Molécules et géométrie

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1 Molécules et géomg ométrie

2 La géomg ométrie moléculaire est le domaine de la stéréochimie omment décrire la géométrie des molécules? Au moyen de : Distances de liaison. {R} Angles de valence. {α} Angles de torsion. {φ} R

3 La géomg ométrie moléculaire est le domaine de la stéréochimie omment décrire la géométrie des molécules? Au moyen de : Distances de liaison. {R} Angles de valence. {α} Angles de torsion. {φ} R R α

4 La géomg ométrie moléculaire est le domaine de la stéréochimie omment décrire la géométrie des molécules? Au moyen de : Distances de liaison. {R} Angles de valence. {α} Angles de torsion. {φ} α R R φ R α

5 Le modèle de la répulsion r des paires Les paires d éd électrons se distribuent autour des noyaux «porteurs» A et déterminent d la géomg ométrie moléculaire. es paires se repoussent et mènent m au modèle de répulsion r des paires. 2 paires s alignent s sur la sphère onséquence: Molécules linéaires airesax Exemple: Be Bel 2 (ctet non respecté) AX l Be l

6 Le modèle de la répulsion r des paires 2 paires s alignent s sur la sphère onséquence: Molécules linéaires AX Exemple: Bel 2 (ctet non respecté) l Be l AX 2 3 paires se disposent sur un triangle équilatéral. onséquence: Molécules planes; AX Exemple: All 3 (ctet non respecté) AX l 120 Al l l

7 Le modèle de la répulsion r des paires 4 paires se disposent au sommet d un d tétrat traèdre. onséquence: Molécules tétrat traédriques; AX Exemple: 4 (ctet respecté) AX

8 Le modèle de la répulsion r des paires 5 paires se disposent au sommet d une d bipyramide trigonale. onséquence: AX et 90 Exemple: Pl 5 (ctet non respecté - composé hypervalent) l l l P l l

9 Le modèle de la répulsion r des paires 6 paires se disposent au sommet d un d octaèdre. onséquence: AX 6 90 Exemple: S F 6 (ctet non respecté - composé hypervalent) F F F S F F F

10 La géomg ométrie des molécules à liaisons simples 4 AX 4

11 N 3 EAX 3 Η Η Ν Η

12 2 E 2 AX 2 Η Ο Η

13 La géomg ométrie des molécules à liaisons simples Ethane, méthylamine, méthanol,...

14 La géomg ométrie des molécules à liaisons multiples éthane éthylène acétyl tylène... 1,54Å 1,34Å Molécule plane 1,20Å Molécule linéaire

15 La 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.

16 La 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.

17 L 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. + -

18 L 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.

19 L hybridation sp Au total: 180 Les hybrides permettront de décrire les liaisons. ette hybridation est adaptée à la représentation des atomes dans des molécules linéaires telles que Bel 2,, N ou contenant des fragments linéaires.

20 L hybridation sp 2 s obtient en combinant la fonction 2s à deux fonctions 2p, sans modifier la dernière. t t 1 x t 2 elle est adaptée à la représentation ddes atomes dans les molécules planes telles que All 3, 2 =, 2 = 2 ou contenant des fragments planes.

21 L hybridation sp 2 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 2 = que 2 = 2 ou contenant des fragments planes.

22 z L hybridation sp 3 s obtient en combinant la fonction 2s aux trois fonctions 2p y x elle est adaptée à la représentation de molécules tétraédriques telles que 4, 3 que 3 3,. D autres hybridations incluant les orbitales d existent. Par exemple sp 3 d pour décrire Pl 5 ou sp3 d 2 pour décrire SF6

23 La formation de liaisons L hybride sp n se combine à une orbitale 1s de l hydrogène, ou à une autre orbitale hybride pour former les liaisons σ,,,... + Les traits de liaison symbolisent la liaison chimique décrite par la superposition des orbitales atomiques hybrides ( ) ou originales.

24 Description de l éthyl thylène 2 4 Les hybrides sp 2 forment les liaisons σ et de l éthylène ( ) σ π La fusion des orbitales 2p inchangées forme la liaison π de l éthylène

25 La résonance r du benzène ne L exemple du benzène montre que par fusion des orbitales 2p inchangées, on décrit le phénomène de conjugaison des électrons π.

26 Les complexes moléculaires De nombreux ions métalliques forment des structures moléculaires stables avec d autres molécules ou ions (ligands) : e sont les complexes moléculaires : Fe(N) 3-6, Fe(N) 4-6, Ni(N 3 ) 2+ 6, Leur géométrie est octaédrique. n l explique par l hybridation sp 3 d 2 du Fe sp Fe: 4s 2 3d 6 4p 0 Fe Fe s 4s 0 3d 5 4p 0 Fe 3+ 4s 0 3d 5 4p 0 Fe Fe 3+ hybr 3d 3d 5 sp 3 d 2 Les ions N - occupent les hybrides sp 3 d 2

27 les liaisons intermoléculaires Si des molécules identiques existent dans des états physiques différents, c est parce qu elles sont soumises à des interactions intermoléculaires culaires, qui s expriment via des forces intermoléculaires. n distingue: Les forces de van der Waals. Les forces dipôles/dipôles de Keesom Les forces dipôles/dipôles induits de Debye Les forces de dispersion de London Les ponts hydrogènes:

28 les forces de van der Waals Des liaisons intermoléculaires apparaissent si les forces attractives dominent les forces répulsives. n distinguera des molécules polaires et des molécules apolaires. +q -q 0 0 Les forces dipôles/dipôles de Keesom résultent de l interaction électrostatique stabilisante obtenue par orientation des dipôles +q -q -q +q +q -q +q -q -q +q +q -q

29 les forces de van der Waals Une molécule apolaire peut être polarisable 0 0 +δq -δq et sous l influence d un dipôle, se polariser. Il s agit de dipôles induits -q +q Les forces dipôles/dipôles induits de Debye proviennent de l interaction électrostatique stabilisante résultante +δq -δq -q +q

30 les forces de van der Waals Des molécules polarisables peuvent interagir via des dipôles instantanés 0 0 +δq -δq +δq -δq -δq +δq Les forces de dispersion de London sont des forces dipôles induits/dipôles induits Elles sont d autant plus grandes que la polarisabilité est grande. n peut expliquer ainsi l augmentation de la température d ébullition des halogènes F ; l 2-35 ; Br 2 58 ; I 2 183

31 les ponts ydrogène Lorsque des hydrogènes sont liés à des atomes fortement électronégatifs, la liaison formée est très polarisée (transfert électronique important). Les hydrogènes (δ+) s associent aux atomes (δ-) d une molécule voisine. elle-ci s établit entre et F,, N. N ette association constitue un pont ydrogène ne. qui mène souvent à des réseaux de molécules. Par exemple entre et dans les alcools: R R R R R R

32 les ponts ydrog les ponts ydrogène ne ette liaison intermoléculaire explique le point d ébullition élevé de 2 (100 ) et F (20 ) comparés à 2 S (-60 ) et l (-85 ) L eau constitue un autre exemple

33 Retour sur les états de la matière Les états condensés s trouvent leur origine dans l agrégation gation des molécules cules.. ette cohésion résulte des interactions intermoléculaires L agitation des molécules s oppose s à cette cohésion. elle-ci est de nature thermique et confère la mobilité aux molécules. Forces de cohésion >> Agitation thermique Etat Solide (Energie Réticulaire) ) Rigidité Positions fixes Forces de cohésion << Agitation thermique Etat Gazeux mouvements libres Forces de cohésion Agitation thermique Etat Liquide Fluidité Positions libres, mobilité restreinte

34 Retour sur les situations ioniques : Le Solide Ionique Exemple du cristal de Nal en 3 dimensions : [Na + l - ] Na (s) + 1/2l 2(g) Nal (s) Bilan énergétique? Il s agit d une succession d étapes élémentaires qui constituent le ycle de aber Born que nous allons analyser

35 ycle de aber Born Na (s) + 1/2l 2(g) Nal (s) Bilan énergétique? (kj.mol -1 ) 1. Vaporisation Na (s) -> Na (g) E= Dissociation 1/2l 2(g) -> l E= Ionisation Na -> Na + + e - E= Ionisation l + e - -> l - E= Association Na + +l - -> Nal (s) E=-780 (énergie réticulairer ticulaire) 3 et 4 (363) Na + l - Na (215) l 1 et 2 0 Na(s) 1/2 l 2 Energie réticulaire =U = touslesions Z a Z b e 2 Z + Z e 2 = N av 4πε 0 r ab 4πε 0 r M B a,b

36 ycle de aber Born Exemple du cristal de Nal en 3 dimensions : [Na + l - ] Energie réticulaire =U = touslesions Z a Z b e 2 Z + Z e 2 = N av 4πε 0 r ab 4πε 0 r M B a,b

37 ycle de aber Born Na (s) + 1/2l 2(g) Nal (s) Bilan énergétique? (kj.mol -1 ) 1. Vaporisation Na (s) -> Na (g) E= Dissociation 1/2l 2(g) -> l E= Ionisation Na -> Na + + e - E= Ionisation l + e - -> l - E= Association Na + +l - -> Nal (s) E=-780 (énergie réticulairer ticulaire) 3 et 4 (363) Na + l - Na (215) l 1 et 2 Bilan global: Na (s) + 1/2l 2(g) Nal (s) ) E= Na(s) 1/2 l 2 5 Nal(s) Energie réticulaire =U = touslesions Z a Z b e 2 Z + Z e 2 = N av 4πε 0 r ab 4πε 0 r M B a,b

38 La liaison métalliquem

39 La liaison métalliquem

40 Molécules et Nomenclature A ce stade, la connaissance de la nomenclature s impose. s fr ANNEXE

41 Les notions de base La nomenclature chimique donne un nom rationnel aux molécules. Une fonction chimique est un ensemble de propriétés s portées par un atome ou un groupe structuré d atomes (Acide; Base; ). e groupe structuré d atomes s appelle s groupe fonctionnel. Les noms reposent sur une association «préfixe/ fixe/élément/suffixe». L ensemble constitue un radical.

42 Les oxydes: de non-métaux: M a b de métaux: m M a b Les acides les hydracides: a X b les oxacides: a M b c Les bases hydroxylées: M a () b Les grandes familles aminées: R n N n (n+n =3) Les sels [oxydes de Métal M (X) avec x=2*b/a]

43 Les mots-clés s utiles : Les grandes familles suffixes «ure», «ate» mais aussi ique; ; eux; ite; 2 S, Na 3 P 4, 2 S 4, 2 S 3, NaN 2 préfixes hypo et per (l,, l 2, l 3, l 4 ) préfixes pyro, thio et peroxo nomenclature des sels (hydrog( hydrogéno NaS 4 ) quelques radicaux