Géométrie 3D d'une molécule

Déterminer la géométrie 3D d’une molécule

Le modèle de Lewis permet de connaître la connectivité (2D) des atomes dans une molécule mais pas leur géométrie (3D).
Pour prédire la géométrie d’une molécule, on utilise la méthode VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion — modèle de la répulsion des paires d’électrons de valence), aussi appelé modèle de Gillespie.
D’après Gillespie, les nuages électroniques (c’est à dire les paires d’électrons, libres ou liantes) ont tendance à se repousser au maximum — non pas sur un plan en 2 dimensions, mais en 3 dimensions. Il suffit donc de connaître le nombre de nuages électroniques pour connaître leur répartition, et par conséquent la géométrie de la molécule.

1. Formule AX_mE_n

Pour déterminer la géométrie d’une molécule,
- Déterminer quel atome est le plus au milieu
- Compter le nombre d’atomes périphériques autour de l’atome central
  (peu importe si les liaisons sont simples ou multiples, on compte 1)
- Compter le nombre de paires libres de l’atome central
- Noter la formule AX_mE_n en remplaçant:
  - m: nombre d’atomes périphériques
  - n: nombre de paires libres
Par exemple:
H₂O = AX₂E₂ (2 atomes périphériques — 2 paires libres)
CCl₄ = AX₄ (4 atomes périphériques — 0 paires libres)
Si l’atome central possède un électron non apparié,
le compter comme paire libre — ajouter 1 à E_n.

Exemple:
NO₂ = AX₂E

2. Configuration de répulsion

Sommer m et n pour déterminer l’organisation de la molécule.
La somme m + n définit la configuration de répulsion de la molécule, c’est à dire l’organisation spatiale des nuages électroniques (atomes périphériques et paires libres)
- 2 = géométrie linéaire
- 3 = géométrie triangulaire
- 4 = géométrie tétraèdrique

3. Géométrie moléculaire

Déterminer la géométrie moléculaire.
La géométrie moléculaire est l’organisation spatiale des atomes autour de l’atome central,
ce sera une version plus ou moins déformée de la configuration de répulsion suivant le nombre de paires libres.
Les plus couramment rencontrées sont:

Formule AX_mE_n	Géométrie
AX₂	Linéaire
AX₃	Triangulaire
AX₂E	Coudée
AX₄	Tétraédrique
AX₃E	Pyramidale trigonale Parfois appelée géométrie pyramidale à base triangulaire
AX₂E₂	Coudée

Liste complète des géométries tridimensionnelles

Exemples:
H₂0 = EX₂E₂ = géométrie coudée
CCl₄ = AX₄ = géométrie tétraédrique
NH₃ = AX₃E = géométrie pyramidale trigonale

4. Angle de liaison

Dans une géométrie linéaire, les angles de liaison sont de 180°.
Dans une géométrie linéaire, 120°.
Dans une géométrie tétraèdrique, 109.5°.
Les paires libres provoquent une plus grande répulsion que les liaisons, la présence de paires libres va donc déformer la configuration de répulsion: l’angle de liaison sera davantage réduit dans une configuration AX₂E₂ (deux paires libres) que dans AX₃E (une seule paire libre):
- Dans une géométrie tétraèdrique coudée (AX₂E₂), l’angle est d’environ 104,5°.
- Dans une géométrie pyramidale trigonale (AX₃E), les angles sont d’environ 107°.

Représenter la géométrie 3D d’une molécule

Représentation de Cram

Pour représenter l’organisation 3D d’une molécule, on utilise la représentation de Cram:
- Deux atomes sur le même plan:
  Sont liés par un trait
- Un atome en avant-plan:
  Est relié par un triangle plein.
  La pointe du triangle du côté de l’atome dans le plan.
- Un atome en arrière-plan:
  Est relié par un triangle hachuré.
  La pointe du triangle est du côté de l’atome dans le plan.
Exemple:
Méthane (CH₄)

Formule topologique

La formule topologique se base sur la représentation de Cram mais
- n’indique pas les liaisons avec les atomes d’hydrogène (comme dans la formule semi-dévelopée)
- fait abstraction de la représentation des atomes de carbone liés aux atomes d’hydrogène pour ne montrer que la structure du squelette — les CH sont invisibles (OH, NH₂, etc, s’écrivent tels quels)
Elle est utilisée pour représenter les molécules comportant un grand nombre d’atomes.
Exemples:
- Éthanol (C₂H₆O)
  Formule topologique:
  Formule semi-développée:
  
  Formule développée:
  
  Formule de Lewis:
- Cholestérol (C₂₇H₄₆O):

Modélisme 3D

Dans le modèle “ball-and-stick”, les atomes sont représentés par des boules et les liaisons par des bâtonnets.

Polarité

Si une molécule contient des liaisons covalentes polarisées, et que ces liaisons se situent d’un seul côté de la molécule, alors cette molécule se comportera comme un dipôle, c’est à dire une entité possédant une borne négative d’un côté et une borne positive de l’autre. Quand c’est le cas, on dit que la molécule est polarisée. C’est le cas des molécules à géométrie coudée, comme la molécule d’eau.
Parce qu’elle est polaire, la molécule d’eau
- conduit l’électricité
- est déviée à proximité d’un objet chargé
- va avoir des interactions liées à sa polarité avec les autres molécules,
  cela va également avoir une influence sur l’état de la matière (solide, liquide, gazeux)

Moment dipolaire

Mathématiquement, on peut représenter les liaisons des différents atomes par des vecteurs.
Ce type de vecteur est appelé le moment dipolaire de la liaison. Il se note µ (mu) et vaut la charge q fois la distance d.
```
Moment dipolaire (µ):
Charge (q) × distance (d)
```
Partant du principe que le moment dipolaire est orienté du - au +:
comme, dans une liaison polarisée, l’atome le plus électronégatif porte une charge partielle négative, la flèche partira de l’atome le plus électronégatif vers l’atome le moins électronégatif de la liaison.
Dans les manuels de chimie, le moment dipolaire est généralement orienté du plus vers le moins, qui est le sens conventionnel du courant. La définition officielle du moment dipolaire, telle qu’on la trouve dans les chapitres d’électrostatiques des traités de physique, l’oriente du moins au plus, qui est le sens réel du courant. Quelle que soit la convention adoptée, le plus important est de s’y tenir.

Résultante

La résultante de deux vecteurs est la somme vectorielle de ces vecteurs,
ce qui correspond à une diagonale partant de l’origine des deux vecteurs.

Exemple:
Le résultante µH₂O est la somme des moments dipolaires µOH:

Moment dipolaire global

En additionnant toutes les résultantes, on obtient le moment dipolaire global.
S’il est nul, c’est que les liaisons s’annulent par symétrie, et donc que la molécule est apolaire.
À l’inverse, s’il n’est pas nul, c’est que la molécule est polaire.

Exemple:

Déterminer si une molécule est polaire

Écrire la formule de Lewis
Déterminer si les liaisons sont covalentes polarisées ou non (différence d’électronégativité entre 0 et 1,9).
Les molécules ne comprenant pas de liaison covalente polarisée seront forcemment apolaires.
Pour les molécules ayant des liaisons covalentes polarisées:
déterminer la géométrie de la molécule et en déduire si les charges s’annulent par symmétrie ou non.

This site is open source. Improve this page.