Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 20
La géométrie des molécules
Je sais prévoir la forme d'une molécule simple et la valeur approximative de ses angles de liaison à partir de sa représentation de Lewis.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Écrire la représentation de Lewis d'une molécule simple et compter les doublets autour d'un atome central
- Appliquer la méthode de répulsion des doublets (notation AXₙEₘ) pour prévoir la géométrie
- Connaître les géométries linéaire, triangulaire plane, tétraédrique, pyramidale et coudée et leurs angles
- Relier la géométrie à la polarité d'une molécule et à la structure des chaînes carbonées
Avant de commencer : La structure électronique des atomes (couche externe), la règle du duet et de l'octet, la représentation de Lewis, la leçon « Stéréochimie : les édifices chimiques ».
1Je découvre
Pour son exposé de chimie, Mamadou fabrique des modèles moléculaires avec des boules d'argile et des bâtonnets de bambou. Pour le méthane CH4, il plante d'abord ses quatre bâtonnets dans la boule de carbone en forme de croix, bien à plat. Son amie Kadiatou fronce les sourcils : « Les quatre hydrogènes se gênent moins si tu les écartes dans les trois dimensions. »
Il refait le modèle : cette fois, les quatre bâtonnets pointent vers les sommets d'une petite pyramide à base triangulaire. Puis il construit la molécule d'eau H2O : doit-il la faire droite, H-O-H alignés, ou pliée ? Et le dioxyde de carbone CO2, que nous rejetons en respirant ?
Leur professeur leur donne une règle simple, qui marche pour presque toutes les petites molécules : les doublets d'électrons se repoussent et s'écartent le plus possible.
Comment prévoir la forme d'une molécule et la valeur de ses angles ?
2Je comprends
1. Rappel : la représentation de Lewis
Dans la représentation de Lewis, on dessine autour de chaque atome ses doublets liants (un trait entre deux atomes) et ses doublets non liants (un trait à côté d'un atome). Chaque atome (sauf H) s'entoure de 4 doublets (règle de l'octet) ; l'hydrogène s'entoure d'un doublet (règle du duet).
| Atome | Électrons externes | Liaisons formées | Doublets non liants |
|---|---|---|---|
| H | 1 | 1 | 0 |
| C | 4 | 4 | 0 |
| N | 5 | 3 | 1 |
| O | 6 | 2 | 2 |
| Cl | 7 | 1 | 3 |
2. Le principe de la méthode de répulsion des doublets
Autour d'un atome central A, les doublets d'électrons (liants et non liants) sont des charges négatives qui se repoussent. Ils se placent donc le plus loin possible les uns des autres. Cette idée, appelée méthode VSEPR ou méthode de Gillespie, permet de prévoir la géométrie.
On note l'environnement de l'atome central AXnEm :
- A : atome central ;
- X : atomes liés à A (n = nombre d'atomes liés) ;
- E : doublets non liants de A (m = leur nombre).
Règle importante : une liaison double ou triple compte comme un seul « domaine » : elle occupe une seule direction.
La répartition des n + m domaines donne une figure de base ; la forme de la molécule est donnée par la position des atomes seulement.
| n + m | Répartition des domaines | Type | Forme de la molécule | Angle | Exemple |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | linéaire | AX2 | linéaire | 180° | CO2, HC ≡ CH |
| 3 | triangle | AX3 | triangulaire plane | 120° | BF3, H2C=CH2 |
| 4 | tétraèdre | AX4 | tétraédrique | 109,5° | CH4 |
| 4 | tétraèdre | AX3E | pyramidale | environ 107° | NH3 |
| 4 | tétraèdre | AX2E2 | coudée | environ 104,5° | H2O |
3. Pourquoi les angles de NH₃ et H₂O sont-ils plus petits ?
Un doublet non liant est attiré par un seul noyau : il est plus « large » et repousse davantage les doublets liants que ceux-ci ne se repoussent entre eux. Les liaisons se resserrent donc :
4. Appliquer la méthode
Méthode
Pour prévoir la géométrie d'une molécule :
- J'écris la représentation de Lewis et je repère l'atome central.
- Je compte n, le nombre d'atomes liés à l'atome central (une liaison multiple compte pour un).
- Je compte m, le nombre de doublets non liants de l'atome central.
- J'écris le type AXₙEₘ et je trouve la répartition des n + m domaines (2 : droite ; 3 : triangle ; 4 : tétraèdre).
- Je décris la forme en ne regardant que les atomes, et je donne l'angle.
Exemple
Prévoir la géométrie de l'ammoniac NH₃.
Lewis : l'azote (5 électrons externes) forme 3 liaisons N–H et garde 1 doublet non liant.
Atome central N : n = 3 atomes liés, m = 1 doublet non liant : type AX₃E.
4 domaines : répartition tétraédrique.
Seuls trois sommets sont occupés par des atomes : la molécule est pyramidale (pyramide à base triangulaire, N au sommet), angle H–N–H d'environ 107°.
Exemple
Prévoir la géométrie du dioxyde de carbone CO₂ et de l'éthène C₂H₄.
CO₂ : Lewis O=C=O ; le carbone forme deux doubles liaisons et n'a pas de doublet non liant. Chaque double liaison compte pour un domaine : type AX₂. Molécule linéaire, angle O–C–O = 180°.
C₂H₄ : chaque carbone est lié à 2 H et à l'autre C (double liaison, un seul domaine), sans doublet non liant : type AX₃. Autour de chaque carbone, géométrie triangulaire plane, angles d'environ 120°. Les six atomes de l'éthène sont dans un même plan.
5. Les chaînes carbonées
La géométrie des molécules organiques découle de ce qui précède :
| Carbone | Type | Géométrie autour du C | Angle | Longueur de la liaison C–C |
|---|---|---|---|---|
| lié par 4 liaisons simples (alcanes) | AX4 | tétraédrique | 109,5° | C–C : 154 pm |
| engagé dans une double liaison (alcènes, C=O) | AX3 | triangulaire plane | 120° | C=C : 134 pm |
| engagé dans une triple liaison (alcynes) | AX2 | linéaire | 180° | C≡C : 120 pm |
Conséquences :
- la chaîne d'un alcane n'est pas droite mais en zigzag (angles de 109,5°) ; c'est pour cela qu'on dessine les formules topologiques en zigzag ;
- dans l'éthyne HC ≡ CH, les quatre atomes sont alignés ;
- plus une liaison est multiple, plus elle est courte.
En plus pour SM : on décrit aussi ces trois situations par l'hybridation des orbitales du carbone : sp3 (tétraédrique), sp2 (triangulaire plane) et sp (linéaire).
6. Géométrie et polarité
Une liaison entre deux atomes d'électronégativités différentes est polarisée (l'oxygène attire davantage les électrons que le carbone ou l'hydrogène). Mais une molécule dont les liaisons sont polarisées n'est pas forcément polaire : tout dépend de sa géométrie.
- CO2 est linéaire : les deux liaisons C=O, polarisées en sens opposés, se compensent. La molécule est apolaire.
- H2O est coudée : les effets des deux liaisons O-H ne se compensent pas. La molécule est polaire.
C'est parce que l'eau est polaire qu'elle dissout si bien le sel et le sucre, et qu'elle joue son rôle de solvant dans les leçons sur les acides et les bases.
3Je retiens
Je retiens
Les doublets autour d'un atome central se repoussent et s'écartent au maximum (méthode VSEPR).
Notation AXₙEₘ : n atomes liés, m doublets non liants ; une liaison multiple compte pour un domaine.
AX₂ : linéaire, 180° (CO₂) ; AX₃ : triangulaire plane, 120° (C₂H₄, BF₃) ; AX₄ : tétraédrique, 109,5° (CH₄).
AX₃E : pyramidale, environ 107° (NH₃) ; AX₂E₂ : coudée, environ 104,5° (H₂O).
Les doublets non liants referment les angles.
Carbone : 4 liaisons simples → tétraédrique ; une double → plan à 120° ; une triple → linéaire.
Une molécule symétrique (CO₂) peut être apolaire malgré des liaisons polarisées ; H₂O coudée est polaire.
4Erreurs fréquentes
- Oublier les doublets non liants : l'eau n'est pas AX₂ mais AX₂E₂, donc coudée et non linéaire.
- Compter une double liaison comme deux domaines : dans CO₂, le carbone est AX₂, pas AX₄.
- Confondre répartition des doublets et forme de la molécule : NH₃ a une répartition tétraédrique mais une forme pyramidale.
- Dessiner le méthane plat, en croix à 90° : ses angles valent 109,5°.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Donne le type AXnEm, la forme et l'angle approximatif de : a) CH4 ; b) H2S (le soufre a 6 électrons externes) ; c) BF3 (le bore forme 3 liaisons et n'a pas de doublet non liant) ; d) HCN (liaison triple entre C et N).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) CH4 : C lié à 4 H, aucun doublet non liant : AX4, tétraédrique, 109,5°.
b) H2S : S lié à 2 H, 2 doublets non liants (comme O dans l'eau) : AX2E2, coudée, angle inférieur à 109,5°.
c) BF3 : AX3, triangulaire plane, 120°.
d) HCN : C lié à H et à N (triple liaison = un domaine), sans doublet non liant : AX2, linéaire, 180°.
2Exercice 2
Écris la représentation de Lewis du méthanal H2C=O. Donne la géométrie autour du carbone. Les quatre atomes sont-ils dans un même plan ?
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Lewis : le carbone est lié à deux H par des liaisons simples et à O par une double liaison ; l'oxygène porte deux doublets non liants. Autour de C : AX3, géométrie triangulaire plane, angles d'environ 120°. Oui, les quatre atomes (C, O et les deux H) sont dans un même plan.
3Exercice 3
Explique pourquoi l'angle H-N-H de l'ammoniac (environ 107°) est plus petit que l'angle H-C-H du méthane (109,5°).
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Dans les deux molécules, il y a 4 domaines autour de l'atome central (répartition tétraédrique). Mais l'azote porte un doublet non liant, plus encombrant qu'un doublet liant : il repousse davantage les trois doublets liants N-H, qui se resserrent. L'angle passe de 109,5° à environ 107°.
4Exercice 4
Pour la molécule de propène CH2=CH-CH3 : a) donne la géométrie autour de chacun des trois carbones ; b) quels atomes sont obligatoirement dans un même plan ?
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a) Carbone 1 (CH2=) : AX3, triangulaire plane, 120°. Carbone 2 (=CH-) : AX3, triangulaire plane, 120°. Carbone 3 (-CH3) : AX4, tétraédrique, 109,5°.
b) Les deux carbones de la double liaison et les atomes qui leur sont directement liés : les deux H du carbone 1, le H du carbone 2 et le carbone 3. Ces six atomes sont dans un même plan (les H du CH3 n'y sont pas tous).
5Exercice 5
(Type BAC) On considère les molécules CO2, H2O, NH3 et CCl4 (tétrachlorométhane).
a) Écris la représentation de Lewis de chacune.
b) Détermine le type AXnEm de l'atome central, la forme et l'angle de liaison.
c) Les liaisons C-Cl sont polarisées. Montre que CCl4 est pourtant apolaire.
d) Laquelle de ces molécules est la plus proche, par sa géométrie, de l'éthyne HC ≡ CH ? Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) O=C=O (chaque O porte 2 doublets non liants) ; H-O-H (O porte 2 doublets non liants) ; NH3 : N lié à 3 H et porteur d'1 doublet non liant ; CCl4 : C lié à 4 Cl, chaque Cl portant 3 doublets non liants.
b) CO2 : AX2, linéaire, 180°. H2O : AX2E2, coudée, environ 104,5°. NH3 : AX3E, pyramidale, environ 107°. CCl4 : AX4, tétraédrique, 109,5°.
c) Les quatre liaisons C-Cl sont identiques et dirigées vers les sommets d'un tétraèdre régulier : leurs effets se compensent exactement par symétrie. La molécule est apolaire.
d) CO2 : comme l'éthyne, elle est linéaire (atome central de type AX2, angle de 180°).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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