DS N° 04 Vers des entités stables. étude du silicium et la fumée du tablac

Fumée du tabac (15 min) :

L’inhalation involontaire de la fumée dégagée par un fumeur est dangereuse pour la santé.

En effet, la fumée de tabac contient de l’acide cyanhydrique HCN métabolisé par l’organisme en ion thiocyanate SCN^– qui,

en milieu acide, donne de l’acide thiocyanhydrique de formule brute HSCN.

1. Pour chaque schéma de Lewis ci-dessous, dresser un tableau recensant pour chaque atome de la molécule le nombre de doublets liants,

de doublets non liants et d’électrons qui entourent l’atome.

Proposition 1	Proposition 2

Acide isothiocyanhydrique	Acide thiocyanhydrique

2. Ces atomes respectent-ils la règle de stabilité ?

3. Étude des propositions :

a. Pour chacune des propositions, calculer l’énergie nécessaire pour rompre toutes les liaisons de la molécule.

b. Comparer la stabilité des deux molécules.

4. Ces deux représentations correspondent à des molécules qui existent.

Il est d’usage de dire que la molécule la moins présente est celle dans laquelle les atomes de carbone et de soufre partagent 4 électrons.

Cette affirmation confirme-t-elle la réponse de la question 3.b. ?

- Données :

H – N

S – H

C = N

C ≡ N

C – S

C = S

Énergie

de liaison

(USI)

390

364

615

890

272

430

Correction

Étude du silicium (30 min) : correction

1. Nombre d’électrons de valence du silicium.

- Donnée : Si (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²)

- Pour Z ≤ 18, les électrons de valence sont ceux qui occupent la couche électronique de nombre n le plus élevé.

- Cette dernière est appelée couche électronique de valence, sa configuration électronique se nomme configuration électronique de valence.

- Pour l’atome de silicium Si, Z = 14,

- Sa configuration électronique est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

- Sa configuration électronique de valence est : 3s² 3p²

- Il possède donc 4 électrons de valence.

2. Position de l’élément silicium dans le tableau périodique.

- Donnée : Si (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²)

- Pour déterminer la ligne (ou période) et la colonne (ou famille) auxquelles un élément appartient,

il faut repérer le numéro de la couche de valence et le nombre d’électrons de valence.

- Le nombre n le plus grand est n = 3 : l’élément est placé dans

la 3^e période.

- D’autre part, l’élément possède 2 électrons sur la couche 3p (3p²).

- L’élément est donc dans la 2^e colonne du bloc p qui commence à la colonne 13.

- Il est dans la 14^e colonne.

- En résumé, l’élément silicium Si est placé à la 3^e période et à la 14^e colonne du tableau périodique.

1s¹

1s²

…2s¹

…2s²

…2s²2p¹

…2s²2p²

…2s²2p³

…2s²2p⁴

…2s²2p⁵

…2s²2p⁶

…3s¹

…3s²

…3s²3p¹

…3s²3p²

…3s²3p³

…3s²3p⁴

…3s²3p⁵

…3s²3p⁶

3. L’ion oxyde et ion silicium :

a. Formule chimique de l’ion oxyde. Justification

- Donnée :

- Place de l’oxygène dans le tableau périodique :

- 2^e période et 16^e colonne.

- O : configuration électronique : 1s² 2s² 2p⁴

- Pour obtenir la même configuration électronique que celle du gaz noble le plus proche, les atomes peuvent gagner

ou perdre un ou plusieurs électrons afin de former des ions monoatomiques stables.

- Ainsi, l’atome d’oxygène O, Z = 8, gagne 2 électrons pour obtenir la configuration électronique du néon (1s² 2s² 2p⁶)

- On obtient l’ion oxyde de formule O^2–de configuration électronique : 1s² 2s² 2p⁶

b. Formule chimique de l’ion silicium dans la silice SiO₂.

- La silice est une assemblage compact et ordonné ions silicium et d’ions oxyde.

- Le cristal est électriquement neutre.

- La proportion est de 2 ions oxyde (O^2–) pour 1 ion silicium

- En conséquence, l’ion silicium porte une charge (4 +).

- Forme le l’ion silicium : Si⁴⁺.

4. L’ion magnésium :

a. Formule chimique de l’ion magnésium.

- Donnée : Mg (1s² 2s² 2p⁶ 3s²)

- L’atome de magnésium Mg, Z = 12, perd 2 électrons pour obtenir la configuration électronique du néon.

- On obtient l’ion magnésium de formule : Mg²⁺

b. Charge électrique de l’ion silicium dans le siliciure de magnésium SiMg₂.

- La siliciure de magnésium est une assemblage compact et ordonné ions siliciure et d’ions magnésium.

- Le cristal est électriquement.

- La proportion est de 2 ions magnésium (Mg²⁺) pour 1 ion siliciure

- En conséquence, l’ion siliciure porte une charge (4 –).

- Forme le l’ion siliciure : Si^4–.

- La formule du siliciure de magnésium est : Mg₂Si (le cation s’écrit en premier).

- Il se présente sous la forme d’une poudre de couleur bleu foncé à légèrement violet.

5. L’atome de silicium :

a. L’atome de silicium a un comportement « surprenant » :

- L’atome de silicium a un comportement particulier :

- Il peut perdre 4 électrons et donner le cation suivant : ion silicium Si⁴⁺.

- L’ion silicium a le même configuration électronique que le néon Ne : 1s² 2s² 2p⁶

- Il peut gagner 4 électrons et donner l’anion suivant : ion siliciure : Si^4–.

- L’ion siliciure a la même configuration électronique que l’argon Ar : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

b. Particularité et position dans le tableau périodique.

1s¹

1s²

…2s¹

…2s²

…2s²2p¹

…2s²2p²

…2s²2p³

…2s²2p⁴

…2s²2p⁵

…2s²2p⁶

…3s¹

…3s²

…3s²3p¹

…3s²3p²

…3s²3p³

…3s²3p⁴

…3s²3p⁵

…3s²3p⁶

- La colonne des gaz rares mise à part, l’élément silicium occupe la colonne du milieu de la classification périodique comme l’élément carbone.

6. Élément chimique dont l’atome présente une particularité similaire.

1s¹

1s²

…2s¹

…2s²

…2s²2p¹

…2s²2p²

…2s²2p³

…2s²2p⁴

…2s²2p⁵

…2s²2p⁶

…3s¹

…3s²

…3s²3p¹

…3s²3p²

…3s²3p³

…3s²3p⁴

…3s²3p⁵

…3s²3p⁶

- L’élément carbone présente cette particularité similaire.

Fumée du tabac (15 min) : Correction.

1. Tableau recensant le nombre de doublets liants, de doublets non liants et d’électrons qui entourent l’atome.

Proposition 1 Acide isothiocyanhydrique
atome	H	C	N	S
Nombre de doublets liants	1	4	3	2
Nombre de doublets non liants	0	0	1	2
Nombre d’électrons entourant l’atome	2	8	8	8
Règle de stabilité	Duet	Octet	Octet	Octet

Proposition 2 Acide thiocyanhydrique
atome	H	C	N	S
Nombre de doublets liants	1	4	3	2
Nombre de doublets non liants	0	0	1	2
Nombre d’électrons entourant l’atome	2	8	8	8
Règle de stabilité	Duet	Octet	Octet	Octet

2. Règle de stabilité :

a)- Règle de stabilité :

- Au cours des transformations chimiques, les atomes tendent à acquérir la même configuration électronique que celle d’un gaz noble,

- C’est-à-dire une configuration électronique de valence en duet ou en octet.

- Pour obtenir une configuration électronique stable, les atomes forment :

- Des ions

- Ou des molécules.

- Dans le cas d’une molécule :

- Le nombre de doublets qu’un atome partage avec ses voisins est sa covalence.

- En formant des liaisons de covalence, chaque atome acquiert, en général, une structure électronique en octet (ou en duet),

semblable à celle du gaz noble le plus proche dans la classification périodique.

- Dans chaque molécule :

- L’atome d’hydrogène H est entouré de 2 électrons.

- Il possède la structure électronique de l’hélium He.

- Il respecte la règle de stabilité du Duet.

- L’atome de carbone C est entouré de 8 électrons.

- Il possède la structure électronique du néon Ne.

- Il respecte la règle de l’octet.

- L’atome d’azote N est entouré de 8 électrons.

- Il possède la structure électronique du néon Ne.

- Il respecte la règle de l’octet.

- L’atome de soufre S est entouré de 8 électrons.

- Il possède la structure électronique d’argon Ar.

- Il respecte la règle de l’octet.

3. Étude des propositions :

a. Énergie nécessaire pour rompre toutes les liaisons de la molécule.

- Énergie de liaison de la molécule de la proposition 1 :

H – N

S – H

C = N

C ≡ N

C – S

C = S

Énergie

de liaison

(USI)

390

364

615

890

272

430

- E_ℓ (1) = E_ℓ (H – N) + E_ℓ (C = N) + E_ℓ (C = S)

- E_ℓ (1) = 390 + 615 + 430

- E_ℓ (1) = 1,44 ×10³ USI

- Énergie de liaison de la molécule de la proposition 2 :

H – N

S – H

C = N

C ≡ N

C – S

C = S

Énergie

de liaison

(USI)

390

364

615

890

272

430

- E_ℓ (2) = E_ℓ (C ≡ N) + E_ℓ (C – S) + E_ℓ (S – H)

- E_ℓ (2) = 890 + 272 + 364

- E_ℓ (2) = 1,53 ×10³ USI

b. Comparaison de la stabilité des deux molécules.

- Il découle de ceci que : E_ℓ (2) > E_ℓ (1)

- La molécule de la proposition 2 est plus stable que la molécule de la proposition 1.

4. Ces deux représentations correspondent à des molécules qui existent.

- Il est d’usage de dire que la molécule la moins présente (la moins stable) est celle dans laquelle les atomes de carbone et de soufre partagent 4 électrons.

- Proposition 1 :

- L’atome de soufre et l’atome de carbone partagent 4 électrons.

- Proposition 2 :

- L’atome de soufre et l’atome de carbone partagent 2 électrons.

- Ceci est bien en accord avec le résultat de la question 3.b.