Pourquoi les atomes d'oxygène et d'hydrogène sont-ils associés ?

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Chaque atome est globalement neutre et stable. Il possède de base un nombre défini de charges électriques appelées électrons.

Malgré cette stabilité, un atome cherche à se lier à d’autres atomes afin d’obtenir un nombre d’électrons supérieur correspondant à un état encore plus stable. Ce nombre est fixe pour chaque type d’atome et dépend de sa structure.

 

Deux atomes qui s’associent mettent en commun une partie de leurs électrons afin d’obtenir cet équilibre.

 

L’association des deux atomes d’hydrogène et de l’atome d’oxygène se fait car, en simplifiant :

  • L’atome d’hydrogène possède un électron et cherche à s’associer avec un autre électron
  • L’atome d’oxygène possède huit électrons et cherche à s’associer avec deux autres électrons
  • La molécule d’eau ainsi formée est électriquement neutre et stable

 

Deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène s'associent pour constituer une molécule d'eau

Deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène s’assemblent en mettant en commun une partie de leurs électrons


Remarque : Les électrons sont rarement dessinés dans les schémas sauf si leur présence est nécessaire pour la compréhension. C’est pourquoi on trouve le plus souvent un schéma du type de la Figure 11 pour représenter la molécule d’eau.

Ces représentations ne sont que des conventions afin de faciliter les explications : la forme réelle de la molécule d’eau est beaucoup plus complexe et les atomes n’ont pas de couleur.

Le schéma précédent permet de comprendre comment l’association se fait entre oxygène et hydrogène, mais ne permet pas de répondre à la question suivante : pourquoi l’atome d’oxygène possède-t-il huit électrons et cherche-t-il à en avoir dix, et pourquoi celui de l’hydrogène en possède un seul et voudrait bien en avoir deux ?


Répondons tout d’abord à la première partie de la question : pourquoi un atome possède-t-il un nombre d’électron bien déterminé ?

La réponse se trouve dans la structure interne de l’atome. L’atome est lui-même composé d’éléments plus petits, les neutrons et les protons. Cet ensemble de neutrons et de protons forment le noyau de l’atome.

Chaque type d’atome possède un nombre bien déterminé de neutrons et de protons. Tous les atomes d’hydrogène possèdent un proton, et aucun neutron, et les atomes d’oxygène huit protons et huit neutrons.

Les neutrons sont électriquement neutres. Mais les protons ont une charge positive qui attire un électron qui a lui une charge électrique négative. L’atome attire donc autant d’électrons qu’il a de protons : un électron pour le seul proton de l’hydrogène, et huit électrons pour les huit protons de l’atome d’oxygène.


L'atome d'oxygène est constitué de 8 protons et 8 neutrons

Le noyau d’un atome d’oxygène est constitué de 8 neutrons et de 8 protons qui attirent 8 électrons


L'atome d'hydrogène ne possède qu'un proton et aucun neutron

Un atome d’hydrogène n’a qu’un seul proton et n’attirera qu’un seul électron


Nous savons maintenant d’où vient le nombre d’électrons spécifique à chaque type d’atome. Mais pourquoi un atome électriquement neutre (les charges des protons et des électrons s’annulent) cherche-t-il à s’associer à d’autres électrons ?

En simplifiant, on peut se représenter les électrons comme s’ordonnant sur des orbites à distance régulière du noyau. Les orbites sont plus grandes en s’éloignant du noyau, et de part sa taille, chacune peut contenir un nombre maximum d’électrons. Le nombre maximal d’électrons pour une orbite donnée est valable pour tous les types d’atomes.


Les électrons autour du noyau se trouvent sur des orbites bien définies

Les électrons autour du noyau de l’atome sur des orbites bien définies.


Les électrons d’un atome s’organisent donc sur ces orbites, en remplissant au maximum chacune d’elles en partant de celle qui est la plus proche du noyau.

La dernière orbite entamée est appelée orbite externe (ou couche de valence). C’est celle sur laquelle au moins un électron a été placé.


Pour atteindre un état de stabilité maximal, un atome va chercher à compléter son orbite externe pour atteindre le nombre maximal d’électrons autorisés sur cette orbite. Pour cela, il peut s’associer avec d’autres atomes qui recherchent la même stabilité.


Les électrons qui manquent à l'oxygène et à l'hydrogène

Les électrons qui manquent à l’oxygène et à l’hydrogène pour compléter leurs orbites externes


Dans le cas de la molécule d’eau, les électrons manquant sont mis en commun entre les atomes, comme s’ils appartenaient aux deux.

La liaison ainsi obtenue est appelée liaison covalente car elle met en commun des électrons de la couche de valence (la couche externe où se trouve des électrons de l’atome).

Et voilà le schéma complet montrant la structure de la molécule d’eau.

 

Hydrogène et oxygène s'unissent pour mettre en commun une partie de leurs électrons

Les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène s’unissent en partageant des électrons de leur orbite externe

 

Pour aller plus loin

Les protons et les neutrons sont en fait constitués d’éléments plus petits encore (les quarks) qui eux-mêmes pourraient être constitués d’éléments plus petits, que nous ne connaissons pas encore, et envisagés dans plusieurs théories.

Les orbites des électrons sont plus complexes que les orbites simplifiées telles qu’utilisées dans ce livre. Elles permettent toutefois de rendre compte de la réalité, jusqu’à un niveau de complexité ou des modèles plus complexes et plus précis sont nécessaires.


 

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