Question

examen de chimie (1h30) l1-biomed-série2

• calculatrice autorisée
• documents : non autorisés
• interdiction dutiliser lia et le tableau périodique

exercice 1 :
on considère une molécule de 2-butanol avec une représentation dans lespace suivante :

• le groupement oh est vers lavant
• le méthyle est vers larrière
• les autres liaisons sont dans le plan

1. identifiez les quatre substituants du carbone asymétrique et les classer selon la règle de cahn-ingold-prelog (cip).
2. déterminez la configuration absolue à partir de la projection de cram.
3. dessinez sa projection de newman.

exercice 2 :
donnez la configuration électronique fondamentale de :

1. larsenic (z = 33)
2. le niobium (z = 41)
3. lion ruthénium(ii) (z = 44)
4. le palladium (z = 46)

Explanation:

🆕 New Concept Discovered: Configuration absolue (CIP) et Projections
*Déterminer la stéréochimie 3D d'une molécule.*

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Exercice 1 : Étude du 2-butanol

Le 2-butanol possède la formule semi-développée suivante :
\[ \text{CH}_3-\text{CH}(\text{OH})-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \]

Le carbone asymétrique (stéréocentre) est le carbone numéro 2, noté \( \text{C}^* \).

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Step 1: Identification et classement des substituants (Règles CIP)

Les quatre groupes d'atomes directement liés au carbone asymétrique \( \text{C}^* \) sont :
1. Le groupement hydroxyle : \( -\text{OH} \)
2. Le groupement éthyle : \( -\text{CH}_2\text{CH}_3 \)
3. Le groupement méthyle : \( -\text{CH}_3 \)
4. L'atome d'hydrogène : \( -\text{H} \)

Pour les classer selon les règles de Cahn-Ingold-Prelog (CIP), on compare les numéros atomiques (\( Z \)) des atomes directement liés à \( \text{C}^* \) :
- Pour \( -\text{OH} \), l'atome lié est l'oxygène (\( Z = 8 \)).
- Pour \( -\text{CH}_2\text{CH}_3 \) et \( -\text{CH}_3 \), l'atome lié est le carbone (\( Z = 6 \)).
- Pour \( -\text{H} \), l'atome lié est l'hydrogène (\( Z = 1 \)).

L'oxygène ayant le plus grand numéro atomique, le groupe \( -\text{OH} \) est prioritaire (numéro 1). L'hydrogène ayant le plus petit, \( -\text{H} \) est le dernier (numéro 4).

Pour départager l'éthyle et le méthyle (tous deux liés par un carbone \( Z=6 \)), on regarde les atomes fixés sur ces carbones :
- Le carbone de l'éthyle (\( -\text{CH}_2\text{CH}_3 \)) est lié à : \( (\text{C}, \text{H}, \text{H}) \).
- Le carbone du méthyle (\( -\text{CH}_3 \)) est lié à : \( (\text{H}, \text{H}, \text{H}) \).

Le carbone de l'éthyle l'emporte sur l'hydrogène du méthyle. L'éthyle est donc prioritaire sur le méthyle.

**Classement par ordre de priorité décroissante (1 > 2 > 3 > 4) :**
\[ -\text{OH} \ (1) > -\text{CH}_2\text{CH}_3 \ (2) > -\text{CH}_3 \ (3) > -\text{H} \ (4) \]

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Step 2: Détermination de la configuration absolue (Cram)

D'après l'énoncé, la représentation de Cram autour de \( \text{C}^* \) est définie ainsi :
- Le groupement \( -\text{OH} \) (priorité 1) est vers l'avant (liaison en coin plein).
- Le groupement méthyle \( -\text{CH}_3 \) (priorité 3) est vers l'arrière (liaison en pointillés).
- Les deux autres liaisons sont dans le plan : il s'agit du groupement éthyle \( -\text{CH}_2\text{CH}_3 \) (priorité 2) et de l'atome d'hydrogène \( -\text{H} \) (priorité 4).

Pour déterminer la configuration absolue :
1. L'hydrogène \( -\text{H} \) (priorité 4) est dans le plan. Pour appliquer la règle de lecture directe, il est plus simple de regarder la molécule de manière à placer le groupe de priorité 4 vers l'arrière, ou d'effectuer une permutation :
- Permutons le groupe (4) en position arrière avec le groupe qui s'y trouve, c'est-à-dire le méthyle (3).
- La nouvelle configuration virtuelle obtenue après cette unique permutation aura les positions suivantes : (4) à l'arrière, (3) dans le plan, (1) à l'avant, (2) dans le plan.
- En regardant le sens de rotation de \( 1 ightarrow 2 ightarrow 3 \) sur cette configuration virtuelle :
- Le groupe \( -\text{OH} \) (1) est devant.
- Le groupe éthyle (2) et le groupe méthyle (3) sont positionnés de telle sorte que le sens de parcours \( 1 ightarrow 2 ightarrow 3 \) s'effectue dans le **sens inverse des aiguilles d'une montre** (S).
- Comme nous avons effectué une seule permutation pour mettre le groupe (4) derrière, la configuration réelle est l'inverse de celle lue.
- L'inverse de (S) est (R).

La configuration absolue du 2-butanol décrit est **(2R)**.

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Step 3: Dessin de la projection de Newman

Pour représenter la projection de Newman, on regarde la molécule selon l'axe de la liaison \( \text{C}_2-\text{C}_3 \) (le carbone 2 \( \text{C}^* \) est devant, le carbone 3 \( -\text{CH}_2- \) est derrière) :

* **Carbone de devant (\( \text{C}_2 \)) :**
* Le groupement \( -\text{OH} \) pointe vers l'avant.
* Le groupement \( -\text{CH}_3 \) pointe vers l'arrière.
* L'atome d'hydrogène \( -\text{H} \) est dans le plan.
* **Carbone de derrière (\( \text{C}_3 \)) :**
* Il s'agit du groupe \( -\text{CH}_2-\text{CH}_3 \). Il porte deux atomes d'hydrogène et un groupement méthyle terminal (\( -\text{CH}_3 \)).

Voici la représentation textuelle de la conformation décalée la plus stable (où les groupes volumineux sont les plus éloignés possibles) :

```text
OH
\
C2 — H
/ \
H3C H (sur C3, derrière)
/
CH3 (sur C3, derrière)
```

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Exercice 2 : Configurations électroniques fondamentales

Pour écrire les configurations électroniques, on applique la règle de Klechkowski, le principe d'exclusion de Pauli et la règle de Hund, tout en prenant en compte les exceptions classiques des métaux de transition (colonnes du chrome et du cuivre).

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Step 4: L'arsenic (\( Z = 33 \))

L'arsenic est un élément du bloc p (groupe 15, période 4).
- Configuration complète :
\[ 1s^2 \ 2s^2 \ 2p^6 \ 3s^2 \ 3p^6 \ 4s^2 \ 3d^{10} \ 4p^3 \]
- En écriture simplifiée (avec le gaz rare précédent, l'Argon \( Z=18 \)) et par ordre de couches :
\[ [\text{Ar}] \ 3d^{10} \ 4s^2 \ 4p^3 \]

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Step 5: Le Niobium (\( Z = 41 \))

Le niobium est un métal de transition de la période 5 (groupe 5). Il présente une exception à la règle de Klechkowski afin de stabiliser ses sous-couches (configuration externe en \( 4d^4 \ 5s^1 \) au lieu de \( 4d^3 \ 5s^2 \)).
- Gaz rare précédent : Krypton (\( \text{Kr}, Z=36 \)).
- Configuration :
\[ [\text{Kr}] \ 4d^4 \ 5s^1 \]

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Step 6: L'ion Ruthénium(II) (\( \text{Ru}^{2+}, Z = 44 \))

Le ruthénium neutre (\( Z = 44 \)) a pour configuration électronique fondamentale :
\[ [\text{Kr}] \ 4d^7 \ 5s^1 \] (il s'agit également d'une exception).

Lors de l'ionisation pour former l'ion \( \text{Ru}^{2+} \), les électrons de la couche externe ayant le nombre quantique principal \( n \) le plus élevé (ici la couche \( 5s \)) sont arrachés en premier, suivis de ceux de la sous-couche \( 4d \) :
- Départ de 1 électron de la \( 5s \) et de 1 électron de la \( 4d \).
- Configuration de \( \text{Ru}^{2+} \) :
\[ [\text{Kr}] \ 4d^6 \]

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Step 7: Le Palladium (\( Z = 46 \))

Le palladium est une exception majeure et unique de la période 5 (groupe 10). Pour obtenir une sous-couche \( d \) entièrement saturée et très stable (\( d^{10} \)), ses deux électrons de la couche \( 5s \) sont transférés dans la sous-couche \( 4d \).
- Configuration :
\[ [\text{Kr}] \ 4d^{10} \] (la sous-couche \( 5s \) est vide : \( 5s^0 \)).

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Answer:

Exercice 1 :

1. Substituants du carbone asymétrique classés par ordre CIP décroissant :

\[ -\text{OH} \ (1) > -\text{CH}_2\text{CH}_3 \ (2) > -\text{CH}_3 \ (3) > -\text{H} \ (4) \]

1. Configuration absolue : (2R)
2. Projection de Newman :

(Représentation de la liaison \( \text{C}_2-\text{C}_3 \) avec le carbone 2 devant portant \( -\text{OH} \), \( -\text{CH}_3 \) et \( -\text{H} \), et le carbone 3 derrière portant \( -\text{CH}_3 \) et deux \( -\text{H} \)).

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Exercice 2 :

1. Arsenic (\( Z = 33 \)) :

\[ [\text{Ar}] \ 3d^{10} \ 4s^2 \ 4p^3 \]

1. Niobium (\( Z = 41 \)) :

\[ [\text{Kr}] \ 4d^4 \ 5s^1 \]

1. Ion Ruthénium(II) (\( Z = 44 \)) :

\[ [\text{Kr}] \ 4d^6 \]

1. Palladium (\( Z = 46 \)) :

\[ [\text{Kr}] \ 4d^{10} \]