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Géométrie de quelques molécules — Résumé de cours

1ère Année Collège — Atlasmaths.ma

Cours complet

Contenu du cours

Le dioxyde de carbone et l'eau ont tous deux **trois atomes**, et pourtant l'un est linéaire et l'autre coudé : ce sont les doublets NON LIANTS qui font la différence.

Pourquoi les atomes s'associent

Les gaz nobles — hélium, néon, argon — ne forment pratiquement aucune molécule. Leur point commun est d'avoir une couche externe saturée : 2 électrons pour l'hélium, 8 pour les autres. C'est cette configuration qui les rend stables.

Les autres atomes s'associent précisément pour atteindre cette même configuration. Ils y parviennent en mettant en commun des électrons : chaque liaison covalente est un doublet liant, c'est-à-dire deux électrons partagés entre deux atomes.

C'est la règle de l'octet : un atome tend à s'entourer de huit électrons sur sa couche externe. L'hydrogène fait exception et se contente de deux — c'est la règle du duet.

Doublets liants et doublets non liants

Autour d'un atome, certains électrons participent aux liaisons — ce sont les doublets liants — et d'autres restent sur l'atome sans être partagés : ce sont les doublets non liants.

Les seconds sont invisibles dans une formule brute, et pourtant ce sont eux qui expliquent la géométrie. C'est le point central du chapitre.

La règle qui gouverne la forme

Tous les doublets, liants comme non liants, portent des charges négatives : ils se repoussent. Ils se disposent donc autour de l'atome central de façon à s'écarter le plus possible les uns des autres.

Cette règle unique explique les trois géométries du programme.

Avec deux doublets autour de l'atome central, l'écartement maximal est de 180° : la molécule est linéaire. C'est le cas du dioxyde de carbone.

Avec quatre doublets, ils pointent vers les sommets d'un tétraèdre, à environ 109° les uns des autres. Si les quatre sont liants, la molécule est tétraédrique — c'est le méthane.

Si, parmi ces quatre doublets, certains sont non liants, ils occupent quand même de la place mais ne portent pas d'atome. On ne voit alors qu'une partie du tétraèdre. L'eau possède deux doublets liants et deux non liants : les quatre s'écartent en tétraèdre, mais seuls deux sommets portent un hydrogène. La molécule apparaît donc coudée, avec un angle d'environ 104°.

Le piège à éviter

Le dioxyde de carbone et l'eau comptent tous deux trois atomes. Pourtant l'un est linéaire et l'autre coudé. Compter les atomes ne suffit donc jamais : il faut compter les doublets autour de l'atome central, en n'oubliant pas les non liants.

📈 Figure clé

Exemple résolu 1

Énoncé. Prévoir la géométrie de la molécule d'ammoniac $N H_{3}$ . L'azote a pour numéro atomique $Z = 7$ .

Résolution. Configuration de l'azote : $K^{2} L^{5}$ , donc 5 électrons externes. Pour atteindre l'octet, il lui en manque 3 : il forme trois liaisons, ici avec trois hydrogènes.

Il lui reste alors $5 - 3 = 2$ électrons non engagés, qui forment un doublet non liant.

Autour de l'azote : 3 doublets liants + 1 non liant = 4 doublets. Ils se disposent en tétraèdre. Mais seuls trois sommets portent un hydrogène : la molécule est donc pyramidale, avec un angle d'environ 107°.

Exemple résolu 2

Énoncé. Pourquoi $C O_{2}$ est-elle linéaire alors que $H_{2} O$ est coudée, bien que les deux comptent trois atomes ?

Résolution. Dans $C O_{2}$ , le carbone forme deux doubles liaisons. Du point de vue de la géométrie, cela fait deux doublets autour de lui, et aucun doublet non liant. Deux doublets s'écartent au maximum à 180° : la molécule est linéaire.

Dans $H_{2} O$ , l'oxygène ( $K^{2} L^{6}$ , 6 électrons externes) forme deux liaisons et conserve deux doublets non liants. Autour de lui : 4 doublets, disposés en tétraèdre. Seuls deux sommets portent un hydrogène, d'où l'angle d'environ 104°.

Le nombre d'atomes est identique ; ce sont les doublets non liants, invisibles dans la formule brute, qui font toute la différence.

🔑 Formules clés à retenir

ما يجب حفظه

قاعدة الثمانية : 8 إلكترونات في الطبقة الخارجية. وقاعدة الثنائية بالنسبة للهيدروجين : 2.
عدد الروابط المتكونة : $4 -$ (الإلكترونات الناقصة) — الكربون 4، والآزوت 3، والأوكسجين 2، والهيدروجين والهالوجينات 1.
مزدوجتان حول الذرة المركزية ← شكل خطي، الزاوية 180°.
4 مزدوجات كلها رابطة ← شكل رباعي السطوح، الزاوية $\approx$ 109°.
4 مزدوجات منها 1 غير رابطة ← شكل هرمي ( $N H_{3}$ ، $\approx$ 107°).
4 مزدوجات منها 2 غير رابطتين ← شكل منحن ( $H_{2} O$ ، $\approx$ 104°).

⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

مزالق وردود الفعل الصحيحة

عد المزدوجات، لا الذرات أبدا. فـ $C O_{2}$ و $H_{2} O$ لكل منهما ثلاث ذرات، ولهما شكلان مختلفان : والمزدوجات غير الرابطة هي التي تحسم.
المزدوجات غير الرابطة تشغل حيزا حتى وإن لم تحمل أي ذرة. وإغفالها يجعلنا نتوقع جزيئا خطيا للماء.
الرابطة المزدوجة تحتسب مزدوجة واحدة من زاوية الشكل الهندسي : ولهذا يكون $C O_{2}$ ، وله رابطتان مزدوجتان، خطيا.
الهيدروجين لا يتبع قاعدة الثمانية بل قاعدة الثنائية : فهو لا يكون أبدا سوى رابطة واحدة.
الزاوية الحقيقية أصغر قليلا من القيمة النظرية عند وجود مزدوجات غير رابطة : فهي تتنافر بقوة أكبر قليلا من المزدوجات الرابطة.

Géométrie de quelques molécules — Fiche d'exercices

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Exercices interactifs

10 exercices • Lis l'énoncé, écris ta réponse, puis vérifie la correction

Ma progression 0 / 10 corrigés

Exercices Faciles

3 exercices

Les règles du duet et de l'octet

Facile

Énoncé

On étudie la formation des liaisons covalentes dans les molécules. 1) Énoncer la règle du duet et la règle de l'octet, en précisant les atomes concernés. 2) De quoi un doublet liant est-il constitué ? 3) Combien de liaisons covalentes forme l'atome de carbone, de numéro atomique

Z = 6

? 4) Combien en forme l'atome d'azote, de numéro atomique

Z = 7

Ma réponse

Prof Hicham

Bloqué sur cet exercice ?
Prof Hicham t'explique pas à pas.

Correction détaillée

Compter les doublets d'une molécule

Facile

Énoncé

On donne les numéros atomiques : $H (Z = 1)$ , $C (Z = 6)$ , $N (Z = 7)$ , $O (Z = 8)$ .

1. Donner la structure électronique de chacun de ces quatre atomes.

2. Combien d'électrons manque-t-il à chacun pour respecter la règle du duet ou de l'octet ? En déduire le nombre de liaisons qu'il peut former.

3. Pour la molécule d'ammoniac $NH_{3}$ , donner le nombre de doublets liants et le nombre de doublets non liants.

4. Même question pour l'eau $H_{2} O$ et pour le méthane $CH_{4}$ .

5. Vérifier, pour l'ammoniac, que tous les électrons de valence sont bien comptés.

Ma réponse

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Correction détaillée

Combien de liaisons un atome peut-il former ?

Facile

Énoncé

On donne les numéros atomiques : $Z (H) = 1$ , $Z (C) = 6$ , $Z (N) = 7$ , $Z (O) = 8$ , $Z (Cl) = 17$ .

1. Établir la structure électronique de chaque atome et donner son nombre d'électrons externes.

2. En déduire, pour chacun, le nombre de liaisons covalentes qu'il forme et le nombre de doublets non liants qu'il conserve.

3. Vérifier la cohérence de la formule brute $CH_{3} Cl$ et proposer sa formule développée.

4. La formule $CH_{5}$ peut-elle exister ? Justifier.

Ma réponse

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Correction détaillée

Exercices Intermédiaires

4 exercices

Établir un schéma de Lewis

Intermédiaire

Énoncé

On souhaite établir les schémas de Lewis de quelques espèces. On donne

Z (H) = 1

Z (O) = 8

Z (C) = 6

. 1) Combien d'électrons externes faut-il compter pour établir le schéma de Lewis de l'ion hydroxyde

HO^{-}

? 2) Combien de doublets cela représente-t-il, et comment se répartissent-ils ? 3) Dans la molécule d'eau, combien de doublets l'atome d'oxygène porte-t-il, liants et non liants confondus ? 4) Dans le dioxyde de carbone, le carbone est engagé dans deux doubles liaisons. Combien de directions occupe-t-il ? 5) Parmi les formules

CH_{4}

CH_{3} OH

CH_{5}

, laquelle est impossible et pourquoi ?

Ma réponse

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Correction détaillée

La géométrie découle des doublets

Intermédiaire

Énoncé

On compare la molécule d'eau, coudée, et celle de dioxyde de carbone, linéaire. 1) Qu'est-ce qui détermine la géométrie d'une molécule autour d'un atome central ? 2) Pourquoi la molécule d'eau est-elle coudée alors que le dioxyde de carbone est linéaire ? 3) Quelle est la géométrie du méthane

CH_{4}

? 4) L'ammoniac

NH_{3}

a-t-il une géométrie plane ou pyramidale ? Justifier. 5) Autour d'un atome central portant deux liaisons et un doublet non liant, quelle est la géométrie de la molécule ?

Ma réponse

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Correction détaillée

Pourquoi CO₂ est linéaire et H₂O coudée

Intermédiaire

Énoncé

Le dioxyde de carbone $CO_{2}$ et l'eau $H_{2} O$ comptent tous deux trois atomes. Pourtant l'une de ces molécules est linéaire et l'autre est coudée. On donne $Z (H) = 1$ , $Z (C) = 6$ , $Z (O) = 8$ .

1. Établir la représentation de Lewis de chaque molécule.

2. Pour l'atome central de chacune, compter le nombre total de directions occupées autour de lui — en comptant une liaison, simple ou double, pour une direction, et chaque doublet non liant pour une direction.

3. En déduire la géométrie de chaque molécule et l'angle approximatif entre les liaisons.

4. Expliquer en une phrase pourquoi la formule brute ne suffit pas à prévoir la forme.

5. La molécule $SO_{2}$ a un atome de soufre central portant deux liaisons et un doublet non liant. Prévoir sa forme.

Ma réponse

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Une double liaison ne compte que pour une direction

Intermédiaire

Énoncé

On considère le méthanal $HCHO$ , dont l'atome de carbone central est lié à deux atomes d'hydrogène et, par une double liaison, à un atome d'oxygène. On donne $Z (H) = 1$ , $Z (C) = 6$ , $Z (O) = 8$ .

1. Établir la représentation de Lewis de la molécule et vérifier le compte des liaisons de chaque atome.

2. Combien de directions sont occupées autour du carbone ? En déduire la géométrie de la molécule et l'angle approximatif entre les liaisons.

3. Un élève affirme : « la double liaison compte pour deux, donc le carbone a quatre directions et la molécule est tétraédrique ». Réfuter.

4. Le méthane $CH_{4}$ a la même formule de type $CX_{n}$ avec un carbone central. Pourquoi sa géométrie diffère-t-elle de celle du méthanal ?

Ma réponse

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Exercices Difficiles

3 exercices

Même formule brute, molécules différentes

Difficile

Énoncé

L'éthanol et le méthoxyméthane ont tous deux pour formule brute

C_{2} H_{6} O

. L'éthanol bout à

78^{\circ} C

, le méthoxyméthane à

- 24^{\circ} C

. 1) Comment nomme-t-on deux molécules dans cette situation ? 2) Écrire les formules semi-développées de ces deux composés. 3) Que montre l'écart de cent degrés entre leurs températures d'ébullition ? 4) Que permet donc de connaître une formule brute, et que ne permet-elle pas ? 5) Deux isomères déposés sur une même plaque de chromatographie migrent-ils identiquement ?

Ma réponse

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Correction détaillée

Deux molécules, une seule formule brute

Difficile

Énoncé

Deux espèces chimiques distinctes ont la même formule brute $C_{2} H_{6} O$ : l'éthanol, liquide bouillant à $78 ° C$ , et le méthoxyméthane, gazeux à température ambiante, bouillant à $- 24 ° C$ .

Dans l'éthanol, l'oxygène est lié à un atome de carbone et à un atome d'hydrogène. Dans le méthoxyméthane, l'oxygène est lié aux deux atomes de carbone.

1. Vérifier que chaque atome respecte bien sa règle du duet ou de l'octet dans les deux molécules, en donnant leur formule développée.

2. Compter, pour chaque molécule, le nombre de doublets liants et de doublets non liants. Que remarque-t-on ?

3. Comment nomme-t-on deux molécules dans cette situation ?

4. Deux espèces de même formule brute peuvent-elles avoir des propriétés différentes ? Répondre en s'appuyant sur les températures d'ébullition données.

5. Un élève affirme : « puisque la formule brute est la même, une chromatographie donnera la même tache ». Que répondre ?

Ma réponse

Prof Hicham

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Correction détaillée

La charge d'un ion se lit dans son schéma de Lewis

Difficile

Énoncé

On étudie l'ion ammonium $NH_{4}^{+}$ et l'ion hydroxyde $HO^{-}$ . On donne $Z (H) = 1$ , $Z (N) = 7$ , $Z (O) = 8$ .

1. Combien d'électrons externes l'ensemble des atomes apporte-t-il dans $NH_{4}^{+}$ ? Combien l'ion en possède-t-il réellement ?

2. En déduire la représentation de Lewis de $NH_{4}^{+}$ , puis sa géométrie.

3. Mener le même raisonnement pour $HO^{-}$ .

4. L'azote forme trois liaisons dans $NH_{3}$ et quatre dans $NH_{4}^{+}$ . Cela contredit-il la règle de l'octet ?

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Exercices supplémentaires

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Géométrie de quelques molécules

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Contenu du cours

Pourquoi les atomes s'associent

Doublets liants et doublets non liants

La règle qui gouverne la forme

Le piège à éviter

📈 Figure clé

Exemple résolu 1

Exemple résolu 2

🔑 Formules clés à retenir

ما يجب حفظه

Astuces & Pièges à éviter

مزالق وردود الفعل الصحيحة

Méthodes types

الطريقة 1 : إنجاز صيغة لويس لجزيء

الطريقة 2 : توقع الشكل الهندسي حول ذرة

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Les règles du duet et de l'octet

Compter les doublets d'une molécule

Combien de liaisons un atome peut-il former ?

Exercices Intermédiaires

Établir un schéma de Lewis

La géométrie découle des doublets

Pourquoi CO₂ est linéaire et H₂O coudée

Une double liaison ne compte que pour une direction

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Même formule brute, molécules différentes

Deux molécules, une seule formule brute

La charge d'un ion se lit dans son schéma de Lewis

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Doublets liants et doublets non liants

La règle qui gouverne la forme

Le piège à éviter

📈 Figure clé

Exemple résolu 1

Exemple résolu 2

🔑 Formules clés à retenir

ما يجب حفظه

Astuces & Pièges à éviter

مزالق وردود الفعل الصحيحة

Méthodes types

الطريقة 1 : إنجاز صيغة لويس لجزيء

الطريقة 2 : توقع الشكل الهندسي حول ذرة

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Les règles du duet et de l'octet

Compter les doublets d'une molécule

Combien de liaisons un atome peut-il former ?

Exercices Intermédiaires

Établir un schéma de Lewis

La géométrie découle des doublets

Pourquoi CO₂ est linéaire et H₂O coudée

Une double liaison ne compte que pour une direction

Exercices Difficiles

Même formule brute, molécules différentes

Deux molécules, une seule formule brute

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