Atomistique-01
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Atomistique et Liaison chimique Xavier Assfeld Laboratoire de Chimie théorique Entrée 2A, 7 ème niveau
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Atomistique etLiaison
chimiqueXavier Assfeld
Laboratoire de Chimie théorique
Entrée 2A, 7ème niveau
Localisation
PLAN DU COURS
• Rappels des modèles classiques et leurs limitations
• Notions rudimentaires de mécanique quantique
• Les atomes - Tableau périodique• Les molécules - Liaison chimique• Les forces intermoléculaires
Ouvrages de références - 1
• Les incontournables:– « Les orbitales moléculaires en chimie »,
Y. Jean et F. Volatron. McGRAW-HILL– « Structure électronique des molécules »,
Y. Jean et F. Volatron. EDISCIENCE– « Atomistique et liaison chimique »,
Y. Jean et F. Volatron. EDISCIENCE– « Chimie 1. BIO-VETO »,
P. Grécias et J.-P. Migeon. LAVOISIER
Ouvrages de références - 2
• A éviter (pour l’atomistique !) :– « Chimie physique », Atkins– « Chimie physique », P. Arnaud
Multimédia
• WEB: http://www.lctn.uhp-nancy.fr /Chercheurs/Xavier.Assfeld
cliquer sur « Teaching »• carte d’étudiant = adresse e-mail !• Access internet = Biblio Univ !
La matière (1)
• Atome = électrons + noyau• noyau = protons + neutrons
• électron : charge électrique négative (|e|=1,6.1019 C)
• proton : charge électrique positive
• neutron : électriquement neutre.
La matière (2)
• Masse de l’électron vaut 9,1.1031 kg• Masse du proton vaut 1,673.1027 kg• Masse du neutron vaut 1,675.1027 kg
mn mp = 1836 me
• Dimensions d’un atome : 1010 m (1 Å)• Dimensions d’un noyau : 1015 m (1 fm)
La matière (3)
• Masse d’un atome masse du noyau
• Un atome est essentiellement vide
• nombre de charge = Z (proton)
• nombre de masse = A (nucléon)
La matière (4)• un élément chimique (X) est
complètement défini par Z, le numéro atomique.
• Ions q 0. Nb électrons E = Z q• Isotopes : même Z• Isobares : même A• Isotones : même N
qAqAZ Xou X
Des atomes aux molécules (1)
1H
2He
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
11Na
12Mg
13Al
14Si
15P
16S
17Cl
18Ar
Période = ligne ; Famille = colonne
propriétés périodiques structure en couche
Des atomes aux molécules (2)
• Séparation cœur/valence• nombre d’électrons de valence =
numéro de la colonne• nom de famille : alcalins, alcalino-
terreux, .. pnictogènes, chalcogènes, halogènes, gaz rares.
• Les gaz rares sont chimiquement inertes : saturation de la couche de valence (Cl + e Cl)
• Notion d’électronégativité ()
Des atomes aux molécules (3)
• « plus un atome a tendance à attirer les électrons, plus il est électronégatif. » (il cherche à posséder la structure électronique du gaz rare le plus proche)
G. R.
• Modèle de Lewis (1915) : « La liaison entre deux atomes provient de la mise en commun de deux électrons de valence. »– paire de liaison :
H• + •H H—H H H
H• •C••H H—C—H H H
Des atomes aux molécules (4)
••••
–paire libre : H H
H• •N H—N| H H
La structure de Lewis d’une molécule ne donne aucune indication sur sa géométrie spatiale.
••
••
Des atomes aux molécules (5)
••
–Liaison multiple : H H H H C C C=C éthène H H H H
H—CN| acide cyanhydrique
La liaison est d’autant plus forte que la multiplicité est grande.
Des atomes aux molécules (6)
•••••• •
•••••
Des atomes aux molécules (7)
SimpleC2H6
DoubleC2H4
TripleC2H2
d(C–C)(en pm)
154 134 120
Energiede liaison(kJ .mol 1)
351 623 834
Des atomes aux molécules (8)
• Règle de l’octet : « la stabilité maximale d’une molécule est obtenue lorsque chaque atome (sauf H ou He) est entouré de quatre paires d’électrons. »
|N—N| ou |N N| ou N N ?——— ——————
—
Des atomes aux molécules (9)
• Exceptions à la règle de l’octet.– Molécules hypovalentes : BH3, BeH2, ...
– Molécules hypervalentes : BrF5, PCl5, CLi6, ...
– Règle de l’octet étendu pour les métaux de transition (18 électrons) : ZnCl42, ...
Des atomes aux molécules (10)
• Charges formelles : – liaisons datives : H3N + BH3 ?
– Compter les électrons « entourant » un atome et comparer avec le nombre d’électrons de valence.
Ne pas confondre avec le décompte pour l’octet
Des atomes aux molécules (11)
• Radicaux, Acides et Bases de Lewis– radicaux : électron non apparié (NH2, OH,
…)
– acides : défaut d’au moins une paire libre par rapport à l ’octet
– bases : possède au moins une paire libre
Des atomes aux molécules (12)
• Limites des diagrammes de Lewis– liaisons délocalisées, résonance, mésomèrie
Exercice : Donner un diagramme de Lewis de l’acide
nitreux (HNO2) en accord avec la réalité expérimentale (2 liaisons N—O équivalentes)
Des atomes aux molécules (13)
H N
O
O
+H N
O
O
+
Deux formes mésomères limites
qui résonnent
H N
O
O
+
Liaisons délocalisées
Des atomes aux molécules (14)
Le benzène C6H6. Formes de Kékulé
CC
CC
C
C
H
H
H
H
H
H
Des atomes aux molécules (14)
Le benzène C6H6. Formes de Kékulé • d(C–C) = 140
pm
•d(C2H6) = 154 pm
•d(C2H4) = 134 pm
•d(C2H2) = 120 pm
Trois doubles liaisons délocalisées.
Des atomes aux molécules (15)
Règles de sélection des formes mésomères.
• Essayer de respecter la règle de l’octet
• Faire apparaître un maximum de liaisons
• Eviter les charges formelles trop nombreuses
Des atomes aux molécules (16)
L’ozone O3.
OO
O
OO
O
OO
O
OO
O
OO
O
+ +
+
+
+2
Ne respecte pas la règle de l’octet.
Octet pas respecté, trop de charges formelles!
Formes majoritaires !
Des atomes aux molécules (17)
Si plusieurs formes équivalentes sont nécessaires (C6H6, CO3
2, …) pour décrire correctement une molécule, elles ont le même poids.
Si une structure de Lewis, parmi toutes les formes mésomères, est à peu prés satisfaisante, elle sera la forme majoritaire. Les autres améliorent néanmoins la description de la molécule.
Des atomes aux molécules (18)
Limites du modèle Lewis :
• Pourquoi la molécule C2 n’a pas une quadruple liaison ? d(C–C) = 124 pm ( )
•Pourquoi la molécule d’O2 possède des électrons non appariés ?
•Pourquoi la molécule O3 n’est pas triangulaire ?
•Pourquoi les paires libres de H2O ne sont pas équivalentes ? Etc.
C C
O O
O O
O
Des atomes aux molécules (19)
Le passage à la troisième dimension : l’arrangement spatial des atomes !
Modèle VSEPR (Gillespie 1992)
« Autour de chaque atome, les paires d’électrons de valence (libres ou de liaison) s’éloignent le plus possible les unes des autres afin de minimiser leur répulsion électrostatique. »
Des atomes aux molécules (20)
• Nomenclature : molécule AXnEm
A : atome central ; X : atome lié à A ;
E : paire libre sur A
• AXoYpEm AXnEm n = o + p
• Les liaisons multiples ne forment qu’un seul domaine de répulsion.
Des atomes aux molécules (21)
AXnEmn + m forme Angle
2 Ligne 180°
3 Triangle 120°
4 Tétraèdre 109,47°
5Bipyramidetrigonale
90° et120°
6 Octaèdre 90°
7Bipyramidepentagonale
72° et90°
Des atomes aux molécules (22)
n + m = 2
AX2 : BeH2, MgCl2, CO2, …
n + m = 3
AX3 : BH3, AlCl3, CO32, …
AX2E : O3, SO2, …
linéaire
triangulaire
coudée
Des atomes aux molécules (23)
n + m = 4
AX4 : CH4, SiF4, …
AX3E : NH3, PCl3, ...
AX2E2 : H2O, SCl2, ...
tétraédrique
pyramidale
coudée
Des atomes aux molécules (24)
n + m = 5
AX5 : PCl5, …
AX4E : SF4, …
AX3E2 : ClF3, …
AX2E3 : IF2, I3, XeF2...
Bipyramide à base triangulaire
« papillon »
En « T »
linéaire
C’est tout ce que l’on a
fait en deux heures !!
