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Exercices : atomes et molécules PCSI lycée J .Dautet D.L

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Second chapitreSecond chapitre

Exercices : structure des molécules

Exercice 22 : écriture de structures de Lewis L’écriture*de*la*formule*de*Lewis*d’une*espèce*chimique*implique*le*décompte*des*électrons*de*valence*des*atomes*associés*par*liaison*covalente.**Dans*le*cas*d’un*ion,*ce*nombre*est*modulé*:*

*par*l’addition*d’électrons*dans*le*cas*d’un*anion,***par*la*soustraction*d’électrons*dans*le*cas*d’un*cation.**

Calculer* le* nombre* d’électrons* de* valence* et* chercher* le* schéma* de* Lewis* des* édifices*suivants,*en*précisant*bien*la*charge*formelle*portée*par**les*atomes.**N2* CNB* NO+* BH4

B* BH3*NH2

B* CH2Cl2* POCl3* HNO2* HNO3*H2SO4* I3B* NO2* N2O4* O3**Numéros(atomiques(:(( ( 1H((( 5B( 6C( 7N((

( ( ( ( ( 8O( 15P( 17Cl( 53I(

CORRIGE


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N2 CN- NO+ BH4- BH3

N N

C N N O B

H

H

H

H

H B

H

H

NH2- CH2Cl2 POCl3 HNO2 HNO3

HN-

H

C

H

Cl

H

Cl

P

O

Cl

Cl

Cl

O N OH

O N

O

O

H

H2SO4 I3

- NO2 N2O4 O3

O S O

O

O

HH

II I

O N O

O N O

O

N

O

O

N

O

OO

O

Exercice 23 : structures de Lewis à compléter

1) Rappeler*la*règle*de*l’octet*:*la*vérifier*dans*les*structures*de*Lewis*suivantes.**Tous*les*atomes*ciBdessous*obéissent*bien*à*la*règle*de*l’octet*qui*s’énonce*ainsi*:*«*à*partir* de* la* seconde* période,* tous* les* atomes* tendent* à* obtenir* une* couche* de*valence*à*8*électrons*de*façon*à*acquérir*la*configuration*électronique*stable*du*gaz*rare*le*plus*proche*dans*la*classification*périodique*».**Toutes*les*structures*ciBdessous*ont*des*atomes*qui*satisfont*à*la*règle*de*l’octet*sauf*la* troisième,* dans* laquelle* un* atome*de* carbone* n’est* entouré* que* de* trois* paires*d’électrons.*C’est*un*acide*au*sens*de*Lewis,*qui*porte*donc*une*lacune*éelctronique.*

*


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anion

cation

cation

neutre

neutre

neutre

lacune Èlectronique

cation

cation

*2) Compléter*chaque*structure*en*y*indiquant*les*charges*formelles*éventuelles.*

Voir*ciBdessus.**

3) Déterminer*s’il*s’agit*d’ions*ou*de*molécules*neutres.*Préciser*la*charge*des*ions.*Voir* ciBdessus.* Dès* lors* que* la* somme*des* charges* formelles* est* non* nulle,* alors* il*s’agit*d’ions.**

4) Parmi* toutes* ces* formes,* l’une* peut* être* décrite* par* une* forme* mésomère* plus*représentative*:*laquelle*?*La*molécule*de*DiMéthylSulfOxyde*ciBdessous*(molécule*de*DMSO)*peut*être*décrite*par*une*structure*de*Lewis,* forme*mésomère,*qui* fait*apparaître*moins*de*charges*formelles*:**

S O

CH3

CH3

S O

CH3

CH3

Rem*:* le*DMSO*est*un*solvant*que* l’on*utilise*souvent*en*chimie*organique* lorsque*l’on*veu*utiliser*un*solvant(très(polaire*et*aprotique.*

**


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Exercice 24 : mésomérie 1) Préciser*la*configuration*électronique*fondamentale*de*l’atome*de*soufre,*16S.*

* S*:*Z=16*:** 1s2*2s2*2p6*3s2*3p4***

2) Le* numéro* atomique* de*O* est* 8.* Donner* un* schéma* de* Lewis* pour* les* édifices* ciBdessous,*en*proposant,*le*cas*échéant,*les*formes*mésomères*qui*ont*le*plus*de*poids*(les*plus*représentatives).**

SO2,*S32B,*SO32B*

**

(SO2*:*chacun*des*atomes,*situés*dans*la*seizième*colonne*de*la*classification,**apporte*6*électrons*de*valence*:*3*x6*=*24*****24/2*=*12*doublets*:**

O

S

O O

S

O O

S

O

pas de charge formelle

S hypervalent

formes ayant un peu moins de poids

*

O

S

O

Type AX2E1 coudée α < 120°

(S324*:*chacun*a*6*électrons*de*valence*:*3x6*+*2**=*20*****20/2*=*10*doublets*:*

*

formes ayant trËs peu moins de poids car proximitÈ de charges nÈgative et atome central S portant beaucoup de doublets (> Èlectrons de valence = 6)

S

S

S O

S

S O

S

S

*

(SO324*:*4x6*+*2*=*26*****26/2*=*13*doublets*:*

*


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S

O

OO

SOO

O

SO

O

O

*C’est*un*ion*dont*la*formule*est*du*type*AX3E1*:*c’est*donc*un*ions*qui*est*pyramidal*à*base*rectangulaire.*

S

O OO

1/3 1/3

1/3

*

L’angle*de*liaison*OIO*est*inférieur*à*109°28’,*à*cause*de*la*présence*du*doublet*libre*porté*par*I.**

*

*3) Indiquer,*pour*chacun,**la*géométrie*prévue*d’après*la*méthode*V.S.E.P.R*et*préciser*

l’angle*de*liaison*par*une*inégalité.*Voir*ciBdessus.**

4) Les*molécules*et*ions*précédents*sontBils*polaires*?*Tous* les*édifices*précédents* sont*polaires*car* les* liaisons*sont*polarisées*et*aucune*somme*vectorielle*de*ces*moments*dipolaires*ne*donne*le*vecteur*nul.*

S

F

F

F F

C’est une molécule de type AX4E1, donc en

forme de bascule ou papillon :

F

F

F

F

****Exercice 25 : évolutions angulaires

1) Comparer*la*géométrie*des*molécules*H2O*et*F2O.*Les*schémas*de*Lewis*des*deux*molécules*sont*les*suivants*:**


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O

H H

O

F F

H2O OF2*

L’atome* F* est* beaucoup* plus* électronégatif* que* l’atome* H.* Par* conséquent,* les*doublets*liants*des*liaisons*OF*sont*davantage*attirés*par*l’atome*F,*appauvrissant*la*densité*électronique*autour*de*l’atome*d’oxygène*dans*la*molécule*OF2.*L’angle*FOF*est*donc*plus*petit*que*l’angle*HOH,*la*molécule*pouvant*se*refermer*davantage*afin*de*mieux*minimiser*les*répulsions*entre*les*paires*libres*portées*par*l’atome*O.**FOF*<*HOH.**Expérimentalement,*on*mesure*:*FOF*=*103,07°*et*HOH*=*104,51°*

*2) Soit* la* molécule* SF4.* Expérimentalement,* on* mesure* deux* angles* de* liaison* FSF*

différents*:*l'un*vaut*α*=*FaxBSBFax*=*173°*et*l'autre*β*=*FéqBSBFéq*=*102°.*Soit*la*molécule*PF4B.*Dans*cet*ion,*on*mesure,*on*α*=*168°*et*l'autre*β*=*100°.*

Expliquer*la*géométrie*commune*à*ces*deux*ions*et*leurs*évolutions*angulaires.**

Cherchons*le*schéma*de*Lewis*de*la*molécule*SF4*:*** *

*S*:*6*électrons*de*valence*** *F*:*7*électrons*de*valence**Au*total*:*6*+4x7*=*34***34/2*=*17*doublets*à*répartir*:**

S

F

F

F F

*

C’est*une*molécule*de*type*AX4E1,*donc*en*forme*de*bascule**ou*

papillon*:*

**********

F

F

F

F

**


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F

F

F

F

90°

120°

*angles*de* liaison* lorsque* l’on*envisage* de* façon* égale*toutes* les* répulsions*doubletsBdoublets*

En* tenant* compte* de* la*répulsion* plus* forte* doublet*nonBliant/doublet* liant* par*rapport*à*la*répulsion*doublet*liant/doublet*liant*:*Les*angles*sont*modifiés*:**

F

F

F

F

*

**

D’où*les*angles*de*liaison*mesurés*

expérimentalement*:**

∠FaxSFax*=*168°*<*173° **

∠FéqSFéq*=*100°*<*102° ***

F

F

F

F

173°

102°

**

Cherchons*maintenant*le*schéma*de*Lewis*de*la*molécule*PF4B*:*** *

*P*:*5*électrons*de*valence*** *F*:*7*électrons*de*valence*(((((((((((((+(1(électron(:((

*Au* total*:*5*+4x7*+*1* *=*34* * *34/2*=*17*doublets*à* répartir*:* * c’est* la*même*géométrie*que*précédemment*:***


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P

F

F

F F

*

C’est*une*molécule*de*type*AX4E1,*donc*en*forme*de*bascule**ou*

papillon*:*

**********

P

F

F

F

F

*Par* rapport* à* la* molécule* précédente*:* S* est* plus* électronégatif* que* P.* La* densité*électronique* autour* de* P* étant* moindre* qu’autour* de* S,* les* angles* vont* être* davantage*fermés*dans*le*cas*de*l’espèce*PF4B*:*les*angles*y*sont*bien*plus*petits*expérimentalement.**

**

D’où*les*angles*de*liaison*mesurés*

expérimentalement*:**

∠FaxPFax*=*173° **

∠FéqSFéq*=*102° ***

P

F

F

F

F

168°

100°

***Exercice 26 : méthode VSEPR

1) Préciser*un*schéma*de*Lewis*et*la*géométrie*des*édifices*suivants*(valeurs*des*angles*de*liaisons)*:*

XeF2%%

*** * *


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XeF4%

*

%XeF6% %

* *

XeOF4% %

*

*


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*

%XeO2F2%

*

%IF3% %


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*

%IF4+%%

*

%SF5+%

***


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2) Même*question*pour*les*édifices*suivants*:**3) *

*%NH20%

*

*

BH40%

*

%POCl3%

*

%O3%

*


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OCN0%

(

%BrO30%

*

%I30%%

*

%HNO2%

*

%H2SO4%


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%NO2+%

*

%NO2%

*

%NO20%


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Exercice 27 : moment dipolaire 1) Donner* les* représentations* de* Lewis* des* trois* isomères* du* dichloroéthène,* de*

formule*brute*C2H2Cl2.**

C C

Cl

HH

ClC C

H

HCl

Cl

C C

H

ClH

Cl

(E)#1,2#dichloroÈthËne (Z)#1,2#dichloroÈthËne 1,1#dichloroÈthËne

*2) Quelle* est* la* géométrie* attendue* (dans( le( modèle( VSEPR)* autour* de* chacun* des*

atomes*de*carbone*?*Autour*de*chaque*atome*de*carbone,* la*géométrie*est* celle*des*composés*de* type*AX3E0*:*c’est*donc*une*géométrie*plane*trigonale,*avec*un*angle*de*120°.**

3) En*déduire*la*valeur*des*différents*angles*présents*dans*ces*trois*molécules.*Cf*ce*qui*précède*:***

C C

Cl

HH

ClC C

H

HCl

Cl

C C

H

ClH

Cl

(E)-1,2-dichloroÈthËne (Z)-1,2-dichloroÈthËne 1,1-dichloroÈthËne *Tous*les*angles*opposés*à*la*double*liaison*sont*un*peu*inférieurs*à*120°.**

4) Justifier* la* polarisation* de* la* liaison* CBCl.* Indiquer* les* charges* partielles*correspondantes.*La* polarisation* des* liaisons* est* due* à* la* différence* d’électronégativité* entre* les*atomes*C*et*Cl*:**

µTot

CH3 Clδ+ δ−

*

5) Calculer* alors* la* valeur* du* moment* dipolaire* résultant* apparaissant* sur* ces* trois*composés,* en* fonction* du* moment* dipolaire* de* la* liaison* CBCl* (on( négligera( le(moment(dipolaire(des(liaisons(CBH).*

6) Représenter,*sur*un*dessin,*ce*moment*résultant*pour*chacun*des*trois*isomères*du*dichloroéthène.*

** Numéro*atomique*(Z)* Eléctronégativité*de*Pauling*H* 1* 2,2*


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C C

Cl

HH

ClC C

H

HCl

Cl

C C

H

ClH

Cl

0 µTot µTot

Le*stéréoisomère*de*gauche*est*apolaire*car*le*moment*dipolaire*total*est*nul.**

Les*deux*autres*ont*le*même*moment*dipolaire*dont*la*norme*est*notée*µ*simplement*:**

*µ(=(2(x(µ(CCl)(x(cos(30°)(=(2,08(D(

Exercice 28 : composés aromatiques*La* structure* du* benzène* (hydrocarbure* de* formule* C6H6)* a* été* déterminée* en* 1931* par*diffraction*des* rayons*X.* Les* six* atomes*de* carbone*occupent* les* sommets*d'un*hexagone*régulier.*Les* longueurs*de* liaison*entre*atomes*de*carbone*sont* toutes*égales*à*0,140*nm,*intermédiaire*entre*une*liaison*simple*(*0,154*nm*)*et*une*liaison*double*(*0,134*nm*).*Les*six*atomes*d'hydrogène*sont*dans*le*même*plan*que*les*six*atomes*de*carbone.**

1) Écrire* le* benzène* C6H6* en* représentation* de* Lewis.* Commenter* la* longueur* de* la*liaison* carbone/carbone.* Justifier* la* notation* de* Robinson* et* Shortland* parfois*utilisée*pour*le*cycle*benzénique*:*


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C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

La*notation*précédente*permet*d’illustrer*la*délocalisation*des*6*électrons*π*sur*le*noyau*aromatique.*Cette*délocalisation*met*en*évidence*que*les*6*liaisons*CC*sont*équivalentes,*qu’elles*ont* toutes* les*six*un*caractère*mixte*de*simple*et*double* liaison.*Ceci*est*bien*constaté*expérimentalement*:*dCC*=*141*pm.**Rem*:* les* deux* formes* mésomères* précédentes* sont* appelées* formes* de* Kékulé,*chimiste*ayant*proposé*la*structure*cyclique*du*benzène.**

Cette* conjugaison* particulière* des* trois* doublets* «* pi* »* tout* autour* du* cycle* confère* au*benzène* une* stabilité( particulière( et* une* géométrie* plane.* Le* benzène* est* ainsi* le*représentant*le*plus*connu*de*la*famille*des*aromatiques.*Un( hydrocarbure( est( aromatique( s'il( est( monocyclique,( plan( et( qu'il( possède( 4n" +( 2(électrons( délocalisables( (c'estBàBdire* un* nombre* impair* de* doublets,* ici* trois).* Cette*définition*est*connue*sous*le*nom*de*règle(de(Hückel.(*

2) Écrire* la* structure* de* Lewis* du* cyclopentadiène* (C5H6)* constitué* d’un* cycle* à* cinq*atomes*de*carbone.*Les*longueurs*de*liaison*sontBelles*identiques*?*Ce*composé*estBil*aromatique*?*Le*schéma*de*Lewis*du*cyclopentadiène*est*le*suivant*:**

*

CC

C

C

C

H

H

HH

H

cyclopenta-1,3-diËne Ce*composé*possède*4*électrons*délocalisés,*soit*4*x*1.*Ce*n’est*pas*de*la*forme*4*x*n*+*2*donc*le*cyclopentadiène*n’est*pas*un*composé*aromatique.**On*ne*peut*pas*écrire*de*formes*mésomères*qui*délocaliseraient*les*électrons*sur*le*cycle*entier.*Tout*juste*peutBon*écrire*ces*formes*suivantes*:***


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CC

C

C

C

H

H

HH

H CC

C

C

C

H

H

HH

H CC

C

C

C

H

H

HH

H

formes mÈsomËres avec sÈparation de charges : elles ont peu de poids dans la description de la molÈcule

*Cependant,* elles* induisent* l’apparition* de* charges* formelles,* dues* à* la* séparation* des*charges,*et* il* y*a*un*atome*C*qui*n’obéit*pas*à* la* règle*de* l’octet.*Par* conséquent,* ces*formes*ont*très*très*peu*de*poids*dans*la*description*de*la*molécule.*Les*4*électrons*ne*sont*pas*délocalisés*sur* le*cycle*entier,* il*y*a*donc*des* longueurs*de*liaison*CC*qui*sont*différentes.*

CC

C

C

C

H

H

HH

Hliaison double liaison double

**3) En*arrachant*un*proton*sur*le*carbone*comportant*les*deux*atomes*d’hydrogène,*on*

obtient*l’anion*cycopentadiényle*C5H5B.*Les*longueurs*de*liaison*sontBelles*identiques*

?*Cet*ion*estBil*aromatique*?*Enlevons*le*proton,*et*examinons*la*structure*de*l’anion*obtenu*:**


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CC

C

C

C

H

HH

H

H

CC

C

C

C

H

HH

H

H

CC

C

C

C

H

HH

H

H

CC

C

C

C

H

HH

H

H

CC

C

C

C

H

HH

H

H

*Il*y*a*cette*fois*6*électrons*délocalisés*sur*la*totalité*du*cycle.*C’est*donc*un*composé*aromatique* en* admettant* là* qu’il* soit* plan.* Toutes* les* longueurs* de* liaisons* sont*identiques*car*elles*peuvent*être*toutes*décrites*de*la*même*façon.*

*4) Le( pKa( du* couple* C5H6* /* C5H5

B* est* de* 20* alors* que* le* pKa( du* couple* du* pentane*linéaire*C5H12*/*C5H11

B*est*de*l’ordre*de*50.*Justifier*cette*remarquable*différence.*Cette* remarquable* différence*d’acidité* se* justifie* par* la* grande* stabilité* de* la* base*conjuguée*C5H5

B* par* rapport* à* la* stabilité*de* la*base*C5H11B*:* dans*un* cas,* la* charge*

négative*est*délocalisée*sur*le*cycle,*la*base*est*stable,*et*l’acide*par*conséquent*très*fort.* La*base*C5H11

B* ne*peut*pas*du* tout* être* stabilisée*:* l’acide*C5H12* ne*manifeste*dans*ce*cas*aucune*propriété*acide.**Cet*exemple*permet*de*remarquer*que*l’on*justifie*la*force*d’un*acide*en*examinant*la* stabilité* de* sa* base* conjuguée*:* plus* une* base* est* stabilisée,* plus* son* acide*conjuguée* est* fort.* C’est* un* résultat* que* nous* utiliserons* souvent* en* chimie*organique.*

**Exercice 29 : le pyrrole et la pyrrolidine

1) Écrire* les* formules* mésomères* limites* de* la* molécule* de* pyrrole* ciBdessous.* Le*pyrrole*estBil*aromatique*?*Les*formes*mésomères*possibles*sont*les*suivantes*:*la*règle*de*l’octet*reste*satisfaite*pour*tous*les*atomes.*Nous* avons* délocalisé* 6* électrons* sur* le* cycle,* par* conséquent* le* pyrrole* est* un*composé*que*l’on*peut*classer*parmi*les*composés*aromatiques.*


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N

H

N

H

N

H

N

H

*2) Discuter*de*son*caractère*polaire.*

Il* y* a* des* séparations* de* charges* qui* entraînent* l’existence* de*moments* dipolaires*dans*la*molécule.*Ces*moments*dipolaires*ne*s’annulant*pas,*la*molécule*de*pyrrole*est*polaire*:**

N

H

µ

*3) Comparer* au*moment*dipolaire*prévisible*pour* la*molécule*de*pyrrolidine*obtenue*

par*hydrogénation*complète*de*la*molécule*de*pyrrole.*

N

H

*Les* liaisons*NH*sont*peu*polarisées*;*par*conséquent,* la*molécule*de*pyrrolidine*est*pratiquement*apolaire.*

*4) Le* pyrrole* et* la* pyrrolidine* peuvent* être* protonnés* et* le* pKa( des* couples*

correspondants*est*respectivement*de*−*4*et*de*11.*a) Écrire*les*couples*acide/base*correspondant*à*ces*pKa(.**


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*

* b)*ABtBon*à*faire*à*des*acides*forts*ou*faibles*dans*l’eau*?*des*bases*fortes*ou*faibles******************dans*l’eau*?*

Par*définition*:*un*acide*fort*est*un*acide*dont*le*pKA*est*négatik*:*pKA*<*0.**Ainsi*défini,*seul*l’acide*conjugué*du*pyrrole*est*un*acide*fort.*Le*pyrrole*est*donc*une*base*indifférente*dans*l’eau.**La*pyrrolidine*est*une*base*faible*dans*l’eau*car*une*base*forte*a*un*pKA*supérieur*à*14,*ce*qui*n’est*pas*le*cas*ici.*

*b) Tracer*les*diagrammes*de*prédominance*de*ces*couples*dans*l’eau*;*

Les*diagrammes*de*prédominance*sont*les*suivants*:***

*c) Interpréter*les*différences*de*pKa(pour*ces*deux*couples*;*

L’acide*conjugué*du*pyrrole*est*un*acide*très*fort*:*cela*se*justifie*par*la*stabilité*du*pyrrole,*base*stabilisée*par*la*délocalisation*des*6*électrons*sur*le*cycle.*


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** e)*Pyrrole*et*pyrrolidine*sont*initialement*dissoutes*dans*un*solvant*organique;******************proposer*une*méthode*de*séparation*par*extraction*acidoBbasique.*

*L’eau*solubilise*très*bien*les*composés*ioniques.*Ainsi,*si*le*pyrrole*et*pyrrolidine*sont*tous* les* deux* en* solution* dans* un* solvant* organique,* il* faut* placer* une* solution*aqueuse* acide* dans* une* ampoule* à* décanter.* Ainsi,* le* pyrrole* reste* sous* sa* forme*neutre*en*solution*dans* le* solvant*organique.*La*pyrrolidine*est*elle*protonée*et* se*retrouve* en* solution* aqueuse.* On* sépare* ensuite* les* deux* phases,* puis* on* peut*neutraliser*la*phase*aqueuse*acide*afin*de*retrouver*la*pyrrolidine*que*l’on*extrait*à*l’aide* d’un* solvant* organique,* le* pyrrole* est* lui* resté* dans* la* phase* organique* de*départ.*

**


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phase organique

contient :

phase organique contient :

phase aqueuse contient :

pyrrole

pyrrolidine

pyrrole

forme acide de la pyrrolidine

phase organique contient :

pyrrole


forme acide de la pyrrolidine

AJOUT DE BASE


pyrrolidine

NOUVELLE EXTRACTION

AVEC UN SOLVANT

ORGANIQUE

EN DEFINITIVE

SEPARATION DES DEUX COMPOSES ORGANIQUES

*


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Exercice 30 : le cycle du calcaire en maçonnerie Le* calcaire,* ou* carbonate* de* calcium* CaCO3,* est* une* roche* sédimentaire* dure* et* presque*insoluble*dans*l’eau.*Afin*de*l’incorporer*dans*les*éléments*de*construction,*on*le*transforme*au*préalable*en*chaux,*que*l’on*mélange*à*de*l’eau*et*du*sable*pour*constituer*un*mortier.*CeluiBci*est*alors* laissé*à* l’air* libre*et* il*durcit*progressivement,* redonnant*en*définitive*du*calcaire.*L’ensemble*de*ces*étapes*est*résumé*dans*le*cycle*suivant*:**

****1)*Le*carbonate*de*calcium*a)* L’élément* calcium* a* pour* numéro* atomique* Z( =( 20.* En* déduire* la* configuration*électronique*de*l’atome*de*calcium*dans*son*état*fondamental.*La*configuration*électronique*fondamentale*de*l’atome*de*calcium*est*:***1s2**2s2**2p6**3s2**3p6**4s2.*b)* En* déduire* les* coordonnées* du* calcium* dans* le* tableau* périodique* :* numéro* de* ligne,*numéro*de*colonne,*en*justifiant*la*réponse.*À*quelle*famille*d’éléments*appartientBil*?*Citer*un*autre*élément*de*cette*famille.*Configuration*électronique*externe*:*4s2.*Le* calcium*appartient*au*bloc* s,* il* est* situé*dans* la* seconde* colonne*et*dans* la*quatrième*période*car*son*nombre*quantique*principal*est*n=*4.*C’est*un*alcalinoBterreux,*tout*comme*le*magnésium,*ou*le*strontium.**


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c)*Le*corps*pur*calcium*estBil*un*métal*ou*un*non*métal*?*Le*calcium*qui*appartient*au*bloc*s*est*un*métal.**

*d)*Pourquoi*le*calcium*ne*se*rencontreBtBil*pas*à*l’état*de*corps*pur*dans*le*milieu*naturel*?**Le*calcium*appartient*à*la*famille*des*alcalinoBterreux*:*il*est*donc*très*bon*réducteur.*On*ne*trouve*donc*pas*à*l’état*naturel*sous*la*forme*métallique*car*il*cède*trop*facilement*ses*deux*électrons*de*valence.*Il*est*donc*présent*sous*la*forme*ionique*Ca2+,*combiné*avec*différents*anions.**Justifier*la*réponse*en*écrivant*les*équations*chimiques*des*réactions*qu’il*donnerait*:*

en*présence*de*dioxygène*;*2*Ca(s)**+**O2(g)**=**2*CaO(s)**oxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*vive.*[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x2*[O2*+*4*eB*=*2*O2B]x1*Donc*2*ions*calcium/1*ions*oxyde**

en*présence*de*diazote*;*3*Ca(s)**+**N2(g)**=**Ca3N2(s)**oxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*vive.*[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x3*[N2*+*6*eB*=*2*N3B]x1*Donc*3*ions*calcium/2*ions*nitrure*

* en*présence*d’eau.*

2*Ca(s)* *+**2*H2O(l)* *=**Ca(OH)2(s)* *+*H2(g)*hydroxyde*de*calcium,*que*l’on*appelle*aussi*la*chaux*éteinte.*[Ca*=*Ca2+**+**2*eB]x2*[2*H2O*+*4*eB*=*2*OHB*+*H2(g)]x1*Donc*2*ions*calcium/2*ions*hydroxyde*

*On*expliquera*les*arguments*utilisés*pour*trouver*les*produits*de*chaque*réaction.*Pour*trouver*les*produits*de*la*réaction,*on*recherche*les*ions*mis*en*jeu*puis*on*s’assure*de*la*neutralité*du*solide*ionique*que*l’on*propose.**e)* D’après* les* réactions* précédentes,* quel* ion* le* calcium* donneBtBil* couramment* ?* En*déduire*la*charge*de*l’ion*carbonate.*Le*calcium*donne*l’ion*Ca2+.*Ainsi,*l’ion*carbonate*est*l’ion*CO3

2B.**f)*Écrire*la*ou*les*structures*de*Lewis*de*l’ion*carbonate.*


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Au*total*:**CO32B*:**4*+*3x6*+*2*=*24* 24/2*=*12*doublets*à*répartir*:*

*

C

O

OO

COO

O

CO

O

O

*On* doit* proposer* ici* 3* formes* mésomères* d’égale* importance,* mettant* en* jeu* la*délocalisation*de*2*doublets*d’électrons.**g)*Déterminer*la*géométrie*de*l’ion*carbonate*par*la*méthode*VSEPR.*L’ion* carbonate* a* un* atome*de* carbone* comme*atome* central,* et* son* environnement* est*donc*celui*d’un*édifice*AX3E0*:*l’ion*carbonate*a*donc*une*géométrie*plane*trigonale*avec*des*angles*de*liaisons*OCO*de*120°.**2)*La*chaux*Porté*à*plus*de*1100°C,*le*calcaire*se*décompose*en*oxyde*de*calcium,*ou*chaux*vive,*selon*l’équation* chimique* :* CaCO3* =* CaO* +* CO2.* Ce* procédé* est* la* cuisson,* ou* calcination,* du*calcaire.* Il* est* fortement* consommateur* d’énergie,* en* raison* de* la* température* élevée* à*laquelle*porter*le*réactif,*mais*aussi*car*la*réaction*est*très*endothermique.*La*chaux*vive*est*alors*transformée*en*hydroxyde*de*calcium,*ou*chaux*éteinte,*ou*hydrate*de*chaux*:*Ca(OH)2*en*ajoutant*de*l’eau*à*la*chaux*vive*mole*à*mole,*selon*une*réaction*très*exothermique.*a)*Écrire*l’équation*chimique*de*la*réaction*d’extinction*de*la*chaux*vive.*Nous*pouvons*écrire*l’équationBbilan*suivante*:**2*CaO(s)**+**H2O**=**2*Ca(OH)2(s)**b)* La* réaction* précédente* révèleBtBelle* que* l’oxyde* de* calcium* est* un* oxyde* acide* ou* un*oxyde*basique*?*La* reaction*précédente* révèle*que* l’oxyde*de* calcium*CaO*est*un*oxyde*basique* car* il* y* a*formation*de*2*ions*OHB,*ions*hydroxyde,*qui*précipitent*avec*les*ions*calcium.**c)* Ce* résultat* estBil* compatible* avec* la* réponse* à* la* question* 1c)* où* l’on* demandait* si* le*calcium*est*un*métal*ou*un*non*métal*?*Expliquer*brièvement.*C’est*compatible*dans*la*mesure*où*le*dioxygène*oxyde*les*métaux*relativement*facilement*et*il*y*a*donc*formation*d’oxydes*contenant*le*cation*Mn+*et*l’ion*oxyde*O2B,*base*très*forte.**d)*Quelle*précaution*doit*prendre*le*maçon*lors*de*la*manipulation*de*la*chaux*vive*ou*de*la*chaux*éteinte*?*Justifier*la*réponse.*Quand*on*manipule*la*chaux*vive,*il*faut*faire*attention*au*contact*direct*avec*la*peau*car*il*y*a*réaction*et*risques*de*brûlures.*


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Avec*la*chaux*éteinte,* les*risques*sont*de* la*même*nature*(base*forte)*mais*moins*violents*qu’avec*la*chaux*vive*cependant.**3)*La*prise*du*mortier*La* chaux* éteinte* est* utilisée* par* les* maçons* pour* réaliser* des* enduits.* Pour* cela,* il* faut*mélanger* la* chaux* avec* du* sable* et* ajouter* de* l’eau.* Le* sable* (silice)* ne* réagit* pas* et*constitue* la* charge.* La* chaux* s’hydrate* partiellement* et* constitue* le* liant.* On* obtient* du*mortier*frais,*que*l’on*peut*utiliser*comme*ciment*ou*enduit.*Le*mortier*ainsi*réalisé*«*prend*»*progressivement*si*on*le*laisse*à*l’air*libre.*La*chaux*éteinte*est*ainsi*lentement*transformée*en*calcaire*sous*l’action*du*dioxyde*de*carbone*de*l’air.*De*l’eau*s’évapore*progressivement*:*le*mortier*sèche.*a)*Écrire*la*structure*de*Lewis*du*dioxyde*de*carbone.*Au*total*:**CO2

*:**4*+*2x6*=*16* * 16/2*=*8*doublets*à*répartir*:**

C OO*

*b)*En*déduire*la*géométrie*et*le*moment*dipolaire*de*la*molécule.*Edifice*de*type*AX2E0,*la*molécule*de*dioxyde*de*carbone*est*linéaire.*Par*ailleurs,*les*liaisons*CO*sont*polarisées*mais*la*molécule*CO2*est*apolaire.*

C OO

µ O= *c)* Lorsque* du* dioxyde* de* carbone* est* dissous* dans* l’eau,* celleBci* devientBelle* acide* ou*basique*?*Justifier*la*réponse*en*écrivant*l’(les)*équation(s)*chimique(s)*appropriée(s).*La*solution*devient*acide*:*CO2**+**H2O**=****H2CO3**Et***H2CO3**+**H2O**=****HCO3

B**+**H3O+***d)* Citer* une* conséquence* écologique* de* la* réaction* précédente* (le* dioxyde* de* soufre* est*également*mis*en*jeu).*Le* dioxyde* de* carbone* émis* en* grande* quantité* se* dissout* un* peu* dans* l’eau* et* cela* se*traduit*donc*par*une*acidification*de*l’eau,*le*pH*diminue.**e)*Du*caractère*acide*ou*basique*de*la*solution*aqueuse*de*dioxyde*de*carbone,*déduire*si*le*carbone*est*un*métal*ou*un*non*métal.*Justifier*et*comparer*au*cas*du*calcium.*On*utilisera*le*concept*d’électronégativité*pour*justifier*les*éventuelles*différences*entre*le*calcium*et*le*carbone.*Les*solutions*aqueuses*de*dioxyde*de*carbone*étant*acides,*cela*nous*permet*d’en*déduire*que* le* carbone* n’est* pas* un*métal.* Le* carbone* se* situe* à* droite* de* la* classification* et* le*calcium*à*gauche*:*il*n’est*donc*pas*étonnant*de*détecter*de*telles*différences*de*réactivité,*le*carbone*est*beaucoup*moins*électronégatif*que*le*carbone.*


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*f)*Écrire*l’équation*chimique*de*la*réaction*de*prise*du*mortier.*Ca2+**+**CO2(g)**+**H2O**=**CaCO3(s)**+**2*H+*

Tenons*compte*de*la*présence*de*chaux*dans* l’eau,* le*milieu*est*basique*;*prenons*ceci*en*compte*:**Ca2+**+**CO2(g)**+**2*OHB**=**CaCO3(s)**+**H2O*

*g)* Expliquer* pourquoi* l’eau*de*pluie* est* néfaste* à* long* terme*pour* les* bâtiments* dans* les*pays*industrialisés.*L’eau*de*pluie*est*néfaste*car*elle*est*acide*et*entraîne*donc*une*redissolution*partielle*du*calcaire,*du*ciment*donc,*selon*:**CaCO3(s)**+**H+**=**Ca2+**+**HCO3

B***

*Question(subsidiaire)*Quel*est*le*prénom*de*la*petite*fille*qui*trouvait*la*chaux*si*belle*et*si*blanche*qu’elle*eut*l’idée*de*marcher*dedans*et*eut*les*jambes*toutes*brûlées*?..**C’est*Sophie,*à*qui*il*arrive*pleins*de*malheurs*!*Il*faut*relire*les*malheurs*de*Sophie.**

*

…/…**[Les*malheurs*de*Sophie,*de*la*Comtesse*de*Ségur*–*parution*:*1859]****


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