Exercices type bac - Chapitre 6 et 7

Transcription

1 Exercices type bac - hapitre 6 et 7 et de RMN Spectres UV-visible, IR bserver Analyse spectrale Notions UV-visible. Lien entre couleur perçue et longueur d onde au maximum d absorption de substances organiques ou inorganiques. IR. Identification de liaisons à l aide du nombre d onde correspondant; détermination de groupes caractéristiques. Mise en évidence de la liaison hydrogène. Spectres RMN du proton Identification de molécules organiques à l aide : du déplacement chimique; de la courbe d intégration ; de la multiplicité du signal : règle des (n+1) Je sais / je sais faire Mettre en œuvre un protocole expérimental pour caractériser une espèce colorée. Exploiter des spectres UV-visible. Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à l aide de tables de données ou de logiciels. Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide. onnaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes. Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l aide de tables de données ou de logiciels. Identifier les protons équivalents. Relier la multiplicité du signal au nombre de voisins. Extraire et exploiter des informations sur différents types de spectres et sur leurs utilisations. Exercice 1 : Isomères et spectroscopie Un chimiste dispose de deux molécules A et B. Il sait que chaque formule topologique représentée ci-dessous correspond à l un de ces isomères. n rappelle que des isomères ont la même formule brute mais pas la même formule développée. 1. Vérifier que ces deux molécules sont bien isomères. 2. Laquelle est un aldéhyde? Donner son nom. 3. Écrire la formule développée correspondant à l aldehyde. En déduire le nombre de groupes de protons équivalents dans cette molécule. 4. Écrire la formule développée correspondant à l autre molécule. En déduire le nombre de groupes de protons équivalents dans cette molécule. n rappelle que la rotation est impossible autour d une double liaison. 5. À partir des réponses précédentes déduire la formule de l isomère A et celle de l isomère B. 6. Le spectre de RMN de la molécule A ne comporte aucun singulet, contrairement à celui de la molécule B. ette observation est-elle cohérente avec les formules proposées pour les isomères A et B? Expliquer le raisonnement. 7. omment une table de valeurs de déplacement chimique peut-elle permettre d attribuer très rapidement chacun des deux spectres de RMN à l un des deux isomères étudiés? 8. Le spectre IR du document est-il celui de la molécule A ou de la molécule B? Justifier la réponse. J. Rivet TS 1/9 Partie A

2 Spectre de RMN de l isomère A Spectre de RMN de l isomère B. Spectre IR de A ou B. J. Rivet TS 2/9 Partie A

3 Exercice 2 : La RMN en archéologie Dans une vieille cave, un collectionneur d objets anciens trouve une cruche en grès hermétiquement fermée contenant encore un liquide. Il s agit d une cruche anglaise datant de la première guerre mondiale qui pouvait contenir du lait, de l eau, de la bière ou du rhum. Étant très curieux de nature, il décide de faire appel à un ami scientifique afin de découvrir la nature du liquide contenu dans ce récipient. elui-ci décide de réaliser une distillation fractionnée du liquide et réussit à isoler trois substances. Après purification, il procède à une étude par spectroscopie de RMN et obtient trois spectres exploitables. Les résultats de ces analyses ainsi que quelques données sont présentés dans les documents ci-après. L objectif de l exercice est donc de trouver quelle pourrait être la nature du liquide stocké dans cette cruche. Doc. 1: Quelques espèces chimiques que l on trouve dans les boissons Lait : eau, lactose, acide lactique. Bière : eau, éthanol, glucose, acide citrique, acide pyruvique. Rhum : eau, éthanol, acide éthanoïque, acide propanoïque, acide 2-éthyl-3méthylbutanoïque, acide palmitique. Représentation de quelques molécules : Lactose Acide lactique Glucose Acide citrique Acide pyruvique Acide palmitique Doc. 2: Tableau de quelques déplacements chimiques Type de proton Exemple Déplacement chimique (ppm) Protons d un alcane ou éloigné d atomes électronégatifs ,8 à 2,5 3 Protons sur un atome de carbone lié à un atome électronégatif l 3,1 à 5 Proton du groupe carboxyle ,5 à 12 Proton du groupe carbonyle 3 9,9 Proton du groupe hydroxyle 3 0,5 à 5,5 J. Rivet TS 3/9 Partie A

4 Doc. 3: Spectres de RMN avec zooms sur certains signaux Spectre de RMN de la substance 1. Spectre de RMN de la substance 2. Spectre de RMN de la substance 3. J. Rivet TS 4/9 Partie A

5 1. Donnez la formule topologique puis la formule développée de l éthanol. Faire apparaitre, en les entourant avec des couleurs différentes, les groupes d atomes d hydrogène équivalents (protons équivalents). 2. Faire l analyse complète de la molécule d éthanol de manière à identifier son spectre : nombre de signaux, couplages, courbe d intégration, déplacements chimiques. 3. La molécule d acide 2-éthyl-3-méthylbutanoïque a pour représentation topologique : (a) Recopier cette formule topologique et entourez le groupe caractéristique. Quelle est la classe fonctionnelle de cette molécule? (b) À l aide de la formule topologique (et de couleurs pour être clair) expliquez comment on construit le nom de cette molécule. 4. ombien de groupes de protons équivalents l acide pyruvique contient-il? 5. À partir de tous les documents fournis et de vos connaissances personnelles, identifier quelle peut être la boisson présente dans cette cruche en justifiant clairement la démarche suivie. Le candidat est évalué sur ses capacités à analyser les documents, à faire preuve d un esprit critique sur leurs contenus, ainsi que sur la qualité de sa rédaction et de son argumentation scientifique. J. Rivet TS 5/9 Partie A

6 Exercice 3 : Étude d un antiseptique Le Lugol est une solution aqueuse de diiode, I 2 (aq), utilisée comme antiseptique. n souhaite déterminer la concentration en diiode de cette solution à l aide d un spectrophotomètre. n dispose de six solutions aqueuses de diiode de concentration molaire c différentes. Parmi les espèces chimiques présentes dans le Lugol, le diiode est la seule espèce qui absorbe à 500 nm. La mesure de l absorbance de chaque solution est donc réalisée à cette longueur d onde. Le spectrophotomètre peut mesurer des absorbances comprises entre 0,00 et 2,00. Les résultats obtenus permettent de tracer la droite d étalonnage A = f(c) ci-dessous. Doc. 4: ourbe d étalonnage 3 A 2 1 c (mol L 1 ) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1, La loi de Beer-Lambert A = lc est-elle vérifiée? Justifiez. 2. n note c max la concentration molaire en diiode au-delà de laquelle l absorbance d une solution n est plus mesurable avec ce spectrophotomètre. Déterminez la valeur de c max. Pour déterminer la concentration molaire en diiode du Lugol, on dilue dix fois la solution commerciale S 0. La solution obtenue est notée S 0. n mesure son absorbance : A S 0 = 1, Déterminez la concentration molaire c 0 en diiode de la solution S En déduire la concentration molaire c L en diiode du Lugol. 5. Expliquez pourquoi a-t-il été nécessaire de diluer le Lugol. 6. n donne M(I) = 127g mol 1, calculer la concentration massique en diiode t L du Lugol. J. Rivet TS 6/9 Partie A

7 Exercice 1 : Isomères et spectroscopie orrection 1. Les deux molécules ont la formule brute 3 6, se sont des isomères. 2. La molécule de droite est un aldéhyde, son nom est propanal. propanal 3. La formule développée est Il y a trois groupes d atomes équivalents. 4. Il y a quatre groupes d atomes équivalents. Les deux de droite ne sont pas équivalents car aucune opération de symétrie ne permet de les échanger. La double liaison ne permet pas de rotation, ils restent à leur place et n ont pas le même environnement. 5. Le spectre de l isomère A comporte trois signaux. Il y a autant de signaux que de groupes d atomes équivalents, c est donc le spectre de l aldéhyde. L aldéhyde est la molécule A. 6. Un singulet correspond à des atomes qui n ont pas de voisins. Seule la molécule B possède des atomes sans voisins : atomes (en rouge) du 3 lié à l oxygène. est cohérent avec la réponse précédente. 7. Le spectre de l isomère A possède un signal très particulier : son déplacement chimique est très élevé. Le tableau de valeurs montre que ce signal correspond à l atome (en bleu ci-dessous) voisin du groupe carbonyle de l aldéhyde. n peut donc très rapidement attribuer ce spectre à l aldéhyde. avec un fort déplacement chimique 8. n remarque un signal reconnaissable pour = 1750cm 1. Il correspond à une liaison présente seulement dans l aldéhyde (isomère B). donne le signal à = 1750cm 1 J. Rivet TS 7/9 Partie A

8 Exercice 2 : La RMN en archéologie 1. Formule topologique : ; formule développée : 2. Spectre de l éthanol : il y a trois groupes de protons équivalents donc il y a trois signaux sur le spectre. - 3 voisins : quadruplet - 2 : hauteur rel. 2 - = 3,1 à 5 ppm : proche at. électronégatif - 2 voisins : triplet - 3 : hauteur rel. 3 - = 0,8 à 2,5ppm : loin de voisin : singulet - 1 : hauteur relative 1 - = 0.5 à 5 ppm : du groupe hydroxyle. Faire un schéma et l accompagner éventuellement de courtes explications. Le spectre de l éthanol est le premier car il correspond en tout point à nos prévisions. 3. (a) Il s agit d un acide carboxylique. (b) atomes de carbone sur la chaîne principale : base butan; groupe caractéristique acide carboxylique : acide devant le nom, suffixe oïque; groupe méthyle en position 3, groupe éthyle en position 2; acide 2-éthyle-3-méthylbutanoïque 4. L acide pyruvique contient deux groupes de protons équivalents. ou 3 où l on voit mieux les différents groupes. 5. Le spectre 1 est celui de l éthanol, la boisson est de la bière ou du rhum. Le spectre 2 est celui de l acide propanoïque. Analyse rapide : voir ci-dessous. L analyse correspond en tout point au spectre 2. Avec ces deux indices, on sait déjà que l on est en présence de rhum. La molécule correspondant au spectre 3 comporte 6 groupes de protons équivalents et on observe 6 signaux. De plus on observe la présence d un atome d hydrogène d un groupe carboxyle. Seul l acide-2-éthyl-3-méthylbutanoïque peut correspondre (nombre de groupes de équivalents et groupe carboxyle). n confirme la présence de rhum dans la cruche. J. Rivet TS 8/9 Partie A

9 - 3 voisins : quadruplet - hauteur rel. 2 : 2 - = 2,4 ppm : plus proche des oxygènes - 2 voisins : triplet - hauteur rel. 3 : 3 - = 1,0 ppm : loin des oxygènes voisin : singulet - hauteur rel. 1 : 1 - = 12 ppm : du carboxyle Exercice 3 : Étude d un antiseptique 1. Dans la loi proposée, l est une constante : on travaille à longueur d onde constante donc est constant et la longueur de la cuve est toujours la même. n a une relation de la forme A = kc. La loi de Beer-Lambert nous montre donc que A est proportionnelle à c A c. Sur le graphique donnant A en fonction de c on observe une droite passant par l origine A et donc proportionnelle à c d après le graphique. La loi de Beer Lambert (A c) est bien vérifiée expérimentalement (graphique montre A c). 2. L absorbance maximale mesurable est A max = 2,00, par lecture graphique on en déduit que c max = 0, mol L n a A S 0 = 1,00, par lecture graphique on trouve c 0 = 0, mol L n a c L = 10c 0 d où c L = 4, mol L n voit que c L > c max donc le spectrophotomètre ne peut pas mesurer l absorbance du Lugol. Il faut réaliser les mesures sur une solution diluée. Rmq : la loi de Beer-Lambert n est vraie que pour des solutions assez diluées (c < 10 2 mol L 1 ). 6. Relation entre concentration massique t et concentration molaire c : t = m V = nm V = cm n a donc t L = c L M(I 2 ), t L = 0, = 10,16g L 1 soit t L = 10g L 1 en laissant deux chiffres significatifs. Attention, la masse molaire est celle du diiode I 2 : M(I 2 ) = 2 127,0 = 254g mol 1. J. Rivet TS 9/9 Partie A