Forme des molécules (VSEPR)

Les liaisons du méthane forment des angles de 109.5°, celles de l'ammoniac 107° et celles de l'eau 104.5°. Chacune de ces molécules a quatre paires d'électrons autour de l'atome central.

Attache quatre ballons par leur nœud et ils prennent tout seuls une forme : ils pointent vers les sommets d'un tétraèdre, aussi loin les uns des autres que possible. Les paires d'électrons autour d'un atome font à peu près la même chose. Elles portent toutes une charge négative, elles se repoussent et s'écartent pour réduire au minimum cette répulsion. La forme d'une molécule découle de la position finale des paires.

Cette idée s'appelle la théorie de la répulsion des paires électroniques de la couche de valence, VSEPR en abrégé (en anglais), et elle a été proposée par Ronald Gillespie et Ronald Nyholm en 1957. Pour l'utiliser, compte les régions de densité électronique autour de l'atome central. Une liaison simple, double ou triple compte pour une région, car tous ses électrons pointent dans la même direction. Un doublet non liant, une paire d'électrons qui appartient à l'atome mais ne sert à aucune liaison, compte aussi pour une région.

Deux, trois et quatre régions

Deux régions pointent dans des directions opposées, à 180° l'une de l'autre : la molécule est linéaire. Le dioxyde de carbone, O=C=O, a deux liaisons doubles et aucun doublet non liant sur le carbone : c'est une ligne droite. Trois régions s'écartent en un triangle plat, à 120° : c'est la géométrie trigonale plane. Chaque carbone de l'éthène a trois régions (deux liaisons C-H et la liaison double C=C), et toute la molécule est plane. L'angle H-C-H mesuré vaut 117.6°, proche de l'idéal. Quatre régions pointent vers les sommets d'un tétraèdre, à 109.5°. Le méthane est l'exemple classique des manuels.

Les doublets non liants resserrent l'angle

L'ammoniac et l'eau ont aussi quatre régions autour de l'atome central, mais certaines sont des doublets non liants. L'azote de NH₃ a trois liaisons et un doublet non liant. L'oxygène de H₂O a deux liaisons et deux doublets non liants. Un doublet non liant n'est retenu que par un seul noyau : il s'étale plus près de cet atome et repousse plus fort les liaisons voisines qu'un doublet liant. Les liaisons sont resserrées. Dans l'ammoniac, l'angle H-N-H se referme de 109.5° à environ 107°. Dans l'eau, avec deux doublets non liants, l'angle H-O-H se referme encore plus, jusqu'à 104.5°.

Le nom de la forme décrit la position des atomes, pas celle des doublets non liants. L'ammoniac est dit pyramidal à base triangulaire : une pyramide basse avec l'azote au sommet. L'eau est dite coudée. Active « Doublets non liants » dans le modèle et tu verras le quatrième sommet invisible du tétraèdre de l'ammoniac, et les deux qui complètent celui de l'eau. Le modèle les dessine comme des lobes jaunes avec deux petits points pour les électrons. Les vrais doublets non liants sont des nuages de charge sans bords nets.

Les molécules plus grosses ont plusieurs centres, et on applique les mêmes règles à chacun. Dans l'éthane, chaque carbone a quatre liaisons simples : chaque carbone est donc tétraédrique et la molécule fait des zigzags en trois dimensions. Dans le méthanol, CH₃OH, le carbone est tétraédrique et l'oxygène, avec deux liaisons et deux doublets non liants, est coudé comme l'oxygène de l'eau. Le benzène est le cas opposé : chacun de ses six carbones a trois régions, donc les douze atomes forment un hexagone plat aux angles de 120°. Choisis chacune de ces molécules dans le modèle et regarde-la par la tranche pour vérifier.