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Page 1 Cours Atomes, ions, molécules et fonctions Exercices_Séance 23 novembre

Page 1 Cours Atomes, ions, molécules et fonctions Exercices_Séance 23 novembre 2018 Exercice 1 (13 points) Les composés suivants sont corrects du point de vue de la connectivité, mais pas du point de vue des angles de liaisons. Complétez les structures par les atomes de H et les paires d'électrons manquantes, puis proposez une structure plus précise en trois dimensions à l'aide du modèle VSEPR. (11 points) Une des molécules ne suit pas la règle de l'octet: laquelle? Pourquoi est-ce possible? (2 points) Exercice 2 (19 points) a) Déterminer le degré d’insaturation et dessiner les isomères de constitution en incluant la structure en trois dimensions pour la formule brute C3H5F. (11 points) b) Dessiner au moins 3 isomères de constitution pour H3PO4. Analysez vos propositions du point de vue de la stabilité : est-ce que l’une de vos structures est particulièrement probable/stable ? Si non, essayez de proposer une structure plus stable (il n’existe en réalité qu’un seul isomère de constitution stable). La structure en trois dimensions n’est pas demandée pour cet exercice. (8 points) Attention : la formule pour le degré d’insaturation n’est valable que pour les éléments de la première et deuxième rangée, car elle résulte de l’octet. Pour ceux/celles qui veulent aller plus loin: comment corriger la formule en cas d'éléments pouvant excéder l'octet? Exercice 3 (12 points) Les molécules suivantes sont utilisées dans le TP séparation par extraction Dessiner la structure majoritaire à pH 0, 7 et 14 en vous basant sur les valeurs pKa et pKaH données pour les groupes fonctionnels. Indiquez quelles molécules seront dans la phase organique et lesquelles dans la phase aqueuse à chaque pH. INSTITUT DES SCIENCES ET INGENIERIE CHIMIQUES EPFL ISIC Prof. Jérôme Waser Bât BCH 4306 CH 1015 Lausanne Téléphone : Fax : E-mail : Site web : +4121 693 93 88 +4121 693 97 00 jerome.waser@epfl.ch http://lcso.epfl.ch Page 1 Cours Atomes, ions, molécules et fonctions I Solutions Exercices_Séance n°1_23 novembre 2018 Exercice 1 (13 points) Les composés suivants sont corrects du point de vue de la connectivité, mais pas du point de vue des angles de liaisons. Complétez les structures par les atomes de H et les paires d'électrons manquantes, puis proposez une structure plus précise à l'aide du modèle VSEPR. (11 points). Etape 1: En utilisant les valences des atomes, ajouter les atomes d'hydrogène et les paires d'électrons manquantes. Par convention en chimie organique, seuls les atomes d'hydrogène sur les atomes de carbone ne sont pas dessinés. Contrôler soigneusement les électrons de valence et la règle de l'octet (entre parenthèse, l'exception est l'hydrogène, qui a un électron de valence et 2 électrons pour atteindre la structure de l'hélium (non dessiné pour ne pas surcharger le dessin)). Les électrons de valence sont ceux directement liés à l'atome (les paires d'électrons et un électron de chaque liaison). Pour contrôler l'octet, les 2 électrons des liaisons sont comptés. Etape 2: Compter le nombre de substituants liés à chaque atome. Attention, les paires d'électrons comptent également comme substituants! (l'hydrogène a seulement un substituant, pas dessiné pour ne pas surcharger le dessin) Etape 3: En utilisant le modèle VSEPR, dessiner la géométrie correcte (4 substituants = tétraédrique, 3 substituants = trigonal, 2 substituants = linéaire). La meilleure façon de limiter les répulsions électron-électron pour les longues chaines est la structure en zig-zag ci-dessous. INSTITUT DES SCIENCES ET INGENIERIE CHIMIQUES EPFL ISIC Prof. Jérôme Waser Bât BCH 4306 CH 1015 Lausanne Téléphone : Fax : E-mail : Site web : +4121 693 93 88 +4121 693 97 00 jerome.waser@epfl.ch http://lcso.epfl.ch Page 2 [Barème : 1 point pour la justification : 4 substituants = tétraédrique, 3 substituants = trigonal, 2 points pour chaque structure (- 1 point par centre incorrect). 11 points au total] Une des molécules ne suit pas la règle de l'octet: laquelle? Pourquoi est-ce possible? (2 points) Comme déjà remarqué lors de l'étape 1, la règle de l'octet n'est pas respectée sur le soufre pour le diméthyl sulfone: il y a 12 électrons! Cela est possible car le soufre appartient à la 3ème rangée, pour laquelle la règle de l'octet n'est plus valable. [Barème : 1 point pour la réponse, 1 point pour la justification] Remarque: Les 3 étapes décrites dans cet exercice sont très importantes en chimie organique et seront réutilisées pratiquement pour tous les exercices, même si elles ne seront plus décrites autant en détails. Avec l’expérience, vous serez capable de passer directement à la structure finale. Exercice 2 (19 points) a) Déterminer le degré d’insaturation et dessiner les isomères de constitution pour la formule brute C3H5F. (11 points). Etape 1 : Valences : C = 4, H = 1, F = 1, Donc 3 atomes avec 4 électrons de valence libre et 6 atomes avec 1 électron de valence libre. Etape 2 : Degré d’insaturation : I = (2 + 2 * 3 – 1 * 6)/2 = 1 : donc un degré d’insaturation (une double liaison ou un cycle). [barème : 1 point pour la formule et les valences et 1 point pour la réponse] Etape 3 : Dessiner les connectivités possibles : Avec l’aide du degré d’insaturation et des valences, il est possible de dessiner les isomères de constitution, ils doivent contenir soit une double liaison, soit un cycle. La double liaison doit être entre les atomes de carbone, il suffit ensuite de déplacer l’atome de fluor pour obtenir les Page 3 différentes possibilités (3 possibilités, déplacer la double liaison conduit au même résultat). Une seule molécule cyclique est possible. [barème : 1 point par isomère (4 points)] Etape 4 : Passer en trois dimensions avec VSEPR : Les carbones avec 3 substituants sont trigonaux, les carbones avec 4 substituants sont tétraédriques. Les structures en 3 dimensions font apparaitre également d’autres possibilités d’isomérie qui seront discutées en détail dans la deuxième partie du cours : les conformations obtenues en tournant autour des liaisons simples (un procédé très rapide à température ambiante qui ne résulte pas en des molécules qui peuvent être isolées) et les isomères de géométrie pour les doubles liaisons, qui sont stables à température ambiante. [barème : 1 point pour la justification : 4 substituants = tétraédrique, 3 substituants = trigonal, 1 point par structure (4 points). La description des isomères de géométrie n’est pas encore requise à ce point du cours] b) Dessiner au moins 3 isomères de constitution pour H3PO4. Analysez vos propositions du point de vue de la stabilité : est-ce que l’une de vos structures est particulièrement probable/stable ? Si non, essayez de proposer une structure plus stable (il n’existe en réalité qu’un seul isomère de constitution stable). La structure en trois dimensions n’est pas demandée pour cet exercice. (8 points) Attention : la formule pour le degré d’insaturation n’est valable que pour les éléments de la première et deuxième rangée, car elle résulte de l’octet. De toutes les solutions possibles soit avec 3 liaisons sur P ou 5 liaisons (possible pour la 3ème rangée !), une seule ne présente ni liaisons O-O ou petites structures cycliques défavorables. C’est en fait la structure « réelle » de l’acide phosphorique. Comme nous sommes maintenant dans la troisième rangée, il n’est plus nécessaire de suivre l’octet : la structure de résonance avec des charges n’est pas incorrecte, mais moins importante que celle avec la double liaison P=O. En tenant compte du fait que le phosphore peut accepter plus d’électrons que l’octet, on peut également appliquer la formule pour le degré d’insaturation, mais avec deux valeurs différentes pour le nombre de liaisons pour P : 3 et 5. Dans le cas d’une valence à 5, le nombre à rajouter est 3 par atome (en général, ce nombre est valence-2). On obtient alors les résultats suivants pour H3PO4: pour P avec 3 liaisons : (2 +1*1 + 4*0 – 3*1) / 2 = 0 et pour P avec 5 liaisons : (2 + 1*3 + 4*0 -3*1)/2 = 1. En regardant les solutions, on voit que cela est effectivement correct (Attention : pour la structure de résonance contenant les charges +/-, il faut également compter une liaison ionique entre le plus et le moins !) Finalement, un autre fait important non discuté en cours est que les liaisons entre atomes de taille très différentes sont faibles et défavorables (liaison P-H), ce qui renforce encore l’instabilité de certains isomères. Page 4 [barème : 1 point par structure correct + 1 point pour l’analyse (6 points), 2 points pour la structure la plus stable avec justification. -0.5 point global si les structures avec séparation de charge sont utilisées.] Exercice 3 (12 points) Les molécules suivantes sont utilisées dans le TP séparation par extraction Dessiner la structure majoritaire à pH 0, 7 et 14 en vous basant sur les valeurs pKa et pKaH données pour les groupes fonctionnels. Indiquez quelles molécules seront dans la phase organique et lesquelles dans la phase aqueuse à chaque pH. Page 5 Les structures résultent directement de la définition de pKa et pKaH : Le groupe fonctionnel est protoné si le pH uploads/Ingenierie_Lourd/ exercices-2018 1 .pdf