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chimie (MPSI) · Chapitre 3 · Application directe du cours

Identifier les trois dichlorobenzènes par leur moment dipolaire

Structure des entités chimiques · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Le benzène est un hexagone régulier plan (géométrie admise) ; il est apolaire. Le chlorobenzène a un moment dipolaire , porté par l'axe de la liaison . On dispose de trois flacons étiquetés A, B, C contenant les trois dichlorobenzènes — ortho (chlores sur deux carbones voisins, positions 1,2), méta (positions 1,3), para (positions 1,4) — de moments mesurés , , .

1) Justifier que le benzène est apolaire, puis que le moment du chlorobenzène peut être attribué à un unique « moment de groupe » porté par l'axe . Indiquer son sens.

2) En admettant l'additivité vectorielle des moments de groupe, montrer que pour deux groupements dont les axes font l'angle , . Quelles sont les valeurs de pour les isomères ortho, méta, para ?

3) Calculer les moments prévus et identifier A, B, C.

4) Calculer l'écart relatif pour les isomères ortho et méta. Pour lequel le modèle est-il le moins bon ? Quel angle faudrait-il pour rendre compte de la mesure ? Proposer une explication.

5) Prévoir le moment du 1,3,5-trichlorobenzène.

Corrigé

La stratégie. C'est le calcul habituel du moment d'une molécule de géométrie donnée, mais à l'envers : on connaît la géométrie, on prévoit les moments, et l'on identifie des composés inconnus par comparaison à la mesure. Puis on regarde où le modèle d'additivité cesse de marcher — c'est la partie la plus instructive.

1) Benzène et chlorobenzène. Dans l'hexagone régulier, les six moments (de H vers C, dirigés vers le centre du cycle) sont deux à deux opposés : leur somme est nulle, le benzène est apolaire. Remplacer un H par un Cl rompt cette compensation le long d'un seul axe : la somme des cinq moments restants vaut l'opposé du moment retiré, dirigé vers l'extérieur le long de l'axe de substitution, et le moment (de C vers Cl) est lui aussi dirigé vers l'extérieur sur ce même axe. Tout se résume à un moment de groupe, , porté par l'axe et dirigé du cycle vers le chlore.

2) La somme de deux moments de groupe. Pour deux vecteurs et de norme faisant l'angle ,

d'où (le cosinus est positif pour ). Dans l'hexagone, les axes sont radiaux et deux sommets consécutifs sont vus du centre sous : (ortho), (méta), (para).

3) Prévision et identification.

Le classement prévu (ortho > méta > para) suffit à identifier : B est le para (moment nul), A le méta ( contre prévu), C l'ortho (, le plus grand).

4) Les limites du modèle. Écarts relatifs : méta ; ortho . Le modèle est excellent pour le méta, nettement moins bon pour l'ortho, où il surestime le moment.

Quel angle rendrait compte de la mesure ? Il faudrait , soit et : il faudrait que les liaisons s'écartent de de leur direction normale. Les deux chlores voisins se repoussent bien, mais les mesures de structure ne montrent qu'une ouverture de quelques degrés : l'écart géométrique n'explique pas tout. L'essentiel vient de ce que les deux dipôles, très proches, s'influencent : chacun polarise son voisin dans le sens qui réduit son moment, et les moments de groupe ne sont plus indépendants. L'additivité suppose des moments qui ne se « voient » pas ; c'est vrai à distance (méta, para), faux au contact (ortho).

5) Le trichlorobenzène symétrique. Trois moments égaux à les uns des autres, dans un plan : somme nulle, comme pour . Le 1,3,5-trichlorobenzène est apolaire, malgré trois liaisons polarisées.

Ce que l'exercice installe. L'additivité vectorielle des moments identifie des isomères — c'est l'une des premières méthodes de détermination de structure du vingtième siècle. Et un modèle se juge à ses écarts : ici, là, et l'écart est à l'endroit exact où l'hypothèse du modèle (moments indépendants) est la moins crédible.

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