Théorie VSEPR

Qui a proposé la théorie du VSEPR ?

La théorieVSEPR n'a pas été proposée par un seul chercheur. Il s'agit plutôt d'une idée à laquelle ont contribué de nombreux scientifiques de renom. Elle a d'abord été proposée par Sidgwick et Powell en 1940, puis développée par Ronald Gillespie et Sir Ronald Nyholm en 1957 pour devenir un domaine à part entière de la chimie théorique.

La théorie a ensuite été testée à l'aide de nombreuses méthodes différentes et confirmée. Elle a réellement montré comment une théorie mathématique peut expliquer la forme des molécules, ce qui permet d'expliquer davantage l'interaction et les comportements des molécules et des composés entre eux.

Signification de la théorie VSEPR

L'acronyme VSEPR signifierépulsion des paires d'électrons de la coquille de Valence (théorie).

La théorie VSEPR peut expliquer pourquoi certaines molécules ont la forme qu'elles ont en 3D. Elle peut également aider à déduire la forme des molécules à partir de représentations en 2D vers des structures en 3D. Il est nécessaire de comprendre les principes de base sur lesquels repose la théorie, tels que les principes de comportement des paires d'électrons au sein d'une molécule, le plus souvent représentés par les structures de Lewis.

La théorie VSEPR repose sur l'idée très simple que les groupes d'électrons - qui peuvent être constitués de paires d'électrons solitaires, de liaisons simples, de liaisons multiples ou d'électrons non appariés - se repoussent les uns les autres. Cette théorie se concentre sur ces répulsions électroniques puisque, selon la théorie VSEPR, la géométrie qu'adoptera la molécule est celle dans laquelle les groupes d'électrons ont la plus grande séparation possible les uns des autres.

Hypothèses de la théorie VSEPR

Les hypothèses clés que nous devons prendre en compte sont les différences entre les liaisons, et les espèces de domaines électroniques. Premièrement, une liaison double se comportera différemment d'une liaison simple, mais la théorie la considérera comme un domaine à un seul électron. Deuxièmement, nous devons tenir compte du fait qu'une paire d'électrons solitaires aura une plus grande répulsion qu'une paire d'électrons liés. Souvent, dans les géométries moléculaires, la forme sera différente, en particulier les valeurs des angles, car les paires solitaires exerceront une plus grande répulsion que les électrons liés. Cela peut fausser la forme et donner lieu à différentes conformations.

Structures de Lewis (points d'électrons)

Les structures de Lewis mettent en évidence la présence d'électrons liés et de paires solitaires d'électrons. Faire la distinction entre ces espèces par rapport à un atome spécifique permet de créer des formes basées sur le VSEPR. Dans une structure de Lewis, une paire d'électrons peut être représentée soit par deux points, soit par une ligne.

Tu trouveras ci-dessous un exemple de la façon dont la structure passe des liaisons créées à leurs structures de Lewis :

Fig. 1 - La distinction entre la paire liée et la paire solitaire d'électrons est illustrée dans les structures de Lewis.

Réfléchis à la forme 3D que la molécule va adopter. Comme il s'agit d'une molécule diatomique,nous pouvons supposer que la forme la plus probable qu'elle adoptera sera une géométrie linéaire. Mais qu'en est-il des molécules plus compliquées ? Dans la section suivante, nous allons explorer comment La théorie VSEPRest basée sur la répulsion des paires d'électrons, comme nous l'avons expliqué plus haut.

Théorie VSEPR sur les domaines à deux et trois électrons

Dans l'exemple ci-dessus de la molécule diatomique_F2, nous pouvons voir qu'il y a une seule liaison. Les paires solitaires individuelles veulent s'écarterle plus possible pour créer une géométrie linéaire. Nous pouvons affirmer que la géométrie linéaire est atteinte (car nous savons que l'angle n'est pas courbe), la forme moléculaire a donc un angle de 180°.

Si une molécule comporte trois atomes, quelle serait la forme adoptée ? On suppose qu'avec trois atomes autour d'un atome central, les liaisons s'étendraient le plus possible, ce qui donnerait une géométrie planaire trigonale (plan triangulaire). Les angles entre les atomes créés seraient de 120°.

Le diagramme ci-dessous montre les géométries moléculaires des molécules avec deux ou trois atomes liés à un atome central.

Fig. 2 - On peut voir ici une représentation graphique des géométries moléculaires linéaires et trigonales planes, selon la théorie VSEPR.

Théorie VSEPR sur les domaines à quatre électrons

Comment se comporterait une molécule avec quatre atomes autour d'un atome central en 3D ? Dans une représentation en 2D, une molécule avec quatre domaines électroniques serait représentée avec des angles droits (90°). Mais dans l'espace 3D, est-ce la répartition la plus optimale des paires d'électrons pour s'éviter ? Un angle de 90° permettrait-il une répulsion maximale entre les atomes liés ?

C'est ici qu'il faut sortir des sentiers battus. Une molécule avec quatre domaines électroniques adopte une géométrie tétraédrique. Les angles de liaison sont de 109,5°, car cela maximise un espace en 3D, plutôt qu'un simple plan. Pense que les quatre domaines électroniques créent une certaine structure pyramidale. La figure ci-dessous représente cette géométrie moléculaire et la répulsion des paires d'électrons qui crée une géométrie moléculaire tétraédrique.

Fig. 3 - Tu peux voir comment une molécule avec quatre domaines d'électrons étale ces domaines au maximum dans un espace 3D, créant une géométrie moléculaire tétraédrique avec des angles de liaison de 109,5°.

Théorie VSEPR sur les domaines à cinq et six électrons

Maintenant, considère ce qui se passerait si tu avais cinq atomes liés à un atome central. Et s'il y en a six ? Quelle géométrie moléculaire ces molécules adopteraient-elles en 3D ? Dans les représentations en 2D, il est facile de dessiner une autre liaison et de l'ajouter symétriquement à un atome. En réalité, les structures en 3D s'écartent souvent de cette notion.

Les domaines à cinq électrons créent une géométrie bipyramidale trigonale (bipyramide triangulaire). Le terme "bipyramidal" signifie littéralement deux pyramides. Interprète cela comme deux pyramides empilées l'une sur l'autre, où les pyramides ont une base triangulaire.

Une molécule avec six domaines électroniques crée une géométrie octaédrique. Tu peux la considérer comme une forme à 8 côtés, comme un diamant - donc octaédrique, même s'il y a 6 atomes impliqués (et 6 sommets de la forme). Tu peux même y voir deux pyramides empilées l'une sur l'autre, la base de la pyramide étant un carré. Les angles créés dans cette forme sont 180° et 90°.

En utilisant les prédictions ci-dessus, tu peux voir comment la théorie VSEPR nous permet de tirer des conclusions concernant les formes 3D des molécules, en fonction de leurs domaines électroniques (paires liées ou paires solitaires d'électrons).

Exemples de la théorie VSEPR

Explorons quelques exemples de chaque forme prédite par la théorie VSEPR, et comment ils peuvent être appliqués à de nombreux contextes. Chacun des modèles théorisés sera pris en compte, et quelques exemples courants seront montrés et discutés.

Fig. 5 - Géométrie linéaire du dioxyde de carbone

Fig. 6 - Géométrie trigonale planaire du trichlorure de bore

Ci-dessus, tu peux voir deux structures. L'une représente la molécule de_CO2 comme exemple de géométrie linéaire, tandis que l'autre montre une molécule de _BCl3 comme exemple de géométrie planaire trigonale, telle que prédite par la théorie VSEPR. Les angles sont affichés. Ces structures sont confirmées expérimentalement, ce qui suggère que la théorie VSEPR est pertinente et qu'elle tient la route dans les exemples de la vie réelle.

Ci-dessous, tu peux voir comment la géométrie tétraédrique prédite par la théorie VSEPR est représentée dans une molécule de méthane, _CH4. Ici, les angles de liaison forment l'angle prédit de 109,5°.

Fig. 7 - Géométrie tétraédrique du méthane

Ce que tu peux voir ci-dessous est un exemple de la géométrie bipyramidale trigonale du _PF6. Ici, tu peux clairement voir la différence entre la représentation 2D, une représentation de la structure de Lewis de la molécule, par rapport au modèle 3D. Les cinq domaines électroniques se répartissent le plus possible en fonction de la répulsion des paires d'électrons pour créer la forme prédite - bipyramide trigonale.

Fig. 8 - Géométrie bipyramidale trigonale du pentafluorure de phosphore

Tu trouveras ci-dessous un exemple de la géométrie octaédrique VSEPR, représentée par une molécule de _SF6. Tu peux voir comment les six atomes de fluor s'éloignent de l'atome de soufre central, créant ainsi une forme de "diamant" octaédrique en 3D.

Fig. 9 - Géométrie octaédrique de l'hexafluorure de soufre