CHIMIE LE 1 Octobre 2011 - PCSI

Architecture de la matière & chimie organique
Samedi 5 Novembre
DEVOIR DE CHIMIE N°2
CORRECTION
A
Exercice 1 : Autour de l’élément chlore
1. Quelques définitions
1.1 L’élément chlore appartient à la dix-septième colonne du tableau périodique
(famille des halogènes), et à la troisième période.
1.2 Le chlore appartient à la famille des halogènes comme le fluor, le brome et
l’iode.
2. L’atome
2.1 On note x l’abondance naturelle en chlore 35. L’abondance naturelle en chlore
37 est donc 1-x si seulement ces deux isotopes sont considérés. La masse molaire
atomique du chlore naturel est la moyenne des masses molaires atomiques des
isotopes pondérées par leur abondance relative. On a donc la relation :
35,5 = x.35,0 + (1 - x).37,0
Soit x = ¾.
Le chlore naturel est donc composé à 75% de chlore 35 et à 25% de chlore 37.
2.2. Pour établir la configuration électronique à l’état fondamental de l’atome de
chlore on utilise tout d’abord la règle de Klechkowski, qui stipule qu’à l’état
fondamental les sous-couches sont remplies par ordre croissant d’énergie. La règle
précise de plus que l’énergie augmente lorsque (n+l) augmente, et qu’à (n+l)
constant, elle augmente quand n augmente. Pour savoir combien d’électrons il
peut y avoir au sein d’une sous-couche on utilise le principe d’exclusion de Pauli,
qui stipule que deux électrons d’un même atome (ou même ion monoatomique) ne
peuvent pas être exactement dans le même état quantique, autrement dit, ils ne
peuvent pas correspondre au même quadruplet (n, l, ml, ms). La règle de Hund
n’est pas nécessaire ici. On en déduit la configuration électronique à l’état
fondamental suivante : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5.
3. La molécule de dichlore
3.1 Les orbitales de valence d’un atome de chlore sont celles des sous-couches 3s
et 3p.
3.2 Si le dichlore apparaît d’une couleur verte, c’est qu’il absorbe la couleur
complémentaire, c’est-à-dire le rouge. La longueur d’onde correspondante est
d’environ 750 nm.
B
C
0,5
0,5
1
0,5
0,5
0,5
0,5
4. Étude de quelques composés contenant l’élément chlore
4.1
1,5
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4.2 Dans le cas de l’édifice (a), l’atome de soufre est entouré de trois atomes et
d’un doublet non liant, il est donc de type AX3E1 dans la théorie VSEPR. La
géométrie est donc pyramidale à base triangulaire.
Pour l’édifice (b), l’atome de soufre est entouré de quatre atomes, sans doublet
non liant ni électron célibataire, il est de type AX4E0 dans la théorie VSEPR, ce
qui entraîne une géométrie tétraédrique.
En ce qui concerne l’édifice (c), l’atome d’iode central est entouré de trois atomes
et de deux doublets non liants, il est donc de type AX3E2. La molécule est donc
triangulaire, en forme de T.
4.3 Dans l’édifice (c), on ne peut pas remplacer l’atome d’iode par un atome de
fluor car les éléments de la seconde période ne peuvent être hypervalents, ce qui
est le cas de l’atome d’iode dans cet édifice .
4.4 Formes mésomères
a) L’ion chlorite est composé de deux atomes d’oxygène, apportant chacun 6
électrons de valence, et d’un atome de chlore, qui en possède 7, ce qui conduit à
19 électrons de valence. Comme il possède de plus une charge globale moins, il y
a un électron excédentaire, ce qui porte à 20 le nombre d’électrons de valence. Il
faut donc répartir 10 doublets. Les formes mésomères les plus contributives sont
représentées ci-dessous.
A
B
C
1,5
0,5
Pour l’ion chlorate, il y a un atome d’oxygène supplémentaire, soit 6 électrons de
valence, ou encore 3 doublets, à inclure sur les formes mésomères. Les formes les
plus contributives sont représentées ci-dessous.
1
b) et c). Dans les deux formes mésomères représentées de l’ion chlorite, il y a un
atome d’oxygène entouré de trois doublets non liants et d’une liaison simple avec
l’atome de chlore, un atome d’oxygène entouré de deux doublets non liants et
d’une liaison double avec l’atome de chlore et l’atome de chlore identique dans
les deux cas. L’énergie des deux formes est donc égale, elles possèdent par
conséquent le même poids dans l’hybride de résonance. Chacune des liaisons
chlore-oxygène est simple dans une forme mésomère, et double dans l’autre. Elles
présentent donc globalement les mêmes caractéristiques, dont leur longueur.
Le même raisonnement s’applique pour l’ion chlorate, bien qu’il y ait trois formes
mésomères.
d) Si on veut raffiner ces conclusions, dans le cas du chlorite si on s’intéresse à
une liaison chlore-oxygène, elle est simple dans 50% des cas, et double dans 50%
des cas, ce qui conduit a une multiplicité moyenne de 1,5.
Pour le chlorate, elle est simple dans un tiers des cas, et double dans deux tiers, ce
qui conduit à une multiplicité moyenne de (1/3)x1 + (2/3)x2 = 5/3.
La multiplicité moyenne est donc plus élevée dans le cas du chlorate, la distance
d2 est donc plus faible que d1.
1
0,5
2
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3