Géométrie des molécules

Cours · physique-chimie (Tronc Commun Sciences, Maroc), chapitre 5 · Maroc, Tronc Commun Sciences · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Une molécule n'est pas un simple assemblage d'atomes posés côte à côte : c'est un édifice organisé dans l'espace, dont la forme conditionne presque toutes les propriétés de la matière. Pourquoi la molécule d'eau $H_{2} O$ est-elle coudée alors que le dioxyde de carbone $CO_{2}$ est rectiligne ? Pour le comprendre, il faut savoir comment les atomes s'unissent par des liaisons covalentes, écrire la représentation de Lewis de la molécule, puis déduire sa géométrie de la répulsion entre les doublets d'électrons. C'est tout le programme de ce chapitre.

5.1 La liaison covalente

Les atomes se lient pour acquérir une structure électronique plus stable. Le moyen le plus courant, entre atomes non métalliques, est la mise en commun d'électrons.

Définition 5.1Liaison covalente

Une liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons par deux atomes, chacun apportant en général un électron. Ces deux électrons partagés forment un doublet liant, représenté par un trait entre les deux atomes :

$H - H Cl - Cl$

Exemple 5.2La molécule de dihydrogène

Chaque atome d'hydrogène possède un seul électron. En mettant leurs deux électrons en commun, les deux atomes forment un doublet liant : la molécule $H_{2}$ apparaît, notée $H - H$ . Chaque atome « voit » alors deux électrons autour de lui.

iRemarqueLiaisons multiples

Deux atomes peuvent partager deux doublets (liaison double, notée $=$ ) ou trois doublets (liaison triple, notée $\equiv$ ). Par exemple le dioxygène $O = O$ et le diazote $N \equiv N$ .

5.2 Les règles du « duet » et de l'octet

Pourquoi les atomes mettent-ils en commun juste ce qu'il faut d'électrons ? Parce qu'ils tendent à imiter la configuration très stable des gaz nobles (hélium, néon, argon).

Propriété : Règles du duet et de l'octet

Au cours de la formation des liaisons, les atomes évoluent de façon à s'entourer du même nombre d'électrons que le gaz noble le plus proche :

règle du duet : les atomes de numéro atomique proche de l'hélium ( $H$ , ...) s'entourent de deux électrons ;
règle de l'octet : les autres atomes ( $C$ , $N$ , $O$ , ...) s'entourent de huit électrons (quatre doublets).

ImportantNombre de liaisons d'un atome

Le nombre de liaisons covalentes que forme un atome est égal au nombre d'électrons qui lui manquent pour respecter la règle :

l'hydrogène $H$ forme 1 liaison ;
l'oxygène $O$ en forme 2 ;
l'azote $N$ en forme 3 ;
le carbone $C$ en forme 4.

5.3 La représentation de Lewis d'une molécule

Définition 5.3Représentation de Lewis

La représentation de Lewis d'une molécule fait apparaître tous les doublets d'électrons des couches externes :

les doublets liants, partagés entre deux atomes, notés par un trait entre ces atomes ;
les doublets non liants, propres à un atome (non engagés dans une liaison), notés par un trait porté par cet atome.

Méthode : Établir la formule de Lewis

Déterminer le nombre d'électrons externes de chaque atome ( $H : 1$ , $C : 4$ , $N : 5$ , $O : 6$ ).
Placer l'atome central (celui qui forme le plus de liaisons) et l'entourer des autres atomes.
Former les doublets liants pour respecter le duet ( $H$ ) ou l'octet (autres atomes).
Compléter avec les doublets non liants afin que chaque atome (sauf $H$ ) soit entouré de huit électrons.

Exemple 5.4L'eau

H_{2} O

L'oxygène (6 électrons externes) forme 2 liaisons avec deux atomes $H$ : il reste sur l'oxygène 2 doublets non liants. Chaque hydrogène respecte le duet, l'oxygène l'octet.

Exemple 5.5L'ammoniac

NH_{3}

L'azote (5 électrons externes) forme 3 liaisons avec trois atomes $H$ : il porte 1 doublet non liant. L'azote est entouré de quatre doublets, soit huit électrons.

Exemple 5.6Le méthane

CH_{4}

et le dioxyde de carbone

CO_{2}

Le carbone (4 électrons externes) forme 4 liaisons : dans $CH_{4}$ , quatre liaisons simples $C - H$ , aucun doublet non liant. Dans $CO_{2}$ , deux doubles liaisons : $O = C = O$ .

5.4 La géométrie des molécules

Une fois la formule de Lewis connue, on peut prévoir la forme de la molécule autour de l'atome central.

Propriété : Principe de répulsion des doublets (VSEPR)

Les doublets d'électrons (liants et non liants) de l'atome central, tous chargés négativement, se repoussent mutuellement. Ils se disposent donc dans l'espace de manière à être le plus éloignés possible les uns des autres. Cette disposition fixe la géométrie de la molécule.

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