Karamö, le prof virtuelLeçon 7 sur 16
Géométrie des molécules
Je sais prévoir la forme dans l'espace d'une molécule simple à partir de son schéma de Lewis et la représenter en perspective de Cram.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Énoncer le principe de répulsion des doublets autour d'un atome central
- Prévoir la géométrie tétraédrique, pyramidale, coudée, plane ou linéaire d'une molécule
- Représenter une molécule en perspective de Cram et avec des modèles moléculaires
- Relier la géométrie à la polarité d'une molécule
Avant de commencer : La leçon « Les liaisons chimiques » (schéma de Lewis, doublets liants et non liants, liaisons multiples) et la leçon « Molécules et ions » (formules brute et développée).
1Je découvre
Au club scientifique du lycée de Mamou, Mariama construit des molécules avec des boules en pâte à modeler et des cure-dents. Pour l'eau, elle pose naturellement la boule rouge de l'oxygène au centre et les deux boules blanches des hydrogènes de part et d'autre, bien alignées : H–O–H, comme sur le schéma du cahier.
Son camarade Lansana lui montre une image de manuel : la molécule d'eau y est pliée, en forme de « V ». Pour le méthane CH4, Mariama avait placé les quatre hydrogènes en croix, à plat, autour du carbone ; le manuel montre au contraire une sorte de petite pyramide à base triangulaire.
Mariama est perplexe : sur le papier, on dessine toujours les molécules à plat. Or les molécules existent dans l'espace, en trois dimensions. Et leur forme n'est pas un détail : c'est parce que la molécule d'eau est coudée que l'eau dissout si bien le sel et le sucre.
Comment prévoir la forme réelle d'une molécule dans l'espace, et comment la dessiner sur une feuille ?
2Je comprends
1. Le principe : les doublets se repoussent
Autour d'un atome central, les doublets d'électrons (liants et non liants) portent tous des charges négatives : ils se repoussent mutuellement. Ils s'écartent donc le plus possible les uns des autres dans l'espace. C'est cette répulsion qui fixe la forme de la molécule.
Pour appliquer ce principe, on compte autour de l'atome central les directions occupées par des électrons :
- chaque atome voisin compte pour une direction, que la liaison soit simple, double ou triple ;
- chaque doublet non liant compte aussi pour une direction.
| Nombre de directions | Disposition la plus écartée | Angle entre directions |
|---|---|---|
| 2 | en ligne droite | 180° |
| 3 | triangle dans un plan | 120° |
| 4 | tétraèdre (pyramide à base triangulaire) | environ 109,5° |
La géométrie de la molécule décrit ensuite la position des atomes seulement (on ne « voit » pas les doublets non liants).
2. Quatre directions : tétraèdre, pyramide ou forme coudée
Méthane CH4. Le carbone a 4 liaisons C–H et aucun doublet non liant : 4 directions. Les 4 atomes H occupent les sommets d'un tétraèdre régulier dont le carbone est le centre. Les angles HCH valent 109,5°. La molécule est tétraédrique.
Ammoniac NH3. L'azote a 3 liaisons N–H et 1 doublet non liant : 4 directions, disposées en tétraèdre. Mais un sommet est occupé par le doublet non liant : les atomes forment une pyramide à base triangulaire (les 3 H à la base, N au sommet). La molécule est pyramidale. Le doublet non liant repousse un peu plus fort les doublets liants : l'angle HNH est d'environ 107°, un peu moins que 109,5°.
Eau H2O. L'oxygène a 2 liaisons O–H et 2 doublets non liants : 4 directions en tétraèdre, dont 2 non visibles. Les trois atomes forment un « V » : la molécule est coudée. L'angle HOH est d'environ 104,5°.
3. Trois directions : molécule plane
Éthylène (éthène) C2H4 : CH2=CH2. Chaque carbone est lié à 2 H et à l'autre C (par une double liaison, qui compte pour une seule direction) : 3 directions, aucun doublet non liant. Autour de chaque carbone, les liaisons sont dans un plan, à 120°. Les 6 atomes de la molécule sont dans un même plan : la molécule est plane.
De même, le méthanal H2C=O est plan, avec des angles voisins de 120° autour du carbone.
4. Deux directions : molécule linéaire
Dioxyde de carbone CO2 : O=C=O. Le carbone a 2 voisins (deux doubles liaisons) et aucun doublet non liant : 2 directions, à 180°. La molécule est linéaire.
Acétylène (éthyne) C2H2 : H-C≡ C-H. Chaque carbone a 2 directions : les 4 atomes sont alignés.
Toute molécule diatomique (H2, O2, HCl) est évidemment linéaire.
Méthode
Pour prévoir la géométrie d'une molécule :
- J'établis son schéma de Lewis (doublets liants et non liants).
- Pour l'atome central, je compte les directions : 1 par atome voisin (même si la liaison est double ou triple) + 1 par doublet non liant.
- J'en déduis la disposition des directions : 2 → ligne (180°) ; 3 → triangle plan (120°) ; 4 → tétraèdre (109,5°).
- Je ne regarde que la position des atomes pour nommer la forme : tétraédrique, pyramidale, coudée, plane ou linéaire.
- Si des doublets non liants sont présents, je précise que l'angle est un peu plus petit que l'angle théorique.
Exemple
Géométrie du sulfure d'hydrogène H₂S.
Soufre : (K)²(L)⁸(M)⁶, 6 électrons externes, comme l'oxygène.
Lewis : H–S–H, avec 2 doublets non liants sur S.
Directions autour de S : 2 atomes H + 2 doublets non liants = 4, disposées en tétraèdre.
Les atomes visibles forment un V : la molécule est coudée, comme l'eau.
Exemple
Géométrie du dichlorométhane CH₂Cl₂.
Le carbone forme 4 liaisons simples (2 avec H, 2 avec Cl), sans doublet non liant : 4 directions.
La molécule est tétraédrique : C au centre, 2 H et 2 Cl aux sommets d'un tétraèdre (un peu déformé, car les liaisons C–H et C–Cl n'ont pas la même longueur).
5. Représenter une molécule : la perspective de Cram
Pour dessiner une molécule en 3 dimensions sur une feuille, on utilise la représentation de Cram :
- un trait simple représente une liaison située dans le plan de la feuille ;
- un triangle plein (qui s'élargit vers l'atome) représente une liaison dirigée vers l'avant, vers l'observateur ;
- un triangle hachuré (ou traits pointillés) représente une liaison dirigée vers l'arrière de la feuille.
Pour le méthane : on dessine deux liaisons C–H dans le plan (traits simples, formant un V), une liaison en triangle plein et une en triangle hachuré.
On utilise aussi des modèles moléculaires : éclatés (boules reliées par des bâtonnets, pour voir les angles) ou compacts (boules qui s'interpénètrent, pour voir l'encombrement). Couleurs conventionnelles : carbone noir, hydrogène blanc, oxygène rouge, azote bleu, chlore vert.
6. Géométrie et polarité
Une liaison O–H ou C=O est polarisée (leçon « Les liaisons chimiques »). Mais la molécule entière n'est polaire que si les centres des charges partielles positives et négatives ne coïncident pas.
- CO2 est linéaire et symétrique : les deux liaisons C=O se compensent exactement. La molécule est apolaire.
- H2O est coudée : les deux liaisons O–H ne se compensent pas. La molécule est polaire, avec un côté δ^- (l'oxygène) et un côté δ^+ (les hydrogènes).
- Angle OCO : 180°
- Liaisons polarisées qui se compensent
- Molécule apolaire
- Angle HOH : environ 104,5°
- Liaisons polarisées qui ne se compensent pas
- Molécule polaire
C'est cette polarité qui fait de l'eau un excellent solvant des composés ioniques comme le sel : tu le verras dans la leçon « Les solutions ». Voilà pourquoi la forme en V de la molécule d'eau n'est pas un détail.
3Je retiens
Je retiens
Les doublets autour d'un atome central se repoussent et s'écartent au maximum.
Directions = atomes voisins (liaison simple, double ou triple : 1 direction) + doublets non liants.
2 directions → linéaire, 180° (CO₂, C₂H₂) ; 3 directions → plane, 120° (C₂H₄) ; 4 directions → tétraèdre, 109,5°.
4 directions : CH₄ tétraédrique (109,5°) ; NH₃ pyramidale (≈ 107°) ; H₂O coudée (≈ 104,5°).
Cram : trait = dans le plan ; triangle plein = vers l'avant ; triangle hachuré = vers l'arrière.
Une molécule symétrique comme CO₂ est apolaire ; H₂O, coudée, est polaire.
4Erreurs fréquentes
- Dessiner l'eau en ligne droite parce que le schéma de Lewis est écrit à plat : la molécule d'eau est coudée.
- Oublier les doublets non liants dans le compte des directions : NH₃ a 4 directions (3 liaisons + 1 doublet), pas 3 ; elle n'est pas plane.
- Compter une double liaison pour deux directions : dans CO₂, chaque C=O compte pour une seule direction, d'où une molécule linéaire.
- Croire qu'une molécule qui a des liaisons polarisées est forcément polaire : CO₂ est apolaire grâce à sa symétrie.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Associe chaque molécule à sa géométrie : CH4 ; NH3 ; H2O ; CO2 ; C2H4. Géométries : linéaire ; coudée ; pyramidale ; tétraédrique ; plane.
Voir le corrigéCacher le corrigé
CH4 : tétraédrique ; NH3 : pyramidale ; H2O : coudée ; CO2 : linéaire ; C2H4 : plane.
2Exercice 2
Pour la molécule de chloroforme CHCl3 :
a) Établis son schéma de Lewis.
b) Compte les directions autour du carbone et donne la géométrie de la molécule.
c) Représente-la en perspective de Cram (décris ton dessin).
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a) nt = 4 + 1 + 3 × 7 = 26 électrons, soit 13 doublets. Le carbone forme 4 liaisons simples (1 C–H et 3 C–Cl) : 4 doublets liants. Il reste 13 - 4 = 9 doublets non liants, 3 sur chaque atome de chlore. Chaque Cl a son octet, C aussi, H son duet.
b) Autour de C : 4 atomes voisins, aucun doublet non liant, soit 4 directions. La molécule est tétraédrique (angles proches de 109,5°).
c) On dessine le carbone au centre ; deux liaisons dans le plan (traits simples, par exemple vers H en haut et vers un Cl à gauche) ; une liaison C–Cl en triangle plein (vers l'avant) et une liaison C–Cl en triangle hachuré (vers l'arrière), toutes deux vers la droite.
3Exercice 3
Le cyanure d'hydrogène HCN a pour schéma de Lewis H-C≡ N, avec un doublet non liant sur l'azote.
a) Combien de directions y a-t-il autour du carbone ?
b) Quelle est la géométrie de la molécule ? Quelle est la valeur de l'angle HCN ?
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a) Le carbone a 2 atomes voisins (H et N) et aucun doublet non liant : 2 directions.
b) La molécule est linéaire : HCN = 180°.
4Exercice 4
La phosphine PH3 (P : Z = 15).
a) Écris la structure électronique de P et donne sa valence.
b) Établis le schéma de Lewis de PH3.
c) Prévois sa géométrie, en la comparant à celle d'une molécule du cours.
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a) P : (K)2(L)8(M)5 ; 5 électrons externes, il en manque 3 : P est trivalent.
b) nt = 5 + 3 × 1 = 8, soit 4 doublets : 3 liaisons P–H et 1 doublet non liant sur P.
c) 4 directions (3 liaisons + 1 doublet non liant) : disposition tétraédrique, et les atomes forment une pyramide. PH3 est pyramidale, comme NH3.
5Exercice 5
(Synthèse) On compare le dioxyde de carbone CO2 et le dioxyde de soufre SO2. Dans SO2, l'atome de soufre central porte un doublet non liant et est lié aux deux atomes d'oxygène.
a) Compte les directions autour de l'atome central dans chacune des deux molécules.
b) Déduis-en leur géométrie.
c) Laquelle de ces deux molécules est polaire ? Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) CO2 : 2 atomes voisins, 0 doublet non liant sur C → 2 directions. SO2 : 2 atomes voisins + 1 doublet non liant sur S → 3 directions.
b) CO2 est linéaire (180°). Dans SO2, les 3 directions sont dans un plan à environ 120°, mais on ne voit que les atomes : la molécule est coudée.
c) SO2 est polaire : coudée, ses deux liaisons polarisées S–O ne se compensent pas. CO2, linéaire et symétrique, est apolaire.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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