Électronégativité et Polarité
Pour être stable, les atomes mettent en commun un ou plusieurs électrons dans une molécule. Il y a donc formation de doublets liants et non-liants et donc de liaisons chimiques.
N.B. Il existe 3 catégories de liaisons chimiques : les liaisons métalliques, les liaisons covalentes et les liaisons ioniques.
Les liaisons hydrogènes et Van Der Waals n'interviennent pas ici, mais nous en reparlerons plus tard. Déclinons l'électronégativité avec ces trois liaisons chimiques.
Les liaisons métalliques n'interviennent pas dans l'électronégativité car les électrons qui sont présents dans un métal assurent la cohésion de ce dernier. Les électrons se déplacent dans le métal et ne sont pas restreint entre les atomes. Plus les électrons bougent, plus le métal est conducteur.
Les liaisons covalentes s'effectuent lorsque deux atomes échangent de manière équitables ou presque. Ces deux atomes ne doivent pas être métalliques. On notera par exemple le dihydrogène H-H. Dans les liaisons covalentes, on retrouve deux types de liaisons : les liaisons polaires et apolaires.
Avant d'aborder les liaisons ioniques, observons ce qu'il se passe lorsque deux atomes mettent en commun des électrons mais que cet échange n'est pas équitable. Alors, l'un des deux atomes va attirer ces électrons vers lui au détriment de l'autre élement. Ce phénomène, c'est l'électronégativité : définition que l'on retrouve chez le chimiste Linus Pauling.
" L'électronégativité est la capacité d'un atome dans une molécule à attirer vers lui les électrons des liaisons qu'il forme avec d'autres atomes. " Linus Pauling, La nature de la liaison chimique
Électronégativité et polarité
Commençons par le commencement, nous allons vous expliquer le principe de l'hydrophobie.
Prêt à plonger dans le monde moléculaire ?
Tout d'abord nous allons vous expliquer l'éléctronégativité et les liaisons chimiques. Dans une molécule, les électrons sont réparties en couche sur les atomes (K, L, M...). Les atomes (avec Z protons) souhaitent devenir stables comme les gaz rares (colonne bleue du tableau) et doivent donc satisfaire la règle du duet (pour Z ≤ 2) ou la règle de l'octet (pour Z < 2).
" Tableau périodique des éléments au 28 Novembre 2016 " Wikipédia
Mais cette différence entre les deux atomes, est-elle mesurable ? Oui, on retrouve une grandeur (χ) que l'on appelle l'électronégativité et qui attribue à chaque atome sa capacité à attirer les électrons vers lui. L'électronégativité est une grandeur en valeur absolue |χ| donc toujours positive.
Tout cela est résumé par l'échelle de Pauling que vous pouvez retrouver juste ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89chelle_de_Pauling
Dans le tableau périodique de Mendeleïev, l'électronégativité augmente vers le haut et la droite du tableau. En clair, l'atome de Fluor est l'élément le plus électronégatif.
Attention : Les gaz rares ne peuvent pas être électronégatif car il n'ont pas besoin d’effectuer une liaison pour être stable (ils le sont déjà).
Alors, prenons une liaison et observons quel type de liaison est-ce ?
La liaison O-O, nous avons deux atomes d'oxygène qui ont une électronégativité égale à 3.44. Il y a donc une différence nulle : |χ| = |3.44 - 3.44| = 0. Cela veut donc dire qu'aucun atome n'attire l'électron mis en commun. La liaison est dite covalente apolaire car |χ| ≤ 0.4.
La liaison C-O, nous avons l'atome de carbone qui a une électronégativité égale à 2.55 et l'atome d'oxygène égale à 3.44. Il y a donc unen différence de |χ| = |2.55 - 3.44| = 0.89. Concrètement, l'atome d'oxygène va attirer l'électron vers lui. Il va donc se former une charge partielle négative δ- pour l'atome d'oxygène car il attire l'électron (charge -) et une charge partielle positive δ+ pour l'atome de carbone car il perd un peu de charge -. Cette liaison est dite covalente polaire car 0.4 < |χ| < 1.7
Mais alors, si l'électronégativité est supérieur à 1.7 alors la liaison est dite ionique.
Voici d'autres exemple :
" Polarité " Wikipédia
Pour résumer :
L'électronégativité, c'est la capacité d'un atome à attirer ou non le ou les électrons mis en commun avec un autre atome. Il y a alors des liaisons et une différence ou non d’électronégativité χ. Cette différence selon sa grandeur formera soit une liaison polaire avec des charges partielles, apolaires ou ionique.
Mais alors, comment l'électronégativité influe sur la polarité d'une molécule ?
Définition "Polarité d'une molécule" : Propriété d'une molécule dont les charges électroniques font apparaître une ou plusieurs zones chargées électriquement et constituent des pôles. (Adr.-Legr.1981) CNRTL
Physiquement, dans une molécule simple ?
Prenons la molécule HCl avec une liaison H-Cl. On calcule l'électronégativité Δ avec des valeurs que l'on prend pour ces atomes dans l'échelle de Pauling. |Δ| = 3.16 - 2.2 = 0.96. Cela veut donc dire que l'atome de chlore va attirer vers lui l'électron mis en commun au détriment de l'atome d'hydrogène. Il y a ainsi formation de charge partielle positive pour l'atome d'hydrogène et de charge partielle négative pour l'atome de chlore. La molécule est devenu un dipôle électrostatique, il y a un pôle positif (H) et un pôle négatif (Cl). Cependant la molécule reste globalement neutre. De plus, 0.4 < |χ| < 1.7 alors la liaison est dite polaire.
Mais une autre condition influe sur la polarité d'une molécule : le moment dipolaire. Un moment dipolaire est un vecteur qui a une direction, un sens (du - vers le +) et une valeur en debye (D). Si le moment dipolaire (ou barycentre) est confondu avec un atome alors la molécule est apolaire qu'importe l'électronégativité. Le moment dipolaire de la molécule d'HCl n'est pas confondu car il est sur la liaison qui relie les deux atomes. La molécule d'HCl est polaire.
C’est assez simple pour des molécule avec peu d’atomes ou à la géométrie peu complexe mais pour des molécules plus dures, la tâche est bien plus longue. On retiendra qu’il faut que ces liaisons polaires ne soient pas confondus avec le centre de gravité de la molécule.
Pour plus d’informations sur la polarité : https://fr.wikipedia.org/wiki/Polarit%C3%A9_(chimie)
Et c’est ainsi que la géométrie moléculaire intervient dans la polarité. Nous avons vus la polarité des molécules, observons maintenant les molécules apolaires sous deux facteurs.
Premièrement, la molécule est apolaire si la différence d’électronégativité entre toutes ses liaisons est inférieur à 0.4 comme vu précédemment. On l’observe avec la molécule de méthane CH4.
Ici la différence entre l’atome de carbone et l’atome d’hydrogène est inférieur à 0.4 puisque |χ| = 2.55 – 2.2 = 0.35. Toutes les liaisons sont apolaires, la molécule est donc apolaire car le barycentre est sur l'atome de carbone (toutes les charges partielles positives convergent vers l'atome de carbone).
Mais la géométrie de la molécule peut intervenir s’il y a deux centres de gravité (barycentres) dans la molécule à cause des liaisons polarisés comme avec le tétrachlorométhane (Wikipédia) CCl4.
En effet, il y a un barycentre assez simple sur l'atome de carbone et un autre implicite dispersé à cause de la répulsion électrostatique des atomes de chlores.
Pour plus d’informations sur la géométrie des molécules et leurs polarités : http://www.lhce.lu/Chimie/Publications/PDF/2_polarite.pdf
Plus les charges sont asymétriques (réparties de façon aléatoire dans l’espace), plus la molécule est polaire.
N.B. Une molécule polaire est attirée vers une autre molécule polaire. A contrario, une molécule polaire repousse une molécule apolaire.
Pour simuler d’autres molécules polaires ou apolaires : https://phet.colorado.edu/fr/simulation/molecule-polarity
Pour résumer :
La polarité, c’est la présence de charges positives ou négatives due aux liaisons covalentes polaires ou apolaires qu’effectuent les atomes entre eux. Cette polarité est liée à l’électronégativité mais aussi à la géométrie dans l’espace des molécules.
Mais notre molécule d’eau, est-elle polaire ou apolaire ?
Observons ces liaisons : H–O–H
|χ| = 3.44 – 2.2 = 1.24
Les liaisons de la molécule d’eau sont donc polaires, et l’atome d’oxygène possède deux charges partielles négatives et les atomes d’hydrogène deux charges partielles positives. Mais la forme coudée de la molécule d’eau à cause des deux doublets non-liants de l’atome d’oxygène, fait que le centre des charges partielles n’est pas confondu. Les charges partielles négatives sont sur l’atome d’oxygène et les charges partielles positives parallèles et équidistants aux atomes d’hydrogène (juste au dessus de l’atome d’oxygène).
On obtient une molécule en 3D avec en rouge les charges partielles négatives et en bleu les positives.
On remarque alors que la molécule est un dipôle, donc une molécule polaire.
Pour plus d’informations sur la polarité de la molécule d’eau : https://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/proprie/2laMol.html
Comme nous l’avons énoncer en N.B. une molécule polaire repousse une molécule apolaire. Il suffit que l’eau (molécule polaire) soit en contact avec un support apolaire et c’est hydrophobe. En théorie « oui », mais dans la pratique « non ».
Alors, un liquide quel que ce soit a une tension superficielle. Un fluide et une surface forment un système. Dans ce système, il y a des forces (hydrogène, Van Den Waals) qui s’exercent. Pour éviter de casser le système, l’un des deux changent sa géométrie pour garder ce système (changement d’aire, de densité). La force qui maintient le système et permet ces changements se nomme la tension superficielle. Et ce que nous allons essayer d’étudier ensemble …
" Molécule d'eau (H2O) " Wikipédia
