Les propriétés chimiques de l’atome sont déterminées par le nombre de protons, en fait, par le nombre et la disposition des électrons. La configuration de ces électrons découle des principes de la mécanique quantique ainsi que du principe d’exclusion de Pauli. Le nombre d’électrons dans les couches d’électrons de chaque élément, en particulier la couche de valence la plus externe, est le principal facteur déterminant son comportement de liaison chimique. Une liaison chimique est une attraction durable entre ces atomes, ions ou molécules qui permet la formation de composés chimiques. La liaison peut résulter de la force électrostatique d’attraction entre des ions chargés de manière opposée comme dans les liaisons ioniques ou par le partage d’électrons comme dans les liaisons covalentes. Par conséquent, la la force électromagnétique joue un rôle majeur dans la détermination des propriétés internes de la plupart des objets rencontrés dans la vie quotidienne. Trois types différents de liaison primaire ou chimique se trouvent dans les solides:
Liaisons intramoléculaires
- Liaison ionique. Une liaison ionique est une liaison chimique, dans laquelle un ou plusieurs électrons sont entièrement transférés d’un atome d’un élément à l’atome de l’autre, et les éléments sont maintenus ensemble par la force d’attraction due à la polarité opposée de la charge. Ce type de liaison chimique est typique entre les éléments avec une grande différence d’électronégativité.
- Liaison covalente. Une liaison covalente est une liaison chimique formée par des électrons partagés. Les électrons de Valence sont partagés lorsqu’un atome a besoin d’électrons pour compléter sa coque externe et peut partager ces électrons avec son voisin. Les électrons font alors partie des deux atomes et les deux coquilles sont remplies.
- Liaison métallique. Une liaison métallique est une liaison chimique, dans laquelle les atomes ne partagent pas ou n’échangent pas d’électrons pour se lier. Au lieu de cela, de nombreux électrons (environ un pour chaque atome) sont plus ou moins libres de se déplacer dans le métal, de sorte que chaque électron peut interagir avec de nombreux atomes fixes.
Liaisons intermoléculaires
- Liaison moléculaire. Lorsque les électrons des atomes neutres passent plus de temps dans une région de leur orbite, une faible charge temporaire existera. La molécule attirera faiblement d’autres molécules. Ceci est parfois appelé van der Waals ou liaisons moléculaires.
- Liaison hydrogène. Une liaison hydrogène peut être intermoléculaire (se produisant entre des molécules distinctes) ou intramoléculaire (se produisant entre des parties de la même molécule). La liaison hydrogène est une force d’attraction principalement électrostatique entre un atome d’hydrogène (H) qui est lié de manière covalente à un atome ou un groupe plus électronégatif.
La force des liaisons chimiques varie considérablement; il existe des « liaisons primaires » ou « liaisons fortes » telles que les liaisons ioniques, covalentes et métalliques, et des « liaisons faibles » ou « liaisons secondaires » telles que les interactions dipôle-dipôle, la force de dispersion de Londres et la liaison hydrogène. Dans ce chapitre, nous traiterons principalement des solides car les solides sont les plus préoccupants dans les applications d’ingénierie des matériaux. Les liquides et les gaz ne seront mentionnés qu’à des fins de comparaison. Les molécules des solides sont étroitement liées les unes aux autres. Lorsque les attractions sont plus faibles, la substance peut être sous forme liquide et libre de s’écouler. Les gaz ne présentent pratiquement aucune force d’attraction entre les atomes ou les molécules, et leurs particules sont libres de se déplacer indépendamment les unes des autres.
Le type de liaison détermine non seulement la façon dont un matériau est maintenu ensemble, mais détermine également les propriétés microscopiques que possède le matériau. Des propriétés telles que la capacité à conduire la chaleur ou le courant électrique sont déterminées par la liberté de mouvement des électrons. Cela dépend du type de liaison présente. La connaissance de la structure microscopique d’un matériau nous permet de prédire comment ce matériau se comportera dans certaines conditions.
Liaison ionique
Une liaison ionique est une liaison chimique, dans laquelle un ou plusieurs électrons sont entièrement transférés d’un atome d’un élément à l’atome de l’autre, et les éléments sont maintenus ensemble par la force d’attraction due à la polarité opposée de la charge. Ce type de liaison chimique est typique entre des éléments à grande différence d’électronégativité (c’est-à-dire des éléments situés aux extrémités horizontales du tableau périodique). Une liaison ionique se trouve toujours dans les composés composés d’éléments métalliques et non métalliques. Il n’y a pas de valeur précise qui distingue la liaison ionique de la liaison covalente, mais une différence d’ électronégativité supérieure à 1,7 est susceptible d’être ionique tandis qu’une différence inférieure à 1,7 est susceptible d’être covalente.
La liaison ionique conduit à séparer les ions positifs et négatifs. Dans le processus, tous les atomes acquièrent des configurations de gaz stables ou inertes (c’est-à-dire des coquilles orbitales complètement remplies) et, en plus, une charge électrique – c’est-à-dire qu’ils deviennent des ions. Par exemple, le sel de table courant est le chlorure de sodium. Le chlorure de sodium (NaCl) est le matériau ionique classique. Un atome de sodium peut assumer la structure électronique du néon par un transfert de son électron de valence 3s à un atome de chlore. Après un tel transfert, l’ion chlore acquiert une charge nette négative, une configuration électronique identique à celle de l’argon ; il est également plus grand que l’atome de chlore. Ces ions sont ensuite attirés les uns vers les autres dans un rapport 1:1 pour former du chlorure de sodium (NaCl).
Na + Cl → Na+ + Cl– → NaCl
Les composés ioniques conduisent l’électricité lorsqu’ils sont fondus ou en solution, généralement sous forme solide. Les composés ioniques ont généralement un point de fusion élevé, en fonction de la charge des ions qui les composent. Plus les charges sont élevées, plus les forces de cohésion sont fortes et plus le point de fusion est élevé. Ils ont également tendance à être solubles dans l’eau; plus les forces de cohésion sont fortes, plus la solubilité est faible.
Une liaison covalente
Une liaison covalente est une liaison chimique formée par des électrons partagés. Les électrons de Valence sont partagés lorsqu’un atome a besoin d’électrons pour compléter sa coque externe et peut partager ces électrons avec son voisin. Les électrons font alors partie des deux atomes et les deux coquilles sont remplies. Ces paires d’électrons sont appelées paires partagées ou paires de liaison, et l’équilibre stable des forces attractives et répulsives entre les atomes, lorsqu’ils partagent des électrons, est appelé liaison covalente.
Le type le plus simple et le plus courant est une liaison simple dans laquelle deux atomes partagent deux électrons. D’autres types comprennent la double liaison (par exemple H2C = CH2), la triple liaison, les liaisons à un et trois électrons, la liaison à deux électrons à trois centres et la liaison à quatre électrons à trois centres.
La covalence est la plus grande entre des atomes d’ électronégativités similaires. Ainsi, la liaison covalente n’exige pas nécessairement que les deux atomes soient des mêmes éléments, seulement qu’ils soient d’ électronégativité comparable (c’est-à-dire des éléments proches les uns des autres dans le tableau périodique). Il n’y a pas de valeur précise qui distingue la liaison ionique de la liaison covalente, mais une différence d’électronégativité supérieure à 1,7 est susceptible d’être ionique tandis qu’une différence inférieure à 1,7 est susceptible d’être covalente.
Lien métallique
Une liaison métallique est une liaison chimique, dans laquelle les atomes ne partagent pas ou n’échangent pas d’électrons pour se lier. Au lieu de cela, de nombreux électrons (environ un pour chaque atome) sont plus ou moins libres de se déplacer dans le métal, de sorte que chaque électron peut interagir avec de nombreux atomes fixes. Les électrons libres protègent les noyaux ioniques chargés positivement des forces électrostatiques mutuellement répulsives qu’ils exerceraient autrement les uns sur les autres; par conséquent, la liaison métallique est de caractère non directionnel. La liaison métallique se trouve dans les métaux et leurs alliages. Le libre mouvement ou la délocalisation des électrons de liaison conduit à des propriétés métalliques classiques telles que le lustre (réflectivité de la lumière de surface), la conductivité électrique et thermique, la ductilité et la résistance à la traction élevée.
Le métal est un matériau (généralement solide) comprenant un ou plusieurs éléments métalliques (par exemple, le fer, l’aluminium, le cuivre, le chrome, le titane, l’or, le nickel), et souvent aussi des éléments non métalliques (par exemple, le carbone, l’azote, l’oxygène) en quantités relativement faibles . La particularité des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charge, en particulier d’ électrons. Cette caractéristique est donnée par la nature de la liaison métallique. Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés.
Liaison hydrogène
Une liaison hydrogène peut être intermoléculaire (se produisant entre des molécules distinctes) ou intramoléculaire (se produisant entre des parties de la même molécule). La liaison hydrogène est une force d’attraction principalement électrostatique entre un atome d’hydrogène (H) qui est lié de manière covalente à un atome ou un groupe plus électronégatif.
Un hydrogène est un exemple fort d’interaction entre deux dipôles permanents. La grande différence d’électronégativité entre l’hydrogène et le fluor, l’azote et l’oxygène, couplée à leurs paires d’électrons isolés, provoque de fortes forces électrostatiques entre les molécules. Un exemple omniprésent de liaison hydrogène se trouve entre les molécules d’eau. Les liaisons hydrogène sont responsables des points d’ébullition élevés de l’eau. Chaque molécule H2O a deux atomes d’hydrogène qui peuvent se lier à des atomes d’oxygène. De plus, son seul atome O peut se lier à deux atomes d’hydrogène d’autres H2O molécules. Ainsi, pour la glace solide, chaque molécule d’eau participe à quatre liaisons hydrogène, contribuant à créer un réseau hexagonal ouvert. Le point d’ébullition élevé de l’eau liquide est dû au nombre élevé de liaisons hydrogène que chaque molécule peut former, par rapport à sa faible masse moléculaire. En raison de la difficulté de rompre ces liaisons, l’eau a un point d’ébullition, un point de fusion et une viscosité très élevés par rapport à des liquides par ailleurs similaires non reliés par des liaisons hydrogène.
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