Une autre façon de satisfaire la règle de l’octuor est le partage d’électrons entre atomes pour former des liaisons covalentes. Ces liaisons sont plus fortes et beaucoup plus courantes que les liaisons ioniques dans les molécules des organismes vivants. On trouve couramment des liaisons covalentes dans les molécules organiques à base de carbone, comme l’ADN et les protéines. On trouve également des liaisons covalentes dans les molécules inorganiques comme H2O, CO2 et O2. Une, deux ou trois paires d’électrons peuvent être partagées, ce qui donne des liaisons simples, doubles et triples, respectivement. Plus il y a de liaisons covalentes entre deux atomes, plus leur lien est fort. Ainsi, les liaisons triples sont les plus fortes.
La force des différents niveaux de liaison covalente est l’une des principales raisons pour lesquelles les organismes vivants ont du mal à acquérir de l’azote pour l’utiliser dans la construction de leurs molécules, même si l’azote moléculaire, N2, est le gaz le plus abondant dans l’atmosphère. L’azote moléculaire est constitué de deux atomes d’azote triplement liés l’un à l’autre et, comme pour toutes les molécules, le partage de ces trois paires d’électrons entre les deux atomes d’azote permet de remplir leurs coquilles électroniques externes, rendant la molécule plus stable que les atomes d’azote individuels. Cette triple liaison forte rend difficile la décomposition de cet azote par les systèmes vivants afin de l’utiliser comme constituants des protéines et de l’ADN.
La formation des molécules d’eau fournit un exemple de liaison covalente. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène qui se combinent pour former les molécules d’eau sont liés entre eux par des liaisons covalentes. L’électron de l’hydrogène partage son temps entre l’enveloppe externe incomplète des atomes d’hydrogène et l’enveloppe externe incomplète des atomes d’oxygène. Pour remplir complètement l’enveloppe externe de l’oxygène, qui possède six électrons dans son enveloppe externe mais qui serait plus stable avec huit, deux électrons (un par atome d’hydrogène) sont nécessaires : d’où la formule bien connue H2O. Les électrons sont partagés entre les deux éléments pour remplir la coquille externe de chacun, ce qui rend les deux éléments plus stables.
Voir cette courte vidéo pour voir une animation des liaisons ioniques et covalentes.
Les liaisons covalentes polaires
Il existe deux types de liaisons covalentes : polaires et non polaires. Dans une liaison covalente polaire, illustrée par la figure 1, les électrons sont inégalement répartis entre les atomes et sont davantage attirés par un noyau que par l’autre. En raison de la répartition inégale des électrons entre les atomes des différents éléments, une charge légèrement positive (δ+) ou légèrement négative (δ-) se développe. Cette charge partielle est une propriété importante de l’eau et explique nombre de ses caractéristiques.
L’eau est une molécule polaire, les atomes d’hydrogène acquérant une charge positive partielle et l’oxygène une charge négative partielle. Cela se produit parce que le noyau de l’atome d’oxygène est plus attractif pour les électrons des atomes d’hydrogène que le noyau de l’hydrogène ne l’est pour les électrons de l’oxygène. L’oxygène a donc une électronégativité plus élevée que l’hydrogène et les électrons partagés passent plus de temps à proximité du noyau de l’oxygène qu’à proximité du noyau des atomes d’hydrogène, ce qui donne aux atomes d’oxygène et d’hydrogène des charges légèrement négatives et positives, respectivement. Une autre façon de dire cela est que la probabilité de trouver un électron partagé près d’un noyau d’oxygène est plus grande que de le trouver près d’un noyau d’hydrogène. Quoi qu’il en soit, l’électronégativité relative de l’atome contribue au développement de charges partielles lorsqu’un élément est significativement plus électronégatif que l’autre, et les charges générées par ces liaisons polaires peuvent ensuite être utilisées pour la formation de liaisons hydrogène basées sur l’attraction de charges partielles opposées. (Les liaisons hydrogène, qui sont examinées en détail ci-dessous, sont des liaisons faibles entre des atomes d’hydrogène légèrement chargés positivement et des atomes légèrement chargés négativement dans d’autres molécules). Comme les macromolécules ont souvent en leur sein des atomes qui diffèrent en électronégativité, les liaisons polaires sont souvent présentes dans les molécules organiques.
Les liaisons covalentes non polaires
Les liaisons covalentes non polaires se forment entre deux atomes d’un même élément ou entre différents éléments qui partagent les électrons de façon égale. Par exemple, l’oxygène moléculaire (O2) est non polaire car les électrons seront répartis de manière égale entre les deux atomes d’oxygène.
Un autre exemple de liaison covalente non polaire est le méthane (CH4), également représenté sur la figure 1. Le carbone a quatre électrons dans sa coquille la plus externe et a besoin de quatre autres pour la remplir. Il obtient ces quatre électrons de quatre atomes d’hydrogène, chaque atome en fournissant un, ce qui donne une coquille externe stable de huit électrons. Le carbone et l’hydrogène n’ont pas la même électronégativité, mais ils sont similaires ; des liaisons non polaires se forment donc. Les atomes d’hydrogène ont chacun besoin d’un électron pour leur coquille extérieure, qui est remplie lorsqu’elle contient deux électrons. Ces éléments partagent les électrons de manière égale entre les carbones et les atomes d’hydrogène, créant ainsi une molécule covalente non polaire.
Figure 1. Le fait qu’une molécule soit polaire ou non polaire dépend à la fois du type de liaison et de la forme moléculaire. L’eau et le dioxyde de carbone ont tous deux des liaisons covalentes polaires, mais le dioxyde de carbone est linéaire, de sorte que les charges partielles de la molécule s’annulent.
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