Atomistique et Liaison chimique

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Atomistique etLiaison chimique

• Xavier Assfeld
• Laboratoire de Chimie théorique
• Entrée 2A, 7ème niveau

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Localisation
3
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

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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

5
Ouvrages de références - 2

• A éviter (pour latomistique !)
•  Chimie physique , Atkins
•  Chimie physique , P. Arnaud

6
Multimédia

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La matière (1)

• Atome électrons noyau
• noyau protons neutrons
• électron charge électrique négative
  (e1,6.10?19 C)
• proton charge électrique positive
• neutron électriquement neutre.

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La matière (2)

• Masse de lélectron vaut 9,1.10?31 kg
• Masse du proton vaut 1,673.10?27 kg
• Masse du neutron vaut 1,675.10?27 kg
• mn ? mp 1836 me
• Dimensions dun atome 10?10 m (1 Å)
• Dimensions dun noyau 10?15 m (1 fm)

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La matière (3)

• Masse dun atome ? masse du noyau
• Un atome est essentiellement vide
• nombre de charge Z (proton)
• nombre de masse A (nucléon)

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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

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Des atomes aux molécules (1)
Période ligne Famille colonne propriétés
périodiques ? structure en couche
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Des atomes aux molécules (2)

• Séparation cœur/valence
• nombre délectrons 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 délectronégativité (c)

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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.
c
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Des atomes aux molécules (4)

• 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 ?? HH
• H H
• H C?H ? HCH
• H H

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Des atomes aux molécules (5)

• paire libre
• H H
• H N? ? HN
• H H
• La structure de Lewis dune molécule ne donne
  aucune indication sur sa géométrie spatiale.

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Des atomes aux molécules (6)

• Liaison multiple
• H H H H
• C C ?? CC éthène
• H H H H
• HC?N acide cyanhydrique
• La liaison est dautant plus forte que la
  multiplicité est grande.

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Des atomes aux molécules (7)
18
Des atomes aux molécules (8)

NN ou N N ou N N ?

• Règle de loctet  la stabilité maximale dune
  molécule est obtenue lorsque chaque atome (sauf H
  ou He) est entouré de quatre paires
  délectrons. 

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Des atomes aux molécules (9)

• Exceptions à la règle de loctet.
• Molécules hypovalentes BH3, BeH2, ...
• Molécules hypervalentes BrF5, PCl5, CLi6, ...
• Règle de loctet étendu pour les métaux de
  transition (18 électrons) ZnCl42?, ...

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Des atomes aux molécules (10)

• Charges formelles
• liaisons datives H3N BH3 ?
• Compter les électrons  entourant  un atome et
  comparer avec le nombre délectrons de valence.
• N Ne pas confondre avec le décompte pour loctet

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Des atomes aux molécules (11)

• Radicaux, Acides et Bases de Lewis
• radicaux électron non apparié (NH2, OH, )
• acides défaut dau moins une paire libre par
  rapport à l octet
• bases possède au moins une paire libre

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Des atomes aux molécules (12)

• Limites des diagrammes de Lewis
• liaisons délocalisées, résonance, mésomèrie
• Exercice
• Donner un diagramme de Lewis de lacide
  nitreux (HNO2) en accord avec la réalité
  expérimentale (2 liaisons NO équivalentes)

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Des atomes aux molécules (13)
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Des atomes aux molécules (14)
Le benzène C6H6. Formes de Kékulé
25
Des atomes aux molécules (14)
Le benzène C6H6. Formes de Kékulé

• d(CC) 140 pm
• d(C2H6) 154 pm
• d(C2H4) 134 pm
• d(C2H2) 120 pm

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Des atomes aux molécules (15)

• Règles de sélection des formes mésomères.
• Essayer de respecter la règle de loctet
• Faire apparaître un maximum de liaisons
• Eviter les charges formelles trop nombreuses

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Des atomes aux molécules (16)
Lozone O3.
28
Des atomes aux molécules (17)
Si plusieurs formes équivalentes sont
nécessaires (C6H6, CO32?, ) 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.
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Des atomes aux molécules (18)

• Limites du modèle Lewis
• Pourquoi la molécule C2 na pas une quadruple
  liaison ? d(CC) 124 pm ( )
• Pourquoi la molécule dO2 possède des électrons
  non appariés ?
• Pourquoi la molécule O3 nest pas triangulaire ?
  
• Pourquoi les paires libres de H2O ne sont pas
  équivalentes ? Etc.

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Des atomes aux molécules (19)
Le passage à la troisième dimension
larrangement spatial des atomes ! Modèle VSEPR
(Gillespie 1992)  Autour de chaque atome, les
paires délectrons de valence (libres ou de
liaison) séloignent le plus possible les unes
des autres afin de minimiser leur répulsion
électrostatique. 
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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 quun seul
  domaine de répulsion.

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Des atomes aux molécules (21)
AXnEm
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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
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Des atomes aux molécules (23)
n m 4 AX4 CH4, SiF4, AX3E NH3,
PCl3, ... AX2E2 H2O, SCl2, ...
tétraédrique
pyramidale
coudée
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Des atomes aux molécules (24)
Bipyramide à base triangulaire
n m 5 AX5 PCl5, AX4E SF4,
AX3E2 ClF3, AX2E3 IF2?,
I3?, XeF2...
 papillon 
En  T 
linéaire
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Cest tout ce que lon a fait en deux heures !!