Structure de Lewis du Dichlorométhane (CH₂Cl₂)
Contexte : Le Dichlorométhane.
Le dichlorométhane, de formule brute CH₂Cl₂, est un solvant organique couramment utilisé en chimie. Comprendre sa structure tridimensionnelle est essentiel pour prédire ses propriétés physico-chimiques, comme sa polarité et sa réactivité. Cet exercice vous guidera pas à pas pour déterminer sa structure de LewisReprésentation de la façon dont les atomes sont connectés et de la répartition des électrons de valence (en paires liantes et non liantes) dans une molécule., sa géométrie moléculaireL'arrangement tridimensionnel des atomes dans une molécule. et sa polaritéDécrit la séparation des charges électriques dans une molécule, créant un pôle positif et un pôle négatif..
Remarque Pédagogique : Cet exercice est un cas d'école parfait pour appliquer la méthode VSEPR sur une molécule simple mais non symétrique, ce qui permet de bien comprendre le lien entre géométrie et polarité.
Objectifs Pédagogiques
- Compter correctement les électrons de valence d'une molécule.
- Appliquer la méthode de construction d'une structure de Lewis en respectant la règle de l'octet.
- Utiliser la théorie VSEPR pour prédire la géométrie d'une molécule à partir de sa structure de Lewis.
- Analyser la polarité des liaisons et de la molécule en fonction de sa géométrie.
Données de l'étude
Données atomiques
| Élément | Symbole | Numéro Atomique (Z) |
|---|---|---|
| Hydrogène | H | 1 |
| Carbone | C | 6 |
| Chlore | Cl | 17 |
Atomes constituants la molécule de CH₂Cl₂
Questions à traiter
- Déterminer le nombre total d'électrons de valence pour la molécule CH₂Cl₂.
- Identifier l'atome central et proposer un squelette pour la molécule en liant les autres atomes.
- Dessiner la structure de Lewis complète du CH₂Cl₂, en justifiant le respect de la règle de l'octet.
- À l'aide de la théorie VSEPR, déterminer la géométrie de la molécule.
- En analysant la géométrie et l'électronégativité des atomes, déterminer si la molécule de dichlorométhane est polaire ou apolaire. Justifier.
Les bases sur les Structures de Lewis et VSEPR
Pour résoudre cet exercice, il est nécessaire de maîtriser deux concepts fondamentaux en chimie : la construction des schémas de Lewis et la théorie VSEPR pour la prédiction de la géométrie moléculaire.
1. Méthode pour la structure de Lewis
Pour établir la structure de Lewis d'une molécule, suivez ces étapes :
2. Théorie VSEPR (Répulsion des Paires d'Électrons de la Couche de Valence)
Cette théorie permet de prédire la géométrie autour de l'atome central. La forme adoptée par la molécule minimise la répulsion entre les paires d'électrons (liantes et non liantes). On utilise la notation AXnEm :
- A : Atome central
- Xn : n atomes (ou groupes d'atomes) liés à A
- Em : m doublets non liants sur A
Correction : Structure de Lewis du Dichlorométhane (CH₂Cl₂)
Question 1 : Déterminer le nombre total d'électrons de valence pour la molécule CH₂Cl₂.
Principe
Le concept physique fondamental ici est la conservation des électrons. Pour former une molécule, les atomes ne font que mettre en commun ou réarranger leurs électrons de la couche la plus externe, appelés électrons de valence. Leur nombre total est donc la somme des électrons de valence de chaque atome individuel.
Mini-Cours
Les électrons de valence sont les acteurs de la chimie. Ils se situent sur la dernière couche électronique d'un atome. Pour les trouver, on écrit la configuration électronique de l'atome. Par exemple, pour le Chlore (Z=17), la configuration est (K)²(L)⁸(M)⁷. La dernière couche (M) contient 7 électrons : ce sont les 7 électrons de valence du chlore.
Remarque Pédagogique
Pensez à cette étape comme à la liste des ingrédients avant de cuisiner. Si vous vous trompez dans les quantités ici, toute la recette (la structure de Lewis) sera fausse. Prenez votre temps et soyez méthodique.
Normes
La méthode de décompte des électrons de valence et la construction des schémas de Lewis sont des conventions standardisées en chimie, formalisées notamment par l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA/IUPAC) pour assurer un langage commun aux chimistes du monde entier.
Formule(s)
Formule du nombre total d'électrons de valence
Où \( n_i \) est le nombre d'atomes de type \( i \) dans la molécule.
Hypothèses
Pour ce calcul, nous faisons l'hypothèse que les atomes sont dans leur état fondamental et qu'ils sont neutres (pas des ions).
Donnée(s)
On se base sur les configurations électroniques déduites des numéros atomiques (Z) fournis dans l'énoncé.
| Atome | Configuration Électronique | Électrons de Valence |
|---|---|---|
| Carbone (C) | (K)²(L)⁴ | 4 |
| Hydrogène (H) | (K)¹ | 1 |
| Chlore (Cl) | (K)²(L)⁸(M)⁷ | 7 |
Astuces
Pour les éléments du bloc principal, le nombre d'électrons de valence correspond au numéro de la colonne du tableau périodique (en comptant de 1 à 8, ou 13 à 18 pour les colonnes p). Le Carbone est dans la colonne 14 (donc 4 e⁻), le Chlore dans la colonne 17 (donc 7 e⁻).
Schéma (Avant les calculs)
Inventaire des électrons de valence
Calcul(s)
Application de la formule
Schéma (Après les calculs)
Total des électrons à répartir
Réflexions
Avoir 20 électrons, soit 10 paires, est notre contrainte principale. Toutes les liaisons et tous les doublets non liants que nous dessinerons devront utiliser exactement ces 10 paires, ni plus, ni moins.
Points de vigilance
L'erreur la plus fréquente est d'oublier de multiplier le nombre d'électrons de valence par le nombre d'atomes de ce type dans la molécule (ici, 2 pour H et 2 pour Cl). Relisez toujours la formule brute !
Points à retenir
- Le nombre total d'électrons de valence est la somme des électrons de valence de tous les atomes de la molécule.
- Ce total est le budget d'électrons à ne pas dépasser pour construire la structure de Lewis.
Le saviez-vous ?
Le concept d'électron de valence a été développé par le chimiste américain Gilbert N. Lewis autour de 1916. Il a eu l'idée de représenter ces électrons par des points autour du symbole de l'élément, une idée simple mais révolutionnaire qui a fondé notre compréhension moderne de la liaison chimique.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Pour vous entraîner, calculez le nombre total d'électrons de valence pour la molécule de chloroforme (CHCl₃).
Question 2 : Identifier l'atome central et proposer un squelette pour la molécule.
Principe
Dans une molécule, les atomes s'organisent autour d'un "pivot", l'atome central. C'est l'atome qui sert de point d'ancrage aux autres. Il s'agit généralement de l'atome capable de former le plus de liaisons covalentes.
Mini-Cours
La valence d'un atome est le nombre de liaisons qu'il forme habituellement pour respecter la règle de l'octet. Pour les éléments de la deuxième période, la valence est souvent (8 - nombre d'électrons de valence).
- Carbone (4 e⁻) : Valence 4 (forme 4 liaisons)
- Chlore (7 e⁻) : Valence 1 (forme 1 liaison)
- Hydrogène (1 e⁻) : Valence 1 (forme 1 liaison, règle du duet)
L'atome avec la plus grande valence est le candidat idéal pour être l'atome central.
Remarque Pédagogique
Cherchez toujours l'atome "le plus sociable", celui qui peut se connecter au plus grand nombre d'autres atomes. L'hydrogène, lui, est "timide" : il ne peut tenir la main qu'à un seul autre atome et ne sera donc jamais un atome central.
Normes
La convention de placer l'atome le moins électronégatif au centre (à l'exception de l'hydrogène) est une ligne directrice très fiable, car cet atome a plus de facilité à partager ses électrons avec plusieurs voisins.
Formule(s)
Règle de décision
Hypothèses
Nous supposons que la molécule forme une structure unique et stable, sans isomères complexes à considérer à ce niveau. Nous cherchons la structure la plus simple et la plus probable.
Donnée(s)
Les valences des atomes, déduites de la question précédente :
| Atome | Valence | Raison |
|---|---|---|
| Carbone (C) | 4 | Besoin de 4 e⁻ pour son octet |
| Hydrogène (H) | 1 | Besoin de 1 e⁻ pour son duet |
| Chlore (Cl) | 1 | Besoin de 1 e⁻ pour son octet |
Astuces
Dans les formules brutes comme CH₂Cl₂, l'atome central est très souvent le premier atome écrit dans la formule (sauf si c'est H).
Schéma (Avant les calculs)
Choix de l'atome central
Calcul(s)
Le "calcul" est ici une étape de raisonnement. Puisque C a une valence de 4 et que H et Cl ont une valence de 1, le Carbone est sans équivoque l'atome central. On trace donc une liaison simple (utilisant 2 électrons chacune) entre le C et chacun des 4 autres atomes.
Schéma (Après les calculs)
Squelette de la molécule de CH₂Cl₂
Réflexions
Ce squelette utilise 4 liaisons, soit 4 x 2 = 8 électrons. Il nous reste 20 - 8 = 12 électrons à placer. Cette structure est plausible car elle respecte la valence de chaque atome.
Points de vigilance
Ne jamais placer un atome d'hydrogène ou un halogène (comme le chlore) en position centrale s'il y a un atome de carbone, d'azote ou d'oxygène disponible.
Points à retenir
- L'atome central est celui qui a la plus grande capacité de liaison (valence la plus élevée).
- Le squelette est la première ébauche de la molécule, montrant uniquement les liaisons simples entre l'atome central et les atomes périphériques.
Le saviez-vous ?
La capacité unique du carbone à former quatre liaisons stables et à se lier à lui-même (caténation) est le fondement de la chimie organique et de la diversité incroyable des molécules du vivant.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quel serait l'atome central dans la molécule de dioxyde de soufre (SO₂) ? (Données : S (Z=16), O (Z=8)).
Question 3 : Dessiner la structure de Lewis complète du CH₂Cl₂.
Principe
Le principe est de distribuer les électrons de valence restants de manière à ce que chaque atome (sauf H) respecte la règle de l'octet, c'est-à-dire qu'il soit entouré de 8 électrons. C'est la recherche de la configuration électronique la plus stable pour la molécule.
Mini-Cours
Une fois le squelette formé de liaisons simples (doublets liants), les électrons restants sont placés sous forme de doublets non liants (paires d'électrons n'appartenant qu'à un seul atome). On commence toujours par satisfaire l'octet des atomes les plus électronégatifs (les atomes périphériques) avant de s'occuper de l'atome central.
Remarque Pédagogique
Imaginez que les liaisons simples sont la fondation de la maison. Maintenant, vous devez placer les "meubles" (doublets non liants) dans les "pièces" (atomes périphériques) pour que tout le monde ait son confort (l'octet), avant de vérifier si la pièce principale (atome central) est bien agencée.
Normes
La représentation de Lewis avec des tirets pour les doublets liants et des paires de points (ou un tiret) pour les doublets non liants est la convention universelle adoptée par l'UICPA.
Formule(s)
Formule des électrons à placer
Hypothèses
On suppose que la structure la plus stable est celle où tous les atomes respectent la règle de l'octet (ou du duet pour H) et où les charges formelles sont minimisées (ici, elles seront toutes nulles).
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Nombre total d'électrons de valence | \(N_{\text{total}}\) | 20 |
| Nombre de liaisons simples du squelette | \(N_{\text{liaisons}}\) | 4 |
Astuces
Pour remplir les octets, travaillez de l'extérieur vers l'intérieur. Les atomes d'halogène comme le Chlore "aiment" avoir 3 doublets non liants pour compléter leur octet. C'est un excellent point de départ.
Schéma (Avant les calculs)
Squelette et Électrons Restants
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul des électrons restants
Étape 2 : Distribution et vérification.
- Les atomes d'Hydrogène sont complets avec une liaison (règle du duet).
- Chaque atome de Chlore a 1 liaison (2 e⁻) et a besoin de 6 e⁻ pour atteindre son octet. On place donc 3 doublets non liants (6 e⁻) sur chaque atome de Chlore.
- Le total d'électrons distribués est \(2 \times 6 = 12\), ce qui correspond bien au nombre d'électrons qu'il nous restait à placer.
- Enfin, on vérifie l'atome central de Carbone. Il est engagé dans 4 liaisons, son octet est donc respecté (\(4 \times 2 = 8\) électrons).
Schéma (Après les calculs)
Structure de Lewis du CH₂Cl₂
Réflexions
La structure obtenue est stable car tous les atomes respectent leur règle de stabilité (octet ou duet) et tous les électrons de valence ont été utilisés. Il n'est pas nécessaire de former des liaisons doubles ou triples.
Points de vigilance
- Ne jamais mettre de doublets non liants sur un atome d'hydrogène.
- Toujours vérifier à la fin que le nombre total de points (électrons) dans votre dessin final correspond bien au total calculé à la première question.
Points à retenir
La procédure est toujours la même : 1. Squelette, 2. Compléter les octets des atomes extérieurs, 3. Compléter l'octet de l'atome central (en utilisant des liaisons multiples si nécessaire).
Le saviez-vous ?
Certaines molécules, notamment celles impliquant des éléments de la 3ème période et au-delà (comme le Soufre ou le Phosphore), peuvent avoir un "octet étendu", c'est-à-dire être stables avec plus de 8 électrons de valence autour de l'atome central. C'est une exception importante à la règle de l'octet.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Combien de doublets non liants y a-t-il au total sur la molécule d'ammoniac (NH₃) ? (N est l'atome central).
Question 4 : À l'aide de la théorie VSEPR, déterminer la géométrie de la molécule.
Principe
Le principe physique est la répulsion électrostatique. Les paires d'électrons autour de l'atome central, étant chargées négativement, se repoussent mutuellement. Elles s'arrangent dans l'espace de manière à être le plus loin possible les unes des autres, ce qui impose une géométrie spécifique à la molécule.
Mini-Cours
La théorie VSEPR permet de prédire cette géométrie. On compte le nombre de "domaines électroniques" (ou "voisins") autour de l'atome central. Un domaine est soit une liaison (simple, double ou triple compte pour 1), soit un doublet non liant.
- 2 domaines : Géométrie linéaire (180°)
- 3 domaines : Géométrie trigonale plane (120°)
- 4 domaines : Géométrie tétraédrique (109.5°)
Remarque Pédagogique
Ne vous fiez pas au dessin de Lewis en 2D ! Il montre les connexions, pas la forme. Pour la géométrie, il faut penser en 3D. Imaginez que vous attachez quatre ballons de baudruche ensemble par leur nœud : ils ne resteront pas à plat en croix, ils formeront naturellement un tétraèdre.
Normes
Le modèle VSEPR, développé par Ronald Gillespie et Ronald Nyholm dans les années 1950, est le modèle standard enseigné dans le secondaire et le supérieur pour une première approche qualitative de la géométrie moléculaire.
Formule(s)
Notation VSEPR
Où A est l'atome central, n le nombre d'atomes liés (X) et m le nombre de doublets non liants (E) sur A. La géométrie dépend du nombre stérique \( n+m \).
Hypothèses
Le modèle VSEPR suppose que la répulsion des doublets non liants est légèrement plus forte que celle des doublets liants. Dans ce cas précis (CH₂Cl₂), on fait la simplification que les 4 liaisons se repoussent de manière équivalente pour déterminer la géométrie de base.
Donnée(s)
| Paramètre VSEPR | Symbole | Valeur | Description |
|---|---|---|---|
| Nombre d'atomes liés | n | 4 | 2 H et 2 Cl liés à C |
| Nombre de doublets non liants | m | 0 | Aucun doublet non liant sur C |
Astuces
Il suffit de "compter les choses" autour de l'atome central. Ici, il y a 4 "choses" (quatre atomes) et zéro doublet non liant. 4+0 = 4. Le chiffre 4 est quasi-systématiquement associé à la géométrie tétraédrique.
Schéma (Avant les calculs)
Identification des domaines électroniques
Calcul(s)
Étape 1 : Détermination de la notation VSEPR
Avec n=4 et m=0, la molécule est de type \(\text{AX}_4\).
Étape 2 : Détermination du nombre stérique
Étape 3 : Association à la géométrie
Un nombre stérique de 4 correspond à une figure de répulsion tétraédrique. Comme il n'y a pas de doublet non liant (m=0), la géométrie de la molécule est identique à la figure de répulsion.
Schéma (Après les calculs)
Géométrie Tétraédrique du CH₂Cl₂ (Cram)
Réflexions
La forme tridimensionnelle de la molécule n'est pas plane, ce qui est une information cruciale. Les angles entre les liaisons ne sont pas de 90° comme un dessin 2D pourrait le laisser croire, mais proches de 109,5°. Cette disposition spatiale est la clé pour comprendre la polarité de la molécule à la question suivante.
Points de vigilance
Ne pas confondre la figure de répulsion (qui inclut les doublets non liants) et la géométrie de la molécule (qui ne décrit que la position des atomes). Pour l'eau (H₂O), de type \(\text{AX}_2\text{E}_2\), la figure de répulsion est tétraédrique, mais la géométrie de la molécule est coudée.
Points à retenir
- La géométrie est dictée par le nombre total de domaines électroniques (liaisons + doublets non liants) autour de l'atome central.
- 4 domaines sans doublet non liant (\(\text{AX}_4\)) donnent toujours une géométrie moléculaire tétraédrique.
Le saviez-vous ?
Le tétraèdre est l'une des cinq formes géométriques parfaites appelées "solides de Platon". Sa symétrie est si fondamentale qu'on la retrouve partout en science, de la structure du diamant à celle du méthane, le principal composant du gaz naturel.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle est la géométrie de la molécule de dioxyde de carbone (CO₂) dont la structure de Lewis est O=C=O ?
Question 5 : Déterminer si la molécule de dichlorométhane est polaire ou apolaire.
Principe
La polarité d'une molécule est une mesure de la séparation des charges électriques. Physiquement, cela se traduit par l'existence d'un moment dipolaire électrique global non nul. Ce moment résulte de la somme vectorielle de tous les moments dipolaires de chaque liaison individuelle.
Mini-Cours
1. Polarité d'une liaison : Une liaison entre deux atomes A et B est polaire si A et B ont des électronégativités différentes. L'atome le plus électronégatif attire les électrons et devient partiellement négatif (δ-), l'autre devient partiellement positif (δ+). Cela crée un vecteur "moment dipolaire" (μ) dirigé du + vers le -.
2. Polarité d'une molécule : On additionne tous les vecteurs μ de la molécule en tenant compte de la géométrie 3D. Si la somme vectorielle est nulle (μtotal = 0), la molécule est apolaire. Si la somme n'est pas nulle (μtotal ≠ 0), la molécule est polaire.
Remarque Pédagogique
La symétrie est votre meilleure amie ici. Si une molécule est parfaitement symétrique ET que tous les atomes périphériques sont identiques, les moments dipolaires s'annuleront. C'est le cas de CCl₄. Mais dès que la symétrie est rompue (en remplaçant un Cl par un H), l'équilibre est rompu et la molécule devient polaire.
Normes
L'électronégativité est quantifiée par plusieurs échelles, la plus utilisée étant celle de Linus Pauling. Le moment dipolaire se mesure en Debye (D), en l'honneur du physicien Peter Debye.
Formule(s)
Formule de la somme vectorielle
Critères de polarité
Hypothèses
Nous supposons que la géométrie est un tétraèdre quasi-parfait pour raisonner sur l'orientation des vecteurs. Nous utilisons les valeurs d'électronégativité pour déterminer la direction et l'amplitude relative des moments dipolaires.
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
|---|---|---|
| Électronégativité du Chlore | \(\chi(\text{Cl})\) | 3,16 |
| Électronégativité du Carbone | \(\chi(\text{C})\) | 2,55 |
| Électronégativité de l'Hydrogène | \(\chi(\text{H})\) | 2,20 |
Astuces
Une molécule avec un atome central lié à différents types d'atomes est presque toujours polaire. La seule exception serait si les moments dipolaires s'annulaient par un hasard extraordinaire, ce qui est extrêmement rare.
Schéma (Avant les calculs)
Vecteurs moments dipolaires dans CH₂Cl₂
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de la différence d'électronégativité pour C-Cl
Comme \( \Delta\chi > 0.4 \), la liaison est polaire. Le vecteur moment dipolaire \( \vec{\mu}_{\text{C-Cl}} \) est dirigé de C vers Cl.
Étape 2 : Calcul de la différence d'électronégativité pour C-H
Comme \( \Delta\chi \approx 0.4 \), la liaison est faiblement polaire. Le vecteur moment dipolaire \( \vec{\mu}_{\text{C-H}} \) est dirigé de H vers C.
Étape 3 : Analyse de la somme vectorielle.
Les deux grands vecteurs \( \vec{\mu}_{\text{C-Cl}} \) ont une résultante non nulle. Les deux petits vecteurs \( \vec{\mu}_{\text{C-H}} \) ont aussi une résultante non nulle. Ces deux résultantes pointent dans des directions différentes et n'ont pas la même norme. Leur somme finale, \( \vec{\mu}_{\text{total}} \), ne peut donc pas être nulle.
Schéma (Après les calculs)
Moment Dipolaire Résultant (\(\vec{\mu}_{\text{total}}\))
Réflexions
La polarité du dichlorométhane explique pourquoi il est miscible avec certains composés polaires mais aussi avec des composés peu polaires, ce qui en fait un solvant très polyvalent.
Points de vigilance
L'erreur classique est de regarder le dessin de Lewis en 2D, de voir un "Cl" en haut et un en bas, et de conclure à tort qu'ils s'annulent. La géométrie 3D est indispensable : dans un tétraèdre, les atomes opposés ne sont pas à 180° l'un de l'autre.
Points à retenir
- La polarité d'une molécule dépend de la polarité de ses liaisons ET de sa géométrie.
- Une géométrie asymétrique (atomes périphériques différents) combinée à des liaisons polaires résulte presque toujours en une molécule polaire.
Le saviez-vous ?
Le moment dipolaire des molécules est essentiel au fonctionnement des fours à micro-ondes ! Les micro-ondes font osciller rapidement les molécules polaires d'eau présentes dans les aliments. Cette agitation moléculaire crée de la chaleur par friction, ce qui cuit la nourriture.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
La molécule de tétrachlorométhane (CCl₄) est-elle polaire ou apolaire ? Justifiez brièvement.
Outil Interactif : Polarité d'une liaison
Utilisez les curseurs pour faire varier l'électronégativité de deux atomes A et B et observez comment la nature de leur liaison change.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Combien de doublets non liants la molécule de CH₂Cl₂ possède-t-elle au total ?
2. Quelle est la figure de répulsion autour de l'atome de carbone dans le CH₂Cl₂ ?
3. Pourquoi la molécule CCl₄ est-elle apolaire alors que ses liaisons C-Cl sont polaires ?
4. Dans la molécule d'ammoniac NH₃ (géométrie pyramidale à base triangulaire), pourquoi la molécule est-elle polaire ?
- Électron de valence
- Électron situé sur la couche électronique la plus externe d'un atome, qui participe aux liaisons chimiques.
- Structure de Lewis
- Représentation de la façon dont les atomes sont connectés et de la répartition des électrons de valence (en paires liantes et non liantes) dans une molécule.
- Règle de l'octet
- Tendance des atomes (sauf H) à s'entourer de 8 électrons de valence pour atteindre une configuration électronique stable, similaire à celle d'un gaz noble.
- Théorie VSEPR
- Acronyme pour "Valence Shell Electron Pair Repulsion". C'est un modèle qui permet de prédire la géométrie des molécules en se basant sur la minimisation de la répulsion électrostatique entre les paires d'électrons de la couche de valence.
- Géométrie moléculaire
- L'arrangement tridimensionnel des atomes dans une molécule, qui ne prend en compte que la position des noyaux atomiques (et non les doublets non liants).
- Polarité
- Caractéristique d'une molécule qui possède un moment dipolaire total non nul, résultant d'une répartition inégale des charges électriques.
- Électronégativité
- Capacité d'un atome à attirer les électrons d'une liaison chimique vers lui. Une différence d'électronégativité entre deux atomes crée une liaison polaire.
D’autres exercices de chimie terminale:
0 commentaires