Transcript Chapitre 3

Chapitre 3 : Représentation de Lewis
Activité 1 : De la formule développée à la formule topologique
Nous avons vu en seconde l’écriture d’une molécule en utilisant la formule développée ou semidéveloppée. Nous allons étudier cette année une nouvelle représentation de ces molécules.
1. Compléter le tableau ci-dessous
Nombre de carbone
Formule développée
2
H
H
H
C
C
H
3
H
6
H
H3C
H
CH3
Formule brute
C2H6
H
H
H
H
C
C
C
H
Formule semi-développée
H
H3C
H
CH2
CH3
C3H8
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C6H14
2. Squelette carboné
a. Le squelette carboné d’une molécule est l’enchaînement des atomes de la molécule. Par
exemple :
Formule brute
Squelette carboné
Formule semi-développée
Ecriture topologique
H3C
CH3
C–C
C2H6
H3C
CH2
CH3
C–C–C
C3H8
H
C
CH
CH
CH3
C–C–C–C
C4H10
3
2
2
CH4
C
CH4
H3C
CH2 CH2 CH2 CH3
C–C–C–C–C
C5H12
C–C–C
H3C CH CH3
|
C4H10
CH3
C
C–C–C–C
H3C
CH CH CH3
|
|
C6H14
H3C
CH3
C C
b. Proposer plusieurs squelettes carbonés pour des molécules possédant cinq atomes de carbone
3. Ecriture topologique
Une convention, appelée écriture topologique, permet de représenter rapidement des molécules.
L’écriture topologique se base sur la notion de squelette carboné.
On passe d’un squelette carboné à une écriture topologique en ne traçant que les liaisons chimiques
entre les atomes de carbone du squelette carboné.
L’exemple suivant illustre l’équivalence entre les deux écritures :
C–C–C
|
C
Par convention, une écriture topologique est une ligne brisée constituée de segments de droite de
même longueur. Les extrémités et les intersections des segments correspondent à la position d’un
atome de carbone.
a. Rajouter une colonne dans le tableau de la question 2.a. et donner si possible l’écriture
topologique des molécules.
b. Pourquoi n’utilise-t-on pas l’écriture topologique pour le méthane ?
On n’utilise pas l’écriture topologique pour le méthane car il n’y a qu’un atome de carbone.
4. Equivalence d’écritures topologiques
a. Montrer que les écritures suivantes sont équivalentes
Ces écritures sont équivalentes : leur chaine carbonée la plus longue a cinq atomes de carbones et ces
molécules ont toutes une ramification sur le deuxième atome de carbone.
b. Les écritures suivantes sont-elles équivalentes ?

et

et
: Ces écritures ne sont pas équivalentes (2°/3°)
: Ces écritures sont équivalentes (2°)
c. Proposer trois écritures topologiques non équivalentes correspondant à la formule
brute C5H12.
Activité 2 : La représentation de Lewis
1. Méthode de détermination de la représentation de Lewis d’une molécule




Ecrire le nom et la formule brute de la molécule
Ecrire la structure électronique de chaque atome
Trouver le nombre d’électrons de la couche externe pour chaque atome
Trouver le nombre de liaisons covalentes (doublets liants) que doit établir chaque atome
pour acquérir une structure en octet ou duet suivant la règle à laquelle il est soumis
 Ecrire la formule développée de la molécule avec toutes les liaisons covalentes
 Ajouter les doublets non liants pour que les atomes (sauf H) aient quatre doublets en tout
(liants ou non).
2. Application
a. Compléter le tableau suivant :
Atome
H
Numéro atomique Z
1
Structure électronique
(K)1
Nombre d’électrons sur la couche externe
1
Nombre de liaisons covalentes
1
Nom
Formule
Représentation
de Lewis
C
6
(K)² (L)4
4
4
N
7
(K)² (L)5
5
3
b. Etablir la représentation de Lewis des molécules suivantes
Chlorure
Acide
Dioxygène
Diazote
d’hydrogène
hypochloreux
HCl
O2
N2
HOCl
Cl
O
H
O
N
N
H
O
Cl
O
8
(K)² (L)6
6
2
Dioxyde de
carbone
CO2
O
C
O
Cl
17
(K)2 (L)8 (M)7
7
1
Acide nitreux
HNO2
H
O
Activité 3 : Géométrie des molécules
1. Utilisation d’un logiciel de simulation
Dans le logiciel Chemsketch :
 Cliquer sur l’écran, la formule du méthane (CH4) apparaît
 Cliquer sur
pour exporter la molécule
 Cliquer sur l’icône
pour voir la molécule en 3D
 Cliquer sur
pour la mettre en rotation
 Retourner dans Chemsketch en cliquant en bas à gauche ou en fermant la fenêtre
 Construire la molécule d’eau H2O : Cliquer sur H, puis, puis sur l’écran.
Répéter les opérations précédentes pour cette molécule
 Construire la molécule d’ammoniac NH3 : Cliquer sur N puis sur l’écran
Répéter les opérations précédentes pour cette molécule
Examiner la disposition des atomes autour de l’atome central. Comment pourrait-on qualifier
géométriquement la disposition de ces atomes ?
Méthane : Tétraédrique
Eau : Plane coudée
Ammoniac : Pyramidale
2. Utilisation des modèles moléculaires
 Réaliser le modèle du butène de formule brute C4H8, hydrocarbure comprenant une double
liaison C = C
 Comparer le modèle moléculaire obtenu avec ceux obtenus par les autres élèves de la classe.
Combien de modèles différents peut-on construire ? Comment se différencient-ils ?
On peut construire 4 modèles différents, qui se différencient par la longueur de la chaîne, la position
de la double liaison et la position de CH3 par rapport à la double liaison.
Repérer les isomères Z et E. Les représenter.
Isomère Z :
H
H
C
H3C
Isomère E :
H
CH3
C
C
CH3
H3C
C
H
N
O
Activité 4 : Isomérisation photochimique de l’acide maléique
L’acide maléique est le nom courant de l’acide (Z)-butènedioïque. Il se transforme en son isomère (E),
l’acide fumarique, sous l’action de la lumière.
Expérience :
 A l’aide d’un sabot de pesée, peser 3,0 g d’acide maléique
 Les dissoudre dans 20 mL d’eau, préalablement mesurés à l’éprouvette
 Introduire 4 mL d’eau de dibrome
 Partager le contenu dans deux béchers
 Placer un bécher sous la lampe UV, l’autre sous un cache
Exploitation :
a. Donner la formule développée de l’acide (E)-butènedioïque
O
O
C
H
H
C
C
H
C
O
O
H
b. A l’aide du tableau suivant, justifier l’apparition d’un précipité
Données
(Z)-butènedioïque (E)-butènedioïque
Température de fusion (°C)
130
286
-1
Solubilité dans l’eau à 25°C (g∙L )
780
6,3
Densité
1,59
1,62
L’(E)-butènedioïque apparait : il est
peu soluble dans l’eau, c’est pourquoi
il y a apparition d’un précipité
c. Proposer une expérience permettant d’identifier la nature du solide obtenu
 Filtrer le solide
 Déposer le solide sur le banc Kofler
d. En comparant les résultats des différents groupes, pourquoi peut-on dire que la réaction est
une réaction photochimique ?
L’acide (E)-butènedioïque n’apparait que sous la lampe à UV. Cela justifie bien le fait que la réaction
est une réaction photochimique.
Activité 5 : Mécanisme de la vision
L’isomérisation photochimique est également à l’origine du processus de la vision. Différentes
transformations se produisent dans les cellules photoréceptrices de l’œil recevant la lumière.
Le rétinal est une molécule présente dans les cônes et les bâtonnes.
L’isomère Z du rétinal peut s’associer à une protéine, l’opsine, pour former la rhodopsine.
Lorsqu’un photon est absorbé par la rhodopsine, le Z-rétinal se transforme en E-rétinal. Cette
isomérisation provoque d’importantes modifications géométriques au niveau de la protéine opsine qui
se détache alors du rétinal, ce que notre cerveau interprète comme de la lumière. Afin que les cônes
et les bâtonnets puissent à nouveau recevoir de la lumière, la rhodopsine est régénérée : le E-rétinal
se retransforme spontanément (sans photon) en Z-rétinal. Cette transformation a lieu grâce à une
enzyme présente dans l’œil, la rétinal isomérase.
On donne la formule développée de la molécule Z-rétinal. Sachant que l’isomérisation photochimique
du rétinal concerne les atomes rouges, représenter la molécule E-rétinal.
Z-rétinal
H3C
CH3
C
H2C
CH
C
H2C
CH3
H
C
C
CH
CH
CH
CH2
H
C
C
H3C
H
C
C
H
O
E-rétinal
H3C
CH3
C
CH
H2C
C
H2C
CH
CH3
H
C
C
CH
CH
CH3
O
C
C
C
C
H
H
H
CH2
COURS :
I-
De l’atome à la molécule
1) Les électrons externes d’un atome
Nous avons vu en classe de seconde la répartition des électrons sur les couches électroniques. Les
électrons qui appartiennent à la dernière couche occupée sont appelés électrons externes. Ce sont eux
qui interviennent pour la réalisation de liaison covalente.
Atome
H
C
N
O
Numéro atomique
1
6
7
8
1
4
5
Structure électronique
(K)
(K)² (L)
(K)² (L)
(K)² (L)6
Nombre d’électrons externes
1
4
5
6
2) La liaison covalente (ou doublet liant)
Une liaison covalente simple ou doublet liant est une interaction attractive entre deux atomes voisins
qui mettent en commun deux électrons externes (chaque atome apporte un électron).
La formation de ces liaisons covalentes permet à chaque atome d’avoir une structure stable en octet
(8 électrons sur la couche externe L ou M) ou en duet (2 électrons sur la couche K).
Remarque : Une liaison est dite double, si pour avoir une structure en octet, les deux atomes engagent
deux électrons chacun. Une liaison est dite triple, si pour avoir une structure en octet, les deux atomes
engagent trois électrons chacun.
3) Le doublet liant
Les électrons externes non engagés dans des liaisons covalentes sont regroupés par paires appelées
doublets non liants.
4) Formule de Lewis
La formule de Lewis ou la représentation de Lewis d’une molécule fait apparaitre l’ensemble des
atomes présents dans une molécule ainsi que tous les électrons externes de ces atomes.
Dans les molécules habituelles, les électrons externes sont regroupés en doublet.
Exemple : Représentation de Lewis de la molécule d’eau
O
H
II-
H
Géométrie des molécules possédant un atome central
1) Disposition spatiale des doublets
De nombreuses molécules sont constituées d’un atome central lié à d’autres atomes par des liaisons
simples. Les doublets liants en non liants de l’atome central, chargé négativement, se repoussent. La
géométrie de la molécule correspond à la disposition spatiale qui éloigne au maximum les doublets
deux à deux.Dans le cas où l’atome est entouré de 4 doublets, il se trouve au centre d’un tétraèdre et
les doublets suivants les 4 directions joignant le centre du tétraèdre à ses sommets.
2) Application à quelques molécules
Molécules
Méthane
H
Représentation de Lewis
Doublets de l’atome
central
H
C
Ammoniac
H
N
Eau
H
H
O
H
H
H
H
4 liaisons simples
3 liaisons simples
1 doublet non liant
2 liaisons simples
2 doublets non liants
Molécule tétraédrique
Molécule pyramidale
Molécule plane coudée
Répartition des doublets
Forme de la molécule
3) Représentation de Cram
La représentation de Cram permet de représenter l’aspect tridimensionnel d’une molécule.
Convention d’écriture :
Liaison dans le plan
Liaison en arrière du plan
Liaison en avant du plan
Exemples :
Méthane
III-
Ammoniac
Isomérie Z/E
La rotation autour d’une liaison double liaison C = C est impossible.
Isomère Z (zusammen = ensemble)
IV-
R
R
H
H
1
Isomère E (entgegen = opposé)
R
H
H
R
1
Isomérisation photochimique Z/E
L’isomérisation Z/E est le passage d’un isomère Z à un isomère E. Cette réaction chimique peut être
par l’action de la lumière. Elle est alors qualifiée de photochimique.
Exemple : L’isomérisation photochimique du rétinal est à l’origine du processus de la vision.
Ce qu’il faut retenir du chapitre 3 :
 Décrire à l’aide des règles de l’octet et du duet les liaisons que peuvent établir un atome (C, N,
H, O) avec un atome voisin.
 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.
 Recueillir et exploiter des informations sur les colorants, leur utilisation dans différents
domaines et les méthodes de détermination des structures (molécules photochromes,
indicateurs colorés, peinture, …)
 Mettre en œuvre le protocole de réaction photochimique