GÉOMÉTRIE DES MOLÉCULES

Chapitre 6
GÉOMÉTRIE DES MOLÉCULES
A. Le programme
Notions et contenus
Compétences attendues
Formules de Lewis ; géométrie des molécules.
Rôle des doublets non liants.
Isomérie Z/E.
Interpréter la représentation de Lewis de
quelques molécules simples.
Mettre en relation la formule de Lewis et la
géométrie de quelques molécules simples.
Prévoir si une molécule présente une isomérie
Z/E.
Savoir que l’isomérisation photochimique
d’une double liaison est à l’origine du
processus de la vision.
Mettre en oeuvre le protocole d’une réaction
photochimique.
Utiliser des modèles moléculaires et des
logiciels de modélisation.
✔ Commentaires
Ce chapitre est un prolongement du chapitre précédent ; il donne aux élèves des premières
notions sur la géométrie des molécules, avec comme application la planéité des liaisons doubles carbone-carbone. À la différence de l’ancien programme, les applications se font ici essentiellement dans le champ de la chimie organique. Les contenus du chapitre seront amplement
repris et approfondis en classe de terminale, notamment avec l’utilisation de la représentation
de Cram et l’étude des conformations et des stéréoisomères. La compétence exigible au sujet
de l’isomérisation photochimique du rétinal complète les notions abordées en science de la vie
et de la terre autour de la vision.
B. La démarche adoptée dans le manuel
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Trois activités (de modélisation, expérimentale et documentaire) sont proposées dans le
chapitre 6 afin de permettre aux élèves d’acquérir cinq compétences. L’enseignant a le choix de
les mettre en œuvre pendant le cours ou en travaux pratiques.
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C. Commentaires sur les activités et documents proposés
Évaluer les acquis de 2de p. 112
✔ Réponses aux questions
– Les sphères colorées représentent les différents types d’atomes, et les bâtonnets représentent les liaisons covalentes entre les atomes.
– La représentation 3D d’une molécule indique sa géométrie dans l’espace.
– Une même formule brute peut correspondre à plusieurs isomères, donc à plusieurs représentations 3D.
Interpréter une expérience p. 112
Une démarche d’investigation est proposée à partir d’une boite de modèle moléculaire et
d‘une formule brute : il s’agit de rechercher des isomères.
À partir du modèle moléculaire, l’élève pourra observer que les atomes ou groupements
d’atomes peuvent tourner librement autour d’une liaison simple, et non autour d’une liaison
double. Le professeur pourra faire, à l’oral, le lien entre le modèle moléculaire et l’étude des
conformations des molécules.
Cette activité donne l’occasion d’enrichir la notion d’isomérie abordée en classe de 2de, qui
se limitait à l’isomérie de constitution, en découvrant la stéréoisomérie (ici, l’isomérie Z/E, grâce aux molécules d’acide (E)-but-2-ènoïque et (Z)-but-2-ènoïque).
✔ Interprétation attendue
Il existe trois molécules possédant un groupe carboxyle –COOH et une même formule brute
C4H6O2. Ce sont trois isomères.
Formule de ces molécules :
O
H
C
C
acide méthylpropénoïque
OH
C
CH3
H
O
H
C
C
acide (E)-but-2-ènoïque
CH3
O
CH3
OH
C
H
acide (Z)-but-2-ènoïque
H
C
C
OH
C
H
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Activité 1 p. 114
L’objectif de cette activité de modélisation est de montrer le lien entre la formule de Lewis et
la géométrie de molécules simples.
Dans un premier temps (partie A), le logiciel Chemsketch permet aux élèves de représenter
des formules de Lewis de molécules simples. Puis (partie B), à l’aide de l’outil 3D-Viewer, ils
découvrent leur géométrie. L’étude de molécules plus complexes (partie C) conduit ensuite à
étudier l’arrangement des doublets autour des atomes C, N et O.
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Enfin (partie D), l’analyse des structures des isomères Z et E de l’acide butan-1,4-dioïque
permet aux élèves de prévoir quelles molécules présentent une isomérie Z/E. La partie D peut
être traitée indépendamment des parties A à C.
✔ Réponses aux questions
1. L’atome de carbone forme 4 liaisons avec des atomes voisins, l’azote 3 liaisons, l’oxygène
2 liaisons et l’hydrogène 1 liaison.
2. Les doublets non liants ne figurent pas sur les formules du logiciel. Ils sont cependant pris en
compte afin que les atomes C, N et O respectent la règle de l’octet.
3. Avec le logiciel.
4. La molécule d’eau adopte une géométrie coudée ; la molécule d’ammoniac une géométrie
pyramidale et la molécule de méthane une géométrie tétraédrique.
5. La représentation de Lewis d’une molécule est plane : elle ne reflète pas sa géométrie.
6. Les doublets des atomes d’azote et d’oxygène adoptent un arrangement tétraédrique (ex :
CH3–NH2) ou se répartissent dans un plan (ex : CH3–CO–CH3).
7. a. Les doublets des atomes de carbone impliqués uniquement dans des liaisons simples se
répartissent selon un arrangement tétraédrique (ex : CH3–NH2).
b. Les doublets des atomes de carbone impliqués dans une liaison double se répartissent dans
un plan (ex : CH3–CH=CH–CH3).
8. a. L’acide fumarique et l’acide maléique ont pour formule brute C4H4O4.
b. L’acide fumarique et l’acide maléique ont la même formule brute et une organisation spatiale
différente : ce sont donc des isomères.
9. L’acide fumarique et l’acide maléique ont des propriétés physico-chimiques différentes (point
de fusion, solubilité dans l’eau, densité).
10. Seule la molécule de but-2-ène présente une isomérie Z/E.
11. En première approximation, on peut considérer que les doublets d’électrons se positionnent le plus loin possible les uns des autres, afin de minimiser les répulsions. Par conséquent,
l’arrangement des doublets autour d’un atome dépend du nombre de doublets non liants et du
nombre de liaisons covalentes formées, ce qui détermine la géométrie de la molécule autour de
cet atome.
Activité 2 p. 116
Au cours de cette activité expérimentale, les élèves mettent en œuvre le protocole d’une
transformation photochimique. Dans un premier temps, ils réalisent la CCM d’un dépôt d’azobenzène laissé à l’obscurité, et d’un dépôt d’azobenzène éclairé pendant 1 heure. L’analyse
des résultats expérimentaux aboutit à l’introduction de la notion de transformation photochimique.
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✔ Réponses aux questions
1. Avant l’élution, l’échantillon (1) est de couleur jaune ; l’échantillon (2) est de couleur orange.
2. Le chromatogramme montre la présence de deux produits pour l’échantillon (1). L’échantillon
(2) ne contient qu’une seule espèce chimique. Il s’est donc produit une transformation chimique
sous la lampe.
3. Dans les conditions de l’expérience, les rapports frontaux des espèces sont Rf = 0,71 et
Rf’ = 0,91.
4. a. L’énergie lumineuse fournie par lampe permet la transformation de l’azobenzène déposé
sur la plaque.
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b. L’échantillon (1) montre la présence d’un produit identique à celui de l’échantillon (2). Si on
éclaire plus longtemps, ce produit peut disparaître complètement de l’échantillon (1), et on
observerait alors une seule tache jaune (note : on pourra nuancer cette affirmation en rappelant
aux élèves que toutes les réactions ne sont pas totales).
5. La structure de la liaison double N=N de l’azobenzène est modifiée sous l’action de la
lumière.
6. a. Le (E)-azobenzène est orange, et le (Z)-azobenzène est jaune.
b. Le (E)-azobenzène (orange) a le rapport frontal le plus élevé, car il est moins retenu par le
support que le (Z)-azobenzène (jaune).
7. L’azobenzène est une molécule organique possédant 7 liaisons doubles conjuguées, elle est
donc colorée.
8. Une transformation photochimique est une transformation chimique déclenchée par la
lumière.
9. La photosynthèse est une transformation photochimique.
Activité 3 p. 117
Cette activité documentaire vient compléter les notions abordées en science de la vie et
de la terre, en 1re S, autour de la vision (rôle de la rétine et des photorécepteurs, comparaison des opsines chez les primates, etc.). À l’issue de cette activité, les élèves doivent retenir
qu’une isomérisation photochimique est à l’origine du processus de la vision. Deux schémas
présentent de façon simplifiée la géométrie des isomères Z et E du rétinal et de l’opsine ;
ils mettent en valeur le rôle de l’isomérisation du rétinal sous l’action de la lumière dans la
vision.
✔ Réponses aux questions
1. Formule de Lewis du Z-rétinal (avec la liaison double responsable de l’isomérie en gras) :
CH3
CH3 CH3 H
C
H
C
H
H C
H
C
H
C
C
C
H
C
H
C
H
C
H
H
CH3
C
C
H
C
C
CH3
C
O
H
2. La molécule de rétinal, en changeant de géométrie, provoque un changement de la structure
spatiale de l’opsine. Le rétinal se détache alors de l’opsine.
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3. L’ordre de grandeur de la durée nécessaire à l’isomérisation du Z-rétinal en E-rétinal est de
10−12 seconde (picoseconde).
4. Lorsqu’une lumière bleue parvient sur l’œil, les cônes sensibles aux courtes longueurs d’onde
sont stimulés.
5. Le processus de la vision met en jeu une isomérisation photochimique. Le Z-rétinal, fixé à une
molécule de la rétine, est transformé en E-rétinal sous l’action de la lumière.
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D. Déroulement du cours
On peut compter pour ce chapitre 1 séance de TP et 4 heures de cours.
Exemple de progression :
Cours
• Activité 1 ; 1. Géométrie des molécules ; 2. Isomérie Z/E
Exercices
• 1. Géométrie des molécules p. 122-123 ; 2. Isomérie Z/E p. 124-125
Séances de TP • Activité 2 (1,5h).
Cours
• Activité 3 ; 3. Réactions photochimiques et processus de la vision
Exercices
• 3. Réactions photochimiques et vision p. 126-127.
E. Réponses aux exercices p. 122
Les réponses aux exercices qui ne figurent pas ici sont à la fin du manuel, p. 352.
4 L’atome d’azote est impliqué dans trois
liaisons simples : la trifluoroamine a donc une
géométrie pyramidale à base triangulaire.
5 1. La molécule « a » présente une géométrie plane (tous les atomes se situent dans
un plan).
2. La molécule « c » a une géométrie tétraédrique (l’atome de carbone central forme quatre
liaisons simples avec des atomes voisins).
6 1. Les doublets des atomes de carbone
de la diméthylamine adoptent un arrangement
tétraédrique, car les atomes de carbone ne
sont engagés que dans des liaisons simples.
2. L’atome d’azote est impliqué uniquement
dans des liaisons simples, ses doublets adoptent donc un arrangement tétraédrique.
3. Formule de Lewis :
H
H
N
C
H
H
H
H
doublet non liant :
O
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CH
C
C
N
2. Les doublets de l’atome d’azote adoptent
un arrangement linéaire, car l’atome est impliqué dans une liaison triple.
3. Les deux atomes de carbone de la liaison
double C=C ont des doublets disposés dans
un plan. Les doublets de l’atome de carbone
impliqué dans une liaison triple adoptent un
arrangement linéaire.
9 1. Représentation de Lewis du glycéraldéhyde :
H
7 1. L’atome de carbone ne porte pas de
O H
2. L’atome de carbone est impliqué dans une
liaison double, l’arrangement de ses doublets
est donc plan.
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8 1. CH2
H
C
H
3. L’atome d’oxygène relié uniquement à
l’atome de carbone forme une liaison double :
l’arrangement des doublets est plan. L’atome
d’oxygène relié à un atome de carbone et à un
atome d’hydrogène ne forme que des liaisons
simples : l’arrangement des doublets est
tétraédrique.
H O O
H O C
H
C C
H
H
2. Les doublets des 2 atomes d’oxygène impliqués uniquement dans des liaisons simples
adoptent un arrangement tétraédrique. Ceux
de l’atome d’oxygène impliqué dans une liaison
double adoptent une géométrie plane.
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11 1. Représentation de Lewis de la thréonine :
H
H
O N H H
H O C C C C O H
H H H
2. Les doublets de l’atome d’azote adoptent
un arrangement tétraédrique, car l’atome
d’azote n’est impliqué que dans des liaisons
simples.
3. Les doublets de l’atome de carbone impliqué dans une liaison double s’arrangent
dans un plan (atome de carbone du groupe
–COOH).
12 1. L’arrangement des doublets des atomes de carbone est tétraédrique, car ils sont
impliqués uniquement dans des liaisons simples.
2. L’arrangement adopté par les doublets
des atomes d’oxygène de cette molécule est
tétraédrique, car ils sont impliqués uniquement dans des liaisons simples.
15 La molécule 1 présente une isomérie Z,
car deux atomes d’hydrogène de la liaison
double C=C sont situés du même côté.
16 Seule la liaison double centrale C=C présente une isomérie Z/E, car elle est de type
AHC=CHB.
17 L’isomère présentant deux liaisons doubles de type E est le composé « a », car les
deux atomes d’hydrogène de chaque liaison
double C=C sont situés de part et d’autre de la
liaison double.
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18 1. La formule de Lewis est incorrecte car
chaque atome d’oxygène doit respecter la
règle de l’octet, et donc être entouré de deux
doublets non liants et deux doublets liants.
2. L’isomère E est obtenu à partir de la formule de l’isomère Z en inversant les positions
du groupement C15H31 et du H (à gauche de la
liaison double C=C).
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19 1. Br
H
C
C
H
C6H5
2. Arrangement plan.
3. L’isomère Z du bromostyrène a une densité
plus élevée que celle de l’isomère E. Sa masse
volumique est donc également plus élevée.
4. Les doublets liants autour de l’atome de
carbone de la molécule de dioxyde de carbone CO2 ont un arrangement linéaire, puisque cette molécule est linéaire.
21 1. Le but-2-ène présente une isomérie
Z/E car il est de type AHC=CHB.
2. Les isomères Z et E du but-2-ène ont des propriétés physiques différentes, et en particulier
des températures d’ébullition différentes.
24 1. a. On ajoute deux doublets non liants
sur chaque atome d’oxygène.
b. Formule de Lewis de l’acide (Z)-cinnamique :
H
H
H
C
C
C
H
C
C
C
C
HO
H
H
C
H
C
O
2. Cette molécule possède 5 liaisons doubles
conjuguées.
3. Les acides (Z) et (E) cinnamique sont des
isomères : ils n’ont pas les mêmes propriétés
physiques.
4. Sous l’effet de la lumière, l’acide (Z)-cinnamique peut être isomérisé en acide (E)-cinnamique.
25 1. L’isomère cis correspond au (Z)-azobenzène (forme « ramassée »), l’isomère trans
au (E)-azobenzène.
2. a. Le (E)-rétinal formé par isomérisation
photochimique du (Z)-rétinal adopte une configuration spatiale différente, moins ramassée,
et n’est plus fixé sur l’opsine.
b. L’isomérisation photochimique du rétinal
doit se faire rapidement pour que le délai
entre l’émission de lumière par l’objet et sa
perception soit le plus court possible.
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26 1. a. Cyanure d’hydrogène H
C
N
H
Acétonitrile H
C
C
N
H
b. L’arrangement des doublets liants et non
liants autour des atomes de carbone liés aux
atomes d’azote est linéaire, car ils sont impliqués dans une liaison triple.
c. La molécule de cyanure d’hydrogène a une
géométrie linéaire.
2. L’énergie lumineuse issue du Soleil déclenche les transformations photochimiques qui
ont lieu dans l’atmosphère de Titan.
3. La molécule de peroxyde d’hydrogène
H2O2 présente une géométrie coudée autour
de chaque atome d’oxygène. Par analogie, la
géométrie de la molécule de disulfure d’hydrogène H2S2 est coudée autour de chaque
atome de soufre.
30 1. L’arrangement adopté par les doublets de l’atome d’azote N est linéaire, car ce
dernier est impliqué dans une liaison triple.
2. Les doublets des atomes de carbone de la
liaison double C=C adoptent un arrangement
plan.
3. N
C
processus photochimique.
2. La photosynthèse est plus efficace dans
le domaine de longueur d’onde [430 nm ;
500 nm], dans le bleu, et [630 nm ; 670 nm],
dans le rouge.
3. Les plages d’efficacité de la photosynthèse
correspondent aux plages d’absorption des
chlorophylles. On peut donc supposer que
plus l’énergie absorbée par les chlorophylles
est importante, plus la photosynthèse est efficace.
4. – Placer une plante dans une enceinte fermée transparente à la lumière, et mesurer la
quantité de dioxygène produit dans un temps
donné.
– Reproduire l’expérience dans une enceinte
opaque.
– Comparer les résultats expérimentaux puis
conclure.
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29 1. a. Le soufre est entouré de 4 doublets
(2 liants et 2 non liants) : il respecte la règle
de l’octet.
b. L’arrangement adopté par les doublets
liants et non liants de l’atome de soufre dans
cette molécule est plan, car l’atome de soufre
est impliqué dans une liaison double.
2. La géométrie de la molécule de sulfure
d’hydrogène H2S est coudée, comme celle de
l’eau.
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CH3
C
27 1. La photosynthèse correspond à un
H
C
H
31 1. L’isomérisation du (E)-azobenzène en
(Z)-azobenzène est une transformation photochimique.
2. L’arrangement des doublets est plan car
les atomes d’azote sont impliqués dans une
liaison double.
3. Les fournisseurs de produits chimiques ne
commercialisent que le (E)-azobenzène, car il
suffit de l’exposer à la lumière pour obtenir du
Z-azobenzène.
32 1. La géométrie de la molécule de
dichlorométhane CH2Cl2 est tétraédrique, car
l’atome de carbone n’est impliqué que dans
des liaisons simples.
2. La géométrie de la molécule de dichlorosilane SiH2Cl2 est tétraédrique.
3. La silice SiO2 est le composé analogue au
dioxyde de carbone CO2, rejeté au cours de la
respiration.
33 1. Les deux liaisons doubles C=C des
réactifs ont une configuration Z car les atomes
d’hydrogène sont situés du même côté.
2. Arrangement plan.
3. Les réactifs portent à la fois un groupe
méthyle CH3 et un groupe éthyle C2H5. Les
produits contiennent en revanche deux groupes méthyle ou deux groupes éthyle : chaque
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atome de carbone de la liaison double a donc
changé de partenaire.
le passage de l’isomère Z à l’isomère E est
impossible.
35 1. Les atomes d’oxygène du quercétol
2. Arrangement plan.
portent deux doublets non liants (ils respectent la règle de l’octet).
3. Arrangement tétraédrique, car l’atome de
carbone portant deux atomes d’hydrogène
dans la molécule B n’est impliqué que dans
des liaisons simples.
2. Les doublets de tous les atomes de carbone
du quercétol adoptent un arrangement tétraédrique.
4. Le lutéol et le quercétol ne sont pas isomères, car ils n’ont pas la même formule brute.
4. L’indication « hν » au-dessus de la doubleflèche indique que la réaction s’effectue grâce
à l’énergie transportée par un photon, de fréquence ν. La transformation de A en B correspond donc à un processus photochimique car
elle est activée par la lumière.
36 1. La transformation du (E)-oxyindigo en
39 1. a. Les deux liaisons doubles peuvent
(Z)-oxyindigo est un processus photochimique, car elle est activée par la lumière.
être à l’origine d’une isomérisation Z/E car
elles sont de type AHC=CHB.
2. On obtiendra du (Z)-oxyindigo, car la
lumière du Soleil contient la radiation monochromatique de longueur d’onde 413 nm.
b. La liaison double C2=C3 est de type Z car
les deux atomes d’hydrogène sont situés du
même côté. La liaison C4=C5 est de type E car
les atomes d’hydrogène sot situés de part et
d’autre.
3. Les doublets de l’atome d’oxygène impliqués dans la liaison double C=O adoptent un
arrangement plan.
3. Le (E)-oxyindigo éclairé avec une lampe
s’est isomérisé en (Z)-oxyindigo. Deux taches
correspondant au (E)-oxyindigo restant et au
(Z)-oxyindigo formé apparaissent sur le chromatogramme.
37 1. L’arrangement adopté par les doublets de l’atome de carbone de la liaison double C=O est plan, car l’atome de carbone est
impliqué dans une liaison double.
2. Les deux isomères Z et E du 1,2-dibenzoyléthylène ont des propriétés physiques différentes (en particulier leur température de
fusion).
3. Représentation de Lewis de l’isomère Z :
O
O
C
H5C6
H
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C
C
C
C6H5
H
38 1. Les liaisons doubles de la molécule
A ne sont pas susceptibles de présenter une
isomérie Z ou E car elles sont situé dans un
cycle. Les atomes d’hydrogène sont situés du
même côté de chaque liaison double, mais
60
2. a. 2E, 4Z de l’hexa-2,4-diène : la liaison
double C2=C3 est de configuration E, la liaison
double C4=C5 est de configuration Z.
b. Formule de Lewis de l’isomère 2E, 4E :
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
C
H
H
H
H
H
3. La cyclisation de l’hexa-2,4-diène suit un
processus photochimique car elle se produit
en présence de lumière.
40 1. Le E-resvératrol est transformé en
Z-resvératrol par un processus photochimique, car la réaction est provoquée par l’absorption de photons de longueur d’onde
350 nm.
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2. La liaison double responsable de cette isomérie est celle qui réunit les deux cycles car
elle est de type AHC=CHB.
3. Formule de Lewis de l’isomère E :
H
H
H
O
H
H
C
C
C
H
C
C
C
C
C
C
C
H
C
C
C
C
O
H
H
H
O
H
H
b. L’arrangement adopté par les doublets
de l’atome de carbone est tétraédrique, car
l’atome n’est impliqué que dans des liaisons
simples.
c. L’arrangement adopté par les doublets
de l’atome d’oxygène est tétraédrique, car
l’atome n’est impliqué que dans des liaisons
simples.
d. Les quatre doublets liants adoptent un
arrangement tétraédrique autour du carbone.
Les deux doublets liants et les deux doublets
non liants adoptent un arrangement tétraédrique autour de l’oxygène.
H
4. a. Formule de Lewis du méthanol :
H
H
C
H
O
O
H
H
C
H
H
F. Bibliographie
© Éditions Belin, 2011
✔ B. VALEUR, Lumière et Luminescence, Belin, 2005.
✔ C. COUDRET et J.C. MICHEAU, « Le Photochromisme, vers le stockage optique et les nanomachines » IMRCP, UMR CNRS 5623, Université P. Sabatier, Toulouse.
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