Physique-Chimie — Seconde générale

Molécules et ions

Règles du duet et de l’octet · ions monoatomiques · liaison covalente · schéma de Lewis · énergie de liaison

Ce chapitre fait suite à la fiche sur le cortège électronique : on sait maintenant écrire une configuration électronique et compter les électrons de valence. Reste à comprendre pourquoi les atomes s’associent, et comment le prévoir.

1 En quête de stabilité

a. Les gaz rares, des espèces chimiques stables

Définition

Les gaz rares (ou gaz nobles) sont les éléments de la 18e colonne de la classification périodique : hélium He, néon Ne, argon Ar, krypton Kr, xénon Xe…

Ils sont chimiquement stables : ils ne s'associent pas spontanément à d'autres atomes pour former des molécules ou des ions. On les trouve dans la nature à l'état d'atomes isolés.

Propriété — configuration électronique des gaz rares

Leur dernière couche (couche de valence) est saturée :

  • pour l'hélium (Z = 2) : 1s² → 2 électrons de valence (un « duet ») ;
  • pour les autres gaz rares : …ns² np⁶ → 8 électrons de valence (un « octet »).
Hehélium : 1s²Nenéon : 1s² 2s² 2p⁶
Modèle en couches : les électrons de valence (en orange) remplissent complètement la couche externe.
Gaz rareZConfiguration électroniqueÉlectrons de valence
Hélium He21s²2
Néon Ne101s² 2s² 2p⁶8
Argon Ar181s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶8

b. Les règles de stabilité

Propriété

Au cours des transformations chimiques, les atomes tendent à gagner en stabilité en adoptant la configuration électronique du gaz rare le plus proche dans la classification.

  • Règle du duet : les atomes proches de l'hélium (H, Li, Be) adoptent une couche externe à 2 électrons : 1s².
  • Règle de l'octet : les autres atomes (Z de 5 à 18 au programme) adoptent une couche externe à 8 électrons : ns² np⁶.
Rappel — électrons de valence

Les électrons de valence sont ceux de la dernière couche occupée (n le plus grand). Pour les éléments des colonnes 1, 2 et 13 à 18 des trois premières périodes, leur nombre se lit sur la classification : colonne 1 → 1, colonne 2 → 2, colonne 13 → 3, …, colonne 17 → 7, colonne 18 → 8 (2 pour He).

Pour atteindre cette configuration stable, un atome dispose de deux stratégies :

  • perdre ou gagner des électrons → il devient un ion monoatomique (partie 1.c) ;
  • mettre en commun des électrons avec d'autres atomes → il forme une molécule (partie 2).

c. Ions monoatomiques

Définition

Un ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

  • Un atome qui perd des électrons devient un ion positif : un cation (ex. : Na⁺, Ca²⁺).
  • Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif : un anion (ex. : Cl⁻, O²⁻).

Le noyau n'est pas modifié : le numéro atomique Z et l'élément chimique restent les mêmes.

Méthode — prévoir la formule d'un ion monoatomique
  1. Écrire la configuration électronique de l'atome à partir de Z.
  2. Repérer le gaz rare le plus proche et compter les électrons de valence.
  3. Choisir le chemin le plus court : perdre ses électrons de valence s'il en a peu (1, 2 ou 3), gagner les électrons manquants s'il en a beaucoup (5, 6 ou 7).
  4. Écrire la charge : perdre n électrons → charge +n ; gagner n électrons → charge −n.
Exemple 1 — le magnésium (Z = 12)

Configuration : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² → 2 électrons de valence. Le gaz rare le plus proche est le néon (1s² 2s² 2p⁶). Le magnésium perd 2 électrons : il forme l'ion Mg²⁺.

Mgatome Mg : 1s² 2s² 2p⁶ 3s²perd 2 e⁻Mg²⁺ion Mg²⁺ : 1s² 2s² 2p⁶
Mg perd ses 2 électrons de valence : la couche n = 2, déjà saturée à 8 électrons, devient la couche externe.
Exemple 2 — le soufre (Z = 16)

Configuration : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ → 6 électrons de valence. Le gaz rare le plus proche est l'argon (…3s² 3p⁶). Le soufre gagne 2 électrons : il forme l'ion S²⁻.

Satome S : … 3s² 3p⁴gagne 2 e⁻S²⁻ion S²⁻ : … 3s² 3p⁶
S gagne 2 électrons : sa couche externe passe de 6 à 8 électrons (octet).
121314151617181HH⁺He—2LiLi⁺BeBe²⁺B—C—NN³⁻OO²⁻FF⁻Ne—3NaNa⁺MgMg²⁺AlAl³⁺Si—PP³⁻SS²⁻ClCl⁻Ar—cation (perd des e⁻)anion (gagne des e⁻)gaz rare : stablePériode à gauche, colonne en haut. « — » : pas d'ion monoatomique usuel.
Ions monoatomiques usuels des trois premières périodes : la charge se déduit de la position dans la classification.
Attention
  • Les gaz rares ne forment pas d'ions : ils sont déjà stables.
  • L'atome d'hydrogène peut perdre son électron (ion H⁺) — il n'a alors plus aucun électron.
  • Une solution ou un solide ionique est toujours électriquement neutre : les charges des cations et des anions se compensent (ex. : MgCl₂ contient deux fois plus d'ions Cl⁻ que d'ions Mg²⁺).

2 Le modèle de Lewis

a. Liaison covalente et doublets non liants

Définition — liaison covalente

Une liaison covalente est la mise en commun de deux électrons de valence par deux atomes, chacun en apportant généralement un. Ces deux électrons forment un doublet liant, qui appartient aux deux atomes à la fois.

Un ensemble d'atomes liés par des liaisons covalentes et électriquement neutre est une molécule.

H + H H H HH 2 atomes H : 1 électron de valence chacun mise en commun → doublet liant schéma de Lewis
Formation de la molécule de dihydrogène : chaque atome H « voit » 2 électrons autour de lui et respecte la règle du duet.
Définition — doublet non liant

Les électrons de valence qui ne participent à aucune liaison covalente sont regroupés par paires : ce sont les doublets non liants (ou paires libres). Ils appartiennent à un seul atome.

Propriété — nombre de liaisons d'un atome

Un atome forme autant de liaisons covalentes qu'il lui manque d'électrons pour atteindre le duet ou l'octet. Ses électrons de valence restants forment des doublets non liants.

AtomeZÉlectrons de valenceÉlectrons manquants
→ nombre de liaisons
Doublets non liants
H111 (duet)0
C6440
N7531
O8622
Cl17713
Attention — liaisons multiples

Deux atomes peuvent partager plusieurs doublets : liaison double (2 doublets liants, ex. C=O) ou liaison triple (3 doublets liants, ex. N≡N). Chaque doublet compte pour 2 électrons autour de chacun des deux atomes.

b. Schéma de Lewis et stabilité des molécules

Définition — schéma de Lewis

Le schéma de Lewis d'une molécule est une représentation de l'enchaînement de ses atomes dans laquelle :

  • chaque atome est représenté par son symbole ;
  • chaque doublet liant est représenté par un tiret entre deux atomes ;
  • chaque doublet non liant est représenté par un tiret autour d'un seul atome ;
  • chaque atome respecte la règle du duet (H) ou de l'octet.
OHHdoublet liantdoublet non liant2 doublets liants + 2 doublets non liants autour de O → octet
Vocabulaire du schéma de Lewis sur l'exemple de la molécule d'eau.
Méthode — établir le schéma de Lewis d'une molécule
  1. Pour chaque atome, déterminer le nombre d'électrons de valence.
  2. En déduire le nombre de liaisons que forme chaque atome (électrons manquants).
  3. Placer les atomes : celui qui forme le plus de liaisons est en général au centre ; H est toujours en bout de chaîne (1 seule liaison).
  4. Tracer les liaisons (simples, doubles ou triples) pour que chaque atome ait le bon nombre de liaisons.
  5. Compléter avec les doublets non liants.
  6. Vérifier : 2 électrons autour de chaque H, 8 électrons autour des autres atomes (liants + non liants).
Exemple — l'ammoniac NH₃

N (Z = 7) : 1s² 2s² 2p³ → 5 électrons de valence → 3 liaisons + 1 doublet non liant. H : 1 liaison. L'azote est au centre, lié aux trois H.

Vérification : autour de N, 3 doublets liants + 1 non liant = 4 doublets = 8 électrons ✔ ; autour de chaque H, 1 doublet = 2 électrons ✔.

OHHeau H₂ONHHHammoniac NH₃CHHHHméthane CH₄
HClchlorure d'hydrogène HClCOOdioxyde de carbone CO₂NNdiazote N₂
CCOHHHHHHéthanol C₂H₆O
Schémas de Lewis de quelques molécules : liaisons simples, doubles (CO₂) et triple (N₂). Les doublets non liants sont en orange.
Erreurs fréquentes
  • Oublier les doublets non liants (sur O, N, Cl…) : le schéma est alors incomplet.
  • Placer un doublet non liant sur H : c'est impossible, H a déjà son duet avec une seule liaison.
  • Compter un doublet comme un seul électron : un tiret = 2 électrons.

3 Énergie de liaison

Définition

L'énergie de liaison Eliaison est l'énergie qu'il faut fournir pour rompre une liaison covalente entre deux atomes, à l'état gazeux. Elle traduit la solidité de la liaison.

Elle s'exprime généralement pour une mole de liaisons, en kilojoules par mole (kJ·mol⁻¹).

Propriétés
  • Plus l'énergie de liaison est grande, plus la liaison est solide, donc difficile à rompre.
  • Pour deux atomes donnés, une liaison multiple est plus solide qu'une liaison simple : E(C–C) < E(C=C).
  • Former une liaison libère la même énergie que celle qu'il faut fournir pour la rompre.
02505007501000243Cl–Cl348C–C360C–O413C–H432H–Cl436H–H463O–H498O=O614C=C804C=O945N≡NE (kJ·mol⁻¹)simpledoubletriple
Énergies de liaison moyennes (kJ·mol⁻¹). Les liaisons doubles et triples sont nettement plus solides.
LiaisonH–HC–HC–CC=CC–OC=OO–HO=ON≡NH–Cl
E (kJ·mol⁻¹)436413348614360804463498945432
Méthode — énergie pour dissocier une molécule

Pour séparer une molécule en atomes isolés, il faut rompre toutes ses liaisons : on additionne les énergies de toutes les liaisons présentes dans le schéma de Lewis.

Exemple — dissociation du méthane CH₄

Le schéma de Lewis de CH₄ comporte 4 liaisons C–H. Pour dissocier une mole de méthane en atomes :

E = 4 × E(C–H) = 4 × 413 = 1 652 kJ·mol⁻¹

CHHHHméthane CH₄ on fournit 4 × 413 kJ C H H H H atomes séparés (pour 1 mol de CH₄)
Rompre les 4 liaisons C–H d'une mole de méthane nécessite 1 652 kJ.
Exemple — comparer N₂ et O₂

E(N≡N) = 945 kJ·mol⁻¹ > E(O=O) = 498 kJ·mol⁻¹ : la triple liaison du diazote est presque deux fois plus solide. C'est pourquoi le diazote de l'air est très peu réactif.

À retenir

  • Les gaz rares (colonne 18) sont stables : couche externe 1s² (He) ou ns² np⁶ (8 électrons).
  • Les atomes cherchent à adopter la configuration du gaz rare le plus proche : règle du duet (2 e⁻) ou règle de l'octet (8 e⁻).
  • Un atome qui perd n électrons donne un cation de charge +n ; un atome qui gagne n électrons donne un anion de charge −n.
  • Une liaison covalente = un doublet liant (2 électrons mis en commun). Les électrons de valence restants forment des doublets non liants.
  • Nombre de liaisons usuel : H : 1 · O : 2 · N : 3 · C : 4 · Cl : 1.
  • Dans un schéma de Lewis, chaque atome respecte le duet ou l'octet ; un tiret = un doublet = 2 électrons.
  • L'énergie de liaison (kJ·mol⁻¹) est l'énergie à fournir pour rompre une liaison : plus elle est grande, plus la liaison est solide.