Autour de la mol�cule de CO2. Concours agr�gation interne 2021.

1. Quelques propri�t�s de la mol�cule.
1. Donner les configurations �lectroniques des atomes H(Z=1), C(Z=6) et O(Z=8). Que repr�sente Z ?
Z est le num�ro atomique ( nombre de protons du noyau).
H : 1 s¹ ; C : 1s² 2s² 2p² ; O : 1s² 2s² 2p⁴ .
2. Enoncer les r�gles utilis�es pour �tablir ces configurations �lectroniques. Donner le num�ro atomique de l'�l�ment situ� 4 lignes sous le carbone dans la classification �lectronique.
R�gle de Pauli : deux �lectrons se diff�rencient par au moins l'un de leur nombres quantiques n, l, m et s.
R�gle de Klechkowski : l'ordre de remplissage des orbitales se fait suivant (n+l) croissant ; si deux orbitales atomiques ont le m�me nombre (l+n), celle qui a la plus faible valeur de n est remplie en premier ( principe de stabilit�)
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f...
R�gle de Hund : cas des orbitales de m�mes �nergie.
Les �lectrons de spins parall�les occupent le maximum d'orbitales.
Pb ( Z = 82).
3. Donner la repr�sentation de Lewis des mol�cules H₂O, CO₂ et CO. Expliquer pourquoi la mol�cule CO₂ est lin�aire.

Chaque atome d'oxyg�ne poss�dent deux doublets non liants qui se repoussent ; le minimum d'�nergie est atteint lorsque les atomes d'oxyg�ne sont le plus �loign� possible. CO₂ est une mol�cule lin�aire.

4. Un enseignant aborde avec ses �l�ves de seconde la partie "Mol�cules, vers des entit�s plus stables chimiquement". Il envisage une s�ance d'une heure � mener par groupe de 4 ou 5 �l�ves.
- Connaissances n�cessaires pour aborder la s�ance :
Structure de l'atome , classification p�riodique des �l�ments.
- Probl�matique : les �l�ments chimiques les plus stables sont les gaz nobles ( derni�re colonne de la classification p�riodique).
Comment les autres atomes vont-ils acqu�rir de la stabilit� ?
- Ce que les �l�ves doivent retenir :
Les atomes ont deux possibilit�s pour acqu�rir la configuration �lectronique du gaz noble le plus proche :
- gagner ou perdre des �lectrons en formant des ions ;
- s'associer entre eux pour former des mol�cules.
Ils doivent alors respecter les r�gles suivantes :
r�gle du duet : les �l�ments de num�ro atomique inf�rieur � 4 �voluent afin d'aqu�rir la structure de l'h�lium ( 2 �lectrons externes) ;
r�gle de l'octet : les �l�ments de num�ro atomique sup�rieur � 4 �voluent afin d'aqu�rir la structure d�lectronique du n�on ( K²L⁸) ou de l'argon ( K²L⁸M⁸)
Pour former des mol�cules, les atomes forment des liaisons covalentes, liaison form�e de deux �lectrons, un �lectron �tant donn� par chaque atome. Elle est sch�matis� par un trait " --".
Combien de liaisons de covalence peut former un atome ?
Le nombre de liaisons covalentes que peut former un atome est �gal au nombre d'�lectrons qu'il doit acqu�rir pour compl�ter sa couche externe � 2 ou 8 �lectrons.

Mod�le plus �labor� de la liaison chimique post-baccalaur�at : mod�le quantique, th�orie des orbitales mol�culaires.

5. Dans le monoxyde de carbone, la longueur de la liaison CO est 112,8 pm. La mol�cule pr�sente un moment dipolaire de valeur � = 0,110 D.
D�duire l'orientation du moment dipolaire ; d�terminer le pourcentage ionique de cette liaison. Quelle grandeur physique macroscopique du CO gazeux est li�e � l'existence du moment dipolaire ?
Le moment dipolaire est orient� de la charge n�gative vers la charge positive, du carbone vers l'oxyg�ne.
� = 0,110 x3,33 10^-30 = 3,663 10^-31 C m ;
% de caract�re ionique : � /(ed_CO) =3,663 10^-31 /(1,6 10^-19 x112,8 10^-12) =0,020 ( 2,0 %).
CO est un excellent ligand et sa solubilit� dans l'eau est faible.

2. Spectroscopie infra-rouge.
6. Que vaut le moment dipolaire �lectrique de la mol�cule CO₂ ? Les modes normaux de vibration de la mol�cule CO₂ sont repr�sent�s ci-dessous. Expliquer pourqui il y en a quatre. Quels sont ceux actifs en IR ?

Du fait de sa sym�trie, le moment dipolaire de la mol�cule de dioxyde de carbone est nul.
a) vibrations d'�longation sym�triques.
b) vibrations d'�longation antisym�triques : les atomes d'oxyg�ne ont des mouvements dans le m�me sens, contrairement au mouvement du carbone.
d) vibrations de d�formation d'angle dans le plan ; les atomes d'oxyg�ne ont des mouvements dans le m�me sens contrairement au carbone.
c) vibrations de d�formations d'angle hors du plan.
Un mode de vibration est actif en IR si le moment dipolaire de la mol�cule varie au cours des vibrations. C'est le cas des modes b), c) et d).
On donne le spectre IR de CO₂ � l'�tat gazeux.

7. Pr�ciser ce que repr�sente la grandeur port�e en abscisse. D�terminer la longueur d'onde des rayonnements absorb�s. Quel est le mode le plus �nerg�tique ? Commenter.
Le nombre d'onde est l'inverse d'une longueur d'onde.
2350 cm^-1 correspond � 1 / 2350 ~4,25 10^-4 cm = 4,25 �m.
700 cm^-1 correspond � 1 / 700 ~1,49 10^-3 cm = 14,3 �m.
A la plus petite longueur d'onde correspond le mode le plus �nerg�tique.

8. A partir du spectre IR d'un �chantillon gazeux, peut-on d�terminer la concentration du CO₂ pr�sent ? Si oui, quelle serait la loi � utiliser et quels sont les param�tres � conna�tre pour faire cette d�termination ?
L'absorbance A, proportionnelle � la concentration, permet de d�terminer la concentration en CO₂.
A = e l c avec l : �paisseur de la cuve en cm ; c : concentration en mol / L et e en L mol^-1 cm^-1, une caract�ristique de la mol�cule.

9. On donne les spectres du corps noir � deux temp�ratures ( 5800 K, temp�rature de surface du soleil et 288 K temp�rature moyenne � la surface de la terre ).

Expliquer en quelques lignes l'effet de serre atmosph�rique.
Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosph�re terrestre, 28 % est r�fl�chi dans l'espace par l'air, les nuages et les surfaces claires de la terre. Les rayons incidents non r�fl�chis sont absorb�s par les nuages ( 21 %) et la surface terrestre ( 51 %). La terre restitue cette chaleur, la nuit et en hiver sous forme de rayons infrarouges Ce rayonnement est absorb� par les gaz � effet de serre puis r��mis dans toute les directions, notamment vers la terre. Ce dernier cr�� l'effet de serre.
10. Pourquoi le dioxyde de carbone est-il particuli�rement efficace dans cet effet de serre ? Quel mode de vibration intervient notamment ?
Le dioxyde de carbone gazeux pr�sente un maximum d'absorption vers 12 �m ( vibration de d�formation d'angle dans le plan).
11. Citez deux autres gaz � effet de serre dans l'atmosph�re. Pourquoi O₂ et N₂ ne jouent-ils pas de r�le significatif dans cet effet de serre ?
H₂O et CH₄ contribuent � l'effet de serre. Les mol�cules O₂ et N₂ n'ont pas la capacit� de vibration dans le domaine des infrarouges.

Afin de montrer la formation possible d'aminom�thanol, un m�lange de glace compos� d'H₂O, NH₃ et H₂CO est condens� sur une paroi froide � tr�s basse temp�rature ( 10 K). La temp�rature est progressivement augment�e et le syst�me est suivi par spectroscopie IR.

12. La fiche de s�curit� du m�thanal comporte trois pictogrammes. Que signifient -t-ils ?

13. Quel est l'autre nom d'une solution aqueuse de m�thanal ? Quelles pr�cautions faut-il prendre lors de sa manipulation ?
Le formol.
Port de gants lunettes et v�tement de protection. Tenir � l'�cart des mati�res combustibles.
14. Repr�senter la formule semi-d�velopp�e d'aminom�thanol. Ecrire la r�action conduisant � sa formation � partir des r�actifs utilis�s. A quelle classe de r�actions appartient-elle ?
H₂N-CH₂-OH.
NH₃ + H₂CO --> H₂N-CH₂-OH.
Addition sur la double liaison C=O.
15. Proposer un m�canisme r�actionnel lorsqu'on r�alise cette r�action en milieu aqueux � 298 K.

16. A partir de l'�volution des temp�ratures des spectres IR d'une glace form�e d'eau, d'ammoniac et de m�thanal, quelles informations permettent de penser que l'aminom�thanol a �t� form� lors de l'augmentation de temp�rature ?
Pr�sence d'une bande fine vers 3350 cm^-1 ( -NH₂), d'une bande vers 1000 cm^-1 ( C-O /C-N) ; disparition de la bande large vers 1725 cm^-1 ( H₂CO).
17. A partir de quelle temp�rature observe-t-on cette formation ? Peut-on penser que la transformation du m�thanal est totale � 200 K ?
A partir de 90 K, la formation d'aminoalcool a lieu. A 200 K, la transformation est totale
18. Quelle autre m�thode analytique pourrait-on utiliser pour d�montrer la formation d'aminom�thanol ? Justifier.
19. Dans certaine conditions, l'aminom�thanol peut subir une r�action de d�shydratation. Ecrire la r�action. A quelle classe de compos� appartient le produit form� ?
H₂N-CH₂-OH --> HN=CH₂ + H₂O. Il se forme une imine.