Dans ce cours, tu apprends à déterminer la forme spatiale de molécules simples comme H₂O, NH₃ et CH₄. La géométrie moléculaire permet d’expliquer les propriétés physiques et chimiques des substances.
Les règles du duet et de l’octet
L’hélium He, le néon Ne et l’argon Ar existent à l’état d’atomes isolés dans la nature. Ces gaz ne réagissent pas avec d’autres éléments, on les appelle gaz nobles ou gaz rares. Leur stabilité chimique provient de leur structure électronique particulière.
L’hélium possède 2 électrons sur sa couche K, sa couche externe est saturée. Le néon possède 8 électrons sur sa couche L, sa couche externe est saturée. L’argon possède 8 électrons sur sa couche M, sa couche externe est aussi saturée.
De cette observation découlent deux règles fondamentales. La règle du duet stipule que les atomes proches de l’hélium tendent à s’entourer de 2 électrons sur leur couche externe pour atteindre la stabilité. La règle de l’octet indique que les autres atomes tendent à s’entourer de 8 électrons sur leur couche externe pour devenir stables.
Formation des molécules
Une molécule est un assemblage d’atomes reliés entre eux par des liaisons chimiques appelées liaisons covalentes. La molécule est électriquement neutre et stable du point de vue énergétique.
Dans une liaison covalente, chaque atome met en commun un ou plusieurs électrons de sa couche externe. Cette mise en commun permet aux atomes d’acquérir la configuration électronique stable d’un gaz rare.
Un doublet liant est constitué de deux électrons partagés entre deux atomes. Un doublet non liant appartient à un seul atome et ne participe pas à la liaison.
Représentation de Lewis
La représentation de Lewis permet de visualiser les doublets d’électrons autour d’un atome ou d’une molécule. Tu places les doublets liants entre les atomes et les doublets non liants autour des atomes qui les possèdent.
Pour construire la représentation de Lewis d’une molécule, commence par identifier l’atome central. C’est généralement l’atome le moins électronégatif, souvent le carbone dans les molécules organiques. Calcule ensuite le nombre total d’électrons de valence. Répartis ces électrons en doublets liants d’abord, puis en doublets non liants.
Vérifie que chaque atome respecte la règle du duet pour l’hydrogène ou la règle de l’octet pour les autres éléments.
Géométrie des molécules
La forme d’une molécule dans l’espace dépend de la répulsion entre les doublets électroniques. Les doublets liants et non liants se repoussent mutuellement car ils portent des charges négatives. Ils s’orientent de manière à être le plus éloignés les uns des autres.
Cette théorie, appelée VSEPR, permet de prédire la géométrie moléculaire à partir du nombre de doublets autour de l’atome central.
Le méthane CH₄ possède 4 doublets liants autour du carbone. Ces doublets se repoussent et prennent une disposition tétraédrique avec des angles de 109,5°. La molécule est tétraédrique.
L’ammoniac NH₃ possède 3 doublets liants et 1 doublet non liant autour de l’azote. Les 4 domaines électroniques forment un tétraèdre, mais la molécule a une forme pyramidale. Le doublet non liant repousse davantage les liaisons N-H.
L’eau H₂O possède 2 doublets liants et 2 doublets non liants autour de l’oxygène. Les 4 domaines forment un tétraèdre, mais la molécule est coudée avec un angle H-O-H d’environ 104,5°.
Tableau récapitulatif
| Molécule | Doublets liants | Doublets non liants | Géométrie | Polarité |
|---|---|---|---|---|
| CH₄ | 4 | 0 | Tétraédrique | Apolaire |
| NH₃ | 3 | 1 | Pyramidale | Polaire |
| H₂O | 2 | 2 | Coudée | Polaire |
| CO₂ | 2 × 2 | 0 | Linéaire | Apolaire |
Lien entre géométrie et polarité
Une molécule est polaire si le centre des charges positives ne coïncide pas avec le centre des charges négatives. La géométrie influence directement cette propriété.
L’eau a une forme coudée. Les liaisons O-H sont polarisées vers l’oxygène. La dissymétrie de la molécule entraîne une polarité globale, ce qui explique ses propriétés de solvant universel.
Le dioxyde de carbone CO₂ est linéaire. Les deux liaisons C=O sont polarisées mais de façon symétrique. Les moments dipolaires s’annulent, la molécule est apolaire malgré la polarité des liaisons.
Méthode pour déterminer la géométrie
Pour trouver la forme d’une molécule, suis ces étapes dans l’ordre. Identifie l’atome central de la molécule. Compte les doublets liants correspondant aux liaisons avec les autres atomes. Ajoute les doublets non liants pour respecter les règles du duet et de l’octet. Le total des domaines électroniques détermine la géométrie de base.
Avec 2 domaines, la géométrie est linéaire. Avec 3 domaines, la base est triangulaire plane. Avec 4 domaines, la base est tétraédrique. La présence de doublets non liants modifie ensuite la forme finale de la molécule.
Points essentiels à retenir
- Les gaz nobles sont stables car leur couche externe est saturée à 2 ou 8 électrons.
- Les atomes forment des liaisons pour atteindre cette configuration stable.
- La représentation de Lewis montre les doublets liants et non liants.
- Les doublets se repoussent et déterminent la géométrie moléculaire.
- La polarité dépend de la géométrie et de la nature des liaisons.
Liens internes
- Série d’exercices sur la géométrie moléculaire
- Le mouvement – Tronc Commun
- Le principe d’inertie – Tronc Commun
