chapitre x : alcanes et alcools

CHAPITRE X : ALCANES ET ALCOOLS
INTRODUCTION
D’après : Cours de chimie organique de P.Arnaud aux éditions Gauthier-Villars
La tradition a maintenu la division de la chimie en deux disciplines : chimie organique et chimie minérale… La
chimie organique c’est la chimie des composés du carbone, alors que la chimie minérale s’étend à l’étude de
tous les autres éléments chimiques et leurs combinaisons (à quelques exceptions près comme CO, CO 2, CO32,…).
« Contrairement à ce que l’on pourrait penser de prime abord, le domaine de la chimie minérale est beaucoup
moins vaste que celui de la chimie organique. En effet, le carbone peut se lier à lui-même de façon presque
indéfinie, pour former des enchaînements extrêmement variés, et il suffit de quelques éléments (le plus
souvent H, O et N seulement) pour former avec lui des centaines de milliers de molécules… »
On appelle chaîne carbonée ou squelette carboné l'enchaînement des atomes de carbone constituant une
molécule organique. La formule topologique permet de bien visualiser ce «squelette».
Exemple :
Nous étudierons dans ce cours quelques unes des propriétés de deux familles de composés organiques : les
alcanes et les alcools.
I)
LES DIFFERENTS TYPES DE CHAINES CARBONEES
I-1) Chaîne ouverte-Chaîne cyclique
Compléter le tableau ci-dessous :
Nom
Formule brute
Chaîne ouverte
Chaîne cyclique
pentane
cyclopentane
Formule développée
Formule semi-développée
Formule topologique
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I-2) Chaîne linéaire-Chaîne ramifiée
Compléter le tableau ci-dessous :
Définition
Nom
Formule brute
Chaîne linéaire
Chaîne ramifiée
Les atomes de carbone sont les uns à
la suite des autres
butan-1-ol
La chaîne carbonée comporte au
moins une ramification
2-méthylpropan-1-ol
Formule développée
Formule semi-développée
Formule topologique
II)
LES ALCANES
II-1) Qu’est-ce qu’un alcane ?
Les alcanes sont des hydrocarbures* exclusivement constitués de liaisons simples C—C et C—H.
*une molécule d’hydrocarbure ne contient que les éléments C et H
N.B. Les alcanes existent en grande quantité sous forme de gisements naturels de gaz ou de pétrole. L’origine
de ces gisements est généralement attribuée à la fermentation de la cellulose des végétaux des temps
préhistoriques, sous l’action des bactéries.
La formule brute d’un alcane à chaîne ouverte comportant n atomes de carbone est : CnH2n+2
La formule brute d’un alcane à chaîne cyclique comportant n atomes de carbone est CnH2n
Exemples : voir § I-1
II-2) Nomenclature des alcanes
La nomenclature des alcanes sert de base à celle de tous les composés de la chimie organique, elle doit donc
être bien maîtrisée.
II-2-1) Les alcanes à chaine linéaire
Le nom des alcanes s’obtient en ajoutant la terminaison –ane à un préfixe d’origine grecque indiquant le
nombre d’atomes de carbone. Les quatre premiers termes ont conservé des noms consacrés par l’usage et
n’appartiennent pas à un système logique.
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Compléter le tableau suivant :
Nombre préfixe Nom de l’alcane Formule
d’atomes
brute
de
carbone
1
méth-
2
éth-
3
prop-
4
but-
5
pent-
6
hex-
7
hept-
8
oct-
9
non-
10
déc-
Formule semi développée
II-2-2) Les alcanes à chaine ramifiée
Comment nommer les ramifications ? Nom des groupes alkyles
En enlevant (par la pensée) un atome d’hydrogène à un alcane on obtient un groupe d’atomes nommé groupe
alkyle. Un groupe alkyle se nomme en remplaçant la terminaison –ane de l’alcane par le suffixe –yle
nom du groupe
alkyle
formule semi-développée
méthyle
éthyle
propyle
isopropyle
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Comment nommer les alcanes à chaîne ramifiée
Un alcane à chaîne ramifiée se nomme en faisant précéder le nom de l’alcane correspondant à la chaîne la plus
longue (nommée chaîne principale) du nom des groupe alkyle correspondant aux ramifications (avec élision de
la lettre e ). On place devant ces noms, en les séparant par un tiret, un nombre indiquant la position du groupe
alkyle sur la chaîne principale numérotée à partir de l’une des ses extrémités. Le sens de numérotation de la
chaîne principale doit être choisi de telle façon que la somme des numéros contenus dans le nom de
l’hydrocarbure soit aussi faible que possible.
Si la chaîne principale porte plusieurs ramifications, on indique le nom des groupes alkyles par ordre
alphabétique.
Si plusieurs ramifications sont identiques on utilise les préfixes di, tri, tétra, …..
Exemples :
Exercice 1
Consulter les fichiers « 1S-Alcanes-Nom-FSD.html » et « 1S-Alcanes.html » et répondez aux questions
suivantes :
1.
Nommer les alcanes suivants (virgule entre les nombres, tiret entre un nombre et un nom) :
……………………………………………..
2.
……………………………………………………
Représenter la formule semi-développée et la formule topologique du 3-éthyl-3,4-diméthylhexane.
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II-2-3) Les alcanes cycliques
Le nom d’un alcane cyclique est déduit du nom de l’alcane linéaire correspondant en faisant précéder son nom
du préfixe cyclo.
Exercice 2
1.
Donner les formules brutes, semi-développées et topologiques du cyclohexane.
III)
LES ALCOOLS
D’après : Cours de chimie organique de P.Arnaud aux éditions Gauthier-Villars
et Wikipédia
Les alcools existent parfois à l’état naturel dans certaines essences végétales. Les alcools peuvent être produits
par fermentation alcoolique, notamment le méthanol à partir du bois et l'éthanol à partir des fruits et des
céréales. L'industrie n'y a recours que dans le cas de l'éthanol pour produire du combustible et des boissons.
Dans les autres cas, les alcools sont synthétisés à partir des composés organiques tirés du gaz naturel ou du
pétrole.
III-1) Formule générale des alcools
La formule d’un alcool dérive de celle d’un hydrocarbure par remplacement d’un atome d’hydrogène par le
groupe caractéristique hydroxyle –OH.
Exemple : L’éthanol de formule générale C2H5—OH résulte du remplacement d’un atome d’hydrogène de
l’éthane C2H6 par un groupe hydroxyle –OH.
III-2) Nomenclature des alcools
Un alcool est nommé en remplaçant le –e final du nom de l’alcane dont il dérive par le suffixe –ol. Ce suffixe est
si nécessaire précédé du numéro de l’atome de carbone porteur du groupe caractéristique hydroxyle –OH. La
chaîne carbonée principale doit obligatoirement contenir le groupe hydroxyle –OH et doit être numérotée de
telle sorte que l’atome de carbone porteur de –OH ait le numéro le plus petit possible.
Exemple :
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Exercice 3
1.
Nommer les alcools suivants :
2.
Donner la formule semi-développée du 3,3-diméthylbutan-2-ol
IV)
STRUCURE MOLECULAIRE ET TEMPERATURE DE CHANGEMENT D’ETAT
IV-1) Températures de changement d’états des alcanes
1.
2.
3.
Compléter le tableau suivant :
Nombre n
d’atomes
Alcane à
de
chaîne linéaire
carbone
1
Méthane
2
Ethane
3
Propane
4
Butane
5
Pentane
6
Hexane
7
Heptane
8
Octane
9
Nonane
10
Décane
Formule
brute
Température de
fusion fus(°C)
température
d'ébullition
éb(°C)
-182,5
-183,3
-187,7
-138,3
-129,3
-94,0
-90,0
-56,5
-54
-30
-161,7
-88,6
-42,1
-0,5
36,1
68,7
98,5
126
150,5
173
Etat physique
à 25°C
A l’aide d’un tableur, imprimer sur un même graphique les courbes donnant la température de fusion
et la température d’ébullition en fonction du nombre d’atomes n de carbone contenus dans la
molécule.
On sait que les interactions de Van der Waals sont d’autant plus importantes que le nombre
d’atomes de carbone est élevé. Ce fait est-il en accord avec l’allure des graphiques
obtenus (justifier)?
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IV-2) Comparaison avec les alcools
On donne ci-dessous les températures de fusion et d’ébullition des 10 premiers alcools linéaires.
Nombre n
d’atomes
de
carbone
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Alcools linéaires
Température de fusion
fus(°C)
température
d'ébullition éb(°C)
Méthanol
Ethanol
Propan-1-ol
Butan-1-ol
Pentan-1-ol
Hexan-1-ol
Heptan-1-ol
Octan-1-ol
Nonan-1-ol
Décan-1-ol
-98
-112
-126
-80
-78
-51,5
-34,5
-16,5
-5
7
64,7
78,7
97
117
138
156
174
194
213,5
231
Etat physique à
25°C
1.
Comparer les températures de changement d’état des alcanes et des alcools ayant le même nombre
d’atomes de carbone.
2.
Comment expliquer cette différence en termes de liaisons intermoléculaires ?
3.
Quel est l’état physique de ces alcools à température ordinaire (25°C) ? Compléter le tableau cidessus.
V)
MISCIBILITE DES ALCOOLS DANS L’EAU
Une molécule d’alcool contient une partie hydrophile constituée par le groupement –OH (fortement polarisée)
et une partie hydrophobe constituée par la chaîne carbonée (faiblement polarisée).
Partie hydrophobe
CH3
CH2
CH2
Partie hydrophile
CH2
CH2
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O
H
Les trois premiers termes des alcools (n=1, 2, 3) sont miscibles en toutes proportions avec l’eau, cette solubilité
étant favorisée par l’établissement de liaisons hydrogènes entre les hydroxydes des molécules d’alcool et des
molécules d’eau. Mais à mesure que le nombre n d’atomes de carbone dans la molécule augmente la solubilité
des alcools dans l’eau diminue. En effet la partie hydrophobe de la molécule devient de plus en plus
importante par rapport au groupement –OH hydrophile.
1.
Représenter les liaisons hydrogène pouvant s’établir entre une molécule d’alcool R—OH et une
molécule d’eau.
2.
Classer les molécules suivantes par miscibilité croissante dans l’eau : Ethanol, Butan-1-ol, propan-2-ol.
VI)
DISTILLATION FRACTIONEE
VI-1) Distillation fractionnée au laboratoire
Le montage de distillation fractionnée permet de réaliser la séparation d’espèces chimiques ayant des
températures d’ébullitions différentes (une différence d’eau moins 15°C est généralement nécessaire).
-
-
Lors d’une distillation fractionnée, le mélange à distiller est vaporisé ; dans la colonne de Vigreux (ou à
distiller), les vapeurs s’enrichissent en corps de plus basse température d’ébullition. Dans la plupart
des cas, les vapeurs arrivant en haut de colonne sont constituées exclusivement de ce corps. Les
vapeurs sont ensuite liquéfiées dans le réfrigérant à eau en position latérale. L’opération doit être
maintenue tant que le thermomètre indique la valeur de la température d’ébullition du corps de plus
basse température d’ébullition. On recueille ainsi le liquide le plus volatil.
Lorsque la température en haut de colonne change, le ballon ne contient plus le liquide le plus volatil.
On change de récipient collecteur puis on peut poursuivre la distillation afin de recueillir une nouvelle
fraction, contenant le liquide le moins volatil.
Montage de distillation fractionnée
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1.
2.
Associer à chaque numéro la légende correspondante
Numéro
Légende
1
2
3
4
5
6
7
8
Mélange à distiller
Colonne de Vigreux
Tube réfrigérant
Thermomètre
Entrée et sortie d’eau
Chauffe ballon
Eprouvette graduée
Distillat
Réaliser le montage de distillation fractionnée et effectuer la distillation fractionnée d’un vin rouge en
introduisant dans le ballon 50 mL de vin et quelques grains de pierre ponce. Un vin contient plus de
600 substances différentes. On considérera pour simplifier qu’un vin est un mélange d’eau, d’éthanol
et d’autres substances (sucres, tanins, minéraux, vitamines, dioxyde de soufre dissous,...)
2.1. Par quoi est constituée la fraction du liquide le plus volatil ? Noter la température d’ébullition
correspondante (température de haut de colonne).
2.2. Par quoi est constituée la deuxième fraction contenant le liquide moins volatil ? Noter la
température d’ébullition correspondante (température de haut de colonne)
Données :
-
Températures d’ébullitions à la pression normale (P = 1atm) de l’éthanol : 78 °C
Températures d’ébullitions à la pression normale (P = 1atm) de l’eau : 100 °C
VI-2) Distillation fractionnée des pétroles
Faire l’exercice 31 page 200
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