La liaison chimique. Les éléments chimiques

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Yvette Beaudin
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1 La liaison chimique Cohésion des matériaux Les éléments chimiques Classification périodique de Mendeleïev chimiste russe 19 e s. Familles d éléments aux propriétés chimiques semblables origine?

2 Structure atomique : Les atomes neutralité électrique Couches électroniques : couche souscouche nombre d électrons 1 (ou K) s (ou L) s p 3 (ou M) s p d 4 (ou N) s Dimensions typiques rayon atome : 0,1 nm (10 10 m) 10 millions d atomes dans 1 mm rayon noyau : 1 fm (10 15 m) fois plus petit que l atome! souscouche s p d f nombre d e Occupation des orbitales Ordre de remplissage des couches Ordre de remplissage 6s 5p 4d 5s 4p 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s Energie Configurations électroniques 1s 1 e 1s 2 Li 1s 2 2s 1 Be 1s 2 2s 2 B 1s 2 2s 2 2p 1 C 1s 2 2s 2 2p 2 N 1s 2 2s 2 2p 3 O 1s 2 2s 2 2p 4 F 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Remarque pratique : dès que 8 électrons sont présents sur une couche (souscouches s et p remplies), la couche suivante commence à se remplir

souscouche s p d f nombre d e 2 6 10 14 Occupation des orbitales Ordre de remplissage des couches Ordre de remplissage 6s 5p 4d 5s 4p 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s Energie Configurations électroniques 1s 1 e

3 Réactivité chimique électrons de la dernière couche électronique = autres électrons = Règle de l octet : Exemples : Potassium Famille des alcalins Argon Famille des gaz rares Chlore Famille des halogènes 1 électron de valence : 8 électrons de valence : 7 électrons de valence : solution : La liaison chimique Liaison chimique = Valence =

rares Chlore Famille des halogènes 1 électron de valence : 8 électrons de valence :

4 La liaison ionique peut concerner : plusieurs atomes plusieurs électrons valence = Exemple : sel de cuisine NaCl Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Na + 1s 2 2s 2 2p 6 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Exemple : MgF 2 Na + Cl Mg 2+ F Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 2 x F 1s 2 2s 2 2p 5 Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 2 x F 1s 2 2s 2 2p 6 F La liaison ionique Solide dont la cohésion est due à la liaison ionique = solide ionique neutre rapport fixé entre nombre de cations (ex. : Na + ) et nombre d anions (ex. : Cl ) Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + unité constitutive = ion Caractéristiques : matériaux résistants, température de fusion élevée matériaux isolants matériaux contenant des liaisons ioniques : essentiellement Cl Na + Cl Na + Cl

due à la liaison ionique = solide ionique neutre rapport fixé entre nombre de cations (ex. : Na + ) et nombre d anions (ex.

5 La liaison covalente valence = Exemple : dihydrogène 2 1s 1 mise en commun "1s 2 " 1s 1 d un e "1s 2 " Exemple : dioxygène O 2 orbitale moléculaire O O O 1s 2 2s 2 2p 4 mise en commun O 1s 2 2s 2 "2p 6 " O 1s 2 2s 2 2p 4 de 2 e O 1s 2 2s 2 "2p 6 " O liaison covalente simple liaison covalente double O La liaison covalente Exemple : méthane C 4 C 1s 2 2s 2 2p 2 C 1s 2 2s 2 "2p 6 " 1s 1 mise en commun d un e entre "1s 2 " 1s 1 le C et chacun des 4 "1s 2 " 1s 1 "1s 2 " 1s 1 "1s 2 " Solide dont la cohésion est due à la liaison covalente = solide covalent Exemple : atome de carbone C chaque atome de C est lié à 4 autres formant un tétraèdre autour de lui Caractéristiques : matériaux résistants, température de fusion élevée matériaux fragiles matériaux isolants Matériaux contenant des liaisons covalentes :

commun d un e entre "1s 2 " 1s 1 le C et chacun des 4 "1s 2 " 1s 1 "1s 2 " 1s 1 "1s 2 " Solide dont la cohésion est due à la liaison covalente = solide covalent Exemple : atome de carbone C chaque

6 Ionocovalence Exemple de la silice SiO 2 silicium 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 4 électrons de valence 2 x oxygène 1s 2 2s 2 2p 4 6 électrons de valence 2 possibilités laquelle est sélectionnée? liaison ionique Si 4+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 8 e sur la 2 e couche 2 x O 2 1s 2 2s 2 2p 6 8 e sur la 2 e couche O 2 Si 4+ O 2 liaison covalente Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 "3p 6 " 8 e sur la 3 e couche 2 x O 1s 2 2s 2 "2p 6 " 8 e sur la 2 e couche O Si O O Si O En réalité : entre les deux = O Si O En fait, peu de liaisons sont purement ioniques ou purement covalentes, les céramiques sont presque toujours ionocovalentes La liaison métallique Liaison métallique : valence = Caractéristiques : matériaux résistants, température de fusion élevée matériaux ductiles matériaux conducteurs Elle concerne exclusivement les matériaux métalliques par exemple :

2 x O 1s 2 2s 2 "2p 6 " 8 e sur la 2 e couche O Si O O Si O En réalité : entre les deux = O Si O En fait, peu de liaisons sont purement ioniques ou purement covalentes, les céramiques sont presque

7 Bilan : liaisons chimiques Quelle liaison est sélectionnée? Nombre d électrons de valence s 1 s 2 p 6 s 2 s 2 p 1 s 2 p 2 s 2 p 3 s 2 p 4 s 2 p 5 d 1 s 2 d 2 s 2 d 3 s 2 d 4 s 2 d 5 s 2 d 6 s 2 d 7 s 2 d 8 s 2 d 9 s 2 d 10 s (en anglais) Les liaisons faibles Liaisons faibles (ou liaisons physiques) : Exemples : liaison entre dipôles permanents (molécules polaires) 10 x plus faible qu une liaison covalente ex : liaison hydrogène, assurant la cohésion de l eau et de la glace O (2) (+) (+) liaison entre dipôles instantanés (= liaison de van der Waals) 100 x plus faible qu une liaison covalente fluctuation + polarisation attraction + + fluctuation physicien néerlandais fin 19 e s. Nobel 1910

com/fr/ http://www.citesciences.fr/francais/ala_cite/expo/tempo/aluminium/science/mendeleiev/ http://www.webelements.

8 Les liaisons faibles Caractéristiques : matériaux peu résistants, température de fusion basse matériaux isolants Elle concerne essentiellement Complément Classes de polymères : sousclasse thermoplastique : peut être fondu sans être détruit exemple : PE, PP, thermodurcissable (ou réticulé) : est détruit quand on le chauffe exemple : PVC, époxy, élastomère : très grande déformation élastique possible (500%) exemple : caoutchouc liaison pontale (covalente) Propriétés mécaniques Elasticité : σ Re E ε ε R E (liaisons fortes) >> E (liaisons faibles) ionique, covalente, métallique Plasticité :

est détruit quand on le chauffe exemple : PVC, époxy, élastomère : très grande déformation élastique possible (500%) exemple : caoutchouc liaison

9 Bilan Liaison ionique échange d électron(s) Liaison covalente mise en commun d électron(s) Liaison métallique mise en commun d électrons pour tout un cristal Liaisons faibles attraction due à fluctuation thermique assure la cohésion des assure la cohésion des assure la cohésion des assure la cohésion des céramiques métaux polymères

Liaisons faibles attraction due à fluctuation thermique assure la cohésion des

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