Download - Exercices : schémas de Lewis, et mésomériedlecorgnechimie.fr/wp-content/uploads/2015/01/exercice_structure... · Page 1 sur 10 ! Chapitre 3 Exercices : schémas de Lewis, et mésomérie

Exercices : atomes et molécules PCSI lycée J .Dautet D.L

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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.*

T D C H I M I E O R G A N I Q U E

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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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Exercice 8







substituants).


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Exercice 8







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*?..*****!!!!!