Fiche explicative de la leçon: Liaison polaire Chimie • Deuxième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les liaisons polaires au sein des molécules et à évaluer leur effet sur la polarité d’une molécule dans son ensemble.

Les molécules polaires ont une distribution asymétrique de la densité électronique parce que l’un des atomes liés par liaison covalente a une valeur d’électronégativité plus élevée que l’autre. L’électronégativité mesure la tendance d’un atome à attirer le doublet d’électrons liant d’une liaison chimique. En 1932, Linus Pauling a présenté une échelle d’électronégativité précise qui pourrait être utilisée pour quantifier la capacité de tout élément à attirer la densité électronique d’un doublet d’électrons liant.

Le schéma suivant montre une seule molécule de chlorure d’hydrogène. L’image montre que la densité électronique de la liaison (nuage coloré) est concentrée autour de l’atome de chlore plus électronégatif.

Les valeurs d’électronégativité de Pauling peuvent être utilisées pour comprendre pourquoi certains atomes forment des composés moléculaires simples, tandis que d’autres atomes se lient entre eux et forment des réseaux ioniques géants. Les éléments vont généralement se lier ensemble et former des composés simples liés par liaison covalente quand ils ont des valeurs d’électronégativité très proches ou égales. Les éléments vont généralement se lier par le biais de liaisons ioniques et formeront des réseaux ioniques géants lorsque l’un des éléments aura une très faible valeur d’électronégativité et l’autre aura une valeur d’électronégativité beaucoup plus élevée.

La différence absolue des valeurs d’électronégativité peut être définie comme où et sont les valeurs d’électronégativité de deux éléments liés chimiquement. Les éléments se lient généralement les uns aux autres et forment des liaisons covalentes lorsque la différence des valeurs d’électronégativité est inférieure à 1,7. Les éléments se lient généralement les uns aux autres et forment plus de liaisons ioniques lorsque la différence entre les valeurs d’électronégativité est supérieure à 1,7.

La différence absolue des valeurs d’électronégativité détermine également si des composés moléculaires simples présenteront des liaisons covalentes polaires ou non polaires. Les éléments vont généralement se lier ensemble et former des molécules covalentes non polaires lorsque la différence entre leurs valeurs d’électronégativité est inférieure à 0,4. Les éléments vont généralement se lier ensemble et former des molécules covalentes polaires lorsque la différence entre leurs valeurs d’électronégativité est comprise entre 0,4 et 1,7.

Les électrons de liaison sont distribués de manière inégale dans les composés ioniques, mais sont partagés un peu plus également dans les composés polaires liés par covalence. Les doublets d’électrons liants sont partagés encore plus équitablement dans les composés covalents non polaires, et ils sont partagés de manière complètement égale dans les composés covalents purs. Les composés covalents purs contiennent toujours des atomes qui ont les mêmes valeurs d’électronégativité.

Par exemple, des molécules de dihydrogène gazeux () contiennent deux atomes d’hydrogène identiques qui ont tous les deux des valeurs d’électronégativité de 2,20 sur l’échelle de Pauling. Aucun des atomes d’hydrogène n’est capable d’attirer la densité électronique à lui plus que l’autre. La densité électronique, comme indiqué ci-dessous, est partagée de manière complètement égale entre les deux atomes d’hydrogène liés, et la liaison est décrite comme étant purement covalente ou complètement apolaire.

Les doublets d’électrons liants sont partagés de manière inégale dans des composés covalents polaires, tels que les molécules de chlorure d’hydrogène (). L’hydrogène a une électronégativité relativement basse de 2,20, et le chlore a une électronégativité beaucoup plus élevé de 3,16. Dans une molécule de , l’atome de chlore est beaucoup plus efficace pour attirer le doublet d’électrons de la liaison, et la liaison covalente est presque toujours fortement polaire. La densité électronique de charge négative se déplace vers l’atome de chlore qui finit par avoir une charge électrostatique partielle négative (), tandis que l’atome d’hydrogène a une charge électrostatique partielle positive ().

Exemple 4: Comprendre comment la densité électronique est distribuée dans les molécules de chlorure d’hydrogène

Lequel des schémas suivants montre une représentation correcte du nuage d’électrons qui entoure une molécule de  ? 

Réponse

L’hydrogène a une électronégativité de 2,20, et les atomes de chlore ont une électronégativité beaucoup plus élevée de 3,16. La densité électronique de charge négative se déplace vers l’atome de chlore hautement électronégatif qui finit par avoir une charge électrostatique partielle négative (), tandis que l’atome d’hydrogène obtient une charge électrostatique partielle positive (). Le nuage électronique sera plus grand autour de l’atome de chlore et plus petit autour de l’atome d’hydrogène. Ceci est le mieux représenté dans l’option C.

La distribution de la densité électronique est asymétrique par rapport au centre de la liaison covalente . Un côté de la molécule de chlorure d’hydrogène a une charge électrostatique partielle positive, tandis que l’autre côté a une charge électrostatique partielle négative. Il y a une grande différence de densité électronique aux deux extrémités des molécules de chlorure d’hydrogène, et il existe un moment dipolaire électrique qui va de l’atome d’hydrogène à l’atome de chlore. La mesure quantitative du dipôle est appelée le moment dipolaire et est représentée par la lettre .

Il est important de réaliser qu’une molécule ne peut pas automatiquement être supposée polaire simplement parce qu’elle contient au moins une liaison covalente polaire. Des atomes liés ayant des électronégativités significativement différentes généreront des moments dipolaires électriques avec un sens particulier, mais les molécules peuvent contenir d’autres moments dipolaires électriques ayant un sens différent de sorte que deux ou plusieurs de ces vecteurs peuvent s’annuler.

La figure suivante montre comment les trois liaisons covalentes polaires de la molécule de trifluorure de bore peuvent s’annuler. La molécule possède trois liaisons polaires mais aucun moment dipolaire global car la molécule présente une forte symétrie. Les liaisons polaires s’opposent efficacement les unes aux autres, et ainsi la molécule ne possède pas de moment dipolaire global. Les molécules n’auront généralement pas de moment dipolaire global si elles ont des formes très symétriques.

Les chimistes utilisent généralement des flèches dipolaires pour montrer dans quel sens le doublet liant d’électron est attiré dans les molécules polaires. Le signe « + » indique quel atome a la charge électrostatique partielle positive, et la pointe de la flèche indique quel côté a la charge électrostatique partielle négative. La figure suivante montre comment une seule flèche dipolaire peut être utilisée pour représenter le moment dipolaire électrique suivant la liaison dans le chlorure d’hydrogène.

Nous devons considérer la géométrie des molécules lorsque nous essayons de déterminer la polarité globale d’un composé chimique qui contient au moins un atome hautement électronégatif et au moins un atome de faible électronégativité. L’eau () et le dioxyde de carbone () sont deux composés moléculaires simples qui contiennent chacun trois atomes, mais une seule de ces deux molécules a un moment dipolaire global car les molécules ont des formes très différentes. Ces deux composés et leurs dipôles sont représentés sur la figure ci-dessous.

Le dioxyde de carbone est une molécule symétrique, et les deux flèches dipolaires des liaisons ont des sens opposés et donc s’annulent. L’eau a une structure angulaire (coudée), et les deux flèches dipolaires des liaisons se renforce mutuellement, ce qui produite un fort moment dipolaire qui va des atomes d’hydrogène jusqu’aux électrons du doublet non-liant de l’atome d’oxygène. II en résulte que les molécules d’eau possède un moment dipolaire global, et que les molécules de dioxyde de carbone ont un moment dipolaire global égal à zéro.

L’ammoniac est une autre molécule polaire. Elle comporte un atome d’azote lié à trois atomes d’hydrogène et a comme formule moléculaire . Ses liaisons azote-hydrogène sont toutes polaires car elles présentent une valeur absolue de la différence d’électronégativité égale à 0,84. La molécule d’ammoniac a un moment dipolaire global car elle est asymétrique. Les trois flèches du moment dipolaire de la liaison se renforcent mutuellement, et il existe un moment dipolaire du plan des atomes d’hydrogène au plan des électrons solitaires de l’atome d’azote.

Les liaisons de l’eau sont plus polaires que les liaisons de l’ammoniac en raison des différences des valeurs de . Les liaisons ont une polarité plus élevée car elles ont alors que les liaisons ont . Les molécules d’eau ont des propriétés physiques inhabituelles car elles ont des liaisons hautement polaires. Elles ont des points de fusion et d’ébullition élevés principalement parce qu’elles ont des liaisons hautement polaires.

Le même raisonnement peut être appliqué à des composés moléculaires simples de taille moyenne pour déterminer s’ils ont un moment dipolaire global et pour calculer la taille de tout moment dipolaire qui existe. Le tétrachlorure de carbone () contient un atome de carbone lié de manière covalente à quatre autres atomes de chlore hautement électronégatifs. La molécule , illustrée ci-dessous, a quatre liaisons covalentes identiques, dont chacune est une liaison polaire. Bien que le tétrachlorure de carbone ait quatre liaisons covalentes polaires, il n’existe pas de moment dipolaire global car les quatre flèches dipolaires des liaisons ont des sens qui s’opposent et donc s’annulent. La molécule n’a pas de moment dipolaire global en raison de sa forte symétrie.