Etude de Chimie

Acides et bases de Lewis

Chimie Inorganique : Acides et bases de Lewis - identification et réactivité

Acides et bases de Lewis : identification et réactivité

Contexte : Une Théorie Basée sur les Électrons

Au-delà de la théorie de Brønsted-Lowry (échange de protons), la théorie de Lewis offre une vision plus large des interactions acide-base. Selon G.N. Lewis, un acide de Lewis est une espèce capable d'accepter une paire d'électrons, tandis qu'une base de Lewis est une espèce capable de donner une paire d'électrons. Cette définition ne se limite pas aux protons et englobe une vaste gamme de réactions, notamment en chimie de coordination et organométallique. La réaction entre un acide et une base de Lewis forme un adduit, où une nouvelle liaison covalente de coordination (ou dative) est créée par le partage du doublet électronique de la base.

Remarque Pédagogique : La clé pour identifier les acides et les bases de Lewis est de regarder les structures électroniques. Une base de Lewis doit posséder un doublet non liant. Un acide de Lewis a typiquement une orbitale vide ou un octet incomplet, créant un "site" avide d'électrons.

Objectifs Pédagogiques

  • Définir un acide et une base de Lewis.
  • Identifier l'acide et la base dans une réaction de formation d'adduit.
  • Dessiner la structure de l'adduit en montrant la liaison de coordination.
  • Appliquer les calculs stœchiométriques à une réaction acide-base de Lewis.

Données de l'étude

On fait réagir \(1,70 \, \text{g}\) d'ammoniac (\(\text{NH}_3\)) avec \(7,48 \, \text{g}\) de trifluorure de bore (\(\text{BF}_3\)) pour former un adduit solide.

Réaction Acide-Base de Lewis
\[ \text{BF}_3 + \text{NH}_3 \longrightarrow \text{F}_3\text{B-NH}_3 \]

Données :

  • Masses molaires atomiques (en \(\text{g/mol}\)) : H: 1.0, B: 10.8, N: 14.0, F: 19.0

Questions à traiter

  1. Identifier l'acide de Lewis et la base de Lewis dans cette réaction. Justifier.
  2. Dessiner la structure de l'adduit formé, \(\text{F}_3\text{B-NH}_3\), en utilisant la représentation de Lewis.
  3. Calculer la masse théorique d'adduit que l'on peut obtenir.

Correction : Acides et bases de Lewis : identification et réactivité

Question 1 : Identification de l'acide et de la base de Lewis

Principe
NH₃ (Base) Don de e⁻ BF₃ (Acide) Orbitale vide

Une base de Lewis est un donneur de doublet électronique. Elle possède donc au moins un doublet non liant. Un acide de Lewis est un accepteur de doublet électronique. Il possède donc une "lacune" électronique, comme une orbitale vide ou un octet incomplet.

Mini-Cours

La théorie de Lewis généralise le concept d'acidité et de basicité. Tout cation métallique (\(\text{Fe}^{3+}\), \(\text{Cu}^{2+}\)...) peut agir comme un acide de Lewis en acceptant des doublets d'électrons de la part de ligands (qui sont des bases de Lewis). Les composés du bore et de l'aluminium (comme \(\text{BF}_3\), \(\text{AlCl}_3\)) sont des exemples classiques d'acides de Lewis car leur atome central n'a que 6 électrons de valence et cherche à compléter son octet.

Remarque Pédagogique

Point Clé : Pour identifier rapidement, cherchez les doublets non liants pour les bases et les atomes avec moins de 8 électrons de valence (ou les cations) pour les acides.

Normes

La définition des acides et bases de Lewis est une norme fondamentale de la nomenclature et de la théorie chimique, établie par l'IUPAC.

Hypothèses

On se base sur les structures de Lewis classiques des molécules pour déterminer la présence de doublets non liants et de lacunes électroniques.

Formule(s) / Règles
  • Base de Lewis : possède un doublet non liant.
  • Acide de Lewis : possède une orbitale vacante.
Donnée(s)
  • Ammoniac (\(\text{NH}_3\)) : L'azote (groupe 15) a 5 électrons de valence. Il forme 3 liaisons avec H et possède 1 doublet non liant.
  • Trifluorure de Bore (\(\text{BF}_3\)) : Le bore (groupe 13) a 3 électrons de valence. Il forme 3 liaisons avec F et n'a que 6 électrons de valence (octet incomplet).
Calcul(s) / Analyse

L'ammoniac possède un doublet non liant qu'il peut donner : c'est la base de Lewis. Le trifluorure de bore a une lacune électronique sur le bore et peut accepter un doublet : c'est l'acide de Lewis.

Réflexions

Cette identification est cruciale car elle permet de prédire le sens de la réaction : le doublet de la base va "attaquer" le site acide pour former une nouvelle liaison.

Justifications

La justification repose sur l'analyse des structures électroniques de Lewis de chaque réactif.

Points de vigilance

Ne pas confondre avec Brønsted-Lowry. L'ammoniac est aussi une base de Brønsted (peut accepter un H⁺), mais \(\text{BF}_3\) n'est pas un acide de Brønsted (il n'a pas de H⁺ à céder). La théorie de Lewis est plus générale.

Le saviez-vous ?

Les "superacides", des acides des millions de fois plus forts que l'acide sulfurique concentré, sont souvent des mélanges d'un acide de Lewis puissant (comme \(\text{SbF}_5\)) et d'un acide de Brønsted fort (comme \(\text{HF}\)).

FAQ en rapport avec la question
Pourquoi le bore ne fait-il pas une double liaison avec un fluor pour compléter son octet ?

Bien que possible en théorie, la formation d'une double liaison B=F serait défavorable car elle placerait une charge formelle positive sur l'atome de fluor, très électronégatif, et une charge négative sur le bore, moins électronégatif. La structure avec des liaisons simples est plus stable, même avec un octet incomplet sur le bore.

Visualisation du Résultat

L'ammoniac est le donneur (base), le trifluorure de bore est l'accepteur (acide).

Résultat Final : L'acide de Lewis est \(\text{BF}_3\) et la base de Lewis est \(\text{NH}_3\).
A vous de jouer

Dans la réaction \(\text{AlCl}_3 + \text{Cl}^- \rightarrow [\text{AlCl}_4]^-\), quelle espèce est l'acide de Lewis ?

Question 2 : Structure de l'adduit

Principe
NH₃ + BF₃ F₃B-NH₃

La réaction forme une nouvelle liaison covalente de coordination entre l'atome donneur (N) et l'atome accepteur (B). Les deux électrons de la liaison proviennent de la base de Lewis. Dans l'adduit, les géométries autour des atomes centraux changent : le bore passe d'une géométrie trigonale plane à une géométrie tétraédrique.

Mini-Cours

La formation d'un adduit de Lewis est un exemple de création d'une liaison covalente dative. L'atome donneur (N) fournit les deux électrons pour la liaison, et l'atome accepteur (B) fournit l'orbitale vide. Une fois formée, cette liaison B-N est indiscernable d'une liaison covalente "normale". La théorie VSEPR (Répulsion des Paires d'Électrons de la Couche de Valence) permet de prédire le changement de géométrie : le bore, passant de 3 à 4 domaines électroniques, change sa géométrie de trigonale plane à tétraédrique.

Remarque Pédagogique

Point Clé : Dessiner la flèche du mécanisme réactionnel est un bon moyen de visualiser le processus : la flèche part toujours du doublet non liant de la base (source d'électrons) vers l'atome accepteur de l'acide (le puits d'électrons).

Normes

La représentation des structures de Lewis et des adduits suit les conventions de dessin moléculaire standard.

Hypothèses

On suppose que la réaction forme un seul produit, l'adduit 1:1, ce qui est le cas dans ces conditions.

Formule(s) / Structure

Structure de Lewis de l'adduit F₃B-NH₃

B N F F F H H H
Réflexions

La formation de l'adduit est une réaction très favorable car elle permet à l'atome de bore de satisfaire la règle de l'octet, passant de 6 à 8 électrons de valence. L'azote conserve son octet. Le produit est une molécule unique et stable.

Justifications

La structure est dessinée en respectant la connectivité et la géométrie tétraédrique autour des atomes de bore et d'azote, comme prédit par la théorie VSEPR.

Points de vigilance

Géométrie : Ne pas oublier que la géométrie des réactifs change lors de la formation de l'adduit. Le \(\text{BF}_3\) passe de plan (120°) à tétraédrique (109.5°).

Le saviez-vous ?

Les acides de Lewis comme le \(\text{BF}_3\) sont des catalyseurs extrêmement importants en chimie organique, notamment dans les réactions de Friedel-Crafts, car ils peuvent activer des réactifs en acceptant un doublet d'électrons.

FAQ en rapport avec la question
La liaison B-N est-elle polaire ?

Oui. L'azote est plus électronégatif que le bore. Dans la liaison B-N, une charge formelle de -1 est attribuée au bore et une charge de +1 à l'azote. Cela crée un moment dipolaire important le long de cette liaison.

Visualisation du Résultat

Le produit final est une molécule unique avec une liaison dative entre l'azote et le bore.

Résultat Final : La structure de l'adduit est F₃B-NH₃.
A vous de jouer

Dessinez la structure de Lewis de l'adduit formé entre \(\text{AlCl}_3\) et \(\text{Cl}^-\).

Question 3 : Masse théorique d'adduit

Principe
Réactif A + Réactif B (Limitant) → Produit Excès

La masse maximale de produit (masse théorique) est déterminée par le réactif limitant. Il faut calculer les quantités de matière (moles) de chaque réactif, les comparer en tenant compte de la stœchiométrie (ici 1:1), et utiliser la quantité du réactif limitant pour calculer la masse de produit formé.

Mini-Cours

Le réactif limitant est le réactif qui est entièrement consommé en premier dans une réaction chimique. Une fois qu'il est épuisé, la réaction s'arrête, quelle que soit la quantité restante des autres réactifs (dits "en excès"). La quantité de produit formé est donc directement proportionnelle à la quantité initiale du réactif limitant. L'identification du réactif limitant est une étape fondamentale dans tous les calculs de rendement en chimie.

Remarque Pédagogique

Point Clé : Pour trouver le réactif limitant, ne comparez jamais directement les masses ! Comparez toujours les quantités de matière (moles) après avoir divisé par les masses molaires respectives.

Normes

Les calculs stœchiométriques sont basés sur la loi de conservation de la masse (loi de Lavoisier) et la loi des proportions définies (loi de Proust), qui sont des piliers de la chimie quantitative.

Hypothèses

On suppose que la réaction est totale, c'est-à-dire que le réactif limitant est entièrement consommé pour former le produit.

Formule(s) utilisée(s)
\[ n = \frac{m}{M} \quad \text{et} \quad m = n \times M \]
Donnée(s)
  • Masse de \(\text{NH}_3\) : \(1,70 \, \text{g}\)
  • Masse de \(\text{BF}_3\) : \(7,48 \, \text{g}\)
  • Masses molaires : \(M(\text{NH}_3) = 17,0 \, \text{g/mol}\), \(M(\text{BF}_3) = 67,8 \, \text{g/mol}\)
Calcul(s)
\[ \begin{aligned} n_{\text{NH}_3} &= \frac{1.70 \, \text{g}}{17.0 \, \text{g/mol}} = 0.100 \, \text{mol} \\ n_{\text{BF}_3} &= \frac{7.48 \, \text{g}}{67.8 \, \text{g/mol}} \approx 0.110 \, \text{mol} \end{aligned} \]

Comparaison : \(0.100 \, \text{mol}\) (\(\text{NH}_3\)) < \(0.110 \, \text{mol}\) (\(\text{BF}_3\)). L'ammoniac est le réactif limitant. La quantité d'adduit formé sera donc de \(0.100 \, \text{mol}\).

\[ M(\text{adduit}) = M(\text{NH}_3) + M(\text{BF}_3) = 17.0 + 67.8 = 84.8 \, \text{g/mol} \]
\[ \begin{aligned} m_{\text{adduit}} &= n_{\text{adduit}} \times M(\text{adduit}) \\ &= 0.100 \, \text{mol} \times 84.8 \, \text{g/mol} \\ &= 8.48 \, \text{g} \end{aligned} \]
Réflexions

Bien que l'on ait mis une plus grande masse de BF₃, c'est l'ammoniac qui est limitant car sa quantité de matière est plus faible. Le résultat montre que la totalité de l'ammoniac réagira, et qu'il restera un excès de trifluorure de bore à la fin de la réaction.

Justifications

Le calcul est justifié par la loi de conservation de la masse. La masse de l'adduit est la somme des masses des réactifs qui ont réagi. La stœchiométrie 1:1 de la réaction dicte que le réactif présent en plus petite quantité molaire sera consommé en premier.

Points de vigilance

Masse molaire de l'adduit : Dans une réaction d'addition comme celle-ci, la masse molaire du produit est simplement la somme des masses molaires des réactifs. Ce ne serait pas le cas pour une réaction de condensation où une petite molécule est éliminée.

Le saviez-vous ?

En synthèse industrielle, on utilise souvent un des réactifs, le moins cher, en large excès pour s'assurer que le réactif le plus coûteux ou le plus précieux est totalement consommé, maximisant ainsi le rendement par rapport à ce dernier.

FAQ en rapport avec la question
Qu'est-ce que le rendement théorique ?

La masse que nous avons calculée (8.48 g) est le rendement théorique, c'est-à-dire la masse maximale de produit que l'on pourrait obtenir si la réaction était parfaite. En pratique, le rendement réel est souvent inférieur en raison de réactions secondaires, de pertes de produit lors de la purification, etc.

Visualisation du Résultat

Le calcul stœchiométrique permet de prédire la quantité exacte de produit qui sera formée à partir des quantités de réactifs engagées.

Résultat Final : La masse théorique d'adduit \(\text{F}_3\text{B-NH}_3\) est de 8.48 g.
A vous de jouer

Si on fait réagir 10.0 g de \(\text{BF}_3\) avec 2.0 g de \(\text{NH}_3\), quel sera le réactif limitant ?

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Laquelle de ces espèces est un acide de Lewis typique ?

2. Une base de Lewis doit obligatoirement posséder :

Glossaire

Acide de Lewis
Espèce chimique capable d'accepter une paire d'électrons pour former une liaison covalente.
Base de Lewis
Espèce chimique capable de donner une paire d'électrons pour former une liaison covalente.
Adduit
Produit unique formé par la réaction directe entre un acide et une base de Lewis.
Liaison de Coordination
Liaison covalente où les deux électrons partagés proviennent d'un seul des deux atomes liés (la base de Lewis).
Acides et bases de Lewis : identification et réactivité

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