Ions et liaisons ioniques

Rappelons qu'un atome a généralement le même nombre de protons chargés positivement et d'électrons chargés négativement. Tant que cette situation perdure, l'atome est électriquement neutre. Mais lorsqu'un atome participe à une réaction chimique qui entraîne le don ou l'acceptation d'un ou plusieurs électrons, l'atome devient alors chargé positivement ou négativement. Cela se produit fréquemment pour la plupart des atomes afin d'avoir une couche de valence complète, comme décrit précédemment. Cela peut se produire soit en gagnant des électrons pour remplir une couche qui est plus qu'à moitié pleine, soit en donnant des électrons pour vider une couche qui est moins qu'à moitié pleine, laissant ainsi la couche électronique suivante, plus petite, comme nouvelle couche de valence complète. Un atome qui a une charge électrique — qu'elle soit positive ou négative — est un ion (ion).

Le potassium (K), par exemple, est un élément important dans toutes les cellules du corps. Son numéro atomique est 19. Il n'a qu'un seul électron dans sa couche de valence. Cette caractéristique rend le potassium très susceptible de participer à des réactions chimiques au cours desquelles il donne un électron. (Il est plus facile pour le potassium de donner un électron que d'en gagner sept.) La perte fera en sorte que la charge positive des protons du potassium sera plus influente que la charge négative des électrons du potassium. En d'autres termes, l'ion potassium résultant sera légèrement positif. Un ion potassium s'écrit K⁺, indiquant qu'il a perdu un seul électron. Un ion chargé positivement est connu sous le nom de cation (cation).

Considérons maintenant le fluor (F), un composant des os et des dents. Son numéro atomique est neuf, et il a sept électrons dans sa couche de valence. Ainsi, il est très susceptible de se lier à d'autres atomes de manière à ce que le fluor accepte un électron (il est plus facile pour le fluor de gagner un électron que d'en donner sept). Lorsqu'il le fait, ses électrons seront plus nombreux que ses protons d'un, et il aura une charge négative globale. La forme ionisée du fluor est appelée fluorure, et s'écrit F⁻. Un ion chargé négativement est connu sous le nom d'anion (anion).

Les atomes qui ont plus d'un électron à donner ou à accepter se retrouveront avec des charges positives ou négatives plus fortes. Un cation qui a donné deux électrons a une charge nette de +2. En utilisant le magnésium (Mg) comme exemple, cela peut s'écrire Mg⁺⁺ ou Mg²⁺. Un anion qui a accepté deux électrons a une charge nette de –2. La forme ionique du sélénium (Se), par exemple, s'écrit généralement Se²⁻.

Les charges opposées des cations et des anions exercent une attraction mutuelle modérément forte qui maintient les atomes à proximité, formant une liaison ionique. Une liaison ionique (ionic bond) est une association continue et étroite entre des ions de charge opposée. Le sel de table que vous saupoudrez sur vos aliments doit son existence à la liaison ionique. Comme le montre la Figure 2.8, le sodium donne couramment un électron au chlore, devenant le cation Na⁺. Lorsque le chlore accepte l'électron, il devient l'anion chlorure, Cl⁻. Avec leurs charges opposées, ces deux ions s'attirent fortement.

Figure 2.8 Liaison ionique (a) Le sodium donne facilement l'électron solitaire de sa couche de valence au chlore, qui n'a besoin que d'un électron pour avoir une couche de valence complète. (b) Les charges électriques opposées du cation sodium et de l'anion chlorure résultants entraînent la formation d'une liaison d'attraction appelée liaison ionique. (c) L'attraction de nombreux ions sodium et chlorure entraîne la formation de grands groupements appelés cristaux.

L'eau est un composant essentiel de la vie car elle est capable de rompre les liaisons ioniques dans les sels pour libérer les ions. En fait, dans les fluides biologiques, la plupart des atomes individuels existent sous forme d'ions. Ces ions dissous produisent des charges électriques dans le corps. Le comportement de ces ions produit les tracés de la fonction cardiaque et cérébrale observés sous forme d'ondes sur un électrocardiogramme (ECG) ou un électroencéphalogramme (EEG). L'activité électrique qui découle des interactions des ions chargés est la raison pour laquelle ils sont également appelés électrolytes.

Liaisons covalentes

Contrairement aux liaisons ioniques formées par l'attraction entre la charge positive d'un cation et la charge négative d'un anion, les molécules formées par une liaison covalente (covalent bond) partagent des électrons dans une relation mutuellement stabilisatrice. Comme des voisins dont les enfants traînent d'abord chez l'un puis chez l'autre, les atomes ne perdent ni ne gagnent d'électrons de façon permanente. Au lieu de cela, les électrons se déplacent d'avant en arrière entre les éléments. En raison du partage étroit de paires d'électrons (un électron de chacun des deux atomes), et de la façon dont ils agissent dans les solutions aqueuses, les liaisons covalentes sont plus fortes que les liaisons ioniques.

Liaisons covalentes non polaires

La Figure 2.9 montre plusieurs types courants de liaisons covalentes. Remarquez que les deux atomes liés de manière covalente partagent généralement une ou deux paires d'électrons seulement, bien que des partages plus importants soient possibles. Le concept important à retenir est que dans les liaisons covalentes, les électrons des orbitales atomiques qui se chevauchent des deux atomes sont partagés pour remplir les couches de valence des deux atomes, stabilisant finalement les deux atomes impliqués. Dans une liaison covalente simple, une seule paire d'électrons est partagée entre deux atomes, tandis que dans une liaison covalente double, deux paires d'électrons sont partagées entre deux atomes. Il existe même des liaisons covalentes triples, où trois paires d'électrons sont partagées entre deux atomes.

Figure 2.9 Liaison covalente

Vous pouvez voir que les liaisons covalentes montrées dans la Figure 2.9 sont équilibrées. Le partage des électrons négatifs est relativement égal, tout comme l'attraction électrique des protons positifs dans le noyau des atomes impliqués. C'est pourquoi les molécules liées de manière covalente qui sont électriquement équilibrées de cette manière sont décrites comme non polaires ; c'est-à-dire qu'aucune région de la molécule n'est plus positive ou plus négative qu'une autre.

Liaisons covalentes polaires

Les groupes de législateurs ayant des points de vue complètement opposés sur une question particulière sont souvent décrits comme « polarisés » par les journalistes. En chimie, une molécule polaire (polar molecule) est une molécule qui contient des régions ayant des charges électriques opposées. Les molécules polaires se forment lorsque les atomes partagent les électrons de manière inégale, dans des liaisons covalentes polaires.

L'exemple le plus familier d'une molécule polaire est l'eau (Figure 2.10). La molécule a trois parties : un atome d'oxygène, dont le noyau contient huit protons, et deux atomes d'hydrogène, dont les noyaux contiennent chacun un seul proton. Parce que chaque proton exerce une charge positive identique, un noyau qui contient huit protons exerce une charge huit fois plus grande qu'un noyau qui contient un proton. Cela signifie que les électrons chargés négativement présents dans la molécule d'eau sont plus fortement attirés par le noyau d'oxygène que par les noyaux d'hydrogène. Le seul électron négatif de chaque atome d'hydrogène migre donc vers l'atome d'oxygène, rendant l'extrémité oxygène de leur liaison légèrement plus négative que l'extrémité hydrogène de leur liaison.

Figure 2.10 Liaisons covalentes polaires dans une molécule d'eau

Ce qui est vrai pour les liaisons est vrai pour la molécule d'eau dans son ensemble ; c'est-à-dire que la région de l'oxygène a une charge légèrement négative et les régions des atomes d'hydrogène ont une charge légèrement positive. Ces charges sont souvent appelées « charges partielles » car la force de la charge est inférieure à celle d'un électron entier, comme cela se produirait dans une liaison ionique. Comme le montre la Figure 2.10, les régions de faible polarité sont indiquées par la lettre grecque delta (δ) et un signe plus (+) ou moins (–).

Même si une seule molécule d'eau est incroyablement minuscule, elle a une masse, et les charges électriques opposées sur la molécule tirent cette masse de telle manière qu'elle crée une forme quelque peu similaire à une tente triangulaire (voir Figure 2.10b). Ce dipôle, avec les charges positives à une extrémité formées par les atomes d'hydrogène au « bas » de la tente et la charge négative à l'extrémité opposée (l'atome d'oxygène au « sommet » de la tente) rend les régions chargées très susceptibles d'interagir avec les régions chargées d'autres molécules polaires. Pour la physiologie humaine, la liaison résultante est l'une des plus importantes formées par l'eau — la liaison hydrogène.

Liaisons hydrogène

Une liaison hydrogène (hydrogen bond) se forme lorsqu'un atome d'hydrogène faiblement positif déjà lié à un atome électronégatif (par exemple, l'oxygène dans la molécule d'eau) est attiré par un autre atome électronégatif d'une autre molécule. En d'autres termes, les liaisons hydrogène incluent toujours l'hydrogène qui fait déjà partie d'une molécule polaire.

L'exemple le plus courant de liaison hydrogène dans le monde naturel se produit entre les molécules d'eau. Cela se produit sous vos yeux chaque fois que deux gouttes de pluie fusionnent en une perle plus grande, ou qu'un ruisseau se jette dans une rivière. La liaison hydrogène se produit parce que l'atome d'oxygène faiblement négatif d'une molécule d'eau est attiré par les atomes d'hydrogène faiblement positifs de deux autres molécules d'eau (Figure 2.11).

Figure 2.11 Liaisons hydrogène entre les molécules d'eau Notez que les liaisons se produisent entre la charge faiblement positive des atomes d'hydrogène et la charge faiblement négative des atomes d'oxygène. Les liaisons hydrogène sont relativement faibles, et sont donc indiquées par une ligne pointillée (plutôt que pleine).

Les molécules d'eau attirent également fortement d'autres types de molécules chargées ainsi que des ions. Cela explique pourquoi le « sel de table », par exemple, est en fait une molécule appelée « sel » en chimie, qui se compose d'un nombre égal de sodium (Na⁺) chargé positivement et de chlorure (Cl⁻) chargé négativement, se dissout si facilement dans l'eau, formant dans ce cas des liaisons dipôle-ion entre l'eau et les ions chargés électriquement (électrolytes). Les molécules d'eau repoussent également les molécules avec des liaisons covalentes non polaires, comme les graisses, les lipides et les huiles. Vous pouvez le démontrer avec une simple expérience de cuisine : versez une cuillère à café d'huile végétale, un composé formé par des liaisons covalentes non polaires, dans un verre d'eau. Au lieu de se dissoudre instantanément dans l'eau, l'huile forme une perle distincte car les molécules d'eau polaires repoussent l'huile non polaire.