Valence et structure des cristaux ioniques
Historiquement, le concept de valence est un outil fondamental pour l'étude des interactions chimiques des éléments. Appliquée aux structures cristallines de type charpente ou ionique, la valence décrit la capacité fondamentale des atomes à former un nombre déterminé de liaisons.
Cependant, pour une compréhension complète et approfondie de l'architecture des solides, ce seul terme s'avère insuffisant. La valence classique fonctionne parfaitement lorsque l'on observe le tableau périodique des éléments chimiques et que l'on évalue le potentiel d'interaction des composants. Mais lorsqu'une substance forme une structure tridimensionnelle complexe, des nuances apparaissent, nécessitant l'introduction de caractéristiques supplémentaires pour décrire la réalité de l'environnement atomique et des contacts interatomiques.
États d'agrégation illustrés par le chlorure de sodium
Pour bien comprendre les limites de la valence classique, il est utile d'examiner le comportement du chlorure de sodium (formule $NaCl$). Si nous nous référons au tableau périodique, nous constatons que le sodium ($Na$) et le chlore ($Cl$) sont tous deux des éléments monovalents (leur valence est égale à I). Du point de vue des règles traditionnelles d'écriture des formules chimiques, l'écriture $NaCl$ est absolument correcte et satisfait pleinement au concept de valence : un atome de sodium est potentiellement lié à un atome de chlore.
Cependant, l'organisation spatiale de ce composé change radicalement en fonction de son état d'agrégation :
- Phase gazeuse. Si nous amenons le chlorure de sodium à l'état gazeux, nous observons effectivement la substance sous forme de molécules individuelles et isolées, où le principe « un pour un » est respecté.
- Phase solide. La situation change radicalement lors du passage de la substance à l'état solide. Dans la phase solide, le chlorure de sodium ne se compose plus de molécules isolées. Au lieu de cela, les atomes s'organisent en une vaste structure cristalline : un réseau ionique. Dans ce réseau, le concept de liaison simple et isolée cesse de refléter la situation réelle dans l'espace.
Définition du nombre de coordination
C'est précisément pour caractériser le nombre réel et effectif de liaisons dans les structures complexes que le concept de nombre de coordination (abrégé en NC) a été introduit en chimie.
Le nombre de coordination est le nombre exact d'atomes qui constituent l'environnement le plus proche d'un atome donné dans une molécule ou une structure cristalline. La condition essentielle est que ces atomes environnants doivent former des liaisons chimiques avec l'atome central.
Ce paramètre permet au chercheur de comprendre la compacité de l'empilement atomique et le nombre de voisins réels maintenus par chaque élément du réseau. Il ne s'agit plus seulement d'une aptitude théorique à former une liaison, mais de la constatation d'un fait physique dans une architecture moléculaire ou cristalline donnée.
Distinction des concepts : valence et nombre de coordination
Pour bien distinguer la valence théorique du nombre de coordination pratique, il est utile d'analyser la structure du chlorure de fer ($FeCl_3$).
Du point de vue de la valence, l'analyse est la suivante : l'atome central de fer ($Fe$) est lié à trois atomes de chlore. Les atomes de chlore dans ce composé étant monovalents, nous en déduisons logiquement que le fer se trouve dans un état trivalent.
Cependant, si l'on examine cette substance à l'état solide et que l'on étudie le schéma de sa structure cristalline, le tableau change. Dans le réseau cristallin, le nombre réel de voisins de l'atome de fer est différent. Le nombre de coordination du fer dans cet état solide est égal à 6.
Cela signifie que dans l'espace tridimensionnel réel du cristal solide, l'atome de fer est directement entouré de six atomes avec lesquels il forme des liaisons chimiques, bien que sa valence classique reste égale à trois. Cet exemple illustre pourquoi, pour une description précise des structures à l'état solide, il est nécessaire d'utiliser les deux termes en comprenant la différence entre le potentiel chimique d'un élément et son environnement réel.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quel est le nombre de coordination du sodium dans le réseau cristallin du chlorure de sodium ?
Dans le réseau cristallin du chlorure de sodium, le sodium monovalent est entouré de six atomes de chlore. Par conséquent, le nombre de coordination du sodium à l'état solide est égal à six.
Comment détermine-t-on le nombre de coordination de l'atome central dans les complexes de coordination ?
Le nombre de coordination de l'atome central dans les composés complexes est défini comme le nombre d'atomes ou de groupements, c'est-à-dire de ligands, directement liés à l'atome central dans l'unité structurelle de la substance.
Quel est le nombre de coordination de l'ion fer (Fe2+) dans l'hème de l'hémoglobine ?
Dans l'hème de l'hémoglobine, l'ion fer est à l'état réduit avec un degré d'oxydation de plus deux, et son nombre de coordination est de six.
Pour retenir la différence : « La valence relève de la théorie sur papier (selon le tableau périodique), tandis que le nombre de coordination est la dure réalité (le nombre effectif de voisins qui entourent l'atome dans le réseau cristallin solide) ». En théorie, le fer dans $FeCl_3$ a une valence de III, mais en pratique, dans le cristal, il possède 6 voisins réels (NC = 6).
Questions des cours et des examens
Qu'est-ce que le nombre de coordination en termes simples ?
Il s'agit du nombre réel d'atomes voisins qui entourent étroitement un atome choisi dans un cristal ou une molécule et forment des liaisons chimiques avec lui.
Pourquoi a-t-on besoin du nombre de coordination s'il existe déjà la valence ?
La valence indique la capacité d'un atome à former des liaisons selon le tableau périodique. Le nombre de coordination indique quant à lui le nombre effectif de liaisons dans la structure réelle de la substance.
Les molécules individuelles subsistent-elles dans la phase solide du chlorure de sodium ?
Non. Alors qu'à l'état gazeux, le $NaCl$ existe sous forme de molécules isolées, à l'état solide, il forme un réseau cristallin ionique unifié dans lequel les molécules isolées n'existent pas.
À étudier également sur le sujet
- Structure des réseaux cristallins ioniques et de type charpente
- Particularités du comportement des substances en phase gazeuse et solide
- Algorithme de détermination de la valence des éléments à l'aide du tableau périodique
- Analyse des schémas de structures cristallines à l'exemple du chlorure de fer
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