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La géométrie moléculaire

Par Yann le 15/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Structure de la matière > La Géométrie des Molécules

Comment déterminer la géométrie d’une molécule

Les représentations comme la formule brute, la formule développée ou la représentation de Lewis permettent de rendre compte de la composition d’une molécule, de l’enchaînement des atomes et de la présence des doublets non liants, mais elles ne fournissent pas d’informations sur la répartition spatiales des atomes dans une molécule.

En effet, dans la représentation de Lewis, on fait apparaître les doublets non liants.

Dans la représentation développée, ces doublets n’apparaissent plus. Enfin, dans la représentation semi-développée, les liaison entre les hydrogènes et les carbones ne sont plus représentées. Pour bien visualiser la forme en trois dimensions d’une molécule, on utilise des règles simples. 

La géométrie d’une molécule dépend de l’orientation des liaisons par rapport aux atomes . Les doublets liants et non liants sont donc responsables de la géométrie d’une molécule.

En effet, ces doublets sont constitués d’électrons chargés négativement qui ont tendance à se repousser, ainsi ils vont s’orienter pour pour s’éloigner au maximum. 

A retenir : une molécule adopte  la géométrie qui lui confère la plus grande stabilité en éloignant le plus possible, les uns des autres, les doublets liants et non liant.

La représentation de Cram

Avant d’étudier la géométrie des molécule, il faut utiliser des règles d’écriture bien précises. La représentation de Cram a été introduite par le chimiste Donald James Cram en 1953.

Pour indiquer la répartition spatiale des atomes dans une molécule on peut utiliser la représentation de Cram qui utilise les conventions suivantes :

  • Le plan dans lequel on étudie la molécule est le même que le plan de la feuille sur laquelle on travaille,
  • On utilise un trait plein pour représenter un atome situé dans le plan,
  • On utilise un triangle ou un trait plein épais pour représenter un atome se trouvant en avant du plan,
  • On utilise un trait en pointillé ou un triangle hachuré pour représenter un atome sur trouvant en arrière du plan.

Ces représentations sont résumées dans le tableau suivant :

Un trait plein correspond à une liaison dans le plan de représentationUn triangle en contours pleins correspond à une liaison qui pointe vers l’avant du plan de représentationUn triangle hachuré représente une liaison qui pointe vers l’arrière du plan de représentation
liaison dans le plan de représentation - cramliaison pointant en avant - cramliaison pointant en arrière - cram

La représentation de Cram permet de représenter les molécules et leurs liaisons. L’avantage de cette représentation est qu’elle permet de mettre en perspective la molécule étudiée.

Pour aller plus loin : il existe d’autres types de représentations comme par exemple la représentation de Fisher ou la représentation de Haworth qui sont utilisées pour étudier les molécules cycliques comme les glucides, ou la représentation de Newman qui est une projection.

Géométrie de molécules simples

Si l’on applique le principe d’éloignement maximum alors on peut prévoir la géométrie d’une molécule simple constituée d’un atome central respectant la règle de l’octet.

Un tel atome comporte au total 8 électrons sur sa couche externe et il est donc entouré de 4 doublets (liants et non liants). L’éloignement maximal aboutit à une géométrie où les doublets forment un tétraèdre.

Géométrie des molécules : le méthane

Le méthane à pour formule CH4. Le carbone central est entouré de 4 doublets liant qui donnent effectivement à la molécule une forme tétraèdrique.

Répartition des doublets autour  du carboneGéométrie de la molécule de méthane
Représentation de cram du methane avec doublet non lianReprésentation de cram du methane avec doublet non lian

Géométrie des molécules : l’ammoniac

L’ammoniac a pour formule NH3. L’azote central est entouré de 3 doublets liants et d’un doublet non liant. Le tétraèdre formée par tous les doublets n’est donc pas complet puisque l’un d’entre eux n’est lié a aucun atome. L’azote et les hydrogènes auxquels il est lié s’inscrivent donc dans une forme pyramidale.

Répartition des doublets autour  de l’azoteGéométrie de la molécule d’ammoniac
Représentation de Cram de l'ammoniac avec les doublet non liantGeométrie de l'ammoniac avec la représentation de Cram

Géométrie des molécules : l’eau

L’eau a pour formule H2O.  L’oxygène central est entouré de 2 doublets liants et de 2 doublets non liants.

Le tétraèdre formée par tous les doublets n’est donc pas complet puisque deux d’entre eux ne sont liés a aucun atome.

L’oxygène et les deux hydrogènes auxquels il est lié s’inscrivent donc dans une forme en « V », on aussi de forme coudée.

Répartition des doublets autour  de l’oxygèneGéométrie de la molécule d’eau
Cram eau avec doublet non liantGéométrie molécule d'eau

Géométrie des molécules : la méthode VSEPR

La méthode VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) a été inventée par le chimiste R.J Gillespie en 1957. Cette méthode permet de visualiser la forme d’une molécule dans l’espace.

Cette méthode est aussi appelée théorie de Gillepsie.

Il s’agit d’une méthode de représentation des molécules basée sur la théorie de la répulsion des électrons de la couche de valence : les paires d’électrons liantes et libres se repoussent mutuellement.

Cette représentation permet de visualiser la représentation de Lewis dans l’espace et permet de compléter la représentation de CRAM.

La méthode VSEPR permet également de pouvoir étudier la réactivité des molécules et prévoir l’existence de moments dipolaires électrostatiques (comme par exemple les forces de Van Der Waals).

Les molécules peuvent être ainsi décrites grâce à ce système :

AXmEn

  • A : représente l’atome central
  • X : représente les paires d’électrons liantes
  • E : représente les paires d’électrons libres

Les nombres m et n représentent respectivement les nombres de doublets liants et de doublets non liants.

  • Molécules possédant deux doublets : AX2E

Cas des molécules AX2E : les molécules AX2E possèdent deux paires d’électrons liants. Les deux paires sont opposées au maximum et la molécule est linéaire (180°).

Un exemple de ce type de molécules est le dioxyde de carbone (CO2).

  • Molécules possédant trois doublets : AX3, AX2E, AXE2

Cas des molécules AX3 : dans ce cas, les doublets électroniques se repoussent pour former un triangle équilatéral parfait dont les angles sont égaux à 120°.

La molécule SO2 est un exemple de molécule dont la configuration dans l’espace forme un triangle équilatéral.

  • Molécules possédant quatre doublets : AX4, AX3E, AX2E2, AXE3

Cas des molécules AX4 : les molécules possédant quatre doublets ont une géométrie en forme de tétraèdre. Les angles formés par les molécules sont de 109°.

Les molécules possédant ce type de géométrie sont par exemple le méthane (CH4).

  • Molécules possédant cinq doublets : AX5, AX4E, AX3E2, AX2E3, AXE4

Cas des molécules AX5 :quand les molécules possèdent 5 doubles, les atomes se placent dans une configuration de bipyramide trigonale. Ce type de molécules possèdent des angles de 90° et des angles de 120°.

La molécule PCl5 répond à ce type d’agencement spatial.

  • Molécules possédant six doublets : AX6 AX5E, AX4E2, AX3E3, AX2E4, AXE5

Cas des molécules AX6 : les molécules avec six doublets possèdent une géométrie de bipyramide à base carrée (octaèdre) avec des angles de 90°. La molécule SF6 est une molécule présentant une géométrie octaédrique.

Tableau récapitulatif :

DescriptionFormeExemple de molécule
AX2LinéaireCO2
AX3triangulaire plane ou trigonaleBCl3
AX4TétraèdreCH4
AX5Bipyramide trigonalePF5
AX6OctaèdreSF6

Note : l’existence des doublets non liants peut modifier les angles.

Exemple de géométrie d’une molécule connue : le dioxyde de carbone

La molécule d’eau est composée d’un atome de carbone (Z=6) et de deux atomes d’oxygène (Z=8).

L’atome d’oxygène possède 8 électrons, dont 6 se répartissent sur la couche externe, l’atome d’oxygène possède deux doublets non liants et deux électrons célibataires.

L’atome de carbone (Z=6) possède 4 électrons célibataires et peut donc contracter 4 liaisons.

Afin de satisfaire à la règle de l’octet, le carbone est lié aux deux atomes d’oxygène par l’intermédiaire de deux doublets liaisons.

  • L’atome central A est représenté par le carbone
  • Le carbone engage deux liaisons doubles avec deux atomes d’oxygène, m = 2
  • L’atome central de carbone ne possède pas de doublets non liants, n =0
  • La géométrie de la molécule d’eau est de type AX2 et la molécule est linéaire.

Exemple du méthane

Le méthane (ou gaz naturel) est composé d’un atome central de carbone (Z=6) entouré de 4 atomes d’hydrogène (Z=1).

Le carbone possède 4 électrons célibataires qui lui permettent de former 4 liaisons avec 4 hydrogènes. Les hydrogènes, quant à eux, possèdent un électron célibataire, et peuvent former une liaison.

Selon la théorie de Gillepsie, on a donc :

  • Un atome central A représenté par le carbone
  • Le carbone engage 4 liaisons avec 4 atomes d’hydrogène donc m = 4
  • Le carbone ne possède pas de doubles non liants, n = 0
  • La géométrie de la molécule de méthane est de type AX4 et la molécule est un tétraèdre avec des angles de 109°.

Exemple de l’ammoniac

L’ammoniac est une molécule formée d’un atome d’azote (Z = 7) et de trois atomes d’hydrogène (Z=1). L’azote possède 3 électrons célibataires et peut former 3 liaisons et possède également un doublet non liant. Les hydrogènes peuvent former une liaison chacun.

Ainsi :

  • L’atome central A est l’atome d’azote
  • L’azote engage 3 liaisons avec les 3 atomes d’hydrogène donc m = 3
  • L’azote possède un doublet non liant, alors n=1
  • La géométrie du méthane est de type AX3E, les atomes d’hydrogène forment une base pyramidale et l’atome d’azote se trouve au sommet de cette pyramide.

Exemple de l’eau

L’eau est formée d’un atome d’oxygène (Z=8) et de deux atomes d’hydrogène (Z=1). L’atome d’oxygène possède deux électrons célibataires et peut former 2 liaisons, il possède deux doublets non liants.

Les hydrogènes peuvent former une liaison chacun.

  • L’atome A est l’atome d’oxygène
  • L’oxygène engage 2 liaisons avec 2 atomes d’hydrogène donc m =2
  • L’oxygène possède 2 doublets non liants donc n=2
  • La géométrie de l’eau est de type AX2E2 et devrait être de type tétraédrique mais les angles sont plutôt de 104°, cela est expliqué par l’existence des doublets non liants génèrent des répulsions plus fortes.

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Anonymous432514
Invité

REally Good les gars bien ouéj les potos, ca aide de ouf