Cours : Représentation de Lewis d'un atome et d'une molécule

Formation des ions et des molécules

La formation d’un ion ou d’une molécule remplit des critères de stabilité liés à la complétion des couches de valence des atomes concernés.

Électrons de valence

Rappel

Le cortège électronique d’un atome est constitué de couches, correspondant à des niveaux d’énergie croissante.

• Plus la couche sur laquelle se trouve un électron est à un niveau élevé, moins celui-ci est lié au noyau.

Définition

Électrons de valence :

Les électrons de valence d’un atome constituent la couche externe de son cortège électronique. Ces électrons sont les moins liés au noyau.

• En fonction de la place d’un élément dans le tableau périodique, on peut déterminer le nombre d’électrons de valence qu’il possède, et le niveau auquel ils se trouvent.

Le tableau ci-dessous présente le nombre d’électrons de valence (entre parenthèses) des atomes des éléments des trois premières lignes du tableau périodique. La première colonne indique la couche de valence ($1$, $2$ ou $3$).

Conditions de stabilité

La configuration la plus stable pour un atome correspond à une couche externe entièrement remplie, soit :

• $2$ électrons s’il s’agit de la première couche ;
• $8$ électrons, formant $4$ paires, s’il s’agit d’une autre couche.
• Cette configuration optimale est celle des gaz nobles.

Afin de remplir cette condition, un atome peut :

• céder un électron ou deux, par exemple les ions sodium $\text{Na}^+$ et magnésium $\text{Mg}^{2+}$ ;

• capter un électron, par exemple l’ion fluorure $\text{F}^-$ ;

• partager des électrons avec d’autres atomes, par exemple dans la molécule d’eau.

Sur les schémas ci-dessus, les électrons sont placés sur des « orbites » autour du noyau, représentant les différentes couches ou niveaux d’énergie.

Représentation de Lewis

La représentation de Lewis consiste à schématiser l’état des électrons de valence d’un atome ou d’une molécule.

Cas des atomes et ions monoatomiques

La couche de valence est complète lorsqu’elle contient $8$ électrons, soit $4$ paires (ou $1$ paire pour la première couche).

Pour construire la représentation de Lewis, on place donc les électrons de valence, un par un :

• les quatre premiers sont isolés ;
• les suivants forment des paires avec les électrons déjà placés ;
• si plus de la moitié des électrons de valence manquent, dans le cas d’un cation, chaque paire manquante représente une lacune électronique.

À retenir

Les électrons de valence d’un atome sont représentés de la manière suivante :

• un point par électron non apparié ;
• un trait par paire d’électrons, si la couche externe est plus qu’à moitié remplie ;
• un rectangle par paire d’électrons manquants, ou lacune électronique, le cas échéant.

Exemple

Le tableau ci-dessous regroupe les représentations de Lewis de quelques atomes et ions.
Les deux premiers exemples montrent une représentation « orbitale » intermédiaire.

Cas des molécules et ions polyatomiques

Dans une molécule, les liaisons covalentes sont créées par les électrons de valence non appariés de chaque atome.

• Si un atome a deux électrons de valence non appariés (par exemple l’atome d’oxygène), il peut former deux liaisons simples ou une liaison double.

À retenir

Dans une molécule, les traits représentent les liaisons covalentes et les doublets d’électrons non liants. Un atome dont la couche de valence est incomplète présente une lacune électronique, représentée par un rectangle.

Exemple

Le tableau ci-dessous regroupe les représentations de Lewis de quelques molécules et ions.

Dans les ions polyatomiques, il est courant d’indiquer quel atome porte la charge.

• La charge négative de l’ion hydroxyde $\text{HO}^-$ est portée par l’atome d’oxygène, qui attire plus facilement les électrons que les atomes d’hydrogène.
• Pour la même raison, la charge positive de l’ion hydronium $\text{H}_3 \text{O}^+$ est plus probablement répartie entre les atomes d’hydrogène : la représentation de Lewis localise cette charge sur un des trois atomes sans préférence particulière.
• La molécule de trichlorure d’aluminium est une substance très réactive utilisée comme catalyseur dans des procédés industriels. Ceci est dû à la lacune électronique de l’atome d’aluminium, dont la couche de valence ne présente que $3$ électrons.

Astuce

Il est commode de représenter d’abord les atomes constitutifs d’une molécule, pour repérer les doublets non liants et les liaisons covalentes à former.

Géométrie des molécules

Les doublets non liants d’un atome et les liaisons covalentes dans lesquelles un atome est impliqué sont répartis de manière à minimiser les interactions répulsives entre ces paires d’électrons.

• Ainsi, un atome de carbone ayant quatre liaisons simples, par exemple dans la molécule de méthane, est le centre d’un tétraèdre régulier.

La figure ci-dessous – ainsi que la suivante – montre :

• la représentation de Lewis de cette molécule ;
• la disposition géométrique des atomes dans un tétraèdre régulier ;
• la représentation issue d’un logiciel de modélisation moléculaire (modèle compact pour le deux premières).

Les liaisons covalentes $\text{C}-\text{H}$ sont représentées par le volume où se situent le plus souvent les électrons de liaison. Elles sont alignées avec les diagonales du tétraèdre. Deux liaisons $\text{C}-\text{H}$ sont séparées par un angle de $109\degree$ environ.

• L’oxygène de la molécule d’eau est excentré dans le tétraèdre car les doublets non liants et les liaisons n’occupent pas le même espace :

Les deux liaisons $\text{O}-\text{H}$ sont séparées par un angle de $105\degree$ environ.

• La molécule de dioxyde de carbone est linéaire, les deux liaisons doubles sont ainsi aussi éloignées que possible.

Dans le schéma ci-dessous, les doublets non liants sont contenus dans le plan de l’écran, et les liaisons covalentes doubles sont contenues dans un plan perpendiculaire :

Le modèle moléculaire représenté n’est pas le modèle compact, pour montrer les liaisons doubles.