OBS8 TP11 La géométrie des molécules-correction Objectifs Ø Extraire une information utile Ø Formuler des hypothèses pertinentes Ø Questionner les résultats d une démarche Ø Communiquer et argumenter en utilisant du vocabulaire spécifique Compétences S APProprier ANAlyser REAliser VALider COMmuniquer PARTIE A Document 1 «La physique en dix-huit mots clés», La Recherche, hors série n 1, 2005. Le premier vrai modèle de la liaison chimique a été proposé à partir de 1916 par le chimiste américain Gilbert Lewis. Il découle de la découverte de l électron quelques années auparavant. Ce modèle est très utile pour le chimiste car il permet de prédire le nombre de liaisons que forme chaque atome et répartit les électrons d un atome en deux catégories : ceux de cœur, chimiquement inactifs, et ceux de valence ( ou externes). Comme presque toutes les molécules stables connues à l époque comportent un nombre pair d électrons de valence, Lewis postule l existence de paires électroniques. Les liaisons sont assurées par des paires liantes, mais il existe aussi des «paires libres» qui n interviennent pas directement. Pour former les liaisons, les atomes mettent en commun des électrons. Le but, pour chaque atome, est d être entouré de huit électrons ( sauf l hydrogène et l hélium auxquels deux électrons uniquement suffisent) : c est la règle de l octet, introduite en 1904, par l allemand Richard Abbeg. Ainsi, dans la molécule de dioxyde de carbone, formé d un atome de carbone et de deux atomes d oxygène, le carbone qui possède quatre électrons de valence au départ, partage deux électrons avec chaque atome d oxygène. Il se retrouve avec huit électrons de valence, tandis que chaque atome d oxygène,, pour atteindre son «quota», s entoure également de deux «paires libres». Gilbert Lewis 1875-1946 Document 2 Modèle de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone Les paires d électrons sont représentées par des traits, qu elles assurent ou non une liaison. 1- Comment les électrons se répartissent-ils dans le nuage électronique d un atome?les électrons se répartissent en électrons de cœur et en électrons de valence. 2- Combien d électrons externes les atomes de carbone et d oxygène possèdentils? L oxygène et le carbone possèdent respectivement 6 et 4 électrons externes. COMMUNIQUER 3- Enoncer la règle de l octet. Dans une molécule, chaque atome tend à être entouré de huit électrons pour gagner en stabilité. 4- Combien d électrons manque t-il à chacun de ces atomes ( O et C ) pour satisfaiire la règle précédemment énoncée? Il manque respectivement 4 et 2 électrons aux atomes isolés de carbone et d oxygène pour satisfaire à la règle de l octet. 1
S APPROPRIER 5- Comment une liaison chimique est-elle définie? Une liaison chimique est une mise en commun d électrons entre deux atomes. 6- Pourquoi un atome forme t-il des liaisons? Un atome forme des liaisons pour satisfaire à la règle du duet ou de l octet et ainsi gagner en stabilité. 7- Combien de liaisons un atome de carbone va t-il réaliser? Même question pour l oxygène? L atome de carbone va réaliser 4 liaisons car il lui manque 4 électrons et l oxygène va réaliser 2 liaisons car il lui manque 2 électrons. 8- Combien reste t-il alors d électrons libres sur la couche externe de chaque atome? L atome d oxygène va mettre en commun deux électrons, il lui reste donc 4 électrons libres. L atome de carbone va mettre en commun 4 électrons, il ne lui reste donc aucun électron libre. 9- Combien de paires libres possèdent alors chaque atome? L atome d oxygène possède donc deux paires libres et aucune pour l atome de carbone. VALIDER 10- Comment déterminer le nombre de liaisons réalisables par un atome à partir du nombre d électrons sur sa couche externe? Le nombre de liaisons réalisables est égal au nombre d électrons manquant pour que l atome respecte la règle du duet ou de l octet. 11- Comment déterminer alors le nombre de paires libres (ou doublets non liants) qu il possède? Le nombre de doublets non liants est égal au nombre d électrons qui ne participent pas aux liaisons que l on divise par deux. COMMUNIQUER 12- Rédiger une méthode permettant d aboutir à la représentation de Lewis de la molécule d eau à partir du numéro atomique des atomes qui la constituent ( Z(H) = 1 et Z(O) = 8. Protocole : Ecrire la formule brute de la molécule. Ecrire la structure électronique des atomes. Trouver le nombre les électrons externes ( n E) Trouver le nombre de liaisons covalentes de chaque atome ( n L) n L= 2 n E si l atome suit la règle du duet n L= 8 n E si l atome suit la règle de l octet Calculer le nombre de doublets non liants de chaque atome n NL = (n E n L ) /2 On peut alors dessiner la représentation de Lewis : Placer le(s) doublet(s) liant(s) entre les atomes de la molécule (liaisons covalentes) Placer le(s) doublet(s) non liant(s) autour des atomes qui en possèdent. Vérifier que chacun des atomes de la molécule satisfait à la règle de l octet en étant entouré de 4 doublets (ou d un seul doublet) pour la règle du duet 2
CE QUI POUR LA MOLECULE D EAU SE RESUME A : PARTIE B Document 3 Une histoire de géométrie En lisant une revue, Sacha apprend que le diamant est constitué uniquement d atomes de carbone tout comme le graphite ou le charbon! Pour expliquer la différence de dureté des matériaux, deux schémas sont proposés ci-dessous : Sacha constate alors que l agencement des atomes entre eux est différent dans les deux cas : c est certainement l origine des différences d aspect et de propriétés. Mais alors comment prévoir la répartition spatiale des atomes dans une molécule? Document 4 Des hypothèses? «Les atomes se répartissent au hasard, un peu comme dans la nature.». «Cela va dépendre de la taille des atomes, ils se font une place là où ils peuvent.» «Cela va dépendre du nombre d atomes engagés dans la molécule.» Document 5 En 1875, Charles Augustin.Coulomb énonce que deux corps chargés électriquement sont soumis à des interactions électriques : - attractives si leurs charges sont de signes opposés - répulsives si leurs charges sont de même signe. 3
Questions 13- Quel est le signe de la charge électrique des doublets liants et non liants portés par un atome? Les doublets sont chargés négativement car ils sont composés d électrons de charge négative. En déduire le comportement électrique des doublets les uns par rapport aux autres. Les doublets tous négatifs sont de même charge, ils vont donc se repousser entre eux. 14- Que peut-on dire alors de la distance entre les atomes liés à un même atome, que l on appelle atome «central»? Les atomes liés à l atome central vont donc être situés le plus loin possible les uns des autres. Les molécules de méthane, d ammoniac, d eau et de méthanal ont respectivement les représentations de Lewis suivantes : 15- Dénombrer les doublets liants et non liants autour de l atome central de chacune des molécules ci-dessus. Molécule de méthane : 4 doublets liants, aucun doublet non liant. Molécule d ammoniac : 3 doublets liants, 1 doublet non liant. Molécule d eau : 2 doublets liants, 2 doublets non liants. Molécule de méthanal : 4 doubelts liants, 2 doublets non liants. REALISER 16- En utilisant le matériel à votre disposition, proposer pour chaque molécule, le seul modèle dans lequel les atomes et les extrémités des doublets non liants ( ou libres) liés à l atome central sont tous équidistants les uns des autres. 17- Trois des molécules, bien qu ayant des doublets liants et non liants en nombre différent, présentent une répartition similaire. Lesquelles? Ce sont les molécules de méthane, d ammoniac et d eau dont la géométrie se déduit d un tétraèdre à la base. 4
COMMUNIQUER 18- Dessiner chaque molécule en perspective et relier en pointillés les extrémités de tous les doublets entre eux. Il apparaît un polyèdre : décrire et nommer ce polyèdre. ( Polyèdre : forme géométrique à trois dimensions ( un solide géométrique) ayant des faces planes polygonales qui se rencontrent selon des segments de droite qu on appelle arêtes. ) REALISER 19- En utilisant une boîte de modèle moléculaire mise à votre disposition, construire les trois molécules proposées. VALIDER 20- Leurs formes sont -elles en accord avec celles trouvées à la question 18? Oui ce sont bien les géormétries dessinées précédemment. S APPROPRIER 21- Pour chaque schéma ( a ) et ( b ) du document 3, indiquer si la répartition des atomes de carbone autour d un atome de carbone donné, ressemble à celle du méthane ou à celle du méthanal. Le méthane a la même géométrie tétraédrique que la structure du diamant. Le méthanal a la même géométrie plane que la structure du graphite. COMMUNIQUER 22- Expliquer en quoi la géométrie des molécules peut justifier la différence de dureté entre le diamant et le graphite? L enchaînement tridimensionnel tétraédrique des atomes de carbone au sein du diamant explique la grande solidité de ce dernier.la structure est difficilement déformable. Dans le cas du graphite, la structure plane en forme de feuillets explique la friabilité. Les feuillets peuvent facilement glisser les uns parrapport aux autres. -------- FIN ------- 5