AD Des atomes aux molécules

AD
Des atomes aux molécules
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Représentation de Lewis des molécules
Le premier vrai modèle de la liaison chimique a été proposé à partir de 1916 par le chimiste américain
Gilbert Lewis.
Figure 1 – Gilbert Newton Lewis (1875–1946)
Le modèle de Lewis découle de la découverte de l’électron quelques années auparavant. Il est très utile
pour le chimiste car il permet de prédire le nombre de liaisons que forme chaque atome et répartit les
électrons d’un atome en deux catégories : ceux de cœur, chimiquement inactifs, et ceux de valence (ou
externes) [. . .]
Comme presque tous les molécules stables connues à l’époque comportent un nombre pair d’électrons
de valence, Lewis postule l’existence de paires électroniques. Les liaisons sont assurées par des paires
liantes, mais il existe aussi des « paires libres » qui n’interviennent pas directement.
Pour former des liaisons, les atomes mettent en commun des électrons. Le but, pour chaque atome, est
d’être entouré de huit électrons (sauf l’hydrogène et l’hélium auxquels deux électrons suffisent) : c’est la
règle de l’octet, introduite en 1904 par l’allemand Richard Abbeg. Ainsi dans la molécule d’eau, formée
d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène, l’oxygène, qui possède six électrons de valence
au départ, partage un électron avec chaque atome d’hydrogène. Il se retrouve alors avec huit électrons
de valence, tandis que chaque atome d’hydrogène, avec deux électrons, atteint également son « quota ».
O
H
H
Figure 2 – Modèle de Lewis de la molécule d’eau (dans le modèle de Lewis, les paires d’électrons sont
représentées par des traits, qu’elles assurent ou non des liaisons)
« La physique en 18 mots-clés », La recherche, hors-série n°1, 2005
1ère S – Sciences physiques – Chapitre V
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AD : Des atomes aux molécules
D’après le document ci-dessus :
a) Écrire les structures électroniques des atomes d’hydrogène et d’oxygène.
b) Combien d’électrons leur manque-t-il pour acquérir une structure stable ?
c) Comment une liaison est-elle définie ? Comment est-elle représentée dans le modèle de Lewis (figure
2) ?
d) Comment peut-on déterminer le nombre de liaisons que forme un atome ? Traiter les cas des atomes
d’oxygène et d’hydrogène.
e) Pourquoi dans son modèle de la molécule d’eau Gilbert Lewis a-t-il représenté deux traits autour de
l’atome d’oxygène ? Préciser ce qu’ils représentent.
Dans la représentation de Lewis (ou formule de Lewis) d’une molécule :
– le symbole de l’élément représente le noyau et les électrons des couches internes de l’atome ;
– les doublets liants sont représentés par des traits entre les atomes :
liaison simple
liaison double
liaison triple
– les doublets non liants sont représentés par des traits autour des atomes.
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Doublets liants et non-liants d’un atome
Le nombre de doublets liants (DL) formés par un atome est égal au nombre d’électrons externes qui lui
manquent pour vérifier la règle de l’octet (ou du duet pour l’hydrogène).
Le nombre de doublets non liants (DNL) autour d’un atome est égal au nombre d’électrons externes non
utilisés divisé par deux.
Compléter le tableau suivant.
Atome
H (Z = 1)
C (Z = 6)
N (Z = 7)
O (Z = 8)
Cl (Z = 17)
Structure électronique
Nombre d’électrons externes
Nombre de DL formés
Nombre de DNL autour de l’atome
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Application à la géométrie de quelques molécules
La représentation de Lewis ne permet d’appréhender la géométrie d’une molécule, qui est parfois tridimensionnelle. L’utilisation d’un modèle moléculaire permet de combler cette lacune.
a) Établir la représentation de Lewis des molécules suivantes puis construire leurs modèles moléculaires : dihydrogène H2 , dioxygène O2 , diazote N2 , méthane CH4 , ammoniac NH3 , dioxyde de carbone
CO2 et méthanal CH2 O.
b) Pour les cinq dernières molécules, identifier l’atome central et examiner la disposition des autres
atomes autour lui. Géométriquement, comment pourrait-on qualifier chacune de ces dispositions ?
c) Les doublets électroniques, qu’ils soient liants ou non liants, ont la même charge électrique. Expliquer en quoi les formes des deux dernières molécules, possédant respectivement deux et trois
liaisons autour de l’atome central, sont justifiées.
d) Dans les molécules d’eau, de méthane et d’ammoniac, la répartition des quatre doublets (liants et
non-liants) autour de l’atome central forme un tétraèdre. Proposer une interprétation à cette disposition spatiale.
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