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I. Connaissance sur des liaisons covalentes
Une liaison covalente entre deux atomes correspond à une mise en commun de deux électrons de leurs couches externes pour former un doublet d’électrons appelé « doublet liant ». Les deux électrons mis en commun sont localisés entre les deux atomes. Le nombre de liaisons covalentes dans la molécule peut se calculer ainsi :
nombre de liaisons covalentes = nombre total des atomes dans la molécule – 1 Exemple : nombre de liaisons covalentes dans :
H2SO4 = 7 – 1 = 6 liaisons 3 (C5H10) = 3 (15 – 1) = 42
II. Établissement des structures des molécules covalentes
Il y a deux méthodes pour représenter la structure des molécules covalentes :
Formule de Lewis de la molécule
Le diagramme de Lewis d’une molécule permet de représenter la répartition des électrons de valence entre les atomes de cette molécule. Ces électrons sont représentés par des « points ». Les atomes s’unissent en mettant en commun un ou plusieurs électrons de valence (au sein de doublet d’électron).
Formule développée
Dans la formule développée, on utilise des traits (tirets) pour indiquer la présence de liaisons entre les atomes, ainsi :
(–) un trait représente un doublet d’électrons ;
(=) deux traits parallèles et de même longueur représentent deux doublets d’électrons ;
() trois traits parallèles et de même longueur représentent trois doublets d’électrons ;
() représente un doublet d’électrons provenant d’un seul des deux atomes.
Les étapes d’écrire les structures des molécules covalentes, il faut d’abord écrire le diagramme de Lewis de la molécule, ensuite la formule développée.
1) Choix de l’atome central
L’atome central est celui présent en plus petit nombre dans la formule, c’est l’atome qui tend à gagner des électrons de la couche externe ou l’atome possédant de bas électronégatif et de grande taille
2) L’ordre d’enchaînement
Pour écrire une structure de Lewis on doit premièrement déterminer l’arrangement des atomes. L’atome central est généralement au milieu. Les autres atomes se placent autour de l’atome central, par exemple :
III. Règle de l’octet
La règle de l’octet est une règle chimique simple qui énonce que les atomes tendent à posséder 8 électrons sur leur couche périphérique, afin d’acquérir un état stable, pour l’hydrogène deux électrons.
Il existe des exceptions à la règle de l’octet : certains atomes peuvent posséder plus de 8 électrons sur leur couche périphérique et d’autres atomes moins de 8 électrons, par exemple, BeCℓ2, BF3, PCℓ3, PCℓ5, SF6…
IV. Les différents types de liaisons covalentes
Il existe trois types de liaisons covalentes :a) Liaisons simples
Une liaison covalente simple résulte de la mise en commun d’une paire d’électrons (un doublet d’électrons) de la couche externe entre
b) Liaisons doubles
Une liaison covalente double résulte de la mise en commun de deux paires d’électrons (deux doublets d’électrons) de la couche externe entre deux atomes.
c) Liaisons triples
Une liaison covalente double résulte de la mise en commun de trois paires d’électrons (deux doublets d’électrons) de la couche externe entre deux atomes.
Liaison de coordination (covalente dative ou liaison donneur- accepteur)
La liaison de coordination est une liaison entre deux atomes dans laquelle le doublet d’électrons ne provient que de l’un des deux atomes liés, par exemple, des liaisons entre S et O dans H2SO4, liaison entre S et S dans S22.
V. Énergie de liaison et longueur de liaison
Énergie de liaison
L’énergie de la liaison correspond à l’énergie que l’on doit fournir pour briser des liaisons dans la molécule à l’état gazeux en atomes gazeux.
Longueur de liaison
La longueur de liaison est la distance qui sépare les noyaux des deux atomes liés par une liaison covalente, on parle alors
« d’énergie moyenne » de liaison.
Énergie de liaison : liaison simple liaison double liaison triple Longueur de liaison :liaison simple liaison doubleliaison triple
VI. Le bris et la formation de liaisons
Le bris d’une liaison covalente est le processus endothermique, par exemple, le bris des liaisons de la molécule de dihydrogène en atomes selon l’équation :
H – H(g) + 436 kJ 2 H(g) ou on peut écrire H = + 436 kJ/mol La formation d’une liaison covalente est le processus exothermique, par exemple :
H(g) + Cℓ(g) H–Cℓ + 431 kJ ou on peut écrire H = – 431 kJ/mol 1) Réactions endothermiques
Une réaction endothermique est une transformation qui absorbe de l’énergie. L’énergie requise pour briser les liaisons dans les réactifs est supérieur à l’énergie dégagée par la formation de liaisons dans les produits. Le système gagne de la chaleur.
2) Réactions exothermiques
Une réaction exothermique est une transformation qui dégage de l’énergie. Dans une réaction exothermique, les liaisons qui existent dans les réactifs sont plus faibles que celles présentes dans les produits. Le système perd de la chaleur.
Exemple (1) : La transformation suivante est un processus endothermique ou exothermique ?
2 NH3(g) N2(g) + 3 H2(g)
On donne les valeurs d’énergie de liaison suivantes : H–H(g) = 436 kJ/mol, NN(g) = 945 kJ/mol, N–H(g) = 391 kJ/mol
Solution
- Les liaisons pour briser sont N– H(g) 6 liaisons absorbe de l’énergie = 6391 = 2346 kJ
- Les liaisons formées sont NN(g) 1 liaison = 6945 = 945kJ et H–H(g) 3 liaisons = 3436 = 1308 kJ
On a donc :
- les énergies absorbées pour briser des liaisons = 2346 kJ
- les énergies dégagées pour former des liaisons = 945 + 1308 = 2253 kJ - Cette transformation est endothermique égale à 2346 – 2253 = 93 kJ
H
2 H–N–H NN + 3 H–H 6 N–H NN + 3 H–H 6945 945 + 3436 2346 kJ 2253 kJ
Cette transformation est endothermique = 2346 – 2253 = 93 kJ
Exemple (2) : Calculer la valeur d’énergie de liaison (H–O) de la molécule d’eau (H2O) dans l’équation suivante :
CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)
Cette réaction dégage 694 kJ.
On donne les valeurs des énergies de liaison : C–H = 413 kJ/mol ; (O=O) = 498 kJ/mol ; (C=O) = 745 kJ/mol.
Solution
CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) H
ou H – C – H + 2 (O=O) O=C=O + 2
H
4 (C – H) + 2 (O = O) 2 (C = O) + 4 (H – O) 4413 + 2498 2745 + 4 (H – O)
1652 + 996 1490 + 4 (H – O)
La réaction dégage de l’énergie de 694 kJ, on a donc : 1490 + 4 (H – O) – (1652 + 996) = 694 kJ
On a donc : 4 (H – O) = 694 – 1490 + 1652 + 996 = 1852
(H – O) =
4
1852 = 463 kJ
La valeur d’énergie de liaison (H – O) = 463 kJ
VII. La notion de résonance
La résonance est un phénomène selon lequel une molécule peut être représentée par plusieurs formules de Lewis qui diffèrent seulement dans l’arrangement des électrons, par exemple, le dioxyde de soufre (SO2).
O H H
VIII. Éléments et liaison covalente, formules et nomenclature des composés covalents
a) Éléments et liaison covalente
Les éléments qui peuvent s’assembler pour donner des liaisons covalentes sont :
1) les non-métaux et les non-métaux, tels que : H2O, CO2… 2) les métalloïdes et les non-métaux, tels que : BF3, SiCℓ3… 3) Certains métaux tels que Be, Sn avec des non-métaux, par
exemple : BeCℓ2, SnCℓ2.
b) Règle d’écriture la formule des molécules covalentes
1) Pour écrire les formules des molécules covalentes, il faut classer les éléments par ordre suivant : B , Si, C, Sb, As, P, N, H, Te, Se, S, At, I, Br, Cℓ, O, F.
2) Les proportions en atomes des molécules covalentes sont indiquées dans le tableau ci-dessous :
Les groupes associés
Nombre d’électrons de la couche
externe
Nombre d’électrons
voulus
Proportions en
atomes Exemple
4+7 4 et 7 4 et 1 1 : 4 CCℓ4
4+6 4 et 6 4 et 2 1 : 2 CS2
5+7 5 et 7 3 et 1 1 : 3 PCℓ3
5+6 5 et 6 3 et 2 2 : 3 N2O3
6+7 6 et 7 2 et 1 1 : 2 SCℓ2
Puisque la couche externe des non-métaux possèdent plusieurs électrons, ils peuvent donner des composés de différentes telles que l’assemblage de l’azote (N) et le phosphore (P) du groupe VA avec l’oxygène (O) du groupe VIA donnent des composés suivants : N2O, NO, NO2, N2O3, N2O5, P2O5, P2O3, P4O10.
c) Nomenclature des composés covalents
Voici les règles de nomenclature des composés covalents : - Le premier élément porte le nom complet de l’élément.
- Le deuxième élément porte le nom de l’anion et est nommé en premier.
- Pour indiquer le nombre d’atomes présents, on utilise des préfixes suivants : 1 = mono, 2 = di, 3 = tri, 4 = tétra, 5 = penta, 6 = hexa….
Tableau des exemples de nomenclature de quelques composés covalents
Formule Nom en français Nom en anglais CO2 Dioxyde de carbone Carbone dioxide CO Monoxyde de carbone Carbone monoxide BF3 Trifluorure de bore Boron trifluoride N2O Monoxyde de diazote Dinitrogen monoxide N2O5 Pentaoxyde de diazote Dinitrogenpentaoxide P4O10 Décaoxyde de tétra-
phosphore
Tetraphosphorusdecaoxide OF2 Difluorure d’oxygène Oxigendifluoride
CCℓ4 Tétrachlorure de carbone Carbone tetrachloride NI3 Triiodure d’azote Nitrogen triiodide
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1. Indiquer le nombre de liaisons covalentes respectivement dans : Na2SO4, NH4, CuS, BCℓ3
2. On donne les énergies de liaison suivantes : CH = 413 kJ/mol, CC = 348 kJ/mol et C=C = 614 kJ/mol. Quelle est la quantité de chaleur fournie pour briser toutes les liaisons de la molécule de propène ?
3. On donne le tétrachlorure de carbone, l’ammoniac, le monoxyde de carbone et l’eau à l’état solide ; quelle molécule s’attire par des forces de Van der Waals seul ?
4. Comparer la longueur de liaison et l’énergie de liaison entre les atomes
5. Calculer la valeur d’énergie de liaison NO de la molécule NO2 selon l’équation : 2 NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
Cette réaction libère de l’énergie 112 kJ.
On donne l’énergie de liaison de NO dans la molécule NO = 90 kJ/mol, l’énergie de liaison OO dans la molécule O2 = 120 kJ/mol.
6. On donne les réactions ci-dessous :
(1) C(s) + O2(g) CO2(g) (2) CCℓ4(g) C(s) + 2 Cℓ2(g)
(3) 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) (4) C(s) + 2H2(g) CH4(g)
Quelle réaction absorbe de l’énergie ? Pourquoi ?
7. Soit la réaction : C4H10(g) C4H6(g) + 2H2(g)
Cette réaction absorbe de l’énergie 289 kJ. Quelle sera la quantité de chaleur absorbée si la masse de C4H6 obtenue est 5,4 g ?
8. On donne les valeurs d’électronégativité de H = 2,1 ; O = 3,5 et S = 2,5.
Pourquoi la température d’ébullition de H2O est plus élevée que H2S.
9. Pour briser toutes les liaisons de la molécule de C2H4 en atomes nécessite 2266 kJ. Sachant que l’énergie de liaison de C=C = 614 kJ/mol, quelle est la valeur d’énergie de liaison de CH ?
10. Déterminer les proportions entre des liaisons simples, doubles et triples des molécules suivantes : HCCCONH2, NCCH2CHCH2, OCNCH2CCH et H2CCCN.
11. Soient les valeurs d’énergie de liaison suivantes : CC = 348 kJ/mol, CH = 413 kJ/mol, CCℓ = 339 kJ/mol, CℓCℓ = 242 kJ/mol et
C=C = 614 kJ/mol. Quelle est la quantité de chaleur de réaction de synthèse entre le 2-hexène et le dichlore ?
12. Soient les valeurs d’énergie de liaison en kJ/mol suivantes : CC = 348, HH =436, C=C = 614, CH = 413 et CC = 839. Les composés diène (formule C4H6) et alcynes (formule C4H6) réagissent avec un excès de dihydrogène et donne le même produit C4H10 ; quelle est la différence de quantité d’énergie entre ces deux réactions ?
13. On donne les composés suivants : BF3, FCℓ3, CCℓ4, BeCℓ2, HCℓ, SF2, Cℓ2. Lesquels de ces composés ne respectent pas la règle de l’octet ?
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