Introduction à la géométrie moléculaire

La géométrie moléculaire ou la structure moléculaire est l'arrangement tridimensionnel des atomes au sein d'une molécule. Il est important de pouvoir prédire et comprendre la structure moléculaire d'une molécule car de nombreuses propriétés d'une substance sont déterminées par sa géométrie. Des exemples de ces propriétés comprennent la polarité, le magnétisme, la phase, la couleur et la réactivité chimique. La géométrie moléculaire peut également être utilisée pour prédire l'activité biologique, concevoir des médicaments ou déchiffrer la fonction d'une molécule.

La coque Valence, les paires de liaisons et le modèle VSEPR

La structure tridimensionnelle d'une molécule est déterminée par ses électrons de valence, pas son noyau ou les autres électrons dans les atomes. Les électrons les plus externes d'un atome sont ses électrons de valence. Les électrons de valence sont les électrons qui sont le plus souvent impliqués dans la formation de liaisons et la fabrication de molécules.

Des paires d'électrons sont partagées entre les atomes d'une molécule et maintiennent les atomes ensemble. Ces paires sont appelées "paires de liaison".

Une façon de prédire la façon dont les électrons dans les atomes se repousseront est d'appliquer le modèle VSEPR (répulsion de paire d'électrons valence-coquille). VSEPR peut être utilisé pour déterminer la géométrie générale d'une molécule.

Prédire la géométrie moléculaire

Voici un tableau qui décrit la géométrie habituelle des molécules en fonction de leur comportement de liaison. Pour utiliser cette clé, dessinez d'abord la structure de Lewis d'une molécule. Comptez le nombre de paires d'électrons présentes, y compris les paires de liaison et les paires isolées. Traitez les liaisons doubles et triples comme s'il s'agissait de paires d'électrons simples. A est utilisé pour représenter l'atome central. B indique les atomes entourant A. E indique le nombre de paires d'électrons isolés. Les angles de liaison sont prédits dans l'ordre suivant:

répulsion de paire isolée contre répulsion de paire isolée> répulsion de paire isolée contre répulsion de paire> liaison de répulsion contre paire de liaison

Exemple de géométrie moléculaire

Il y a deux paires d'électrons autour de l'atome central dans une molécule à géométrie moléculaire linéaire, 2 paires d'électrons de liaison et 0 paires solitaires. L'angle de liaison idéal est de 180 °.

Géométrie	Type	Nombre de paires d'électrons	Angle de liaison idéal	Exemples
linéaire	UN B2	2	180 °	BeCl2
trigonale plane	UN B3	3	120 °	BF3
tétraédrique	UN B4	4	109,5 °	CH4
bipyramidal trigonal	UN B5	5	90 °, 120 °	PCl5
octoédrique	UN B6	6	90 °	SF6
courbé	UN B2E	3	120 ° (119 °)	DONC2
pyramidal trigonal	UN B3E	4	109,5 ° (107,5 °)	NH3
courbé	UN B2E2	4	109,5 ° (104,5 °)	H2O
bascule	UN B4E	5	180 °, 120 ° (173,1 °, 101,6 °)	SF4
En forme de T	UN B3E2	5	90 °, 180 ° (87,5 °,<180°)	ClF3
linéaire	UN B2E3	5	180 °	XeF2
pyramide carrée	UN B5E	6	90 ° (84,8 °)	BrF5
plan carré	UN B4E2	6	90 °	XeF4

Isomères en géométrie moléculaire

Les molécules de même formule chimique peuvent avoir des atomes disposés différemment. Les molécules sont appelées isomères. Les isomères peuvent avoir des propriétés très différentes les unes des autres. Il existe différents types d'isomères:

• Les isomères constitutionnels ou structurels ont les mêmes formules, mais les atomes ne sont pas reliés les uns aux autres par la même eau.
• Les stéréoisomères ont les mêmes formules, avec les atomes liés dans le même ordre, mais les groupes d'atomes tournent autour d'une liaison différemment pour produire une chiralité ou une neutralité. Les stéréoisomères polarisent la lumière différemment les uns des autres. En biochimie, ils ont tendance à afficher une activité biologique différente.

Détermination expérimentale de la géométrie moléculaire

Vous pouvez utiliser des structures de Lewis pour prédire la géométrie moléculaire, mais il est préférable de vérifier ces prédictions expérimentalement. Plusieurs méthodes analytiques peuvent être utilisées pour imager des molécules et en apprendre davantage sur leur absorbance vibrationnelle et rotationnelle. Les exemples incluent la cristallographie aux rayons X, la diffraction des neutrons, la spectroscopie infrarouge (IR), la spectroscopie Raman, la diffraction électronique et la spectroscopie micro-ondes. La meilleure détermination d'une structure se fait à basse température car l'augmentation de la température donne aux molécules plus d'énergie, ce qui peut entraîner des changements de conformation. La géométrie moléculaire d'une substance peut être différente selon que l'échantillon est un solide, un liquide, un gaz ou une partie d'une solution.

Points clés de la géométrie moléculaire

• La géométrie moléculaire décrit l'arrangement tridimensionnel des atomes dans une molécule.
• Les données qui peuvent être obtenues à partir de la géométrie d'une molécule incluent la position relative de chaque atome, les longueurs de liaison, les angles de liaison et les angles de torsion.
• La prédiction de la géométrie d'une molécule permet de prédire sa réactivité, sa couleur, sa phase de matière, sa polarité, son activité biologique et son magnétisme.
• La géométrie moléculaire peut être prédite en utilisant les structures VSEPR et Lewis et vérifiée en utilisant la spectroscopie et la diffraction.

Les références

• Coton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A .; Bochmann, Manfred (1999), Advanced Inorganic Chemistry (6e éd.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5.
• McMurry, John E. (1992), Organic Chemistry (3e éd.), Belmont: Wadsworth, ISBN 0-534-16218-5.
• Miessler G.L.et Tarr D.A. Chimie inorganique (2e éd., Prentice-Hall 1999), p. 57-58.