Fiche de révision : Liaison covalente et géométrie moléculaire

📋 Plan du Cours

1. Fondements quantiques de la liaison
2. Liaisons σ et π
3. Lewis et règle de l’octet
4. Formules de Lewis et charges
5. Exceptions à la règle de l’octet
6. Géométrie VSEPR
7. Polarité et moment dipolaire
8. Mésomérie et délocalisation

📖 1. Fondements quantiques de la liaison

🔑 Notions clés & Définitions

• Recouvrement orbitalaire : Recouvrement des orbitales atomiques de valence de deux atomes permettant la formation d’une liaison covalente dans le modèle quantique.

📝 Points essentiels

• Une orbitale atomique ns possède une symétrie sphérique et il n’existe qu’une orbitale de ce type par sous-couche.

• Une sous-couche np comporte trois orbitales, npx, npy et npz, orientées selon trois directions de l’espace.

💡 Astuce mémo

Recouvrement axial → σ ; recouvrement latéral → π

📖 2. Liaisons σ et π

★ À maîtriser

📌 Une liaison σ résulte d’un recouvrement axial selon l’axe internucléaire, tandis qu’une liaison π résulte d’un recouvrement latéral perpendiculaire à cet axe.

• Une liaison π est plus fragile qu’une liaison σ, car son recouvrement latéral est moins fort que le recouvrement axial.

📌 Une liaison multiple double contient une liaison σ et une liaison π, tandis qu’une liaison multiple triple contient une liaison σ et deux liaisons π.

Compléments

• Lorsque le nombre de liaisons augmente, l’énergie de liaison augmente et la distance internucléaire diminue.

💡 Astuce mémo

Recouvrement latéral plus faible → liaison π plus fragile

📖 3. Lewis et règle de l’octet

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison covalente localisée : Mise en commun de deux électrons de valence entre deux atomes.

★ À maîtriser

📌 La règle de l’octet indique que les atomes des deuxième et troisième périodes tendent à être entourés de quatre doublets, soit huit électrons de valence.

📌 L’hydrogène et l’hélium suivent la règle du duet et sont stabilisés lorsqu’ils possèdent un doublet, soit deux électrons de valence.

Compléments

• La deuxième période ne peut pas dépasser huit électrons de valence, tandis que l’hypervalence devient possible à partir de la troisième période grâce à la sous-couche 3d.

💡 Astuce mémo

Valence → partage → octet ou duet

📖 4. Formules de Lewis et charges

📝 Points essentiels

• 🔄 Pour établir une formule de Lewis:

  1. Compter les électrons de valence
  2. Relier les atomes par des doublets
  3. Compléter les atomes périphériques puis l’atome central
  4. Créer des liaisons multiples si nécessaire

• L’ion nitrite NO₂⁻ possède 18 électrons de valence, soit neuf doublets, et peut être représenté par deux formules mésomères équivalentes comportant alternativement une liaison N=O.

📐 Formule - La charge formelle d’un atome i vérifie $q_i=n_{i,\text{électrons de valence}}-n_{i,\text{électrons en propre}}$.

📌 La somme des charges formelles des atomes doit être égale à la charge globale de l’entité chimique.

💡 Astuce mémo

Compter → relier → compléter → vérifier

📖 5. Exceptions à la règle de l’octet

★ À maîtriser

📌 Les composés déficients en électrons, comme BF₃ avec le bore ou l’aluminium, ne respectent pas nécessairement l’octet de l’atome central.

• Les éléments de la troisième période, comme le phosphore et le soufre, peuvent être hypervalents, contrairement aux éléments de la deuxième période.

Compléments

• Dans BF₃, le bore constitue une lacune électronique et se comporte comme un acide de Lewis électrophile accepteur.

• PCl₅ possède cinq doublets autour du phosphore et SF₆ six doublets autour du soufre, tandis que NCl₅ et CCl₆ n’existent pas dans ce modèle.

💡 Astuce mémo

B et Al déficients ; P et S hypervalents

📖 6. Géométrie VSEPR

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle VSEPR : Description de la géométrie moléculaire fondée sur la répulsion des paires d’électrons de valence autour d’un atome, qui s’éloignent autant que possible pour minimiser leur énergie.

★ À maîtriser

• 🔄 Pour appliquer VSEPR:

  1. Écrire la formule de Lewis
  2. Écrire la formule AXₚE_q
  3. Calculer n=p+q
  4. Déduire la géométrie des doublets

• Pour n=2 la géométrie des doublets est linéaire, pour n=3 elle est trigonale plane et pour n=4 elle est tétraédrique.

Compléments

• L’ammoniac NH₃ est de type AX₃E₁ : ses doublets adoptent une géométrie tétraédrique et la molécule possède une géométrie pyramidale trigonale.

💡 Astuce mémo

Lewis → AXₚE_q → n=p+q → géométrie

📖 7. Polarité et moment dipolaire

★ À maîtriser

• Les répulsions entre domaines électroniques suivent l’ordre doublet non liant-doublet non liant > doublet non liant-liaison > liaison-liaison.

📌 Une entité chimique est polaire lorsque les barycentres des charges positives et négatives sont différents, et apolaire lorsqu’ils coïncident.

📐 Formule - Le moment dipolaire d’une liaison polarisée vérifie $\mu_{A-B}=|q_A|d=\delta e d$, où δ est la fraction ionique de la liaison.

• CO₂ est linéaire et apolaire car ses moments dipolaires de liaison se compensent, tandis que H₂O est coudée et polaire car son moment dipolaire moléculaire est non nul.

Compléments

📌 Une liaison multiple, plus riche en densité électronique qu’une liaison simple, exerce une répulsion plus forte et augmente l’angle de liaison associé.

💡 Astuce mémo

CO₂ linéaire et apolaire ; H₂O coudée et polaire

📖 8. Mésomérie et délocalisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Mésomérie : Délocalisation des électrons ou des doublets sur plusieurs liaisons, l’entité réelle étant un hybride de résonance plus stable que chacune des formules mésomères.

★ À maîtriser

• Dans l’ion carbonate CO₃²⁻, les trois liaisons C–O ont la même longueur de 129 pm et les trois angles OCO valent 120°, ce que ne prévoit pas une formule de Lewis localisée unique.

Compléments

• Les trois formules mésomères de CO₃²⁻ sont équivalentes et possèdent chacune un poids statistique de 33,3 %.

• Pour CO₃²⁻, le modèle VSEPR appliqué à l’hybride de résonance donne AX₃E₀ et une géométrie trigonale plane.

• Pour l’ion nitrate NO₃⁻, les formules mésomères ont un poids statistique de 50 % chacune et l’hybride de résonance est de type AX₂E₁, donc trigonal plan.

💡 Astuce mémo

Délocalisation des doublets → liaisons équivalentes et stabilité accrue

📊 Tableaux de synthèse

Types de géométrie VSEPR