ARTheque - STEF - ENS Cachan | Déficiences et apprentissage de modèles de représentations de Lewis

DEFICIENCES ET APPRENTISSAGE DE

MODELES DE REPRESENTATIONS DE LEWIS

J.

QUILES et

R.

LLO PIS

I.C.E. Université Polltechnlque de Valence (Espagne)

MOTS CLEFS :

CHIMIE, MODELES, APPRENTISAGE, REPRESENTATIONS, LEWIS. CHEMISTRY, MODELS, LEARNING, REPRESENTATIONS, LEWIS.

RESUMÉS:

La représentation de structures de Lewis est une aptitud que tout étudiant qui achève un cours de chimie générale doit posséder. Cela lui permettra une meilleure compréhension des concepts tels que résonnance, géométrie molléculaire, acidité ••. Nous présentons une étude de comment les étudiants qui ont achevé un cours de chimie au niveau de la Terminale (élèves de le année d'Université) ont assimilé ce concept. Nous proposons un procédé systématique de détermination des structures de Lewis qui tente d'ameloirer les déficiences tradicionnelles observées.

Finalement, nous présenterons les résultats que nous avons obtenus au moyen de l'utilisation de ce modèle.

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The representation of the Lewis structures is a skill which every student who completes a General Chemistry course should know. This allo''''s a better understanding of concepts such as: resonance, molecular geometry, aciditJ

We present a stJdy of how the students understand this concept when they have just started university, and we propose a systematic procedure ot determining Lewis structures which tend ta improve the traditional deficiencies we have observed. We also present the results obtained after using our model.

1. INTRODUCr ION

L'importance de l'utilisation des modèles et les difficultés de l'apprentissage de la modélisation on été récemment signalées par Martinand (1986). Dans le présent travail on présente un modèle didactique qui tente d'ameliorer les processus enseignement/apren-tissage dans un cas concret: la représentation de structures de Lewis.

Malgré son impor tance, de nombreux tex tes de ch imie généra le n' appor ten t pas de système fac ire pour l'apprentissage de la représentation de structures de Lewis, neligent la simplicite en faveur d'une emphase excessive par l'introduction et le développement des théorles de la mécanique quantique en cours élémentaire de chimie. Le manque de sy s téma tisa ti on font que de nombreux é tudian ts ont des dlfficul tés pour représenter des molécules et des ions polyatomiques au moyen de diagrammes de Lewis.

Des travaux comme ceux de Lever (1972), Clark (1984), Zandler et Talaty (1984) reconnaissent l'importance de la représentation des structures de Lewis et la difficulté qu'elle entraine pour les étudiants. Dans ces travaux, on emploie la règle dite "6N .. 2" dont l'application facilite la représentation des structures de Lewis, mais sans en expliquer les raisons, créant des difficultés de compréhension. Certains livres proposent des règles simples mais trop limitées (Masterton et d'autres.. 1984; Rusell 1985) ou trop compliquées, difficiles à mémoriser (Jolly 1977).

Dans une étude que nous avons realisée avec des étudiants de la première année d'Université ayant passe la chimie du BAC, et qui de ce fait devraient théoriquement posséder la représentation des structures de Lewis, on obtint les conclusions suivantes:

a) La plupart des étudl,,,,ls sont capables d'assigner une st('ucture d.. Lewis correcte à des molécules simples, dans lesquelles il n'existe pas de liaisons multiples ou l'atome centrsl n'amplifie pas l'octet.

b) Le premières difficultés surgissent lorsqu'il existe des liaisons multiples. Il existe un nombre élevé de cas dans 1~~4uels on écrit un nombre de liaisons inférieur à celui souhaité et dans de nombreuses occasions on trouve l'un des atomes entouré d'un nombre inférieur à huit électrons.

c) Le choix de l'atome central se fait généralement de façon

incorrecte.

d) Le nombre d'électrons assignés aux cations et anions est en général également incorrect.

e) Le comp te des charges formelles ni est pas réalisé.

f) La représ~nta tion de molécules et d'ions dans lesquelles l'atome central amplifie l'octet n'est pas correcte dans la plupart des cas.

Afin de tenter d'améliorer les déficiences observées on propose un procédé de représentation de structures de Le"lls, basées sur l'aplication directe de la règle de l'octet dans lequel on systématise de façon rationnelle les divers passages qui doivent etre franchis jusqu'à la reprèsentation finale d~ la structure de Lewis recherchée.

II. REPRÉSENTATION DE STRUCTURES DE LEWIS: PROCESSUS GÉNÉRAL

Ce processus est decrit au moyen de son aplication à quatre -2

exemples: CC1

4, CO2, S04 ,PCIS'

Exemple: CC1 4

a) On calcule le nombre total d'electrons correspondant à chacune des couches de valence des atomes impliqués:

(4 x 27) (Cl) + 4 (C) 32

:5'il s'agit d'un ion on ajoutera un nombre d'electrons égal à sa charge:

OH-: 6 + 1 + l : 8

Dans le cas d'un cation on soustrait un nombre d'electrons égal à sa charge:

5 + ( 4 x l )

-(N) (H)

b) On détermine le nombre d'électrons nécessaires pour que tous les

atomes completent l'octet:

5 atomes x 8 électrons/atome ~ 40 électrons

En cas d'existence d'atomes d'hydrogène on assignera à chacun de

ces atomes 2 électrons, au lieu de 8.

c) On calcule le nombre d'électrons de liaison (b-a):

Comme nous aVOns besoin de quarante électrons et que nous ne disposons que de 32 nous devrons mettre en commun: 40-32 8 électrons.

d) On situe chacun des éléments autour

l'atome central: Cl

Cl

C

Cl Cl

Géneralement, dans des molécules de type AB, l'atome Aoccupe la plupart du temps la position centrale. Pourtant, B sera l'atome

central si sa covalence est supérieure à celle de A. Par exemple,

N

20 est N N

a

et non pas NON. A covalence égale, l'atome central

aura la taille la plus grande (si tué plus bas dans le Tableau Périodique des Eléments). Un raisonnement analogue nous fourmi t l'atome central dans des molécules polyatomiques, Font exception à cette régIe les oxacides des halogènes et leurs oxanions qui ont comme atome central l'halogène.

e) On calcule le nombre de régions de liaison. Chaque région correspond à la zone d'union entre deux atomes. Dans notre exemple, l'atome de carbone serâ uni à quatre atomes de chlore de sorte que le nombre de règions de liaison sera quatre.

fi On trouve le nombre d'électrons "liaison ft" ( chaque pa i re correspond à une liaison simple). C'est ègal à deux fois le nombre de règlons de liaison existant dans la molécule, puisqu'à chaque liaison correspondent deux électrons:

4 x 2

g) On dessine les liaiaons simples:

8 électrons Cl 1 C l - C Cl 1 Cl

h) On détermine le nombre d'électrons "liaison '" Au ças on ils existeraient, certaines lisisons simples écri tes dans le paragraphe "g" devraient etre multiples (doubles on triples) Leur calcul est donné par la différence du nombre total d'électrons en commun et du nombre d'electrons "liaison

'Ti

"(c - f) : 8 - 8

=

0

i) On calcule le nombre total d'électrons non unis en comun

(a - c) : 32 - 8 = 24

j) On distribue les électrons non unis en commun de sorte que chaque atome atome suive la régle de l'octet.

Example 2: C02

.ëil

1 IC1- C 1

'9'

CIl

Les memes calculs que ci despus conduisent

a 16 e 2

b 24 f 4 électrons qui correspondent a deux llaisons

c 8 (24

-

16) simples

d 0 C 0 g 0

-

C

-

0

h 8

-

4 4 électrons liaisons. I l existe 2 possibil ités: 2

liaisons doubles on une triple:

2 liaisons doubles: 0

=

C

=

0

- 1 liaison triple: 0 - C:= 0 ou bien 0 : : C - 0

Les deus structures qui comportent un triple liaison possèdent un contenu énergétique supérieur quisqu'elles possédent des oxygéne avec une charge formelle différente de zéro, ce qui leur conférence une plus grande instabili té. La structure qui possède deux doubles 1iaisons est plus stable puisque chaque oxygène forme deus llaisons, possédant toutes deux une charge formelle nulle (énergie

mininldle) : Cf

=

G - 2 PS - E

où: Cf = Charge formelle de l'atome; G

=

Groupe auquel appartient l'atome; PS

=

Nombre de paires d'electrons solitaires; E

=

=

Nombre de liaisons covalents qu'il a formèes.

Réduction des charges formelles moyennant l'augmentation du nombre de doublets.

Dans certains cas, des structures de Lewis qui obéissent à la règle de l'octet possédent des atomes avec d~~ charges formelles, qui peuv"nt se réduire en écrivant une autre structure de Lewis dans

1-laquelle l'atome cen tral possede pl us d'un oc tet : (50.. POC1₃'

SOC1

2, etc.). Ce nouveau diagramme représente mieux l'espèce chimique

considérée.

Composés qui ne suivent pas la règle de l'octet.

Dans ces cas, l' algori thme employé doi t subir de légères modifications. L'élève qui aura assimilé le processus général de représentation de structures de Lewis pourra dèceler ses limitations et le modifier d'une façon adégnate. En géneral, la représentation de ces molécules peut se réaliser en suivant les étapes suivantes:

bample 4:

1) Détermination du nombre total d'électrons de la couche de valence:

5 (P) + (5 x 7) ( d ) 40

2) Situation de chacun des éléments autour de l'atome central et dessin d'autant de liaisons simples que de régions de liaison existantes

Cl Cl P Cl Cl Cl

3) A chacun des atomes qui entourent l'atome central, ou lui fait remplir la règle de l'octet, ce pour quoi on assigne à chacun d'eux six électrons solitaires (rappelons que les deux autres électrons son ceux qui correspondent à la liaison covalente qu'ils forment avec l'atome central):

lëil

ëil

ni d'électrons de liaison: 10

1

....-'9

-

P

_9'

ni délectrons solitaires : 30

1

'S'

TOTAL. .•• , .•••••• 40

4) Calcul du nombre d'électrons totaux existant dans la représentation obtenue dans le paragraphe précédent. Si le chiffre calculé est égal au nombre d'électrons de la couche de valence, le processus sera achevé. Dans ce cas, la structure de Lewis du PC1

5 sera celle représentée dans le paragraphe 3.

d'électrons distribués dans le paragraphe 3, cela signifie qu'il existe encore des é1eecrons non sttibués à aucun atome. Ceuxci seront des paires electroniques solitaires dans l'atome central.

III. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

CLARK, T.J., 1984, Another procedure for .,·,ting Lewis structures, J .Chem. Educ., 61,100.

JOLLY, W.L., 1977, Principios de Quimica Inorganica (Mc GRAW-HILL: México)

LERVER, A.B.P., 1972, Lewis structures and the octet rule, J. Chem. Educ., 49, 819-821.

MARTINAND, J .L., 1986, Ensei'lanza y aprendizaje de la modelizaciôn Ensenanza de las Ciencias, 4(1) 45-50.

MASTERTON, W.L., SLOWINSKI, E.J. et STANITSKI, C.L., 1984, Qu!mica General Superior (Interamericana: Madrid.

RUSSELL, J.B., 1985, Qu!mica General (Mc GRAW-HILL: Bogotâ).

ZANDLER, M.E. y TALATY, E.R., 1984, The "6N .. 2 ru1e" for writing Lewis octet structures, Jo~rnal of Chemical Education, 61, 124-127.