Formule de Lewis

En chimie, une structure de Lewis est une représentation en 2 dimensions servant à représenter la structure électronique externe des atomes composant une molécule.


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Représentation des molécules - Chimie générale

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  • 3- Un atome qui devient ion satisfait généralement à la règle de l'octet ou du duet..... Au lieu de perdre 6 électrons l'atome S en gagnera 2 et deviendra l'ion... Sa formule de Lewis est car on y trouve bien 18 électrons externes... (source : physique.chimie.pagesperso-orange)
  • Chaque atome de fluor possède 7 électrons de valence et l'atome de bore en ... sert à décider que cette formule de Lewis est moins favorable que la... (source : books.google)
  • si un élément a au plus quatre électrons dans sa couche de valence, alors ils sont tous... Pour les molécules, la formule de Lewis est basée sur des règles... La règle de l'octet implique que chaque atome, de la seconde et troisième... (source : forums.futura-sciences)

En chimie, une structure de Lewis est une représentation en 2 dimensions servant à représenter la structure électronique externe des atomes composant une molécule. Découverte par Gilbert Lewis, elle se base sur la topologie de la molécule (connexion entre les atomes par des liaisons covalentes).

Définition

La structure de Lewis consiste à définir l'allocation des électrons sur ou entre les atomes de la molécule. Seuls les électrons de valence sont reconnus. On obtient ainsi une certaine vision de la structure électronique de la molécule par ses doublets libres, ses doublets liants (liaisons σ et π), ses lacunes et ses éventuels électrons célibataires (dans le cas des radicaux).

Un code de représentation

Exemple de représentation de Lewis

Dans cette représentation, les électrons célibataires sont notés par des points et les paires d'électrons par des traits (plus rarement par deux points). Les traits peuvent être situés sur un atome (doublet libre ou non liant) ou entre les atomes (doublet liant, liaison covalente).

Construction

La construction du structure de Lewis d'une molécule se base sur la détermination de la valence des atomes la constituant, ce qui définit le nombre total d'électrons externes de la molécule. L'établissement de la structure de Lewis, consiste à répartir ces électrons sur le squelette moléculaire tout en respectant la règle de l'octet. Le squelette moléculaire est fait de liaisons σ qui mobilisent chacune 2 électrons sur le total des électrons de valence de la molécule. Une structure de Lewis est d'autant plus probable qu'elle respecte l'octet et ne présente pas de séparation de charge.

Exceptions

Quelques atomes sont connus pour violer la règle de l'octet. On parle d'hypervalence (soufre, phosphore, xénon) quand il y a plus de 8 électrons autour de l'atome, et de d'hypovalence quand il y a moins de 8 électrons (cas du bore surtout). Les atomes d'hydrogène ont 2 électrons autour d'eux dans la molécule[note 1]. On parle pour eux de règle du duet.

Quand un atome a précisément 6 électrons autour de lui, on parle d'une lacune (représentée par un petit rectangle vide). Le bore et les carbocations ont une lacune. La lacune confère à l'atome une acidité spécifique pour les électrons voisins (acidité de Lewis).

Validité

Une structure de Lewis est une représentation simplifiée de la structure électronique. Les notions d'hypervalence ou d'hypovalence par exemple sont des caricatures de la densité électronique autour d'un atome. Au XXIe siècle, ils font toujours l'objet de recherche[1].

La structure de Lewis présente des cas problématiques :

Malgré ses limites, la structure de Lewis est un outil indispensable pour les chimistes et permet d'expliquer la composition et la réactivité de nombreux composés, en particulier en chimie organique. Par contre, il ne peut pas expliquer la réactivité des éléments de transition.

Différentes approches

Toutes les approches doivent se baser sur un squelette σ bien défini. Il existe différentes stratégies pour obtenir une structure de Lewis valide.

Règle du maximum de liaison

Règle de l'octet

Une couche électronique entièrement remplie présente une stabilité spécifique : on parle de couche complète (ou fermée). Donc, lors de la formation de la liaison covalente, un atome a tendance à acquérir la structure électronique du gaz noble de sa période dans la classification.

Exceptions à la règle de l'octet

Règle de l'octet à outrance

La règle de l'octet à outrance[2] est l'approche la plus systématique.

Sur le squelette moléculaire, on complète à l'octet l'ensemble des atomes (sauf hypovalents notoires) et on réajuste la quantité d'électron de manière à retrouver le nombre d'électron d'origine. Cette approche se fait en cinq étapes :

  1. Supposer un squelette (liaison simples)
  2. Compter le nombre total d'électrons de valence (n)
  3. Compléter à l'octet partout
  4. Compter le nombre d'électrons présents dans le schéma trouvé en 3 et comparer à n
    • s'il manque des électrons, rajouter une paire libre sur l'atome pouvant être hypervalents
    • s'il y a trop d'électrons, ôter 2 paires libres adjacentes et les remplacer par une liaison entre les atomes concernés (liaison multiples)
  5. Compter les charges, et diminuer l'excès de charge +/- adjacentes en prenant un doublet libre du – et en faisant une liaison multiple vers son voisin + (si ce voisin peut être hypervalent).

Exemples d'application

Exemple d'application de la règle de l'octet pour le dioxyde de carbone.
Exemple d'application de la règle de l'octet pour ylure de phosphore.

Exemples

Octet respecté

Molécule d'eau

Modèle de Lewis de l'eau
Octet non respecté par excès

Molécule d'acide sulfurique

Structure de Lewis de l'acide sulfurique
Lacune électronique (exemple de BH3)
Isomérie

l'isomérie H-C#N H- (+) N#C (-) montre que des structures de Lewis peuvent quelquefois aider à déterminer la connectivité d'une molécule.

Notes et références

Références

  1. Voir par exemple (en) Ronald J. Gillespie et Bernard Silvi, The octet rule and hypervalence : two misunderstood concepts, Coordination Chemistry Reviews, Vol 233-234, 1er novembre 2002, Pages 53-62
  2. Zumdahl, Chimie générale, 2e édition, éd. de Bœck, 1998, p.  270

Notes

  1. Puisque leur couche électronique externe est la couche K, qui n'en contient au maximum que deux, par application de la règle d'exclusion de Pauli


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