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Devoir Maison 4 Énoncé

Pour le vendredi 19 janvier 2018

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Untoutpetitpeud’explicationdelanotionde«nombred’oxydation»,notionutileàdifférents endroits de ce devoir (cette notion sera réétudiée en seconde période,pendantlecoursd’oxydo-réduction).

Nombre d’oxydation d’un élément au sein d’une entité polyatomique : Le nombre d’oxydation d’un élément au sein d’un édifice polyatomique est définicomme étant la charge que porte cet élément en redistribuant les électrons desliaisons covalentes en accord avec les électronégativités de chaque élément. Cenombre se note en chiffres romains. Par exemple, dans le cas de la moléculed’hydrazine NH2-NH2, l’atome d’azote étant plus électronégatif que l’atomed’hydrogène,onluiredistribuelesdeuxélectronsdechaqueliaisonN-H;danslecasde la liaison N-N, les atomes liés étant identiques, on leur redistribue chacun unélectron.Onaboutitdoncaudécompteélectroniquequisuit:

par rapport à son «état tomique», l’atome d’azote de gauche récupère ainsi 1 e- en plusprovenantdelaliaisonNH«duhaut»etencore1e-provenantdelaliaisonNH«dubas».Na ainsi globalement récupéré 2 électrons d’où la charge 2- et on dira que le nombred’oxydationdeNest–II)

Ainsi,lenombred’oxydationdechaqueatomed’hydrogènedansl’hydrazineestde+I,etlenombred’oxydationdechaqueatomed’azoteestde–II.

Par extension, le nombre d’oxydation d’un élément au sein d’un édifice

monoatomique correspond à la charge de cet atome (le nombre d’oxydation du

sodiumdansl’ionNa+estdonc+I,notéNa(+I)ouencore,lenombred’oxydationdeO

dansO2-est–II,notéencoreO(-II)).

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Problème1:…fluoretgaznoblesExercice1:retoursurledevoirsurveillén°3

«La réaction du difluor F2 avec les ions hydroxydes HO- en solution aqueuse basiqueconduitaucomposédeformuleF2Oselonlaréaction:

2F2+2HO−=2F−+F2O+H2O

ProposerunestructuredeLewispourF2O».

1) Commedansledevoir,proposerlastructuredeLewisdelamoléculeF2O.

2) EncomparantlesélectronégativitésdesélémentsFetO,donnerlesnombresd’oxydationdecesélémentsdanscecomposé.

3) Sont-cedesnombresd’oxydationcourantspourcesdeuxélémentschimiques?Justifieravecquelquesexemplesouenutilisantlanotiond’électronégativité.

4) Comparer qualitativement le moment dipolaire des molécules F2O et H2Osachant que les caractères ioniques de leurs liaisons sont de 7% et 32 %respectivement.Justifierlaréponse.

5) Représenterlemomentdipolairedechaquemoléculesurunschématrèsclairdesmoléculesdessinéesavecbeaucoupdesoin.

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Exercice2:composésfluorésdegaznobles

"Because my co-workers at that time(March23,1962)werestillnotsufficientlyexperienced to help me with theglassblowing and the preparation andpurification of PtF6 [platinumhexafluoride] necessary for theexperiment,Iwasnotreadytocarryitoutuntil about 7 p.m. on that Friday. When Ibroke the seal between the red PtF6 gasand the colorless xenon gas, therewas animmediateinteraction,causinganorange-yellowsolidtoprecipitate.AtonceItriedtofind someone with whom to share theexciting finding, but it appeared thateveryonehadleftfordinner!"

NeilBartlett

NeilBartlettestnéle15septembre1932,enAngleterre,àNewcastle-upon-Tyne,ilestdécédéle5août2008auJohnMuirMedicalCenterdeValmutCreekenCalifornie.

Neil Bartlett a été l’un des plus éminents chimistes du vingtième siècle. Sadécouverte,audébutdesannéessoixante,desfluoruresdegaznobles,stupéfialittéralement le monde scientifique. D’un trait de génie il venait de balayer cedogmevieuxd’un siècle etdespremières tentativesdeRamsayetMoissan,que lesgaz nobles, -que l’on appelait d’ailleurs gaz rares et gaz inertes-, ne pouvaientconduire à aucune réaction chimique. Selon le magazine américain Chemical andEngineering News, il s’agissait là de l’une des dix plus belles expériences de toutel’histoire de la chimie. Neil Bartlett fut un chimiste à la fois classique et novateurs’appuyant sur des bases thermodynamiques et structurales, mais aussi sur uneconnaissance exceptionnelle de ce lien chimique qui assemble les atomes et dontl’analysefinepermetnonseulementd’expliquermaisaussideprévoirlapalettedespropriétésmacroscopiques. Grand ami de la France, il entretenait depuis quaranteans des relations scientifiques étroites et amicales avec de nombreux chimistesfrançais de la communauté du fluor, particulièrement à Bordeaux, à Nantes, auMans…Ilavaitétélepremierlauréat(1988)duprixinternationalHenriMoissancrééenFranceetavaitreçurécemmentleGrandPrixInternationaldelaFondationdelaMaisondelaChimie.IlétaitassociéétrangerdenotreAcadémiedepuisprèsdevingtansetDoctorHonorisCausadesUniversitésdeBordeaux(1976)etdeNantes(1990).Beaucoup de chimistes ont exprimé le regret qu’une telle œuvre scientifique derupturedanslesbasesfondamentalesdeleurdisciplinen’aitpasétécouronnéed’unPrixNobel.

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Début de cet extrait de l’épreuve de sélection des olympiades internationales de la chimie 2017.

Bien que découverts tardivement et absents du tableau original de Mendeleïev publié en 1869, les éléments de la dernière colonne de la classification périodique moderne possèdent de nombreux noms. Autrefois improprement nommés gaz rares, ils sont également appelés gaz nobles, voire gaz inertes. Cela est dû à leur très faible réactivité, liée au fait que leur couche de valence est complètement remplie. Alors que Pauling avait prédit la possibilité de préparer des composés à partir de gaz nobles en 1933, c’est seulement en 1962 que Neil Bartlett rapporta la formation du premier composé de gaz noble. Depuis, de nombreux composés ont pu être formés et caractérisés en laboratoire, enrichissant toujours davantage les possibilités de synthèse à partir de gaz nobles. Nous allons nous intéresser à certains d’entre eux dans cette partie, adaptée d’un problème de concours international.

Vousavezbesoindesmassesmolaires:vouslestrouverezdanslesclassificationsquivousontétédistribuées.Dans ce problème, on considèrera que tous les gaz se comportent comme des gazparfaits.Lorsd’uneexpérience,onachaufféàunetempératurede900°Cunmélangeconstituéd’uncorpssimpleA (gazmonoatomique)etdedifluor,sousunepressionde1MPa(soit10bar).Celaaconduitàlaformationd’unmélangedetroiscomposés:B,CetD.Ces trois composés sont des solides cristallins à température ambiante, detempératuresde fusion inférieuresà150°C. Ilsont tous troisune formulebrutedutypeAFn.LecomposéCcontient36,7%(enmasse)d’élémentfluoretDencontient46,5%(enmasse).Onnepeutpasétudier,encettefind’année2017etdébutd’année2018,lastructuredeB,quenouslaisseronsàregretdoncdecôtédanstoutelasuite.

Lepourcentagemassiqueoufractionmassiqueωid’uneespèceoud’unélémentiestdéfinicommelerapportdelamassedel’espèceoudel’élémentmisurlamassetotaledesespècesouducomposémtot.

ω! = m! / m!"!

Letraitementparunexcèsdemercurede450,0mgdeCpermetd’obtenir53,25mLdeAgazeuxàunepressionde101,0kPaetunetempératurede25°C.CetteréactionconduitaussiàlaformationducomposéHgF2(solide).

1) Calculer lamassemolaireducomposéCetendéduire lavaleurdenpour lecomposéC.DonnerlesformulesbrutesdescomposésAetC.

2) DonnerlaformulebruteducomposéD.

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3) ReprésenterlastructuredeLewisdeCetdeD.

4) Enutilisant la théorieV.S.E.P.R, proposerune structure géométriquepour lecomposéC sachant que des doublets libres sont disposés de façon à être lepluséloignéspossibles.

5) Pourquoilaquestionprécédenteselimite-t-elleàCetexclut-elleD?

Le mélange des deux composés C etD obtenu précédemment est hydrolysé dansl’eau,enmilieuneutre.Lorsdel’hydrolyse,lecomposéCconduitàlaformationdeAetdedioxygènegazeuxenproportionsmolairesrelatives4:3,ainsiqu’àlaformationdeAO3etd’acidefluorhydriqueHF,solublesdansl’eau.L’hydrolysedeDproduitunesolutiondeAO3etd’acidefluorhydrique.

6) Établir les équations de réaction ajustées de chacune de ces deux réactionsd’hydrolyse.

7) ReprésenterleschémadeLewisdelamoléculeAO3.

Données:

R=8,314J.K-1.mol-1

T/K=θ/°C+273,15

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Problème 2: autour del’élément cérium et de laméthanotrophie.Lapremièreparties'intéresseauxpropriétésphysico-chimiquesdel'élémentcérium,tandisquelasecondepartieprésentequelquesaspectsdumétabolismeduméthanepar des organismes utilisant des enzymes comprenant un ou plusieurs centresmétalliques.

Diversesdonnéesnécessairesauxapplicationsnumériquessontregroupéesci-après.

Données:

Numérosatomiques:Z(H)=1;Z(C)=6;Z(N)=7;Z(O)=8;Z(Ce)=58

Tableau périodique des éléments: même remarque que pour l’exercice précédent:

«vous les trouverez dans les classifications qui vous ont été distribuées.».

PartieA-Propriétésducérium(Ce)

1) Donnerlaconfigurationélectroniqueattendueducérium(onpourrautiliserunenotationsimplifiéedetype[X](...)où«[X]»estlaconfigurationélectroniquedugaz rare précédant le cérium dans le tableau périodique et « (...) » désigne leremplissagedesorbitalesdevalence).

Remarque:en fait, ilyauneanomalieetsaconfigurationexterneestdifférente,maiscela n’est pas important dans la suite. Vous pourrez trouver sa configurationélectroniquefondamentalesurlesitewebelements.comparexemple,oupeut-êtredanslaclassificationquevousutilisez.

2) En envisageant les deux configurations (celle prévue et la réelle), l'atome decériumdanssonétatfondamentalest-ildanscecasparamagnétique,c’estàdire«possède-t-ildesélectronsnonappariés?Justifier.

3) Aquellefamilledutableaupériodiqueappartient-il?

4) Déduiredelaquestion1)lenombred'oxydationmaximaldel'élémentcérium.

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PartieB-AproposdelaméthanotrophieLaméthanotrophiedésignelacapacitéàutiliserleméthanecommeprincipalesourcede carbone et d'énergie au cours d'un cycle métabolique, le méthane étant in finedégradéendioxydedecarbone.En milieu anaérobie aqueux, les organismes méthanotrophes peuvent dégrader leméthaneendioxydedecarboneà l'aided'oxydantstelsquel'ionnitrateNO3–,cequiapourconséquencedeproduirel'ionnitriteNO2–.Enmilieutrèsacide,l'ionnitriteestensuitetransforméendiazoteaucoursdumêmetypedeprocessus.

5) DonnerlesstructuresdeLewisdel'ionnitrateetdel'ionnitrite;proposerunegéométriepourcesespècesdanslecadreduformalismeVSEPR.Justifier.

6) Montrer que les processus décrits ci-dessus sont des procédésd'oxydoréductionenproposant lesdeuxdemi-équationsélectroniquesmisesenjeudanschacunedesréactions.

7) Donnerl'équation-bilandeladégradationduméthaneendioxydedecarboneconjuguéeàlaréductiondel'ionnitrateenionnitrite.

8) Donnerl'équation-bilandeladégradationduméthaneendioxydedecarboneconjuguéeàlaréductiondel'ionnitriteendiazote.

Passez de Bonnes Fêtes !!!!