Exercices — La géométrie des molécules

Méthode : on compte tous les électrons de valence, on divise par 2 pour obtenir le nombre de doublets, puis on place d’abord les liaisons et enfin les doublets non liants.

1. Eau $\text{H}_2\text{O}$ : électrons de valence : $6 + 2 \times 1 = 8$, soit $8/2 = \mathbf{4}$ doublets. L’oxygène forme une liaison avec chaque hydrogène : 2 doublets liants. Les $4 - 2 = \mathbf{2}$ doublets non liants restants se placent sur l’oxygène (jamais sur H, qui ne peut s’entourer que d’un doublet) :

$\text{H–}\overset{\displaystyle \cdot\cdot}{\underset{\displaystyle \cdot\cdot}{\text{O}}}\text{–H}$

2. Ammoniac $\text{NH}_3$ : électrons de valence : $5 + 3 \times 1 = 8$, soit 4 doublets. L’azote forme 3 doublets liants (un vers chaque H) et garde $4 - 3 = \mathbf{1}$ doublet non liant :

$\text{H–}\overset{\displaystyle \cdot\cdot}{\text{N}}(\text{–H})\text{–H}$

Vérification : O est bien entouré de 4 doublets (règle de l’octet) et chaque H d’un seul doublet (règle du duet). ✓

1. Les doublets d’électrons, chargés négativement, se repoussent : ils se disposent autour de l’atome central de façon à être le plus éloignés possible les uns des autres. Pour 4 doublets, la disposition optimale pointe vers les sommets d’un tétraèdre (angles d’environ 109,5°).

2.

Molécule	Doublets liants	Doublets non liants	Géométrie
$\text{CH}_4$	4	0	tétraédrique (≈ 109,5°)
$\text{NH}_3$	3	1	pyramidale (≈ 107°)
$\text{H}_2\text{O}$	2	2	coudée (≈ 104,5°)

3. Dans les trois cas, les 4 doublets pointent vers les sommets d’un tétraèdre. Mais la forme de la molécule ne décrit que la position des atomes : les doublets non liants sont « invisibles ». En masquant 1 sommet du tétraèdre ($\text{NH}_3$) on voit une pyramide ; en en masquant 2 ($\text{H}_2\text{O}$) il ne reste qu’un coude. Les doublets non liants, un peu plus encombrants, resserrent d’ailleurs légèrement l’angle : 109,5° → 107° → 104,5°.

1. Le carbone possède 4 électrons de valence, et il les utilise tous les quatre dans les deux doubles liaisons ($2 \times 2$ doublets liants). Il ne lui reste aucun doublet non liant.

2. Autour du carbone, il n’y a que 2 groupes d’électrons (les deux doubles liaisons). Pour s’éloigner au maximum, ils se placent de part et d’autre du carbone : la molécule est linéaire, avec un angle

$\widehat{\text{OCO}} = \mathbf{180°}$

3. Dans l’eau, l’oxygène central porte 2 doublets non liants en plus de ses 2 liaisons : les 4 doublets se répartissent en tétraèdre et la molécule est coudée (≈ 104,5°). Le nombre d’atomes ne suffit donc jamais à prévoir la forme : il faut toujours passer par le schéma de Lewis et compter les doublets de l’atome central.

1. $\text{H}_2\text{S}$ : électrons de valence : $6 + 2 = 8$, soit 4 doublets. Comme dans l’eau : 2 doublets liants S–H et 2 doublets non liants sur le soufre. Même décompte que $\text{H}_2\text{O}$ → même géométrie : la molécule est coudée.

C’est la force de ce raisonnement : deux éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence, donc leurs composés analogues ont la même forme.

2. $\text{PH}_3$ : électrons de valence : $5 + 3 = 8$, soit 4 doublets : 3 liants et 1 non liant sur le phosphore. Même décompte que $\text{NH}_3$ → molécule pyramidale.

3. Conventions de Cram :

• trait plein : liaison dans le plan de la feuille ;
• triangle plein : liaison pointant vers l’avant (vers toi) ;
• triangle hachuré : liaison pointant vers l’arrière du plan.

Pour $\text{CH}_4$ : on place le carbone au centre, deux liaisons C–H en traits pleins dans le plan de la feuille (formant un V ouvert vers le haut, à ≈ 109° l’une de l’autre), une liaison en triangle plein vers l’avant et une liaison en triangle hachuré vers l’arrière. On restitue ainsi le tétraèdre en 3D sur une feuille plate.