GÉOMÉTRIE DES MOLÉCULES
Objectif :
Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de modélisation pour prévoir la géométrie d’une molécule.
Compétences travaillées : ANA : Exploiter des observations REA : Mettre en œuvre un protocole.
VAL : valider ou infirmer une hypothèse Notions : - Constitution de l’atome
- Cortège électronique
PROBLÉMATIQUE
La matière qui nous entoure est constituée d’atomes qui peuvent s’assembler pour former des molécules.
Comment décrire l’agencement des atomes dans une molécule ? Comment représenter une molécule ? Comment rendre compte de la géométrie d’une molécule à partir de sa représentation ?
DOCUMENTS À DISPOSITION Document 1 : Configuration électronique et électrons de valence
En 1913, le physicien danois Niels Bohr propose un nouveau modèle atomique, dans lequel les électrons du cortège électronique d’un atome, dans son état le plus stable, appelé état fondamental, se répartissent dans des couches électroniques, désignées par un nombre entier n. Chacune d’entre elles est divisée en sous-couches contenant un nombre limité d’électrons. Les électrons remplissent progressivement les couches, de la moins énergétique à la plus énergétique. La répartition des électrons d’un atome dans son état fondamental sur ces couches et
sous-couches correspond à la configuration électronique de l’atome.
Pour les atomes ayant au plus 18 électrons, les couches associées aux nombres n = 1, 2 et 3 comportant des sous-couches s et p suffisent.
Couche Sous-couche Nombre maximal d’électrons
1 1 s 2
2 2 s 2
2 p 6
3 3 s 2
3 p 6
Document 2 : Stabilité et gaz nobles
La stabilité chimique des gaz nobles est due à leur configuration électronique. L’hélium a 2 électrons sur la couche de valence, le néon et l’argon en ont 8.
Pour des raisons de stabilité, un atome tend à acquérir la structure électronique du gaz noble qui est le plus proche de lui dans le tableau périodique. Pour acquérir cette structure, l’atome peut soit se transformer en ion, soit établir des liaisons de valence au sein d’une molécule.
Document 3 : Schéma de Lewis d’une molécule Le schéma de Lewis est une
représentation plane.
Il rend compte de la répartition des électrons de valence dans les molécules. Sur ce schéma, figurent :
• les doublets d’électrons non liants ;
• les doublets d’électrons liants.
https://www.youtube.com/watch?v=bmV-Tbv2Me8 Document 4 : Webographie
• http://chimie.ostralo.net/structure_electronique/
• http://chimie.ostralo.net/entites_chimiques/
• http://sciences-physiques-moodle.ac-orleans-tours.fr/moodle/pluginfile.php/3348/mod_resource/content/4/index2-jsmol.htm
Document 5 : Modélisation des molécules
Dans un modèle moléculaire, chaque atome est modélisé par une boule, de couleur et de taille déterminées. Afin de modéliser des molécules, ces boules peuvent être liées entre elles par des tiges modélisant les liaisons entre les atomes. Ces modèles ne sont qu’une représentation simplifiée de la réalité, et en facilitent la compréhension.
Boîte de modèles moléculaires avec les couleurs conventionnelles suivantes :
Document 6 : Utilisation du logiciel ChemSketch
Document 7
TRAVAIL À RÉALISER
De l’atome à la molécule
1. ANA : Compléter le tableau suivant :
Atome H C N O Cl
Numéro atomique Z 1 6 7 8 17
Répartition électronique Nombre nV d’électrons de
valence
Nombre nL de doublets liants
Nombre nN de doublets non liants : nN = nV−nL
2 Schéma de Lewis de
l’atome
2. REA : À l’aide du tableau précédent, donner les représentations de Lewis des molécules suivantes :
Nom Chlorure d’hydrogène Dichlore Dioxygène
Formule brute HCl Cl2 O2
Représentation de Lewis
Nom Diazote Eau Ammoniac
Formule brute N2 H2O NH3
Représentation de Lewis
Nom Méthane Acide hypochloreux Dioxyde de carbone
Formule brute CH4 HOCl CO2
Représentation de Lewis
Nom Acide cyanhydrique Méthanal Acide nitreux
Formule brute HCN OCH2 HNO2
Représentation de Lewis
3. REA : A l’aide des modèles moléculaires, construire en modèle éclaté les molécules de méthane, d’ammoniac
et d’eau.
4. VAL : Quelle géométrie adoptent les molécules étudiées ? Est-il possible d’expliquer la géométrie de chaque molécule, en considérant la répartition des doublets d’électrons autour de l’atome central ?
Géométrie des molécules
5. REA : A l’aide du logiciel Chemsketch, construire les molécules suivantes : méthane, ammoniac, eau, dioxyde de carbone et méthanal.
6. ANA : Pour chaque molécule, examiner la disposition des atomes autour de l’atome central, puis choisir un qualificatif parmi ceux proposés ci-dessous pour rendre compte de la géométrie de chaque
molécule : linéaire, coudée, pyramidale, triangulaire, tétraédrique.
7. VAL : Vos résultats sont-ils en accord avec ceux de la question 4 ? Expliquer comment la présence de
doublets non liants influence la géométrie d’une molécule et en déduire la nécessité de la représentation de Lewis pour établir la géométrie d’une molécule.
Allons plus loin :
I- Le schéma de Lewis d’ions.
8. Rappeler ce qu’est un ion, un ion monoatomique, un ion polyatomique, un anion, un cation.
9. L’ion chlorure en solution est particulièrement stable : donner en une explication.
10.A partir des schémas de Lewis des ions hydroxyde et oxonium, proposer une explication à la charge portée par l’atome d’oxygène dans chacun de ces ions.
11. Proposer un schéma de Lewis de l’ion ammonium NH4+, l’ion phosphate PO43-, l’ion thiosulfate S2O32-.
II. Lacune électronique :
Dans le livre p 86, on peut lire ceci : « Dans le borane, de formule BH3, le bore ne forme que trois liaisons covalentes. Il lui manque un doublet d’électrons pour s’entourer de huit électrons et porte donc une lacune électronique ».
12.Expliquer ce schéma et le terme « lacune électronique » :
13.Proposer le modèle de Lewis de AlCl3 et préciser s’il y a présence d’une lacune électronique. Justifier.
