V VIDYALAYA · Soutien scolaire
Physique-Chimie1reConstitution et transformations de la matiereExercices + corrigé

Polarité des molécules — Exercices

Du moment dipolaire à la miscibilité : relier électronégativité, géométrie et propriétés macroscopiques.
⏱ ~30 min✎ Données d'électronégativité fournies dans chaque exercice
1Identifier les liaisons polaires/ 4 pts

Données d'électronégativité (échelle de Pauling) : H : 2,1 — C : 2,5 — N : 3,0 — O : 3,5 — F : 4,0 — Cl : 3,0 — S : 2,5.
Pour chaque liaison, calculer $\Delta\chi$, indiquer si la liaison est polaire ($\Delta\chi \ge 0{,}4$), et préciser quel atome porte $\delta^-$.

  1. Liaison H–F
  2. Liaison C–H
  3. Liaison N–H
  4. Liaison C–Cl
2Charges partielles et moment dipolaire/ 3 pts

On considère la molécule de chlorure d'hydrogène HCl. Données : $\chi(\text{H}) = 2{,}1$ et $\chi(\text{Cl}) = 3{,}0$.

  1. Calculer $\Delta\chi$ et conclure sur la nature de la liaison H–Cl.
  2. Placer les charges partielles $\delta^+$ et $\delta^-$ sur la représentation H–Cl.
  3. Tracer le vecteur $\vec{\mu}$ en précisant son sens et sa direction.
3Polarité globale des molécules/ 6 pts

Pour chacune des molécules suivantes, donner la géométrie déduite du modèle VSEPR, décrire la compensation (ou non) des moments dipolaires de liaison, puis conclure sur la polarité globale.

  1. $\text{NH}_3$ : azote central, 3 liaisons N–H, 1 doublet libre sur N.
  2. $\text{CCl}_4$ : carbone central, 4 liaisons C–Cl, 0 doublet libre sur C.
  3. $\text{H}_2\text{S}$ : soufre central, 2 liaisons S–H, 2 doublets libres sur S.
4Application : solvants et miscibilité/ 4 pts

Le principe « qui se ressemble s'assemble » (like dissolves like) stipule qu'un composé polaire se dissout préférentiellement dans un solvant polaire, et un composé apolaire dans un solvant apolaire.

Moments dipolaires mesurés : eau $\mu = 1{,}85\,\text{D}$ ; éthanol $\mu = 1{,}69\,\text{D}$ ; dioxygène O₂ $\mu = 0\,\text{D}$ ; tétrachlorure de carbone CCl₄ $\mu = 0\,\text{D}$.

  1. Classer ces quatre espèces en polaires et apolaires.
  2. L'éthanol est-il miscible à l'eau ? Justifier à l'aide du principe énoncé.
  3. Le dioxygène se dissout-il facilement dans l'eau ? Quelle est l'importance biologique de cette propriété ?
  4. Pourquoi le CCl₄ ne se mélange-t-il pas à l'eau, alors que la liaison C–Cl est polaire ($\Delta\chi = 0{,}5$) ? Expliquer en termes de géométrie moléculaire.
Corrigé détaillé
1Identifier les liaisons polaires
H–F \(\Delta\chi = \chi(\text{F}) - \chi(\text{H}) = 4{,}0 - 2{,}1 = 1{,}9\) \(1{,}9 \ge 0{,}4 \Rightarrow \text{liaison polaire} \; ; \; \delta^- \text{ sur F}\)
C–H \(\Delta\chi = \chi(\text{C}) - \chi(\text{H}) = 2{,}5 - 2{,}1 = 0{,}4\) \(\Delta\chi = 0{,}4 : \text{seuil limite, liaison très faiblement polaire (souvent assimilée apolaire en pratique)} \; ; \; \delta^- \text{ sur C}\)
N–H \(\Delta\chi = \chi(\text{N}) - \chi(\text{H}) = 3{,}0 - 2{,}1 = 0{,}9\) \(0{,}9 \ge 0{,}4 \Rightarrow \text{liaison polaire} \; ; \; \delta^- \text{ sur N}\)
C–Cl \(\Delta\chi = \chi(\text{Cl}) - \chi(\text{C}) = 3{,}0 - 2{,}5 = 0{,}5\) \(0{,}5 \ge 0{,}4 \Rightarrow \text{liaison polaire} \; ; \; \delta^- \text{ sur Cl}\)
2Charges partielles et moment dipolaire
a) \(\Delta\chi = \chi(\text{Cl}) - \chi(\text{H}) = 3{,}0 - 2{,}1 = 0{,}9\) \(0{,}9 \ge 0{,}4 \Rightarrow \text{liaison H–Cl polaire}\)
b) \(\text{H : moins électronégatif} \Rightarrow \delta^+ \; ; \; \text{Cl : plus électronégatif} \Rightarrow \delta^-\) \(\overset{\delta^+}{\text{H}} - \overset{\delta^-}{\text{Cl}}\)
c) \(\vec{\mu} \text{ orienté de } \delta^+ \text{ (H) vers } \delta^- \text{ (Cl)}\) \(\text{H} \longrightarrow \text{Cl} \quad (\mu(\text{HCl}) \approx 1{,}08\,\text{D})\)
3Polarité globale des molécules
NH₃ \(\text{VSEPR : 3 liants + 1 libre} \Rightarrow \text{pyramidale à base triangulaire.} \; \Delta\chi(\text{N–H}) = 0{,}9 : \text{liaisons polaires.} \; \text{Les 3 vecteurs } \vec{\mu}_{\text{NH}} \text{ pointent vers N (} \delta^- \text{) mais le doublet libre brise la symétrie : leur somme} \neq \vec{0}.\) \(\vec{\mu}_{\text{mol}} \neq \vec{0} \Rightarrow \text{NH}_3 \text{ est polaire } (\mu \approx 1{,}47\,\text{D})\)
CCl₄ \(\text{VSEPR : 4 liants + 0 libre} \Rightarrow \text{tétraédrique régulier.} \; \Delta\chi(\text{C–Cl}) = 0{,}5 : \text{liaisons polaires.} \; \text{La symétrie tétraédrique parfaite impose que les 4 vecteurs } \vec{\mu}_{\text{CCl}} \text{ se compensent exactement.}\) \(\vec{\mu}_{\text{mol}} = \vec{0} \Rightarrow \text{CCl}_4 \text{ est apolaire}\)
H₂S \(\text{VSEPR : 2 liants + 2 libres} \Rightarrow \text{coudée (analogue à H}_2\text{O).} \; \Delta\chi(\text{S–H}) = 2{,}5 - 2{,}1 = 0{,}4 : \text{liaisons à la limite du polaire.} \; \text{Géométrie coudée : les 2 vecteurs } \vec{\mu}_{\text{SH}} \text{ ne se compensent pas.}\) \(\vec{\mu}_{\text{mol}} \neq \vec{0} \Rightarrow \text{H}_2\text{S est polaire } (\mu \approx 0{,}97\,\text{D})\)
4Application : solvants et miscibilité
a) \(\mu \neq 0 \Rightarrow \text{polaire} \; ; \; \mu = 0 \Rightarrow \text{apolaire}\) \(\text{Polaires : H}_2\text{O} \; (1{,}85\,\text{D}) \text{ et éthanol} \; (1{,}69\,\text{D}) \; ; \; \text{Apolaires : O}_2 \text{ et CCl}_4\)
b) \(\text{Eau : polaire.} \; \text{Éthanol : polaire.} \Rightarrow \text{même nature}\) \(\text{Miscibles en toutes proportions (like dissolves like).}\)
c) \(\mu(\text{O}_2) = 0 \Rightarrow \text{apolaire} \; ; \; \text{eau polaire} \Rightarrow \text{faible affinité}\) \(\text{O}_2 \text{ se dissout très peu dans l'eau. C'est pourtant cette dissolution qui permet la respiration des organismes aquatiques (poissons, etc.).}\)
d) \(\text{Liaisons C–Cl polaires } (\Delta\chi = 0{,}5) \text{ mais géométrie tétraédrique : les 4 vecteurs } \vec{\mu}_{\text{CCl}} \text{ se compensent.}\) \(\vec{\mu}_{\text{mol}}(\text{CCl}_4) = \vec{0} \Rightarrow \text{molécule apolaire} \Rightarrow \text{immiscible avec l'eau. La polarité globale dépend de la géométrie, pas seulement des liaisons.}\)