Première S 2015-2016

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La structure des molécules

Liaison covalente

Une liaison covalente simple correspond à la mise en commun de deux électrons par deux atomes, chaque atome apportant un électron. Le doublet d'électrons liant deux atomes est appelé doublet liant.

Règles du duet et de l'octet et doublets électroniques

Au sein d'une molécule, les atomes forment autant de liaisons covalentes que nécessaires pour avoir une structure électronique stable :

  • En duet pour les atomes de numéro atomique inférieur ou égal à 5.
  • En octet pour les atomes de numéro atomique supérieur à 5.

Les électrons de la couche externe qui ne sont pas impliqués dans une liaison covalente forment des doublets non liants.

Nombre de liaisons covalentes et de doublets non liants pour les atomes courants :

Atome Numéro atomique Structure électronique Nombre de liaison(s) covalente(s) à former Nombre d'électrons externes non impliqués dans les liaisons covalentes Nombre de doublets non liants
Hydrogène \(\displaystyle{\ce{H}}\) 1 (K)1 1 (pour former un duet) 0 0

Carbone \(\displaystyle{\ce{C}}\)

6 (K)2(L)4 4 (pour former un octet) 0 (4 électrons externes − 4 électrons impliqués dans les liaisons) 0
Azote \(\displaystyle{\ce{N}}\) 7 (K)2(L)5 3 (pour former un octet) 2 (5 électrons externes − 3 électrons impliqués dans les liaisons) 1
Oxygène \(\displaystyle{\ce{O}}\) 8 (K)2(L)6 2 (pour former un octet) 4 (6 électrons externes − 2 électrons impliqués dans les liaisons) 2

Dans la représentation de Lewis d'une molécule, on figure les doublets liants par un trait entre les symboles des atomes impliqués dans la liaison et les doublets non liants par un petit trait à côté du symbole de l'atome concerné.

La géométrie d'une molécule est celle dans laquelle les doublets d'électrons, liants et non liants, autour de chaque atome s'écartent au maximum les uns des autres afin de minimiser leurs répulsions électrostatiques.

La représentation de Cram d'une molécule modélise la structure d'une molécule dans l'espace :

  • Une liaison dans le plan de la feuille est représentée par un trait fin.
  • Une liaison en avant du plan est représentée par un trait gras.
  • Une liaison en arrière du plan est représentée par un trait en pointillés.
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Représentation de Cram de 4 liaisons autour d'un atome central

La géométrie d'une molécule est déterminée par le nombre de liaisons et de doublets non liants autour de l'atome central.

Nombre et type de doublets 4 doublets liants 3 doublets liants et 1 doublet non liant 2 doublets liants et 2 doublets non liants 2 doublets liants (2 liaisons doubles) 3 doublets liants (1 liaison double et 2 liaisons simples)
Géométrie tétraédrique pyramidale coudée (plane) linéaire triangulaire
Exemple de molécule méthane \(\displaystyle{\ce{CH4}}\) ammoniac \(\displaystyle{\ce{NH3}}\) eau \(\displaystyle{\ce{H2O}}\) dioxyde de carbone \(\displaystyle{\ce{CO2}}\) méthanal \(\displaystyle{\ce{CH2O}}\)

Isomères géométriques

La rotation autour d'une double liaison étant impossible, les molécules présentant une double liaison carbone-carbone, de la forme \(\displaystyle{R-CH=CH-R'}\), où R et R' sont des atomes ou groupes d'atomes autres qu'un atome d'hydrogène, existent sous forme de deux isomères géométriques.

  • L'isomère est dénommé Z si les atomes d'hydrogène sont disposés du même côté de la double liaison.
  • Il est dénommé E s'ils sont disposés de part et d'autre de la double liaison.

Isomérisation

L'isomérisation est la transformation d'un isomère E en isomère Z (et vice-versa). Un apport d'énergie est nécessaire pour rompre la double liaison et permettre la rotation.
Si l'énergie apportée se fait sous la forme d'un rayonnement lumineux, on parle d'isomérisation photochimique.