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Qu’est-ce-qu’un chlorure ?

Par Joy le 08/01/2019 Ressources > Physique-Chimie > Exos - Chimie > CPGE 2 PSI > Décomposition du Pentachlorure de Phosphore

Présentation de la molécule

Le pentachlorure de phosphore correspond à un composé du phosphore au degré d’oxydation V. On considère qu’il correspond à un chlorure de l’acide phosphorique.

Un oxydant, également appelé agent d’oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d’une réaction d’oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d’une autre espèce chimique.

Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d’une réaction d’oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique.

Une réaction d’oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle à lieu un transfert d’électron. C’est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d’une autre espèce chimique dite réducteur.

Structure géométrique

Comment comprendre la notation VSEPR ? Voici à quoi ressemble la structure du pentachlorure de potassium. Seriez-vous capable de donner la structure d’autres molécules plus complexes ?

Avec une formule VSEPR, c’est à dire Valence Shell Electron Pair Repulsion, en AX5, le pentachlorure de potassium, de formule PCl5, possède une structure en bipyramide trigonale. Cela signifie qu’il possède deux types de chlore dont :

  • Trois atomes de chlore équatoriaux, c’est à dire à 120° les uns des autres
  • Et deux atomes de chlore apicaux.

Labilité de la structure

Grâce à sa structure en bipyramide trigonales, et comme d’autres molécules ayant cette conformation, on considère que le pentachlorure de potassium présente une structure labile. Cela signifie que, par une pseudorotation de Berry, les deux atomes de chlore apicaux peuvent s’échanger avec deux atomes de chlore équatoriaux tandis que le troisième atome de chlore, qui reste donc inchangé, est appelé pivot de la pseudorotation.

Rappels concernant la théorie VSEPR

La théorie VSEPR , signifiant en Anglais Valence Shell Electron Pair Repulsion, encore noté RPECV en Français, signifie « répulsion des paires électroniques de la couche de valence ». Cette théorie correspond à une méthode destinée à prédire la géométrie des molécules. Cela est possible en se basant sur la théorie de la répulsion des électrons de la couche de valence, également connue sous le nom de « théorie de Gillespie »

Prérequis et supposition

La méthode VSEPR est fondée sur un certain nombre de suppositions qui concernent principalement la nature des liaisons entre atomes :

  • les atomes dans une molécule sont liés par des paires d’électrons ;
  • deux atomes peuvent être liés par plus d’une paire d’électrons. On parle alors de liaisons multiples ;
  • certains atomes peuvent aussi posséder des paires d’électrons qui ne sont pas impliqués dans une liaison. On parle de doublets non liants ;
  • les électrons composant ces doublets liants ou non liants exercent les uns sur les autres des forces électriques répulsives. Les doublets sont donc disposés autour de chaque atome de façon à minimiser les valeurs de ces forces ;
  • les doublets non liants occupent plus de place que les doublets liants ;
  • les liaisons multiples prennent plus de place que les liaisons simples.

Notation

Dans la théorie VSEPR, il y a certains usages de notation à respecter :

  • On note l’atome central de la molécule étudiée A.
  • Les doublets non-liants, et donc les paires d’électrons appartenant à l’atome central A qui se sont pas impliqués dans les liaisons sont notés E et m leur nombre.
  • Les doublets liants, et donc paires d’électrons qui sont impliqués dans des liaisons entre l’atome central A et un autre atome sont notés X. Le nombre de doublets liants sera noté n.

Les molécules simples, dont la géométrie est facilement définissable grâce à la méthode VSEPR sont donc notés suivant la notation vu ci-dessus et se présentent donc sous la forme : AXnEm

Le chlore

Comment choisir le carrelage de sa piscine ? Le chlore est utilisé dans le traitement de l’eau de piscine. En effet, grâce à ses propriétés désinfectantes et oxydantes, il élimine toutes les bactéries de la piscine et agit comme un anti-algues.

La découverte de cet atome

Le premier homme à avoir isolé le chlore est un chimiste suédois répondant au nom de Carl Wilhelm Scheele. Cette découverte eu lieu en 1774. C’est en versant quelques gouttes d’acide chlorhydrique sur du dioxyde de manganèse que la réaction se produisit.

Il appela tout d’abord ce gaz de l’acide muriatique déphlogistiqué, pensant tout d’abord à un gaz composé. Il était en réalité question de dichlore.

Le phlogistique était une théorie avant la découverte de l’oxygène au XVIIIe siècle par Lavoisier. Elle était censée expliquer le phénomène de combustion en considérant l’existence d’un élément-flamme fluide qui aurait été présent dans toutes les substances combustibles

Carl Wilhelm Scheele

Carl Wilhelm Scheele est un chimiste d’origine suisse et allemande. Il a vécu entre 1742 et 1786. On lui doit la découverte de nombreux composés chimiques comme l’oxygène, la glycérine ou encore le chlore. Il était connu pour effectuer ses expériences de manière simple et sans avoir recours à l’utilisation d’instruments compliqués.
Il a été membre de la prestigieuse Académie Royale des Sciences de Suède.

A l’abandon du phlogistique, il devint alors naturel de croire que le chlore était en réalité composé d’oxygène.

Il faudra cependant attendre 1809 pour qu’un chimiste britannique, Humphry Davy, prouve que le chlore est un gaz simple et finisse par lui donner son nom définitif.

Humphry Davy

Humphry Davy est un physicien et chimiste anglais qui a vécu entre 1778 et 1829. Il a découvert de nombreuses substances chimiques comme le potassium, le calcium, le sodium, le magnésium et le strontium. On lui doit l’invention de la lampe de sûreté pour mineurs, appelée lampe Davy, ce qui lui valu de se voir décerner le grand prix de l’Institut de France en 1807.

Présence à l’état naturel

La plus grosse présence du chlore à l’état naturel est combinée dans le sel, chlorure de sodium, de formule NaCl. On peut aussi le trouver dans certaines espèces minérales comme la sylvine et la carnallite.

Le chlore se trouve sous forme ionique dans l’ion chlorure de formule Cl dans les océans, dissout dans l’eau de mer. Environ 2 % de la masse de l’eau de mer de la Terre est celle des ions chlorure qu’elle contient.

Propriétés physiques et chimiques du chlore

Le chlore pur est sous la forme d’un gaz, le dichlore de formule Cl2.

On peut le rendre liquide en passant en dessous de la barre des -34 °C.

Le chlore est une molécule très réactive, ce qui signifie qu’on peut facilement la faire réagir avec d’autres molécules. Ce qui est le cas de tous les éléments appartenant au groupe des halogènes, comme le chlore.

On peut donc aisément dissoudre du chlore dans de l’eau. A 10 °C et à pression atmosphérique normale, il est possible de dissoudre 3,10 L de chlore dans 1 L d’eau. Plus la température augmente, moins il est facile de le dissoudre. Par exemple, une fois arrivé à 30 °C, il n’est plus possible que de dissoudre 1,77 L de chlore dans 1 L d’eau.

Le potassium

Comment assaisonner un magret de canard ? Le potassium peut être utilisé en cuisine. En effet, il présente un pouvoir salant qui permet d’ajuster le goût des plats tout en évitant les aspects mauvais pour la santé du sel de table commun, c’est à dire le chlorure de sodium.

La découverte de l’atome

Certains de ses composés, comme la potasse, sont connus et utilisés depuis l’antiquité mais le potassium n’est identifié comme élément qu’en 1807 lorsque le chimiste britannique Humphry Davy réalise l’électrolyse de d’hydroxyde de potassium fondu et obtient un métal encore encore inconnu.

Présence à l’état naturel

Le potassium est un élément très abondant dans la croûte terrestre. En effet, son clarke est élevé, il représente 2,58% du poids total de la croûte terrestre faisant de lui l’un des 7 éléments les plus abondants sur Terre.

Le clarke d’un élément chimique définit sa présence moyenne dans la croûte terrestre . Il s’exprime sous la forme d’une fraction massique en pourcentage, ppm (partie par million), ou ppb (partie par milliard)

Cependant, le potassium n’est pas un élément natif puisqu’il est obtenu, du moins principalement, via l’électrolyse de l’hydroxyde de potassium en voie sèche fondue. C’est d’ailleurs ce procédé qui a été découvert et utilisé par Sir Davy

Il existe de nombreux minéraux composés de potassium tels que :

  • La carnallite, de formule KMgCl3·6H2O
  • La langbeinite, de formule K2Mg2(SO4)3
  • La polyhalite, de formule K2Ca2Mg(SO4)4·2H2O
  • Et la sylvine, de formule KCl

Il est d’ailleurs intéressant de noter que la sylvine est exploitée en France sous le nom de Potasse d’Alsace.

Les propriétés physiques et chimiques du potassium

Le potassium sous forme de corps simple

Il se présente sous une forme métallique qui peut être obtenue par électrolyse mais qui n’existe pas dans la nature. C’est un métal grisâtre, très mou, ductile et surtout très réactif puisqu’il s’agit de l’un des métaux les plus réducteurs.

Un corps est dit ductile quand il peut être étiré sans pour autant se rompre

En présence d’air il s’oxyde et au contact de l’eau il réagit violemment en produisant du dihydrogène, il est donc en général conservé dans de l’huile afin de l’isoler des ces substances.

Les ions du potassium en solution aqueuse

Les ions potassium, de formule K+, sont des ions monoatomiques positifs, aussi appelés cations, portant une charge excédentaire positive.

Il s’agit de la forme la plus courante sous laquelle se présente le potassium dans la nature.

Composés à base de potassium

Tous les composés du potassium sont de nature ionique :

  • L’hydroxyde de potassium, de formule KOH, est un composé ionique formé de l’assocation d’ions potassium, de formule K+, et d’ions hydroxyde, de formule OH. Il se dissout dans l’eau en formant une solution aqueuse basique appelée « potasse ».
  • Le chlorure de potassium, de formule KCl, est composé d’ions potassium et d’ions chlorure. Il peut être extrait de l’eau de mer ou obtenu à partir de cendres végétales. Son goût rappelle celui du sel de cuisine, c’est à dire le chlorure de sodium, sans avoir ses effets sur la tension artérielle, il est dont possible de l’utiliser comme substituant à ce dernier dans le cadre d’un régime sans sel.

Exercice de chimie : décomposer un élément

Le pentachlorure de phosphore se décompose selon la réaction suivante :

PCl5(g) = PCl3(g)+ Cl2(g) avec Kp(525K) = 1,85

Cas n°1

On met dans une enceinte, initialement vide, à T = 525K maintenue constante, 1 mol de PCl5 sous la pression totale maintenue constante ptot = 2 bar.

Déterminer l’équation donnant l’avancement ξ de la réaction à l’équilibre sous la forme Kp = f1(ξ)

Cas n°2

Dans une enceinte initialement vide maintenue à T = 525K, on place 1 mol de PCl5 . Le volume de l’enceinte est constant et tel qu’avant toute réaction on a : ptot(0) = 2 bar.

Déterminer l’équation donnant l’avancement ξ de la réaction à l’équilibre sous la forme Kp= f2(ξ)

Cas n°3

On met dans une enceinte, initialement vide, à T = 525K maintenue constante, 1 mol de PCl5  et 1 mol d’argon, gaz inerte, sous une pression totale maintenue constante ptot = 2bar.

Déterminer l’équation donnant l’avancement ξ de la réaction à l’équilibre sous la forme Kp = f3(ξ)

Le tableau suivant regroupe les résultats numériques, avancements (ξ) et pressions à l’équilibre (en bar), correspondants aux 3 cas précédents :

CasPeqξ
12,000,693
23,210,605
32,000,769

En comparant les fonctions f2(ξ) et f3(ξ) à f1(ξ), justifier la valeur la plus faible de l’avancement à l’équilibre dans le cas 2 par rapport au cas 1, et sa valeur plus forte dans le cas 3 par rapport au cas 1.

Donner une interprétation physique.

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