Qu’est-ce qui retient les atomes ensemble ? Liaisons ioniques, covalentes et métalliques

Pourquoi les atomes se lient

Les atomes se lient parce que cela leur permet d’atteindre un arrangement plus stable de leurs électrons externes, souvent une couche externe pleine comme celle d’un gaz noble. Seuls les électrons externes, les électrons de valence, y participent, et les atomes peuvent les céder, les prendre ou les partager. Chaque choix mène à un type de liaison différent.

Liaisons ioniques : donner et prendre des électrons

Une liaison ionique se forme généralement entre un métal et un non-métal. L’atome métallique perd des électrons et devient un ion positif, et l’atome non métallique en gagne et devient un ion négatif. Les charges opposées s’attirent fortement, et cette attraction est la liaison ionique.

Le sel de table en est l’exemple classique. Un atome de sodium cède son unique électron externe à un atome de chlore, formant Na⁺ et Cl⁻. Un cristal de sel ne contient pas de paires NaCl séparées. Chaque Na⁺ est plutôt entouré de six ions Cl⁻ et chaque Cl⁻ de six ions Na⁺, selon un motif cubique répété appelé réseau cristallin.

Les composés ioniques sont généralement des solides durs et cassants à point de fusion élevé : le sel fond à 801 °C. Ils ne conduisent pas l’électricité à l’état solide, mais le font lorsqu’ils sont fondus ou dissous dans l’eau, car les ions sont alors libres de se déplacer.

Liaisons covalentes : partager des électrons

Une liaison covalente se forme généralement entre deux atomes non métalliques. Aucun des deux atomes n’attire assez fort pour arracher des électrons à l’autre ; ils partagent donc une paire d’électrons. La paire partagée est attirée par les deux noyaux, ce qui maintient les atomes ensemble. Un groupe d’atomes unis de cette façon s’appelle une molécule.

Dans une molécule d’eau, H₂O, l’atome d’oxygène partage une paire d’électrons avec chacun des deux atomes d’hydrogène. L’oxygène avait au départ 6 électrons externes et en a maintenant 8 autour de lui, et chaque hydrogène en a maintenant 2, une première couche pleine. Les atomes peuvent aussi partager deux paires, formant une liaison double comme dans O₂, ou trois paires, formant une liaison triple comme dans N₂.

De nombreuses substances covalentes ont de bas points de fusion et d’ébullition : ce sont donc souvent des gaz ou des liquides à température ambiante ; l’eau bout à 100 °C. Quelques-unes, comme le diamant, forment de gigantesques réseaux de liaisons covalentes et sont extrêmement dures.

Liaisons métalliques : une mer d’électrons

Dans un métal, les atomes libèrent leurs électrons externes dans un réservoir commun qui circule librement dans tout le métal. Il reste un arrangement régulier d’ions métalliques positifs, maintenus ensemble par cette « mer » d’électrons. L’attraction entre les ions et les électrons mobiles est la liaison métallique.

Les électrons libres transportent le courant électrique, c’est pourquoi le cuivre sert à fabriquer des fils, et ils transportent la chaleur, c’est pourquoi une cuillère en métal plongée dans une soupe chaude chauffe vite. Comme les liaisons ne sont pas fixées entre des atomes précis, des couches d’ions peuvent glisser les unes sur les autres : les métaux se plient et peuvent être martelés en feuilles au lieu de se briser.

Utiliser l’électronégativité pour prévoir la liaison

L’électronégativité mesure avec quelle force un atome attire les électrons partagés. Pour comparer deux atomes, soustrayez la plus petite valeur de la plus grande. À titre indicatif, une différence inférieure à environ 0,4 signifie que les électrons sont partagés presque également (covalente apolaire), une différence entre environ 0,4 et 1,7 signifie qu’ils sont partagés inégalement (covalente polaire), et une différence supérieure à environ 1,7 signifie généralement une liaison ionique.

Chlorure de sodium : 3,16 − 0,93 = 2,23, la liaison est donc ionique. Eau : l’oxygène (3,44) et l’hydrogène (2,20) diffèrent de 1,24, les liaisons O–H sont donc covalentes polaires. L’oxygène attire les électrons partagés plus près de lui et porte une petite charge négative, tandis que les atomes d’hydrogène sont légèrement positifs. Dichlore gazeux, Cl₂ : 3,16 − 3,16 = 0, les électrons sont donc partagés parfaitement également.

Ces seuils sont des repères approximatifs, et les manuels utilisent des nombres légèrement différents, car la liaison est en réalité une échelle continue. Un raccourci fonctionne la plupart du temps : métal + non-métal donne une liaison ionique, non-métal + non-métal une liaison covalente, et métal + métal une liaison métallique.