Exercices : schémas de Lewis, et...

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Exercices : atomes et molécules PCSI lycée J .Dautet D.L Page 1 sur 10 Chapitre 3 Exercices : schémas de Lewis, et mésomérie Exercice 1 : 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. Exercices : atomes et molécules PCSI lycée J .Dautet D.L Page 2 sur 10 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 CN % NO + BH4 % BH3 NH2 % CH2Cl2 POCl3 HNO2 HNO3 H2SO4 I3 % NO2 N2O4 O3 Numéros atomiques : 1H 5B 6C 7N 8O 15P 17Cl 53I Exercice 2 : structures de Lewis à compléter 1) Rappeler la règle de l’octet : la vérifier dans les structures de Lewis suivantes. 2) Compléter chaque structure en y indiquant les charges formelles éventuelles. 3) Déterminer s’il s’agit d’ions ou de molécules neutres. Préciser la charge des ions. 4) Parmi toutes ces formes, l’une peut être décrite par une forme mésomère plus représentative : laquelle ?

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Chapitre 3

Exercices : schémas de Lewis, et

mésomérie

Exercice 1 : 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.*

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*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! CN%! NO+! BH4

%! BH3!NH2

%! CH2Cl2! POCl3! HNO2! HNO3!H2SO4! I3%! NO2! N2O4! O3!!Numéros(atomiques(:(( ( 1H((( 5B( 6C( 7N((

( ( ( ( ( 8O( 15P( 17Cl( 53I(

Exercice 2 : structures de Lewis à compléter

1) Rappeler*la*règle*de*l’octet*:*la*vérifier*dans*les*structures*de*Lewis*suivantes.*!

!2) Compléter*chaque*structure*en*y*indiquant*les*charges*formelles*éventuelles.*

*3) Déterminer*s’il*s’agit*d’ions*ou*de*molécules*neutres.*Préciser*la*charge*des*ions.*

*4) Parmi* toutes* ces* formes,* l’une* peut* être* décrite* par* une* forme*mésomère* plus*

représentative*:*laquelle*?**!!

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Exercice 3 : mésomérie

1) Préciser*la*configuration*électronique*fondamentale*de*l’atome*de*soufre,*16S.**

2) Le*numéro*atomique*de*O*est*8.*Donner*un*schéma*de*Lewis*pour*les*édifices*ciNdessous,*en*proposant,* le* cas*échéant,* les* formes*mésomères*qui*ont* le*plus*de*poids*(les*plus*représentatives).**

SO2,*S32N,*SO32N**

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.*

!!!Exercice 4 : schémas de Lewis et méthode VSEPR !

Proposer*un*schéma*de*Lewis*pour*les*espèces*chimiques*suivantes.*Lorsque*la*méthode*VSEPR*aura*été*étudiée,*prévoyez*la*géométrie*de*ces*mêmes*molécules.**

*NH2N* BH4N* POCl3* O3*OCNN* BrO3N* NO2N* HNO2*H2SO4* NO2+* NO2* NO2+*

!Numéros!atomiques!:!! ! !1H!!! 5B! 6C! 7N!! 8O!! ! ! ! ! 9F! !15P! 16S! !17Cl! 53I! 54Xe!! Exercice 5 : longueur de liaison *Comparer*les*longueurs*de*liaison*carboneNoxygène*dans*les*4*espèces*suivantes*:**CO32N*CH3OH**CO*CO2,***en*les*classant*de*la*plus*courte*à*la*plus*longue.** Exercice 6 : chimie organique et mésomérie *Proposer*une*forme*mésomère*de*cette*molécule*qui*rend*le*cycle*globalement*porteur*d’une*charge*négative*et*la*chaîne*latérale*porteur*d’un*atome*de*carbone*déficitaire*en*électron.*

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***Exercice 7 : chimie organique et mésomérie (2) *

1) Redessinez* cette*molécule*mais* en* y* faisant* apparaître* tous* les* doublets* libres*non* représentés* et* puis* surtout* en* développant* correctement* le* groupe* nitro*NO2.***

2) Montrez*que* ce* groupe* exerce*un* effet* attracteur*d’électrons* en*proposant*des*formes*mésomères*explicites.*

***Exercice 8 : le cation allyle *Le*cation*allyle*ciNdessous*est*stable,*on*peut*proposer* les*deux* formes*mésomères*ciNdessous.*Décrivez*le*déplacement*d’électrons*pour*passer*d’une*forme*à*l’autre,*et*puis*compléter* les*représentations* incomplètes*ciNdessous*en* faisant*apparâitre* les* lacunes*électronique.*

** Exercice 9 : l’acide ascorbique *L’acide*ascorbique*est*représenté*ciNdessous*:*

*C’est*la*vitamine*C.*

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Dans la base B4, il y a trois formules mésomères. On remarque que la troisième forme mésomère

est quasiment aussi représentative que la première, puisque dans les deux cas, la charge est

portée  par  un  atome  d’oxygène.  On  en  déduit  que   la  charge  négative   est   très  bien  répartie   sur  

deux  atomes  d’oxygène.  La  base  B4  est  donc  beaucoup  plus  faible  qu’un  alcoolate  ordinaire,  et  

plus faible que B3 également, car celle-ci  n’avait  que  deux  formules  mésomères,  dont  une  moins  

représentative (charge négative portée par un carbone).

H4  est  donc  l’atome  d’hydrogène  responsable  de  l’acidité  de  l’acide  ascorbique,  et  le  couple  est  :

Exercice 8

Pour chacun des dérivés suivants du cyclohexane :

1. Préciser si les deux substituants sont en configuration cis ou trans.

2. Indiquer si la molécule se trouve dans sa conformation la plus stable. Si cette dernière

réponse est « non », effectuer le basculement adéquat sur le cycle et représenter la

conformation la plus stable.

3. Représenter le cycle en projection plane (avec une perspective de Cram pour les

substituants).

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*1) Compléter* cette* écriture* topologique* en* dessinant* tous* les* doublets* libres* qui*

manquent.**

2) Retrouvez*alors*un*système*conjugué*π−σ−π−σ−n**Envisageons*le*départ*du*proton*pointé*ciNdessous.*

**

3) Ecrire*alors*la*formule*topologique*de*l’ion*ascorbate*et*montrez*qu’il*est*stable*en*proposant*plusieurs*formes*mésomères.**

4) PourraitNon* envisager* une* telle* délocalisation* d’électron* si* c’était* l’atome* H*pointé*ciNdessous*qui*était*cédé*?*

**

*

Exercice 10 : moment dipolaire

1) Donner* les* représentations* de* Lewis* des* trois* isomères* du* dichloroéthène,* de*formule*brute*C2H2Cl2.**

2) Quelle* est* la* géométrie* attendue* (dans! le!modèle!VSEPR)* autour*de* chacun*des*atomes*de*carbone*?*

*3) En*déduire*la*valeur*des*différents*angles*présents*dans*ces*trois*molécules.*

*

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Dans la base B4, il y a trois formules mésomères. On remarque que la troisième forme mésomère

est quasiment aussi représentative que la première, puisque dans les deux cas, la charge est

portée  par  un  atome  d’oxygène.  On  en  déduit  que   la  charge  négative   est   très  bien  répartie   sur  

deux  atomes  d’oxygène.  La  base  B4  est  donc  beaucoup  plus  faible  qu’un  alcoolate  ordinaire,  et  

plus faible que B3 également, car celle-ci  n’avait  que  deux  formules  mésomères,  dont  une  moins  

représentative (charge négative portée par un carbone).

H4  est  donc  l’atome  d’hydrogène  responsable  de  l’acidité  de  l’acide  ascorbique,  et  le  couple  est  :

Exercice 8

Pour chacun des dérivés suivants du cyclohexane :

1. Préciser si les deux substituants sont en configuration cis ou trans.

2. Indiquer si la molécule se trouve dans sa conformation la plus stable. Si cette dernière

réponse est « non », effectuer le basculement adéquat sur le cycle et représenter la

conformation la plus stable.

3. Représenter le cycle en projection plane (avec une perspective de Cram pour les

substituants).

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Dans la base B4, il y a trois formules mésomères. On remarque que la troisième forme mésomère

est quasiment aussi représentative que la première, puisque dans les deux cas, la charge est

portée  par  un  atome  d’oxygène.  On  en  déduit  que   la  charge  négative   est   très  bien  répartie   sur  

deux  atomes  d’oxygène.  La  base  B4  est  donc  beaucoup  plus  faible  qu’un  alcoolate  ordinaire,  et  

plus faible que B3 également, car celle-ci  n’avait  que  deux  formules  mésomères,  dont  une  moins  

représentative (charge négative portée par un carbone).

H4  est  donc  l’atome  d’hydrogène  responsable  de  l’acidité  de  l’acide  ascorbique,  et  le  couple  est  :

Exercice 8

Pour chacun des dérivés suivants du cyclohexane :

1. Préciser si les deux substituants sont en configuration cis ou trans.

2. Indiquer si la molécule se trouve dans sa conformation la plus stable. Si cette dernière

réponse est « non », effectuer le basculement adéquat sur le cycle et représenter la

conformation la plus stable.

3. Représenter le cycle en projection plane (avec une perspective de Cram pour les

substituants).

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4) Justifier* la* polarisation* de* la* liaison* CNCl.* Indiquer* les* charges* partielles*correspondantes.**

5) Calculer*alors*la*valeur*du*moment*dipolaire*résultant*apparaissant*sur*ces*trois*composés,* en* fonction* du*moment* dipolaire* de* la* liaison* CNCl* (on! négligera! le!moment!dipolaire!des!liaisons!CNH).**

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*C* 6* 2,55*Cl* 17* 3,16*

********* µCl-C

= 1,20 D *

Exercice 11 : 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*:*

**

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'estNàNdire* 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*sontNelles* identiques*?*Ce*composé*estNil*aromatique*?*

*3) En*arrachant*un*proton*sur*le*carbone*comportant*les*deux*atomes*d’hydrogène,*

on* obtient* l’anion* cycopentadiényle* C5H5N.* Les* longueurs* de* liaison* sontNelles*identiques*?*Cet*ion*estNil*aromatique*?*

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*4) Le!pKa!du*couple*C5H6*/*C5H5N*est*de*20*alors*que* le*pKa!du*couple*du*pentane*

linéaire*C5H12*/*C5H11N*est*de*l’ordre*de*50.*Justifier*cette*remarquable*différence.***Exercice 12 : le pyrrole et la pyrrolidine

1) Écrire* les* formules*mésomères* limites*de* la*molécule*de*pyrrole* ciNdessous.*Le*pyrrole*estNil*aromatique*?*

N

H

*2) Discuter*de*son*caractère*polaire.*3) Comparer* au* moment* dipolaire* prévisible* pour* la* molécule* de* pyrrolidine*

obtenue*par*hydrogénation*complète*de*la*molécule*de*pyrrole.*

N

H

**

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!;** b)* ANtNon* à* faire* à* des* acides* forts* ou* faibles* dans* l’eau* ?* des* bases* fortes* ou*faibles******************dans*l’eau*?** c)*Tracer*les*diagrammes*de*prédominance*de*ces*couples*dans*l’eau*;** d)*Interpréter*les*différences*de*pKa!pour*ces*deux*couples*;** e)*Pyrrole*et*pyrrolidine*sont*initialement*dissoutes*dans*un*solvant*organique;******************proposer*une*méthode*de*séparation*par*extraction*acidoNbasique.*

*!

Exercice 13 : le cycle du calcaire en maçonnerie 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.*CeluiNci*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*:**

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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.**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*appartientNil*?*Citer*un*autre*élément*de*cette*famille.**c)*Le*corps*pur*calcium*estNil*un*métal*ou*un*non*métal*?**d)* Pourquoi* le* calcium* ne* se* rencontreNtNil* pas* à* l’état* de* corps* pur* dans* le* milieu*naturel* ?* Justifier* la* réponse* en* écrivant* les* équations* chimiques* des* réactions* qu’il*donnerait*:*

en*présence*de*dioxygène*;* en*présence*de*diazote*;* en*présence*d’eau.*

On*expliquera*les*arguments*utilisés*pour*trouver*les*produits*de*chaque*réaction.**e)* D’après* les* réactions* précédentes,* quel* ion* le* calcium* donneNtNil* couramment* ?* En*déduire*la*charge*de*l’ion*carbonate.**f)*Écrire*la*ou*les*structures*de*Lewis*de*l’ion*carbonate.*

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*g)*Déterminer*la*géométrie*de*l’ion*carbonate*par*la*méthode*VSEPR.**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.**b)*La*réaction*précédente*révèleNtNelle*que*l’oxyde*de*calcium*est*un*oxyde*acide*ou*un*oxyde*basique*?**c)*Ce*résultat*estNil*compatible*avec*la*réponse*à*la*question*1c)*où*l’on*demandait*si*le*calcium*est*un*métal*ou*un*non*métal*?*Expliquer*brièvement.**d)*Quelle*précaution*doit*prendre*le*maçon*lors*de*la*manipulation*de*la*chaux*vive*ou*de*la*chaux*éteinte*?*Justifier*la*réponse.**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.**b)*En*déduire*la*géométrie*et*le*moment*dipolaire*de*la*molécule.**c)*Lorsque*du*dioxyde*de*carbone*est*dissous*dans* l’eau,* celleNci*devientNelle*acide*ou*basique*?*Justifier*la*réponse*en*écrivant*l’(les)*équation(s)*chimique(s)*appropriée(s).**d)*Citer*une*conséquence*écologique*de*la*réaction*précédente*(le*dioxyde*de*soufre*est*également*mis*en*jeu).**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.**f)*Écrire*l’équation*chimique*de*la*réaction*de*prise*du*mortier.*

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*g)*Expliquer*pourquoi*l’eau*de*pluie*est*néfaste*à*long*terme*pour*les*bâtiments*dans*les*pays*industrialisés.**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*?..*****!!!!!