Moments dipolaires de groupes comportant des

Moments dipolaires
de groupes comportant des carbones tétraédriques
Groupes alkyles
Calculons le moment dipolaire d’un groupe méthyle (-CH3) et montrons qu’il a la même norme que
celui d’une liaison C-H :
Le carbone d’un groupe méthyle est tétraédrique (descriptif VSEPR AX4). Tous les angles
ˆ valent donc 109°28’. Les deux liaisons C-H sortant du plan de la feuille font donc avec
HCH
leur projection sur le plan de la feuille un angle de ½ x 109°28’ et ainsi, la composante du
moment dipolaire total du groupe méthyle orthogonale au plan de la feuille (donc selon Oz)
est nulle. Même raisonnement dans le plan Oyz : la composante du moment dipolaire total du
groupe orthogonale à ce plan (donc selon Ox) est nulle.
Ainsi, la seule composante non nulle est la composante selon Oy. Sur cet axe, les moments
dipolaires de chaque liaison C-H ont tous une projection de valeur :
µ
µCH .u y = µCH × cos (π − α ) ≈ CH
3
Et lorsque l’on somme les trois, on obtient bien que le groupe méthyle a un moment dipolaire
total de même norme que celle du moment dipolaire d’une seule liaison C-H.
y
H
O
x
H
H
C
µ CH3
µ CH
z
En déduire les moments dipolaires des molécules suivantes : CH4, CH3-CH3, CH3-CH2-CH3. (On
justifiera soigneusement la géométrie adoptée.) Comment se nomment ces trois molécules ?
Généraliser votre résultat à CH3-(CH2)n-CH3.
CH4, CH3-CH3, CH3-CH2-CH3 sont respectivement le méthane, l’éthane et le propane.
D’après le résultat précédent (le moment dipolaire d’un groupe CH3 est de même norme que
celui d’une liaison C-H), on obtient :
⇒
Pour CH4 :
H
Les deux moments se compensent, la
molécule est donc apolaire.
µ CH(2)
⇒
Pour CH3-CH3 :
H
H
µ CH(1)
C
H
H
H
H
µ CH(1)
C
Les deux moments se compensent, la
molécule est donc apolaire.
C
µ CH(2)
H
H
H
1
⇒
Pour CH3-CH2-CH3 :
H
µ CH(1)
H
H
H
H
C
H
C
Donc cette molécule a un moment
dipolaire identique à la suivante :
H
C
H
H
µ CH(2)
C
H
µ CH(1)
H
C'est le méthane.
Ainsi, le propane a
également un moment
dipolaire nul.
H
µ CH(2)
(Géométrie tétraédrique autour de chaque atome de carbone (descriptif VSEPR AX4).)
⇒
µ CH(1)
H
Pour CH3-(CH2)n-CH3 :
H
H
C
H
H
H
C
C
H
H
H
H
n
H
H C
H
H
C H
H
H C
H
H
H
µ CH(6)
n
µ CH(4)
⇔
µ CH(2)
H
C H
µ CH(3)
H
C
H
C
µ CH(5)
Ainsi, n'importe quel alcane
linéaire a le même moment
dipolaire que le méthane,
soit un moment
⇔ … ⇔ dipolaire nul.
fluorométhanes
Calculer les moments dipolaires de CH3F, CH2F2 et CHF3. Comment se nomment ces trois
molécules ?
CH3F, CH2F2 et CHF3 sont respectivement le fluorométhane, le difluorométhane et le
trifluorométhane.
D’après ce qui précède, on peut faire le schéma suivant pour le fluorométhane :
y
H
O
z
x
H
µ CH3
H
µ CH3F
C
F
µ CF
2
D'où : µCH F = µC −CH + µC − F et µCH F = 5.94 ×10−30 C .m
3
3
3
Pour le difluorométhane :
(1)
y
H
µ CH(1) + µ CH(2) (2)
H
(1)
F
µ CH2F2
C
x
O
F
z
α/2
µ CF(1) + µ CF(2)
(2)
(α = 109°28')
D'où : µCH F = µCH (1) + µCH (2) + µCF (1) + µCF (2) et
3
α 
α 
−30
 + 2 × µCF × cos   = 6.86 × 10 C .m
2
2
µCH F = 2 × µCH × cos 
2 2
Pour le trifluorométhane :
(3)
y
(2)
F
F
(1)
F
µ CHF3
C
O
x
µ CH(1)
z
µ CF(1) + µ CF(2) + µ CF(3)
H
D'où : µCHF = µCF (1) + µCF (2) + µCF (3) + µCH et µCH F = 3 × µCF × cos (π − α ) + µCH = 5.94 ×10−30 C .m
3
2 2
Données :
Liaison
Ctétraédrique-H
C-F
Norme moyenne du moment dipolaire associé à la liaison
1.30 10-30 C.m
4.64 10-30 C.m
Angle dans un tétraèdre régulier : 109°28’
3