Théorie VSEPR

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
(Redirigé depuis VSEPR)
Aller à : navigation, rechercher

La théorie VSEPR (sigle de l'anglais Valence Shell Electron Pairs Repulsion, en français RPECV : « répulsion des paires électroniques de la couche de valence ») est une méthode destinée à prédire la géométrie des molécules en se basant sur la théorie de la répulsion des électrons de la couche de valence. Elle est aussi connue sous le nom de « théorie de Gillespie » (ou théorie de Nyholm-Gillespie).

Origines[modifier | modifier le code]

Ce sont les Britanniques N. Sigdwick et H. Powell qui les premiers ont émis cette idée, sur laquelle s'est appuyé le chimiste canadien R.J Gillespie de l'Université McMaster en Ontario, qui est le véritable instaurateur de cette théorie. La méthode VSEPR s'inscrit dans la poursuite des idées sur les liaisons chimiques de G.N Lewis (1916).

Prérequis et supposition[modifier | modifier le code]

La méthode VSEPR est fondée sur un certain nombre de suppositions, notamment concernant la nature des liaisons entre atomes :

  • les atomes dans une molécule sont liés par des paires d'électrons ;
  • deux atomes peuvent être liés par plus d'une paire d'électrons. On parle alors de liaisons multiples ;
  • certains atomes peuvent aussi posséder des paires d'électrons qui ne sont pas impliqués dans une liaison. On parle de doublets non liants ;
  • les électrons composant ces doublets liants ou non liants exercent les uns sur les autres des forces électriques répulsives. Les doublets sont donc disposés autour de chaque atome de façon à minimiser les valeurs de ces forces ;
  • les doublets non liants occupent plus de place que les doublets liants ;
  • les liaisons multiples prennent plus de place que les liaisons simples.

Notations[modifier | modifier le code]

Dans la suite de cet article, et suivant les usages de la méthode VSEPR, on notera l'atome central de la molécule étudiée A.

Les doublets non-liants, c'est-à-dire les paires d'électrons appartenant à l'atome central A et n'étant pas impliqués dans les liaisons seront notés E et n leur nombre.

Les doublets liants, c'est-à-dire les paires d'électrons étant impliqués dans des liaisons entre l'atome central A et un autre atome seront notés X. Le nombre de doublets liants sera noté m.

N.B: En ce qui concerne la géométrie de la molécule une liaison multiple est assimilable à une liaison simple c'est-à-dire que m est plus simplement égal au nombre d'atomes liés à A.

Les molécules simples, dont la géométrie est facilement définissable grâce à la méthode VSEPR sont donc de la forme : AXmEn

Figures de répulsion[modifier | modifier le code]

Méthode AXE[modifier | modifier le code]

La méthode AXE permet de définir les figures suivantes :

Type Géométrie Exemples
AX1E0 (AX1) Linéaire HF
AX1E1 Linéaire CN-
AX1E2 Linéaire O2
AX1E3 Linéaire HCl
AX2E0 (AX2) Linéaire BeCl2, HgCl2
AX2E1 Coudée SO2, O3
AX2E2 Coudée H2O
AX2E3 Linéaire KrF2, XeF2
AX3E0 (AX3) Trigonale plane BF3
AX3E1 Pyramide trigonale NH3
AX3E2 Forme en T ClF3, BrF3
AX4E0 (AX4) Tétraèdre CH4
AX4E1 Balançoire SF4
AX4E2 Carré (plan) XeF4
AX5E0 (AX5) Bipyramide trigonale PCl5
AX5E1 Pyramide à base carrée BrF5
AX6E0 (AX6) Octaèdre SF6
AX6E1 Pyramide pentagonale XeF6
AX7E0 (AX7) Bipyramide pentagonale IF7
AX7E1 Pyramide pentagonale XeOF5
AX7E2 Pentagone (plan) XeF5-
AX8E0 (AX8) Carré antiprismatique XeF82−

Géométrie[modifier | modifier le code]

Molécules bidimensionnelles[modifier | modifier le code]

Nombre stérique
m+n
Géométrie de base
0 doublet non-liant
n=0
1 doublet
non-liant
n=1
2 doublets
non-liants
n=2
3 doublets
non-liants
n=3
1 AX1E0-2D.png
linéaire
2 AX2E0-2D.png
linéaire
AX1E1-2D.png
linéaire
3 AX3E0-side-2D.png
triangle (plan)
AX2E1-2D.png
coudée
AX1E2-2D.png
linéaire
4 AX4E0-2D.png
tétraèdre
AX3E1-2D.png
pyramide trigonale
AX2E2-2D.png
coudée
AX1E3-2D.png
linéaire
5 AX5E0-2D.png
bipyramide trigonale
AX4E1-2D.png
balançoire (seesaw)
AX3E2-2D.png
forme en T
AX2E3-2D.png
linéaire
6 AX6E0-2D.png
octaèdre
AX5E1-2D.png
pyramide à
base carrée
AX4E2-2D.png
carré (plan)
7 AX7E0-2D.png
bipyramide pentagonale
AX6E1-2D.png
pyramide pentagonale
AX5E2-2D.png
pentagone (plan)
8
carré antiprismatique

Molécules tridimensionnelles[modifier | modifier le code]

Nombre de
doublets
m+n
Géométrie de base
0 doublet non-liant
n=0
1 doublet
non-liant
n=1
2 doublets
non-liants
n=2
3 doublets
non-liants
n=3
1 AX1E0-3D-balls.png
linéaire
2 AX2E0-3D-balls.png
linéaire
AX1E1-3D-balls.png
linéaire
3 AX3E0-3D-balls.png
triangle (plan)
AX2E1-3D-balls.png
coudée
AX1E2-3D-balls.png
linéaire
4 AX4E0-3D-balls.png
tétraèdre
AX3E1-3D-balls.png
pyramide trigonale
AX2E2-3D-balls.png
coudée
AX1E3-3D-balls.png
linéaire
5 Trigonal-bipyramidal-3D-balls.png
bipyramide trigonale
AX4E1-3D-balls.png
balançoire
AX3E2-3D-balls.png
forme en T
AX2E3-3D-balls.png
linéaire
6 AX6E0-3D-balls.png
octaèdre
AX5E1-3D-balls.png
pyramide à
base carrée
AX4E2-3D-balls.png
carré (plan)
7 AX7E0-3D-balls.png
bipyramide pentagonale
AX6E1-3D-balls.png
pyramide pentagonale
AX5E2-3D-balls.png
pentagone (plan)
8 AX8E0-3D-balls.png
carré antiprismatique
9 AX9E0-3D-balls.png
prisme trigonal tricappé

Améliorations du modèle[modifier | modifier le code]

Longueur des liaisons[modifier | modifier le code]

Jusqu'ici, nous avons considéré que les liaisons entre atomes étaient toutes de la même longueur, approximation grossière et bien éloignée de la réalité. En effet, les longueurs des liaisons varient en fonction des atomes impliqués et de la typologie de la liaison (liaison simple, liaison double, liaison triple, liaison aromatique…)

Il est possible de déterminer la distance séparant deux atomes de façon expérimentale, bien que celle-ci ne soit pas constante et dépende du milieu. On peut cependant définir une valeur moyenne.

Méthode avec les rayons de covalence[modifier | modifier le code]

En première approximation, on pourra assimiler les atomes à des sphères dont le rayon est égal au rayon de covalence. La longueur d'une liaison sera alors donnée par la somme des rayons de covalence des atomes impliqués :

D = R_a + R_b\,

avec R_a le rayon de covalence du premier atome et R_b le rayon de covalence du second atome impliqué.

Méthode tenant compte de la différence d'électronégativité[modifier | modifier le code]

Les atomes ayant chacun une électronégativité différente, cela influe aussi sur la longueur des liaisons ; plus particulièrement, une forte différence d'électronégativité implique un raccourcissement important de la liaison. On peut donc établir la formule (empirique) suivante :

D = R_a + R_b - 9 \times |\delta_E|

avec R_a le rayon de covalence du premier atome (en picomètres) et R_b le rayon de covalence du second atome impliqué (en picomètres), \delta_E étant la différence d'électronégativité entre les deux atomes (suivant l'échelle de Pauling).

Influence des liaisons multiples[modifier | modifier le code]

Les formules ci-dessus permettent de calculer avec un taux d'erreur relativement faible les longueurs des liaisons simples. À partir de ces mesures, on peut facilement obtenir celles des liaisons multiples.

Une liaison double fait en moyenne, 86 % de la longueur d'une liaison simple. Une liaison triple fait en moyenne, 78 % de la longueur d'une liaison simple.

Les liaisons aromatiques telles que celles présentes dans la molécule de benzène, par exemple, sont intermédiaires entre des liaisons simples et des liaisons doubles :

  • rayon de covalence du carbone : 77 pm[réf. nécessaire] ;
  • longueur d'une liaison carbone-carbone simple (calculée) : 154 pm ;
  • longueur d'une liaison carbone-carbone double (calculée) : 133 pm ;
  • longueur des liaisons carbone-carbone dans la molécule de benzène (expérimentales) : 140 pm[réf. nécessaire].

Limites du modèle[modifier | modifier le code]

Même si la méthode VSEPR permet de prévoir de façon satisfaisante la géométrie de molécules simples pour lesquelles le choix d'un atome central est aisé, elle reste plus difficile à appliquer et insuffisante lorsqu'il s'agit de prévoir la géométrie de molécules plus complexes. Par exemple, tous les atomes de la molécule d'éthylène (CH2=CH2) sont situés dans un même plan, ce qu'il n'est pas possible de prévoir avec le modèle.

De plus, les molécules, les atomes, les électrons, les nucléons ne sont pas des structures fixes dans le temps et dans l'espace. Leurs positions relatives varient au cours du temps et suivant le milieu. Toute prédiction de positions est donc à relativiser.

Liens externes[modifier | modifier le code]