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Représentation de Lewis d'un atome et d'une molécule

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Introduction :

En biologie, il est souvent question de la forme adoptée par certaines molécules.
Par exemple, la molécule d’ADN a une structure en double hélice, mise en évidence par un cliché en rayons X réalisé par Rosalind Franklin en 1953 et dont l’interprétation a ensuite été publiée par James Watson et Francis Crick.

La géométrie d’une molécule est due principalement à la disposition spatiale des liaisons covalentes et des électrons non liés, c’est-à-dire l’arrangement des électrons constituant la couche de valence de chaque atome.

Ce chapitre présente la représentation de Lewis des atomes, des molécules et des ions, schématisant l’arrangement et l’état de la couche de valence de chaque atome.
Une méthode permettant de prévoir la géométrie de petites molécules connaissant leur représentation de Lewis est aussi explicitée.

Formation des ions et des molécules

La formation d’un ion ou d’une molécule remplit des critères de stabilité liés à la complétion des couches de valence des atomes concernés.

Électrons de valence

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Rappel

Le cortège électronique d’un atome est constitué de couches, correspondant à des niveaux d’énergie croissante.

  • Plus la couche sur laquelle se trouve un électron est à un niveau élevé, moins celui-ci est lié au noyau.
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Définition

Électrons de valence :

Les électrons de valence d’un atome constituent la couche externe de son cortège électronique. Ces électrons sont les moins liés au noyau.

  • En fonction de la place d’un élément dans le tableau périodique, on peut déterminer le nombre d’électrons de valence qu’il possède, et le niveau auquel ils se trouvent.

Le tableau ci-dessous présente le nombre d’électrons de valence (entre parenthèses) des atomes des éléments des trois premières lignes du tableau périodique. La première colonne indique la couche de valence (11, 22 ou 33).

Couche 11 (1)\text{H}\ (1) He (2)\text{He}\ (2)
Couche 22 Li (1)\text{Li}\ (1) Be (2)\text{Be}\ (2) (3)\text{B}\ (3) (4)\text{C}\ (4) (5)\text{N}\ (5) (6)\text{O}\ (6) \text{F}\ (7) Ne (8)\text{Ne}\ (8)
Couche 33 Na (1)\text{Na}\ (1) Mg (2)\text{Mg}\ (2) Al (3)\text{Al}\ (3) Si (4)\text{Si}\ (4) P(5)\text{P} (5) (6)\text{S}\ (6) Cl (7)\text{Cl}\ (7) Ar (8)\text{Ar}\ (8)

Conditions de stabilité

La configuration la plus stable pour un atome correspond à une couche externe entièrement remplie, soit :

  • 22 électrons s’il s’agit de la première couche ;
  • 88 électrons, formant 44 paires, s’il s’agit d’une autre couche.
  • Cette configuration optimale est celle des gaz rares.

Afin de remplir cette condition, un atome peut :

  • céder un électron ou deux, par exemple les ions sodium Na+\text{Na}^+ et magnésium Mg2+\text{Mg}^{2+} ;

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule magnésium cation Atome de magnésium et cation

  • capter un électron, par exemple l’ion fluorure F\text{F}^- ;

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule fluor anion Atome de fluor et anion

  • partager des électrons avec d’autres atomes, par exemple dans la molécule d’eau.

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule eau Molécule d’eau

Sur les schémas ci-dessus, les électrons sont placés sur des « orbites » autour du noyau, représentant les différentes couches ou niveaux d’énergie.

Représentation de Lewis

La représentation de Lewis consiste à schématiser l’état des électrons de valence d’un atome ou d’une molécule.

Cas des atomes et ions monoatomiques

La couche de valence est complète lorsqu’elle contient 88 électrons, soit 44 paires (ou 11 paire pour la première couche).

Pour construire la représentation de Lewis, on place donc les électrons de valence, un par un :

  • les quatre premiers sont isolés ;
  • les suivants forment des paires avec les électrons déjà placés ;
  • si plus de la moitié des électrons de valence manquent, dans le cas d’un cation, chaque paire manquante représente une lacune électronique.
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À retenir

Les électrons de valence d’un atome sont représentés de la manière suivante :

  • un point par électron non apparié ;
  • un trait par paire d’électrons, si la couche externe est plus qu’à moitié remplie ;
  • un rectangle par paire d’électrons manquants, ou lacune électronique, le cas échéant.
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Exemple

Le tableau ci-dessous regroupe les représentations de Lewis de quelques atomes et ions.
Les deux premiers exemples montrent une représentation « orbitale » intermédiaire.

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule

Cas des molécules et ions polyatomiques

Dans une molécule, les liaisons covalentes sont créées par les électrons de valence non appariés de chaque atome.

  • Si un atome a deux électrons de valence non appariés (comme par exemple l’atome d’oxygène), il peut former deux liaisons simples ou une liaison double.
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À retenir

Dans une molécule, les traits représentent les liaisons covalentes et les doublets d’électrons non liants. Un atome dont la couche de valence est incomplète présente une lacune électronique, représentée par un rectangle.

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Exemple

Le tableau ci-dessous regroupe les représentations de Lewis de quelques molécules et ions.

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule

Dans les ions polyatomiques, il est courant d’indiquer quel atome porte la charge.

  • La charge négative de l’ion hydroxyde HO\text{HO}^- est portée par l’atome d’oxygène, qui attire plus facilement les électrons que les atomes d’hydrogène.
  • Pour la même raison, la charge positive de l’ion hydronium H3O+\text{H}_3 \text{O}^+ est plus probablement répartie entre les atomes d’hydrogène : la représentation de Lewis localise cette charge sur un des trois atomes sans préférence particulière.
  • La molécule de trichlorure d’aluminium est une substance très réactive utilisée comme catalyseur dans des procédés industriels. Ceci est dû à la lacune électronique de l’atome d’aluminium, dont la couche de valence ne présente que 66 électrons.
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Astuce

Il est commode de représenter d’abord les atomes constitutifs d’une molécule, pour repérer les doublets non liants et les liaisons covalentes à former.

Géométrie des molécules

Les doublets non liants d’un atome et les liaisons covalentes dans lesquelles un atome est impliqué sont répartis de manière à minimiser les interactions répulsives entre ces paires d’électrons.

  • Ainsi, un atome de carbone ayant quatre liaisons simples, par exemple dans la molécule de méthane, est le centre d’un tétraèdre régulier.

La figure ci-dessous – ainsi que les suivantes – montre :

  • la représentation de Lewis de cette molécule ;
  • la disposition géométrique des atomes dans un tétraèdre régulier ;
  • la représentation issue d’un logiciel de modélisation moléculaire (modèle compact pour le deux premières).

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule méthane Molécule de méthane

Les liaisons covalentes CH\text{C}-\text{H} sont représentées par le volume où se situent le plus souvent les électrons de liaison. Elles sont alignées avec les diagonales du tétraèdre. Deux liaisons CH\text{C}-\text{H} sont séparées par un angle de 109°109\degree environ.

  • L’oxygène de la molécule d’eau est excentré dans le tétraèdre car les doublets non liants et les liaisons n’occupent pas le même espace :

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule eau Molécule d’eau

Les deux liaisons OH\text{O}-\text{H} sont séparées par un angle de 105°105\degree environ.

  • La molécule de dioxyde de carbone est linéaire, les deux liaisons doubles sont ainsi aussi éloignées que possible.

Dans le schéma ci-dessous, les doublets non liants sont contenus dans le plan de l’écran, et les liaisons covalentes doubles sont contenues dans un plan perpendiculaire :

physique chimie première réforme représentation Lewis atome molécule dioxyde de carbone Molécule de dioxyde de carbone

Le modèle moléculaire représenté n’est pas le modèle compact, pour montrer les liaisons doubles.

Conclusion :

La configuration électronique la plus stable d’un atome reproduit celle d’un gaz rare, dont la couche la plus externe est complète. Cette configuration est atteinte en cédant, captant ou partageant un ou plusieurs électrons externes.

La représentation de Lewis permet de schématiser l’état des électrons de valence d’un atome, d’une molécule, ou d’un ion mono ou polyatomique.
Un électron non apparié d’un atome ou d’un ion monoatomique est représenté par un point. Une paire d’électrons est représentée par un trait, qu’il s’agisse d’une liaison covalente ou d’un doublet non liant.

La représentation de Lewis d’une molécule permet de prévoir sa géométrie. La configuration spatiale optimale minimise les interactions (répulsives) entre les paires d’électrons entourant chaque atome.