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corrigé structure molecules

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Exercices : atomes et molécules
PCSI lycée J .Dautet D.L
Second chapitre
Exercices : atomes et molécules
PCSI lycée J .Dautet D.L
CN-
N2
NO+
BH4-
BH3
H
H
Exercices : structure des molécules
N
C
N
N
N
O
CH2Cl2
POCl3
H
Cl
-
N
H
H
C
Cl
I3 -
S
O
H
I
Cl
H
O
N
O
H
O
N
O
NO2
I
HNO3
O
P
Cl
N2O4
O
O
HNO2
Cl
O
O
H
O
H
H2SO4
H
H
H
NH2-
CORRIGE
B
H
H
B
N
O
O
O
N
I
O
N
O
O3
O
O
N
O
O
O
Exercice 23 : structures de Lewis à compléter
Exercice 22 : écriture de structures de Lewis
L’écriture*de*la*formule*de*Lewis*d’une*espèce*chimique*implique*le*décompte*des*électrons*
de*valence*des*atomes*associés*par*liaison*covalente.**
Dans*le*cas*d’un*ion,*ce*nombre*est*modulé*:*
*par*l’addition*d’électrons*dans*le*cas*d’un*anion,**
*par*la*soustraction*d’électrons*dans*le*cas*d’un*cation.*
*
Calculer* le* nombre* d’électrons* de* valence* et* chercher* le* schéma* de* Lewis* des* édifices*
suivants,*en*précisant*bien*la*charge*formelle*portée*par**les*atomes.*
*
N2*
CNB*
NO+*
BH4B*
BH3*
B
NH2 *
CH2Cl2*
POCl3*
HNO2*
HNO3*
B
H2SO4*
I3 *
NO2*
N2O4*
O3 *
*
Numéros(atomiques(:((
(
1H(((
5B(
6C(
7N((
(
(
(
(
(
8O(
15P(
17Cl(
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1) Rappeler*la*règle*de*l’octet*:*la*vérifier*dans*les*structures*de*Lewis*suivantes.*
*
Tous*les*atomes*ciBdessous*obéissent*bien*à*la*règle*de*l’octet*qui*s’énonce*ainsi*:*«*à*
partir* de* la* seconde* période,* tous* les* atomes* tendent* à* obtenir* une* couche* de*
valence*à*8*électrons*de*façon*à*acquérir*la*configuration*électronique*stable*du*gaz*
rare*le*plus*proche*dans*la*classification*périodique*».*
*
Toutes*les*structures*ciBdessous*ont*des*atomes*qui*satisfont*à*la*règle*de*l’octet*sauf*
la* troisième,* dans* laquelle* un* atome* de* carbone* n’est* entouré* que* de* trois* paires*
d’électrons.*C’est*un*acide*au*sens*de*Lewis,*qui*porte*donc*une*lacune*éelctronique.*
*
53I(
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Exercices : atomes et molécules
PCSI lycée J .Dautet D.L
PCSI lycée J .Dautet D.L
Exercice 24 : mésomérie
lacune Èlectronique
anion
neutre
neutre
cation
Exercices : atomes et molécules
cation
1) Préciser*la*configuration*électronique*fondamentale*de*l’atome*de*soufre,*16S.*
*
S*:*Z=16*:**
1s2*2s2*2p6*3s2*3p4**
*
2) Le* numéro* atomique* de* O* est* 8.* Donner* un* schéma* de* Lewis* pour* les* édifices* ciB
dessous,*en*proposant,*le*cas*échéant,*les*formes*mésomères*qui*ont*le*plus*de*poids*
(les*plus*représentatives).**
SO2,*S32B,*SO32B*
*
*
(SO2*:*chacun*des*atomes,*situés*dans*la*seizième*colonne*de*la*classification,**apporte*6*
électrons*de*valence*:*3*x6*=*24*****24/2*=*12*doublets*:*
*
S
S
S
O
O
O
cation
O
formes ayant un peu
moins de poids
pas de charge formelle
cation
O
O
S hypervalent
*
neutre
*
2) Compléter*chaque*structure*en*y*indiquant*les*charges*formelles*éventuelles.*
Voir*ciBdessus.*
*
3) Déterminer*s’il*s’agit*d’ions*ou*de*molécules*neutres.*Préciser*la*charge*des*ions.*
Voir* ciBdessus.* Dès* lors* que* la* somme* des* charges* formelles* est* non* nulle,* alors* il*
s’agit*d’ions.*
*
4) Parmi* toutes* ces* formes,* l’une* peut* être* décrite* par* une* forme* mésomère* plus*
représentative*:*laquelle*?*
La*molécule*de*DiMéthylSulfOxyde*ciBdessous*(molécule*de*DMSO)*peut*être*décrite*
par* une* structure* de* Lewis,* forme* mésomère,* qui* fait* apparaître* moins* de* charges*
formelles*:**
S
S
O
*
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(S324*:*chacun*a*6*électrons*de*valence*:*3x6*+*2**=*20*****20/2*=*10*doublets*:*
S
S
S
S
S
O
O
S
formes ayant trËs peu moins de poids car proximitÈ
de charges nÈgative et atome central S portant
beaucoup de doublets (> Èlectrons de valence = 6)
O
Rem*:* le* DMSO* est* un* solvant* que* l’on* utilise* souvent* en* chimie* organique* lorsque*
l’on*veu*utiliser*un*solvant(très(polaire*et*aprotique.*
*
O
S
H3C
H3C
*
O
H3C
H3C
Type AX2E1
coudée
α < 120°
S
*
(SO324*:*4x6*+*2*=*26*****26/2*=*13*doublets*:*
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*
Exercices : atomes et molécules
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Exercices : atomes et molécules
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O
O
O
O
S
S
O
O
O
O
C’est*un*ion*dont*la*formule*est*du*type*AX3E1*:*c’est*donc*un*ions*qui*est*pyramidal*à*base*
rectangulaire.*
L’angle*de*liaison*OIO*est*inférieur*à*109°28’,*
à*cause*de*la*présence*du*doublet*libre*porté*
par*I.**
O 1/3
O
1/3
OF2
*
2) Soit* la* molécule* SF4.* Expérimentalement,* on* mesure* deux* angles* de* liaison* FSF*
différents*:*l'un*vaut*α*=*FaxBSBFax*=*173°*et*l'autre*β*=*FéqBSBFéq*=*102°.*Soit*la*molécule*
PF4B.*Dans*cet*ion,*on*mesure,*on*α*=*168°*et*l'autre*β*=*100°.*
Expliquer*la*géométrie*commune*à*ces*deux*ions*et*leurs*évolutions*angulaires.*
*
Cherchons*le*schéma*de*Lewis*de*la*molécule*SF4*:**
*
*S*:*6*électrons*de*valence**
*F*:*7*électrons*de*valence*
O
1/3
*
*
*
3) Indiquer,*pour*chacun,**la*géométrie*prévue*d’après*la*méthode*V.S.E.P.R*et*préciser*
l’angle*de*liaison*par*une*inégalité.*
Voir*ciBdessus.*
*
4) Les*molécules*et*ions*précédents*sontBils*polaires*?*
Tous* les* édifices* précédents* sont* polaires* car* les* liaisons* sont* polarisées* et* aucune*
somme*vectorielle*de*ces*moments*dipolaires*ne*donne*le*vecteur*nul.*
F
*
L’atome* F* est* beaucoup* plus* électronégatif* que* l’atome* H.* Par* conséquent,* les*
doublets*liants*des*liaisons*OF*sont*davantage*attirés*par*l’atome*F,*appauvrissant*la*
densité*électronique*autour*de*l’atome*d’oxygène*dans*la*molécule*OF2.*L’angle*FOF*
est*donc*plus*petit*que*l’angle*HOH,*la*molécule*pouvant*se*refermer*davantage*afin*
de*mieux*minimiser*les*répulsions*entre*les*paires*libres*portées*par*l’atome*O.*
*
FOF*<*HOH.*
*
Expérimentalement,*on*mesure*:*FOF*=*103,07°*et*HOH*=*104,51°*
O
*
S
F
H
H2O
S
O
O
H
*
*
*
Au*total*:*6*+4x7*=*34***34/2*=*17*doublets*à*répartir*:*
*
F
F
F
F
S
F
F
C’est une
molécule de type
AX4E1, donc en
forme de bascule
ou papillon :
F
F
F
F
F
F
S
*
C’est*une*molécule*de*
type*AX4E1,*donc*en*
forme*de*bascule**ou*
papillon*:*
F
F
F
*
**********
*
*
*
*
Exercice 25 : évolutions angulaires
1) Comparer*la*géométrie*des*molécules*H2O*et*F2O.*
Les*schémas*de*Lewis*des*deux*molécules*sont*les*suivants*:**
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F
*
Exercices : atomes et molécules
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F
Exercices : atomes et molécules
F
F
F
90°
F
120°
F
F
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En* tenant* compte* de* la*
répulsion* plus* forte* doublet*
nonBliant/doublet* liant* par*
rapport*à*la*répulsion*doublet*
liant/doublet*liant*:*
Les*angles*sont*modifiés*:**
*
angles* de* liaison* lorsque* l’on*
envisage* de* façon* égale*
toutes*
les*
répulsions*
doubletsBdoublets*
*
*
D’où*les*angles*de*liaison*
mesurés*
expérimentalement*:*
*
∠FaxSFax*=*168°*<*173° *
*
∠FéqSFéq*=*100°*<*102° *
*
*
F
F
P
F
F
F
P
F
*
F
F
F
C’est*une*molécule*de*
type*AX4E1,*donc*en*
forme*de*bascule**ou*
papillon*:*
*
F
**********
*
Par* rapport* à* la* molécule* précédente*:* S* est* plus* électronégatif* que* P.* La* densité*
électronique* autour* de* P* étant* moindre* qu’autour* de* S,* les* angles* vont* être* davantage*
fermés*dans*le*cas*de*l’espèce*PF4B*:*les*angles*y*sont*bien*plus*petits*expérimentalement.*
*
*
F
*
D’où*les*angles*de*liaison*
mesurés*
expérimentalement*:*
*
F
∠FaxPFax*=*173° *
P
*
F
∠FéqSFéq*=*102° *
*
*
168°
173°
100°
F
102°
F
F
F
*
*
Cherchons*maintenant*le*schéma*de*Lewis*de*la*molécule*PF4B*:**
*
*
*P*:*5*électrons*de*valence**
*
*F*:*7*électrons*de*valence*
(((((((((((((+(1(électron(:((
*
Au* total*:* 5* +4x7* +* 1* * =* 34* * * 34/2* =* 17* doublets* à* répartir*:* * c’est* la* même* géométrie* que*
précédemment*:**
*
Exercice 26 : méthode VSEPR
1) Préciser*un*schéma*de*Lewis*et*la*géométrie*des*édifices*suivants*(valeurs*des*angles*
de*liaisons)*:*
XeF2%%
*
*
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*
*
*
*
*
*
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Exercices : atomes et molécules
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XeF4%
%
XeF6%
*
*
%
*
%
XeO2F2%
*
XeOF4%
%
*
%
IF3% %
*
*
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Exercices : atomes et molécules
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2) Même*question*pour*les*édifices*suivants*:**
3) *
*
%
NH20%
*
%
IF4+%%
*
*
BH40%
*
*
%
SF5+%
%
POCl3%
*
%
O3%
*
*
*
*
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OCN0%
(
%
BrO30%
%
NO2+%
*
*
%
I30%%
%
NO2%
*
*
%
NO20%
%
HNO2%
*
%
H2SO4%
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Exercice 27 : moment dipolaire
1) Donner* les* représentations* de* Lewis* des* trois* isomères* du* dichloroéthène,* de*
formule*brute*C2H2Cl2.*
*
Cl
H
C
Cl
C
H
C
Cl
(E)#1,2#dichloroÈthËne
Cl
Cl
C
C
H
H
C
Cl
H
(Z)#1,2#dichloroÈthËne
H
1,1#dichloroÈthËne
Cl
*
2) Quelle* est* la* géométrie* attendue* (dans( le( modèle( VSEPR)* autour* de* chacun* des*
atomes*de*carbone*?*
Autour* de* chaque* atome* de* carbone,* la* géométrie* est* celle* des* composés* de* type*
AX3E0*:*c’est*donc*une*géométrie*plane*trigonale,*avec*un*angle*de*120°.*
*
3) En*déduire*la*valeur*des*différents*angles*présents*dans*ces*trois*molécules.*
Cf*ce*qui*précède*:**
*
Cl
H
C
H
Cl
C
C
Cl
(E)-1,2-dichloroÈthËne
Cl
Cl
H
Cl
H
(Z)-1,2-dichloroÈthËne
H
1,1-dichloroÈthËne
*
*
δ−
δ+
Cl
µTot
*
5) Calculer* alors* la* valeur* du* moment* dipolaire* résultant* apparaissant* sur* ces* trois*
composés,* en* fonction* du* moment* dipolaire* de* la* liaison* CBCl* (on( négligera( le(
moment(dipolaire(des(liaisons(CBH).*
6) Représenter,*sur*un*dessin,*ce*moment*résultant*pour*chacun*des*trois*isomères*du*
dichloroéthène.*
*
*
Numéro*atomique*(Z)*
Eléctronégativité*de*Pauling*
H*
1*
2,2*
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Cl
0
Cl
C
C
H
C
Tous*les*angles*opposés*à*la*double*liaison*sont*un*peu*inférieurs*à*120°.*
*
4) Justifier* la* polarisation* de* la* liaison* CBCl.* Indiquer* les* charges* partielles*
correspondantes.*
La* polarisation* des* liaisons* est* due* à* la* différence* d’électronégativité* entre* les*
atomes*C*et*Cl*:**
H3C
C
Cl
Cl
C
C
H
H
H
µTot
Cl
C
H
µTot
H
C
C
H
*
Le*stéréoisomère*de*gauche*est*apolaire*car*le*moment*dipolaire*total*est*nul.*
Les*deux*autres*ont*le*même*moment*dipolaire*dont*la*norme*est*notée*µ*
simplement*:**
µ(=(2(x(µ(CCl)(x(cos(30°)(=(2,08(D(
Exercice 28 : composés aromatiques*
La* structure* du* benzène* (hydrocarbure* de* formule* C6H6)* a* été* déterminée* en* 1931* par*
diffraction* des* rayons* X.* Les* six* atomes* de* carbone* occupent* les* sommets* d'un* hexagone*
régulier.*Les*longueurs*de*liaison*entre*atomes*de*carbone*sont*toutes*égales*à*0,140*nm,*
intermédiaire*entre*une*liaison*simple*(*0,154*nm*)*et*une*liaison*double*(*0,134*nm*).*Les*six*
atomes*d'hydrogène*sont*dans*le*même*plan*que*les*six*atomes*de*carbone.*
*
1) Écrire* le* benzène* C6H6* en* représentation* de* Lewis.* Commenter* la* longueur* de* la*
liaison* carbone/carbone.* Justifier* la* notation* de* Robinson* et* Shortland* parfois*
utilisée*pour*le*cycle*benzénique*:*
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Exercices : atomes et molécules
PCSI lycée J .Dautet D.L
H
H
H
H
C
C
C
C
Exercices : atomes et molécules
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
C
C
H
H
C
C
C
H
H
H
PCSI lycée J .Dautet D.L
La*notation*précédente*permet*d’illustrer*la*délocalisation*des*6*électrons*π*sur*le*noyau*
aromatique.*Cette*délocalisation*met*en*évidence*que*les*6*liaisons*CC*sont*équivalentes,*
qu’elles* ont* toutes* les* six* un* caractère* mixte* de* simple* et* double* liaison.* Ceci* est* bien*
constaté*expérimentalement*:*dCC*=*141*pm.*
*
Rem*:* les* deux* formes* mésomères* précédentes* sont* appelées* formes* de* Kékulé,*
chimiste*ayant*proposé*la*structure*cyclique*du*benzène.*
*
Cette* conjugaison* particulière* des* trois* doublets* «* pi* »* tout* autour* du* cycle* confère* au*
benzène* une* stabilité( particulière( et* une* géométrie* plane.* Le* benzène* est* ainsi* le*
représentant*le*plus*connu*de*la*famille*des*aromatiques.*
Un( hydrocarbure( est( aromatique( s'il( est( monocyclique,( plan( et( qu'il( possède( 4n" +( 2(
électrons( délocalisables( (c'estBàBdire* un* nombre* impair* de* doublets,* ici* trois).* Cette*
définition*est*connue*sous*le*nom*de*règle(de(Hückel.(
*
2) Écrire* la* structure* de* Lewis* du* cyclopentadiène* (C5H6)* constitué* d’un* cycle* à* cinq*
atomes*de*carbone.*Les*longueurs*de*liaison*sontBelles*identiques*?*Ce*composé*estBil*
aromatique*?*
Le*schéma*de*Lewis*du*cyclopentadiène*est*le*suivant*:**
*
H
C
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
H
C
H
C
H
C
H
formes mÈsomËres avec sÈparation de charges : elles
ont peu de poids dans la description de la molÈcule
*
Cependant,* elles* induisent* l’apparition* de* charges* formelles,* dues* à* la* séparation* des*
charges,* et* il* y* a* un* atome* C* qui* n’obéit* pas* à* la* règle* de* l’octet.* Par* conséquent,* ces*
formes*ont*très*très*peu*de*poids*dans*la*description*de*la*molécule.*
Les*4*électrons*ne*sont*pas*délocalisés*sur*le*cycle*entier,*il*y*a*donc*des*longueurs*de*
liaison*CC*qui*sont*différentes.*
H
H
C
liaison double
C
C
H
C
liaison double
C
H
H
*
*
3) En*arrachant*un*proton*sur*le*carbone*comportant*les*deux*atomes*d’hydrogène,*on*
obtient*l’anion*cycopentadiényle*C5H5B.*Les*longueurs*de*liaison*sontBelles*identiques*
?*Cet*ion*estBil*aromatique*?*
Enlevons*le*proton,*et*examinons*la*structure*de*l’anion*obtenu*:*
*
H
C
H
cyclopenta-1,3-diËne
Ce*composé*possède*4*électrons*délocalisés,*soit*4*x*1.*Ce*n’est*pas*de*la*forme*4*x*n*+*2*
donc*le*cyclopentadiène*n’est*pas*un*composé*aromatique.*
*
On*ne*peut*pas*écrire*de*formes*mésomères*qui*délocaliseraient*les*électrons*sur*le*cycle*
entier.*Tout*juste*peutBon*écrire*ces*formes*suivantes*:**
*
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C
C
C
H
H
H
H
C
H
H
H
Page 18 sur 29
Exercices : atomes et molécules
PCSI lycée J .Dautet D.L
H
C
C
C
H
H
H
H
C
H
H
C
C
C
C
H
H
C
C
H
*
*
C
C
C
H
H
C
H
C
H
H
C
C
C
C
H
H
C
H
H
N
N
H
H
N
N
H
H
C
H
*
Il*y*a*cette*fois*6*électrons*délocalisés*sur*la*totalité*du*cycle.*C’est*donc*un*composé*
aromatique* en* admettant* là* qu’il* soit* plan.* Toutes* les* longueurs* de* liaisons* sont*
identiques*car*elles*peuvent*être*toutes*décrites*de*la*même*façon.*
*
4) Le( pKa( du* couple* C5H6* /* C5H5B* est* de* 20* alors* que* le* pKa( du* couple* du* pentane*
linéaire*C5H12*/*C5H11B*est*de*l’ordre*de*50.*Justifier*cette*remarquable*différence.*
Cette* remarquable* différence* d’acidité* se* justifie* par* la* grande* stabilité* de* la* base*
conjuguée* C5H5B* par* rapport* à* la* stabilité* de* la* base* C5H11B*:* dans* un* cas,* la* charge*
négative*est*délocalisée*sur*le*cycle,*la*base*est*stable,*et*l’acide*par*conséquent*très*
fort.* La* base* C5H11B* ne* peut* pas* du* tout* être* stabilisée*:* l’acide* C5H12* ne* manifeste*
dans*ce*cas*aucune*propriété*acide.*
*
Cet*exemple*permet*de*remarquer*que*l’on*justifie*la*force*d’un*acide*en*examinant*
la* stabilité* de* sa* base* conjuguée*:* plus* une* base* est* stabilisée,* plus* son* acide*
conjuguée* est* fort.* C’est* un* résultat* que* nous* utiliserons* souvent* en* chimie*
organique.*
Exercice 29 : le pyrrole et la pyrrolidine
1) Écrire* les* formules* mésomères* limites* de* la* molécule* de* pyrrole* ciBdessous.* Le*
pyrrole*estBil*aromatique*?*
Les*formes*mésomères*possibles*sont*les*suivantes*:*la*règle*de*l’octet*reste*satisfaite*
pour*tous*les*atomes.*
Nous* avons* délocalisé* 6* électrons* sur* le* cycle,* par* conséquent* le* pyrrole* est* un*
composé*que*l’on*peut*classer*parmi*les*composés*aromatiques.*
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PCSI lycée J .Dautet D.L
C
H
C
C
C
H
H
H
H
Exercices : atomes et molécules
*
2) Discuter*de*son*caractère*polaire.*
Il* y* a* des* séparations* de* charges* qui* entraînent* l’existence* de* moments* dipolaires*
dans*la*molécule.*Ces*moments*dipolaires*ne*s’annulant*pas,*la*molécule*de*pyrrole*
est*polaire*:**
H
N
µ
*
3) Comparer* au* moment* dipolaire* prévisible* pour* la* molécule* de* pyrrolidine* obtenue*
par*hydrogénation*complète*de*la*molécule*de*pyrrole.*
H
N
*
Les*liaisons*NH*sont*peu*polarisées*;*par*conséquent,*la*molécule*de*pyrrolidine*est*
pratiquement*apolaire.*
*
4) Le* pyrrole* et* la* pyrrolidine* peuvent* être* protonnés* et* le* pKa( des* couples*
correspondants*est*respectivement*de*−*4*et*de*11.*
a) Écrire*les*couples*acide/base*correspondant*à*ces*pKa(.*
*
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Exercices : atomes et molécules
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*
*
b)*ABtBon*à*faire*à*des*acides*forts*ou*faibles*dans*l’eau*?*des*bases*fortes*ou*faibles*
*****************dans*l’eau*?*
Par*définition*:*un*acide*fort*est*un*acide*dont*le*pKA*est*négatik*:*pKA*<*0.*
*
Ainsi*défini,*seul*l’acide*conjugué*du*pyrrole*est*un*acide*fort.*
Le*pyrrole*est*donc*une*base*indifférente*dans*l’eau.*
*
La*pyrrolidine*est*une*base*faible*dans*l’eau*car*une*base*forte*a*un*pKA*supérieur*à*
14,*ce*qui*n’est*pas*le*cas*ici.*
*
b) Tracer*les*diagrammes*de*prédominance*de*ces*couples*dans*l’eau*;*
Les*diagrammes*de*prédominance*sont*les*suivants*:**
*
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*
*
e)*Pyrrole*et*pyrrolidine*sont*initialement*dissoutes*dans*un*solvant*organique;*
*****************proposer*une*méthode*de*séparation*par*extraction*acidoBbasique.*
*
L’eau*solubilise*très*bien*les*composés*ioniques.*Ainsi,*si*le*pyrrole*et*pyrrolidine*sont*
tous* les* deux* en* solution* dans* un* solvant* organique,* il* faut* placer* une* solution*
aqueuse* acide* dans* une* ampoule* à* décanter.* Ainsi,* le* pyrrole* reste* sous* sa* forme*
neutre* en* solution* dans* le* solvant* organique.* La* pyrrolidine* est* elle* protonée* et* se*
retrouve* en* solution* aqueuse.* On* sépare* ensuite* les* deux* phases,* puis* on* peut*
neutraliser*la*phase*aqueuse*acide*afin*de*retrouver*la*pyrrolidine*que*l’on*extrait*à*
l’aide* d’un* solvant* organique,* le* pyrrole* est* lui* resté* dans* la* phase* organique* de*
départ.*
*
*
*
c) Interpréter*les*différences*de*pKa(pour*ces*deux*couples*;*
L’acide*conjugué*du*pyrrole*est*un*acide*très*fort*:*cela*se*justifie*par*la*stabilité*
du*pyrrole,*base*stabilisée*par*la*délocalisation*des*6*électrons*sur*le*cycle.*
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Exercices : atomes et molécules
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Exercice 30 : le cycle du calcaire en maçonnerie
phase organique contient : pyrrole
phase organique
phase organique contient :
contient :
phase aqueuse contient :
pyrrole
pyrrole
forme acide de la pyrrolidine
Le* calcaire,* ou* carbonate* de* calcium* CaCO3,* est* une* roche* sédimentaire* dure* et* presque*
insoluble*dans*l’eau.*Afin*de*l’incorporer*dans*les*éléments*de*construction,*on*le*transforme*
au*préalable*en*chaux,*que*l’on*mélange*à*de*l’eau*et*du*sable*pour*constituer*un*mortier.*
CeluiBci* est* alors* laissé* à* l’air* libre* et* il* durcit* progressivement,* redonnant* en* définitive* du*
calcaire.*
L’ensemble*de*ces*étapes*est*résumé*dans*le*cycle*suivant*:*
*
pyrrolidine
phase aqueuse contient :
forme acide de la pyrrolidine
NOUVELLE
EXTRACTION
AJOUT DE BASE
AVEC UN
SOLVANT
ORGANIQUE
phase aqueuse contient :
EN DEFINITIVE
pyrrolidine
SEPARATION DES DEUX
COMPOSES ORGANIQUES
*
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*
*
*
*
1)*Le*carbonate*de*calcium*
a)* L’élément* calcium* a* pour* numéro* atomique* Z( =( 20.* En* déduire* la* configuration*
électronique*de*l’atome*de*calcium*dans*son*état*fondamental.*
La*configuration*électronique*fondamentale*de*l’atome*de*calcium*est*:**
*1s2**2s2**2p6**3s2**3p6**4s2.*
b)* En* déduire* les* coordonnées* du* calcium* dans* le* tableau* périodique* :* numéro* de* ligne,*
numéro*de*colonne,*en*justifiant*la*réponse.*À*quelle*famille*d’éléments*appartientBil*?*
Citer*un*autre*élément*de*cette*famille.*
Configuration*électronique*externe*:*4s2.*
Le* calcium* appartient* au* bloc* s,* il* est* situé* dans* la* seconde* colonne* et* dans* la* quatrième*
période*car*son*nombre*quantique*principal*est*n=*4.*
C’est*un*alcalinoBterreux,*tout*comme*le*magnésium,*ou*le*strontium.*
*
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Exercices : atomes et molécules
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c)*Le*corps*pur*calcium*estBil*un*métal*ou*un*non*métal*?*
Le*calcium*qui*appartient*au*bloc*s*est*un*métal.*
*
Exercices : atomes et molécules
Au*total*:**CO32B*:**4*+*3x6*+*2*=*24*
*
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24/2*=*12*doublets*à*répartir*:*
O
O
C
C
O
O
O
O
O
C
O
O
*
d)*Pourquoi*le*calcium*ne*se*rencontreBtBil*pas*à*l’état*de*corps*pur*dans*le*milieu*naturel*?**
Le*calcium*appartient*à*la*famille*des*alcalinoBterreux*:*il*est*donc*très*bon*réducteur.*On*ne*
trouve*donc*pas*à*l’état*naturel*sous*la*forme*métallique*car*il*cède*trop*facilement*ses*deux*
électrons*de*valence.*Il*est*donc*présent*sous*la*forme*ionique*Ca2+,*combiné*avec*différents*
anions.*
*
Justifier*la*réponse*en*écrivant*les*équations*chimiques*des*réactions*qu’il*donnerait*:*
en*présence*de*dioxygène*;*
2*Ca(s)**+**O2(g)**=**2*CaO(s)**oxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*vive.*
[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x2*
[O2*+*4*eB*=*2*O2B]x1*
Donc*2*ions*calcium/1*ions*oxyde*
*
en*présence*de*diazote*;*
3*Ca(s)**+**N2(g)**=**Ca3N2(s)**oxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*vive.*
[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x3*
[N2*+*6*eB*=*2*N3B]x1*
Donc*3*ions*calcium/2*ions*nitrure*
*
en*présence*d’eau.*
2*Ca(s)* * +**2*H2O(l)* * =**Ca(OH)2(s)* * +*H2(g)*hydroxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*
éteinte.*
[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x2*
[2*H2O*+*4*eB*=*2*OHB*+*H2(g)]x1*
Donc*2*ions*calcium/2*ions*hydroxyde*
*
On*expliquera*les*arguments*utilisés*pour*trouver*les*produits*de*chaque*réaction.*
Pour*trouver*les*produits*de*la*réaction,*on*recherche*les*ions*mis*en*jeu*puis*on*s’assure*de*
la*neutralité*du*solide*ionique*que*l’on*propose.*
*
e)* D’après* les* réactions* précédentes,* quel* ion* le* calcium* donneBtBil* couramment* ?* En*
déduire*la*charge*de*l’ion*carbonate.*
Le*calcium*donne*l’ion*Ca2+.*
Ainsi,*l’ion*carbonate*est*l’ion*CO32B.*
*
f)*Écrire*la*ou*les*structures*de*Lewis*de*l’ion*carbonate.*
*
On* doit* proposer* ici* 3* formes* mésomères* d’égale* importance,* mettant* en* jeu* la*
délocalisation*de*2*doublets*d’électrons.*
*
g)*Déterminer*la*géométrie*de*l’ion*carbonate*par*la*méthode*VSEPR.*
L’ion* carbonate* a* un* atome* de* carbone* comme* atome* central,* et* son* environnement* est*
donc*celui*d’un*édifice*AX3E0*:*l’ion*carbonate*a*donc*une*géométrie*plane*trigonale*avec*des*
angles*de*liaisons*OCO*de*120°.*
*
2)*La*chaux*
Porté*à*plus*de*1100°C,*le*calcaire*se*décompose*en*oxyde*de*calcium,*ou*chaux*vive,*selon*
l’équation* chimique* :* CaCO3* =* CaO* +* CO2.* Ce* procédé* est* la* cuisson,* ou* calcination,* du*
calcaire.* Il* est* fortement* consommateur* d’énergie,* en* raison* de* la* température* élevée* à*
laquelle*porter*le*réactif,*mais*aussi*car*la*réaction*est*très*endothermique.*
La*chaux*vive*est*alors*transformée*en*hydroxyde*de*calcium,*ou*chaux*éteinte,*ou*hydrate*
de*chaux*:*Ca(OH)2*en*ajoutant*de*l’eau*à*la*chaux*vive*mole*à*mole,*selon*une*réaction*très*
exothermique.*
a)*Écrire*l’équation*chimique*de*la*réaction*d’extinction*de*la*chaux*vive.*
Nous*pouvons*écrire*l’équationBbilan*suivante*:**
2*CaO(s)**+**H2O**=**2*Ca(OH)2(s)*
*
b)* La* réaction* précédente* révèleBtBelle* que* l’oxyde* de* calcium* est* un* oxyde* acide* ou* un*
oxyde*basique*?*
La* reaction* précédente* révèle* que* l’oxyde* de* calcium* CaO* est* un* oxyde* basique* car* il* y* a*
formation*de*2*ions*OHB,*ions*hydroxyde,*qui*précipitent*avec*les*ions*calcium.*
*
c)* Ce* résultat* estBil* compatible* avec* la* réponse* à* la* question* 1c)* où* l’on* demandait* si* le*
calcium*est*un*métal*ou*un*non*métal*?*Expliquer*brièvement.*
C’est*compatible*dans*la*mesure*où*le*dioxygène*oxyde*les*métaux*relativement*facilement*
et*il*y*a*donc*formation*d’oxydes*contenant*le*cation*Mn+*et*l’ion*oxyde*O2B,*base*très*forte.*
*
d)*Quelle*précaution*doit*prendre*le*maçon*lors*de*la*manipulation*de*la*chaux*vive*ou*de*la*
chaux*éteinte*?*Justifier*la*réponse.*
Quand*on*manipule*la*chaux*vive,*il*faut*faire*attention*au*contact*direct*avec*la*peau*car*il*y*
a*réaction*et*risques*de*brûlures.*
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Exercices : atomes et molécules
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Avec*la*chaux*éteinte,*les*risques*sont*de*la*même*nature*(base*forte)*mais*moins*violents*
qu’avec*la*chaux*vive*cependant.*
*
3)*La*prise*du*mortier*
La* chaux* éteinte* est* utilisée* par* les* maçons* pour* réaliser* des* enduits.* Pour* cela,* il* faut*
mélanger* la* chaux* avec* du* sable* et* ajouter* de* l’eau.* Le* sable* (silice)* ne* réagit* pas* et*
constitue* la* charge.* La* chaux* s’hydrate* partiellement* et* constitue* le* liant.* On* obtient* du*
mortier*frais,*que*l’on*peut*utiliser*comme*ciment*ou*enduit.*
Le*mortier*ainsi*réalisé*«*prend*»*progressivement*si*on*le*laisse*à*l’air*libre.*La*chaux*éteinte*
est*ainsi*lentement*transformée*en*calcaire*sous*l’action*du*dioxyde*de*carbone*de*l’air.*De*
l’eau*s’évapore*progressivement*:*le*mortier*sèche.*
a)*Écrire*la*structure*de*Lewis*du*dioxyde*de*carbone.*
Au*total*:**CO2*:**4*+*2x6*=*16* *
16/2*=*8*doublets*à*répartir*:*
*
O
C
O
O
C
O
*
*
b)*En*déduire*la*géométrie*et*le*moment*dipolaire*de*la*molécule.*
Edifice*de*type*AX2E0,*la*molécule*de*dioxyde*de*carbone*est*linéaire.*Par*ailleurs,*les*liaisons*
CO*sont*polarisées*mais*la*molécule*CO2*est*apolaire.*
µ
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*
f)*Écrire*l’équation*chimique*de*la*réaction*de*prise*du*mortier.*
Ca2+**+**CO2(g)**+**H2O**=**CaCO3(s)**+**2*H+*
Tenons*compte*de*la*présence*de*chaux*dans*l’eau,*le*milieu*est*basique*;*prenons*ceci*en*
compte*:**
Ca2+**+**CO2(g)**+**2*OHB**=**CaCO3(s)**+**H2O*
*
g)* Expliquer* pourquoi* l’eau* de* pluie* est* néfaste* à* long* terme* pour* les* bâtiments* dans* les*
pays*industrialisés.*
L’eau*de*pluie*est*néfaste*car*elle*est*acide*et*entraîne*donc*une*redissolution*partielle*du*
calcaire,*du*ciment*donc,*selon*:**
CaCO3(s)**+**H+**=**Ca2+**+**HCO3B*
*
*
*
Question(subsidiaire)*Quel*est*le*prénom*de*la*petite*fille*qui*trouvait*la*chaux*si*belle*et*si*
blanche*qu’elle*eut*l’idée*de*marcher*dedans*et*eut*les*jambes*toutes*brûlées*?..*
*
C’est*Sophie,*à*qui*il*arrive*pleins*de*malheurs*!*Il*faut*relire*les*malheurs*de*Sophie.*
*
= O
*
c)* Lorsque* du* dioxyde* de* carbone* est* dissous* dans* l’eau,* celleBci* devientBelle* acide* ou*
basique*?*Justifier*la*réponse*en*écrivant*l’(les)*équation(s)*chimique(s)*appropriée(s).*
La*solution*devient*acide*:*
CO2**+**H2O**=****H2CO3*
*Et***H2CO3**+**H2O**=****HCO3B**+**H3O+*
*
*
d)* Citer* une* conséquence* écologique* de* la* réaction* précédente* (le* dioxyde* de* soufre* est*
également*mis*en*jeu).*
Le* dioxyde* de* carbone* émis* en* grande* quantité* se* dissout* un* peu* dans* l’eau* et* cela* se*
traduit*donc*par*une*acidification*de*l’eau,*le*pH*diminue.*
*
e)*Du*caractère*acide*ou*basique*de*la*solution*aqueuse*de*dioxyde*de*carbone,*déduire*si*le*
carbone*est*un*métal*ou*un*non*métal.*Justifier*et*comparer*au*cas*du*calcium.*On*utilisera*
le*concept*d’électronégativité*pour*justifier*les*éventuelles*différences*entre*le*calcium*et*le*
carbone.*
Les*solutions*aqueuses*de*dioxyde*de*carbone*étant*acides,*cela*nous*permet*d’en*déduire*
que* le* carbone* n’est* pas* un* métal.* Le* carbone* se* situe* à* droite* de* la* classification* et* le*
calcium*à*gauche*:*il*n’est*donc*pas*étonnant*de*détecter*de*telles*différences*de*réactivité,*
le*carbone*est*beaucoup*moins*électronégatif*que*le*carbone.*
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*
…/…*
*
[Les*malheurs*de*Sophie,*de*la*Comtesse*de*Ségur*–*parution*:*1859]*
*
*
*
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