Une molécule est constituée
d’un assemblage d’atomes. Elle est électriquement
neutre. Chaque molécule est représentée par une formule brute qui traduit sa composition. Pour écrire la formule
brute d’une molécule, on écrit côte à côte les symboles des atomes qui la
constituent, en précisant en indice, à droite du symbole, le nombre d’atomes.
Exemples : la molécule d’eau de
formule brute H2O est constitué de 2 atomes d’hydrogène et d’un
atome d’oxygène
la molécule de méthane de formule brute
CH4 est constitué d’un atome de carbone et 4 atomes d’hydrogène
Au
sein de la molécule, les atomes se lient grâce à des liaisons covalentes.
Une
liaison covalente entre deux atomes correspond à une mise en commun de deux
électrons de leurs couches externes. Ces 2 électrons forment un doublet
d’électrons appelé doublet liant.
Les deux électrons mis en commun sont localisés entre les deux atomes. La
liaison covalente se représente par un tiret entre les symboles des deux
atomes.
Exemple :
le propane de formule brute C3H8 et de formule développée ci-dessous contient
10 liaisons covalentes.
Les
gaz nobles ne forment pas de liaisons covalentes ils sont stables (inertes)
chimiquement. Ils ne forment donc pas de molécules.
Leur
structure électronique est :
Hélium
He: (K)2
Néon
Ne : (K)2(L)8
Argon
Ar: (K)2(L)8(M)8
Les
autres atomes ne sont pas stables chimiquement. Ils vont, grâce aux liaisons
covalentes, acquérir une structure stable identique à celle des gaz nobles avec
soit :
-
2 électrons sur leur couche
externe, cette règle est appelée règle du duet
-
8 électrons sur leur couche
externe, cette règle est appelée règle de l’octet.
Conclusion : dans une molécule, les atomes mettent en commun des électrons de leur
couche externe afin d’acquérir une structure stable en duet ou en octet.
Le
nombre de liaisons covalentes que peut former un atome est égal au nombre
d’électrons qui manque sur sa couche externe. En effet en effectuant une
liaison covalente, l’atome gagne un électron sur sa couche externe.
Exemples :
- L’atome d’hydrogène, (K)1,
doit acquérir un électron pour obtenir la structure stable en duet. Il pourra
former 1 liaison covalente.
- L’atome d’oxygène , (K)2 (L)6,
doit acquérir 2 électrons pour obtenir la structure stable en octet. I pourra
former 2 liaisons covalentes.
- L’atome de carbone ,
(K)2 (L)4, doit acquérir 4 électrons pour obtenir la
structure stable en octet. Il pourra former 4 liaisons covalentes.
Au
sein de la molécule on distingue 2 types de doublet d’électrons:
- le doublet
liant constitué de deux électrons mis en commun dans une liaison covalente.
- le doublet
non liant formé de deux électrons de la couche externe des atomes. Les
doublets non liant ne participent pas
aux liaisons entre atomes.
La
représentation de Lewis permet de représenter les doublets liants et non liants
d’une molécule. Les doublets liants se représentent par un trait entre les
symboles des atomes et les doublets non liants se représentent par un trait à
côté du symbole de cet atome.
Exemple : la molécule
d’ammoniaque de formule brute NH3 à pour représentation de
Lewis :
Elle
comporte 3 liaisons covalentes, donc 3 doublets liants et un doublet non liant
sur l’atome d’azote.
Chaque
atome d’hydrogène possède 2 électrons ; la règle du duet est respectée
L’atome
d’azote possède 3 doublets liants et un doublet non liant, il possède donc 8
électrons ; la règle de l’octet est respectée.
Méthode : |
Exemple |
1)
Ecrire le nom et la formule brute de la molécule. |
Dioxyde
de carbone : CO2 |
2)
Ecrire la configuration électronique de chaque atome. |
C : (K)2 (L)4 O : (K)2 (L)6 |
3)
En déduire le nombre ne d’électrons sur la couche externe des
atomes mis en jeu. |
ne (C)=4 ne (O)=6 |
4)
En déduire le nombre nl de liaisons covalentes que doit établir
l’atome pour acquérir une structure en octet ou en duet. |
nl
(C)=8-4=4 nl (O)=8-6=2 |
5) Calculer le nombre total nt
d’électrons externes de la molécule. En déduire le nombre nd de
doublets externes. |
nt
= (1x4)+(2x6)=16 nd
= 16/2=8 |
6) liants en respectant les règles du duet et de
l’octet. |
Représentation de Lewis de
la molécule CO2 |
L’enchaînement
des atomes peut être représenté par une formule développée ou semi-développée.
Les formules développées et
semi-développées proviennent de la représentation de Lewis : seuls les
doublets liants sont représentés.
Dans
une formule développée, toutes les liaisons covalentes apparaissent.
Dans une formule semi-développée,
les liaisons concernant les atomes
d’hydrogène ne sont pas représentées.
Exemples :
molécule,
formule brute |
représentation
de Lewis |
formule
développée |
formule
semi développée |
dioxyde
de carbone, CO2 |
|
|
|
propane,
C3H8 |
|
|
CH3
– CH2 – CH3 |
ammoniaque,
NH3 |
|
|
NH3 |
Les doublets d’électrons
externes (liant ou non liant) d’un même atome se repoussent les uns des autres. En effet ils sont
constitués de charges négatives et deux charges de même signe se repoussent.
La
structure adoptée par une molécule est donc celle pour laquelle les doublets
d’électrons externes de chaque atome s’écartent au maximum les uns des
autres : c’est le modèle de
Gillespie. On distingue plusieurs types de géométrie, en voici
quelques unes :
type de géométrie |
Molécule |
Angle |
Doublets liants |
Doublets non liants |
Représentation spatiale |
tétraédrique |
méthane
CH4
|
HCH
= 109° |
4 |
0 |
??? |
Pyramidale |
ammoniaque NH3 |
HNH
= 107° |
3 |
1 |
???? |
Coudée (plane) |
eau H2O |
HOH
= 105° |
2 |
2 |
??? |
Linéaire |
dioxyde
de carbone CO2 |
|
4 |
4 |
????? |
Deux molécules sont isomères
lorsqu’elles ont la même formule brute mais des enchaînements d’atomes
différents. Elles portent des noms différents et ont des propriétés physiques
et chimiques différentes.
Exemples :
2 isomères correspondent à la formule brute C4H10
- le butane
formule semi développée : CH3 – CH2 – CH2 –
CH3
- le méthylpropane
formule semi développée
Considérons une molécule de formule semi développée CHA=CHB. A et B sont deux groupements d’atomes. Entre les 2 atomes de carbone il ya une double liaison. Cette double liaison empêche toute libre rotation atour de la liaison C=C. IL existe donc 2 possibilités de représentation spatiale pour cette formule semi développée :
On observe soit :
-
2
groupements A et B du même coté de la double liaison, il s’agit alors de l’isomère Z (de zusammer, ensemble en
allemand)
-
2
groupements de part et d’autre de la double liaison, il s’agit alors de l’isomère E (de entgegen ,opposés en
allemand).
Ces 2 molécules ont même formule
brute mais des enchainements d’atomes différents : ce sont des isomères de
type Z/E.
Exemple : le (E) butan-2-ène et le (Z)
butan-2-ène sont deux isomère Z/E de formules semi développée
respectives :
En apportant de l’énergie lumineuse à un isomère Z la
double liaison peut se rompre. On transforme alors l’isomère Z en isomère E.
Cette réaction est appelée photo-isomérisation.
L’isomérisation photochimique est à l’origine du
processus de la vision.