2nde. F1. Différentes sortes de molécules

Les matériaux et les molécules dans le sport

La chimie permet d’améliorer le confort de la pratique du sport et les performances par l’élaboration de nouveaux matériaux. Elle permet aussi de soigner et de procéder à des analyses de plus en plus précises pour lutter contre le dopage.

F.1.     Différentes sortes de molécules

Les élèves doivent savoir
  • Savoir que certains matériaux proviennent de la nature et d’autres de la chimie de synthèse.
  • Repérer la présence d’un groupe caractéristique dans une formule développée.
  • Représenter des formules développées et semi- développées correspondant à des modèles moléculaires.
  • Savoir qu’à une formule brute peuvent correspondre plusieurs formules semi-développées.
  • Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation.

Mise en situation

Raphaël est fin prêt pour ses premiers matchs en tournois de tennis, il lui reste maintenant à s’équiper et à comprendre les étiquettes des matériaux utilisés pour les raquettes et les vêtements de sport. Partout il lit « matériau synthétique » ou « composite », parfois même « naturel », mais que signifient ces mots ?

Les matériaux de la raquette de tennis

Les raquettes de tennis existent depuis le début du XVIe siècle où elles servaient au jeu de paume. Leur cadre, initialement en bois, est désormais réalisé avec des matériaux composites, généralement à base de graphite, de titane, acier… Un matériau composite est un assemblage de plusieurs composants non miscibles en couches minces dont les propriétés se complètent. Les cordages, initialement en boyau de bœuf, sont maintenant constitués de matériaux synthétiques, comme on en trouve aussi beaucoup dans les textiles utilisés pour le sport : polyamides, polyéthylène…

La synthèse chimique consiste à réaliser une suite de transformations chimiques afin de produire une espèce chimique existant déjà dans la nature ou totalement artificielle.

Les molécules sont des assemblages d’atomes liés par des liaisons covalentes. Ces liaisons permettent la mise en commun des électrons des atomes afin qu’ils puissent suivre la règle de l’octet (ou du duet pour l’hydrogène). L’ensemble sera électriquement neutre.

Modèle de Lewis

Pour savoir comment les atomes sont liés dans une molécule on peut donc partir de leur structure électronique externe et appliquer le modèle de Lewis : chaque symbole d’atome sera représenté entouré des électrons présents sur sa dernière couche, comme dans les exemples ci-dessous :

lewis atomes HCNO

Comme on peut le voir, il manque un électron à l’hydrogène pour avoir un duet sur sa couche externe d’électrons. Il formera donc des liaisons ou il partage son électron avec celui d’un autre atome. Une liaison où deux électrons sont mis en commun est une liaison simple (exemple du dihydrogène H2)

L’atome d’oxygène n’a besoin que de deux électrons. Il va donc les partager avec deux atomes différents en formant deux liaisons simples (exemple de l’eau H2O) ou avec un seul atome en formant une liaison double où quatre électrons, deux par liaison, sont partagés (exemple du dioxygène O2).

L’atome d’azote a besoin de trois électrons. Il peut faire des combinaisons de liaisons simples et doubles, mais peut aussi partager trois électrons avec un seul autre atome et former ainsi une liaison triple (exemple du diazote N2).

Enfin le carbone a besoin de quatre électrons, il peut donc faire une combinaison de liaisons simples, doubles ou triples.

Représentation des molécules

La formule chimique brute d’une molécule est constituée de la liste des atomes qui la composent, avec en indice le nombre d’atomes de chaque sorte à droite de son symbole (exemple : l’eau H2O contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène).

On peut utiliser la formule de Lewis pour représenter une molécule développée qui indique plus précisément la manière dont se font les liaisons entre atomes. Il existe alors deux représentations possibles : garder les points qui représentent chaque électron (ce qui peut vite devenir confus pour une grosse molécule) ou remplacer les paires d’électrons qui font une liaison covalente, appelés aussi doublets liants, par des traits entre les deux atomes. De la même façon, les doublets d’électrons non liants sont représentés par des traits au dessus du symbole de l’atome.

representation lewis atomes

La représentation des doublets non liants n’est pas toujours nécessaire et peut même alourdir la représentation de grosses molécules. On utilise donc généralement trois représentations en dehors de la représentation de Lewis :

  • La formule brute : elle n’indique que la composition de la molécule, sans préciser la nature des liaisons entre atomes.
  • La formule développée : elle indique la géométrie de la molécule en figurant toutes les liaisons entre atomes par des traits (simples, doubles ou triples).
  • La formule semi-développée : comme les atomes d’hydrogène ne forment qu’une liaison simple avec les autres atomes, on peut aisément deviner de quelle façon ils se répartissent à partir des autres atomes. On va donc simplement les indiquer à côté de l’atome auquel ils sont liés. Cela permet des représentations plus compactes

représentation lewis acetone

Remarque : Par la suite, étant donné que les atomes d’hydrogène sont parmi les plus abondants et qu’ils se lient aux atomes de carbone, d’oxygène et d’azote de façon prévisible avec leur liaison simple, on ne le représente souvent plus du tout. Ils deviennent ainsi implicites et cela permet de voir plus facilement la structure à base de carbone des molécules « organiques » (celles à base de carbone).

Les isomères

Quand on ne possède que la formule brute d’une molécule il arrive qu’il soit possible de répartir les atomes de plusieurs façons et de former plusieurs molécules avec des géométries et des répartitions d’atomes différentes : ce sont des isomères.

isomeres

Dans la représentation développée et semi-développée ci-dessus, vous voyez que le pentane, l’isopentane et le néopentane ont la même formule brute. Ce sont donc des isomères et ils n’auront pas les mêmes propriétés physiques ou la même réactivité chimique car ces facteurs dépendent de la géométrie des molécules.

Les groupes caractéristiques

Les molécules de notre organisme, ou qui réagissent avec celui-ci, sont des molécules organiques. Leur structure de base est une chaine d’atomes de carbone auxquels sont attachés des atomes d’hydrogène. C’est la raison pour laquelle on parle également de chimie du carbone pour la chimie du vivant.

Ce qui va différentier les molécules organiques, ce sont des groupes caractéristiques où interviennent généralement des atomes d’oxygène ou d’azote. Ces groupes ont des formes reconnaissables dans les formules semi-développées ou développées et il faut savoir les reconnaitre.

Quelques groupes caractéristiques

groupes caractéristiques

Polymères dans le sport

Les plastiques et les matériaux synthétiques utilisés dans les textiles sont des polymères : des molécules constituées par la répétition d’un même motif élémentaire (le monomère) un grand nombre de fois. Ces polymères sont donc de très grandes molécules, que l’on nomme macromolécules.

Le polyéthylène (http://www.chemtube3d.com/polymer/_PolyethyleneF.html) est l’un des polymères les plus simples : il résulte de la polymérisation de l’éthylène, une molécule contenant une double liaison entre deux atomes de carbones. Au cours de la polymérisation, cette double liaison s’ouvre et deux molécules s’accrochent entre elles. Ce processus va se poursuivre pour donner une molécule finale constituée de plusieurs centaines d’atomes, toutes les liaisons étant simples, celle-ci est très souple et peut s’enrouler sur elle-même.

Sur cette même base, en remplaçant les atomes d’hydrogène de la molécules d’éthylène par d’autres atomes, on peut réaliser un grand nombre de polymères différents avec des propriétés intéressantes dans différents domaines :

polymeres

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