autres types de liaisons chimiques.

La molécule d’ammoniac peut être décrite comme une base de Lewis dans cette réaction chimique, car elle donne un doublet non liant à un ion hydrogène chargé positivement. L’ion hydrogène peut être décrit comme un acide de Lewis dans cette réaction chimique, car il accepte une paire d’électrons.

Les molécules d’ammoniac peuvent également former des liaisons covalentes de coordination lorsqu’elles réagissent avec des molécules de trifluorure de bore (). L’atome de bore peut avoir jusqu’à huit électrons dans sa couche de valence, et la même configuration électronique que le gaz noble le plus proche s’il accepte un doublet non liant provenant d’une molécule d’ammoniac. La molécule d’ammoniac peut être qualifiée de base de Lewis dans cette réaction chimique, car elle donne un doublet non liant à la molécule de trifluorure de bore. La molécule de trifluorure de bore peut être qualifiée d’acide de Lewis dans cette réaction chimique, car elle accepte un doublet non liant provenant de la molécule d’ammoniac. L’image suivante montre la structure de la molécule du complexe de coordination ammoniac - trifluorure de bore formée de la combinaison d’une molécule d’ammoniac et d’une molécule de trifluorure de bore.

Exemple 2: Comprendre comment les molécules d’ammoniac se lient aux molécules de trifluorure de bore

La réaction entre l’ammoniac et le trifluorure de bore est illustrée ci-dessous. Quel type de liaison se forme entre l’ammoniac et le trifluorure de bore ? 

1. liaison covalente de coordination
2. liaison covalente
3. liaison métallique
4. liaison ionique
5. liaison hydrogène

Réponse

Les molécules d’ammoniac ont pour formule chimique . Elles contiennent un atome d’azote qui a cinq électrons de valence. Trois de ces électrons de valence sont utilisés pour établir des liaisons covalentes avec des atomes d’hydrogène. Les autres électrons forment un unique doublet non liant. Ce doublet non liant peut être donnée à l’atome de bore d’une molécule de trifluorure de bore. Le transfert d’électrons de la molécule d’ammoniac à la molécule de trifluorure de bore forme une liaison covalente de coordination. Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

La molécule de trifluorure de bore peut également agir comme un acide de Lewis lorsqu’elle accepte un doublet non liant d’un ion fluorure () et forme l’ion tétrafluoroborate (). L’ion fluorure agit comme la base de Lewis dans cette réaction chimique car il fait don d’un doublet non liant à la molécule de trifluorure de bore électriquement neutre. La réaction est résumée dans la figure suivante.

La phosphine est un hydrure de pnictogène qui a la formule chimique . La molécule contient un atome de phosphore qui est lié de manière covalente à trois autres atomes d’hydrogène. Chaque molécule de phosphine peut former une liaison covalente de coordination avec un seul ion hydrogène. La liaison covalente de coordination est formée lorsque l’atome de phosphore donne son doublet non liant à un seul ion hydrogène. L’ion phosphonium résultant a la formule chimique et a une forme tétraédrique qui correspond à la forme tétraédrique d’un ion ammonium.

Les molécules d’eau peuvent former des liaisons covalentes de coordination lorsqu’elles réagissent avec d’autres ions hydrogène. L’image suivante montre le schéma de la structure de Lewis d’une seule molécule d’eau. Dans la figure, des points noirs sont utilisés pour représenter les électrons de valence de l’atome d’oxygène, et des points rouges pour représenter les électrons de valence des atomes d’hydrogène. La figure montre que l’atome d’oxygène a un total de six électrons de valence.

Deux des électrons de valence sont utilisés pour établir des liaisons covalentes ordinaires avec des atomes d’hydrogène. Les autres électrons de valence ne sont liés à aucun atome et existent sous forme doublets non-liants. Les molécules d’eau peuvent former l’ion hydronium () lorsque l’un de ces doublets non liants forme une liaison covalente de coordination avec un ion hydrogène ().

Des ions hydronium se forment lorsque des acides sont dissous dans l’eau car les molécules d’acide libèrent des ions hydrogène. Cette équation montre comment des ions hydronium peuvent se former lorsque l’acide chlorhydrique est dissous dans l’eau : 

Les molécules de chlorure d’hydrogène (ou acide chlorhydrique) se rompent et forment des ions hydrogène chargés positivement () et des ions chlorure chargés négativement (). Des liaisons covalentes de coordination sont formées lorsque les ions hydrogène chargés positivement acceptent un doublet non liant des molécules d’eau. Deux schémas de Lewis pour l’ion hydronium () sont représentés dans la figure suivante.

La molécule de monoxyde de carbone est une molécule diatomique assez inhabituelle qui se compose d’un atome de carbone et d’un atome d’oxygène. Les atomes de carbone et d’oxygène sont liés par trois liaisons covalentes, ou ce que nous pouvons appeler une triple liaison carbone-oxygène (). Deux des liaisons sont formées par la mise en commun de deux électrons de valence provenant de l’atome de carbone et de deux électrons de valence provenant de l’atome d’oxygène. Les deux liaisons peuvent être considérées comme des liaisons covalentes normales, car les électrons de ces liaisons proviennent des deux atomes distincts impliqués dans de liaison. La dernière liaison est formée parce que l’atome d’oxygène donne un doublet non liant à la liaison chimique carbone-oxygène. Cette dernière liaision peut être considérée comme une liaison covalente de coordination car les électrons de liaison proviennent d’un seul des atomes impliqués dans la liaison. La figure suivante montre le schéma points-et-croix pour une seule molécule de monoxyde de carbone.

Exemple 3: Identifier la représentation correcte des molécules de monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone () contient une triple liaison entre les atomes de carbone et d’oxygène, dont l’une d’elles correspond à une liaison covalente de coordination. Comment la liaison peut-elle être représentée en utilisant un schéma points-et-en croix ? N'incluez que les électrons de valence.

Réponse

Les molécules de monoxyde de carbone contiennent un atome de carbone et un atome d’oxygène. L’atome de carbone possède quatre électrons de valence, et l’atome d’oxygène six électrons de valence. Les molécules de monoxyde de carbone contiennent une triple liaison . Deux de ces liaisons sont formées par la mise en commun d’une paire d’électrons provenant de l’atome de carbone et d’une paire d’électrons provenant de l’atome d’oxygène. La dernière liaison covalente est formée lorsque l’atome d’oxygène donne un doublet non liant. Cette liaison peut se résumer en disant que les molécules de monoxyde de carbone ont une liaison covalente de coordination et deux autres liaisons covalentes ordinaires. L’option C est la seule figure qui affiche correctement toutes ces informations, et nous pouvons conclure que l’option C doit être la bonne réponse à cette question.

L’acide nitrique () est une molécule fascinante, car elle possède un ensemble inhabituel de liaisons covalentes. Le schéma suivant illustre les types de liaisons covalentes qui se forment dans une seule molécule d’acide nitrique. L’atome d’azote forme une simple liaison covalente ordinaire avec un atome d’oxygène, et une double liaison covalente avec un deuxième atome d’oxygène. L’atome d’azote forme également une liaison covalente de coordination car il donne un doublet non liant à un troisième atome d’oxygène. La formation de la liaison est assez complexe, et cela peut être plus facile à comprendre si elle est représentée par une formule développée extrêmement simplifiée. La formule développée pour la molécule d’acide nitrique est indiquée sur le côté droit de la figure suivante.

De nombreux ions métalliques ont la capacité de former des liaisons covalentes de coordination avec jusqu’à six molécules d’eau différentes. La plupart des ions métalliques ne peuvent former que jusqu’à six liaisons covalentes avec des molécules d’eau en raison des effets d’encombrement stérique. Il est impossible de compacter plus de six molécules d’eau autour de la plupart des particules d’ions métalliques, car les molécules d’eau sont relativement grandes et l’espace autour d’un ion métallique est relativement petit. Le complexe d’ion métallique de cobalt hydraté a pour formule . La structure du complexe ionique du métal de cobalt hydraté est représentée sur la figure suivante.

Les molécules de chlorure de béryllium () sont des molécules triatomiques relativement simples lorsqu’elles sont en phase gazeuse. Chaque atome de béryllium est relié à deux atomes de chlore et il y a seulement des faibles forces de van der Waals entre les molécules adjacentes de chlorure de béryllium. L’image suivante montre la structure d’une seule molécule de chlorure de béryllium en phase gazeuse. La figure montre que la molécule possède deux liaisons covalentes ordinaires et que les atomes de béryllium ont deux orbitales vides qui peuvent accepter des doublets non liants.

Les molécules de chlorure de béryllium se polymérisent entre elles lorsqu’elles passent de la phase gazeuse à la phase solide. Les polymères se créent lorsque des liaisons de coordination se forment entre des molécules adjacentes de chlorure de béryllium. Les liaisons de coordination se forment lorsque des paires d’électrons de l’atome de chlore d’une molécule de chlorure de béryllium sont données à d’autres molécules de chlorure de béryllium déficientes en électrons. L’image suivante montre la structure du dimère qui se forme lorsque les molécules de chlorure de béryllium commencent à passer de la phase gazeuse à la phase solide.

Le processus de polymérisation continue à mesure que doublets non liants d’un atome de chlorure sont données à d’autres molécules de chlorure de béryllium déficientes en électrons. Ce processus de polymérisation finit par produire un long polymère qui a la formule . Chaque atome de béryllium finit par avoir deux liaisons covalentes de coordination et un total de quatre liaisons covalentes. L’image suivante montre la structure du polymère de chlorure de béryllium formé lorsque les molécules de chlorure de béryllium passent de la phase gazeuse à la phase solide.