Prédiction de la Géométrie Moléculaire
Comprendre la Géométrie Moléculaire avec la Théorie VSEPR
La forme tridimensionnelle d'une molécule, ou sa géométrie moléculaire, est un facteur déterminant pour nombre de ses propriétés physiques et chimiques (polarité, réactivité, interactions intermoléculaires, etc.). La théorie VSEPR (de l'anglais "Valence Shell Electron Pair Repulsion", ou Répulsion des Paires d'Électrons de la Couche de Valence) est un modèle simple mais puissant qui permet de prédire la géométrie des molécules en se basant sur la minimisation des répulsions entre les paires d'électrons (liantes et non liantes) autour d'un atome central. Cet exercice vous guidera dans l'application de cette théorie à plusieurs molécules organiques courantes.
Molécules à Étudier
- Méthane (\(CH_4\))
- Ammoniac (\(NH_3\))
- Eau (\(H_2O\))
- Dioxyde de carbone (\(CO_2\))
- Trifluorure de bore (\(BF_3\))
- Éthène (ou Éthylène, \(C_2H_4\)) (pour chaque atome de carbone)
- H : 1
- B : 3
- C : 4
- N : 5
- O : 6
- F : 7
Exemples de Géométries VSEPR
Quelques exemples de formes moléculaires prédites par la théorie VSEPR.
Questions à traiter
- Dessiner la structure de Lewis de la molécule.
- Identifier l'atome central (ou les atomes centraux pour l'éthène).
- Compter le nombre de paires d'électrons liantes (\(X\)) et non liantes (\(E\)) autour de chaque atome central.
- Donner la notation VSEPR du type \(AX_mE_n\) pour chaque atome central.
- Déterminer la géométrie des paires d'électrons (ou géométrie électronique) autour de chaque atome central.
- En déduire la géométrie moléculaire (ou forme de la molécule).
- Prédire les angles de liaison approximatifs.
Correction : Prédiction de la Géométrie Moléculaire
Molécule 1 : Méthane (\(CH_4\))
1. Structure de Lewis :
Le carbone (C) a 4 électrons de valence, l'hydrogène (H) en a 1. Le carbone est l'atome central, lié à 4 atomes d'hydrogène par des liaisons simples.
Structure de Lewis du CH₄
2. Atome central :
Carbone (C)
3. Paires d'électrons autour de C :
- Paires liantes (\(X\)) : 4 (quatre liaisons C-H)
- Paires non liantes (\(E\)) : 0
4. Notation VSEPR :
\(AX_4E_0\) ou simplement \(AX_4\)
5. Géométrie des paires d'électrons :
Tétraédrique
6. Géométrie moléculaire :
Tétraédrique (car il n'y a pas de paires non liantes modifiant la forme)
7. Angles de liaison :
Environ \(109.5^\circ\) (angles H-C-H)
Molécule 2 : Ammoniac (\(NH_3\))
1. Structure de Lewis :
L'azote (N) a 5 électrons de valence. Il est lié à 3 atomes d'hydrogène et possède une paire non liante.
Structure de Lewis du NH₃
2. Atome central :
Azote (N)
3. Paires d'électrons autour de N :
- Paires liantes (\(X\)) : 3 (trois liaisons N-H)
- Paires non liantes (\(E\)) : 1
4. Notation VSEPR :
\(AX_3E_1\)
5. Géométrie des paires d'électrons :
Tétraédrique
6. Géométrie moléculaire :
Pyramidale à base trigonale (ou pyramidale trigonale)
7. Angles de liaison :
Environ \(107^\circ\) (angles H-N-H, légèrement inférieurs à \(109.5^\circ\) à cause de la répulsion plus forte de la paire non liante)
Molécule 3 : Eau (\(H_2O\))
1. Structure de Lewis :
L'oxygène (O) a 6 électrons de valence. Il est lié à 2 atomes d'hydrogène et possède deux paires non liantes.
Structure de Lewis de H₂O
2. Atome central :
Oxygène (O)
3. Paires d'électrons autour de O :
- Paires liantes (\(X\)) : 2 (deux liaisons O-H)
- Paires non liantes (\(E\)) : 2
4. Notation VSEPR :
\(AX_2E_2\)
5. Géométrie des paires d'électrons :
Tétraédrique
6. Géométrie moléculaire :
Coudée (ou Angulaire)
7. Angles de liaison :
Environ \(104.5^\circ\) (angle H-O-H, encore plus réduit à cause des deux paires non liantes)
Quiz Intermédiaire 1 : La présence de paires d'électrons non liantes sur l'atome central tend généralement à :
Molécule 4 : Dioxyde de Carbone (\(CO_2\))
1. Structure de Lewis :
Le carbone (C) est l'atome central, lié à deux atomes d'oxygène par des doubles liaisons. Chaque oxygène a deux paires non liantes.
Structure de Lewis du CO₂
2. Atome central :
Carbone (C)
3. Paires d'électrons autour de C :
En VSEPR, une double liaison compte comme un seul "groupe" d'électrons liants.
- Paires liantes (\(X\)) : 2 (deux doubles liaisons C=O)
- Paires non liantes (\(E\)) : 0
4. Notation VSEPR :
\(AX_2E_0\) ou \(AX_2\)
5. Géométrie des paires d'électrons :
Linéaire
6. Géométrie moléculaire :
Linéaire
7. Angles de liaison :
\(180^\circ\) (angle O-C-O)
Molécule 5 : Trifluorure de Bore (\(BF_3\))
1. Structure de Lewis :
Le bore (B) a 3 électrons de valence. Il est lié à 3 atomes de fluor (F), chacun ayant 7 électrons de valence. Le bore est une exception à la règle de l'octet, il est stable avec 6 électrons de valence.
Structure de Lewis du BF₃
2. Atome central :
Bore (B)
3. Paires d'électrons autour de B :
- Paires liantes (\(X\)) : 3 (trois liaisons B-F)
- Paires non liantes (\(E\)) : 0
4. Notation VSEPR :
\(AX_3E_0\) ou \(AX_3\)
5. Géométrie des paires d'électrons :
Trigonale plane (ou Triangulaire plane)
6. Géométrie moléculaire :
Trigonale plane
7. Angles de liaison :
\(120^\circ\) (angles F-B-F)
Molécule 6 : Éthène (\(C_2H_4\))
1. Structure de Lewis :
Les deux atomes de carbone sont liés par une double liaison. Chaque carbone est également lié à deux atomes d'hydrogène.
Structure de Lewis de C₂H₄
2. Atomes centraux :
Les deux atomes de Carbone (C). L'analyse se fait pour chaque carbone.
3. Paires d'électrons autour de chaque C :
Chaque carbone est identique. Une double liaison C=C compte comme un seul groupe liant pour VSEPR.
- Paires liantes (\(X\)) : 3 (une double liaison C=C et deux liaisons C-H)
- Paires non liantes (\(E\)) : 0
4. Notation VSEPR (pour chaque C) :
\(AX_3E_0\) ou \(AX_3\)
5. Géométrie des paires d'électrons (autour de chaque C) :
Trigonale plane
6. Géométrie moléculaire (autour de chaque C) :
Trigonale plane. La molécule entière est plane.
7. Angles de liaison :
Angles H-C-H et H-C=C approximativement de \(120^\circ\). (L'angle H-C-H est souvent légèrement inférieur à \(120^\circ\), et H-C=C légèrement supérieur, dû à la répulsion de la double liaison).
Quiz Intermédiaire 2 : Dans la théorie VSEPR, une triple liaison est comptée comme :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Quelle est la géométrie moléculaire d'une molécule de type \(AX_2E_2\) ?
2. La géométrie des paires d'électrons pour une molécule \(AX_3E_1\) est :
3. L'angle de liaison dans une molécule parfaitement tétraédrique (\(AX_4\)) est de :
Glossaire
- Théorie VSEPR
- Modèle de Répulsion des Paires d'Électrons de la Couche de Valence, utilisé pour prédire la géométrie des molécules en minimisant les répulsions entre les paires d'électrons autour de l'atome central.
- Structure de Lewis
- Représentation d'une molécule montrant la disposition des atomes, des liaisons covalentes (paires liantes) et des paires d'électrons non liantes.
- Atome Central
- Atome dans une molécule auquel plusieurs autres atomes sont liés. C'est autour de cet atome que la géométrie est généralement déterminée.
- Paire d'Électrons Liante
- Paire d'électrons partagée entre deux atomes, formant une liaison covalente (simple, double ou triple).
- Paire d'Électrons Non Liante (Doublet Non Liant)
- Paire d'électrons de la couche de valence qui n'est pas impliquée dans une liaison et qui appartient à un seul atome.
- Notation \(AX_mE_n\)
- Notation VSEPR où A est l'atome central, X représente un atome lié à A, m est le nombre d'atomes X, E représente une paire non liante sur A, et n est le nombre de paires non liantes E.
- Géométrie des Paires d'Électrons (Géométrie Électronique)
- Arrangement tridimensionnel de toutes les paires d'électrons (liantes et non liantes) autour de l'atome central.
- Géométrie Moléculaire (Forme de la Molécule)
- Arrangement tridimensionnel des atomes dans une molécule, déterminé par la position des noyaux atomiques. Elle ne tient compte que des paires liantes pour définir la forme.
- Angle de Liaison
- Angle formé par trois atomes consécutifs liés chimiquement.
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