Géométrie moléculaire | Chimie générale 1

Structures de Lewis :

• montrent comment les atomes sont connectés dans une molécule ou un ion covalent
• ne montrent pas les formes des molécules

mais les structures de Lewis peuvent être utilisées pour prédire les géométries moléculaires

Tétraèdre : quatre sommets équivalents.
Forme tétraédrique : l'une des formes moléculaires courantes.

La forme tétraédrique explique pourquoi le dichlorométhane (CH₂Cl₂) n'a qu'un seul isomère :

Une structure de Lewis montre comment les atomes sont connectés dans un composé covalent mais ne donne aucune information sur l'orientation des liaisons dans l'espace et la géométrie moléculaire. La plupart des molécules ne sont pas planes, et leurs formes expliquent certaines de leurs propriétés (moment dipolaire, chiralité, angles entre les liaisons ...). La théorie VSEPR est un modèle pour prédire la géométrie des molécules
 

La forme tétraédrique explique pourquoi le dichlorométhane (CH₂Cl₂) n'a qu'un seul isomère :

Modèle VSEPR : 

Un modèle qui prend en compte la répulsion des paires d'électrons dans la couche de valence d'un atome (VSEPR = Valence-Shell Electron-Pair Repulsion). Ce modèle prédit la forme des molécules. La forme moléculaire est liée au nombre total de domaines d'électrons (paire d'électrons libres ou liaison quelle que soit la multiplicité) sur l'atome central : ils se disposeront de manière à être aussi éloignés que possible pour minimiser leurs interactions répulsives

Notation VSEPR :

BeH₂ : AX₂,  H₂O : AX₂E₂

NH₃: AX₃E₁,  CO₂: AX₂

Les répulsions typiques entre les domaines d'électrons (lp = paire d'électrons libres ; bp = paire d'électrons de liaison) :
 

lp-lp > lp-bp > bp-bp

Les paires d'électrons libres ont l'effet répulsif le plus grand car elles sont plus proches du noyau de l'atome central que les paires de liaison et les électrons non partagés peuvent se répandre davantage. Par conséquent, les paires libres repoussent davantage les autres domaines d'électrons et occuperont les emplacements avec le moins d'interaction (c'est-à-dire l'emplacement le plus éloigné des autres domaines d'électrons)
 

La géométrie bipyramidale trigonale a 2 types de positions : axiales ou équatoriales. La position axiale a 3 fortes répulsions (avec un angle de 90°) tandis que la position équatoriale n'en a que 2. La paire libre sera en position équatoriale :

Géométrie électronique vs. géométrie moléculaire

Géométrie électronique (ou géométrie de domaine électronique) : l'arrangement des domaines d'électrons autour de l'atome central (paires libres et liaisons)
Géométrie moléculaire : l'arrangement des atomes liés (uniquement les liaisons)
 

Prédiction de la géométrie moléculaire

• 2 domaines d'électrons : la géométrie électronique est linéaire (angle = 180°)
  1 forme moléculaire possible → linéaire (AX₂)
• 3 domaines d'électrons : la géométrie électronique est plan trigonal (angle = 120°)
  2 formes moléculaires possibles → plan trigonal (AX₃) & coudé (AX₂E)
• 4 domaines d'électrons : la géométrie électronique est tétraédrique (angle = 109,5°)
  3 formes moléculaires possibles → tétraédrique (AX₄), pyramidal trigonal (AX₃E) & coudé (AX₂E₂)
• 5 domaines d'électrons : la géométrie électronique est bipyramidale trigonale (angles = 90° et 120°)
  4 formes moléculaires possibles → bipyramide trigonale (AX₅), bascule (AX₄E), en forme de T (AX₃E₂) & linéaire (AX₂E₃)
• 6 domaines d'électrons : la géométrie électronique est octaédrique (angle = 90°)
  3 formes moléculaires possibles → octaédrique (AX₆), pyramidal carré (AX₅E) & plan carré (AX₄E₂)
   

Comment déterminer la géométrie moléculaire :

1. Dessinez la structure de Lewis de la molécule
2. Comptez le nombre de domaines d'électrons sur l'atome central
3. Déterminez la géométrie électronique selon la théorie VSEPR
4. Déterminez la géométrie moléculaire en ne considérant que les positions des atomes

Effet des paires libres

Les paires libres ont plus de liberté de se répandre qu'une liaison et ont donc une plus grande capacité à repousser les autres domaines d'électrons. L'angle entre une paire libre et une liaison simple sera plus grand que l'angle entre deux liaisons simples
 

Le tétraèdre formé par le CCl₄ a des angles équivalents (109,5°) tandis que celui formé par le NH₃ a deux types différents d'angles :

Effet des liaisons multiples

Les liaisons multiples contiennent plus de densité électronique et repoussent donc plus fortement que les liaisons simples. L'angle entre une liaison multiple et une liaison simple sera plus grand que l'angle entre deux liaisons simples

Moment dipolaire global :

Le moment dipolaire d'une molécule déterminé par l'addition vectorielle des moments dipolaires des liaisons individuelles

Conditions pour qu'une molécule soit polaire :

• Elle doit contenir des liaisons polaires (moments dipolaires de liaisons)
• La géométrie moléculaire ne doit pas annuler l'effet des liaisons polaires (par addition vectorielle)

Il est possible qu'une molécule contienne des liaisons polaires, mais qu'elle ne soit pas polaire. Son moment dipolaire global est égal à 0
 

CO₂ est linéaire
→ les moments dipolaires des liaisons dans CO₂ s'annulent mutuellement
→ le moment dipolaire global du CO₂ = 0

H₂O est coudé
→ les moments dipolaires des liaisons ne s'annulent pas mutuellement
→ le moment dipolaire global de H₂O ≠ 0
→ l'eau est une molécule polaire

 

Les isomères sont des molécules qui ont le même nombre et type d'atomes mais diffèrent dans la manière dont leurs atomes sont arrangés. Ils ont des propriétés chimiques et physiques différentes
 

Isomères structurels (ou constitutionnels) :

Des espèces chimiques qui ont la même formule moléculaire mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont liés ensemble
 

Les deux molécules suivantes sont des isomères structurels : elles ont la même formule chimique (C₄H₁₀) mais une connectivité différente :

Stéréoisomères :

Isomères qui ont la même formule moléculaire, les mêmes liaisons mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont orientés dans l'espace (géométrie 3D différente). Les structures en lignes hachurées en coin sont utilisées pour représenter l'arrangement 3D

• Isomères géométriques : isomères avec un arrangement géométrique différent
• Isomères optiques : isomères qui ne peuvent pas être superposés sur leur image miroir