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RAPPELS : DE L’ATOME AUX EDIFICES CHIMIQUES

Les règles du duet et de l'octet
Objectif : L'univers qui nous entoure est constitué d'une multitude d'espèces chimiques sous forme d'atomes, d'ions, de molécules... Les espèces chimiques restent rarement des atomes isolés. Quelles sont les règles à la base de la formation des molécules ou des ions ?


  1. Etude des gaz rares ou nobles


Les atomes des gaz rares sont regroupés dans la dernière colonne du tableau périodique. Dans la nature et dans les conditions normales de température et de pression, ils existent sous forme de gaz. On dit qu'ils sont rares car en faible proportion dans l'atmosphère terrestre.

Leur structure électronique met en évidence une couche externe saturée. Pour cette raison, ces gaz nobles restent à l'état atomique car ils possèdent une grande stabilité du fait de leur configuration électronique : ils n'ont pas besoin de gagner ou de perdre des électrons. On dira qu'ils sont chimiquement inertes ou qu'ils possèdent une grande inertie chimique.





  1. Règle du duet


L'hélium possède une structure en duet car sa couche externe K est saturée avec 2 électrons.
Au cours des réactions chimiques, les atomes dont le numéro atomique est proche de celui de l'hélium (Z=2) cherchent à adopter sa structure en duet soit en perdant ou en gagnant des électrons (formation d'ions), soit en réalisant des liaisons covalentes (mise en commun d'électrons) avec d'autres atomes (formation de molécules).


  1. Règle de l'octet


Le néon, l'argon... ont leur couche externe saturée avec 8 électrons. On dit qu'ils ont une structure en octet.
Au cours des réactions chimiques, les atomes dont le numéro atomique est proche de celui de ces gaz rares, cherchent à adopter leur structure en octet soit en perdant ou en gagnant des électrons, soit en réalisant des liaisons avec d'autres atomes.
L'essentiel

Pour être stable un élément chimique (Z<18 en classe de seconde) doit céder, capter ou mettre commun des électrons afin d'adopter une structure en duet (couche externe K saturée) ou une structure en octet (couche externe L, M saturée).

Application aux ions monoatomiques
Objectif : L'atome de chlore n'existe pas seul dans la nature. Par contre, on trouve des ions chlorure dans l'eau de mer. Pourquoi et comment certaines espèces s'ionisent-elles ?


  1. Prévision de la charge des ions monoatomiques


D'après les règles du duet et de l'octet, un atome cherche à obtenir la configuration électronique (le nombre d'électrons perdu(s) ou gagné(s) doit donc être minimal). du gaz rare qui lui est le plus proche. Dans ces conditions, un atome peut donc perdre ou gagner des électrons afin d'arriver à ses fins

  • un atome qui aura gagné des électrons sera un anion de charge négative (excès d'électrons par rapport aux protons)

  • un atome qui aura perdu des électrons sera un cation de charge positive (excès de protons par rapport aux électrons).

Le nombre d'électrons perdu(s) ou gagné(s) constituera cette charge puisqu'un atome est toujours électriquement neutre.

2. Cas de l'atome de chlore
3. Cas de l'atome d'aluminium
L'essentiel

Un atome cherche à adopter la structure électronique externe du gaz rare qui lui est le plus proche, au cours d'une réaction chimique.
Il peut y avoir transfert d'électrons entre atomes et formation d'ions.

Application aux molécules
Objectif : On a souvent tendance à affirmer qu'il y a de l'oxygène dans l'air. Le chimiste corrige en énonçant qu'il s'agit de dioxygène. Pourquoi l'oxygène n'est-il pas stable sous forme d'atome isolé et pourquoi entre-t-il dans la composition d'une molécule ?


  1. La liaison covalente


Les règles du duet et de l'octet impliquent qu'un atome cherche à acquérir la configuration du gaz rare qui lui est le plus proche.
Pour réaliser cet objectif, il peut y avoir transfert d'électrons avec d'autres atomes (ionisation) mais il peut également y avoir partage d'un ou de plusieurs électrons externes avec d'autres atomes. Dans une liaison covalente entre deux atomes, chaque atome met en commun un électron. Ainsi, les deux électrons de la liaison appartiennent à chacun des atomes liés.


  1. Formation de molécules


Lors de la formation de molécules à partir d'atomes isolés, on commence par définir la structure électronique de chaque atome. Une fois les couches externes identifiées, il faut définir le nombre d'électrons manquants pour que chaque atome respecte la règle du duet ou de l'octet.
Le nombre d'électrons manquants correspond ainsi au nombre de liaisons que l'atome doit faire pour respecter ces règles.

3. Exemples
Cet atome est constitué de Z = 17 protons donc 17 électrons. Son noyau contient également 18 neutrons car son nombre de nucléons est : A = 35.
La répartition électronique est donc : (K)2 (L)8 (M)7.
La couche externe est la couche M : elle contient 7 électrons périphériques.


Pour arriver à ses fins, l'atome de chlore doit donc gagner un électron. Il doit donc former une liaison covalente dans une molécule pour être stable.

Cet atome est constitué de Z = 6 protons donc 6 électrons. Son noyau contient également 6 neutrons car son nombre de nucléons est : A = 12.
La répartition électronique est donc : (K)2 (L)4.
La couche externe est la couche L : elle contient 4 électrons périphériques.


Pour arriver à ses fins, l'atome de carbone doit donc gagner quatre électrons. Il doit donc former quatre liaisons covalentes dans une molécule pour être stable.

 

L'essentiel

Un atome cherche à adopter la structure électronique externe du gaz rare qui lui est le plus proche, au cours d'une réaction chimique. Il peut y avoir échange et partage d'électrons au sein de liaisons covalentes entre atomes et formation de molécules.

De l'atome aux édifices chimiques
Objectifs : La stabilité (ou état stable) des espèces chimiques constitue un des grands principes de la chimie et même de la vie quotidienne. Pour y parvenir, les atomes se transforment en ions monoatomiques ou s'associent pour former des édifices parfois complexes : les molécules.
Les règles du « duet » et de « l'octet » permettent d'expliquer et de prévoir la formation de ces édifices.
Quelles sont les représentations qui permettent de visualiser les molécules ?
Les propriétés physico-chimiques des espèces dépendent de leur formule mais aussi de leur géométrie.


  1. Les ions monoatomiques


2. Les molécules

   

3. Représentations des molécules
- La molécule de méthane :

 

 

L'essentiel

Un atome qui a perdu des électrons est un ion monoatomique positif appelé cation.
Un atome qui a gagné des électrons est un ion monoatomique négatif, appelé anion.

Une molécule est un ensemble d'atomes liés entre eux par des liaisons covalentes.
La liaison covalente est une mise en commun d'un ou plusieurs électrons externes provenant de chaque atome composant une molécule.

Deux molécules ayant même formule brute mais des formules développées ou semi-développées différentes sont des isomères de constitution.

La représentation de Lewis permet de visualiser l'enchaînement des atomes dans un plan et les doublets non liants, ainsi que de prévoir la structure des atomes mais ne donne aucune information sur sa géométrie.

La représentation de Cram donne une image de la géométrie de la molécule.

Formules développées et semi-développées. La notion d'isomérie
Objectif : L'éthanol et le méthoxyméthane ont la même formule brute. Pourtant, ces espèces chimiques n'ont pas les mêmes propriétés et n'appartiennent pas à la même famille chimique. Dans ce cas, comment faire pour les distinguer ?


  1. Les formules d'une molécule


La formule brute donne la nature et le type d'atomes présents dans la molécule. Elle ne donne aucune indication sur l'enchaînement des atomes et la structure de la molécule. Il est donc nécessaire d'utiliser d'autres formules pour décrire l'enchaînement.

La formule développée remplit ce rôle. Elle permet de visualiser toutes les liaisons de la molécule ainsi que tous les atomes. Contrairement à la représentation de Lewis, elle ne fait pas état des doublets non liants.
Cependant, il est parfois commode d'utiliser une formule semi-développée qui reprend l'enchaînement décrit par la formule développée sans toutefois représenter les liaisons entre un atome (carbone, azote, oxygène..) et l'atome d'hydrogène.



  1. Isomérie


Considérons la formule brute C2H6O. Il est possible d'écrire deux formules semi-développées associées à cette formule brute :

Les deux enchaînements sont réellement différents : ce sont deux molécules qui ont seulement en commun la formule brute, ce sont des isomères. Elles n'ont pas les mêmes propriétés physiques et chimiques.


L'essentiel

La représentation de Lewis n'est pas nécessaire pour visualiser l'enchaînement des atomes d'une molécule : une formule développée ou même semi-développée suffit. On peut ainsi identifier des isomères qui possèdent la même formule brute mais des formules développées différentes.

Représentation de Lewis de quelques molécules
Objectif : La formule brute d'une molécule ne donne aucune indication sur l'enchaînement des atomes ou sur la répartition des différents doublets électroniques. Comment le chimiste procède-t-il ?


  1. Convention de représentation


La représentation de Lewis permet à chacun de représenter sur un plan, l'enchaînement des atomes, les liaisons covalentes entre eux ainsi que les doublets non liants. Il suffit de suivre un certain nombre d'étapes avant d'accéder à la représentation :

  • Dissocier tous les atomes ;

  • Donner la configuration électronique de tous les atomes séparés ;

  • Repérer combien chaque atome doit réaliser de liaisons covalentes ;

  • Faire la somme de tous les électrons externes ;

  • Calculer le nombre de doublets à répartir sur la molécule en divisant le nombre d'électrons externes par deux ;

  • Répartir les doublets de la molécule en doublets liants (liaisons covalentes) ou en doublets non liants.

Bien entendu, l'édifice chimique imaginé doit être électriquement neutre et chaque atome doit y respecter les règles du duet ou de l'octet. Pour se faire, on peut utiliser des liaisons multiples (doubles liaisons covalentes ou triples liaisons entre atomes).

  1. Représentation de quelques molécules simples


• Soit la molécule de dihydrogène H2 :

Elle est constituée de deux atomes d'hydrogène qui contiennent chacun un électron. La répartition électronique est donc : (K)1 ce qui signifie que pour être stable un atome d'hydrogène doit respecter la règle du duet.
ll y a donc en tout 2 électrons externes sur la molécule soit 1 doublet à répartir soit 1 liaison covalente :

• Soit la molécule de chlorure d'hydrogène HCl :
L'atome de chlore doit respecter la règle de l'octet et faire une liaison covalente (voir sa structure électronique) et l'hydrogène doit respecter la règle du duet (voir exemple précédent).

• Soit la molécule d'eau H2O :
L'oxygène doit faire deux liaisons covalentes (voir sa structure électronique) et respecter la règle de l'octet.

• Soit la molécule de dioxygène O2 :

Elle contient deux atomes d'oxygène qui ont chacun 6 électrons externes. Il y a donc en tout 12 électrons externes à répartir soit 6 doublets. Chaque atome d'oxygène doit de plus réaliser deux liaisons covalentes pour respecter la règle de l'octet :
D'autres molécules à connaître :
L'essentiel

La représentation de Lewis décrit l'enchaînement des atomes, les liaisons covalentes et les doublets non liants de l'édifice moléculaire.

La géométrie de quelques molécules. La représentation de Cram
Objectif : On dit que la matière est constituée de vide. Pour le vérifier, étudions en détail les molécules et leur représentation dans l'espace.
Comment s'organise l'enchaînement d'atomes dans les différentes dimensions spatiales  et comment peut-on effectuer une représentation sur une simple feuille ?


    1. La géométrie de quelques molécules


La représentation de Lewis permet de visualiser l'enchaînement des atomes, les liaisons et les doublets non liants mais ne prévoit pas la géométrie de l'édifice chimique.

En effet, les doublets liants et non liants (négatifs) se repoussent de manière à ce que l'édifice chimique soit le plus stable possible. Ainsi, 4 doublets vont toujours se disposer au sein d'un tétraèdre. Ceci permet de représenter dans l'espace, des molécules comme celle du méthane, de l'ammoniac et de l'eau :
Le méthane a une forme tétraédrique, l'ammoniac, une forme pyramidale et l'eau une forme coudée plane.

Plus il y a de doublets liants, plus l'angle entre l'atome au centre du tétraèdre et deux atomes d'hydrogène augmente : les doublets non liants repoussent donc fortement les doublets liants.

    1. Représentation de Cram


Il faut se rendre à l'évidence : à moins d'être expert en perspectives, il semble parfois délicat de représenter des molécules. Le chimiste dispose alors de la représentation de Cram.

Il coupe sa molécule par un plan qui contient un maximum de liaisons. Après avoir repéré les liaisons en avant du plan et celles en arrière du plan, il suit les conventions suivantes :

Les liaisons situées :
L'essentiel

La représentation de Lewis a ses limites. Une molécule est un ensemble géométrique qui occupe l'espace du fait des répulsions entre doublets d'électrons. Lorsque cette règle est connue, il est possible d'utiliser la représentation de Cram afin de reproduire sur le papier une vue dans l'espace de la molécule.



M. DESERT M54 CHIMIE GENERALE BTS VO

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