1/ Pour calculer les électrons de valence c’est à dire les électrons sur la dernière couche, on se base toujours sur le gaz noble antérieur dans le tableau périodique.
2/ Par contre pour calculer les ions monoatomiques on se base sur le gaz noble dit méta-stable le plus proche.
3/ Pour les métaux en transition on peut se baser sur le tableau périodique quantique et sur la fonction orbitale ce qui n’est pas possible sur le tableau périodique classique. On doit aussi remplir le tableau, l’élément selon la méthode de Kuchlowski pour déterminer la configuration électronique complète du métal en transition. Voir mon article sur le tableau périodique quantique
Antoine de Lavoisier a inventé le terme d’oxydation pour décrire l’effet des atomes d’oxygène sur l’atome central d’un composé tel qu’un oxyde, un hydrate, un acide, ou bien un composé ionique ou covalent.
Antoine de Lavoisier 1743-1790
Ne représente pas la charge ionique mais permet de faire des prédictions d’un composé.
On calcule les états d’oxydation de chaque atome dans une molécule par une échelle d’électronégativité. Comme je l’ai déjà expliqué dans le tableau périodique quantique l’électronégativité est la force attractive de l’atome sur ses électrons lors de la liaison chimique avec une autre espèce.
Chaque atome à une électronégativité déjà calculée en chimie, il s’agit de l’échelle de Pauling :
voici un tableau périodique de l’électronégativité. Concrètement à partir d’une structure de Lewis, on va pouvoir replier les liaisons atomiques de deux espèces en fonction de l’atome qui a l’électronégativité la plus forte :
Linus Pauling 1940-1970
Cet article wikipedia résumé en anglais est bien fait : Etat d’oxydation
Il a été travaillé spécialement pour cet article.
Pour chaque atome il faut toujours se reporter à l’échelle de Pauling pour comprendre son OS. Cela va vous demander beaucoup d’attention et de pratique pour vérifier les états de l’oxydation marqués en rouge dans l’article mais c’est un bon exercice.
Règles de base pour comprendre :
L’hydrogène perd un électron quand l’oxygène en gagne deux. Les états sont calculés par un nombre propre appelé OS état d’oxydation. Les transferts ou non transferts d’électrons sont marqués par un trait supplémentaire en rouge. (Parfois on replie la liaison) (Parfois on ne la compte pas, exemple O-O) Connaitre le nombre d’électrons sur la couche externe est important. La plupart du temps la molécule est neutre, l’oxydation s’équilibre pour un composé.
L’oxydation pour notre corps
Passons à la suite, en général le suffixe -ate désigne les composés ont plus de 2 atomes d’oxygène.
Exemple prenez une bouteille d’Evian :
vous allez trouver des sulfates, des nitrates, et des bicarbonates de formules respectives : NO3-, SO4²- et HCO3-. Dans le cas présent ces composés sont des anions dont les atomes centraux sont oxydés, ils ont charge négative. Heureusement vous avez des minéraux tels que le Magnésium et le Sodium cations qui viennent équilibrer dans la bouteille.
La règle générale dans la nature du corps humain veut que plus l’on respire, plus un composé est soumis à l’oxygène plus il vieillit, il s’oxyde.
Pour résumer : La réduction est l’inverse de l’oxydation. Lorsque qu’un atome perd des électrons il s’oxyde car les protons de charge positive ou + prennent le dessus en nombre. Quand un atome gagne des électrons il se réduit car la charge négative prend le dessus.
Dans l’appareil cérébral humain la charge négative correspond à l’état de repos alors que la charge positive correspond à l’influx nerveux libéré donc à un potentiel positif et à un état de réflexion.
Que se passe-t-il lorsque vous mangez, imaginons que vous mangiez un aliment qui contient des glucides, ou plus précisément du glucose (carbohydrates) qui est essentiel pour la vie des métabolites telles que nos mitochondries qui sont l’usine énergétique de nos cellules neuronales.
La glycolyse a lieu ce qui entraine tout d’abord un léger effet d’oxydoréduction calorique(chaleur), le sucre est ingéré digéré par le glycogène et l’action de l’acide pyruvique puis redistribué par le foie ainsi se produit une phosphorylation oxydative c’est à dire que par le mécanisme que j’ai déjà expliqué dans mon article sur l’influx nerveux : l’adénosine diphosphate va se transformer and adénosine triphosphate ce qui correspond au phénomène de respiration cellulaire.
Il va y avoir une différence de concentration ioniques entre les ions sodium et potassium de part et d’autre de la membrane cytoplasmique ce qui va libérer un potentiel électrique par la mise sous tension de l’enzyme d’ATP Synthase qui est un biocatalyseur de nature protéique. Après perméabilisation de la membrane cela va declencher la valeur seuil, puis va générer votre influx nerveux.
Nos mitochondries vont rejeter ce qu’on appelle des Dérivés Réactifs de l’Oxygène, dont font partie les radicaux libres.
Si ces Dérivés réactifs (peroxyde, ions oxygénés) sont importants dans le système immunitaire pour lutter contre des agents pathogènes ils peuvent être très nocifs en particulier les radicaux libres de par leur nature électronique (couche de valence non appareillé correctement).
Il faut à tout prix éviter une réaction en chaîne c’est à dire qu’un électron qui s’est libéré crée un autre radical et ainsi de suite et forme des bi ou tri radicaux. c’est la principal cause du vieillissement cellulaire.
Pour lutter contre ce vieillissement cellulaire, vous pouvez prendre des anti-oxydants tels que des vitamines ou des oligo-éléments, des polyphénols mais il existe aussi des enzymes spéciales telles que le superoxyde dismutase, ou le glutathion peroxydase qui peuvent empêcher les cellules de muter.
Il y’a d’autres enzymes génétiques cette fois qui permettent de lutter contre le vieillissement et j’en parlerai dans un prochain article sur les différents Acide Ribonucléiques, dits ARN il s’agit de la Télomérase.
Lors de mon précédent article sur le tableau périodique de la physique classique que je vous avais présenté, je vous avais dit que je souhaitais approfondir mes recherches sur ce monument de science réalisé par Mendeleïevet bien aujourd’hui, nous allons attaquer la version quantifiée (de la physique des quantas).
Accrochez-vous parce que ce n’est pas si intuitif et il y’a des termes à approfondir dans un premier temps, en voici une liste.
Je vous ai préparé un tableau qui essaie de représenter ces concepts plus visuellement que ce que l’on trouve sur Wikipédia.
Ce qu’on remarque en premier lieu comparé au tableau de physique classique c’est que nous avons deux fois moins de cases. Les éléments ne sont plus représentés mais laissent place à des couches et des sous-couches électroniques.
Essayez de zoomer ou de télécharger mon tableau pour le comprendre.
Nous n’avons donc plus 118 éléments mais une correspondance entre orbitales, couches, sous-couches et blocs définies par 59 cases : une case est une sous-couche, une couche est une ligne ou période.
Les couches sont représentées par le nombre quantique N qu’on peut aussi appeler période ; pour essayer de réconcilier le tableau de la physique classique et le tableau de la physique quantique. C’est ce que j’ai essayé de faire dans ce tableau.
Le nombre quantique N représente l’énergie de l’électron en fonction de sa place sur l’orbital, le nombre quantique L représente le moment angulaire de l’électron c’est à dire sa position sur l’orbital.
D’autre part les blocs (en bas sur mon tableau) sont représentés par le nombre quantique secondaire L dit azimutal : 0 ≤ ℓ ≤ n – 1. Cela vient du terme en astronomie azimut.
Révisons un petit peu le tableau périodique classique :
Tableau périodique classique :
Tableau périodique quantique :
Comme je l’ai déjà écrit nous n’avons donc plus 118 éléments mais une correspondance entre orbitales, couches, sous-couches et blocs définies par 59 cases.
N est le nombre quantique qui représente le nombre de couches électroniques de l’atome, la période c dite classique reprend les couches du tableau périodique classique.
A gauche vous avez le nombre d’électrons total par période, blocs, orbitales, couches et sous-couches, En quantique on fonctionne toujours par pair, la première sous-couche 1S(harp) compte 2 électrons.
Prenons la deuxième couche, elle compte 4 sous-couches 2S(harp) 3 sous couches 2P(rincipal) qui totalisent 8 électrons.
Pour vous expliquer comment les électrons se répartissent parmi ces couches
On va commencer par faire un petit calcul de configuration électronique pour un élément très important en médecine pour prendre la tension cardiaque systolique et diastolique : le Mercure de symbole atomique Hg.
Si on compare les deux tableaux on a un atome de mercure en position 80 (numéro atomique= nombre de charges = nombre d’électrons) en physique classique ce qui correspond à la case 5d(iffuse ) du bloc L2(moment angulaire) pour 5 orbitales dans les métaux dits de transitions.
On sait comme en physique classique que pour calculer la configuration électronique d’un élément chimique, il faut se reporter au gaz stable rare le plus proche en dessous dans le tableau périodique, dans notre cas précis c’est le Xénon.
Le Xénon [Xe] à un numéro atomique de 54 donc nous avons deux solution pour calculer la couche électronique du Mercure Hg
1ère méthode : partir du gaz rare stable le plus proche
On part du Xénon et on va déterminer 80 électrons (mercure)-54 électrons(Xenon) = 36 il nous reste 36 électrons à placer.
Partez maintenant de la sous-couche correspondant à la place du mercure 5d(iffuse) à prendre les 3 sous-couches du Mercure en partant vers la gauche sur le tableau : 4f14+ 5d10 + 6s2 soit (14+10+2) électrons = 36.
54([Xenon])+36 = 80 (numéro atomique, nombre de charges(protons et électrons)).
Pour récapituler la configuration électronique est : [Xenon] 54 + les sous-couches 4f14+5d10+6s2
Mais alors comment repérer les électrons de valence avec cette notation ? : C’est simple ce sont les électrons associés à la couche du numéro atomique N le plus élevé car c’est la couche la plus éloignée du noyau atomique.
Dans notre exemple le Mercure a bien la couche 6s2 de nombre quantique 6 est celui qui va délimiter le nombre d’électrons sur la dernière couche N6 ou de période P = 2.
2ème méthode pour disposer la configuration électronique à partir du tableau quantique, on va utiliser la méthode de Kachlowski reportez-vous bien au tableau pour voir le nombre d’électrons associés à chaque bloc :
On va remplir d’abord la première case du tableau :
1/ D’après la méthode de Kachlowski on remplit d’abord la couche et la sous-couche 1s(harp), ce qui nous donne 2 électrons.
2/ Ensuite on remplit la sous-couche de la deuxième couche 2s(harp) ce qui nous donne encore 2 électrons.
3/ Ensuite on remplit deux sous-couches de deux couches différentes : 2p(rincipal) et 3s(harp) ce qui nous donne 8 électrons.
4/ Ensuite on remplit deux autres sous-couches de deux couches différentes : 3p(rincipal) et 4s(harp) ce qui donne encore 8 électrons.
5/ Ensuite on remplit 3 sous-couches de 3 couches différentes 3d(iffuse), 4(principal), 5s(harp) ce qui nous donne 18 électrons.
6/Ensuite on remplit 3 sous-couches de 3 couches différentes 4d(iffuse), 5(principal), 6s(harp) ce qui nous donne 18 électrons.
7/Enfin on remplir 2 sous-couches de 2 couches différentes 4f,5d. ce qui nous donne 24 électrons
Voici un autre graphique pour utiliser la méthode pour utiliser la règle de Kachlowski :
Vous avez compris ? Moi cela m’a pris un peu de temps, cela demande patience et application.
Je reviendrais plus tard compléter l’article en rapport aux orbitales, au nombre quantique magnétique noté ml et le nombre quantique magnétique de spin(rotation de l’électron).
Je vous ai mis les liens au début de l’article, a vous de les approfondir.
Ce qui m’intéresse maintenant c’est de vous détailler les propriétés chimique d’un élément en particulier le Mercure et dans ses moindres caractéristiques.
MERCURE (HG) 80
Note : Mercure est un élément physique de symbole Hg, de numéro atomique 80 (nombre de protons et d’électrons) il est communément appelé Argent rapide (Quicksilver). Mercure est l’unique élément qui est liquide à des conditions standards pour la température et la pression. Le seul autre élément qui est liquide dans ces conditions est le brome.
Il a été découvert par les égyptiens.
Spectre d’émission : le mercure émet des ondes électromagnétiques donc des ondes de lumière visibles intensément dans le bleu et aussi dans le vert.
La force de l’attraction terrestre sur l’atome en g/mol
Un petit point par rapport à la mole noté mol, c’est une unité du système international noté SI qui quantifie le nombre de molécules dans une entité et qui est basé sur la constante d’Avogadro. ( En mathématiques une constante est le contraire d’une variable )
Le point de fusion est le point auquel l’élément change de phase en passant de l’état solide à l’état liquide. Il dépend aussi de la pression mesuré en atmosphère ou kPa (kilo pascal)
Le mercure (Hg) est un élément chimique classé dans le groupe IIB du tableau périodique, ce qui correspond aujourd’hui au groupe 12 selon la numérotation moderne de l’IUPAC. (chimie appliquée) Historiquement, la notation IIB vient de l’ancienne classification périodique utilisée dans certains pays (notamment les États-Unis), où les groupes étaient divisés en A (éléments représentatifs) et B (éléments de transition).
Valence : I, II 1 ou 2 atomes seulement peuvent participer à des liaisons covalentes.
(Nombre d’électrons sur la couche externe pouvant participer à une liaison chimique)
Période : 6 (couche P dans le tableau)
Block : d-block veut dire diffuse bloc dans le tableau périodique quantique (voir le tableau périodique quantique que j’ai réalisé) En effet il est à la position 5d dans les métaux dits de transition.
L’ion mercure :
L’ion mercure est chargé deux fois Hg2+. Comme je l’avais pensé, cela est du à la perte des deux électrons de la dernière couche externe dite de valence ainsi l’avant dernière sous-couche va être dans un état méga stable avec 10 électrons remplie 5d(iffuse).
Voici un point sur lequel je vais m’arrêter longuement, on a abordé dans mes précédents articles sur le tableau périodique classique et les différentes représentations moléculaires : les liaisons covalentes ou les électrons sont échangés entre les atomes pour former une molécule tout aussi neutre grâce aux électrons de valence.
Mais ces liaisons covalentes ne sont qu’une partie de la chimie, en effet la plupart des autres composés obéissent à des liaisons électro-ioniquesou les électrons ne sont pas échangés mais transférés par électronégativité.
Voilà qui mérite un article à lui seul mais sachez que les états d’oxydation pour un atome dans un composé ionique peuvent aller de -5 à +9 en passant par 0. Ces états ne veulent pas dire que le composé est chargé électriquement ou négativement mais cela représente une valeur scalaire des atomes d’oxygène ou d’hydrogène dans un composé.
Je décrirai toutes ces règles dans un autre article mais sachez que pour le mercure d’après mon tableau périodique avancé, l’atome Hg peut avoir l’état 0, +1, +2, +4.
Je vous renvoie à la définition si vous voulez approfondir mais ce qu’il faut savoir c’est que c’est la plus petite approche d’un atome par une sphère donc potentiellement un autre atome.
Exprime la capacité du matériau à conduire les électrons. Réciproque de la résistivité.
L’unité utilisé que je ne connaissais pas est le (S/m) Siemens par mètreWerner Von Siemens est le nom d’un ancien physicien qui s’intéressait de près à la conductivité du mercure.
On comprend mieux pourquoi une marque porte son nom (Note pour moi-même, a expliquer à nos enfants pour les aider à développer leur pensée)
Le préfixe dia, veut dire à travers, cela explique pourquoi dans nos anciens sphygmomanomètres le mercure sert à mesurer la pression artérielle systolique et diastolique. Il émet un champ magnétique extérieur opposé ce qui le transforme en instrument de mesure de la pression.
Un tensiomètre électronique fonctionne de manière automatisée, principalement grâce à la méthode oscillométrique.
L’enthalpie de fusion anciennement appelée la chaleur de fusion est une fonction que je ne connaissais pas mais qui permet de regrouper en une seule équation toutes les variables thermodynamiques d’un matériau. Les trois variables sont l’énergie interne, la pression et le volume.
J’ai toujours pensé que la cristallisation était une des quatre opérations importante de la nature avec l’ionisation, la polymérisation, et la polarisation.
Les paramètres cristallins, aussi appelés paramètres de maille, sont des grandeurs utilisées pour décrire la maille d’un cristal. On distingue trois longueurs (a, b, c) et trois angles (α, β, γ) qui déterminent entièrement le parallélépipède qu’est la maille, élémentaire ou multiple.
Les paramètres a, b et c sont mesurés en Angstrom en nanomètres (nm), parfois en picomètres, et α (alpha), β (Beta) et γ (Gamma) en degrés (°).
L’Angstrom est une unité juste en dessous du nanomètre c’est à dire 10^-10m
Le mercure peut avoir deux paramètres de maille car il peut exister sous plusieurs phases cristallines, et l’une d’elles peut avoir une maille non cubique, nécessitant deux paramètres pour la décrire (ex. : a et c dans une structure hexagonale).
En thermodynamique et pour la physique des états solides, le modèle de Debye est une méthode développé par Peter Debye pour estimer la contribution du phonon (son) à la chaleur spécifique. Il permet de traiter les vibrations du réseau cristallin de l’atome comme les phonons dans une boite contrastant avec l’effet photoélectrique d’Einstein qui traite du solide comme de nombreux oscillateurs harmoniques quantiques individuels et non interactifs.
En science des matériaux, le ratio est un rapport à deux dimensions, il exprime la déformation perpendiculaire par la pression mesuré par le symbole ν (nu)) . Il est défini comme le ratio d’une augmentation de la pression infinitésimale qui a pour résultat une décroissance du volume.
En science des matériaux, le module de cisaillement ou le module de rigidité, noté G, ou parfois S ou μ, est une mesure de la raideur élastique d’un matériau et est défini comme le rapport entre la contrainte de cisaillement et la déformation de cisaillement
L’électronégativité est une quantification de la force d’attraction des atomes sur les électrons qui vont participer à la liaison chimique pour se lier à d’autres atomes.
En physique nucléaire la section efficace des neutrons est utilisé pour décrire l’interaction entre un neutron et une autre particule à noyau.
Barn : est une unité de mesure de surface plus petite que le femtomètre (unité la plus petite du système métrique classique 10^-15) donc très utile pour le calcul quantique.
Enfin pour terminer, faisons un petit exercice, cherchons à comprendre comment calculer les ions dérivés de l’atome de fer Fer.
Le Fer est un métal de transition dont le gaz rare stable le plus proche est l’argon. La configuration électronique [Ar]=18 3d6,4s2.
On ne peut pas déterminer les ions monotomiques des métaux en transition à partir du simple tableau périodique classique. Pourtant, on sait que l’atome de Fer se dérive en deux ions Fe2+ (Ferreux) et Fe3+(Ferrique). Mais alors ?
Comment fait-on pour déterminer ces ions par une simple lecture : en effet on sait que le fer à une couche de valence avec deux électrons, donc si on retire les deux électrons de valence on obtient le premier ion Ferreux Fe2+.
Il s’agit de la sous-couche 4s(harp)2 dont on va retirer les deux électrons.
Mais quid de Fe3+ ? Et bien c’est là que le tableau périodique en rajoutant une variable d’orbitale va permettre de déterminer l’ion Fe3+.
En effet on sait que la sous-couche 3d6 qui contient 6 électrons au lieu de 10 pour respecter l’équivalence atomique, l’orbitale par contre est de 5. Donc en retirant un électron de la sous-couche 3d6 cette sous-couche va se stabiliser puisque le le nombre d’électrons sera le même que l’orbital
Vous avez compris ? Enfin je remercie mon ami russe qui a réalisé ce tableau périodique pour moi que je consulte sur mon IPHONE américain. Paix pour un monde meilleur. 😊
Toute forme représentant un hexagone fermé est un cycle, par exemple le carbone lié par des liaisons covalentes comme ceci en est un.
Une molécule est une liaison d’atomes. Chaque sommet de l’hexagonereprésente un atome de carbone s’il n’y a pas d’autre dénomination symboles du tableau périodique ou composé moléculaire. (Un cadeau pour celui qui cliquera 3 fois sur les trois liens hexagone : hexagone , hexagone).
Sur ce cycle on voit un hexagone de 6 atomes de carbones en noirs liées chacun à 6 atomes d’oxygènes en périphérie.
Un rond dans un cycle permet d’aborder Cycle avec des liaisons doubles supplémentaires positionnables à n’importe quel endroit de l’espace. On parle aussi de résonance.
Sur les encyclopédies en ligne : vous trouverez beaucoup de molécules représentés sous forme d’hexagone ou de pentagone, l’hexagone est le cycle (dans lequel l’oxydation et l’entropie sont diminuées.)
Le pentagone quant à lui est le sucre, ou aussi appelé « ose » composant de la chimie organique essentiel à la nature et à l’humanité (réplication de l’ADN (ribose, désoxyribose) glycoprotéine, glycolyse, métabolise l’énergie au sein des mitochondries dans tout les corps cellulaires.
On peut noter que cela facilite la mémoire visuelle et la mémoire des formes.
La représentation de CRAM
Il existe plusieurs représentations dans le plan et son espace, certaines molécules peuvent être situées en arrière ou d’autre en avant du plan.
Un trait simple indique une liaison dans le plan.
Un trait plein en forme de triangle de la liaison entre le carbone et l’hydrogène indique une liaison entre les deux atomes légèrement en avant du plan et les triangles en pointillés indique une liaison en arrière du plan.
Cela permet de représenter les molécules dans une fausse 3D et laisse place à notre pensée visuelle.
Des représentations en 2D volumétrique et une couleur pour chaque atome en rouge sont aussi efficaces l’oxygène, en violet le nitrogène, en blanc l’hydrogène, en gris/noir pour le carbone.
La projection de Haworth
Dans le plan les traits les plus épais indiquent une position spatiale plus proche par rapport au lecteur, un trait plus fin au contraire une distance proximale plus éloignée.
La projection Haworth est un moyen simple de représenter une molécule de sucre (ose)
On remarque que c’est par l’atome d’oxygène O du composé OH que la liaison se fait.
Ou bien par l’atome de Carbone du composé CH2OH.
La projection de Fischer
Dans la projection de Fischer la place centrale est réservée au carbone, c’est le squelette ou l’armature de la représentation.
La Formule brute
Ex : C2H6O
Indispensable mais reprend pour ainsi dire les lettres des éléments du tableau périodique avec une valeur numérique qui définit le nombre d’atomes, d’anion ou de cation de chaque composé moléculaire. Il s’agit toujours de regarder la formule brute en premier lieu.
Je complète aujourd’hui cette article pour vous montrer comment deviner le nom d’une molécule à partir de sa formule brute, en effet c’est un bon exercice pour travailler votre intelligence sachez qu’il existe cinq composés différents que l’on peut déterminer : Ionique (+ ou -), covalents, oxyde, hydrate, acide sachant que des oxydes ou acides peuvent être covalents. (A compléter plus tard).
Formule développée plane : représente toutes les liaisons en détail, couteux en termes de temps et rébarbatif, à utiliser au début lorsque l’on débute en chimie.
Formule Semi-Développée :
Ne représente que certaines liaisons de composés moléculaires peut s’exprimer orthogonalement (des deux côtés) voir mon article sur l’influx nerveux.
Formule développée
Permet de représenter la formule dans l’espace, en 2 ou 3 dimensions ce qui est très pratique pour différencier les isomères. Un isomère étant comme son nom l’indique des molécules qui ont la même formule brute.
Mettre en avant des atomes liés particuliers, l’exemple de la xanthine :
Voici la formule de la Xanthine, les sommets qui ne sont pas représentés sont des atomes de carbone. A partir d’une formule brute on peut compléter cette représentation.
Vous remarquerez que les atomes d’azote du composé NH appelées en anglais Nitrogène sont mis en avant par rapport à son atome d’hydrogène pour bien montrer le nitrogène est lié 2 ou même 3 fois à chaque fois.
La structure de Lewis
La structure de Lewis permet de représenter pour chaque atome. Les électrons sur la dernière couche externe ainsi que les électrons de valence et j’en ai déjà parlé sur mon article du tableau périodique, ce sont les électrons qui participent à la liaison chimique lors de liaisons covalentes.
Malgré ses limites formelles, la représentation de Lewis est très utilisée en chimie organique pour préparer les mécanismes réactionnels.
Au niveau de l’atome :
Lewis est utilisé soit au niveau de l’atome en lui-même soit à un degré plus haut au niveau de la molécule. Commençons par l’atome, par une simple lecture du tableau périodique (voir mon article) vous pouvez savoir combien d’électrons sont sur la couche externe.
On sait qu’un atome de nitrogène a un numéro atomique de 7 donc sur ses 2 couches : K2 L5.
A partir du moment ou un atome a plus de quatre électrons sur sa couche externe on lie les électrons par deux sous forme d’un trait. (Doublet non liant). Un doublet est stable alors qu’un électron célibataire est réactif.
L’atome de soufre qu’on verra plus loin au niveau de la molécule a 6 électrons sur sa dernière couche et peut avoir 2, 4, ou 6 électrons de valence donc on peut faire 3 doublets non liants.
Nous allons voir par la suite que la structure de Lewis est très utile pour calculer les états d’oxydation domaine de la chimie inorganique sauf pour les composés cristallins(solides) que j’expliciterai dans mon article sur le tableau périodique quantique pour les propriétés du Mercure.
Au niveau de la molécule :
1/Acide Sulfurique
La formule de Lewis au niveau de la molécule a l’avantage de montrer les doublets non liants c’est à dire les électrons sur la dernière couche qui ne participent pas à la liaison chimique.
Partons de la formule brute du pour notre première molécule c’est-à-dire l’acide Sulfurique (Soufre) :
Formule brute : H2 S O4 : 2 atomes d’Hydrogène 1 atome de Souffre et 4 atomes d’Oxygène
On sait qu’un atome de souffre qui est l’atome clé de notre composant a un numéro atomique de 16 dans le tableau périodique soit un nombre de charges (nombres de protons (+) et d’électrons (-) de 16 (Je rappelle que l’atome est neutre)
Donc sur les 3 couches :
K L M (la règle du duet (2) sur la couche K s’applique sur la première couche,
La règle de l’octet (8) L sur la deuxième couche
La configuration électronique de la 3ème couche M est donc de 16-8-2 = 6
On doit donc respecter 6 liaisons pour l’atome de Soufre.
On a dû casser les doublets non liants de l’atome de souffre ce qui veut dire que cette représentation au niveau atomique et on remarque à chaque fois 2 doublets non liants soit 4 électrons pour l’oxygène.
L’Oxygène à un numéro atomique de 8 donc on a 2 électrons sur la couche K et 6 sur la couche L donc 6 électrons de valence également alors qu’il n’a que deux couches.
2/ Composé organique(Carbone)
Molécule d’Ethanol
Un atome de carbone peut avoir 2 ou 4 électrons de valence, un atome d’hydrogène a 1 électron de valence. Un atome d’oxygène en a 2 mais a 6 atomes sur sa dernière couche donc il aura deux doublets non liant.
3/ Composé ionique
Ion Positif dans la structure de Lewis.
Ici le composé moléculaire est formé de 3 atomes d’hydrogène avec un seul électron de valence sur la couche K (1) et pour l’oxygène on a 6 électrons sur la dernière couche K (2) L (6).
On voit qu’il a déjà 3 liaisons électroniques avec des atomes d’hydrogène. Un doublet non liant plein et un doublet non liant vide (ou cassé).
Ce doublet non liant vide représenté en blanc veut dire qu’un électron s’est libéré pour transformer l’atome d’oxygène en ion positif.
Enfin pour finir je vous parlerai de chimie organique et donc notamment de la chimie du carbone, d’azote aussi appelé nitrogène, de chlore et de brome. par opposition à la chimie des minéraux.
Les notations internationales chimiques
Il existe des notations qui permettent de mieux comprendre comment s’agencent les molécules sur le plan atomique.
Vous trouverez dans la version Anglaise de Wikipédia bien plus riche en termes de contenu que la version française quant à la terminologie de ces nomenclatures.
Je compléterai cet article car elles obéissent à des règles complexes qui ont notamment été établies par l’union internationale pure de chimie appliquée(IUPAC), je pense notamment à la forme structurale.
Enfin pour finir voici une petite liste des logiciels que vous pouvez utiliser sur ordinateur pour représenter des molécules :
Voici quelques solutions (gratuites pour la plupart) qui transforment automatiquement un simple nom (ou formule/IUPAC/SMILES) en modèle 3D manipulable ; elles couvrent aussi bien les molécules discrètes que les composés ioniques cristallins :
Outil
Où ?
Ce qu’il suffit de faire
Points forts / limites
MolView
Web (molview.org)
Tape le nom (« caféine », « chlorure de sodium », etc.) dans la barre de recherche ➜ le viewer charge la structure PubChem et l’affiche en 3D (bouton « 3D » ou « 2D → 3D »).
Extrêmement rapide, aucune installation, export .mol/.pdb possible. Modèles cristallins simplifiés pour les solides ioniques. MolView
PubChem 3D Viewer
Web (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
Recherche ton composé ➜ onglet 3D conformer ➜ visualisation interactive, téléchargement (SDF, PDB).
Base de données géante ; propose plusieurs conformères + génération d’images HD. PubChem
ChemSpider
Web (chemspider.com)
Recherche par nom ➜ clic sur « 3D » (JSmol) pour manipuler la molécule.
Avant de s’attaquer à la chimie et à la représentation des molécules, il est nécessaire de faire un point sur ce qui est le socle de l’électronique intrinsèquement lié à cette discipline, j’ai nommé le tableau périodique.
Pourquoi ? Car pour garder des molécules neutres il est nécessaire d’avoir une équivalence électronique qui va être la balance de la charge positive protonique hormis pour les anions (-) ou les cations (+)
Je vais vous présenter plusieurs tableaux différents dont deux premiers que l’on analysera en détail pour en comprendre la structure.
Il n’est pas si aisé de savoir lire le tableau périodique imaginé par Mendeleïev en 1869, car en fait il regorge d’informations ou encore d’interprétations.
Parlons de sa structure première, il hiérarchise les éléments en colonnes 18 qu’on appellera couches et en 7 lignes qu’on appellera périodes, qui sont en fait les périodes de révolutions des électrons (leur trajectoire orbitale sur la couche). Il présente 118 éléments en fonction de leur masse croissante par rapport à l’isotope(même nombre de protons mais pas de neutrons) du carbone 12.
Chaque élément présents sur la même couche ou colonne présentent un nombre d’électrons sur la dernière couche, dits électrons de valence. Certains de ces électrons vont participer à la liaison chimique quand deux atomes vont former une molécule.
L’Hélium qui n’en comporte que deux est l’exception qui confirme la règle.
Il faut distinguer électrons de valence, et la valence chimique, tous les électrons de valence ne participent pas à la liaison chimique donc parmi ces électrons on peut déterminer leur valence chimique, qui sont les électrons qui vont participer à la liaison chimique entre deux atomes au sein d’une molécule.
Je vais expliquer cela avec le dioxyde de carbone plus tard dans l’article.
Tout d’abord comment se lit une case du tableau périodique :
Le nombre atomique représente le nombre de protons, la lettre son appellation lorsque l’on lit une formule moléculaire. La masse soit quantité de matière figure en dessous ou en haut a droite dans un dictionnaire .
Sur certains tableaux on peut trouver l’élément sous la forme à l’état 0° avec une équivalence de pression en kPa et parfois le nombre de masse (c’est à dire le nombre de protons et de neutrons) par opposition au nombre de charges qui sont le nombre d’électrons et donc insidieusement de protons (l’atome étant neutre).
L’hydrogène à une certaine pression forme des nuages.
L’hydrogène est sur la colonne 1 donc il a un électron sur sa couche externe, c’est à dire un électron de valence.
Maintenant le tableau dans son intégralité :
A partir de la 13ème couche on note la colonne : 13-10 = 3 pour occulter les métaux dits de transition en beige dans le tableau.
Premier exemple :
Lorsque je prends le Carbone, je vois qu’il est en couche 14-10 = 4, il a donc 4 électrons sur sa couche externe(valence).
Bien mais si je veux le lier à un atome d’oxygène pour former par exemple du dioxyde de carbone. Je lis que l’oxygène est sur la couche 16 -10 = 6, il a donc 6 électrons sur sa couche externe(valence).
Comment faire pour les assembler correctement sur le plan de la molécule ? Car il n’ont pas le même nombre d’électrons qui participent à la liaison chimique.
Lorsque l’on travaille en seconde ou première, nous travaillons principalement avec 3 couches électroniques : la couche K, la couche L et la couche M.
Cette répartition en 3 couches est fondamentale pour appliquer la règle du duet(2) et de l’octet(8),
On cherche à saturer ces couches pour que la dernière d’entre elle, j’ai nommé la couche externe forme des liaisons covalentes entre différents atomes du tableau périodique pour former des composés moléculaires. Les liaisons covalentes sont aussi appelés des doublets liants : les électrons sont échangés et non transférés.
Il faut savoir que la couche K est saturé par un duet,(2) d’électrons que la couche L par un octet (8) d’électrons et que la couche M par un nombre de 18. Nous verrons qu’il existe bien d’autres couches…
Pour calculer les électrons sur la couche externe de chaque atome, on va se baser sur la composition électronique du gaz antérieur le plus proche : pour les deux atomes qui nous intéressent il s’agit de l’hélium qui n’a que deux électrons sur sa couche K(2), cela n’a donc pas d’importance pour notre calcul puisque le carbone et l’oxygène ont une couche K saturé d’un duet (2) également.
Reprenons, le carbone et l’oxygène comme on l’a vu ont 4 et 6 électrons sur leur couche
Carbone 6 : K(2) L(4)
Oxygène 8: K(2) L(6)
On a donc 6 électrons sur la couche externe pour l’oxygène et 4 électrons sur la couche externe pour le carbone externe mais l’oxygène qui veut respecter la règle de l’octet et saturer sa couche externe pour se stabiliser n’a que deux électrons qui vont participer à la liaison chimique.
Donc pour respecter l’équivalence, il nous faudra deux atomes d’oxygène puisque le carbone central a 4 électrons.
Un trait représentant deux électrons, on voit bien que chaque atome d’oxygène a deux liaisons et que le carbone en a au total 4 de par sa position centrale dans la molécule.
Tableau périodique version minéral :
Tableau périodique Applications usuelles :
Autre utilité du tableau périodique : déterminer les ions propres à chaque atome : dits monoatomiques.
Là encore on va s’attaquer à calculer sur la base du numéro atomique soit son nombre de charges (protons, électrons)
L’atome va chercher à devenir encore plus stable ainsi il va chercher à se lier au gaz rare méta-stable le plus proche sur le tableau.
Ainsi Le fluor de nombre de charges 9 va gagner un électron en essayant de se stabiliser au néon (10) le gaz rare noble qui lui est associé ce qui va donner l’ion F-¹ .
Le chlore (17e) va gagner lui aussi gagner 1 électron en essayant de se stabiliser comme l’argon (18e) donc on aura Cl-1
Mais pourquoi le carbone n’a pas d’ion monoatomique ? Et bien c’est le propre de la chimie organique : voici une petite explication fournie par chat gpt :
Par contre, ce qu’il faut comprendre c’est que le tableau périodique dit classique contrairement au quantique n’est pas adapté pour calculer les ions monoatomiques des métaux en transition.
Le fer a deux ions Fe2+ et Fe3+ dans ces conditions une structure avec des blocs des sous-couches, des couches, des orbitales sera plus adapté pour calculer ses ions. voir mon article sur le tableau périodique quantique.
Résumé :
Pour calculer les électrons sur la couche externe, on se base toujours sur le gaz noble antérieur. Par contre pour calculer les ions monoatomiques on se base sur le gaz stable le plus proche. Pour les métaux en transition on peut se baser sur le tableau périodique quantique et sur la fonction orbitale ce qui n’est pas possible sur le tableau périodique classique. On doit aussi remplir le tableau, l’élément selon la méthode de Kuchlowski pour déterminer la configuration électronique complète du métal en transition.
