Exercices complémentaires — Chapitre 2 : Structure des entités et polarité

🟢 Niveau 1 — Application directe

Exercice 1 — Schéma de Lewis de l'ion NH₄⁺

Établir le schéma de Lewis de l'ion ammonium NH₄⁺ (électrons de valence : N = 5, H = 1).

1

Total d'électrons de valence : 5 + 4×1 − 1 (charge +1) = 8 électrons, soit 4 doublets.

4 doublets liants N–H, aucun doublet non liant sur N (octet respecté).

Exercice 2 — Polarisation d'une liaison

Sachant que χ(C) = 2,55 et χ(Cl) = 3,16, prédire la polarisation de la liaison C–Cl dans la molécule CH₃Cl.

χ(Cl) > χ(C) : la liaison est polarisée, Cl porte δ⁻ et C porte δ⁺.

Exercice 3 — Cohésion d'un solide

Quelle interaction assure la cohésion du chlorure de potassium solide KCl(s) ?

KCl(s) est un solide ionique (ions K⁺ et Cl⁻) : la cohésion est assurée par une interaction ionique.

Exercice 4 — Concentration des ions

On dissout n = 0,020 mol de sulfate de potassium K₂SO₄ (K⁺, SO₄²⁻) dans V = 200 mL d'eau. Écrire l'équation de dissolution et calculer [K⁺] et [SO₄²⁻].

\(\text{K}_2\text{SO}_4\text{(s)} \longrightarrow 2\,\text{K}^+\text{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}\text{(aq)}\)

1

C = n/V = 0,020/0,200 = 0,10 mol/L

[K⁺] = 2C = 0,20 mol/L ; [SO₄²⁻] = C = 0,10 mol/L

🟡 Niveau 2 — Approfondissement

Exercice 5 — Une molécule tétraédrique peut-elle être polaire ?

Justifier que le trichlorométhane CHCl₃ est une molécule polaire, bien que sa géométrie soit tétraédrique — comme celle de CH₄, qui est apolaire.

1

CH₄ est apolaire car ses 4 liaisons C–H, identiques et symétriquement réparties, se compensent exactement.

CHCl₃ possède 3 liaisons C–Cl fortement polarisées et 1 liaison C–H faiblement polarisée : la substitution n'est pas symétrique, les polarisations ne se compensent pas. CHCl₃ est donc polaire, malgré sa géométrie tétraédrique.

Exercice 6 — Dissolution du chlorure d'aluminium

On dissout n = 0,020 mol de chlorure d'aluminium AlCl₃ dans V = 200 mL d'eau. Écrire l'équation de dissolution et calculer la concentration de chaque ion.

\(\text{AlCl}_3\text{(s)} \longrightarrow \text{Al}^{3+}\text{(aq)} + 3\,\text{Cl}^-\text{(aq)}\)

1

C = n/V = 0,020/0,200 = 0,10 mol/L

[Al³⁺] = C = 0,10 mol/L ; [Cl⁻] = 3C = 0,30 mol/L

Exercice 7 — Choisir un solvant d'extraction

Pour extraire un arôme apolaire dissous dans l'eau, on hésite entre l'éthanol (miscible à l'eau) et le dichlorométhane (non miscible, densité 1,33, apolaire). Justifier le choix du solvant et prédire la position des phases après décantation.

1

L'éthanol est écarté : miscible à l'eau, il ne formerait pas de seconde phase.

Le dichlorométhane convient (non miscible, apolaire). Plus dense que l'eau (1,33 > 1), la phase organique se retrouve en dessous après décantation.

🔴 Niveau 3 — Type bac

Exercice 8 — Dissolution du chlorure d'hydrogène

Le chlorure d'hydrogène HCl est un gaz qui, dissous dans l'eau, forme une solution d'ions H₃O⁺ et Cl⁻ (électronégativités : χ(H) = 2,20, χ(Cl) = 3,16).

1. Établir le schéma de Lewis de HCl, puis celui de l'ion Cl⁻.
2. Justifier que la molécule HCl est polaire.
3. Expliquer pourquoi HCl est très soluble dans l'eau.
4. On dissout n = 0,50 mol de HCl(g) dans l'eau pour obtenir V = 500 mL de solution (équation : HCl(g) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + Cl⁻(aq)). Calculer [H₃O⁺] et [Cl⁻].

1. Schémas de Lewis

HCl : H–Cl avec 3 doublets non liants sur Cl. Cl⁻ : 4 doublets non liants autour de Cl.

2. Polarité

χ(Cl) > χ(H) : la liaison est polarisée. Une seule liaison, donc rien ne peut compenser sa polarisation : HCl est polaire.

3. Solubilité

HCl (polaire) et H₂O (polaire) ont des polarités proches (« qui se ressemble s'assemble ») : HCl se dissout donc très bien dans l'eau.

4. Concentrations

\(C = n/V = 0{,}50/0{,}500 = 1{,}0\ \text{mol/L}\)

Coefficients 1:1:1 → [H₃O⁺] = [Cl⁻] = C = 1,0 mol/L

Exercice 9 — Extraction et cohésion combinées

Une solution aqueuse contient un colorant apolaire à extraire. On dispose de trois solvants : éthanol (miscible à l'eau), cyclohexane (non miscible, densité 0,78, apolaire), dichlorométhane (non miscible, densité 1,33, faiblement polaire).

1. Lequel de ces solvants est le mieux adapté pour extraire ce colorant apolaire ? Justifier en deux points.
2. Après extraction et décantation, où se trouve la phase organique contenant le colorant ?
3. Ce colorant est un solide moléculaire apolaire à température ambiante. Quelle interaction assure sa cohésion à l'état solide ?

1. Choix du solvant

Le cyclohexane : il est non miscible à l'eau (formation d'une seconde phase) ET apolaire, donc adapté à un soluté apolaire (« qui se ressemble s'assemble ») — contrairement au dichlorométhane, faiblement polaire, moins adapté.

2. Position des phases

Le cyclohexane (densité 0,78 < 1) est moins dense que l'eau : la phase organique se retrouve au-dessus.

3. Cohésion du colorant solide

Étant apolaire, ni interaction ionique ni liaison hydrogène ne sont possibles : seules des interactions de Van der Waals assurent sa cohésion à l'état solide.