Pourquoi l’eau est-elle une molécule polaire ?

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L’eau est une molécule polaire car elle possède deux liaisons OH polaires dont les moments dipolaires ne s’annulent pas. Ces moments dipolaires pointent vers l’oxygène et s’additionnent pour donner à la molécule un moment dipolaire net.

Cette polarité est responsable de nombreuses propriétés caractéristiques de l’eau, y compris une partie de sa réactivité chimique, ses points de fusion et d’ébullition, et sa capacité à agir comme un solvant universel pour les solutés ioniques et polaires, entre autres.

En d’autres termes, la polarité de l’eau, comme celle de toute autre molécule, est une conséquence directe de la polarité de ses liaisons, ainsi que de la géométrie moléculaire. Comprendre ces deux concepts et comment ils s’appliquent à la molécule d’eau donnera une idée plus complète de la polarité des molécules.

Qu’est-ce qu’une liaison polaire ?

Une liaison polaire est un type de liaison covalente dans laquelle l’un des deux atomes est plus électronégatif que l’autre, de sorte que la densité électronique de la liaison attire plus fortement. La conséquence en est que les électrons ne sont pas partagés également. L’atome le plus électronégatif acquiert une charge négative partielle (identifiée par δ-), tandis que l’autre acquiert une charge positive partielle (identifiée par δ+).

Les deux charges partielles sont d’amplitude égale et de signe opposé, faisant des liaisons polaires des dipôles électriques .

Que deux atomes forment ou non une liaison covalente polaire dépend de la différence entre leurs électronégativités. Si la différence est trop grande, la liaison sera ionique, mais si elle est très petite ou nulle, ce sera une liaison covalente pure. Enfin, la liaison sera covalente polaire si la différence est intermédiaire. Les limites pour chaque cas sont présentées dans le tableau suivant :

type de lien différence d’électronégativité Exemple
liaison ionique >1.7 NaCl; LiF
liaison polaire Entre 0,4 et 1,7 OH; HF ; NH
liaison covalente non polaire <0,4 CH; CI
liaison covalente pure 0 HH; oh ; FF

moment dipolaire

Les liaisons polaires sont caractérisées par le moment dipolaire. Il s’agit d’un vecteur désigné par la lettre grecque μ (mu) pointant le long de la liaison dans la direction de l’atome le plus électronégatif. L’amplitude de ce vecteur est donnée par le produit de l’amplitude de la charge séparée, qui est proportionnelle à la différence d’électronégativité, et de la distance entre les deux charges, c’est-à-dire la longueur de la liaison.

Le moment dipolaire est essentiel pour comprendre pourquoi l’eau est polaire, puisque la polarité totale d’une molécule provient de la somme vectorielle de tous ses moments dipolaires.

géométrie moléculaire

La géométrie d’une molécule indique la façon dont ses atomes sont répartis autour d’un atome central. Par exemple, dans l’eau, l’atome central est l’oxygène, donc la géométrie moléculaire indique comment les deux atomes d’hydrogène sont orientés autour de l’oxygène.

Il existe différentes manières de déterminer la géométrie moléculaire. Le plus simple passe par la théorie de la répulsion des paires d’électrons de valence, qui stipule que les paires d’électrons qui entourent l’atome central (qu’il s’agisse de paires d’électrons de liaison ou isolées) seront orientées pour être le plus loin possible les unes des autres.

Après avoir déterminé comment les électrons sont répartis autour de l’atome central, la géométrie est déterminée en regardant où pointent les liaisons (sans tenir compte des paires d’électrons isolées).

Après avoir compris ces deux notions, analysons maintenant la molécule d’eau, ses liaisons et sa géométrie :

Les liaisons OH dans l’eau sont des liaisons polaires.

Polarité de la liaison OH

L’eau a deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène. La différence d’électronégativité entre l’oxygène et l’hydrogène est de 1,24, ce qui en fait une liaison assez polaire (voir tableau ci-dessus). La figure ci-dessus illustre le moment dipolaire de cette liaison. Il convient de noter que le vecteur est souvent dessiné sur le côté du lien pour faciliter la visualisation ; cependant, il coïncide en fait avec la liaison OH, pointant du noyau d’hydrogène vers le noyau d’oxygène.

La molécule d’eau a une géométrie angulaire

Dans la molécule d’eau, l’atome d’oxygène est hybride sp 3 et est entouré de quatre paires d’électrons (les deux paires de liaisons hydrogène et les deux paires non partagées). La théorie de la répulsion des paires d’électrons de valence stipule que quatre paires d’électrons pointeront vers les extrémités d’un tétraèdre régulier. En d’autres termes, les deux atomes d’hydrogène pointeront vers deux des quatre coins d’un tétraèdre, faisant de la molécule d’eau une molécule angulaire.

Géométrie de la molécule d'eau et pourquoi elle est polaire

L’angle entre les deux liaisons devrait être un angle tétraédrique de 109,5º, mais les deux paires d’électrons solitaires repoussent plus fortement les électrons de liaison, rétrécissant légèrement l’angle. Le résultat est que les deux liaisons OH dans l’eau forment un angle de 104,45º comme le montre la figure ci-dessus.

Liaisons polaires + géométrie angulaire = molécule polaire

Il est important de reconnaître le fait que le fait d’avoir des liaisons polaires ne garantit pas qu’une molécule est polaire. En fait, le dioxyde de carbone a deux liaisons polaires, mais leurs moments dipolaires s’annulent. Pour cette raison, la molécule est non polaire.

Cela ne se produit pas avec la molécule d’eau, car elle n’est pas linéaire mais angulaire. Maintenant que nous avons une image claire des caractéristiques de la molécule d’eau, nous pouvons passer à la détermination du moment dipolaire net de la molécule. Cela se fait en dessinant les deux moments dipolaires au-dessus de la molécule, puis en effectuant l’addition vectorielle :

Pourquoi l'eau est-elle une molécule polaire ?

L’addition peut être effectuée graphiquement, en utilisant la méthode du parallélogramme, comme indiqué sur le côté droit de la figure précédente. Comme on peut le voir, les deux moments dipolaires produisent un moment dipolaire net pointant vers l’oxygène passant par le centre de la molécule.

moment polaire net de l'eau

En fin de compte, ce moment dipolaire net est la raison pour laquelle l’eau est une molécule polaire.

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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