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Fiche explicative de la leçon : VSEPR Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier la forme des molécules à l’aide du modèle VSEPR.

Le modèle de répulsion des paires d’électrons de valence (VSEPR en anglais) peut être utilisé avec les schémas de structure de Lewis pour prédire les formes de différentes molécules.

Les schémas de structure de Lewis sont utilisés pour identifier les électrons de valence dans les molécules polyatomiques, et le modèle VSEPR est utilisé pour comprendre comment ces électrons de valence sont disposés dans un espace tridimensionnel. Le modèle VSEPR suppose qu’il y aura toujours une répulsion électrostatique entre des paires d’électrons de valence. Les électrons de valence seront forcés d’adopter des formes tridimensionnelles spécifiques qui minimiseront les interactions électrostatiques de répulsion de haute énergie.

La figure suivante montre les structures de Lewis de quelques molécules et ions polyatomiques simples. La couleur rouge est utilisée pour représenter les électrons de valence sur l’atome central, et la couleur noire est utilisée pour représenter les électrons de valence sur les autres atomes.

Définition : Doublet non-liant

Les doublets non-liants sont des paires d’électrons de valence qui ne sont pas partagés dans une liaison covalente.

La méthode AXE est utilisée avec les schémas de Lewis pour classer les molécules et les ions polyatomiques en différents groupes. Chaque groupe a une géométrie tridimensionnelle préférée qui peut inclure, par exemple, les structures planes linéaires ou trigonales. La bonne catégorie peut être déterminée en choisissant les conditions appropriées pour A, X et E. Le terme A représente l’atome central, et les termes X et E représentent les doublets liants et non-liants. Les valeurs de 𝑚 et 𝑛 sont toujours des nombres entiers, et elles représentent le nombre de doublets liants et non-liants.

La figure suivante montre les schémas de Lewis et les géométries VSEPR de quelques-unes des catégories moléculaires polyatomiques AXE les plus simples.

La figure montre que le nombre d’électrons de valence détermine leur disposition autour de l’atome central (A). Les molécules adoptent plutôt des configurations linéaires simples lorsqu’il n’y a que deux doublets non-liants, et des configurations plus complexes quand il y a trois ou quatre doublets liants ou non-liants.

Les électrons de valence adoptent toujours des structures tridimensionnelles spécifiques qui minimisent la force des interactions électrostatiques de répulsion entre les doublets liants ou non-liants. Cette information peut être utilisée pour prédire les structures tridimensionnelles de molécules plus complexes. La figure suivante montre la forme des molécules de la catégorie d’ordre supérieur AXE.

Des molécules moins communes d’ordre supérieur AXE se forment lorsque le nombre de doublets liants ou non-liants augmente.

Il est utile de se détacher des structures moléculaires génériques et de se concentrer sur les véritables molécules. Le trifluorure de bore (BF3) est l’une des molécules les plus simples que nous pouvons étudier pour mieux comprendre le modèle VSEPR. L’atome central (A) est un atome de bore unique qui possède trois doublets liants et zéro doublet non-liant.

Les molécules de trifluorure de bore adoptent préférentiellement une structure triangle (plan) car elles appartiennent au groupe de molécules AX3. Les atomes de fluor minimisent l’énergie électrostatique de répulsion dans les molécules BF3 en se plaçant aux sommets d’un triangle qui est centré sur l’atome de bore. Il y a un angle de 120 entre chacune des trois liaisons covalentes B-F.

Les molécules de méthane (CH4) sont légèrement plus complexes et sont classées dans le groupe de molécules AX4. Les molécules de méthane contiennent un atome de carbone central et quatre doublets liants. Les atomes d’hydrogène minimisent l’énergie électrostatique de répulsion dans les molécules de méthane en se plaçant aux quatre sommets d’une structure tridimensionnelle tétraédrique qui est centrée sur l’atome de carbone. Il y a un angle de 109,5 entre chacune des quatre liaisons covalentes C-H.

Le méthane et les ions ammonium (NH4+) appartiennent tous deux au groupe AX4 et ils adoptent des structures semblables en forme de tétraèdre. Les molécules ont quatre doublets liants équivalents, car les liaisons de coordination sont fondamentalement identiques aux liaisons covalentes « normales » à deux électrons.

Les molécules d’ammoniac sont plus intéressantes car elles possèdent trois doublets liants identiques et un doublet non-liant. Le doublet non-liant occupe plus d’espace dans la couche de valence de l’atome d’azote, ce qui rapproche les trois doublets liants (N-H) les uns des autres. De ce fait, la molécule d’ammoniac a une structure pyramidale trigonale asymétrique, et il y a un angle relativement petit de seulement 107 entre les trois liaisons covalentes N-H.

Exemple 1: Comprendre comment classer des molécules avec la méthode AXmE𝑛

En utilisant la méthode AXE, laquelle des notations AXE suivantes correspond à une molécule de forme pyramide trigonale?

  1. AXE13
  2. AX4
  3. AXE22
  4. AX3
  5. AXE3

Réponse

Dans la méthode AXE, l’atome central est appelé A. Les termes X et E représentent les doublets liants et non-liants.

Un exemple de molécule ayant la forme d’une pyramide trigonale serait la molécule d’ammoniac (NH3). L’atome central d’azote a cinq électrons de valence. Trois de ces électrons de valence sont utilisés pour établir des liaisons covalentes avec des atomes d’hydrogène. Les deux autres électrons de valence ne forment aucune liaison. Il y a trois doublets liants et un doublet non-liant.

Ceci suggère que la molécule NH3 appartient au groupe AXE3. Nous pouvons utiliser cette affirmation pour déterminer que l’option E est la bonne réponse à cette question.

Les doublets non-liants sont ceux qui occupent le plus d‘espace dans la couche de valence de l’atome central, et qui génèrent les interactions électrostatiques de répulsions les plus fortes dans le modèle VSEPR. Les plus fortes interactions électrostatiques de répulsion sont celles entre deux doublets non-liants, et les plus faibles interactions électrostatiques de répulsion sont celles entre deux doublets liants. La combinaison d’un doublet non-liant et d’un doublet liant a une force qui est comprise entre ces deux extrêmes.

Les chimistes ont plusieurs règles qui les aident à comprendre les angles de liaison. Ils affirment, par exemple, que l’angle X-A-X sera approximativement 2,5 plus petit pour chaque doublet non-liant qui s’ajouterait à tout atome central A supportant quatre liaisons (tétravalent). Les molécules AX4 ont des angles de liaison X-A-X de 109,5 et les molécules AXE3 et AXE22 ont des angles de liaison de X-A-X de 107 et 104,5.

Exemple 2: Déterminer la forme moléculaire d’une molécule de nitrite

La structure de Lewis d’un ion nitrite (NO2) est représentée sur la figure.

NOO

Quelle est la forme de cette molécule?

  1. tétraédrique
  2. pyramide trigonale
  3. coudée
  4. triangle (plan)
  5. linéaire

Réponse

L’atome central d’un ion nitrite est un atome d’azote. L’azote a cinq électrons de valence, dont trois sont impliqués dans la formation de liaisons covalentes, laissant deux électrons comme doublet non-liant.

Dans le modèle VSEPR, les doubles liaisons sont considérées comme équivalentes aux liaisons simples, ce qui signifie qu’il y a essentiellement deux doublets liants et un seul doublet non-liant.

Une interaction électrostatique de répulsion plus forte existe entre un doublet non-liant et un doublet liant qu’entre deux doublets liants. Cela altère la forme linéaire associée à une configuration AX et crée un agencement coudé ou en forme de V correspondant à AXE en notation AXE.

Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option C est la bonne réponse à cette question.

Définition : Angle de liaison

Les angles de liaison décrivent les angles moyennés dans l'espace entre deux liaisons covalentes.

Les molécules d’eau sont capables de dissoudre les alcools polaires et les acides carboxyliques en solution parce qu’elles ont une structure non linéaire ou « coudée ». Les molécules d’eau ont une distribution asymétrique de la densité électronique, et elles ont un moment dipolaire permanent qui va du plan des atomes d’hydrogène jusqu’aux doublets non-liants de l’oxygène. Les schémas de structure de Lewis et le modèle VSEPR peuvent être utilisés pour comprendre la forme des molécules d’eau.

Le schéma de Lewis pour les molécules d’eau montre que l’atome central d’oxygène possède six électrons de valence. Deux de ces électrons de valence sont utilisés pour créer deux liaisons covalentes (O-H) et les quatre autres électrons sont regroupés en deux doublets non-liants.

L’eau appartient au groupe de classification AXE22, ce qui signifie que les électrons de valence adoptent une structure de tétraèdre asymétrique. Les deux doublets non-liants occupent plus d’espace dans la couche de valence de l’oxygène que les doublets liants, et l'angle H-O-H est toujours plus petit que 109,5. L’angle de liaison H-O-H de liaison a généralement une valeur de 104,5 car il y a deux doublets non-liants, et chaque doublet non-liant diminue l’angle de liaison X-A-X d’environ 2,5 à partir des 109,5.

Exemple 3: Comparer les angles de liaison de molécules simples

Classe les molécules suivantes dans l’ordre croissant de l’angle de liaison.

  1. l’eau
  2. le dioxyde de carbone
  3. le dioxyde de soufre
  4. le trifluorure de chlore

  1. 1;3;2;4
  2. 2;1;4;3
  3. 3;2;1;4
  4. 4;1;3;2
  5. 2;3;4;1

Réponse

Afin de répondre correctement à cette question, nous devons d’abord utiliser le modèle AXE et attribuer la notation exacte à chacune des quatre molécules.

L’eau a deux doublets liants et deux doublets non-liants et a donc la notation AXE22. Ceci correspond à une forme non linéaire, ou coudée, avec un angle de liaison de 104,5 causée par la répulsion accrue entre les deux doublets non-liants.

Le dioxyde de carbone a deux doublets liants et aucun doublet non-liant, et a la notation AX2. Ceci correspond à une forme linéaire avec un angle de liaison de 180.

Le dioxyde de soufre a deux doublets liants et un doublet non-liant, AXE2. Ceci correspond à une autre configuration de la forme coudée avec un angle d’environ 118.

Le trifluorure de chlore a trois doublets liants et deux doublets non-liants, AXE32. Pour le trifluorure de chlore, ceci correspond à une configuration en forme de T, avec des angles de liaison de 90.

En joignant ces informations, nous pouvons voir que la molécule 4 (le trifluorure de chlore) a le plus petit angle de liaison, suivie par la molécule 1 (l’eau). Le troisième angle de liaison le plus grand correspond à la molécule 3, et l’angle de liaison le plus grand de tous est celui du dioxyde de carbone (la molécule 2). L’ordre croissant des angles de liaison est donc 4;1;3;2, et la bonne réponse est la D.

L’atome d’oxygène possède deux doublets non-liants riches en électrons, ce qui explique en partie pourquoi il peut former des liaisons hydrogène avec d’autres molécules. L’autre raison est que les atomes d’oxygène sont fortement électronégatifs. L’atome d’oxygène attire une quantité disproportionnée de la densité d’électrons (nuage électronique) provenant des deux liaisons covalentes O-H, les liaisons sont polarisées et la molécule d’eau devient fortement polaire. Les atomes d’hydrogène sont appauvris en densité électronique (𝛿+) et les atomes d’oxygène s’enrichissent en densité électronique (𝛿). Le modèle VSEPR montre que la molécule d’eau adopte toujours une structure de tétraèdre asymétrique. Il y aura toujours un moment dipolaire électrique qui va du plan des atomes d’hydrogène aux doublets non-liants d’oxygène. Les molécules d’eau ont également un moment dipolaire permanent et elles peuvent toujours former des liaisons hydrogène avec d’autres molécules.

Définition : Électronégativité

L’électronégativité quantifie l’aptitude d’un atome à attirer un doublet liant.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les schémas de structure de Lewis montrent les doublets liants et non-liants.
  • Le modèle VSEPR peut prédire la forme de molécules et des ions polyatomiques.
  • Chaque catégorie de la méthode AXE est associée à une géométrie moléculaire.
  • Les doublets non-liants ont des interactions électrostatiques de répulsion plus fortes que les doublets liants.
  • Les molécules d’eau ont un moment dipolaire permanent et peuvent former des liaisons hydrogène.

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