Le schéma de Lewis : cours de Première (spécialité physique-chimie)

Quand tu écris la formule brute de l'eau, $\mathrm{H_2O}$, tu sais quels atomes sont présents et en quelle quantité. Tu ne sais pas encore comment ils sont reliés ni où se trouvent les électrons qui assurent cette cohésion. Or c'est là que se joue presque tout : la forme de la molécule, sa polarité, sa façon de réagir, la dureté ou la fragilité d'un solide.

Le schéma de Lewis répond à cette question. C'est un dessin simple, que tu peux faire avec un crayon, et qui montre quels atomes sont liés, par combien de liaisons, et quels électrons restent à l'écart des liaisons. Dans le programme de Première, on commence par observer des schémas déjà établis, puis on apprend à les construire soi-même pour des entités simples ¹.

Ce chapitre prépare les suites logiques du programme : la géométrie des molécules (comment les doublets s'orientent dans l'espace), l'électronégativité et la polarité (comment les électrons de la liaison sont répartis), et la cohésion des solides ioniques et moléculaires. Sans schéma de Lewis correct, aucune de ces notions ne se construit.

Un atome possède plusieurs électrons répartis en couches. Dans un schéma de Lewis, seuls les électrons de valence sont considérés ³. Ce sont les électrons de la couche externe, celle qui est la plus éloignée du noyau et qui participe aux liaisons. Les électrons des couches internes restent dans l'atome, ils ne servent pas à lier.

Un point de vocabulaire utile : les atomes concernés par cette représentation sont ceux du groupe principal ³. Pour les atomes que tu rencontres en Première (H, C, N, O, halogènes comme Cl), la méthode de comptage ci-dessus suffit.

Un schéma de Lewis décrit où se trouvent les électrons de valence : soit entre deux atomes (ils forment alors une liaison), soit sur un atome (ils restent à lui). On regroupe les électrons par paires, appelées doublets.

Représentation sur le papier :

• un doublet liant se dessine par un trait entre deux atomes : $\mathrm{A-B}$ (liaison simple), $\mathrm{A=B}$ (liaison double), $\mathrm{A\equiv B}$ (liaison triple) ;
• un doublet non liant se dessine par un trait posé sur l'atome qui le porte, à côté du symbole ;
• une lacune se dessine par un petit rectangle vide accolé à l'atome ;
• un électron célibataire se dessine par un point.

Une liaison double correspond donc à deux doublets liants partagés entre les mêmes atomes, une liaison triple à trois.

Établir un schéma de Lewis n'est pas une affaire d'intuition : c'est une procédure, que tu peux appliquer à n'importe quelle molécule simple. Le programme de Première demande d'être capable d'établir ces schémas pour des entités simples, et pas seulement de les lire ¹.

La représentation de Lewis s'applique aussi bien aux molécules qu'aux ions ³. La seule différence tient au premier pas de la méthode, le décompte des électrons. Une charge est un écart entre le nombre d'électrons et le nombre de protons, il faut donc la prendre en compte.

Un schéma de Lewis est d'abord un outil de lecture de la molécule. Une fois dessiné, il permet de répondre à des questions pratiques :

• Combien de liaisons covalentes chaque atome forme-t-il ?
• Quels atomes portent des doublets non liants ?
• La molécule possède-t-elle des liaisons doubles ou triples ?

À l'échelle d'un chimiste, il va bien plus loin. Malgré ses limites, c'est un outil que les chimistes ne peuvent pas ignorer : il rend compte de la formule et du comportement chimique de nombreux composés, en particulier en chimie organique, dont les mécanismes s'écrivent le plus souvent avec ces schémas ³. Il permet aussi souvent de prévoir correctement la géométrie des molécules, grâce à la méthode VSEPR ³. C'est précisément le chapitre qui suit celui-ci.