Une fois que la façon dont les atomes sont assemblés est comprise, la question de la façon dont ils interagissent les uns avec les autres peut être abordée — en particulier, comment ils forment des liaisons pour créer des molécules et des matériaux macroscopiques. Les électrons externes des atomes peuvent former des liaisons de trois manières fondamentales :

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liaison chimique: Structure atomique et liaison

Pour comprendre la formation de liaisons, il est nécessaire de connaître les caractéristiques générales de la structure électronique des atomes — c’est-à-dire l’arrangement…

1. Les électrons peuvent être transférés d’un atome à un autre.
2. Les électrons peuvent être partagés entre des atomes voisins.
3. Les électrons peuvent être partagés avec tous les atomes d’un matériau.

La première voie donne naissance à ce qu’on appelle une liaison ionique. Prenons comme exemple un atome de sodium, qui a un électron sur son orbite la plus externe, s’approchant d’un atome de chlore, qui en a sept. Parce qu’il faut huit électrons pour remplir l’enveloppe la plus externe de ces atomes, l’atome de chlore peut être considéré comme manquant un électron. L’atome de sodium donne son électron de valence unique pour remplir le trou dans l’enveloppe de chlore, formant un système de chlorure de sodium à un niveau d’énergie totale inférieur.

Un atome qui a plus ou moins d’électrons en orbite que les protons dans son noyau est appelé ion. Une fois que l’électron de sa coquille de valence a été transféré, il manquera un électron à l’atome de sodium; il aura donc une charge positive et deviendra un ion sodium. Simultanément, l’atome de chlore, ayant gagné un électron supplémentaire, prendra une charge négative et deviendra un ion chlore. La force électrique entre ces deux ions chargés de manière opposée est attrayante et les verrouille ensemble. Le composé de chlorure de sodium résultant est un cristal cubique, communément appelé sel de table ordinaire.

La deuxième stratégie de liaison listée ci-dessus est décrite par la mécanique quantique. Lorsque deux atomes se rapprochent l’un de l’autre, ils peuvent partager une paire d’électrons les plus externes (pensez aux atomes comme jetant les électrons d’avant en arrière entre eux) pour former une liaison covalente. Les liaisons covalentes sont particulièrement courantes dans les matériaux organiques, où les molécules contiennent souvent de longues chaînes d’atomes de carbone (qui ont quatre électrons dans leurs coquilles de valence).

Enfin, dans certains matériaux, chaque atome donne un électron extérieur qui flotte alors librement — en substance, l’électron est partagé par tous les atomes du matériau. Les électrons forment une sorte de mer dans laquelle les ions positifs flottent comme des billes dans la mélasse. C’est ce qu’on appelle la liaison métallique et, comme son nom l’indique, c’est ce qui maintient les métaux ensemble.

Il existe également des moyens pour les atomes et les molécules de se lier sans réellement échanger ou partager des électrons. Dans de nombreuses molécules, les forces internes sont telles que les électrons ont tendance à se regrouper à une extrémité de la molécule, laissant à l’autre extrémité une charge positive. Dans l’ensemble, la molécule n’a pas de charge électrique nette — c’est juste que les charges positives et négatives se trouvent à des endroits différents. Par exemple, dans l’eau (H2O), les électrons ont tendance à passer la plupart de leur temps près de l’atome d’oxygène, laissant la région des atomes d’hydrogène avec une charge positive. Les molécules dont les charges sont ainsi disposées sont appelées molécules polaires. Un atome ou un ion s’approchant d’une molécule polaire de son côté négatif, par exemple, subira une force électrique négative plus forte que la force électrique positive plus éloignée. C’est pourquoi de nombreuses substances se dissolvent dans l’eau: la molécule d’eau polaire peut extraire les ions des matériaux en exerçant des forces électriques. Un cas particulier de forces polaires se produit dans ce qu’on appelle la liaison hydrogène. Dans de nombreuses situations, lorsque l’hydrogène forme une liaison covalente avec un autre atome, les électrons se déplacent vers cet atome et l’hydrogène acquiert une légère charge positive. L’hydrogène, à son tour, attire un autre atome, formant ainsi une sorte de pont entre les deux. De nombreuses molécules importantes, y compris l’ADN, dépendent des liaisons hydrogène pour leur structure.

Enfin, il existe un moyen de former une liaison faible entre deux atomes électriquement neutres. Le physicien néerlandais Johannes van der Waals a d’abord théorisé un mécanisme pour une telle liaison en 1873, et il est maintenant connu sous le nom de forces de van der Waals. Lorsque deux atomes s’approchent l’un de l’autre, leurs nuages d’électrons exercent des forces répulsives l’un sur l’autre, de sorte que les atomes se polarisent. Dans de telles situations, il est possible que l’attraction électrique entre le noyau d’un atome et les électrons de l’autre surmonte les forces répulsives entre les électrons et qu’une liaison faible se forme. Un exemple de cette force peut être vu dans la mine de crayon graphite ordinaire. Dans ce matériau, les atomes de carbone sont maintenus ensemble en feuilles par de fortes liaisons covalentes, mais les feuilles ne sont maintenues ensemble que par les forces de van der Waals. Lorsqu’un crayon est dessiné sur du papier, les forces de van der Waals se brisent et les feuilles de carbone se détachent. C’est ce qui crée la strie de crayon sombre.