Structure de la matière

Structure de la matière:
liaisons chimiques, structures et défaut cristallins.
A- Liaisons chimiques :
Les atomes et les molécules qui constituent la matière sont liés entre eux par 5 types de
liaisons (covalente, ionique, polaire, de Van der Waals et hydrophobe) d'intensités et de
propriétés différentes. De ces propriétés vont découler la forme spatiale des molécules et à
une plus grande échelle de l'organisme tout entier ainsi qu'une grande part des propriétés des
réactions chimiques.
Les liaisons chimiques sont dues aux propriétés des atomes. Les électrons qui forment des
nuages électroniques autour des noyaux tendent à acquérir une énergie minimale.
Cette énergie pour deux atomes peut être diminuée lorsqu'ils interagissent entre eux et
forment une liaison chimique.
I - La liaison covalente :
La forme de liaison que les atomes adoptent le plus fréquemment est la formation de liaisons
covalentes qui sont résulte d’une mise en commun de doublets d’électrons, occupant de
préférence la région comprise entre les noyaux des atomes liés. Si l’élément hydrogène est
plus stable sous la forme de molécules diatomiques H2 que sous la forme d’atomes H séparés,
c’est qu’il se produit une diminution d’énergie lorsque deux atomes d’hydrogène
s’unissent pour former la molécule H2.
Un rapprochement des noyaux A et B permet un accroissement des attractions entre
particules de charges opposées, donc une diminution de l’énergie du système. En effet, si
les deux atomes se rapprochent et que les deux électrons viennent occuper de préférence la
région comprise entre les deux noyaux, chaque électron sera soumis à l’attraction de deux
noyaux au lieu d’être soumis à l’attraction d’un seul, lorsque les atomes sont éloignés.
Au fur et à mesure que les noyaux des deux atomes d’hydrogène se rapprochent, les orbitales
atomiques 1s de départ se déforment progressivement et cessent peu à peu d’exister. Elles sont
remplacées par une nouvelle orbitale, englobant les deux noyaux, et appelée de ce fait orbitale
moléculaire. Celle-ci possède sa forme définitive lorsque la distance correspondant à la
stabilité maximale est atteinte : la liaison covalente unissant les deux atomes d’hydrogène
de la molécule H2 est alors formée. En d’autres termes, la formation de l’orbitale moléculaire
peut être décrite comme une mise en commun ou un partage des électrons.
Exemples de liaison covalente :
♦ Deux atomes d'hydrogène peuvent s'attacher ensemble pour former une molécule
d'hydrogène (H) :
♦ Deux atomes d'oxygène peuvent s'attacher ensemble pour former une molécule d'oxygène
(O2) :
♦ Un atome de carbone peut se lier avec quatre atomes d'hydrogène pour former du méthane
(CH4) :
Liaison ionique
La liaison ionique est censée résulter de l’attraction électrique entre ions de charges
opposées, tandis que la liaison covalente est censée résulter d’une mise en commun
d’électrons (on dit aussi partage) d’électrons entre deux atomes.
Les atomes se lient entre eux toutes les fois que cela leur permet d’atteindre un niveau
d’énergie inférieur à celui qu’ils auraient s’ils ne se liaient pas. En outre, ils choisissent la
façon de se lier qui leur permet d’atteindre le plus bas niveau d’énergie possible.
La formation d’une liaison, quelle qu’elle soit, entraîne donc toujours un dégagement
d’énergie, c’est-à-dire une variation négative de l’énergie du système. Cette variation
négative est égale, par définition, à l’énergie de la liaison formée.
U k
q q'
D’après la relation ci-contre, il est clair que :
d
-
l’énergie potentielle électrique de deux charges de même signe est toujours positive,
et augmente lorsque leur distance d diminue;
-
l’énergie potentielle électrique de deux charges de signes contraires est toujours
négative, et diminue lorsque leur distance d diminue.
Qu’elles soient de même signe ou de signes contraires, l’énergie potentielle électrique de deux
charges tend vers zéro lorsque leur distance tend vers l’infini.
Exemples de liaison covalente :
le lien qui unit l’atome de chlore (Cl) et l’atome de sodium (Na) dans la molécule de chlorure
de sodium (NaCl). Lors de l'échange d’électron entre ces deux atomes, l’atome de sodium se
débarrasse de son électron excédentaire sur sa dernière couche; il possède alors un proton de
plus que le nombre d’électron et prend une charge positive. L’atome de chlore quant à lui
prend l’électron que l’atome de sodium vient de libérer et se retrouve avec un électron de plus
que le nombre de proton dans son noyau; ce qui lui donne une charge négative. Une attraction
s'exerce alors entre les deux atomes chargés, permettant la formation d'une molécule. C'est
cette force d'attraction que l'on appelle liaison ionique.
La liaison hydrogène (ou liaison polaire).
Dans une liaison ionique, la charge positive est portée par un ion, la charge négative par
un autre. Même dans une liaison covalente, la paire d'électron est attirée davantage par un
atome que par l'autre et un des atomes est légèrement positif et l'autre légèrement négatif, la
liaison est polarisée. La charge partielle positive d'un atome peut attirer la charge partielle
négative d'un autre atome dans une autre molécule. Il va s'établir une liaison, bien plus faible
que les précédentes, mais néanmoins réelle.
Cette liaison porte le nom de liaison hydrogène quand la charge partielle positive est
portée par un atome d'hydrogène. C'est le cas quand l'hydrogène est lié à un atome d'oxygène,
d'azote ou de chlore (pour les cas les plus courants) mais pas pour les atomes de carbone
(donc une molécule constituée uniquement de carbone et d'hydrogène ne pourra par établir de
liaison hydrogène. En revanche, les molécules d'eau, constituées uniquement d'hydrogène et
d'oxygène, établissent de très nombreuses liaisons hydrogène enttre elles (l'hydrogène d'une
molécule attire l'oxygène d'une voisine). Cela explique que l'eau soit liquide à la temperature
ambiante, alors que le méthane (CH4), molécule apolaire la plus simple) est gazeux. La
liaison polaire, bien que faible, est donc d'une importance fondamentale pour la vie, sans elle
l'eau liquide n'existerait pas et la vie qui lui est liée non plus.
La liaison de Van der Waals.
C'est la liaison la plus faible de toute. Dans une liaison covalente, la paire d'électron se
déplace. Les deux atomes vont donc porter en alternance et de façon transitoire, une charge
positive et une charge négative. Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule) va
donc être très faiblement attirée par cette charge transitoire. Cette liaison est très faible, mais
dans le cas des macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre élevé d'atomes impliqués)
va produire au total une force importante.
La liaison hydrophobe (ou liaison apolaire).
Cette liaison est en réalité une non liaison, c'est une conséquence de la liaison polaire. Dans
un liquide polaire, les molécules vont tenter d'établir le maximum de liaisons entre elles. La
stabilité maximale est obtenue quand toutes les charges partielles sont impliquées dans une
liaison polaire. Si des molécules apolaires sont rajoutées à la solution, leur présence perturbe
la formation de ce réseau de liaisons et elle vont en être rejetées. A la stabilité maximale, les
molécules apolaires se regroupent de façon a minimiser le nombre de liaisons perdues par les
molécules polaires. Tout ce passe donc comme si les molécules apolaires s'attiraient, en fait ce
sont les molécules polaires qui les repoussent.