molécules et géométrie. la géométrie moléculaire cest le domaine de la stéréochimie comment...

Molécules et géométrie Molécules et géométrie

La géométrie moléculaireLa géométrie moléculaire

C’est le domaine de la stéréochimie

Comment décrire la géométrie des molécules? Au moyen de :

Distances de liaison. {R}

Angles de valence. {}

Angles de torsion. {}

O O

RROOOO




H

O O

RROOOO

RROHOH OOHOOH










O

H

O

RROOOO

RROHOH OOHOOH

RROHOHOOHOOH

H

Le modèle de la répulsion des pairesLe modèle de la répulsion des paires

Les paires d’électrons se distribuent autour des noyaux « porteurs » Les paires d’électrons se distribuent autour des noyaux « porteurs » AA et déterminent la géométrie moléculaire. et déterminent la géométrie moléculaire.

Ces paires se repoussent et mènent au modèle de répulsion des Ces paires se repoussent et mènent au modèle de répulsion des paires.paires.2 paires s’alignent sur la sphère2 paires s’alignent sur la sphère

Conséquence: Molécules linéairesConséquence: Molécules linéairesAXAX22 180° 180°

Exemple: Exemple: BeBeClCl22 (Octet non respecté)(Octet non respecté)

ClBe

Cl


3 paires se disposent sur un triangle équilatéral.3 paires se disposent sur un triangle équilatéral.

Conséquence: Molécules planes; Conséquence: Molécules planes; AXAX33 120° 120°

Exemple: Exemple: AlAlClCl3 3 (Octet non respecté)(Octet non respecté)

2 paires s’alignent sur la sphère2 paires s’alignent sur la sphère

Conséquence: Molécules linéaires Conséquence: Molécules linéaires AXAX22Exemple: BeClExemple: BeCl2 2 (Octet non respecté)(Octet non respecté)

ClBe

Cl

Cl

Al

Cl

Cl


4 paires se disposent au sommet d’un tétraèdre.4 paires se disposent au sommet d’un tétraèdre.

Conséquence: Molécules tétraédriques; Conséquence: Molécules tétraédriques; AXAX44 109°28 ’ 109°28 ’

Exemple: Exemple: CCHH4 4 (Octet respecté)(Octet respecté)

CC

H

HH

H


5 paires se disposent au sommet d’une bipyramide trigonale.5 paires se disposent au sommet d’une bipyramide trigonale.

Conséquence: Conséquence: AXAX55 120° et 90° 120° et 90°

Exemple: Exemple: PPClCl5 5 (Octet non respecté - composé hypervalent)(Octet non respecté - composé hypervalent)

Cl PCl

ClCl

Cl


Conséquence: Conséquence: AXAX66 90° 90°

Exemple: Exemple: S S FF6 6 (Octet non respecté - composé hypervalent)(Octet non respecté - composé hypervalent)

6 paires se disposent au sommet d’un octaèdre.6 paires se disposent au sommet d’un octaèdre.

SSF

F

F

F F

F

CC

H

HH

H

La géométrie des molécules à liaisons simplesLa géométrie des molécules à liaisons simples

QuickTime™ et un décompresseurAnimation sont requis pour visualiser

cette image.

CH4

AXAX44

NH3 EAXEAX33


cette image.

H2O EE22AXAX22


cette image.

La géométrie des molécules à liaisons simplesLa géométrie des molécules à liaisons simples

Ethane, méthylamine, méthanol, ...

La géométrie des molécules à liaisons multiplesLa géométrie des molécules à liaisons multiples

éthane éthane éthylène éthylène acétylène ... acétylène ...

1,54Å 1,34Å

1,20Å

CCH

H

C

CH

H

H

H

C

CH

HH

H

HH

Molécule plane

Molécule linéaire

La notion d ’hybridationLa notion d ’hybridation

Les molécules sont tétraédriques, mais les orbitales atomiques sont orthogonales (perpendiculaires entre-elles).

L’hybridation est la transformation des orbitales de l’atome pour les adapter à une meilleure description de la géométrie moléculaire.

L’hybridation spL’hybridation sp

s’obtient en combinant l’orbitale 2s à une orbitale 2p, sans modifier les deux autres.

Deux orbitales (2s, 2p) se transforment par combinaison (addition et soustraction) en deux hybrides sp.

+

-


s’obtient en combinant l’orbitale 2s à une orbitale 2p, sans modifier les deux autres.

Deux orbitales (2s, 2p) se transforment par combinaison (addition et soustraction) en deux hybrides sp.


Au total: 180°

Cette hybridation est adaptée à la représentation des atomes dans des

molécules linéaires telles que BeCl2, HCCH, HCN… ou contenant des fragments linéaires.

Les hybrides permettront de décrire les liaisons.

L’hybridation spL’hybridation sp22

t 3

t1

t2

x

s’obtient en combinant la fonction 2s à deux fonctions 2p, sans modifier la dernière.

elle est adaptée à la représentation ddes atomes dans les molécules planes telles que AlCl3, H2C=O, H2C=CH2…

ou contenant des fragments planes.

120°


s’obtient en combinant la fonction 2s à deux fonctions 2p, sans modifier la dernière.

elle est adaptée à la représentation de molécules planes telles que H2C=O que H2C=CH2…

ou contenant des fragments planes.


z

y

x

C

s’obtient en combinant la fonction 2s aux trois fonctions 2p.

elle est adaptée à la représentation de molécules tétraédriques telles que CH4 , H3C—OH que H3C—CH3, … .

109°28 ’

D’autres hybridations incluant les orbitales d d existent.

Par exemple spsp33dd pour décrire PClPCl55 ou spsp33dd22 pour décrire SF6

La formation de liaisonsLa formation de liaisons

L’hybride spn se combine à une orbitale 1s de l’hydrogène, ou à une

autre orbitale hybride pour former les liaisons CH, CC, CO, ....

HCHC +

Les traits de liaison symbolisent la liaison chimique décrite par la superposition des orbitales atomiques hybrides ()

ou originales.

Description de l ’éthylène CDescription de l ’éthylène C22HH44

Les hybrides sp2 forment les liaisons CH et CC de l ’éthylène ()

La fusion des orbitales 2p inchangées forme la liaison CC de l ’éthylène

CHH C H

H CHH C HH CH

H C HH

La résonance du benzèneLa résonance du benzène

L’exemple du benzène montre que par fusion des orbitales 2p inchangées, on décrit le phénomène de

conjugaison des électrons .

C

C

C

H

C

H

C

H

CH

H

H

C

C

C

H

C

H

C

H

CH

H

H

Les complexes moléculairesLes complexes moléculaires

De nombreux ions métalliques forment des structures moléculaires stables avec d’autres molécules ou ions (ligandsligands) : Ce sont les complexes moléculaires : Fe(CN)6

3- , Fe(CN)64-, Ni(NH3)6

2+, …

Leur géométrie est octaédrique. On l’explique par l’hybridation

spsp33dd22 du Fe Fe: 4sFe: 4s223d3d664p4p00 Fe Fe3+3+ 4s 4s003d3d554p4p00

FeFe3+3+ 4s 4s003d3d554p4p00 Fe Fe3+3+hybrhybr 3d 3d5 5 sp sp33dd22

Les ions CN- occupent les hybrides spsp33dd22

les liaisons intermoléculairesles liaisons intermoléculaires

Si des molécules identiques existent dans des états physiques différents, c’est parce qu ’elles sont soumises à des interactions intermoléculaires intermoléculaires, qui s’expriment via des forces intermoléculaires.

On distingue:

•Les forces de van der Waals.Les forces de van der Waals.

•Les ponts hydrogènes: Les ponts hydrogènes:

•Les forces dipôles/dipôles de Keesom

•Les forces dipôles/dipôles induits de Debye

•Les forces de dispersion de London

les forces de van der Waalsles forces de van der Waals

Des liaisons intermoléculaires apparaissent si les forces attractives dominent les forces répulsives.

•Les forces dipôles/dipôles de Keesom résultent de l’interaction électrostatique stabilisante obtenue par orientation des dipôles

+q -q+q -q

On distinguera des molécules polaires et des molécules apolaires.

0 00 0

+q -q+q -q

-q +q-q +q

+q -q

+q -q

+q

-

q+

q

-q

-q +q-q +q

+q -q+q -q


•Les forces dipôles/dipôles induits de Debye proviennent de l’interaction électrostatique stabilisante résultante

Une molécule apolaire peut être polarisable

0 00 0

-q +q-q +q

++q -q -qq

et sous l ’influence d ’un dipôle, se polariser. Il s’agit de dipôles induits

++q -q -qq

-q +q-q +q


•Les forces de dispersion de London sont des forces dipôles induits/dipôles induits

Des molécules polarisables peuvent interagir via des dipôles instantanés

++q -q -qq0 00 0 ++q -q -qq

--q +q +qq

Elles sont d ’autant plus grandes que la polarisabilité est grande.

On peut expliquer ainsi l’augmentation de la température d ’ébullition des halogènes

F2 -183°C; Cl2 -35°C; Br2 58°C; I2 183°C

les ponts Hydrogèneles ponts Hydrogène

Lorsque des hydrogènes sont liés à des atomes fortement électronégatifs, la liaison formée est très polarisée (transfert électronique important).

Les hydrogènes (+) s’associent aux atomes (-) d’une molécule voisine.

Cette association constitue un pont Hydrogènepont Hydrogène. qui mène souvent à des réseaux de molécules.

Celle-ci s’établit entre H H etet F, O, N F, O, N.

O H

R

O H

R

O H

R

O H

R

O H

R

O H

R

Par exemple entre H H etet O O dans les alcools:

les ponts Hydrogèneles ponts Hydrogène

Cette liaison intermoléculaire explique le point d ’ébullition élevé de

H2O (100°C) et HF (20°C) comparés à H2S (-60°C) et HCl (-85°C)

L ’eau constitue un autre exemple

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O H

H

Retour sur les états de la matièreRetour sur les états de la matière

Les états condensés trouvent leur origine dans Les états condensés trouvent leur origine dans l’agrégation des l’agrégation des moléculesmolécules. Cette . Cette cohésioncohésion résulte des résulte des interactions intermoléculairesinteractions intermoléculaires

L’agitation des molécules s’oppose à cette cohésion. L’agitation des molécules s’oppose à cette cohésion. Celle-ci est de nature thermique et confère la mobilité aux molécules. Celle-ci est de nature thermique et confère la mobilité aux molécules.

Forces de cohésion Forces de cohésion >>>> Agitation thermique Agitation thermique Etat Solide Etat Solide ((Energie Réticulaire) Rigidité Positions fixes ) Rigidité Positions fixes

Forces de cohésion Forces de cohésion <<<< Agitation thermique Agitation thermique Etat Gazeux Etat Gazeux mouvements libresmouvements libres

Forces de cohésion Forces de cohésion Agitation thermique Agitation thermique Etat Liquide Etat Liquide Fluidité Positions libres, mobilité restreinte Fluidité Positions libres, mobilité restreinte

Retour sur les situations ioniques : Le Solide IoniqueRetour sur les situations ioniques : Le Solide Ionique

Exemple du cristal de NaCl en 3 dimensions : [NaExemple du cristal de NaCl en 3 dimensions : [Na++ClCl--]]

Il s’agit d’une succession d’étapes élémentaires qui constituent leCycle de Haber BornCycle de Haber Born que nous allons analyser

Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) Bilan énergétique ?

Cycle de Haber BornCycle de Haber Born

Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) Bilan énergétique? (kJ.mol-1)

1. Vaporisation Na(s) -> Na(g) E= +93

2. Dissociation 1/2Cl2(g) -> Cl E=+122 3. Ionisation Na -> Na+ + e- E=+496

4. Ionisation Cl + e- -> Cl- E=-348 5. Association Na++Cl--> NaCl(s) E=-780

(énergie réticulaireénergie réticulaire)

Na (215) Cl

1 et 2

3 et 4 (363) Na+ Cl-

0 Na(s) 1/2 Cl2

Energie réticulaire =

€

U =ZaZbe

2

4πε0raba,b

touslesions

∑ = NavZ +Z−e2

4πε0r×M × B

Exemple du cristal de NaCl en 3 dimensions : [NaExemple du cristal de NaCl en 3 dimensions : [Na++ClCl--]]


€

U =ZaZbe

2

4πε0raba,b

touslesions

∑ = NavZ +Z−e2

4πε0r×M × B



Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) Bilan énergétique? (kJ.mol-1)

1. Vaporisation Na(s) -> Na(g) E= +93

2. Dissociation 1/2Cl2(g) -> Cl E=+122 3. Ionisation Na -> Na+ + e- E=+496

4. Ionisation Cl + e- -> Cl- E=-348 5. Association Na++Cl--> NaCl(s) E=-780

(énergie réticulaireénergie réticulaire)

Na (215) Cl

1 et 2

3 et 4 (363) Na+ Cl-

0 Na(s) 1/2 Cl2

5

NaCl(s)Bilan global: Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) ) E=-417E=-417


€

U =ZaZbe

2

4πε0raba,b

touslesions

∑ = NavZ +Z−e2

4πε0r×M × B

La liaison métalliqueLa liaison métallique

Le carbone diamantLe carbone diamantL’aspirineL’aspirine

Les solidesLes solides moléculaires et covalents moléculaires et covalents

Molécules et NomenclatureMolécules et NomenclatureA ce stade, la connaissance de la nomenclature s’impose.A ce stade, la connaissance de la nomenclature s’impose.

Cfr ANNEXE Cfr ANNEXE

Les notions de baseLes notions de base

Une Une fonction chimiquefonction chimique est un ensemble de propriétés portées par un est un ensemble de propriétés portées par un atome ou un groupe structuré d’atomes (Acide; Base; …). atome ou un groupe structuré d’atomes (Acide; Base; …).

Ce groupe structuré d’atomes s’appelle Ce groupe structuré d’atomes s’appelle groupe fonctionnel.groupe fonctionnel.

La nomenclature chimique donne un La nomenclature chimique donne un nom rationnel nom rationnel aux molécules.aux molécules.

Les noms reposent sur une association « préfixe/élément/suffixe ». Les noms reposent sur une association « préfixe/élément/suffixe ». L’ensemble constitue unL’ensemble constitue un radical radical..

Les grandes famillesLes grandes familles

Les oxydes:Les oxydes:

Les acidesLes acides

Les basesLes bases

•de non-métaux: Mde non-métaux: MaaOObb

•de métaux: Mde métaux: MaaOObb [oxydes de Métal (X) avec x=2*b/a] [oxydes de Métal (X) avec x=2*b/a]

•les hydracides: Hles hydracides: HaaXXbb

•les oxacides: Hles oxacides: HaaMMbbOOcc

•hydroxylées: Mhydroxylées: Maa(OH)(OH)bb

•aminées: Raminées: RnnNHNHn’ n’ (n+n’=3)Les selsLes sels

Les grandes famillesLes grandes familles

Les mots-clés utiles :Les mots-clés utiles :•suffixes « ure », « ate » mais aussi ique; eux; ite; suffixes « ure », « ate » mais aussi ique; eux; ite;

H H22S, NaS, Na33POPO44, H, H22SOSO44, H, H22SOSO33, NaNO, NaNO22

•préfixes préfixes hypohypo et et perper ( (HClOHClO, HClO, HClO22, HClO, HClO33, , HClOHClO44) )

•préfixes pyro, thio et peroxopréfixes pyro, thio et peroxo

•nomenclature des sels (hydrogéno… NaHSOnomenclature des sels (hydrogéno… NaHSO44))

•quelques radicauxquelques radicaux

molécules et géométrie. la géométrie moléculaire cest le domaine de la stéréochimie comment...

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