Décrivant la matière au niveau macroscopique par des espèces chimiques aux propriétés physiques et chimiques caractéristiques, le chimiste la modélise au niveau microscopique par des entités chimiques dont la structure électronique permet de rendre compte et de prévoir diverses propriétés.

Comment devenir ingénieur chimiste ?
Nous vous expliquerons ici une partie du programme et ses notions associées.

L’étude proposée dans cette partie du programme est centrée sur la classification périodique des éléments, outil essentiel du chimiste, dans l’objectif de développer les compétences relatives à son utilisation : extraction des informations qu’elle contient, prévision de la réactivité des corps simples, prévision de la nature des liaisons chimiques dans les corps composés, etc.

En première année, on se limite aux principales caractéristiques de la liaison chimique, à l’exclusion de modèles plus élaborés comme la théorie des orbitales moléculaires qui sera étudiée en seconde année. Depuis le collège et tout au long du lycée, les élèves ont construit successivement différents modèles pour décrire la constitution des atomes, des ions et des molécules.

L’objectif de cette partie est de continuer à affiner les modèles de description des diverses entités chimiques isolées pour rendre compte des propriétés au niveau microscopique (longueur de liaison, polarité,...) ou macroscopique (solubilité, température de changement d’état,...).

Les connaissances déjà acquises sont réactivées et complétées :

  • Dans le cadre du modèle de Lewis, deux nouveautés sont introduites : les extensions de la règle de l’octet et le concept de délocalisation électronique, à travers le modèle de la mésomérie. Dans ce dernier cas, les compétences sont d’une part de repérer les situations où l’écriture de formules mésomères est nécessaire et, d’autre part, d’interpréter les propriétés des molécules à électrons délocalisés ;
  • L’électronégativité, introduite en classe de première, est abordée en s’appuyant sur une approche expérimentale : réactions d’oxydo-réduction, propriétés de corps composés en lien avec la nature de la liaison chimique. Elle est prolongée par la présentation de l’existence d’échelles numériques, notamment celle de Pauling, mais la connaissance de leurs définitions n’est pas exigible ;
  • La polarité des molécules a été abordée et utilisée dès la classe de première S, mais pas l’aspect vectoriel du moment dipolaire, qui est souligné ici. Aucune compétence sur l’addition de vecteurs non coplanaires n’est exigible ;
  • La description des forces intermoléculaires est complétée pour développer les capacités d’interprétation ou de prévision de certaines propriétés physiques ou chimiques (température de changement d’état, miscibilité, solubilité) prenant en considération l’existence de telles forces. La notion de liaison hydrogène intramoléculaire est également introduite. À travers les contenus et les capacités exigibles, sont développées des compétences qui pourront être, par la suite, valorisées, consolidées ou réinvesties, parmi lesquelles : utiliser la classification périodique des éléments pour déterminer, justifier ou comparer des propriétés (oxydo-réduction, solubilité, aptitude à la complexation, polarité, polarisabilité,...) ;
  • Pratiquer un raisonnement qualitatif rigoureux ;
  • S’approprier les outils de description des entités chimiques (liaison covalente, notion de nuage électronique...) et leur complémentarité dans la description des interactions intermoléculaires ;
  • Appréhender la notion de solvant, au niveau microscopique à travers les interactions intermoléculaires et au niveau macroscopique par leur utilisation au laboratoire, dans industrie et dans la vie courante.

Atomes et notions associées

Comment nommer une molécule ?
L'atome est la base de la matière

Les molécules sont constituées à partir d'atomes. L'atome est la plus petite particule de matière.

Les atomes de même type portent le même nom et sont représentés par le même symbole.

Ce symbole peut-être :

  • Une majuscule ( ex: C, O, ...)
  • Une majuscule et une minuscule ( ex: Ca, Mg, ...).

Quelques exemples

  • Hydrogène : H
  • Oxygène :O
  • Carbone : C
  • Azote : N

Description d'un atome

L'atome est électriquement neutre. Il est composé d'un noyau, et d'électrons.

Le noyau est composé de nucléons représenté par un A, qui eux mêmes sont composés de neutrons N et de protons Z, ainsi A=N+Z .

Un noyau est représenté par avec X qui est le symbole de l'élément chimique de numéro atomique Z ( classé dans le tableau de classification périodique des éléments chimiques ).

Z correspond aussi au nombre d'électrons. ( il y a un nombre égal de protons et d'électrons pour que le noyau soit de charge neutres )

La masse d'un atome

La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.

On dit que la masse d'un atome est concentrée dans son noyau

La charge électrique d'un atome

C'est la somme de la charge électrique + des particules du noyau et celle – des électrons.

Cette somme est nulle : On dit que l'atome est électriquement neutre.

Les charges électriques étant les même, il y a autant d'électrons qui gravitent autour du noyau que de particules le constituant.

Exemple : L'atome de fer a 26 électrons et 26 particules + dans son noyau.

La taille d'un atome

Elle est infiniment petite.

Le diamètre d'un atome vaut en moyenne 10-1 nm ( 1 nm = 10 -9 m ).

Le diamètre du noyau vaut en moyenne 10-6 nm.

Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome.

Entre les électrons et le noyau, il n'y a que du vide... Beaucoup de vide !

On parle de la structure lacunaire de l'atome.

Vous cherchez un prof de physique chimie ?

Les liaisons d'un atome

Qu'est-ce-qu'une molécule ?
Lorsque des atomes se lient entre eux, ils forment une molécule. Par exemple, l'eau correspond à la liaison entre un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.

Dans un solide moléculaire les atomes sont liés par des liaisons covalentes : les deux atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour créer un doublet liant.

Quand les deux atomes sont identiques, la paire d’électron qui relie les deux atomes est répartie équitablement entre les deux atomes. On dit alors que la molécule est apolaire.

Quand deux atomes qui mettent leurs électrons en jeu sont différents et qu’il existe une différence d’électronégativité significative entre ces deux atomes, la liaison est dire polarisée et on appelle ce type de molécule, molécule polaire.

Une liaison covalente est dite polarisée si les deux atomes qui sont liés ont des électronégativités très différentes. En effet, dans ce cas, un des deux atomes aura tendance à attirer les électrons, ce qui a pour effet de polariser la liaison. Plus la différence d’électronégativité est grande et plus la polarisation de la liaison sera importante. Il se forme ainsi une sorte de dipôle électrique.
Le décalage des électrons conduit à noter une charge partielle négative δ– sur l’atome le plus électronégatif et une charge partielle positive δ+ sur le moins électronégatif

La stabilité des structures électroniques est aussi impactée par l'électronégativité.

L’électronégativité d'un élément est sa capacité à attirer les électrons lors de la création de liaisons chimiques avec d'autres éléments

On peut trouver l'électronégativité d'un élément grâce à sa position dans le tableau périodique des éléments.
En effet il existe un lien entre la période et l'électronégativité.

Par exemple, en lisant le tableau de gauche à droite, sur une période, l'électronégativité augmente. Il en va de même si on lit le tableau de bas en haut par colonne.

La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.

Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

Besoin d'un professeur physique ?

La structure d'un atome

Composition du noyau

Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de masse d'un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.

Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

L'Électronégativité d'un atome

Dans le domaine de la chimie, on décrit l'électronégativité comme étant une grandeur physique caractérisant la capacité d'un atome à attirer un ou plusieurs électrons lors de la formation d'une liaison chimique avec une autre espèce.

Selon leur configuration électronique, certains atomes capteront les électrons facilement alors que d'autres n'y arriveront pas. Par exemple, l'atome de fluor a pour configuration k2l7, il gagnera facilement un électron pour saturer la couche l.

La facilité des atomes à capter un électron s'appelle l'électronégativité. Dans le tableau périodique, les atomes les plus électronégatifs se trouvent en haut à droite.

Les meilleurs professeurs de Physique - Chimie disponibles
1er cours offert !
Greg
5
5 (100 avis)
Greg
110€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (79 avis)
Anis
70€
/h
1er cours offert !
Houssem
5
5 (106 avis)
Houssem
50€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (87 avis)
Grégory
110€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (79 avis)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (44 avis)
Pierre-thomas
60€
/h
1er cours offert !
Marie
4,9
4,9 (33 avis)
Marie
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (74 avis)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert !
Greg
5
5 (100 avis)
Greg
110€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (79 avis)
Anis
70€
/h
1er cours offert !
Houssem
5
5 (106 avis)
Houssem
50€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (87 avis)
Grégory
110€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (79 avis)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (44 avis)
Pierre-thomas
60€
/h
1er cours offert !
Marie
4,9
4,9 (33 avis)
Marie
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (74 avis)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert>

Représenter une molécule

La représentation de Lewis d'une molécule fait apparaître tous les atomes de la molécule ainsi que tous les doublets liants et non liants le cas échéant.

Dans la représentation de Lewis, la règle du "duet" doit être satisfaite pour chaque atome d'hydrogène et la règle de "l'octet" doit être satisfaite pour tous les autres atomes.

Les doublets liants ont été définis précédemment comme les doublets mis en commun entre deux atomes. Ce sont eux qui assurent les liaisons entre les atomes.

Les doublets non liants sont les paires d'électrons qui ne servent pas de liaisons entre deux atomes.

Établir une représentation de Lewis d'une molécule

  • Déterminer le nombre d'électrons périphériques apportés par chaque atome de la molécule.
  • Déterminer le nombre total n d'électrons périphériques de la molécule.
  • En déduire le nombre de doublets (liants et non liants) à répartir dans la molécule. Pour cela il suffit de diviser n par 2.
  • Déterminer le nombre de liaisons qu'établit chaque atomes de la molécule (voir 1.2). Cette opération donne le nombre de doublets liants.
  • En déduire le nombre de doublets non liants et les répartir autour des atomes en respectant la règle de l'octet.
  • Les doublets liants sont représentés par un tiret rouge et les doublets non liants sont représentés par un tiret bleu.

Exemple : on veut représenter le modèle de Lewis de la molécule de chlorure d'hydrogène HCl. (H: Z=1; Cl: Z=17.)

  • H: 1 électron périphérique. Cl : 7 électrons périphériques.
  • n=1+7 ou n=8
  • Le nombre de doublets est alors 4
  • H établit 1 liaison covalente et Cl établit 1 liaison covalente. Ce qui correspond à un doublet liant mis en commun entre ces deux atomes.
  • Il reste donc 3 doublets non liants qui seront répartis autour de l'atome de chlore de façon à respecter la règle de l'octet. Le respect de la règle du duet est assuré pour l'atome d'hydrogène par la présence du doublet liant.

Molécules et représentation en perspective de Cram

Certaines molécules à géométrie spatiale (3 dimensions) sont difficiles à représenter dans le plan de la feuille (2 dimensions). On utilise alors un mode de représentation dit représentation de Cram dont les conventions sont les suivantes :

  • Les liaisons situées dans le plan de la feuille sont dessinées en traits pleins.
  • Les liaisons situées en avant du plan de la feuille sont dessinées en traits épaissis.
  • Les liaisons en arrière du plan de la feuille sont dessinées en pointillés.

Les conventions et deux exemples sont représentés ci-contre (1) conventions, (2) méthane, (3) ammoniac).

Molécule et géométrie : La théorie VSEPR

La théorie VSEPR , signifiant en Anglais Valence Shell Electron Pair Repulsion, encore noté RPECV en Français, signifie « répulsion des paires électroniques de la couche de valence ». Cette théorie correspond à une méthode destinée à prédire la géométrie des molécules. Cela est possible en se basant sur la théorie de la répulsion des électrons de la couche de valence, également connue sous le nom de « théorie de Gillespie »

Prérequis et supposition

Exemple : avec une formule VSEPR, c'est à dire Valence Shell Electron Pair Repulsion, en AX5, le pentachlorure de potassium, de formule PCl5, possède une structure en bipyramide trigonale. Cela signifie qu'il possède deux types de chlore dont :

  • Trois atomes de chlore équatoriaux, c'est à dire à 120° les uns des autres
  • Et deux atomes de chlore apicaux.

Labilité de la structure

Une fois que l'on est sûr que la molécule est la bonne, il peut être intéressant d'avoir recourt à une formule VSEPR, c'est à dire Valence Shell Electron Pair Repulsion, afin de décrire la structure de la molécule.

En effet, en prenant l'exemple d'une structure en bipyramide trigonales, on considère la molécule présente une structure labile. Cela signifie que, par une pseudorotation de Berry, les deux atomes apicaux peuvent s'échanger avec deux atomes équatoriaux tandis que le troisième atome, qui reste donc inchangé, est appelé pivot de la pseudorotation.

On peut alors, via la description VSEPR d'une molécule, décrire sa labilité.

Prérequis et supposition

La méthode VSEPR est fondée sur un certain nombre de suppositions qui concernent principalement la nature des liaisons entre atomes :

  • les atomes dans une molécule sont liés par des paires d'électrons ;
  • deux atomes peuvent être liés par plus d'une paire d'électrons. On parle alors de liaisons multiples ;
  • certains atomes peuvent aussi posséder des paires d'électrons qui ne sont pas impliqués dans une liaison. On parle de doublets non liants ;
  • les électrons composant ces doublets liants ou non liants exercent les uns sur les autres des forces électriques répulsives. Les doublets sont donc disposés autour de chaque atome de façon à minimiser les valeurs de ces forces ;
  • les doublets non liants occupent plus de place que les doublets liants ;
  • les liaisons multiples prennent plus de place que les liaisons simples.
Notation

Dans la théorie VSEPR, il y a certains usages de notation à respecter :

  • On note l'atome central de la molécule étudiée A.
  • Les doublets non-liants, et donc les paires d'électrons appartenant à l'atome central A qui se sont pas impliqués dans les liaisons sont notés E et m leur nombre.
  • Les doublets liants, et donc paires d'électrons qui sont impliqués dans des liaisons entre l'atome central A et un autre atome sont notés X. Le nombre de doublets liants sera noté n.

Les molécules simples, dont la géométrie est facilement définissable grâce à la méthode VSEPR sont donc notés suivant la notation vu ci-dessus et se présentent donc sous la forme : AXnEm

Comment représenter une molécule dans l'espace ?
La structure pyramidale est une géométrie moléculaire très connue.

Les différentes liaisons atomiques

Règles du duet et de l'octet

Transformations subies par les atomes

Lorsque les atomes subissent des transformations (transformation en ion monoatomique ou lorsque qu'ils établissent des liaisons avec d'autres atomes) ils le font de façon à saturer leur couche externe.

Atomes chimiquement stables

Les atomes dont la couche externe est déjà saturée ne donneront donc pas d'ion monoatomique et n'auront pas tendance à établir de liaison avec d'autres atomes. Ils sont dits "chimiquement stables". On dit aussi qu'ils présentent une grande inertie chimique.

Règle du duet

Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes caractérisés par Z < 4 évoluent de manière à saturer leur couche (K). Ils acquièrent un "duet" d'électrons c'est-à-dire une paire d'électrons.

Règle de l'octet

Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes caractérisés par Z > 4 évoluent de manière à saturer leur couche externe (L) ou (M) etc... Ils acquièrent un "octet" d'électrons c'est-à-dire 8 électrons ou 4 paires d'électrons.

Il existe des exceptions à la règle de l'octet. Ces exceptions ne sont pas étudiées dans le cadre du cours de seconde.

Prévision de la charge des ions monoatomiques.

L'application de ces règles permettent de prévoir la charge et donc la formule de la plus part des ions monoatomiques.

Par exemple : Considérons l'atome de chlore de numéro atomique Z=17 dont la formule électronique est: (K)2(L)8(M)7. Il possède 7 électrons sur sa couche externe (M). En se transformant en ion chlorure il sature cette couche externe avec un octet (8) électrons. Cet atome, initialement neutre du point de vue électrique, va donc gagner un électron c'est-à-dire une charge négative lors de sa transformation en ion chlorure. La formule de cet ion est alors: Cl-.

Besoin d'un professeur de Physique - Chimie ?

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) 5,00/5 - 1 vote(s)
Loading...

Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !