Liaisons chimiques et hybridation

I. pr�ambule

Nous avons �tudi� pr�c�demment les types de liaisons qui unissent des atomes au sein d'une mol�cule. A la lumi�re du mod�le ondulatoire de la mati�re, nous avons a pu montrer que chaque atome poss�de des orbitales atomiques. Les mol�cules poss�dent �galement des orbitales, appel�es orbitales mol�culaires. Nous allons �tudier le m�canisme qui m�ne � la formation de ces orbitales mol�culaires. Nous verrons �galement l'hybridation, c'est � dire la recombinaison de toutes les orbitales vides afin d'accueillir plusieurs �lectrons. 

II. Liaison simple et liaisons multiples

Nous avons vu, qu'il existe des liaisons simples, appel�es liaisons sigma (σ), et nous avons bri�vement �voqu� l'existence de liaisons multiples, notamment dans le cas du carbone. Ces liaisons suppl�mentaires sont appel�es pi (π). Les liaisons pi sont plus faibles que les liaisons de type sigma. 

Les liaisons sigma sont des liaisons plus fortes que les liaisons pi. Nous verrons � la fin de ce chapitre quelle en est la cause.

III. Le cas de la mol�cule d'hydrog�ne (H₂)

La configuration de l'atome d'hydrog�ne est la plus simple : 1s¹. , l'orbitale d'un atome d'hydrog�ne est sph�rique (s).

Prenons deux atomes d'hydrog�ne :

    Sachant que les orbitales sont des fonctions d'ondes, A votre avis, lors de la liaison, en assemblant ces deux volumes, quel va �tre le nouveau volume cr�� ? Autrement dit ; � quoi ressemblera l'orbitale mol�culaire de H₂ ?

 

          

La mol�cule d'hydrog�ne a un nuage �lectronique compos� de l'addition des deux volumes.

Regardons maintenant cette mol�cule sous un autre angle. La liaison a n�cessit� une certaine �nergie pour s'�tablir. De m�me, cette liaison renferme une certaine quantit� d'�nergie (Que nous d�finirons ici comme pouvant �tre n�gative ou positive).

 

IV. liaison sigma  p +  s  :  la mol�cule d'HCl

D�finissons, par convention, l'axe sur lequel se fait la liaison comme �tant l'axe Z :

    

Il s'agit bien ici de liaisons sigma. Celles-ci se font par recouvrement sur l'axe z.

Passons maintenant aux liaisons π, c'est � dire lorsqu'il y a plus d'une liaison entre deux atomes. Les liaisons π sont des liaisons moins fortes que les liaisons σ. Cela s'explique par le fait que le recouvrement des orbitales n'est pas tout � fait complet. Il s'agit pour les orbitales de liaisons π d'un recouvrement lat�ral, moins complet et moins efficace qu'un recouvrement sur l'axe

 

Les liaisons pi sont donc moins fortes, voici un tableau de ces valeurs et une repr�sentation sch�matique des liaisons sigma et pi  :

  

V. Hybridation

Le cas de la mol�cule de m�thane (CH₄) est int�ressant, il s'agit d'un atome de carbone li� � 4 atomes d�hydrog�ne. Regardons cette mol�cule au niveau des orbitales de ses liaisons

Les atomes d'hydrog�ne poss�dent 1 �lectron plac� sur l'orbitale s. (sph�rique).

Regardons maintenant la configuration �lectronique du carbone :

Pour rappel, ce sont les �lectrons les plus externes (ceux de la couche de valence) qui sont concern�s par la chimie. Par cons�quent pour le carbone, il s'agit des 4 �lectrons situ�s dans la couche 2.

Nous voyons qu'� priori, il reste suffisamment d'orbitales vacantes (ou non compl�tes) pour accueillir les �lectrons provenant des atomes d'hydrog�ne et devant faire des liaisons carbone-hydrog�ne.

Cet accouplement d'�lectrons se ferait alors comme ceci pour les 2 premi�res liaisons C-H :

Pour les deux suivantes, nous voyons qu'il reste encore une orbitale p compl�tement vide (2Pz). "Nous pourrions y placer les deux �lectrons des deux hydrog�nes restants pour former nos quatre liaisons". Mais nous voyons que nous ne r�alisons pas le m�me assemblage que pour les deux premi�res liaisons. Les deux liaisons en Px et Py auront chacune la m�me �nergie. Mais les liaisons en Pz seraient diff�rentes et donc auraient une �nergie diff�rente.

Or, l'exp�rience montre que dans la mol�cule de m�thane CH₄, les quatre atomes d'hydrog�ne sont li�s avec les m�mes �nergies. Il s'agit de 4 liaisons strictement identiques. En effet, l'�nergie d'une liaison Carbone-Hydrog�ne est de 412 kJ.mol^-1.

 

La solution est donc un r�arrangement des orbitales du carbone afin de pouvoir accueillir de fa�on identique les atomes d'hydrog�ne. Il y a une recombinaison des orbitales vides et pleines de la couche de valence du carbone, cette recombinaison se nomme hybridation.

 

 

 

Il y a d'abord la promotion d'un ou plusieurs �lectrons des orbitales pleine vers une orbitales vide en suivant la r�gle de HUND.

Ce qui donne sur un graphe montrant les �nergies des orbitales, ceci :

 

 

Nous pouvons observer que d�sormais, chacune des orbitales sont pourvues d'un �lectron et peut donc chacune accueillir un �lectron venant de l'hydrog�ne. Toutefois, nous voyons que ces orbitales ne sont pas au m�me niveau d'�nergie. Toutes les orbitales vont alors se m�langer afin de cr�er quatre orbitales identiques de m�me niveau d'�nergie et de m�me volume !

 

   

La cr�ation de ces nouvelles orbitales hybrides se fait selon le principe de l'addition d'ondes. Souvenons-nous que chaque orbitale peut �tre caract�ris�es par une onde. Ainsi lorsque l'on doit additionner 3 orbitales P et 1 orbitale S, on obtient 4 orbitales sp�. Il s'agit d'orbitales de m�me niveau d'�nergie et correspondant � l'addition math�matique pr�cit�e. Nous sommes donc arriv�s � cr�er quatre liaisons C-H identiques :

 

Nous avons �tudi� au travers du m�thane le m�canisme d'hybridation. Nous allons maintenant voir les autres types d'hybridation possibles. En effet, l'on peut combiner des orbitales s, p, d, f, ... Selon le nombre d'�lectrons engag�s dans les liaisons et selon les types de liaisons. Notez �galement que l'hybridation joue un r�le important dans la d�termination de la forme et de la g�om�trie d'une mol�cule.

 

 

VI. Types d'hybridation et liaisons pi (π)

type d'orbitales additionn�es	r�sultat	g�om�trie	id�e de la forme de l'orbitale hybride
1s + 1 p	2 orbitales sp	lin�aire	-
1s + 2 p	3 orbitales sp�	triangle plan	-
1 s + 3 p	4 orbitales sp�	t�tra�dre	-
1s + 3p + 1d	5 orbitales dsp�	pyramide � base triangulaire	-

Liaisons pi (π) : 

Exemple:  cas de l'�thyl�ne (CH₂=CH₂).

 

 

 

	Chaque carbone est li� � deux hydrog�nes et deux fois � l'autre carbone. Il y a trois liaisons sigma (σ) et une pi (π) dans cette mol�cule => L'hybridation de chaque atome de carbone sera sp�. 1s + 2p = 3 orbitales sp�, il reste donc sur chaque atome de carbone une orbitale p contenant 1 �lectron "libre". Voir ci-contre. Toutefois, chaque atome de carbone poss�de encore une orbitale p non modifi�e .
Nous arrivons donc au sch�ma complet ci-dessous :
		Nous distinguons bien en noir les deux orbitales non hybrid�es restantes (les orbitales p). Ces deux orbitales vont fusionner afin de cr�er un nouveau volume dans lequel les deux �lectrons qu'elles contiennent vont �voluer.  C'est ce nouveau volume engendr� qui est l'orbitale de liaison pi. Comme pr�cis� auparavant, ce nouveau volume n'est pas fait d'une fusion parfaite des deux volumes mais d'une mise en commun partielle (chevauchement lat�ral) des deux orbitales pi. Finalement, l'�th�ne se sch�matisera comme ceci : (c) Ian Hunt  | http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch10/ch10-6-4.html

Afficher la vid�o de la formation des orbitales mol�culaires de l'�th�ne.  Cliquez ici & allumez le son