Chimie d’introduction

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Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous pourrez ::

  • Écrire des symboles de Lewis pour des atomes et des ions neutres
  • Dessiner des structures de Lewis représentant la liaison dans des molécules simples

Nous avons discuté des différents types de liaisons qui se forment entre les atomes et/ ou les ions. Dans tous les cas, ces liaisons impliquent le partage ou le transfert d’électrons de coquille de valence entre les atomes. Dans cette section, nous explorerons la méthode typique pour représenter les électrons de la coquille de valence et les liaisons chimiques, à savoir les symboles de Lewis et les structures de Lewis.

Symboles de Lewis

Nous utilisons des symboles de Lewis pour décrire les configurations électroniques de valence des atomes et des ions monatomiques. Un symbole de Lewis est constitué d’un symbole élémentaire entouré d’un point pour chacun de ses électrons de valence:

Une structure de Lewis du calcium est montrée. Une seule paire d'électrons est représentée à droite du symbole.

La figure 1 montre les symboles de Lewis pour les éléments de la troisième période du tableau périodique.

Un tableau est montré qui a trois colonnes et neuf lignes. La ligne d'en-tête indique

Figure 1. Symboles de Lewis illustrant le nombre d’électrons de valence pour chaque élément de la troisième période du tableau périodique.

Les symboles de Lewis peuvent également être utilisés pour illustrer la formation de cations à partir d’atomes, comme indiqué ici pour le sodium et le calcium:

Deux diagrammes sont présentés. Le diagramme de gauche montre une structure de point de Lewis du sodium avec un point, puis une flèche orientée vers la droite menant à un symbole de sodium avec un signe plus en exposant, un signe plus et la lettre

De même, ils peuvent être utilisés pour montrer la formation d’anions à partir d’atomes, comme indiqué ci-dessous pour le chlore et le soufre:

Deux diagrammes sont présentés. Le diagramme de gauche montre une structure de points de Lewis du chlore avec sept points et la lettre

La figure 2 montre l’utilisation de symboles de Lewis pour montrer le transfert d’électrons lors de la formation de composés ioniques.

Un tableau est affiché avec quatre lignes. La ligne d'en-tête indique

Figure 2. Les cations se forment lorsque les atomes perdent des électrons, représentés par moins de points de Lewis, tandis que les anions sont formés par des atomes gagnant des électrons. Le nombre total d’électrons ne change pas.

Structures de Lewis

Nous utilisons également des symboles de Lewis pour indiquer la formation de liaisons covalentes, qui sont illustrés dans les structures de Lewis, dessins qui décrivent la liaison dans les molécules et les ions polyatomiques. Par exemple, lorsque deux atomes de chlore forment une molécule de chlore, ils partagent une paire d’électrons:

Un diagramme à points de Lewis montre une réaction. Deux symboles de chlore, chacun entouré de sept points, sont séparés par un signe plus. Les points sur le premier atome sont tous noirs et les points sur le deuxième atome sont tous lus. La phrase,

La structure de Lewis indique que chaque atome Cl a trois paires d’électrons qui ne sont pas utilisées dans la liaison (appelées paires solitaires) et une paire d’électrons partagée (écrite entre les atomes). Un tiret (ou une ligne) est parfois utilisé pour indiquer une paire d’électrons partagée:

Deux structures de Lewis sont représentées. La structure de gauche montre deux atomes de H reliés par une seule liaison. La structure de droite montre deux atomes de C l reliés par une seule liaison et chacun entouré de six points.

Une seule paire partagée d’électrons est appelée une seule liaison. Chaque atome Cl interagit avec huit électrons de valence: les six dans les paires isolées et les deux dans la liaison unique.

La règle de l’octet

Les autres molécules halogènes (F2, Br2, I2 et At2) forment des liaisons similaires à celles de la molécule de chlore : une liaison unique entre les atomes et trois paires isolées d’électrons par atome. Cela permet à chaque atome d’halogène d’avoir une configuration d’électrons de gaz noble. La tendance des atomes du groupe principal à former suffisamment de liaisons pour obtenir huit électrons de valence est connue sous le nom de règle de l’octet.

Le nombre de liaisons qu’un atome peut former peut souvent être prédit à partir du nombre d’électrons nécessaires pour atteindre un octet (huit électrons de valence); cela est particulièrement vrai pour les non-métaux de la deuxième période du tableau périodique (C, N, O et F). Par exemple, chaque atome d’un élément du groupe 14 a quatre électrons dans son enveloppe la plus externe et nécessite donc quatre électrons supplémentaires pour atteindre un octet. Ces quatre électrons peuvent être obtenus en formant quatre liaisons covalentes, comme illustré ici pour le carbone en CCl4 (tétrachlorure de carbone) et le silicium en SiH4 (silane). Parce que l’hydrogène n’a besoin que de deux électrons pour remplir sa coquille de valence, c’est une exception à la règle de l’octet. Les éléments de transition et les éléments de transition internes ne suivent pas non plus la règle des octets:

Deux ensembles de structures de points de Lewis sont représentés. Les structures de gauche représentent cinq symboles C l en forme de croix avec huit points autour de chacun, le mot

Les éléments du groupe 15 tels que l’azote ont cinq électrons de valence dans le symbole de Lewis atomique: une paire unique et trois électrons non appariés. Pour obtenir un octet, ces atomes forment trois liaisons covalentes, comme dans NH3 (ammoniac). L’oxygène et les autres atomes du groupe 16 obtiennent un octet en formant deux liaisons covalentes:

Trois structures de Lewis étiquetées,

Liaisons doubles et triples

Comme mentionné précédemment, lorsqu’une paire d’atomes partage une paire d’électrons, nous appelons cela une liaison simple. Cependant, une paire d’atomes peut avoir besoin de partager plus d’une paire d’électrons pour atteindre l’octet requis. Une double liaison se forme lorsque deux paires d’électrons sont partagées entre une paire d’atomes, comme entre les atomes de carbone et d’oxygène dans CH2O (formaldéhyde) et entre les deux atomes de carbone dans C2H4 (éthylène) : Deux paires de structures de Lewis sont représentées. La paire de structures de gauche montre un atome de carbone formant des liaisons simples avec deux atomes d'hydrogène. Il y a quatre électrons entre l'atome C et un atome O. L'atome O a également deux paires de points. Le mot

Une triple liaison se forme lorsque trois paires d’électrons sont partagées par une paire d’atomes, comme dans l’azote gazeux (N2):

Écrire des structures de Lewis avec la Règle de l’Octet

Pour des molécules très simples et des ions moléculaires, nous pouvons écrire les structures de Lewis en appariant simplement les électrons non appariés sur les atomes constitutifs. Voir ces exemples:

Trois réactions sont représentées avec des diagrammes à points de Lewis. Le premier montre un hydrogène avec un point rouge, un signe plus et un brome avec sept points, dont l'un est rouge, relié par une flèche orientée vers la droite à un hydrogène et un brome avec une paire de points rouges entre eux. Il y a aussi trois paires solitaires sur le brome. La deuxième réaction montre un hydrogène avec un coefficient de deux et un point rouge, un signe plus et un atome de soufre avec six points, dont deux sont rouges, reliés par une flèche tournée vers la droite à deux atomes d'hydrogène et un atome de soufre. Il y a deux points rouges entre les deux atomes d'hydrogène et l'atome de soufre. Les deux paires de ces points sont rouges. L'atome de soufre a également deux paires de points solitaires. La troisième réaction montre deux atomes d'azote avec chacun cinq points, dont trois sont rouges, séparés par un signe plus et reliés par une flèche orientée vers la droite à deux atomes d'azote avec six points d'électrons rouges entre eux. Chaque atome d'azote a également une seule paire d'électrons.

Pour les molécules et les ions moléculaires plus complexes, il est utile de suivre la procédure étape par étape décrite ici:

  1. Déterminer le nombre total d’électrons de valence (enveloppe extérieure).
  2. Dessinez une structure squelette de la molécule, en organisant les atomes autour d’un atome central. (Généralement, l’élément le moins électronégatif doit être placé au centre.) Connectez chaque atome à l’atome central avec une seule liaison (une paire d’électrons).
  3. Répartissez les électrons restants en paires solitaires sur les atomes terminaux (sauf l’hydrogène), en complétant un octet autour de chaque atome.
  4. Placez tous les électrons restants sur l’atome central.
  5. Réarrangez les électrons des atomes extérieurs pour créer de multiples liaisons avec l’atome central afin d’obtenir des octets dans la mesure du possible.

Déterminons la structure de Lewis de PBr3 en utilisant les étapes ci-dessus:

  • Étape 1: Déterminer le nombre total d’électrons de valence (enveloppe extérieure).

\ large \begin{array}{l}\\\phantom{\rule{0.8em}{0ex}}{\text{PBr}}_{3}\\\phantom{\rule{0.8em}{0ex}}\text{P: 5 électrons de valence/atome}\times\text{1 atome} = 5\\\underline{+\text{Br: 7 électrons de valence/ atome}\times\text{3 atomes} =21}\\\\phantom{\rule{15.95em}{0ex}} = \text {26 électrons de valence}\end { tableau}

  • Étape 2: Dessinez une structure squelette de la molécule, en organisant les atomes autour d’un atome central. (Généralement, l’élément le moins électronégatif doit être placé au centre.) Connectez chaque atome à l’atome central avec une seule liaison (une paire d’électrons).
Le diagramme de Lewis de PBr3 est montré. Le seul phosphore désossé à trois atomes de brome.
  • Étape 3: Répartissez les électrons restants sous forme de paires isolées sur les atomes terminaux (sauf l’hydrogène), en complétant un octet autour de chaque atome.
  • Doagramme de Lewis de PBr3. Un seul atome de phosphore lié à trois atomes de brome. Chaque atome de brome a trois paires solitaires. Étape 4: Placez tous les électrons restants sur l’atome central.
La structure de Lewis pour PBr3 est illustrée. Tous les atomes ont des octets. Le phorsphore est lié individuellement à trois bromes. L'atome de phorphore a une seule paire, tandis que chaque brome a trois paires solitaires.

Remarque: Étape 5: N’est pas nécessaire car tous les atomes ont un octet.

Déterminons la structure de Lewis de CH2O.

  • Étape 1: Déterminez le nombre total d’électrons de valence (enveloppe extérieure).

\ large \begin{array}{l}\\\phantom{\rule{0.8em}{0ex}}{\text{H}_{2}}\text{CO}\\\phantom{\rule{0.8em}{0ex}}\text{H: 1 électron de valence/ atome}\ times\text{2 atom} = 2\\\text{C: 4 électrons de valence/ atome}\ times\text{1 atom} = 4\\\underline{+\text{O: 6 électrons de valence/ atome}\ temps \text{1 atomes} = 6} \\\\\phantom{\rule{15.95em}{0ex}} = \text{12 électrons de valence}\end{tableau}

  • Étape 2: Dessinez une structure squelette de la molécule, en organisant les atomes autour d’un atome central. (Généralement, l’élément le moins électronégatif doit être placé au centre.) Connectez chaque atome à l’atome central avec une seule liaison (une paire d’électrons).
Diagramme de Lewis illustré. L'atome central est du carbone, lié à un oxygène et à deux hydrogènes.
  • Étape 3: Répartissez les électrons restants sous forme de paires isolées sur les atomes terminaux (sauf l’hydrogène), en complétant un octet autour de chaque atome.
  • Étape 4: Pas nécessaire, car tous les électrons ont été placés. Cependant, le carbone n’a pas d’octet,
  • Étape 5: Réorganisez les électrons des atomes extérieurs pour créer de multiples liaisons avec l’atome central afin d’obtenir des octets dans la mesure du possible.

Exemple 1 : Écriture des structures de Lewis

La mission Cassini-Huygens de la NASA a détecté un grand nuage de cyanure d’hydrogène toxique (HCN) sur Titan, l’une des lunes de Saturne. Quelles sont les structures de Lewis de ces molécules ?

Afficher l’étape 1

Étape 1: Calculer le nombre d’électrons de valence.
HCN: (1 × 1) + (4 × 1) + (5 × 1) = 10

Afficher l’étape 2

Étape 2. Dessinez un squelette et connectez les atomes avec des liaisons simples. Rappelez-vous que H n’est jamais un atome central:

Afficher l’étape 3

Étape 3: Si nécessaire, distribuez les électrons aux atomes terminaux:

HCN: six électrons placés sur N

Afficher l’étape 4

Étape 4: Si nécessaire, placez les électrons restants sur l’atome central:

HCN : il ne reste plus d’électrons

Afficher l’étape 5

Étape 5: Si nécessaire, réorganisez les électrons pour former plusieurs liaisons afin d’obtenir un octet sur chaque atome:
HCN: formez deux liaisons C–N supplémentaires

Vérifiez votre apprentissage

Le dioxyde de carbone, le CO2, est un produit de la combustion de combustibles fossiles. Le CO2 a été impliqué dans le changement climatique mondial. Quelle est la structure de Lewis du CO2?

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Concepts clés et résumé

Les structures électroniques de Valence peuvent être visualisées en dessinant des symboles de Lewis (pour les atomes et les ions monatomiques) et des structures de Lewis (pour les molécules et les ions polyatomiques). Des paires solitaires, des électrons non appariés et des liaisons simples, doubles ou triples sont utilisés pour indiquer où les électrons de valence sont situés autour de chaque atome dans une structure de Lewis. La plupart des structures — en particulier celles contenant des éléments de deuxième rangée — obéissent à la règle de l’octet, dans laquelle chaque atome (sauf H) est entouré de huit électrons. Des exceptions à la règle des octets se produisent pour les molécules d’électrons impairs (radicaux libres), les molécules déficientes en électrons et les molécules hypervalentes.

Exercices

  1. Écrivez les symboles de Lewis pour chacun des ions suivants:
    1. As3-
    2. I –
    3. Be2 +
    4. O2 –
    5. Ga3+
    6. Li+
    7. N3–
  2. De nombreux ions monatomiques se trouvent dans l’eau de mer, y compris les ions formés à partir de la liste d’éléments suivante. Écrivez les symboles de Lewis pour les ions monatomiques formés à partir des éléments suivants:
    1. Cl
    2. Na
    3. Mg
    4. Ca
    5. K
    6. Br
    7. Sr
    8. F
  3. Écrivez les symboles de Lewis des ions dans chacun des composés ioniques suivants et les symboles de Lewis de l’atome à partir duquel ils sont formés :
    1. MgS
    2. Al2O3
    3. GaCl3
    4. K2O
    5. Li3N
    6. KF
  4. Dans les structures de Lewis énumérées ci-dessous, M et X représentent divers éléments de la troisième période du tableau périodique. Écrivez la formule de chaque composé en utilisant les symboles chimiques de chaque élément:
    1. Deux structures de Lewis sont représentées côte à côte, chacune entourée de crochets. La structure de gauche montre le symbole M avec deux signes positifs en exposant. La droite montre le symbole X entouré de quatre paires d'électrons solitaires avec deux signes négatifs en exposant en dehors des crochets.
    2. Deux structures de Lewis sont représentées côte à côte, chacune entourée de crochets. La structure de gauche montre le symbole M avec trois signes positifs en exposant. La structure de droite montre le symbole X entouré de quatre paires d'électrons solitaires avec un signe négatif en exposant et trois souscriptés à l'extérieur des crochets.
    3. Deux structures de Lewis sont représentées côte à côte, chacune entourée de crochets. La structure de gauche montre le symbole M avec un signe positif en exposant et deux en indice à l'extérieur des crochets. La structure de droite montre le symbole X entouré de quatre paires d'électrons solitaires avec un signe négatif en exposant deux en dehors des crochets.
    4. Deux structures de Lewis sont représentées côte à côte, chacune entourée de crochets. La structure de gauche montre le symbole M avec un signe positif de trois en suscrit et un signe positif de deux en suscrit à l'extérieur des crochets. La structure de droite montre le symbole X entouré de quatre paires d'électrons solitaires avec un signe négatif de deux en exposant et trois en indiquant les deux en dehors des crochets.
  5. Écrivez la structure de Lewis de la molécule diatomique P2, une forme instable de phosphore présente dans la vapeur de phosphore à haute température.
  6. Écrivez des structures de Lewis pour ce qui suit :
    1. H2
    2. HBr
    3. PCl3
  7. Ecrire des structures de Lewis pour ce qui suit :
    1. O2
    2. H2CO
    3. AsF3
    4. SiCl4
Réponses sélectionnées

1. Le symbole de Lewis pour chaque ion est le suivant:

  1. huit électrons:
    Un diagramme en points de Lewis montre le symbole de l'arsenic, A s, entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant trois.
  2. huit électrons:
    Un diagramme à points de Lewis montre le symbole de l'iode, I, entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant.
  3. pas d’électrons Be2 +
  4. huit électrons:
    Un diagramme en points de Lewis montre le symbole de l'oxygène, O, entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant deux.
  5. pas d’électrons Ga3 +
  6. pas d’électrons Li +
  7. huit électrons:
    Un diagramme en points de Lewis montre le symbole de l'azote, N, entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant trois.

3. Les symboles de Lewis sont les suivants:

  1. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole M g avec un signe positif en exposant deux tandis que la droite montre le symbole S entouré de huit points et un signe négatif en exposant deux.
  2. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole A l avec trois signes positifs en exposant tandis que la droite montre le symbole O entouré de huit points et deux signes négatifs en exposant.
  3. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole G a avec un signe positif en exposant trois tandis que la droite montre le symbole C l entouré de huit points et un signe négatif en exposant.
  4. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole K avec un signe positif en exposant tandis que la droite montre le symbole O entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant deux.
  5. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole L i avec un signe positif en exposant tandis que la droite montre le symbole N entouré de huit points et d'un signe négatif en exposant trois.
  6. Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche montre le symbole K avec un signe positif en exposant tandis que la droite montre le symbole F entouré de huit points et un signe négatif en exposant.

Un diagramme de Lewis montre deux atomes de phosphore triple liés ensemble chacun avec une seule paire d'électrons.

7. Les structures de Lewis sont les suivantes:

  1. O2:
    Une structure de Lewis montre deux atomes d'oxygène liés les uns aux autres, et chacun a deux paires d'électrons isolées.
    Dans ce cas, la structure de Lewis est inadéquate pour illustrer le fait que des études expérimentales ont montré deux électrons non appariés dans chaque molécule d’oxygène.
  2. H2CO:
    Une structure de Lewis montre un atome de carbone qui est simple lié à deux atomes d'hydrogène et double lié à un atome d'oxygène. L'atome d'oxygène a deux paires d'électrons isolées.
  3. AsF3 :
    Une structure de Lewis montre un atome d'arsenic lié à trois atomes de fluor. Chaque atome de fluor a une seule paire d'électrons.
  4. SiCl4 :
    Une structure de Lewis montre un atome de silicium lié à quatre atomes de chlore. Chaque atome de chlore a trois paires d'électrons isolées.
    Deux structures de Lewis sont représentées. La gauche représente un atome de carbone lié à quatre atomes de chlore, chacun avec trois paires d'électrons isolées. La droite montre un atome de carbone double lié à un atome d'oxygène qui a deux paires d'électrons isolées. L'atome de carbone est également lié à deux atomes de chlore, chacun ayant trois paires d'électrons isolées.

Glossaire

double liaison : liaison covalente dans laquelle deux paires d’électrons sont partagées entre deux atomes

radical libre : molécule qui contient un nombre impair d’électrons

molécule hypervalente : molécule contenant au moins un élément du groupe principal qui a plus de huit électrons dans son enveloppe de valence

Structure de Lewis : diagramme montrant des paires isolées et des paires de liaison d’électrons dans une molécule ou un ion

Symbole de Lewis: symbole d’un élément ou d’un ion monatomique qui utilise un point pour représenter chaque électron de valence dans l’élément ou l’ion

paire unique: deux (une paire de) électrons de valence qui ne sont pas utilisés pour former une liaison covalente

règle de l’octet: directive indiquant que les atomes du groupe principal formeront des structures dans lesquelles huit électrons de valence interagiront avec chaque noyau, en comptant les électrons de liaison comme interagissant avec les deux atomes reliés par la liaison

liaison simple: liaison dans laquelle une seule paire d’électrons est partagée entre deux atomes

triple liaison: liaison dans laquelle trois paires d’électrons sont partagées entre deux atomes

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