Valence et écriture chimique des molécules

Valence - Formule chimique des molécules et des radicaux

Introduction

On connaît la formule de l'eau: H₂O. Pourquoi pas HO, HO₂, H₃O, ... ?

Le modèle ci-contre représente une molécule d'eau; il a été obtenu, comme tout modèle, à partir d'observations indirectes et d'hypothèses vérifiées. Ce modèle ne correspond pas à la réalité, mais il en constitue une représentation suffisamment valable pour rendre compte des phénomènes observés par les scientifiques.

Comment s'associent les atomes entre eux pour former des ensembles d'atomes appelés molécules?

Observation de quelques modèles de molécules

modèle d'une molécule de chlorure d'hydrogène	modèle d'une molécule d'eau	modèle d'une molécule de gaz ammoniac	modèle d'une molécule de gaz méthane

formule chimique: HCl	formule chimique: H₂O	formule chimique: NH₃	formule chimique: CH₄
points communs entre ces 4 molécules: la présence de l'atome d'hydrogène H le nombre de sortes d'atomes est 2 (composés binaires)
différences entre ces 4 molécules: l'atome attaché à l'atome d'hydrogène H est différent le nombre total d'atomes est différent
1 atome d'hydrogène H est attaché a 1 atome de chlore Cl	2 atomes d'hydrogène H sont attachés à 1 atome d'oxygène O	3 atomes d'hydrogène H sont attachés à 1 atome d'azote N	4 atomes d'hydrogène H sont attachés à 1 atome de carbone C
1 atome de chlore Cl est capable de s'accrocher à 1 atome d'hydrogène H	1 atome d'oxygène O est capable de s'accrocher à 2 atomes d'hydrogène H	1 atome d'azote N est capable de s'accrocher à 3 atomes d'hydrogène H	1 atome de carbone C est capable de s'accrocher à 4 atomes d'hydrogène H
on dit que le chlore Cl a la valence I	on dit que l'oxygène O a la valence II	on dit que l'azote N a la valence III	on dit que le carbone C a la valence IV

Définition de la valence

La valence d'un atome serait donc le nombre d'atomes d'hydrogène que cet atome est capable de fixer lors d'une réaction chimique; mais des molécules ne contiennent pas l'atome d'hydrogène, comme dans le cas du dioxyde de silicium (silice) SiO₂ dont un modèle de la molécule est représenté ci-contre (en rouge: l'atome d'oxygène O, en noir: l'atome de silicium Si)

Cependant, nous savons que l'oxygène a la valence II (voir tableau précédent, deuxième colonne); dans la molécule SiO₂, 2 atomes d'oxygène sont attachés à l'unique atome de silicium, donc celui-ci a la valence IV. L'atome d'oxygène est capable de remplacer 2 atomes d'hydrogène, le silicium a la même valence que le carbone (voir tableau précédent, quatrième colonne).

La valence d'un atome où d'un groupement d'atomes (voir plus loin) est le nombre d'atomes d'hydrogène qu'il peut fixer où remplacer lors d'une réaction chimique.

Le modèle de la valence: les scientifiques imaginent que les atomes sont munis de bras (les atomes crochus) et que tous les bras doivent être occupés pour former une molécule (la valence d'une molécule est nulle):


H₂	H₂O	N₂	Ca(OH)₂	CO₂	H₂CO₃

La valence s'écrit toujours en chiffres romains.

La valence est souvent constante pour un atome ou un groupement d'atomes et est comprise entre 0 et V (parfois VI ou VII)

La valence des atomes: utilisation du tableau périodique

Dans le cas des familles a (tableau plié), c'est facile:

famille	Ia	IIa	IIIa	IVa	Va	VIa	VIIa	O
quelques atomes	H, Na, K	Be, Mg, Ca	B, Al	C, Si, Pb	N, P	O, S	F, Cl, I	He, Ne, Ar
valence	I	II	III	IV	III (8 - 5)	II (8 - 6)	I (8 - 7)	0 (8 - 8)

Les atomes de la famille O (ou VIIIa) ne s'associent pas entre eux ni avec d'autres atomes pour former des molécules: ce sont des corps purs élémentaires puisque leur molécule n'existe pas.

Malheureusement des atomes des familles Va et VIa ne conservent pas toujours la même valence (cas du plomb Pb: valence II ou valence IV) ou se comportent comme s'ils possédaient une autre valence que celle trouvée dans le tableau périodique (l'explication de ces caractéristiques n'entre pas dans le cadre de cette leçon).

Dans le cas des familles b, c'est impossible (il y a trop d'exeptions): il faut donc retenir la valence des atomes principaux:

nom de l'atome	symbole	valence(s)
argent	Ag	I
cuivre	Cu	I ou II
fer	Fe	II ou III
mercure	Hg	I ou II
or	Au	I
plomb	Pb	II ou IV
zinc	Zn	II

La valence des groupements d'atomes ou radicaux

Exemples de radicaux

formule de composés	formule du radical	nom du radical	valence du radical
NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃	OH	hydroxyle (ou hydroxyde)	I
NH₄Cl, (NH₄)₂O, NH₄OH	NH₄	ammonium	I
HCN, NaCN, Mg(CN)₂	CN	cyanure	I
HNO₂, Ba(NO₂)₂	NO₂	nitrite	I
HNO₃, Al(NO₃)₃	NO₃	nitrate	I
NaClO, KClO	ClO	hypochlorite	I
KClO₂, Mg(ClO₂)₂	ClO₂	chlorite	I
NaClO₃, Zn(ClO₃)₂	ClO₃	chlorate	I
HClO₄, KClO₄	ClO₄	perchlorate	I
Na₂CO₃, FeCO₃	CO₃	carbonate	II
H₂SO₃, CaSO₃	SO₃	sulfite	II
K₂SO₄, Al₂(SO₄)₃	SO₄	sulfate	II
H₃PO₃	PO₃	phosphite	III
H₃PO₄, Be₃(PO₄)₂	PO₄	phosphate	III
NaHCO₃, KHCO₃	HCO₃	bicarbonate	I
KMnO₄	MnO₄	permanganate	I

Un radical n'est pas une molécule

Comment expliquer la valence d'un radical?

exemple: le radical hydroxyle (ou hydroxyde) a la valence I

on sait que l'atome d'oxygène O a la valence II: il possède 2 bras de valence

on sait que l'atome d'hydrogène H a la valence I: il possède 1 bras de valence

donc le radical OH a la valence I: il possède 1 bras de valence libre

Un radical est un groupement d'atomes associés; ce groupement d'atomes a une valence et peut donc s'associer à d'autres atomes ou d'autres radicaux pour former une molécule.

Une molécule est un groupement d'atomes associés dont les bras de valence sont tous occupés, une molécule a donc une valence nulle.

exemple de molécule (donc valence nulle): NaOH (hydroxyde de sodium)

Exercices du premier type: recherche de la formule d'un corps pur composé

quelle est la formule du corps pur dont la molécule contient de l'aluminium et de l'oxygène?	quelle est la formule du corps pur dont la molécule contient du silicium et de l'oxygène?
Al (III), O (II)	Si (IV), O (II)
réponse: Al₂O₃	réponse: SiO₂ et pas Si₂O₄
Procédé du chiasme: on croise les valences et on obtient les indices; veiller à ce que les indices soient premiers entre eux, sinon il faut les diviser par leur PGCD. Procédé de la structure qui permet une meilleure compréhension par la visualisation (ci-dessous)
structure de la molécule:	structure de la molécule:

quelle est la formule du corps pur dont la molécule contient du sodium et du sulfate?	quelle est la formule du corps pur dont la molécule contient de l'ammonium et du soufre?
Na (I), SO₄ (II)	NH₄ (I), S(II)
réponse: Na₂SO₄	réponse: (NH₄)₂S
structure de la molécule:	structure de la molécule:

Exercices du second type: recherche de la valence d'un atome ou radical

quelle est la valence du phosphore dans PCl₃?	quelle est la valence de l'azote dans N₂O₃?
on sait que le chlore Cl a toujours la valence I, mais le phosphose se comporte parfois comme s'il avait une autre valence que celle indiquée par le tableau périodique (III)	on sait que l'oxygène O a toujours la valence II, mais l'azote se comporte parfois comme s'il avait une autre valence que celle indiquée par le tableau périodique (III)
structure de la molécule:	structure de la molécule:
réponse: le phosphore P a la valence III dans PCl₃	réponse: l'azote N a la valence III dans N₂O₃

quelle est la valence du plomb dans PbO₂?	quelle est la valence du radical phosphate dans Ca₃(PO₄)₂?
on sait que l'oxygène O a toujours la valence II, mais le plomb Pb peut avoir la valence II ou IV	on sait que le calcium Ca a toujours la valence II, mais vous avez oublié la valence du radical phosphate
structure de la molécule:	structure de la molécule:
réponse: le plomb a la valence IV dans PbO2	réponse: le radical phosphate a la valence III dans Ca₃(PO₄)₂

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