Première S Activité expérimentale : Représentation des molécules
Contexte :Nous avons vu en seconde que, pour les atomes, les structures électroniques en duet ou en octet sont particulièrement stables. Pour acquérir ces structures stables, les atomes ont tendance à perdre ou à gagner des électrons et donc à former des ions monoatomiques. Par exemple : l’ion magnésium Mg2+ ou
l’ion chlorure Cl-. Une autre possibilité est d’engager des liaisons covalentes avec d’autres atomes pour
former une molécule : dans ce cas les atomes liés partagent des électrons.
Comment se forment les molécules et comment les représenter ? Documents à votre disposition :
Information 1 : les molécules
Une molécule est un groupe d’atomes liés entre eux toujours de la même façon par des liaisons covalentes. Sa formule brute nous renseigne sur le type et le nombre d’atomes qui la constitue.
Une liaison covalente est la mise en commun de 2 électrons de la couche externe appartenant à deux atomes différents pour former un doublet liant appartenant à chacun des 2 atomes. Chaque liaison covalente formée apporte un électron supplémentaire à l’atome qui l’engage.
Les électrons de la couche d’un atome, qui ne sont pas engagés dans des liaisons covalentes, se regroupent par deux pour former des doublets non liants.
Les électrons composant ces doublets liants ou non liants exercent les uns sur les autres des forces électriques répulsives. Les doublets sont donc disposés autour de chaque atome de façon à minimiser les valeurs de ces forces.
Exemple de la molécule d’eauH2O
Information 2 : la représentation de Lewis
La représentation de Lewis est une représentation de la molécule explicitant la façon dont les atomes sont liés entre eux. Tous les électrons des couches externes (électrons de valence) sont regroupés par doublets représentés chacun par un tiret. Le doublet est situé entre les deux atomes s’il représente une liaison covalente ou doublet liant. Il est représenté autour de l’atome s’il n’appartient qu’à un seul atome : doublet non liant. Autour d’un atome, les doublets occupent les positions : Nord , Sud, Est, Ouest.
Cette représentation ne rend pas compte de la géométrie de la molécule
Exemple dela molécule d’eau H2O
Information 3 : isomérie et formules
A partir d’une même formule brute, il peut exister des enchaînements d’atomes différents. Chaque enchaînement correspond à une molécule. Ces molécules qui possèdent la même formule brute et des structures différentes sont appelées des isomères.
Elles ont des propriétés physiques et chimiques différentes et portent des noms différents. Pour les distinguer on utilise :
la formule développée plane : elle donne tous les atomes et toutes les liaisons mais pas la géométrie la formule semi-développée plane : on ne représente pas les liaisons avec H
la formule topologique :on n’écrit plus les lettres C et H, les liaisons C-C sont représentées par un trait et seuls les atomes autre que C et H (avec les H qu’ils portent) apparaissent.
Information 4 : la représentation en 3D ou représentation de Cram
La représentation de Cram d'une molécule permet sa représentation dans l'espace.
Une liaison, entre 2 atomes dans le plan de la feuille, est représentée par un trait plein.
Une liaison, entre un atome dans le plan et un atome en avant de la feuille, est représentée par un trait gras ou un triangle plein, la pointe étant du côté de l'atome dans le plan, la base du côté de l'autre atome.
Une liaison, entre un atome dans le plan et un atome en arrière du plan, est représentée par un trait en pointillé ou un triangle hachuré dont la pointe est du côté de l'atome dans le plan, la base du côtéLiaison covalente ou doublet liant
Doublet non liant
de l'autre atome.
Information 5 : les modèles moléculaires et logiciels de représentation
On peut donner des représentations des molécules en 3 dimensions avec : Les modèles moléculaires
Chaque atome est représenté par une sphère de couleur et de taille bien définies. Les sphères sont liées les unes aux autres par des tiges représentant les liaisons covalentes.
Les logiciels 3D
Ces logiciels permettent de construire des molécules et de les visualiser en 3D donc d'étudier leur structure et la répartition spatiale des atomes qui les composent.
Avogadro : depuis demarrer/programmes/programmes réseau/chimie/Avogadro
Phet sur ENT ou https://phet.colorado.edu/sims/html/molecule-shapes/latest/molecule-shapes_fr.html
Travail à effectuer
1- Formation des molécules (30 minutes conseillées)
Les molécules de la chimie organiques sont constituées essentiellement d’atomes de carbone et hydrogène. Ces 2 atomes sont souvent accompagnés des atomes d’oxygène, d’azote, de chlore .
A l’aide de la classification périodique et de vos connaissances, compléter le tableau n°1
En déduire la représentation de Lewis des molécules suivantes : eau H2O, méthane CH4, ammoniac
NH3, dioxyde de carbone CO2, chlorure d’hydrogène HCl.
Rechercher ensuite la représentation de Lewis des molécules suivantes : o éthane C2H6, propane C3H8, butane C4H10, pentane C5H12,
o éthène C2H4, propène C3H6.
Que remarquez-vous ?
Conclure en donnant la méthode pour trouver la représentation de Lewis d’une molécule.
2- Géométrie des molécules (30 minutes conseillées)
Observer les différents atomes de carbone de la boite de modèles moléculaires.
d'après le tableau n°1, combien de tiges doit-on fixer à un atome de carbone (quel qu'il soit)?
Fixer des tiges sur chacune des catégories d’atomes de carbone et évaluer l’angle entre les directions des liaisons.
Qu’est-ce qui change de l’un à l’autre ? Proposer une explication.
Fabriquer les modèles moléculaires des 5 premières molécules vues au 1-.
o Associer à chacune sa géométrie en choisissant parmi les suivantes : linéaire, pyramidale, plane, tétraédrique, coudée.
o Les représenter en géométrie 3D en respectant les conventions données dans les informations.
3- Les différentes formules des molécules. (20 minutes conseillées)
Remplir le tableau n°2.
Indiquer l’intérêt de chacune des formules.
Représenter les molécules à l’aide du logiciel de représentation des molécules pour vérifier leur géométrie en 3D.
4- Application
Trouver les 2 molécules isomères de formule brute C4H10 et les représenter en formule développéeplane, en formule semi-développée plane puis en formule topologique.
Idem pour les 3 molécules isomères de formule brute C4H8.ANNEXES Tableau n°1
Nom de l’atome Hydrogène Carbone Azote Oxygène Chlore
Symbole Numéro atomique Z Structure électronique
Nombre d'électrons sur la couche externe Nombre d'électrons manquant à l'atome
pour avoir une structure stable Nombre de liaisons covalentes nécessaires
pour l'atome dans une molécule Nombre de doublets non liants
(= 8 - nombre de liaisons)/2 Représentation de Lewis Couleur de la sphère dans le modèle
moléculaire
Tableau n°2
Formule brute Formule développée plane Formule semi-développée plane Formule topologique Représentation de cram du C entouré C2H6O (éthanol) CH3 – CH2 – OH
