1e Spécialité Physique Chimie

CHAPITRE 4

DE LA STRUCTURE À LAPOLARITÉ D’UNE ENTITÉ

EXERCICES

Wulfran Fortin

Liste des exercices

1

1 Schéma de Lewis

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8

Exercice 9

Exercice 10

Exercice 11

Exercice 12

Exercice 13

2 Polarité des entités

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

2

1 Schéma de Lewis

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 1

Énoncé

Établir le schéma de Lewis de molécules etd’ions mono ou poly atomiques à partir dutableau périodique

1. O2

2. H2

3. N2

4. H2O

5. CO2

6. NH3

7. CH4

8. HCl

9. H+

10. H3O+

11. Na+

12. NH+4

1 SCHÉMA DE LEWIS

13. Cl−

14. OH−

15. O2−

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

1. O O2. H H3. N N4. OH H

5. O C O

6. N H

H

H

7. C H

H

H

H8. H Cl

9. H+

1 SCHÉMA DE LEWIS

10.

O HH

H

+

11. Na+

12.

N H

H

H

H

+

13. Cl −

14.�

H O�−

15. O 2−

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 2

Énoncé

D’après Belin 2019.Voici le schéma de Lewis proposé par unélève pour l’aminonitrile

N C C

H

H

N

H

Ha. Donner sa formule brute.b. Déterminer le nombre total d’électrons devalence des atomes présents dans cettemolécule.c. En déduire le nombre de doublets forméspuis vérifier s’il correspond au schéma deLewis proposé. Sinon, indiquer les correc-tions nécessaires.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. C2H4N2b. Le carbone possède 4 électrons de va-lence, l’hydrogène un seul et l’azote 5. Il y aen tout dans cette molécule 2×4+4×1+2× 5= 22 électrons de valence.c. Il doit y avoir 11 doublets électroniques, oril en manque trois sur le schéma proposé,il faut le corriger car il manque une liaisonentre le carbone et l’azote, ainsi qu’un dou-blet non liant sur le deuxième azote.

N C C

H

H

N

H

H

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 3

Énoncé

D’après Belin 2019.Le trichlorure d’azote NCl3 est un gaz quise forme dans les halls des piscines suiteaux réactions entre le dichlore et des com-posés azotés. Donner les schémas de Le-wis du dichlore et du trichlorure d’azote.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

Le dichlore comporte 14 électrons de va-lence (7 par atome de chlore), il y a donc7 doublets à répartir.

Cl Cl

Le trichlorure d’azote comporte 26 électronsde valence (7 par atome de chlore et 5 pourl’azote), il y a donc 13 doublets à répartir.

Cl N Cl

Cl

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 4

Énoncé

D’après Belin 2019.L’ion nitronium a pour formule NO+2 .a. Déterminer le nombre d’électrons de va-lence de cet ion.b. En déduire le nombre de doublets liantset non liants.c. Proposer un schéma de Lewis pour cetion.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. Il y a 5 électrons de valence pour l’azote,6 pour l’oxygène. Il faudra retirer ensuite 1électron pour avoir une charge finale +1pour le cation. Donc on a en tout Nv = 5+2 × 6 − 1 = 16 électrons de valence dansce cation.b. Il y aura donc Nv

2 = 8 doublets à répartir.c.

�

O= N = O�+

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 5

Énoncé

D’après Belin 2019.Représenter les schémas de Lewis des gaznobles hélium He et xénon X e.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

La couche de valence les gaz nobles estpleine, saturée, donc 4 doublets autour duxénon et un autour de l’hélium.

He Xe

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 6

Énoncé

D’après Belin 2019.Le diméthyldichlorosilane est un gaz trèsinflammable utilisé lors de la synthèse dessilicones. La formule brute de ce gaz estSiC l2C2H6.L’atome de silicium est au centre, deuxgroupes CH3

et Cl lui sont ratta-

chés.a. Établir la configuration électronique detous les atomes de cette molécule sachantque l’ordre de remplissage des orbitales ato-miques est 1s2s2p3s3p.b. Établir le schéma de Lewis de cette mo-lécule.c. Préciser si cette molécule comporte desliaisons polarisées.d. Déterminer si cette molécule est polaire.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. Configurations électroniques des atomes— H : 1s1

— C : 1s22s22p2

— Si : 1s22s22p63s23p2

— Cl : 1s22s22p63s23p5

b. Électrons de valence pour chaque atome— H : 1 électron— C : 4 électrons— Si : 4 électrons— Cl : 7 électrons

Il y a en tout Nv = 4+2×7+2×4+6×1=32 électrons de valence dans la molécule,soit 16 doublets à répartir.

Si

Cl

Cl

CH

H

H

C H

H

H

c. Les liaisons Cl Si sont polarisées carla différence d’électronégativité estsupérieure à 0.4.

1 SCHÉMA DE LEWIS

d. La molécule est polaire, car les deux liai-sons Cl Si ne sont pas alignées autourde Si (géométrie tétraédrique), et donc ellesne se compensent pas, il reste une polarisa-tion globale pour cette molécule.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 7

Énoncé

D’après Belin 2019.La phosphine de formule PH3 est un agentde fumigation utilisé pour traiter les denréesalimentaires stockées.a. L’atome de phosphore se situe dans lamême colonne que l’azote. Donner leschéma de Lewis de la phosphine.b. Justifier la géométrie pyramidale à basetriangulaire de cette molécule.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. Le phosphore, comme l’azote, a 5 élec-trons de valence. L’hydrogène a un seulélectron de valence. Donc la molécule a entout 5+ 3× 1= 8 électrons de valence, il yaura alors 4 doublets à répartir.

P HH

Hc. Parmi les 4 doublets autour duphosphore, un est non liant, il va repous-ser différemment ses voisins, et la géomé-trie n’est plus tétraédrique mais tend verscelle de la pyramide à base triangulaire.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 8

Énoncé

D’après Belin 2019.À partir de la 3eligne de la classification pé-riodique, certains atomes peuvent s’entou-rer de plus de 8 électrons du fait de la pré-sence d’autres orbitales atomiques. C’est lecas du phosphore de la molécule de trichlo-rure de phosphoryle qui a pour schéma deLewis

P ClCl

Cl

O

a. Justifier la géométrie tétraédrique decette molécule.b. L’angle ÙClPCl est de 103o. Justifierl’écart de valeur par rapport à l’angle de109o dans la molécule de méthane CH4.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. L’atome central est relié à 4 autresatomes ce qui forme une structuretétraédrique.b. L’angle est différent car une des liaisonsest différente : c’est une double liaison avecun atome différent, l’angle ne peut donc êtreidentique.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 9

Énoncé

D’après Belin 2019.L’ion cyanate a pour formule OCN−. Sonschéma de Lewis est

�

O C N�−

a. Dénombrer le nombre d’électrons de va-lence dans cet ion.b. Vérifier que chaque atome est bien en-touré d’un nombre correct de doubletsd’électrons.c. Justifier la géométrie linéaire de l’ion cya-nate.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. L’oxygène a 6 électrons de valence, lecarbone en a 4 et l’azote 5. Il y a un élec-tron supplémentaire dans cet anion. Donc ily a en tout 16 électrons de valence dans cetion.b. Il doit y avoir en tout 8 doublets dans cetion, de plus, les atomes C et N doivent avoir4 doublets autour d’eux, et pour l’hydrogène1 doublet. On constate que toutes cesconditions sont vérifiées dans le schéma deLewis proposé.c. Le carbone n’engage que deux liaisonsavec deux atomes différents. Ces liaisonsvont se repousser, et l’optimum de répulsionest obtenu pour une géométrie linéaire.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 10

Énoncé

D’après Belin 2019.L’ion amidure est un anion de formule NH−2 .a. Donner le schéma de Lewis de cet ion.b. En déduire sa géométrie.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. L’azote a 5 électrons de valence, l’hydro-gène 1 et il y a 1 électron supplémentairedans l’anion. On a donc Nv = 5+1+1+1=8 électrons de valence, et donc 4 doubletsdans cet anion.

�

H N H�−

b. Il y a deux doublets liants et deux nonliants autour de N , la structure de l’ion estcoudée.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 11

Énoncé

D’après Hatier 2019.L’oxygène existe sous la forme de l’ionoxyde O2−.a. Donner le schéma de Lewis de cet ion.b. Combien de doublets non liants possède-t-il ?

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. O 2−.

b. Il possède 4 doublets non liants, puisqueaucun n’est engagé dans une liaison cova-lente.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 12

Énoncé

D’après Hatier 2019.Le diazote N2 est le composant gazeux ma-joritaire de l’atmosphère terrestre.a. Donner le schéma de Lewis.b. La molécule possède-t-elle des doubletsnon liants ?

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a.

N N

b. Elle possède deux doublets non liants,placés chacun sur un atome d’azote.

1 SCHÉMA DE LEWIS

Exercice 13

Énoncé

D’après Hatier 2019.La molécule de méthanal a pour formulebrute CH2O.a. Donner le schéma de Lewis de la molé-cule.b. Combien de doublets entourent l’atomecentral ?c. Quelle est la géométrie de la molécule ?d. La molécule est-elle plane ?

1 SCHÉMA DE LEWIS

Correction

a. Le carbone a 4 électrons de valence, l’hy-drogène 1 et l’oxygène 2. Donc la moléculepossède Nv = 4+2×1+6= 12 électronsde valences qui formeront 6 doublets.

CH

HO

b. Il y a 4 doublets liants entourant le car-bone.c. C’est une géométrie triangulaire car il ya trois liaisons (dont une double) dans l’es-pace et l’optimum de répulsion est atteintdans la configuration triangulaire.d. Elle est plane, un triangle définit naturel-lement un plan.

2 Polarité des entités

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Exercice 1

Énoncé

D’après Belin 2019.La molécule de sulfure d’hydrogène a pourformule brute H2S.a. Écrire son schéma de Lewis.b. Montrer que les liaisons sont polarisées.c. Représenter les charges partielles asso-ciées à ces liaisons.d. La molécule de sulfure d’hydrogène est-elle polaire ?

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Correction

a.

H S H

b. χS − χH = 2.6 − 2.2 = 0.4 ≥ 0.4 laliaison est donc polaire.c.

+δH−2δS

+δH

d. Comme la molécule est coudée, les liai-sons polarisées ne se compensent pas, etdonc la molécule est polaire.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Exercice 2

Énoncé

D’après Belin 2019.Le tri-fluorure de bore BF3 est une molé-cule triangulaire plane, alors que celle dutri-fluorure d’azote N F3 est pyramidale. Voirfigure 1.

a) b)

Figure 1 – a) tri-fluorure de bore, b) tri-fluorured’azote

a. Rechercher les liaisons polarisées dansces deux molécules et justifier la réponse.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

b. Placer les charges partielles sur les liai-sons polaires.c. Indiquer la molécule polaire et la molé-cule apolaire en expliquant votre réponse.d. Quel atome de ces deux molécules pos-sède une lacune électronique, justifier.e. Interpréter la géométrie de chaque molé-cule.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Correction

a.— Liaison F BχF − χB = 4.0 − 2.0 = 2.0 ≥ 0.4polarisée

— Liaison F NχF − χN = 4.0 − 3.0 = 1.0 ≥ 0.4polarisée

b. L’élément le plus électronégatif est lefluor, il attire à lui les électrons de la liaison.

−δF

+δB

−δF

+δN

c. Voir figure 2. La molécule apolaire est laa) car les liaisons polarisées secompensent, du fait de la symétrie triangu-laire des liaisons, ce qui n’est pas le cas dela molécule b), les polarisations s’ajoutentpartiellement à cause de la structure pyra-midale.d. On dessine le schéma de Lewis pour

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

a) b)

Figure 2 – a) tri-fluorure de bore apolaire, b) tri-fluorure d’azote polaire

chaque molécule. On constate que pour lebore, il y a une lacune électronique.

B F

F

F

N F

F

F

e. La molécule BF3 est plane triangulaire

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

car le bore n’est entouré que de trois dou-blets, alors que N F3 est pyramidale, l’azoteétant entouré par 4 doublets (liants et unnon liant).

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Exercice 3

Énoncé

D’après Belin 2019.Un acide de Lewis est une entité chimiqueayant un atome possédant une lacune élec-tronique.a. Expliquer pourquoi l’ion hydrogène H+

est un acide de Lewis.b. Justifier le nom de proton donné à cet ion.c. L’ammoniac est une base et peut cap-ter un proton pour former un ion ammoniumNH+4 . Expliquer la formation de cet ion àpartir d’une molécule d’ammoniac en exploi-tant leurs schémas de Lewis.

N HH

H

N

H

HH

H

+

d. Proposer le schéma de Lewis du chlorure

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

d’aluminium AlCl3 et montrer qu’il s’agitd’un acide de Lewis.e. Le chlorure d’aluminium peut réagir avecun ion chlorure pour former un ion tétrachlo-roaluminate (III) de formule AlCl−4 . Donnerle schéma de Lewis de l’ion chlorure puisexpliquer la formation de l’ion AlCl−4 à partirde chlorure d’aluminium.f. Justifier la géométrie tétraédrique de l’iontétrachloroaluminate (III).

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Correction

a. L’ion H+ n’est pas stable, il doit ressem-bler à l’hélium qui possède un doublet sursa couche de valence. Il manque donc deuxélectrons à l’ion hydrogène, il y a une lacuneélectronique.b. L’atome d’hydrogène se compose d’unproton et d’un électron. Si on arrache cetélectron, on obtient l’ion H+ qui se résumesimplement au proton, le noyau de l’atomed’hydrogène.c. L’ion H+ va capturer les électrons du dou-blet non liant de l’azote dans l’ammoniaqueet il se formera une liaison. Voir figure 3.d. Al possède 3 électrons sur sa couchede valence, Cl en possède 7 il y a doncNv = 3+ 3× 7 = 24 électrons de valencedans la molécule, soit 12 doublets à distri-buer. Al ne sera entouré que de 3 doublets,il a une lacune électronique et est un acidede Lewis.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

N

H

H+H H N

H

H

H H

+

Figure 3 – Capture du doublet non liant par leproton.

Al ClCl

Cl

e. L’ion chlorure Cl− a pour schéma de Le-wis Cl −. Le chlorure d’aluminium va captu-rer le doublet électronique sur le chlore pourformer une liaison. Voir figure 4.f. L’ion a une structure tétraédrique car l’alu-minium est entouré par quatre doubletsliants identiques.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Al

Cl

Cl -

Cl Cl Al

Cl

Cl

Cl Cl

-

Figure 4 – Capture du doublet non liant parAlCl3.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Exercice 4

Énoncé

D’après Hatier 2019.On considère les deux molécules CO2 etSO2.a. Nommer ces molécules.b. Donner le schéma de Lewis de la molé-cule de CO2.c. Expliquer pourquoi la molécule estlinéaire.d. SO2 a un schéma de Lewis similaire àcelui de CO2 mais la molécule est coudée.Elle possède en plus un doublet non liantsur l’atome de soufre. Donner son schémade Lewis.e. Ces molécules possèdent-elles des liai-sons polarisées ?f. Ces molécules sont-elles polaires ?

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

Correction

a. Dioxyde de carbone et dioxyde de soufre.b.

O C O

c. Le carbone n’engage que deux liaisonset n’a aucun doublet non liant. Les deux liai-sons se repoussent et l’optimum est atteintpour la configuration linéaire.d. L’oxygène et le soufre ont 6 électrons devalence, il y a donc en tout 18 électrons quiformeront 9 doublets.

O S O

On observe qu’il y a 5 doublets autour dusoufre, car il appartient à la troisième pé-riode et donc il peut y avoir l’interventiond’électrons d’orbitales supplémentaires.e. On calcule la différence d’électronégati-vité pour les couples d’atomes

— liaison C −O : χO−χC = 1.0 polari-sée.

2 POLARITÉ DES ENTITÉS

— liaison S −O : χO −χS = 0.9 polari-sée.

f. CO2 est apolaire, les polarisations des liai-sons se compensent. SO2 est polaire carelle est coudée et les polarisations des deuxliaisons ne se compensent pas, et donc glo-balement, la molécule garde une polarisa-tion.