Les schémas de LewisCours

Rappels

Notion À savoir
Atome

Un atome est composé :

  • d'un noyau, qui contient les protons, porteurs d'une charge électrique positive et les neutrons, électriquement neutres ;
  • d'électrons en mouvement autour du noyau, porteurs d'une charge électrique négative et qui constitue le nuage, ou cortège, électronique.

 

Un atome étant électriquement neutre, il possède autant d'électrons que de protons.

Doublet non liant Doublet électronique composé de deux électrons externes d'un atome non engagés dans une liaison covalente.
Liaison covalente Doublet électronique liant deux atomes, composé de deux électrons externes célibataires de chacun des atomes.
Règles du duet et de l'octet

Dans une entité, un atome est stable s'il est entouré :

  • d'un duet (1 liaison covalente) pour l‘atome d'hydrogène ;
  • d'un octet (soit 4 doublets électroniques) pour les autres atomes.
Représentation symbolique atome

Représentation symbolique atome

I

Les schémas de Lewis des entités

A

Les électrons de valence (rappels)

La configuration électronique d'un atome indique la répartition des électrons de l'atome sur les sous-couches électroniques.

Configuration électronique

Pour déterminer la configuration électronique d'un atome, on suit ces règles de construction :

  • repérer le nombre d'électrons de l'atome ;
  • occuper les sous-couches électroniques dans l'ordre : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ;
  • ne commencer le remplissage d'une nouvelle couche que lorsque la couche précédente est pleine.

 

Parmi les électrons d'un atome, seuls les électrons de valence jouent un rôle sur sa réactivité chimique.

Les électrons de valence, qui permettent d'expliquer la réactivité chimique des atomes, sont ceux de la dernière couche occupée, appelée couche de valence.

La représentation symbolique de l'atome de fluor est _9^{19}\ce{F}

Il possède donc 9 électrons et sa configuration électronique qui illustre leur répartition est : 1s22s22p5.

On peut alors en déduire que l'atome de fluor possède 7 électrons de valence.

-

Le tableau périodique peut permettre de retrouver rapidement le nombre d'électrons de valence des éléments appartenant aux blocs s et p.

-

L'élément fluor est situé dans la 5e colonne du bloc p, sa dernière couche occupée est donc du type ...s2p5, ce qui fait bien 7 électrons de valence.

B

Le « pseudo-schéma » de Lewis d'un atome

Les pseudo-schémas de Lewis des atomes permettent d'expliquer la formule brute et la géométrie des molécules qu'ils forment.

Ainsi, on représente autour des symboles des atomes les électrons célibataires et les doublets non liants qu'ils possèdent.

Méthode
Le pseudo-schéma de Lewis d'un atome s'obtient en répartissant ses électrons de valence autour de son symbole chimique, en suivant les règles suivantes : 

On répartit les quatre premiers électrons sur les quatre côtés du symbole, en les représentant par des points.

On ajoute ensuite les éventuels électrons supplémentaires en formant des doublets électroniques, représentés par des tirets, avec les quatre premiers électrons placés.

Il y a 7 électrons de valence à répartir autour de l'atome de fluor. 

On répartit d'abord les 4 premiers électrons de valence autour de son symbole.

-

On ajoute ensuite les 3 électrons de valence restants, ce qui va donner trois doublets électroniques et un électron « célibataire ».

-

Dans le pseudo-schéma de Lewis d'un atome : 

  • les électrons étant restés seuls, ou électrons célibataires, pourront se lier aux électrons d'autres atomes par liaison covalente et ainsi former des molécules ;
  • les doublets électroniques formés ne peuvent pas être partagés par l'atome et sont ses doublets non liants.

D'après son pseudo-schéma de Lewis, l'atome de fluor possède :

  • un électron célibataire, lui permettant de former une liaison covalente avec un autre atome ;
  • trois doublets non liants.
-

Les pseudos-schémas de Lewis des cinq éléments chimiques les plus souvent utilisés sont les suivants.

Élément

chimique

 

Configuration électronique Nombre d'électrons de valence Nombre de liaisons covalentes

Hydrogène

1H
1s1 1 1

Carbone

6C
1s22s22p2 4 4

Azote

7N
1s22s22p3 5 3

Oxygène

8O
1s22s22p4 6 2

Chlore

17Cl

1s22s22p6

3s23p5
7 1
Hydrogène (pseudo-schéma de Lewis)

Hydrogène (pseudo-schéma de Lewis)

Carbone (pseudo-schéma de Lewis)

Carbone (pseudo-schéma de Lewis)

Azote (pseudo-schéma de Lewis)

Azote (pseudo-schéma de Lewis)

Oxygène (pseudo-schéma de Lewis)

Oxygène (pseudo-schéma de Lewis)

Chlore (pseudo-schéma de Lewis)

Chlore (pseudo-schéma de Lewis)

C

Le schéma de Lewis d'une molécule

Le schéma de Lewis d'une molécule s'obtient en considérant les pseudo-schémas de Lewis des atomes qui la composent, conformément à sa formule brute.

Lorsque deux atomes se lient par une liaison covalente, chacun met en commun un de ses électrons de valence célibataire, formant un doublet liant.

Deux atomes de fluor peuvent se lier en mettant en commun leur électron célibataire, ils forment alors une molécule de difluor, de formule brute F_2.

-

Le schéma de Lewis d'une molécule doit faire apparaître tous les doublets électroniques concernant les atomes qui la composent.

Il est obtenu en accolant les pseudo-schémas de Lewis des atomes dont la nature et le nombre sont renseignés par la formule brute de la molécule.

La formule brute de la molécule d'éthanol est \ce{C2H6O}.

Les pseudo-schémas de Lewis des atomes qui la composent sont :

-

En accolant les atomes (leur nombre étant donné par la formule brute) on obtient la formule de Lewis de cette molécule :

-

Le schéma de Lewis d'une entité stable ne doit pas comporter d'électrons célibataires. 

Le schéma de Lewis de la molécule d'éthanol ne comportant pas d'électrons célibataires, on en déduit que cette molécule est stable.

Des atomes qui ont plusieurs électrons célibataires peuvent aussi former des liaisons covalentes multiples (double ou triple).

L'atome d'oxygène possède 2 électrons célibataires et peut donc former des liaisons doubles.

Schéma de Lewis de la molécule de dioxygène

Schéma de Lewis de la molécule de dioxygène

Schéma de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone

Schéma de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone

D

Le schéma de Lewis d'un ion

Le schéma de Lewis d'un ion tient compte des électrons qui ont été gagnés ou perdus, conformément à sa formule.

Méthode
Pour représenter le schéma de Lewis d'un ion, il faut :

Représenter l'atome, si c'est un ion monoatomique (un seul atome) ou l'enchaînement d'atomes si c'est un ion polyatomique (plusieurs atomes).

Repérer le nombre d'électrons à ajouter ou à ôter en fonction de la charge électrique de l'ion :

  • s'il s'agit d'électrons à ajouter, on les associe à des électrons célibataires en formant des doublets non liants ;
  • s'il s'agit d'électrons à ôter, on enlève simplement des électrons célibataires.
Cas 1

Cas d'un ion formé par gain d'électrons

La formule de l'ion oxygène (ou ion oxyde) étant \ce{O^{2–}}, cet ion compte deux électrons de plus que l'atome d'oxygène, son schéma de Lewis est donc le suivant.

-
Cas 2

Cas d'un ion formé par perte d'électrons

La formule de l'ion sodium étant \ce{Na+}, cet ion est formé par la perte de l'électron célibataire de l'atome de sodium.

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Cas 3

Cas d'un ion polyatomique

L'ion hydroxyde est un ion polyatomique de formule \ce{OH^{–}}, il est donc formé par un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène, le tout ayant gagné un électron.

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La charge électrique positive de certains ions polyatomiques s'explique par le fait qu'un doublet non liant d'un atome soit transformé en liaison covalente, ce qui est similaire à la perte d'un électron pour l'atome en question.

Dans l'ion ammonium de formule \ce{NH4^{+}}, l'atome d'azote est lié à 4 atomes d'hydrogène alors qu'il ne possède que 3 électrons célibataires. 

La formation de la quatrième liaison est rendue possible par la transformation du doublet non liant de l'atome d'azote.

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II

Vérification de la stabilité d'une entité chimique

Le schéma de Lewis d'une entité chimique permet d'interpréter sa stabilité.

On peut expliquer la stabilité d'une entité chimique en s'assurant que les atomes qui la composent respectent les règles du duet et de l'octet, qui sont une conséquence du remplissage de leur couche électronique externe.

Dans la molécule d'eau :

  • Chaque atome d'hydrogène respecte la règle du duet, en étant impliqué dans un doublet liant (2 électrons).
  • L'atome d'oxygène respecte la règle de l'octet, en étant impliqué dans deux doublets liants (soit 4 électrons) et en portant deux doublets non liants (soit encore 4 électrons).
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III

Les lacunes électroniques

Dans certaines entités chimiques, des atomes peuvent porter des lacunes électroniques.

Les atomes qui possèdent moins de quatre électrons de valence n'ont pas un nombre suffisant d'électrons célibataires pour former les liaisons qui leur permettraient de compléter leur couche électronique et respecter la règle de l'octet. Pour acquérir une configuration électronique stable, il leur manque un ou plusieurs doublets électroniques, on dit qu'ils portent des lacunes électroniques, représentées par des rectangles vides.

Lacune électronique

On appelle « lacune électronique » une sous-couche électronique vide que peut posséder un atome dans une entité et qui lui empêche de respecter les règles du duet et de l'octet.

L'atome de bore _5^{11}\ce{B} possède 5 électrons, sa configuration électronique est donc 1s22s22p1. Cet atome possède donc 3 électrons célibataires. 

Il peut former trois liaisons covalentes, comme dans la molécule de borane, de formule \ce{BH3}.

-

Grâce à ces trois liaisons covalentes, la configuration électronique du bore dans le borane devient 1s22s22p4

Il manque donc encore deux électrons pour atteindre la configuration électronique stable 1s22s22p6, d'où l'existence d'une lacune électronique sur cet atome.

IV

Récapitulatif

Pseudo-schéma de Lewis d'un atome : il illustre le nombre d'électrons célibataires et de doublets non liants que possède un atome.

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Pseudo-schéma de Lewis d'une molécule il fait apparaître toutes les liaisons covalentes et les doublets non liants existants dans la molécule.

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Pseudo-schéma de Lewis d'un ion : il s'obtient de la même manière que celui d'une molécule, mais il faut tenir compte des électrons gagnés ou cédés, dont le nombre est indiqué par la formule de l'ion.

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Vérification de la stabilité d'une entité chimique : une entité chimique est stable si tous les atomes qui la composent respectent les règles du duet et de l'octet, soit :

  • l'atome d'hydrogène doit former seulement une liaison covalente ;
  • les autres atomes doivent être entourés de 4 doublets électroniques (liaisons covalentes ou doublets non liants).
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Lacune électronique : sous-couche électronique vide que peut posséder un atome dans une entité et qui lui empêche de respecter les règles du duet et de l'octet.

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