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Établir le schéma de Lewis et la géométrie d'une molécule

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Objectifs
  • Établir le schéma de Lewis de molécules à partir du tableau périodique.
  • Interpréter la géométrie d’une entité à partir de son schéma de Lewis.
Points clés
  • Les atomes, en réalisant des liaisons, partagent les électrons de leur couche de valence afin d’avoir la structure électronique stable des gaz nobles.
  • Le schéma de Lewis des atomes permet de trouver le schéma de Lewis de la molécule, par application de la règle de l’octet ou du duet.
  • Le schéma de Lewis d’une molécule permet de déterminer sa géométrie.
  • Le nombre de doublets liants et non liants permet de déterminer la géométrie d’une molécule simple.
Pour bien comprendre
  • Les règles du duet et de l'octet
  • Composition et neutralité d'un atome
  • La structure électronique d'un atome
  • La formule développée d'une molécule
1. La stabilité des entités chimiques

Les gaz nobles possèdent une très grande stabilité chimique : ils réagissent très peu avec d’autres éléments chimiques.

Cette grande stabilité est expliquée par la configuration électronique particulière de chacun de ces gaz nobles.

Le tableau ci-dessous montre la configuration électronique de 3 gaz nobles.

Nom Hélium Néon Argon
Symbole He Ne Ar
Configuration
électronique
1s2 1s22s22p6 1s22s22p63s23p6
Nombre d’électrons
dans l’atome
2 10 18

La couche de valence  de l’atome d’hélium () possède deux électrons de valence (duet) tandis que les couches de valence des atomes de néon () et d’argon () possèdent huit électrons de valence (octet).

Remarques
  • La configuration électronique d’un atome dans son état fondamental indique la répartition des électrons dans les couches et les sous-couches.
  • La couche de valence correspond à la dernière couche électronique  qui contient des électrons.
La règle de stabilité des atomes
Les atomes perdent, gagnent ou partagent des électrons de valence de manière à obtenir la même configuration électronique que celle des gaz nobles, c’est-à-dire une configuration électronique de valence en duet (telle que celle de l’hélium) ou en octet (telle que celle du néon ou de l’argon).
2. Le schéma de Lewis d'un atome et d'une molécule
a. La liaison chimique

Dans une molécule, les atomes mettent des électrons de valence en commun avec d’autres atomes afin d’obtenir la configuration électronique de valence en duet ou en octet.
La mise en commun de deux électrons de valence par deux atomes permet la réalisation d’une liaison chimique.

Le tableau suivant indique le nombre de liaisons chimiques que chaque atome doit réaliser pour respecter la règle du duet ou de l’octet. Ce nombre de liaisons dépend de la configuration électronique de l’atome étudié.

Atome Symbole Configuration électronique Nombre de liaisons chimiques
Hydrogène H 1s1 1
Carbone C 1s22s22p2 4
Azote N 1s22s22p3 3
Oxygène O 1s22s22p4 2
Chlore Cl 1s22s22p63s23p5 1
Exemple
L’atome d’Azote possède 5 électrons de valence (2 + 3). Pour respecter la règle de l’octet (8 électrons), il doit donc réaliser 3 liaisons chimiques, qui vont chacune lui permettre de gagner un électron.
b. Doublet liant ou doublet non liant ?

Dans une molécule, les atomes possèdent sur leur couche électronique de valence deux types de doublets électroniques (paquet de deux électrons).

  • Les doublets liants constituent les liaisons chimiques réalisées avec d’autres atomes.
  • Les doublets non liants appartiennent uniquement à l’atome.

Le tableau suivant indique le nombre de doublets liants et non liants que chaque atome doit réaliser pour respecter la règle du duet ou de l’octet.

Atome Symbole Nombre de doublets
liants
Nombre de doublets
non liants
Hydrogène H 1 0
Carbone C 4 0
Azote N 3 1
Oxygène O 2 2
Chlore Cl 1 3
Exemple
D’après le tableau de la partie II.A., l’atome d’azote possède 5 électrons de valence et doit réaliser 3 liaisons chimiques. Il partage donc trois de ses électrons avec d’autres atomes pour constituer 3 doublets liants.

Il lui reste donc 2 électrons sur sa couche de valence qui sont non partagés : il constituent un doublet non liant.
Remarque
L’atome doit soit posséder un seul doublet liant afin d’avoir la structure électronique stable en duet soit posséder quatre doublets liants ou non liants au total afin d’avoir la structure électronique stable en octet.
c. Le schéma de Lewis
Le schéma de Lewis d’un atome correspond à la représentation de la structure électronique externe de l’atome.
On schématise de la façon suivante l’atome.
  • Le noyau et les couches électroniques internes sont représentés par le symbole de l’élément.
  • Les électrons de la couche externe sont représentés par un point (•) s’ils sont célibataires ou par un tiret (–) s’ils forment un doublet non liant.
Électrons célibataires et liaisons entre les atomes

Le nombre d’électrons célibataires est égal au nombre de liaisons que doit réaliser l’atome avec d’autres atomes (doublet liant) afin d’avoir une configuration électronique de valence en duet ou en octet.

Atome Nombre d’électrons célibataires Nombre de doublets non liants Schéma de Lewis
Hydrogène 1 0
Carbone 4 0
Azote 3 1
Oxygène 2 2
Chlore 1 3
Remarque
Les atomes s’associent dans une molécule par une liaison simple, en mettant chacun en commun un électron célibataire.
Pour des liaisons multiples, ils mettent en commun deux (liaison double) ou trois (liaison triple) électrons célibataires.
Liaison simple Liaison double Liaison triple
Réalisation d’une liaison simple, double ou triple
La représentation des doublets électroniques
Le schéma de Lewis d’une molécule correspond à la représentation des atomes qui constituent la molécule et de leurs doublets liants et non liants.
On représente un doublet liant par un tiret entre les deux atomes liés, et un doublet non liant par un tiret à côté de l’atome.
Exemples
Représentation de la molécule de méthanol CH4O.
Représentation de la molécule de dioxyde de carbone CO2.
Remarque
Un atome peut réaliser une liaison simple (représentée par un tiret), double (représentée par deux tirets) ou triple (représentée par trois tirets) avec un autre atome.
3. La géométrie d'une entité chimique

On obtient la géométrie d’une entité à partir de son schéma de Lewis.

Pour une molécule composée d’un atome central lié aux autres atomes de la molécule, la géométrie dépend du nombre d’atomes liés et du nombre de doublets non liants de l’atome.
Les doublets d’électrons de la couche de valence s’écartent en effet au maximum les uns des autres pour former des figures géométriques simples.

Nous allons voir des exemples de géométries de quelques molécules.

Molécule Méthane
CH4
Ammoniac
NH3
Eau
H2O
Nombre d’atomes liés à l’atome central 4 3 2
Nombre de doublets non liants 0 1 2
Géométrie de la molécule Tétraédrique Triangulaire Coudée
Représentation de la molécule
Schéma de Lewis

Une molécule peut ainsi avoir une géométrie linéaire, coudée, triangulaire, ou tétraédrique.

  • Molécule linéaire : un atome central est lié à deux atomes, les trois atomes étant alignés.
  • Molécule coudée : un atome central est lié à deux atomes, les trois atomes formant un coude.
  • Molécule pyramidale : un atome central est lié à trois atomes.
    L’atome central est au sommet d’une pyramide et les trois autres atomes sont aux sommets de la base triangulaire.
  • Molécule tétraédrique : un atome central est lié à quatre atomes.
    L’atome central est au centre d’un tétraèdre et les quatre autres atomes sont aux sommets du tétraèdre.

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