Liaisons ioniques

Dans un cristal de sel, chaque ion sodium a exactement six voisins chlorure, tous à 282 pm.

Regarde des grains de sel de table à la loupe : beaucoup sont de minuscules cubes. Cette forme est un indice de ce qui se passe à l'intérieur. Le chlorure de sodium n'est pas fait de molécules séparées. C'est une grille régulière en trois dimensions d'ions sodium et d'ions chlorure qui alternent dans toutes les directions, et le cube que tu vois est cette grille répétée des millions de fois.

Donner et prendre des électrons

Un atome de sodium a 11 électrons répartis en 2, 8, 1. Son unique électron externe est faiblement retenu : le sodium peut donc le perdre et garder la couche complète du néon. Avec 11 protons mais seulement 10 électrons, il devient un ion positif, Na⁺. Un atome de chlore a 17 électrons répartis en 2, 8, 7, soit un de moins qu'une couche complète. Il prend un électron et devient Cl⁻, avec 18 électrons comme l'argon. L'électronégativité du sodium vaut 0.93 et celle du chlore 3.16. Avec un écart aussi grand, l'électron n'est pas partagé : il change de propriétaire.

Les charges opposées s'attirent, et cette attraction est la liaison ionique. Elle n'a pas de direction privilégiée. Chaque Na⁺ attire tous les Cl⁻ qui l'entourent, et chaque Cl⁻ tous les Na⁺. La façon la plus stable de les empiler est l'arrangement de type sel gemme du modèle : chaque ion a six voisins de charge opposée, placés au-dessus, en dessous, à gauche, à droite, devant et derrière, à 90° les uns des autres. La distance entre les centres voisins est de 282 pm, la moitié des 564 pm d'arête du cube qui se répète.

Écrire la formule

Comme il n'y a pas de molécules séparées, la formule d'un composé ionique indique seulement la proportion des ions. NaCl veut dire un sodium pour un chlore. Les charges doivent s'équilibrer pour donner zéro. Le magnésium forme Mg²⁺, il lui faut donc deux ions chlorure : MgCl₂. L'aluminium forme Al³⁺ et l'oxygène O²⁻. Les plus petits nombres entiers qui équilibrent +3 et −2 sont deux aluminiums et trois oxygènes : Al₂O₃. Les métaux du groupe 1 forment des ions 1+, ceux du groupe 2 des ions 2+, les non-métaux du groupe 17 des ions 1− et ceux du groupe 16 des ions 2−.

Ce que la liaison ionique change aux propriétés

Chaque ion est retenu par de nombreux voisins, donc séparer le cristal demande beaucoup d'énergie. Le chlorure de sodium fond à 801 °C, bien plus chaud qu'un four de cuisine. Le sel solide ne conduit pas l'électricité, car les ions sont bloqués sur place. Fais-le fondre ou dissous-le dans l'eau : les ions peuvent bouger et le liquide conduit. Les cristaux ioniques sont aussi cassants. Frappe fort un cristal de sel et une couche glisse. Des charges de même signe se retrouvent soudain face à face, se repoussent, et le cristal se fend le long d'une face plane.

Les ions n'ont pas la même taille que les atomes dont ils viennent. En perdant sa couche externe, le sodium rétrécit jusqu'à un rayon ionique d'environ 102 pm, tandis que l'électron en plus fait gonfler le chlorure jusqu'à environ 181 pm. Dans le modèle compact, les gros ions chlorure verts occupent la plus grande partie de l'espace et les petits ions sodium violets se logent dans les espaces entre eux.

Quand le sel se dissout dans l'eau, le réseau se défait ion par ion. Les molécules d'eau se pressent autour de chaque ion : les extrémités oxygène, légèrement négatives, se tournent vers les ions Na⁺ et les extrémités hydrogène, légèrement positives, vers les ions Cl⁻. Ainsi entourés, les ions quittent le cristal et se dispersent dans l'eau. Comme les ions dissous peuvent bouger, l'eau salée conduit l'électricité, ce qui explique en partie pourquoi les appareils électriques et l'eau de mer font un mélange dangereux. Tu verras pourquoi les molécules d'eau ont des extrémités chargées dans le chapitre sur la polarité.