Activité expérimentale TP Les molécules Objectifs : Revoir les règles de «l octet» et du «duet» Connaître les différents modes de représentation d'une molécule Savoir construire le modèle moléculaire d'une molécule pour établir un lien entre la formule brute et la composition en atomes de cette molécule. Visualiser et construire des modèles moléculaires avec un logiciel 3D Ecrire la formule développée plane d une molécule Notion d'isomérie Consignes : Ce TP doit vous permettre de comprendre les liens entre les atomes qui constituent une molécule et de trouver sa formule développée plane. Pour cela, des documents qu il conviendra de s approprier, vous sont proposés. Vous allez ensuite réaliser des molécules avec un logiciel de simulation 3D et avec une boite de modèles moléculaires. Ces outils vont concrétiser l analyse de la structure d une molécule et vous permettront de la modéliser par une formule développée plane. Vous interpréterez quelques configurations particulières également. Molécule de caféine Tous les médicaments ont un principe actif. C est une molécule qui possède des propriétés thérapeutiques. Une molécule est un édifice formé de plusieurs atomes. La disposition de ces atomes entraine des propriétés physiques et chimiques bien particulières. Par exemple deux molécules ayant exactement les mêmes atomes peuvent parfois différer de manière dramatique : l'un peut être un médicament efficace et l'autre un poison. Problématique : Comment expliquer que des molécules, qui pourtant ont la même composition, peuvent présenter des propriétés chimiques (et physiques) différentes? Document 1 : Formules brutes et formules développées Les atomes peuvent s'associer entre eux pour former des espèces chimiques neutres (c est à dire non chargées) plus ou moins complexes appelés molécules. Le nombre et la nature des atomes se lisent dans la formule brute de la molécule, qui ne donne toutefois aucune indication sur l ordre dans lequel les atomes sont placés. Formule brute : X a Y b Z c Où X, Y, Z sont les symboles chimiques des éléments et a, b et c le nombre d'atomes de chaque élément (en indice après le symbole de l élément) Exemple : la molécule suivante C 2 H 6 O contient 2 atomes de carbone, 6 d hydrogène et 1 d oxygène Il faut utiliser une formule développée pour connaître cet ordre. Mais même cette formule ne renseigne pas sur la géométrie de la molécule. 2 nde - TP : Les molécules 1 C. Grange-Reynas
Une liaison de covalence entre deux atomes est un doublet électronique qui appartient aux deux atomes, chaque atome ayant apporté un électron. Ce doublet se représente par un tiret entre les deux atomes. Exemple : La molécule d eau Placer les atomes qui constituent la molécule les uns à côté des autres Représenter les doublets liants en respectant la valence de chaque atome : Hydrogène : valence 1 = 1 doublet liant = 1 tiret Oxygène : valence 2 = 2 doublets liants = 2 tirets H O H Document 2 : Code couleur pour représenter les atomes Elément chimique Carbone Hydrogène Oxygène Azote Chlore Soufre Symbole C H O N Cl S Couleur Noir Blanc Rouge Bleu Vert Jaune Les dimensions sont proportionnelles à la taille des atomes. Document 3 : Quelques molécules diatomiques H 2 Cl 2 O 2 N 2 Remarque : Le dichlore est un gaz verdâtre suffocant très utile dans l industrie chimique. O 2, «l oxygène» de l air qu on respire et N 2, «l azote», l autre composant principal de l air. A vous de répondre à la problématique. I. Les électrons n apprécient pas le célibat Etudier ce qu il advient des électrons de couche externe des atomes dans les molécules. Dans le doc. 3, pourquoi et comment les atomes se sont-ils associés deux à deux dans chaque molécule? 1. Etablir la structure électronique de l hydrogène (H, Z = 1), de chlore (Cl, Z = 17), de l oxygène (O, Z = 8) et de l azote (N, Z = 7). H : (K) 1 Cl : (K) 2 (L) 8 (M) 7 O : (K) 2 (L) 6 N : (K) 2 (L) 5 2. A l aide des modèles moléculaires éclatés, compter le nombre de liaisons établies dans chaque molécule diatomiques. Le dihydrogène possède 1 liaison ; Le dichlore possède 1 liaison ; Le dioxygène possède 2 liaisons ; Le diazote possède 3 liaisons 2 nde - TP : Les molécules 2 C. Grange-Reynas
3. Comparer le nombre obtenu à la question précédente avec le nombre d électrons manquant sur la couche externe de chaque atome pour la compléter. Il manque 1 électron à l atome d hydrogène pour stabiliser sa couche externe à 2 électrons (règle du duet). L atome d hydrogène établit 1 liaison de covalence Il manque 1 électron à l atome de chlore pour stabiliser sa couche externe à 8 électrons (règle de l octet). L atome de chlore établit 1 liaison de covalence. Il manque 2 électrons à l atome d oxygène pour stabiliser sa couche externe à 8 électrons (règle de l octet). L atome d oxygène établit 2 liaisons de covalence Il manque 3 électrons à l atome d azote pour stabiliser sa couche externe à 8 électrons (règle de l octet). L atome d azote établit 3 liaisons de covalence Le nombre d électrons manquants sur la couche externe est égal au nombre de liaisons de covalence que peut établir l atome. 4. A votre avis, pourquoi les atomes se sont liés? Les atomes se sont liés pour atteindre la configuration électronique stable du gaz noble qui le suit. II. Une formule, des molécules Se rendre compte que donner la formule brute d une substance chimique ne suffit pas toujours à la définir. Dans un catalogue de chimie, on trouve associés à la formule C 2 H 6 O les noms «éthanol» et «étheroxyde méthylique». 1. A l aide de modèles moléculaires, construire des molécules de formule C 2 H 6 O. 2. Sachant que, dans l éthanol, l oxygène est lié à un hydrogène, attribuer leur nom à chaque molécule. 3. Ecrire leurs formules développées et semi-developpées. Formule développée Formule semi-développée Ethanol CH 3 CH 2 - OH Etheroxyde méthylique CH 3 O CH 3 2 nde - TP : Les molécules 3 C. Grange-Reynas
4. Que peut-on dire des formules brutes de l éthanol et de l étheroxyde méthylique? Ces deux molécules ont la même formule brute. 5. Justifier que ces deux molécules sont isomères. Elles ont la même formule brute mais pas les mêmes formules semi-développées donc ces molécules sont effectivement isomères. éthanol étheroxyde méthylique Formule brute C 2 H 6 O C 2 H 6 O Modèle moléculaire Formule développée Formule semidéveloppée III. Géométrie des molécules Comprendre la façon dont les atomes se disposent au sein d une molécule. Construire les modèles moléculaires des molécules d eau, d ammoniac et de méthane. Eau Ammoniac Méthane 1 Les quatre liaisons qui entourent un atome de carbone sont-elles contenues dans un plan? Quel angle forment-elles entre elles? Comparer cet angle à celui représenté sur la formule développée. Ces liaisons ne sont pas contenues dans un plan car la molécule n est pas «plate», elle a une structure à trois dimensions. L angle qui sépare ces liaisons est supérieur à 90 (il est précisément de 109,5 ) alors qu il est de 90 entre les liaisons représentées sur la formule développée. 2 nde - TP : Les molécules 4 C. Grange-Reynas
2 Justifier l intérêt de l utilisation du modèle moléculaire par rapport à la formule développée. L intérêt des modèles moléculaires est de rendre compte fidèlement de la forme de la molécule dans l espace. La formule développée ne révèle pas cette forme, elle rend compte «seulement» de la façon dont sont assemblés entre eux les atomes de la molécule. 3 Faite un dessin en perspective de chacune d elle. Comment décrire leur géométrie? Comparer les angles HOH, HNH, HCH. HOH HNH HCH Vous pouvez désormais répondre à la problématique proposée au début de l énoncé. Bien que de même formule brute, ces molécules ont des structures complètement différentes donc elles ont des propriétés très différentes : les propriétés d une molécule ne dépendent donc pas de sa formule brute mais de l arrangement de ses atomes dans l espace. 2 nde - TP : Les molécules 5 C. Grange-Reynas
Nom de l espèce chimique Formule brute Modèle moléculaire Formule développée plane de la molécule Dihydrogène H 2 H - H Dichlore Cl 2 Cl - Cl Dioxygène O 2 O - O Diazote N 2 Chlorure d hydrogène HCl H-Cl Eau H 2 O H-O-H Méthane CH 4 Ammoniac NH 3 Dioxyde de carbone CO 2 2 nde - TP : Les molécules 6 C. Grange-Reynas