Calculateur d'Ordre de Liaison - Déterminer la Force de Liaison Moléculaire

Qu'est-ce que l'ordre de liaison ?

L'ordre de liaison est un nombre qui indique combien de liaisons chimiques relient deux atomes dans une molécule. Il découle de la théorie des orbitales moléculaires, un modèle de la liaison chimique dans lequel les électrons occupent des orbitales partagées qui entourent toute la molécule, plutôt que de rester sur un seul atome. Un ordre de liaison de 1 correspond à une liaison simple, 2 à une liaison double et 3 à une liaison triple. L'ordre de liaison permet aussi de prévoir la force et la longueur de la liaison : un ordre de liaison plus élevé correspond à une liaison plus courte et plus forte.

Formule de l'ordre de liaison

Les orbitales moléculaires sont de deux types. Une orbitale liante contient des électrons qui rapprochent les deux atomes. Une orbitale antiliante contient des électrons qui écartent les atomes. L'ordre de liaison se calcule à partir des électrons de chaque type :

$\text{Ordre de liaison} = \frac{\text{électrons liants} - \text{électrons antiliants}}{2}$

La division par 2 tient compte du fait qu'une liaison correspond à une paire d'électrons partagée.

Comment calculer l'ordre de liaison

1. Trouver le diagramme des orbitales moléculaires de la molécule ou déterminer le nombre de ses électrons de valence.
2. Compter les électrons présents dans les orbitales liantes (notées σ et π).
3. Compter les électrons présents dans les orbitales antiliantes (notées σ* et π*).
4. Soustraire le nombre d'électrons antiliants du nombre d'électrons liants.
5. Diviser le résultat par 2.

Exemple détaillé : oxygène (O₂)

L'oxygène possède 12 électrons de valence. Le remplissage de son diagramme des orbitales moléculaires place 8 électrons dans les orbitales liantes et 4 dans les orbitales antiliantes.

Ordre de liaison = (8 − 4) / 2 = 2

Cela correspond à la double liaison O=O observée expérimentalement par les chimistes. Le modèle des orbitales moléculaires explique aussi pourquoi O₂ est paramagnétique (attiré par un champ magnétique) : deux de ses électrons antiliants sont célibataires, ce qu'une simple structure de Lewis ne peut pas montrer.

Molécules courantes et leurs ordres de liaison

Les ordres de liaison fractionnaires, comme 2,5 pour le monoxyde d'azote (NO), apparaissent lorsqu'une molécule possède un nombre impair d'électrons ou lorsque sa structure est un mélange de plusieurs arrangements. Le benzène est un exemple bien connu absent de ce tableau : chaque liaison carbone-carbone a un ordre de liaison de 1,5, à mi-chemin entre une liaison simple et une liaison double, car les électrons du cycle sont répartis uniformément autour des six atomes de carbone plutôt que fixés à un emplacement.

La triple liaison de l'azote est exceptionnellement forte, ce qui explique pourquoi le gaz N₂ résiste à la dissociation, bien que l'azote constitue la majeure partie de l'atmosphère terrestre. Le fluor, malgré son caractère très réactif, ne possède qu'une liaison simple dans F₂ ; cette liaison relativement faible explique en partie pourquoi F₂ réagit si facilement avec d'autres substances.

Utilisation du calculateur

Saisir une formule chimique dans le champ de saisie, par exemple O2, N2, CO ou H2O, en utilisant des chiffres ordinaires plutôt que des indices. L'ordre de liaison s'affiche automatiquement dès qu'une formule reconnue est saisie ; aucun bouton distinct n'est nécessaire. Sélectionner Reset pour vider le champ.

Les formules sont sensibles à la casse : CO (monoxyde de carbone) n'est pas la même saisie que co ou Co. L'outil reconnaît une liste fixe de 37 molécules courantes : 13 diatomiques homonucléaires, comme H₂ et O₂, ainsi que 24 composés simples, comme CO₂, NH₃ et NaCl. Pour une molécule de plus de deux atomes, il donne l'ordre de liaison de la liaison principale plutôt qu'une valeur pour chaque liaison. Pour CO₂, il s'agit d'une liaison C=O, donc la réponse est 2 ; pour l'éthène (C₂H₄), il s'agit de la liaison C=C, dont la réponse est également 2, et non d'une moyenne incluant les quatre liaisons simples C–H. Une formule qui ne figure pas dans la liste renvoie un message indiquant que l'ordre de liaison n'est pas disponible.

Le diagramme à côté du résultat trace une ligne pour chaque liaison entière, comme le fait une formule développée : une ligne pour une liaison simple, deux pour une liaison double et trois pour une liaison triple. Un ordre de liaison fractionnaire ajoute une ligne en pointillés pour la fraction restante d'une liaison ; ainsi, NO (2,5) est représenté par deux lignes continues et une ligne en pointillés.

Relation entre l'ordre de liaison, la force et la longueur de liaison

L'ordre de liaison et la longueur de liaison évoluent en sens opposés : lorsque l'ordre de liaison augmente, la longueur de liaison diminue. L'ordre de liaison et la force de liaison évoluent dans le même sens : lorsque l'ordre de liaison augmente, l'énergie nécessaire pour rompre la liaison augmente également. Les liaisons carbone-carbone illustrent clairement ce phénomène.

Le même phénomène s'observe en spectroscopie infrarouge, une technique qui identifie les liaisons grâce à la fréquence de la lumière qu'elles absorbent. Les liaisons triples vibrent à des fréquences plus élevées que les liaisons doubles, qui vibrent à des fréquences plus élevées que les liaisons simples ; les chimistes peuvent donc souvent déterminer le type de liaison présent simplement à partir de la position à laquelle un échantillon absorbe la lumière infrarouge.

Limites de l'ordre de liaison

La formule ci-dessus fonctionne bien pour les molécules covalentes simples, dans lesquelles deux atomes partagent directement des électrons. Elle s'applique moins facilement dans d'autres cas.

Les molécules présentant une résonance, comme le benzène ou l'ozone, n'obtiennent qu'un ordre de liaison moyen plutôt qu'une valeur correspondant à une structure exacte donnée. Les composés des métaux de transition font intervenir des orbitales d et d'autres effets que la formule élémentaire liants moins antiliants ne prend pas en compte ; pour ces cas, les chimistes utilisent des méthodes plus spécialisées, comme l'ordre de liaison de Mayer.

Les composés ioniques constituent un cas entièrement distinct. Le chlorure de sodium (NaCl) est maintenu par l'attraction électrique entre les ions Na⁺ et Cl⁻, et non par une paire d'électrons partagée dans une orbitale moléculaire. Un ordre de liaison fondé sur les orbitales moléculaires ne décrit donc pas strictement ce type de liaison. Certains tableaux de référence, y compris celui de ce calculateur, indiquent tout de même une valeur nominale déduite de la formule de Lewis (1 pour NaCl, 2 pour MgO), mais ce nombre n'a pas la même signification physique que pour une molécule covalente comme O₂ ou N₂.

Foire aux questions

Qu'est-ce que l'ordre de liaison en termes simples ? C'est un nombre qui indique combien de liaisons maintiennent deux atomes ensemble : 1 pour une liaison simple, 2 pour une liaison double, 3 pour une liaison triple et des fractions comme 1,5 pour les molécules présentant une résonance.

Comment l'ordre de liaison est-il calculé ? Soustraire le nombre d'électrons antiliants du nombre d'électrons liants, puis diviser par 2.

Pourquoi l'azote (N₂) a-t-il un ordre de liaison supérieur à celui de l'oxygène (O₂) ? N₂ ne possède que 2 électrons antiliants, tandis que O₂ en possède 4. Un nombre inférieur d'électrons antiliants signifie une liaison nette plus forte ; l'ordre de liaison de N₂, égal à 3, est donc supérieur à celui de O₂, égal à 2.

L'ordre de liaison peut-il être une fraction ? Oui. Les molécules qui possèdent un nombre impair d'électrons de valence ou qui présentent une résonance entre plusieurs structures ont des ordres de liaison fractionnaires, comme 2,5 pour NO ou 1,5 pour les liaisons carbone-carbone du benzène.

Un ordre de liaison supérieur signifie-t-il toujours une molécule plus stable ? Habituellement, un ordre de liaison supérieur signifie une liaison individuelle plus forte, mais la stabilité globale de la molécule dépend aussi de sa géométrie, de sa résonance et de la stabilité des produits que formerait une réaction.

L'ordre de liaison s'applique-t-il aux composés ioniques comme le sel de table ? Pas au sens strict des orbitales moléculaires. Les composés ioniques sont maintenus par l'attraction entre des ions chargés plutôt que par des paires d'électrons partagées ; la formule liants moins antiliants ne les décrit donc pas réellement, même lorsqu'une valeur nominale est indiquée par commodité.

Références

1. Mulliken, R. S. (1955). « Electronic Population Analysis on LCAO-MO Molecular Wave Functions. » The Journal of Chemical Physics, 23(10), 1833–1840.
2. Pauling, L. (1931). « The Nature of the Chemical Bond. » Journal of the American Chemical Society, 53(4), 1367–1400.
3. Atkins, P. W., et de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10e édition). Oxford University Press.
4. Housecroft, C. E., et Sharpe, A. G. (2018). Inorganic Chemistry (5e édition). Pearson.