Structure de Lewis : la méthode des 5 étapes

Les trois niveaux s'enchaînent. Clique sur « Corrigé » pour révéler la solution d'une seule question.

Facile15 exercices

Exercice 1calculer

n_{\max}

Calcule $n_{\max} = 8a + 2b$ (repère d'abord $a$ = atomes visant l'octet et $b$ = nombre de $\ce{H}$ ).

a)
$\ce{CH4}$
$n_{\max} = 8a + 2b$ , avec $a$ = atomes visant l'octet et $b$ = nombre de $\ce{H}$ .
$\ce{CH4}$ : $a=1,\ b=4 \Rightarrow 8 + 8 = \mathbf{16}$ .
b)
$\ce{H2O}$
$\ce{H2O}$ : $a=1,\ b=2 \Rightarrow 8 + 4 = \mathbf{12}$ .
c)
$\ce{NH3}$
$\ce{NH3}$ : $a=1,\ b=3 \Rightarrow 8 + 6 = \mathbf{14}$ .
d)
$\ce{CO2}$
$\ce{CO2}$ : $a=3,\ b=0 \Rightarrow 24 + 0 = \mathbf{24}$ .
e)
$\ce{HCN}$
$\ce{HCN}$ : $a=2,\ b=1 \Rightarrow 16 + 2 = \mathbf{18}$ .

Exercice 2calculer

n_{v}

(molécules neutres)

Calcule $n_{v} = \sum N^{\text{val}}$ (ici $q=0$ ). Rappel : $\ce{H}=1,\ \ce{C}=4,\ \ce{N}=5,\ \ce{O}=6$ .

a)
$\ce{CH4}$
On somme les électrons de valence de tous les atomes.
$\ce{CH4}$ : $4 + 4\times 1 = \mathbf{8}$ .
b)
$\ce{H2O}$
$\ce{H2O}$ : $6 + 2\times 1 = \mathbf{8}$ .
c)
$\ce{NH3}$
$\ce{NH3}$ : $5 + 3\times 1 = \mathbf{8}$ .
d)
$\ce{CO2}$
$\ce{CO2}$ : $4 + 2\times 6 = \mathbf{16}$ .
e)
$\ce{HCN}$
$\ce{HCN}$ : $1 + 4 + 5 = \mathbf{10}$ .

Exercice 3calculer

n_{v}

(ions)

Calcule $n_{v} = \sum N^{\text{val}} - q$ . Attention au signe de la charge.

a)
$\ce{OH-}$
$n_{v} = \sum N^{\text{val}} - q$ : on ajoute $|q|$ pour un anion, on retranche $q$ pour un cation.
$\ce{OH-}$ : $6 + 1 + 1 = \mathbf{8}$ (anion : $-q = +1$ ).
b)
$\ce{NH4+}$
$\ce{NH4+}$ : $5 + 4 - 1 = \mathbf{8}$ (cation : $-1$ ).
c)
$\ce{H3O+}$
$\ce{H3O+}$ : $6 + 3 - 1 = \mathbf{8}$ .
d)
$\ce{NO3-}$
$\ce{NO3-}$ : $5 + 3\times 6 + 1 = \mathbf{24}$ .
e)
$\ce{CO3^2-}$
$\ce{CO3^2-}$ : $4 + 3\times 6 + 2 = \mathbf{24}$ .

Exercice 4de

n_{\max}

n_v

au nombre de liaisons

On donne $(n_{\max},\,n_v)$ . Calcule $n_l = n_{\max} - n_v$ , puis le nombre de liaisons $n_l/2$ .

a)
$\ce{CH4}$ : $(16,\,8)$
$n_l = n_{\max} - n_v$ , puis nombre de liaisons $= n_l/2$ .
$\ce{CH4}$ : $n_l = 16-8 = 8 \Rightarrow \mathbf{4}$ liaisons.
b)
$\ce{H2O}$ : $(12,\,8)$
$\ce{H2O}$ : $n_l = 12-8 = 4 \Rightarrow \mathbf{2}$ liaisons.
c)
$\ce{NH3}$ : $(14,\,8)$
$\ce{NH3}$ : $n_l = 14-8 = 6 \Rightarrow \mathbf{3}$ liaisons.
d)
$\ce{CO2}$ : $(24,\,16)$
$\ce{CO2}$ : $n_l = 24-16 = 8 \Rightarrow \mathbf{4}$ liaisons (deux doubles $\ce{O=C=O}$ ).
e)
$\ce{HCN}$ : $(18,\,10)$
$\ce{HCN}$ : $n_l = 18-10 = 8 \Rightarrow \mathbf{4}$ liaisons ( $\ce{H-C#N}$ ).

Exercice 5du reste aux doublets libres

On donne $(n_{v},\,n_l)$ . Calcule $n_{nl} = n_v - n_l$ , puis le nombre de doublets libres $n_{nl}/2$ .

a)
$\ce{CH4}$ : $(8,\,8)$
$n_{nl} = n_v - n_l$ , puis nombre de doublets libres $= n_{nl}/2$ .
$\ce{CH4}$ : $n_{nl} = 8-8 = 0 \Rightarrow \mathbf{0}$ doublet libre.
b)
$\ce{H2O}$ : $(8,\,4)$
$\ce{H2O}$ : $n_{nl} = 8-4 = 4 \Rightarrow \mathbf{2}$ doublets libres (sur $\ce{O}$ ).
c)
$\ce{NH3}$ : $(8,\,6)$
$\ce{NH3}$ : $n_{nl} = 8-6 = 2 \Rightarrow \mathbf{1}$ doublet libre (sur $\ce{N}$ ).
d)
$\ce{CO2}$ : $(16,\,8)$
$\ce{CO2}$ : $n_{nl} = 16-8 = 8 \Rightarrow \mathbf{4}$ doublets libres ( $2$ par $\ce{O}$ ).
e)
$\ce{HCN}$ : $(10,\,8)$
$\ce{HCN}$ : $n_{nl} = 10-8 = 2 \Rightarrow \mathbf{1}$ doublet libre (sur $\ce{N}$ ).

Exercice 6calculer

n_{\max}

(autres molécules)

Calcule $n_{\max} = 8a + 2b$ (repère $a$ = atomes visant l'octet et $b$ = nombre de $\ce{H}$ ).

a)
$\ce{HF}$
$\ce{HF}$ : $a=1,\ b=1 \Rightarrow 8+2=\mathbf{10}$ .
b)
$\ce{H2S}$
$\ce{H2S}$ : $a=1,\ b=2 \Rightarrow 8+4=\mathbf{12}$ .
c)
$\ce{PH3}$
$\ce{PH3}$ : $a=1,\ b=3 \Rightarrow 8+6=\mathbf{14}$ .
d)
$\ce{CCl4}$
$\ce{CCl4}$ : $a=5,\ b=0 \Rightarrow 40+0=\mathbf{40}$ .
e)
$\ce{C2H4}$
$\ce{C2H4}$ : $a=2,\ b=4 \Rightarrow 16+8=\mathbf{24}$ .

Exercice 7calculer

n_{v}

(autres neutres)

Calcule $n_{v} = \sum N^{\text{val}}$ ( $q=0$ ). Rappel : $\ce{H}=1,\ \ce{C}=4,\ \ce{N}=5,\ \ce{O}=6,\ \ce{F}=7,\ \ce{P}=5,\ \ce{S}=6,\ \ce{Cl}=7$ .

a)
$\ce{HF}$
$\ce{HF}$ : $1+7=\mathbf{8}$ .
b)
$\ce{H2S}$
$\ce{H2S}$ : $6+2\times1=\mathbf{8}$ .
c)
$\ce{PH3}$
$\ce{PH3}$ : $5+3\times1=\mathbf{8}$ .
d)
$\ce{CCl4}$
$\ce{CCl4}$ : $4+4\times7=\mathbf{32}$ .
e)
$\ce{C2H4}$
$\ce{C2H4}$ : $2\times4+4\times1=\mathbf{12}$ .

Exercice 8calculer

n_{v}

(autres ions)

Calcule $n_{v} = \sum N^{\text{val}} - q$ . Attention au signe de la charge.

a)
$\ce{CN-}$
On ajoute $|q|$ pour un anion.
$\ce{CN-}$ : $4+5+1=\mathbf{10}$ .
b)
$\ce{ClO-}$
$\ce{ClO-}$ : $7+6+1=\mathbf{14}$ .
c)
$\ce{NO2-}$
$\ce{NO2-}$ : $5+2\times6+1=\mathbf{18}$ .
d)
$\ce{SO3^2-}$
$\ce{SO3^2-}$ : $6+3\times6+2=\mathbf{26}$ .
e)
$\ce{PO4^3-}$
$\ce{PO4^3-}$ : $5+4\times6+3=\mathbf{32}$ .

Exercice 9atome central,

a

b

Pour chaque édifice, donne l'atome central (le moins électronégatif ; jamais $\ce{H}$ ), puis $a$ et $b$ .

a)
$\ce{PCl3}$
$\ce{PCl3}$ : central $\ce{P}$ ; $a=4$ ( $\ce{P}$ et $3$ $\ce{Cl}$ ), $b=0$ .
b)
$\ce{SiH4}$
$\ce{SiH4}$ : central $\ce{Si}$ ; $a=1$ , $b=4$ .
c)
$\ce{H2S}$
$\ce{H2S}$ : central $\ce{S}$ ; $a=1$ , $b=2$ .
d)
$\ce{CH3Cl}$
$\ce{CH3Cl}$ : central $\ce{C}$ ; $a=2$ ( $\ce{C}$ et $\ce{Cl}$ ), $b=3$ .
e)
$\ce{OF2}$
$\ce{OF2}$ : central $\ce{O}$ ( $\ce{F}$ est plus électronégatif) ; $a=3$ , $b=0$ .

Exercice 10du couple

(n_{\max},n_v)

aux liaisons

On donne $(n_{\max},\,n_v)$ . Calcule $n_l = n_{\max}-n_v$ puis le nombre de liaisons $n_l/2$ .

a)
$\ce{HF}$ : $(10,\,8)$
$\ce{HF}$ : $n_l=10-8=2\Rightarrow\mathbf{1}$ liaison ( $\ce{H-F}$ ).
b)
$\ce{N2}$ : $(16,\,10)$
$\ce{N2}$ : $n_l=16-10=6\Rightarrow\mathbf{3}$ liaisons ( $\ce{N#N}$ ).
c)
$\ce{O2}$ : $(16,\,12)$
$\ce{O2}$ : $n_l=16-12=4\Rightarrow\mathbf{2}$ liaisons ( $\ce{O=O}$ ).
d)
$\ce{C2H4}$ : $(24,\,12)$
$\ce{C2H4}$ : $n_l=24-12=12\Rightarrow\mathbf{6}$ liaisons ( $4$ $\ce{C-H}$ $+\ 1$ $\ce{C=C}$ ).
e)
$\ce{CCl4}$ : $(40,\,32)$
$\ce{CCl4}$ : $n_l=40-32=8\Rightarrow\mathbf{4}$ liaisons ( $\ce{C-Cl}$ ).

Exercice 11du couple

(n_v,n_l)

aux doublets libres

On donne $(n_{v},\,n_l)$ . Calcule $n_{nl}=n_v-n_l$ puis le nombre de doublets libres $n_{nl}/2$ .

a)
$\ce{HF}$ : $(8,\,2)$
$\ce{HF}$ : $n_{nl}=8-2=6\Rightarrow\mathbf{3}$ doublets libres (sur $\ce{F}$ ).
b)
$\ce{N2}$ : $(10,\,6)$
$\ce{N2}$ : $n_{nl}=10-6=4\Rightarrow\mathbf{2}$ doublets libres ( $1$ par $\ce{N}$ ).
c)
$\ce{O2}$ : $(12,\,4)$
$\ce{O2}$ : $n_{nl}=12-4=8\Rightarrow\mathbf{4}$ doublets libres ( $2$ par $\ce{O}$ ).
d)
$\ce{CCl4}$ : $(32,\,8)$
$\ce{CCl4}$ : $n_{nl}=32-8=24\Rightarrow\mathbf{12}$ doublets libres ( $3$ par $\ce{Cl}$ ).
e)
$\ce{H2S}$ : $(8,\,4)$
$\ce{H2S}$ : $n_{nl}=8-4=4\Rightarrow\mathbf{2}$ doublets libres (sur $\ce{S}$ ).

Exercice 12calculer

n_{\max}

(deux atomes lourds)

Calcule $n_{\max}=8a+2b$ .

a)
$\ce{N2}$
$\ce{N2}$ : $a=2,\ b=0 \Rightarrow \mathbf{16}$ .
b)
$\ce{C2H6}$
$\ce{C2H6}$ : $a=2,\ b=6 \Rightarrow 16+12=\mathbf{28}$ .
c)
$\ce{H2O2}$
$\ce{H2O2}$ : $a=2,\ b=2 \Rightarrow 16+4=\mathbf{20}$ .
d)
$\ce{CH3OH}$
$\ce{CH3OH}$ : $a=2$ ( $\ce{C}$ et $\ce{O}$ ), $b=4 \Rightarrow 16+8=\mathbf{24}$ .
e)
$\ce{SO2}$
$\ce{SO2}$ : $a=3,\ b=0 \Rightarrow \mathbf{24}$ .

Exercice 13calculer

n_{v}

(deux atomes lourds)

Calcule $n_{v}=\sum N^{\text{val}}$ .

a)
$\ce{N2}$
$\ce{N2}$ : $2\times5=\mathbf{10}$ .
b)
$\ce{C2H6}$
$\ce{C2H6}$ : $2\times4+6\times1=\mathbf{14}$ .
c)
$\ce{H2O2}$
$\ce{H2O2}$ : $2\times6+2\times1=\mathbf{14}$ .
d)
$\ce{CH3OH}$
$\ce{CH3OH}$ : $4+6+4\times1=\mathbf{14}$ .
e)
$\ce{SO2}$
$\ce{SO2}$ : $6+2\times6=\mathbf{18}$ .

Exercice 14molécule radicalaire ou non ?

Calcule $n_v$ et indique, d'après sa parité, si l'espèce est radicalaire ( $n_v$ impair) ou non.

a)
$\ce{NO2}$
Radicalaire $\Leftrightarrow n_v$ impair.
$\ce{NO2}$ : $n_v=5+2\times6=17$ (impair) $\Rightarrow$ radicalaire.
b)
$\ce{ClO2}$
$\ce{ClO2}$ : $n_v=7+2\times6=19$ (impair) $\Rightarrow$ radicalaire.
c)
$\ce{SO2}$
$\ce{SO2}$ : $n_v=6+2\times6=18$ (pair) $\Rightarrow$ non radicalaire.
d)
$\ce{N2O}$
$\ce{N2O}$ : $n_v=2\times5+6=16$ (pair) $\Rightarrow$ non radicalaire.
e)
$\ce{CO}$
$\ce{CO}$ : $n_v=4+6=10$ (pair) $\Rightarrow$ non radicalaire.

Exercice 15compléter l'octet d'un atome

Un atome respecte l'octet et forme le nombre de liaisons indiqué. Combien de doublets non liants porte-t-il ? (compte $2$ e $^-$ par liaison, puis complète à $8$ .)

a)
$\ce{F}$ avec $1$ liaison
Nombre de doublets libres $=\dfrac{8-2\times(\text{nb liaisons})}{2}$ .
$\ce{F}$ ( $1$ liaison) : $\dfrac{8-2}{2}=\mathbf{3}$ doublets libres.
b)
$\ce{O}$ avec $2$ liaisons
$\ce{O}$ ( $2$ liaisons) : $\dfrac{8-4}{2}=\mathbf{2}$ doublets libres.
c)
$\ce{N}$ avec $3$ liaisons
$\ce{N}$ ( $3$ liaisons) : $\dfrac{8-6}{2}=\mathbf{1}$ doublet libre.
d)
$\ce{C}$ avec $4$ liaisons
$\ce{C}$ ( $4$ liaisons) : $\dfrac{8-8}{2}=\mathbf{0}$ doublet libre.
e)
$\ce{Cl}$ avec $1$ liaison
$\ce{Cl}$ ( $1$ liaison) : $\dfrac{8-2}{2}=\mathbf{3}$ doublets libres.

Moyen15 exercices

Exercice 1l'eau

\ce{H2O}

Applique la méthode des $5$ étapes à la molécule d'eau. Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et le nombre de doublets libres, puis conclus sur la structure (atome central et ses doublets).

Atome central $\ce{O}$ ; $a=1$ (l'oxygène), $b=2$ (les $\ce{H}$ ).

n_{\max} = 8 + 2\times 2 = 12,\qquad n_v = 6 + 2\times 1 = 8.

n_l = 12 - 8 = 4 \Rightarrow 2\ \text{liaisons $\ce{O-H}$},\qquad n_{nl} = 8 - 4 = 4 \Rightarrow 2\ \text{doublets libres sur $\ce{O}$}.

Structure : l'oxygène est lié à $2$ $\ce{H}$ et porte $2$ doublets non liants ; son octet est complet ( $2\times2 + 2\times2 = 8$ ).

Exercice 2le méthane

\ce{CH4}

Applique la méthode complète à $\ce{CH4}$ : $n_{\max}$ , $n_v$ , nombre de liaisons, nombre de doublets libres. L'atome de carbone respecte-t-il l'octet ?

Atome central $\ce{C}$ ; $a=1$ , $b=4$ .

n_{\max} = 8 + 2\times 4 = 16,\qquad n_v = 4 + 4\times 1 = 8.

n_l = 16 - 8 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons $\ce{C-H}$},\qquad n_{nl} = 8 - 8 = 0 \Rightarrow \text{aucun doublet libre}.

Le carbone forme $4$ liaisons $= 8$ e $^-$ : l'octet est respecté, sans aucun doublet libre.

Exercice 3le dioxyde de carbone

\ce{CO2}

Applique la méthode complète à $\ce{CO2}$ . En déduis le nombre de liaisons et explique comment on les répartit (indice : $4$ liaisons pour $2$ atomes $\ce{O}$ liés au carbone).

Atome central $\ce{C}$ ; $a=3$ ( $\ce{C}$ et $2$ $\ce{O}$ ), $b=0$ .

n_{\max} = 8\times 3 = 24,\qquad n_v = 4 + 2\times 6 = 16.

n_l = 24 - 16 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons},\qquad n_{nl} = 16 - 8 = 8 \Rightarrow 4\ \text{doublets libres}.

Le carbone est lié à $2$ oxygènes : les $4$ liaisons se répartissent en deux doubles liaisons $\ce{O=C=O}$ . Chaque oxygène porte $2$ doublets libres, le carbone aucun.

Exercice 4l'ion ammonium

\ce{NH4+}

Applique la méthode complète à $\ce{NH4+}$ (n'oublie pas la charge). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres. Combien de doublets libres reste-t-il sur l'azote ?

Atome central $\ce{N}$ ; $a=1$ , $b=4$ . Charge $q=+1$ .

n_{\max} = 8 + 2\times 4 = 16,\qquad n_v = 5 + 4\times 1 - 1 = 8.

n_l = 16 - 8 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons $\ce{N-H}$},\qquad n_{nl} = 8 - 8 = 0 \Rightarrow \textbf{0 doublet libre}.

L'azote forme $4$ liaisons (dont une dative) et ne porte aucun doublet libre : son octet est complet.

Exercice 5l'ion carbonate

\ce{CO3^2-}

Applique la méthode complète à $\ce{CO3^2-}$ . Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, et précise sur quels atomes se placent les doublets libres.

Atome central $\ce{C}$ ; $a=4$ ( $\ce{C}$ et $3$ $\ce{O}$ ), $b=0$ . Charge $q=-2$ .

n_{\max} = 8\times 4 = 32,\qquad n_v = 4 + 3\times 6 + 2 = 24.

n_l = 32 - 24 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons},\qquad n_{nl} = 24 - 8 = 16 \Rightarrow 8\ \text{doublets libres}.

Le carbone est lié à $3$ oxygènes : $2$ liaisons simples $+$ $1$ double liaison ( $=4$ liaisons). Les $8$ doublets libres se placent sur les trois oxygènes (le carbone n'en porte aucun) : l'oxygène doublement lié en porte $2$ , chaque oxygène simplement lié en porte $3$ .

Exercice 6le sulfure d'hydrogène

\ce{H2S}

Applique la méthode des $5$ étapes à $\ce{H2S}$ . Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, puis décris la structure (atome central et ses doublets).

Atome central $\ce{S}$ ; $a=1$ , $b=2$ .

n_{\max}=8+2\times2=12,\qquad n_v=6+2\times1=8.

n_l=12-8=4\Rightarrow 2\ \text{liaisons $\ce{S-H}$},\qquad n_{nl}=8-4=4\Rightarrow 2\ \text{doublets libres sur $\ce{S}$}.

Le soufre est lié à $2$ $\ce{H}$ et porte $2$ doublets non liants ; son octet est complet ( $2\times2+2\times2=8$ ). La molécule est coudée, comme $\ce{H2O}$ .

Exercice 7la phosphine

\ce{PH3}

Applique la méthode complète à $\ce{PH3}$ (gaz très toxique). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres. Combien de doublets libres reste-t-il sur le phosphore ?

Atome central $\ce{P}$ ; $a=1$ , $b=3$ .

n_{\max}=8+2\times3=14,\qquad n_v=5+3\times1=8.

n_l=14-8=6\Rightarrow 3\ \text{liaisons $\ce{P-H}$},\qquad n_{nl}=8-6=2\Rightarrow 1\ \text{doublet libre sur $\ce{P}$}.

Le phosphore porte donc $1$ doublet libre : structure pyramidale, analogue à $\ce{NH3}$ .

Exercice 8le méthanal

\ce{CH2O}

Applique la méthode complète au méthanal (formaldéhyde), de connectivité $\ce{H2C=O}$ (carbone central). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, puis précise la nature des liaisons $\ce{C-H}$ et $\ce{C-O}$ .

Atome central $\ce{C}$ ; $a=2$ ( $\ce{C}$ et $\ce{O}$ ), $b=2$ .

n_{\max}=8\times2+2\times2=20,\qquad n_v=4+2\times1+6=12.

n_l=20-12=8\Rightarrow 4\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=12-8=4\Rightarrow 2\ \text{doublets libres}.

Les $4$ liaisons sont : $2$ liaisons simples $\ce{C-H}$ et une double liaison $\ce{C=O}$ . Les $2$ doublets libres sont sur l'oxygène ; le carbone n'en porte aucun (octet $=4$ liaisons $=8$ e $^-$ ).

Exercice 9le diazote

\ce{N2}

Applique la méthode complète à $\ce{N2}$ . Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons (de quel type ?) et le nombre de doublets libres, en précisant leur répartition.

$a=2$ , $b=0$ .

n_{\max}=8\times2=16,\qquad n_v=5+5=10.

n_l=16-10=6\Rightarrow 3\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=10-6=4\Rightarrow 2\ \text{doublets libres}.

Les $3$ liaisons forment une triple liaison $\ce{N#N}$ ; chaque azote porte $1$ doublet libre.

formule chimique développée

Exercice 10l'éthyne

\ce{C2H2}

Applique la méthode complète à l'éthyne (acétylène), de connectivité $\ce{H-C-C-H}$ . Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, et déduis-en la nature de la liaison $\ce{C-C}$ .

$a=2$ (les $2$ $\ce{C}$ ), $b=2$ .

n_{\max}=8\times2+2\times2=20,\qquad n_v=2\times4+2\times1=10.

n_l=20-10=10\Rightarrow 5\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=10-10=0\Rightarrow 0\ \text{doublet libre}.

Les $5$ liaisons sont : $2$ liaisons $\ce{C-H}$ et une triple liaison $\ce{C#C}$ . Structure linéaire $\ce{H-C#C-H}$ , sans aucun doublet libre.

Exercice 11l'ion nitrate

\ce{NO3-}

Applique la méthode complète à $\ce{NO3-}$ (atome central $\ce{N}$ ). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, et précise sur quels atomes se placent les doublets libres.

Atome central $\ce{N}$ ; $a=4$ ( $\ce{N}$ et $3$ $\ce{O}$ ), $b=0$ . Charge $q=-1$ .

n_{\max}=8\times4=32,\qquad n_v=5+3\times6+1=24.

n_l=32-24=8\Rightarrow 4\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=24-8=16\Rightarrow 8\ \text{doublets libres}.

L'azote est lié à $3$ oxygènes : $2$ liaisons simples $+\ 1$ double ( $=4$ liaisons). Les $8$ doublets libres sont sur les trois oxygènes (l'azote n'en porte aucun) : l'oxygène doublement lié en porte $2$ , chaque oxygène simplement lié en porte $3$ .

Exercice 12l'acide hypochloreux

\ce{HClO}

La connectivité réelle est $\ce{H-O-Cl}$ . Applique la méthode complète : $n_{\max}$ , $n_v$ , nombre de liaisons et de doublets libres, puis donne la répartition des doublets libres (sur $\ce{O}$ , sur $\ce{Cl}$ ).

Connectivité $\ce{H-O-Cl}$ : atomes visant l'octet $\ce{O}$ et $\ce{Cl}$ , donc $a=2$ , $b=1$ .

n_{\max}=8\times2+2\times1=18,\qquad n_v=1+6+7=14.

n_l=18-14=4\Rightarrow 2\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=14-4=10\Rightarrow 5\ \text{doublets libres}.

Les $2$ liaisons sont $\ce{O-H}$ et $\ce{O-Cl}$ . Doublets libres : $2$ sur $\ce{O}$ (qui a $2$ liaisons) et $3$ sur $\ce{Cl}$ (qui a $1$ liaison), soit $2+3=5$ .

Exercice 13le disulfure de carbone

\ce{CS2}

Applique la méthode complète à $\ce{CS2}$ (carbone central). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, puis décris la structure par analogie avec $\ce{CO2}$ .

Atome central $\ce{C}$ ; $a=3$ , $b=0$ .

n_{\max}=8\times3=24,\qquad n_v=4+2\times6=16.

n_l=24-16=8\Rightarrow 4\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=16-8=8\Rightarrow 4\ \text{doublets libres}.

Comme $\ce{CO2}$ , les $4$ liaisons se répartissent en deux doubles liaisons $\ce{S=C=S}$ ; chaque soufre porte $2$ doublets libres, le carbone aucun.

formule chimique développée

Exercice 14le dioxyde de soufre

\ce{SO2}

Applique la méthode complète à $\ce{SO2}$ (soufre central). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, puis précise combien de doublets libres porte le soufre.

Atome central $\ce{S}$ ; $a=3$ , $b=0$ .

n_{\max}=8\times3=24,\qquad n_v=6+2\times6=18.

n_l=24-18=6\Rightarrow 3\ \text{liaisons},\qquad n_{nl}=18-6=12\Rightarrow 6\ \text{doublets libres}.

Les $3$ liaisons se répartissent en $1$ simple $+\ 1$ double (structure coudée). Le soufre porte $1$ doublet libre (octet : $3$ liaisons $+\ 1$ doublet $=8$ e $^-$ ) ; les $5$ autres doublets sont sur les oxygènes ( $3$ sur le $\ce{O}$ simplement lié, $2$ sur le $\ce{O}$ doublement lié).

Exercice 15le trichlorure de phosphore

\ce{PCl3}

Applique la méthode complète à $\ce{PCl3}$ (phosphore central). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, et donne leur répartition (sur $\ce{P}$ , sur chaque $\ce{Cl}$ ).

Atome central $\ce{P}$ ; $a=4$ , $b=0$ .

n_{\max}=8\times4=32,\qquad n_v=5+3\times7=26.

n_l=32-26=6\Rightarrow 3\ \text{liaisons $\ce{P-Cl}$},\qquad n_{nl}=26-6=20\Rightarrow 10\ \text{doublets libres}.

Répartition : $1$ doublet libre sur $\ce{P}$ (octet : $3+1$ ) et $3$ doublets libres sur chaque $\ce{Cl}$ ( $1+3\times3=10$ ). Structure pyramidale, analogue à $\ce{NH3}$ .

Difficile15 exercices

Exercice 1l'ion perchlorate

\ce{ClO4-}

L'ion perchlorate est un polluant toxique pour la thyroïde. Applique la méthode des $5$ étapes à $\ce{ClO4-}$ : $n_{\max}$ , $n_v$ , nombre de liaisons, nombre de doublets libres. Précise la répartition des doublets libres.

Atome central $\ce{Cl}$ ; $a=5$ ( $\ce{Cl}$ et $4$ $\ce{O}$ ), $b=0$ . Charge $q=-1$ .

n_{\max} = 8\times 5 = 40,\qquad n_v = 7 + 4\times 6 + 1 = 32.

n_l = 40 - 32 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons $\ce{Cl-O}$},\qquad n_{nl} = 32 - 8 = 24 \Rightarrow 12\ \text{doublets libres}.

Les $12$ doublets libres se répartissent sur les quatre oxygènes ( $3$ chacun) ; le chlore central n'en porte aucun.

Exercice 2le nitrite d'hydrogène

\ce{HNO2}

La connectivité réelle est $\ce{H-O-N=O}$ (le $\ce{H}$ est porté par un oxygène, pas par l'azote).

a)
Calcule $n_{\max}$ et $n_v$ .
Atome central $\ce{N}$ ; $a=3$ ( $\ce{N}$ et $2$ $\ce{O}$ ), $b=1$ (le $\ce{H}$ ).
$n_{\max} = 8\times 3 + 2\times 1 = 26$ ; $n_v = 1 + 5 + 2\times 6 = 18$ .
b)
Calcule le nombre de liaisons et de doublets libres.
$n_l = 26 - 18 = 8 \Rightarrow 4$ liaisons ; $n_{nl} = 18 - 8 = 10 \Rightarrow 5$ doublets libres.
c)
Décris la structure : combien de doublets libres sur l'azote, sur chaque oxygène ?
Structure $\ce{H-O-N=O}$ : les $4$ liaisons sont $\ce{O-H}$ , $\ce{O-N}$ (simple) et $\ce{N=O}$ (double). Doublets libres : $1$ sur l'azote, $2$ sur l'oxygène de $\ce{-O-H}$ et $2$ sur l'oxygène de $\ce{N=O}$ ( $1+2+2 = 5$ ).

Exercice 3l'ion sulfate

\ce{SO4^2-}

Applique la méthode complète à $\ce{SO4^2-}$ (atome central $\ce{S}$ ). Donne $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres, puis compare tes résultats à ceux de $\ce{ClO4-}$ de l'exercice 1 : que remarques-tu ?

Atome central $\ce{S}$ ; $a=5$ , $b=0$ . Charge $q=-2$ .

n_{\max} = 8\times 5 = 40,\qquad n_v = 6 + 4\times 6 + 2 = 32.

n_l = 40 - 32 = 8 \Rightarrow 4\ \text{liaisons $\ce{S-O}$},\qquad n_{nl} = 32 - 8 = 24 \Rightarrow 12\ \text{doublets libres} \ (3\ \text{par $\ce{O}$}).

Remarque : on obtient exactement les mêmes nombres que pour $\ce{ClO4-}$ ( $n_{\max}=40$ , $n_v=32$ , $4$ liaisons, $12$ doublets). C'est normal : les deux ions ont le même nombre d'atomes ( $1+4$ ) et le même $n_v$ (l'électron de valence supplémentaire de $\ce{Cl}$ par rapport à $\ce{S}$ compense une unité de charge en plus).

Exercice 4une molécule radicalaire :

\ce{NO}

Le monoxyde d'azote $\ce{NO}$ possède un nombre impair d'électrons.

a)
Calcule $n_{\max}$ et $n_v$ . Pourquoi doit-on utiliser la correction radicalaire ?
$n_{\max} = 8\times 2 = 16$ ; $n_v = 5 + 6 = 11$ . Comme $n_v = 11$ est impair, la molécule est radicalaire : on applique la correction.
b)
Applique $n_l = n_{\max} - n_v - 1$ , puis donne le nombre de liaisons.
$n_l = n_{\max} - n_v - 1 = 16 - 11 - 1 = 4 \Rightarrow \mathbf{2}$ liaisons : une double liaison $\ce{N=O}$ .
c)
Calcule $n_{nl}$ et interprète le résultat (doublets libres et électron célibataire).
$n_{nl} = n_v - n_l = 11 - 4 = 7$ électrons non liants $= 3$ doublets libres $+$ $1$ électron célibataire. On les place : $2$ doublets sur $\ce{O}$ , $1$ doublet $+$ l'électron célibataire sur $\ce{N}$ . C'est ce célibataire qui fait de $\ce{NO}$ un radical.

Exercice 5quand la méthode atteint sa limite :

\ce{SF6}

Applique la méthode des $5$ étapes à $\ce{SF6}$ .

a)
Calcule $n_{\max}$ , $n_v$ et le nombre de liaisons prédit par la méthode.
Atome central $\ce{S}$ ; $a=7$ ( $\ce{S}$ et $6$ $\ce{F}$ ), $b=0$ .
$n_{\max} = 8\times 7 = 56$ ; $n_v = 6 + 6\times 7 = 48$ ; $n_l = 56 - 48 = 8 \Rightarrow$ la méthode prédit seulement $\mathbf{4}$ liaisons.
b)
L'expérience montre que le soufre forme en réalité $6$ liaisons $\ce{S-F}$ . Explique pourquoi la méthode simplifiée échoue ici et pourquoi la réalité est permise.
La méthode simplifiée suppose que tous les atomes se limitent à l'octet ( $8a$ ). Or le soufre est en 3^e période : il dispose d'orbitales $d$ et peut porter un octet étendu ( $12$ e $^-$ ). Il forme donc réellement $6$ liaisons $\ce{S-F}$ — chose permise justement parce que $\ce{S}$ peut dépasser l'octet, mais que la formule $n_{\max}=8a$ ne sait pas anticiper. C'est la limite annoncée de la méthode.

Exercice 6l'ozone

\ce{O3}

L'ozone stratosphérique nous protège des UV. Sa connectivité est $\ce{O-O-O}$ (un oxygène central).

a)
Calcule $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres.
Atome central $\ce{O}$ ; $a=3$ , $b=0$ .
$n_{\max}=8\times3=24$ ; $n_v=3\times6=18$ ; $n_l=24-18=6\Rightarrow 3$ liaisons ; $n_{nl}=18-6=12\Rightarrow 6$ doublets libres.
b)
Propose une structure de Lewis : quelle liaison est double, laquelle est simple ? Répartis les doublets libres.
Les $3$ liaisons se répartissent en une double et une simple : $\ce{O=O-O}$ . Doublets libres : $1$ sur l'oxygène central, $2$ sur l'oxygène doublement lié, $3$ sur l'oxygène simplement lié ( $1+2+3=6$ ).
c)
Calcule la charge formelle de chaque oxygène et vérifie que leur somme vaut $0$ . Que peut-on dire des deux formes possibles (résonance) ?
Charges formelles ( $\text{CF}=N^{\text{val}}-(\text{e}^-\ \text{non liants})-(\text{nb liaisons})$ ) : central $6-2-3=\mathbf{+1}$ ; $\ce{O}$ doublement lié $6-4-2=\mathbf{0}$ ; $\ce{O}$ simplement lié $6-6-1=\mathbf{-1}$ . Somme $=+1+0-1=0$ . La double liaison peut être placée à gauche ou à droite : ces deux formes équivalentes constituent la résonance de l'ozone (les deux liaisons sont en réalité identiques).

Exercice 7l'acide nitrique

\ce{HNO3}

Connectivité : l'azote est central, lié à trois oxygènes, dont l'un porte le $\ce{H}$ ( $\ce{H-O-N}$ ).

a)
Calcule $n_{\max}$ et $n_v$ .
Atome central $\ce{N}$ ; $a=4$ ( $\ce{N}$ et $3$ $\ce{O}$ ), $b=1$ (le $\ce{H}$ ).
$n_{\max}=8\times4+2\times1=34$ ; $n_v=1+5+3\times6=24$ .
b)
Calcule le nombre de liaisons et de doublets libres.
$n_l=34-24=10\Rightarrow 5$ liaisons ; $n_{nl}=24-10=14\Rightarrow 7$ doublets libres.
c)
Décris la structure (types de liaisons $\ce{N-O}$ ) et donne la charge formelle de l'azote et de chaque oxygène.
Liaisons : $\ce{O-H}$ , $\ce{N-O}$ (celle du groupe $\ce{-O-H}$ , simple), $\ce{N=O}$ (double) et $\ce{N-O}$ (simple). Doublets libres : $2$ sur l'oxygène de $\ce{-O-H}$ , $2$ sur le $\ce{O}$ de $\ce{N=O}$ , $3$ sur le $\ce{O}$ simplement lié restant ( $2+2+3=7$ ). Charges formelles : $\ce{N}$ $=5-0-4=\mathbf{+1}$ ; l'oxygène simplement lié (hors $\ce{OH}$ ) $=6-6-1=\mathbf{-1}$ ; les autres $0$ . Somme $=0$ .

Exercice 8le trifluorure de bore

\ce{BF3}

a)
Applique la méthode des $5$ étapes à $\ce{BF3}$ (bore central ; $\ce{B}=3$ ) : $n_{\max}$ , $n_v$ , nombre de liaisons prédit.
Atome central $\ce{B}$ ; $a=4$ ( $\ce{B}$ et $3$ $\ce{F}$ ), $b=0$ .
$n_{\max}=8\times4=32$ ; $n_v=3+3\times7=24$ ; $n_l=32-24=8\Rightarrow$ la méthode prédit $\mathbf{4}$ liaisons (donc une liaison $\ce{B=F}$ double).
b)
En réalité, $\ce{BF3}$ ne présente que $3$ liaisons simples $\ce{B-F}$ et le bore reste entouré de $6$ électrons seulement. Explique pourquoi la méthode surestime ici le nombre de liaisons (exception à la règle de l'octet).
La formule $n_{\max}=8a$ suppose que tous les atomes atteignent l'octet, bore compris. Or le bore (colonne $13$ ) n'a que $3$ électrons de valence et se contente très souvent d'un octet incomplet ( $6$ e $^-$ , lacune électronique) : il forme $3$ liaisons simples $\ce{B-F}$ , sans double liaison. La méthode surestime donc les liaisons car elle impose au bore un octet qu'il ne cherche pas à compléter.

Exercice 9le protoxyde d'azote

\ce{N2O}

Le « gaz hilarant » a pour connectivité $\ce{N-N-O}$ (un azote central, l'autre terminal).

a)
Calcule $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres.
Atome central $\ce{N}$ ; $a=3$ , $b=0$ .
$n_{\max}=8\times3=24$ ; $n_v=2\times5+6=16$ ; $n_l=24-16=8\Rightarrow 4$ liaisons ; $n_{nl}=16-8=8\Rightarrow 4$ doublets libres.
b)
Les $4$ liaisons peuvent se répartir en $\ce{N#N-O}$ ou $\ce{N=N=O}$ . Pour chaque forme, donne les charges formelles et indique la forme la plus probable.
Forme $\ce{N#N-O}$ : $\ce{N}$ terminal $5-2-3=0$ , $\ce{N}$ central $5-0-4=+1$ , $\ce{O}$ $6-6-1=-1$ . Forme $\ce{N=N=O}$ : $\ce{N}$ terminal $5-4-2=-1$ , $\ce{N}$ central $5-0-4=+1$ , $\ce{O}$ $6-4-2=0$ . Les deux respectent l'octet ; la forme $\ce{N#N-O}$ est la plus probable car la charge négative y est portée par l'oxygène, le plus électronégatif.

Exercice 10l'ion méthanoate

\ce{HCO2-}

L'ion formiate a pour connectivité : un carbone central lié à $\ce{H}$ et à deux oxygènes.

a)
Calcule $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres.
Atome central $\ce{C}$ ; $a=3$ ( $\ce{C}$ et $2$ $\ce{O}$ ), $b=1$ . Charge $q=-1$ .
$n_{\max}=8\times3+2\times1=26$ ; $n_v=1+4+2\times6+1=18$ ; $n_l=26-18=8\Rightarrow 4$ liaisons ; $n_{nl}=18-8=10\Rightarrow 5$ doublets libres.
b)
Décris la structure et place la charge formelle. Pourquoi parle-t-on de résonance entre les deux oxygènes ?
Le carbone est lié à $\ce{H}$ (liaison $\ce{C-H}$ ), à un oxygène par une double liaison $\ce{C=O}$ et à l'autre par une simple liaison $\ce{C-O}$ . Doublets libres : $2$ sur le $\ce{O}$ doublement lié, $3$ sur le $\ce{O}$ simplement lié ( $=5$ ). Charges formelles : $\ce{C}$ $=4-0-4=0$ , $\ce{O}$ simplement lié $=6-6-1=\mathbf{-1}$ . Les deux oxygènes étant équivalents, la double liaison peut être sur l'un ou l'autre : c'est la résonance (les deux liaisons $\ce{C-O}$ sont en réalité identiques).

Exercice 11le tétrafluorure de xénon

\ce{XeF4}

Le xénon (colonne $18$ ) possède $8$ électrons de valence.

a)
Applique la méthode des $5$ étapes à $\ce{XeF4}$ (xénon central) : $n_{\max}$ , $n_v$ , nombre de liaisons prédit.
Atome central $\ce{Xe}$ ; $a=5$ ( $\ce{Xe}$ et $4$ $\ce{F}$ ), $b=0$ . Rappel $\ce{Xe}=8$ .
$n_{\max}=8\times5=40$ ; $n_v=8+4\times7=36$ ; $n_l=40-36=4\Rightarrow$ la méthode prédit seulement $\mathbf{2}$ liaisons.
b)
En réalité, $\ce{XeF4}$ est plan carré : $4$ liaisons $\ce{Xe-F}$ et $2$ doublets libres sur le xénon. Explique pourquoi la méthode sous-estime le nombre de liaisons.
Le xénon est en $5^{\text{e}}$ période : il peut porter un octet étendu et forme réellement $4$ liaisons $\ce{Xe-F}$ plus $2$ doublets libres (structure plan carré). La méthode sous-estime les liaisons car $n_{\max}=8a$ limite $\ce{Xe}$ à l'octet, alors qu'il peut le dépasser (même limite que $\ce{SF6}$ ).

Exercice 12l'acide éthanoïque

\ce{CH3COOH}

Connectivité : $\ce{CH3-C(=O)-O-H}$ (deux carbones, deux oxygènes).

a)
Calcule $n_{\max}$ et $n_v$ .
Atomes visant l'octet : $2$ $\ce{C}$ et $2$ $\ce{O}$ , donc $a=4$ ; $\ce{H}$ : $b=4$ .
$n_{\max}=8\times4+2\times4=40$ ; $n_v=2\times4+4\times1+2\times6=24$ .
b)
Calcule le nombre de liaisons et de doublets libres.
$n_l=40-24=16\Rightarrow 8$ liaisons ; $n_{nl}=24-16=8\Rightarrow 4$ doublets libres.
c)
Détaille la répartition des $8$ liaisons et des doublets libres sur les deux oxygènes.
Les $8$ liaisons : $3$ $\ce{C-H}$ , $1$ $\ce{C-C}$ , $1$ $\ce{C=O}$ (double), $1$ $\ce{C-O}$ (simple), $1$ $\ce{O-H}$ . Les $4$ doublets libres : $2$ sur l'oxygène du carbonyle $\ce{C=O}$ et $2$ sur l'oxygène de $\ce{-O-H}$ . Chaque carbone respecte l'octet ( $4$ liaisons), sans doublet libre.

Exercice 13l'ion azoture

\ce{N3-}

L'ion azoture (dans les airbags) est linéaire, de connectivité $\ce{N-N-N}$ .

a)
Calcule $n_{\max}$ , $n_v$ , le nombre de liaisons et de doublets libres.
Atome central $\ce{N}$ ; $a=3$ , $b=0$ . Charge $q=-1$ .
$n_{\max}=8\times3=24$ ; $n_v=3\times5+1=16$ ; $n_l=24-16=8\Rightarrow 4$ liaisons ; $n_{nl}=16-8=8\Rightarrow 4$ doublets libres.
b)
Propose la structure symétrique $\ce{N=N=N}$ et calcule la charge formelle des trois azotes ; vérifie que leur somme vaut $-1$ .
Forme symétrique $\ce{N=N=N}$ : l'azote central forme $2$ doubles liaisons ( $4$ liaisons, $0$ doublet libre), chaque azote terminal $1$ double liaison $+\ 2$ doublets libres. Charges formelles : central $5-0-4=\mathbf{+1}$ ; chaque terminal $5-4-2=\mathbf{-1}$ . Somme $=+1-1-1=\mathbf{-1}$ .

Exercice 14l'acétonitrile

\ce{CH3CN}

Connectivité : $\ce{CH3-C-N}$ (le deuxième carbone est lié à l'azote terminal).

a)
Calcule $n_{\max}$ et $n_v$ .
Atomes visant l'octet : $2$ $\ce{C}$ et $1$ $\ce{N}$ , donc $a=3$ ; $\ce{H}$ : $b=3$ .
$n_{\max}=8\times3+2\times3=30$ ; $n_v=2\times4+3\times1+5=16$ .
b)
Calcule le nombre de liaisons et de doublets libres, puis déduis-en la nature de la liaison $\ce{C-N}$ et l'emplacement du doublet libre.
$n_l=30-16=14\Rightarrow 7$ liaisons ; $n_{nl}=16-14=2\Rightarrow 1$ doublet libre. Les $7$ liaisons : $3$ $\ce{C-H}$ , $1$ $\ce{C-C}$ et une triple liaison $\ce{C#N}$ (structure $\ce{H3C-C#N}$ ). Le seul doublet libre est porté par l'azote terminal.

Exercice 15une famille isoélectronique :

\ce{CO}

\ce{N2}

\ce{CN-}

\ce{NO+}

a)
Pour chacune des quatre espèces, calcule $n_{\max}$ , $n_v$ et le nombre de liaisons.
Pour chaque espèce $a=2$ , $b=0$ , donc $n_{\max}=16$ .
$\ce{CO}$ : $n_v=4+6=10$ , $n_l=6\Rightarrow 3$ liaisons ; $\ce{N2}$ : $n_v=5+5=10$ , $n_l=6\Rightarrow 3$ liaisons ; $\ce{CN-}$ : $n_v=4+5+1=10$ , $n_l=6\Rightarrow 3$ liaisons ; $\ce{NO+}$ : $n_v=5+6-1=10$ , $n_l=6\Rightarrow 3$ liaisons.
b)
Que constate-t-on ? Justifie le terme « isoélectronique » et donne la nature commune de la liaison.
Les quatre espèces ont le même $n_v=10$ : elles sont isoélectroniques. Toutes présentent une triple liaison et $n_{nl}=10-6=4\Rightarrow 2$ doublets libres (un sur chaque atome).

Revoir le tutoriel de cette mécanique