GÉOMÉTRIE DES MOLÉCULES

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1 hapitre 6 GÉMÉTRIE DES MLÉULES A. Le programme Notions et contenus Formules de Lewis ; géométrie des molécules. Rôle des doublets non liants. Isomérie Z/E. ompétences attendues Interpréter la représentation de Lewis de quelques molécules simples. Mettre en relation la formule de Lewis et la géométrie de quelques molécules simples. Prévoir si une molécule présente une isomérie Z/E. Savoir que l isomérisation photochimique d une double liaison est à l origine du processus de la vision. Mettre en oeuvre le protocole d une réaction photochimique. Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de modélisation. ommentaires e chapitre est un prolongement du chapitre précédent ; il donne aux élèves des premières notions sur la géométrie des molécules, avec comme application la planéité des liaisons doubles carbone-carbone. À la différence de l ancien programme, les applications se font ici essentiellement dans le champ de la chimie organique. Les contenus du chapitre seront amplement repris et approfondis en classe de terminale, notamment avec l utilisation de la représentation de ram et l étude des conformations et des stéréoisomères. La compétence exigible au sujet de l isomérisation photochimique du rétinal complète les notions abordées en science de la vie et de la terre autour de la vision. B. La démarche adoptée dans le manuel Trois activités (de modélisation, expérimentale et documentaire) sont proposées dans le chapitre 6 afin de permettre aux élèves d acquérir cinq compétences. L enseignant a le choix de les mettre en œuvre pendant le cours ou en travaux pratiques. 6. GÉMÉTRIE DES MLÉULES _LDP_06.indd 1 13/09/11 16:08:50

2 . ommentaires sur les activités et documents proposés Évaluer les acquis de 2de p. 112 Réponses aux questions Les sphères colorées représentent les différents types d atomes, et les bâtonnets représentent les liaisons covalentes entre les atomes. La représentation 3D d une molécule indique sa géométrie dans l espace. Une même formule brute peut correspondre à plusieurs isomères, donc à plusieurs représentations 3D. Interpréter une expérience p. 112 Une démarche d investigation est proposée à partir d une boite de modèle moléculaire et d une formule brute : il s agit de rechercher des isomères. À partir du modèle moléculaire, l élève pourra observer que les atomes ou groupements d atomes peuvent tourner librement autour d une liaison simple, et non autour d une liaison double. Le professeur pourra faire, à l oral, le lien entre le modèle moléculaire et l étude des conformations des molécules. ette activité donne l occasion d enrichir la notion d isomérie abordée en classe de 2 de, qui se limitait à l isomérie de constitution, en découvrant la stéréoisomérie (ici, l isomérie Z/E, grâce aux molécules d acide (E)-but-2-ènoïque et (Z)-but-2-ènoïque). Interprétation attendue Il existe trois molécules possédant un groupe carboxyle et une même formule brute e sont trois isomères. Formule de ces molécules : acide méthylpropénoïque 3 acide (E)-but-2-ènoïque 3 acide (Z)-but-2-ènoïque 3 Activité 1 p. 114 L objectif de cette activité de modélisation est de montrer le lien entre la formule de Lewis et la géométrie de molécules simples. Dans un premier temps (partie A), le logiciel hemsketch permet aux élèves de représenter des formules de Lewis de molécules simples. Puis (partie B), à l aide de l outil 3D-Viewer, ils découvrent leur géométrie. L étude de molécules plus complexes (partie ) conduit ensuite à étudier l arrangement des doublets autour des atomes, N et. 54 LIVRE DU PRFESSEUR 5908_LDP_06.indd 2 13/09/11 16:08:51

3 Enfin (partie D), l analyse des structures des isomères Z et E de l acide butan-1,4-dioïque permet aux élèves de prévoir quelles molécules présentent une isomérie Z/E. La partie D peut être traitée indépendamment des parties A à. Réponses aux questions 1. L atome de carbone forme 4 liaisons avec des atomes voisins, l azote 3 liaisons, l oxygène 2 liaisons et l hydrogène 1 liaison. 2. Les doublets non liants ne figurent pas sur les formules du logiciel. Ils sont cependant pris en compte afin que les atomes, N et respectent la règle de l octet. 3. Avec le logiciel. 4. La molécule d eau adopte une géométrie coudée ; la molécule d ammoniac une géométrie pyramidale et la molécule de méthane une géométrie tétraédrique. 5. La représentation de Lewis d une molécule est plane : elle ne reflète pas sa géométrie. 6. Les doublets des atomes d azote et d oxygène adoptent un arrangement tétraédrique (ex : 3 N 2 ) ou se répartissent dans un plan (ex : 3 3 ). 7. a. Les doublets des atomes de carbone impliqués uniquement dans des liaisons simples se répartissent selon un arrangement tétraédrique (ex : 3 N 2 ). b. Les doublets des atomes de carbone impliqués dans une liaison double se répartissent dans un plan (ex : 3 = 3 ). 8. a. L acide fumarique et l acide maléique ont pour formule brute b. L acide fumarique et l acide maléique ont la même formule brute et une organisation spatiale différente : ce sont donc des isomères. 9. L acide fumarique et l acide maléique ont des propriétés physico-chimiques différentes (point de fusion, solubilité dans l eau, densité). 10. Seule la molécule de but-2-ène présente une isomérie Z/E. 11. En première approximation, on peut considérer que les doublets d électrons se positionnent le plus loin possible les uns des autres, afin de minimiser les répulsions. Par conséquent, l arrangement des doublets autour d un atome dépend du nombre de doublets non liants et du nombre de liaisons covalentes formées, ce qui détermine la géométrie de la molécule autour de cet atome. Activité 2 p. 116 Au cours de cette activité expérimentale, les élèves mettent en œuvre le protocole d une transformation photochimique. Dans un premier temps, ils réalisent la M d un dépôt d azobenzène laissé à l obscurité, et d un dépôt d azobenzène éclairé pendant 1 heure. L analyse des résultats expérimentaux aboutit à l introduction de la notion de transformation photochimique. Réponses aux questions 1. Avant l élution, l échantillon (1) est de couleur jaune ; l échantillon (2) est de couleur orange. 2. Le chromatogramme montre la présence de deux produits pour l échantillon (1). L échantillon (2) ne contient qu une seule espèce chimique. Il s est donc produit une transformation chimique sous la lampe. 3. Dans les conditions de l expérience, les rapports frontaux des espèces sont R f = 0,71 et R f = 0, a. L énergie lumineuse fournie par lampe permet la transformation de l azobenzène déposé sur la plaque. 6. GÉMÉTRIE DES MLÉULES _LDP_06.indd 3 13/09/11 16:08:51

4 b. L échantillon (1) montre la présence d un produit identique à celui de l échantillon (2). Si on éclaire plus longtemps, ce produit peut disparaître complètement de l échantillon (1), et on observerait alors une seule tache jaune (note : on pourra nuancer cette affirmation en rappelant aux élèves que toutes les réactions ne sont pas totales). 5. La structure de la liaison double N=N de l azobenzène est modifiée sous l action de la lumière. 6. a. Le (E)-azobenzène est orange, et le (Z)-azobenzène est jaune. b. Le (E)-azobenzène (orange) a le rapport frontal le plus élevé, car il est moins retenu par le support que le (Z)-azobenzène (jaune). 7. L azobenzène est une molécule organique possédant 7 liaisons doubles conjuguées, elle est donc colorée. 8. Une transformation photochimique est une transformation chimique déclenchée par la lumière. 9. La photosynthèse est une transformation photochimique. Activité 3 p. 117 ette activité documentaire vient compléter les notions abordées en science de la vie et de la terre, en 1 re S, autour de la vision (rôle de la rétine et des photorécepteurs, comparaison des opsines chez les primates, etc.). À l issue de cette activité, les élèves doivent retenir qu une isomérisation photochimique est à l origine du processus de la vision. Deux schémas présentent de façon simplifiée la géométrie des isomères Z et E du rétinal et de l opsine ; ils mettent en valeur le rôle de l isomérisation du rétinal sous l action de la lumière dans la vision. Réponses aux questions 1. Formule de Lewis du Z-rétinal (avec la liaison double responsable de l isomérie en gras) : La molécule de rétinal, en changeant de géométrie, provoque un changement de la structure spatiale de l opsine. Le rétinal se détache alors de l opsine. 3. L ordre de grandeur de la durée nécessaire à l isomérisation du Z-rétinal en E-rétinal est de seconde (picoseconde). 4. Lorsqu une lumière bleue parvient sur l œil, les cônes sensibles aux courtes longueurs d onde sont stimulés. 5. Le processus de la vision met en jeu une isomérisation photochimique. Le Z-rétinal, fixé à une molécule de la rétine, est transformé en E-rétinal sous l action de la lumière. 56 LIVRE DU PRFESSEUR 5908_LDP_06.indd 4 13/09/11 16:08:51

5 D. Déroulement du cours n peut compter pour ce chapitre 1 séance de TP et 4 heures de cours. Exemple de progression : ours Activité 1 ; 1. Géométrie des molécules ; 2. Isomérie Z/E Exercices 1. Géométrie des molécules p ; 2. Isomérie Z/E p Séances de TP Activité 2 (1,5h). ours Activité 3 ; 3. Réactions photochimiques et processus de la vision Exercices 3. Réactions photochimiques et vision p E. Réponses aux exercices p. 122 Les réponses aux exercices qui ne figurent pas ici sont à la fin du manuel, p L atome d azote est impliqué dans trois liaisons simples : la trifluoroamine a donc une géométrie pyramidale à base triangulaire La molécule «a» présente une géométrie plane (tous les atomes se situent dans un plan). 2. La molécule «c» a une géométrie tétraédrique (l atome de carbone central forme quatre liaisons simples avec des atomes voisins) Les doublets des atomes de carbone de la diméthylamine adoptent un arrangement tétraédrique, car les atomes de carbone ne sont engagés que dans des liaisons simples. 2. L atome d azote est impliqué uniquement dans des liaisons simples, ses doublets adoptent donc un arrangement tétraédrique. 3. Formule de Lewis : 3. L atome d oxygène relié uniquement à l atome de carbone forme une liaison double : l arrangement des doublets est plan. L atome d oxygène relié à un atome de carbone et à un atome d hydrogène ne forme que des liaisons simples : l arrangement des doublets est tétraédrique N 2. Les doublets de l atome d azote adoptent un arrangement linéaire, car l atome est impliqué dans une liaison triple. 3. Les deux atomes de carbone de la liaison double = ont des doublets disposés dans un plan. Les doublets de l atome de carbone impliqué dans une liaison triple adoptent un arrangement linéaire Représentation de Lewis du glycéraldéhyde : N 7 1. L atome de carbone ne porte pas de doublet non liant : 2. L atome de carbone est impliqué dans une liaison double, l arrangement de ses doublets est donc plan. 2. Les doublets des 2 atomes d oxygène impliqués uniquement dans des liaisons simples adoptent un arrangement tétraédrique. eux de l atome d oxygène impliqué dans une liaison double adoptent une géométrie plane. 6. GÉMÉTRIE DES MLÉULES _LDP_06.indd 5 13/09/11 16:08:51

6 11 1. Représentation de Lewis de la thréonine : Br LIVRE DU PRFESSEUR N 2. Les doublets de l atome d azote adoptent un arrangement tétraédrique, car l atome d azote n est impliqué que dans des liaisons simples. 3. Les doublets de l atome de carbone impliqué dans une liaison double s arrangent dans un plan (atome de carbone du groupe ) L arrangement des doublets des atomes de carbone est tétraédrique, car ils sont impliqués uniquement dans des liaisons simples. 2. L arrangement adopté par les doublets des atomes d oxygène de cette molécule est tétraédrique, car ils sont impliqués uniquement dans des liaisons simples. 15 La molécule 1 présente une isomérie Z, car deux atomes d hydrogène de la liaison double = sont situés du même côté. 16 Seule la liaison double centrale = présente une isomérie Z/E, car elle est de type A=B. 17 L isomère présentant deux liaisons doubles de type E est le composé «a», car les deux atomes d hydrogène de chaque liaison double = sont situés de part et d autre de la liaison double La formule de Lewis est incorrecte car chaque atome d oxygène doit respecter la règle de l octet, et donc être entouré de deux doublets non liants et deux doublets liants. 2. L isomère E est obtenu à partir de la formule de l isomère Z en inversant les positions du groupement et du (à gauche de la liaison double =). 2. Arrangement plan. 3. L isomère Z du bromostyrène a une densité plus élevée que celle de l isomère E. Sa masse volumique est donc également plus élevée. 4. Les doublets liants autour de l atome de carbone de la molécule de dioxyde de carbone 2 ont un arrangement linéaire, puisque cette molécule est linéaire Le but-2-ène présente une isomérie Z/E car il est de type A=B. 2. Les isomères Z et E du but-2-ène ont des propriétés physiques différentes, et en particulier des températures d ébullition différentes a. n ajoute deux doublets non liants sur chaque atome d oxygène. b. Formule de Lewis de l acide (Z)-cinnamique : 2. ette molécule possède 5 liaisons doubles conjuguées. 3. Les acides (Z) et (E) cinnamique sont des isomères : ils n ont pas les mêmes propriétés physiques. 4. Sous l effet de la lumière, l acide (Z)-cinnamique peut être isomérisé en acide (E)-cinnamique L isomère cis correspond au (Z)-azobenzène (forme «ramassée»), l isomère trans au (E)-azobenzène. 2. a. Le (E)-rétinal formé par isomérisation photochimique du (Z)-rétinal adopte une configuration spatiale différente, moins ramassée, et n est plus fixé sur l opsine. b. L isomérisation photochimique du rétinal doit se faire rapidement pour que le délai entre l émission de lumière par l objet et sa perception soit le plus court possible. 5908_LDP_06.indd 6 13/09/11 16:08:51

7 26 1. a. yanure d hydrogène N Acétonitrile b. L arrangement des doublets liants et non liants autour des atomes de carbone liés aux atomes d azote est linéaire, car ils sont impliqués dans une liaison triple. c. La molécule de cyanure d hydrogène a une géométrie linéaire. 2. L énergie lumineuse issue du Soleil déclenche les transformations photochimiques qui ont lieu dans l atmosphère de Titan La photosynthèse correspond à un processus photochimique. 2. La photosynthèse est plus efficace dans le domaine de longueur d onde [430 nm ; 500 nm], dans le bleu, et [630 nm ; 670 nm], dans le rouge. 3. Les plages d efficacité de la photosynthèse correspondent aux plages d absorption des chlorophylles. n peut donc supposer que plus l énergie absorbée par les chlorophylles est importante, plus la photosynthèse est efficace. 4. Placer une plante dans une enceinte fermée transparente à la lumière, et mesurer la quantité de dioxygène produit dans un temps donné. Reproduire l expérience dans une enceinte opaque. omparer les résultats expérimentaux puis conclure a. Le soufre est entouré de 4 doublets (2 liants et 2 non liants) : il respecte la règle de l octet. b. L arrangement adopté par les doublets liants et non liants de l atome de soufre dans cette molécule est plan, car l atome de soufre est impliqué dans une liaison double. 2. La géométrie de la molécule de sulfure d hydrogène 2 S est coudée, comme celle de l eau. N 3. La molécule de peroxyde d hydrogène 2 2 présente une géométrie coudée autour de chaque atome d oxygène. Par analogie, la géométrie de la molécule de disulfure d hydrogène 2 S 2 est coudée autour de chaque atome de soufre L arrangement adopté par les doublets de l atome d azote N est linéaire, car ce dernier est impliqué dans une liaison triple. 2. Les doublets des atomes de carbone de la liaison double = adoptent un arrangement plan. 3. N L isomérisation du (E)-azobenzène en (Z)-azobenzène est une transformation photochimique. 2. L arrangement des doublets est plan car les atomes d azote sont impliqués dans une liaison double. 3. Les fournisseurs de produits chimiques ne commercialisent que le (E)-azobenzène, car il suffit de l exposer à la lumière pour obtenir du Z-azobenzène La géométrie de la molécule de dichlorométhane 2 l 2 est tétraédrique, car l atome de carbone n est impliqué que dans des liaisons simples. 2. La géométrie de la molécule de dichlorosilane Si 2 l 2 est tétraédrique. 3. La silice Si 2 est le composé analogue au dioxyde de carbone 2, rejeté au cours de la respiration Les deux liaisons doubles = des réactifs ont une configuration Z car les atomes d hydrogène sont situés du même côté. 2. Arrangement plan. 3. Les réactifs portent à la fois un groupe méthyle 3 et un groupe éthyle 2 5. Les produits contiennent en revanche deux groupes méthyle ou deux groupes éthyle : chaque 6. GÉMÉTRIE DES MLÉULES _LDP_06.indd 7 13/09/11 16:08:52

8 atome de carbone de la liaison double a donc changé de partenaire Les atomes d oxygène du quercétol portent deux doublets non liants (ils respectent la règle de l octet). 2. Les doublets de tous les atomes de carbone du quercétol adoptent un arrangement tétraédrique. 3. Les doublets de l atome d oxygène impliqués dans la liaison double = adoptent un arrangement plan. 4. Le lutéol et le quercétol ne sont pas isomères, car ils n ont pas la même formule brute La transformation du (E)-oxyindigo en (Z)-oxyindigo est un processus photochimique, car elle est activée par la lumière. 2. n obtiendra du (Z)-oxyindigo, car la lumière du Soleil contient la radiation monochromatique de longueur d onde 413 nm. 3. Le (E)-oxyindigo éclairé avec une lampe s est isomérisé en (Z)-oxyindigo. Deux taches correspondant au (E)-oxyindigo restant et au (Z)-oxyindigo formé apparaissent sur le chromatogramme L arrangement adopté par les doublets de l atome de carbone de la liaison double = est plan, car l atome de carbone est impliqué dans une liaison double. 2. Les deux isomères Z et E du 1,2-dibenzoyléthylène ont des propriétés physiques différentes (en particulier leur température de fusion). 3. Représentation de Lewis de l isomère Z : le passage de l isomère Z à l isomère E est impossible. 2. Arrangement plan. 3. Arrangement tétraédrique, car l atome de carbone portant deux atomes d hydrogène dans la molécule B n est impliqué que dans des liaisons simples. 4. L indication «hν» au-dessus de la doubleflèche indique que la réaction s effectue grâce à l énergie transportée par un photon, de fréquence ν. La transformation de A en B correspond donc à un processus photochimique car elle est activée par la lumière a. Les deux liaisons doubles peuvent être à l origine d une isomérisation Z/E car elles sont de type A=B. b. La liaison double 2 = 3 est de type Z car les deux atomes d hydrogène sont situés du même côté. La liaison 4 = 5 est de type E car les atomes d hydrogène sot situés de part et d autre. 2. a. 2E, 4Z de l hexa-2,4-diène : la liaison double 2 = 3 est de configuration E, la liaison double 4 = 5 est de configuration Z. b. Formule de Lewis de l isomère 2E, 4E : 3. La cyclisation de l hexa-2,4-diène suit un processus photochimique car elle se produit en présence de lumière Les liaisons doubles de la molécule A ne sont pas susceptibles de présenter une isomérie Z ou E car elles sont situé dans un cycle. Les atomes d hydrogène sont situés du même côté de chaque liaison double, mais 60 LIVRE DU PRFESSEUR Le E-resvératrol est transformé en Z-resvératrol par un processus photochimique, car la réaction est provoquée par l absorption de photons de longueur d onde 350 nm. 5908_LDP_06.indd 8 13/09/11 16:08:52

9 2. La liaison double responsable de cette isomérie est celle qui réunit les deux cycles car elle est de type A=B. 3. Formule de Lewis de l isomère E : b. L arrangement adopté par les doublets de l atome de carbone est tétraédrique, car l atome n est impliqué que dans des liaisons simples. c. L arrangement adopté par les doublets de l atome d oxygène est tétraédrique, car l atome n est impliqué que dans des liaisons simples. d. Les quatre doublets liants adoptent un arrangement tétraédrique autour du carbone. Les deux doublets liants et les deux doublets non liants adoptent un arrangement tétraédrique autour de l oxygène. 4. a. Formule de Lewis du méthanol : F. Bibliographie B. VALEUR, Lumière et Luminescence, Belin, UDRET et J.. MIEAU, «Le Photochromisme, vers le stockage optique et les nanomachines» IMRP, UMR NRS 5623, Université P. Sabatier, Toulouse. 6. GÉMÉTRIE DES MLÉULES _LDP_06.indd 9 13/09/11 16:08:52