Liaisons covalentes

La liaison triple de N₂ mesure 110 pm, la liaison simple de l'éthane 154 pm. Plus il y a de doublets partagés, plus les atomes se rapprochent.

Quand deux atomes de non-métal se rencontrent, aucun n'accepte de céder complètement ses électrons. Les deux attirent fort, alors au lieu d'un transfert, ils partagent. Chaque atome place un électron dans un doublet situé entre les deux noyaux, et les deux noyaux sont attirés par ce doublet. Le doublet partagé est la liaison covalente. C'est ainsi que tiennent presque toutes les substances des êtres vivants, de l'eau à l'ADN.

Compter les doublets partagés

Prends le méthane, CH₄. Le carbone a 4 électrons externes et il lui en faut 4 de plus. Chaque hydrogène en a 1 et il lui en faut 1 de plus. Le carbone partage un doublet avec chacun des quatre hydrogènes. Le carbone compte alors 8 électrons autour de lui et chaque hydrogène en compte 2. Chacun a une couche complète, et la molécule possède quatre liaisons simples. Le nombre de liaisons que forme habituellement un atome s'appelle sa valence : hydrogène 1, oxygène 2, azote 3, carbone 4. Ces quatre nombres permettent de construire à la main la plupart des petites molécules.

Pour toute petite molécule, tu peux vérifier une structure en comptant les électrons. Additionne les électrons externes de tous les atomes : l'eau en a 1 + 1 + 6 = 8. Chaque liaison en utilise 2, et ceux qui restent forment des doublets non liants. L'eau a deux liaisons O-H, qui utilisent 4 électrons : il reste 4 électrons, soit deux doublets non liants sur l'oxygène. L'oxygène compte alors 8 électrons autour de lui et chaque hydrogène en compte 2. L'ammoniac fonctionne de la même façon : 5 + 3 = 8 électrons, trois liaisons N-H et un doublet non liant. Ce sont ces doublets non liants qui décident de la forme des molécules dans le chapitre suivant.

Liaisons doubles et triples

Parfois, un seul doublet partagé ne suffit pas. Dans une molécule de dioxygène, O₂, chaque atome a 6 électrons externes et il lui en faut 2 de plus : les deux atomes partagent donc deux doublets, c'est une liaison double, O=O. Dans le diazote, N₂, chaque atome a besoin de 3 électrons, et ils partagent trois doublets : c'est une liaison triple, N≡N. Le modèle dessine chaque doublet partagé par un bâtonnet séparé, pour que tu puisses les compter. Le carbone peut former les trois. L'éthane, C₂H₆, a une liaison simple C-C, l'éthène, C₂H₄, une liaison double C=C, et l'éthyne (acétylène), C₂H₂, une liaison triple C≡C.

Plus il y a de doublets partagés, plus les atomes sont proches et solidement liés. Les distances carbone-carbone mesurées dans la base du NIST le montrent clairement : 153.6 pm dans l'éthane, 133.9 pm dans l'éthène et 120.3 pm dans l'éthyne. La liaison triple du diazote, 109.8 pm, est si solide que le diazote ne réagit presque pas, alors qu'il forme la plus grande partie de l'air que nous respirons. Les plantes ne peuvent pas l'utiliser directement : elles comptent sur des bactéries et sur la foudre pour la rompre.

Des molécules, pas des réseaux

Les liaisons covalentes réunissent un nombre fixe d'atomes en une molécule de forme bien définie. Les liaisons à l'intérieur d'une molécule d'eau sont fortes, mais les forces entre deux molécules d'eau voisines sont bien plus faibles. C'est pourquoi beaucoup de substances covalentes sont des gaz ou des liquides à température ambiante et fondent ou bouillent à basse température : il suffit de séparer les molécules, pas de les casser. Le méthane bout vers −161.5 °C. Quelques substances covalentes, comme le diamant et le quartz, sont des réseaux géants de liaisons sans molécules séparées, et elles comptent parmi les matériaux les plus durs que l'on connaisse.