Molécules et liaisons chimiques : construisez-en une en 3D

Partager, c’est se lier

Les atomes s’unissent parce que s’unir abaisse leur énergie. La façon la plus simple de s’unir est de partager. Chaque atome d’hydrogène a un électron et aimerait en avoir un deuxième pour remplir sa première couche. Deux atomes d’hydrogène s’approchent et partagent une paire d’électrons qui appartient aux deux. Cette paire partagée est une liaison covalente, dessinée comme un trait : H–H. Le résultat est une molécule d’hydrogène, H₂, dans laquelle chaque atome compte une couche pleine. Sur l’image, rapprochez les deux atomes et voyez leurs nuages d’électrons les attirer, puis les repousser s’ils s’approchent trop. Le point d’équilibre, à environ 74 picomètres, est la longueur de liaison.

L’eau est coudée

L’oxygène a besoin de deux électrons de plus et chaque hydrogène d’un seul, donc un oxygène partage avec deux hydrogènes : H₂O. L’oxygène porte aussi deux paires d’électrons non partagées, qui poussent les deux liaisons O–H l’une vers l’autre. Le résultat est une molécule coudée, avec un angle de 104,5° au lieu d’une ligne droite. L’oxygène attire les électrons partagés plus fort que l’hydrogène, si bien que le côté de l’oxygène est légèrement négatif et ceux des hydrogènes légèrement positifs. Cette charge déséquilibrée explique pourquoi les molécules d’eau s’agrippent les unes aux autres, et pourquoi l’eau dissout tant de choses. Tournez le modèle sur l’image et lisez l’angle.

Le dioxyde de carbone est droit

Le carbone a besoin de quatre électrons de plus et l’oxygène de deux. Dans le CO₂, l’atome de carbone partage deux paires avec chaque oxygène, ce qui fait une liaison double, notée O=C=O. Comptez : le carbone a 4 liaisons et chaque oxygène en a 2, donc toutes les valences sont satisfaites. Le carbone n’a aucune paire non partagée pour dévier les liaisons, alors les deux liaisons doubles pointent en sens opposés et la molécule est droite, à 180°. Chaque oxygène tire autant dans un sens opposé à l’autre, donc la molécule n’est pas du tout déséquilibrée. C’est le gaz que vous expirez et celui que les plantes absorbent. Comparez-la à l’eau sur l’image : toutes deux contiennent de l’oxygène, mais la forme et le comportement diffèrent.

Méthane et éthanol

Le méthane, CH₄, est un carbone relié par quatre liaisons simples à des hydrogènes. Les quatre liaisons s’écartent autant qu’elles le peuvent, vers les sommets d’un tétraèdre, avec des angles de 109,5°. C’est le principal composant du gaz naturel. L’éthanol, C₂H₆O, est construit de la même façon, mais en chaîne : deux carbones reliés, chacun complété par des hydrogènes jusqu’à quatre liaisons, et un groupe hydroxyle –OH au bout, noté CH₃CH₂OH. Les mêmes atomes dans un autre ordre forment une autre substance, l’éther diméthylique, CH₃OCH₃. Une molécule n’est donc pas seulement une liste d’atomes. C’est une liste plus une forme.

Le sel n’a pas de molécules

Le sel de table fonctionne autrement. Le sodium donne son électron externe solitaire au chlore, qui a une place libre sur sa couche externe. Le sodium devient l’ion positif Na⁺ et le chlore l’ion négatif Cl⁻. Les charges opposées s’attirent, et chaque ion se retrouve entouré de six ions de l’autre sorte, dans un réseau cubique qui se répète dans toutes les directions. Il n’existe pas de molécule isolée de NaCl, seulement le rapport de la formule, 1 : 1. C’est une liaison ionique. Cette forte attraction dans toutes les directions explique que les cristaux de sel soient durs et demandent 801 °C pour fondre. Faites tourner le cristal sur l’image et comptez les voisins d’un ion.

Assemblez une molécule

Place à l’assemblage. Sous l’image, vous pouvez choisir des atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote et les relier. Chaque atome veut un nombre fixe de liaisons, sa valence : carbone 4, azote 3, oxygène 2 et hydrogène 1. Une molécule est complète quand tous les atomes ont toutes leurs liaisons. Exemple résolu : un azote et trois hydrogènes donnent NH₃, l’ammoniac, car les 3 liaisons de l’azote rencontrent les 3 liaisons simples des hydrogènes. Si le bac à sable connaît votre molécule, il la nomme, par exemple eau, méthane, dioxyde de carbone, éthanol ou ammoniac. Sinon, il affiche la formule et vous dit quelles liaisons restent ouvertes.

Molécules et liaisons