Ces exercices complètent le cours du Chapitre 2 — Structure des entités et polarité. Cherche d'abord seul, puis clique pour vérifier ta réponse. Voir aussi la série 1 (10 exercices).

Méthode : rédiger une réponse complète

  1. Comprendre : ce que l'on cherche, les données utiles et leurs unités.
  2. Choisir la relation adaptée et l'écrire d'abord en lettres.
  3. Isoler l'inconnue, puis convertir les unités (volumes en L).
  4. Calculer en remplaçant chaque symbole par sa valeur.
  5. Conclure par une phrase, avec l'unité et des chiffres significatifs cohérents.
  6. Vérifier l'ordre de grandeur et la cohérence physique.

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).

Méthode

1) Compter les électrons de valence en tenant compte de la charge ; 2) relier l'atome central (N) à chaque H par un doublet liant ; 3) placer les doublets restants ; 4) vérifier octet et duet.

Calcul

Électrons de valence : \(5+4\times1-1=8\) (la charge +1 retire un électron), soit 4 doublets.

Les 4 liaisons N–H utilisent les 4 doublets : il ne reste aucun doublet non liant.

Conclusion

NH₄⁺ : l'azote est lié à 4 H par 4 doublets liants, sans doublet non liant ; la charge + est portée par l'azote. Octet de N (4 doublets = 8 électrons) et duet de chaque H respectés. Géométrie : tétraédrique.

Vérifier

NH₄⁺ se forme quand NH₃ « donne » son doublet non liant à un ion H⁺ (qui n'a aucun électron) : c'est bien ce doublet qui devient la 4ᵉ liaison.

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.

Calcul

\(\Delta\chi=3{,}16-2{,}55=0{,}61\) : écart nettement non nul.

Conclusion

La liaison C–Cl est polarisée : Cl, plus électronégatif, porte \(\delta^-\) ; C porte \(\delta^+\).

Exercice 3 — Cohésion d'un solide

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

Méthode

Identifier la nature des entités du solide : ions, molécules polaires (avec ou sans H lié à O/N/F) ou molécules apolaires.

Conclusion

KCl est formé d'ions \(\text{K}^+\) et \(\text{Cl}^-\) : c'est un solide ionique, dont la cohésion est assurée par l'interaction électrostatique entre ions de charges opposées (interaction ionique), la plus forte des interactions étudiées.

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⁻].

Méthode

Écrire l'équation de dissolution (électroneutralité : 2 K⁺ pour 1 SO₄²⁻), calculer la concentration en soluté apporté \(C=n/V\), puis multiplier par le coefficient de chaque ion.

Calcul

\(\text{K}_2\text{SO}_4\text{(s)}\longrightarrow2\,\text{K}^+\text{(aq)}+\text{SO}_4^{2-}\text{(aq)}\)

\(C=\dfrac{n}{V}=\dfrac{0{,}020}{0{,}200}=0{,}10\ \text{mol/L}\)

Conclusion

\([\text{K}^+]=2C=0{,}20\ \text{mol/L}\) ; \([\text{SO}_4^{2-}]=C=0{,}10\ \text{mol/L}\).

Vérifier

Électroneutralité : charges positives \(1\times0{,}20=0{,}20\) ; charges négatives \(2\times0{,}10=0{,}20\) ✓.

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.

Méthode

Une molécule est apolaire si ses liaisons polarisées se compensent par symétrie ; pour cela, il faut des liaisons identiques réparties symétriquement.

CH₄ : 4 liaisons C–H identiques (et très peu polarisées, \(\Delta\chi=0{,}35\)), placées symétriquement aux sommets d'un tétraèdre : leurs effets se compensent → apolaire.

Conclusion

CHCl₃ : même géométrie tétraédrique, mais 3 liaisons C–Cl polarisées (\(\Delta\chi=0{,}61\)) et 1 liaison C–H quasi apolaire. Les 4 liaisons ne sont plus identiques : leurs effets ne se compensent pas, le centre des charges \(\delta^-\) (côté des Cl) ne coïncide pas avec celui des \(\delta^+\). CHCl₃ est polaire.

Piège à éviter

Une géométrie symétrique ne suffit pas : il faut aussi que les atomes liés à l'atome central soient identiques.

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.

Calcul

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

\(C=\dfrac{0{,}020}{0{,}200}=0{,}10\ \text{mol/L}\)

Conclusion

\([\text{Al}^{3+}]=C=0{,}10\ \text{mol/L}\) ; \([\text{Cl}^-]=3C=0{,}30\ \text{mol/L}\).

Vérifier

Électroneutralité : \(3\times0{,}10=0{,}30\) charges + et \(1\times0{,}30=0{,}30\) charges − par litre ✓.

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, peu polaire). Justifier le choix du solvant et prédire la position des phases après décantation.

Méthode

Un solvant extracteur doit remplir deux conditions : être non miscible avec l'eau (pour former deux phases) et dissoudre l'espèce visée mieux que l'eau.

L'éthanol est miscible à l'eau : une seule phase, aucune séparation possible → écarté.

Conclusion

Le dichlorométhane convient : non miscible avec l'eau et peu polaire, il dissout bien l'arôme apolaire. Sa densité (1,33 > 1) le place en dessous : la phase organique, contenant l'arôme, est la phase inférieure de l'ampoule à décanter.

Piège à éviter

Ne pas supposer que la phase organique est toujours au-dessus : c'est la densité qui décide.

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 : \(1+7=8\) électrons de valence, soit 4 doublets : 1 doublet liant H–Cl et 3 doublets non liants sur Cl. Cl⁻ : \(7+1=8\) électrons, soit 4 doublets non liants autour de Cl.

2. Polarité de HCl

\(\Delta\chi=3{,}16-2{,}20=0{,}96\) : liaison polarisée (\(\delta^-\) sur Cl). Une molécule diatomique n'a qu'une liaison : rien ne peut en compenser l'effet, donc HCl est polaire.

3. Solubilité dans l'eau

HCl et H₂O sont tous deux polaires (« qui se ressemble s'assemble »). De plus, HCl réagit avec l'eau pour former des ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) et \(\text{Cl}^-\), eux-mêmes solvatés : c'est ce qui rend sa solubilité exceptionnellement élevée.

4. Concentrations
Calcul

\(C=\dfrac{n}{V}=\dfrac{0{,}50}{0{,}500}=1{,}0\ \text{mol/L}\) ; coefficients 1 : 1 : 1 dans l'équation.

Conclusion

\([\text{H}_3\text{O}^+]=[\text{Cl}^-]=1{,}0\ \text{mol/L}\).

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

L'éthanol est écarté (miscible à l'eau). Le cyclohexane est non miscible à l'eau et apolaire : c'est le meilleur choix pour un colorant apolaire. Le dichlorométhane, peu polaire, conviendrait aussi mais moins bien ; il est en outre plus toxique.

2. Position des phases

Densité du cyclohexane 0,78 < 1 : la phase organique (colorée) est au-dessus de la phase aqueuse.

3. Cohésion du colorant solide
Conclusion

Molécules apolaires : pas d'ions, pas de H lié à O/N/F, donc ni interaction ionique ni liaison hydrogène. Seules les interactions de Van der Waals assurent la cohésion du solide.