CB10: Les distances de liaisons et les angles de liaisons

La structure spatiale d’une molécule est déterminée principalement par le type des atomes dans la molécule, par leurs configurations électroniques et par les types de liaisons résultantes qu’ils peuvent manifester l’un par rapport à l’autre. Le résultat concret de ce processus de liaison est une molécule plus stable incorporée en phase solide dans une structure de réseau plus grande, si bien que les atomes ou les ions se trouvent à une distance de liaison déterminée et forment un angle de liaison déterminé les uns par rapport aux autres. Bien que les atomes, les ions et les molécules continuent à manifester toutes sortes de mouvements vibratoires les uns par rapport aux autres, même à l’état de substance solide, on peut parler de distances de liaison moyennes et d’angles de liaison moyens dans les limites desquels ces mouvement vibratoires se manifestent.

Pour un atome isolé (par exemple un atome d’hydrogène), on pourrait parler de rayons atomiques.
Il n’empêche que la valeur du rayon d’un atome isolé est très difficile à déterminer par expérience, d’une part par le fait que des atomes complètement isolés n’existent pas en réalité, et d’autre part par le fait que l’enveloppe électronique autour d’unÍnoyau atomique ne présente pas une limite externe nettement définie. On peut juste calculer dans quel domaine de l’espace une grande probabilité existe de rencontrer par exemple les électrons de valence.

Le rayon atomique d’un atome est par conséquent défini comme étant la moitié de la distance entre les noyaux atomiques de deux atomes de même type reliés l’un à l’autre. C’est ainsi que le rayon atomique de l’atome d’hydrogène représente la moitié de la distance entre deux noyaux d’hydrogène dans la molécule de H₂. Pour le fer, par exemple, on prendra la moitié de la distance entre deux noyaux de fer liés l’un à l’autre dans un réseau de fer métallique.

Pour les liaisons ioniques (par exemple NaCl) à l’état de substance solide, on peut déterminer le rayon ionique, par exemple par analyse aux rayons X, des ions dans un réseau cristallin. Le rayon ionique d’un ion positif (cation, par exemple Na¹⁺) est inférieur au rayon atomique correspondant, le rayon ionique d’un ion négatif (anion, par exemple Cl^1-) étant supérieur au rayon atomique correspondant.

Les molécules qui se trouvent à proximité l’une de l’autre exercent l’une sur l’autre des forces de liaisons encore plus faibles (voir également les illustrations CB13 et CB15). Ces forces de liaisons intermoléculaires sont considérablement plus faibles que les liaisons chimiques intramoléculaires. La distance sur laquelle ces forces de liaison intermoléculaires se manifestent peut être déterminée par expérience. On parle alors de “forces de Vanderwaals” et de “rayons de Vanderwaals” en fonction du nom de celui qui a découvert ces forces de liaisons. Le rayon de Vanderwaals d’un atome donne par conséquent une idée de la distance sur laquelle cet atome, à l’extérieur d’une molécule, peut encore exercer une force de liaison par rapport à des atomes d’une molécule voisine.

Les angles de liaisons les plus courants entre des liaisons chimiques sont: 90°, 109°, 120°, 180°. Il s’agit néanmoins d’angles de liaison pour des fragments moléculaires isolés comprenant chaque fois trois atomes. Suite à des différences de densité de charge dans une molécul| et à des différences de volume entre les atomes présents, les angles de liaison standard peuvent subir une “déformation”.

Sur l'illustration, on peut également voir une représentation “idéalisée” des longueurs de liaison et des angles de liaisons dans la molécule de l’acide éthanoïque (acide acétique).