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Chapitre 1 : Les matériaux organiques – 1e partie Jusqu’au début du XIXe siècle, les chimistes croyaient que la synthèse d’espèces présentes dans les organismes vivants nécessitait l’intervention d’une force vitale, mystérieuse et divine. Les scientifiques se pensaient incapables d’insuffler cette force aux réactifs inanimés. En1828, l’Allemand Wohler (1800-­‐1882) en chauffant divers réactifs minéraux azotés, obtint l’urée, jusqu’alors extraite de l’urine des mammifères. Cette synthèse d’une espèce organique, à partir de réactifs minéraux, mit fin au concept de force vitale. De très nombreuses synthèses de composés organiques furent réalisées après celle de l’urée : certains de ces composés existaient dans la nature, d’autres étaient artificiels. Le chimiste allemand Hermann Kolbe (181-­‐1884) synthétisa l'acide acétique, constituant naturel du vinaigre. Dès le milieu XIXe siècle, une nouvelle définition de la chimie organique s’avéra nécessaire. La chimie organique s’est constituée au XIXe siècle et a connu un essor considérable au XXe siècle. De nombreux matériaux organiques sont synthétisés (cad fabriqués par l’homme en utilisant la chimie). Pour les fabriquer, on utilise notamment le pétrole ou des agro-­‐ressources (ressources issues de l’agriculture). . On appelle matériaux organiques, les matériaux composés essentiellement à partir d’atomes de carbone C. Outre l’élément carbone C, ces composés contiennent généralement des atomes d’hydrogène H, d’oxygène O, d’azote N, I.
Les ressources 1. Le pétrole et ses dérivés è Voir Activité 1 Le pétrole est la principale matière première de la chimie organique. Il est constitué d’un mélange complexe d’hydrocarbures (hydo à atome d’hydrogène, carbure à atome de carbone) et de divers composés organiques. Une fois séparés, ces hydrocarbures subissent des transformations pour donner de nombreux produits organiques synthétiques. Ces produits dérivés du pétrole sont utilisés dans divers domaines : santé, textile, cosmétique, matériaux, énergie, … 2. Les agro-­‐ressources et les biomatériaux Suite à l’épuisement des réserves de pétrole et le développement préoccupations environnementales, les recherches sur les agro-­‐ressources se sont développées. Les agro-­‐ressources sont issus de la biomasse (ex : bois, amidon de maïs, amidon de pommes de terre, …). Les biomatériaux sont des matériaux fabriqués à partir des agro-­‐ressources. Par exemple à partir d’amidon, on peut produire des bioplastiques. Les plastiques issus du pétrole ont une durée de vie entre 100 et 1000 ans Les agro-­‐ressources permettent généralement de fabriquer des matériaux biodégradables (cad des produits qui, sous l’effet des micro-­‐organismes, se décomposent en C02, en CH4 méthane, en H20, sels minéraux et autres éléments créant une nouvelle biomasse). Néanmoins les agro-­‐ressources ont également des inconvénients : ils utilisent de grandes ressources en eau. II.
Le carbone et les grandes familles d’hydrocarbures 1. L’atome de carbone La matière organique est faite en très grande partie d’atome de carbone. Mais qu’est-­‐ce qu’un atome ? De quoi est-­‐il constitué ? a) Rappels sur l’atome Les atomes sont les constituants de la matière. Ils sont, en quelque sorte, les briques de l’Univers : tout ce qui nous entoure est bâti à partir d’eux. L’atome est constitué d’un noyau, autour duquel se déplacent un ou plusieurs électrons constituant le cortège électronique. Le noyau est constitué de protons et de neutrons : ce sont les nucléons. Caractéristiques des constituants du noyau : La charge électrique est une propriété physique permettant d’interpréter le comportement de la particule en présence d’autres particules. * Les électrons sont des particules élémentaires chargées négativement. Leur charge électrique est l’opposée de la charge élémentaire, soit -­‐e =-­‐1.60 x 10-­‐16 C (C pour Coulomb) * Les protons sont des particules élémentaires chargées négativement. Leur charge électrique est la charge élémentaire, soit +e =+1.60 x 10-­‐16 C * Les neutrons sont des particules élémentaires neutres. => Donc le noyau est chargé positivement. Comme un atome est neutre, il contient autant d’électrons que de protons b) Notation symbolique du noyau de carbone Le symbole de l’atome de carbone est !"!𝐶 . Qu’est-­‐ce que signifie cette notation ? Rappel : Le noyau atomique est représenté symboliquement par la notation : !!𝑋 Où X correspond au symbole de l’atome considéré A est le nombre de nucléons (cad le nombre de neutrons+protons) Z est le numéro atomique (cad le nbre de protons) à c’est le Z qui détermine le nom de l’élément chimique (ex : Z=6 c’est C ; Z=8 c’est O) Et donc, le nombre de neutrons N d’un atome est donnée par la relation N=A-­‐Z Donc !"!𝐶 à 12 nucléons, 6 protons et 12-­‐6=6 neutrons Remarque : On rencontre aussi dans la nature en plus faible proportion, un autre atome de carbone que l’on appelle souvent « carbone 14 » : !"!𝐶 à 14 nucléons, 6 protons, 14-­‐6=8 neutrons On dit que !"!𝐶 et !"!𝐶 sont des isotopes : ils ont le même Z mais un nombre de neutrons différents. c) La structure électronique L’atome de carbone a 6 électrons (car autant de protons que d’électrons). Ces électrons se répartissent en couches électroniques selon des règles de remplissage précises. Une couche électronique est repérée par une lettre, elle ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons. La couche K contient jusqu’à 2 électrons. La couche L contient jusqu’à 8 électrons et la couche M contient jusqu’à 18 électrons. La dernière couche remplie est appelée couche externe. Elle est souvent incomplète (sauf pour les gaz rares), permettant de créer des liaisons chimiques. Le remplissage d’une couche commence lorsque la couche précédente est complète. Pour l’atome de carbone, on a 6 électrons : On remplit d’abord la 1e couche qui contient au max 2 électrons : (K)2, il reste donc 4 autres électrons à « caser », on remplit donc la couche suivante (K)2(L)4 . Il y a 4 électrons sur la couche externe. d) La tétravalence de l’atome de carbone L’atome de carbone est dit tétravalent : sa couche externe comporte 4 électrons qui sont disponibles pour former des liaisons chimiques (ou des doublets non liant), ce sont des électrons de valence Les liaisons que l’on représente contiennent deux électrons. Une liaison covalente résulte de la mise en commun de 2 électrons externes De plus, pour satisfaire à la règle de l’octet, l’atome de carbone doit acquérir 8-­‐4=4 nouveaux électrons. Il va donc se lier à d’autres atomes en formant 4 liaisons (simple, double ou triple) et constituer des molécules. Ex : CH4 ; CH2=CH2 Règles du duet et de l’octet : Les atomes tendent à adopter la structure électronique stable des gaz nobles, cad à posséder 2 e-­‐ (règle du duet) ou 8 e-­‐ (règle de l’octet) sur leur couche externe. La règle du duet s’applique à l’H, les autres atomes dont Z≥4 satisfont à la règle de l’octet. De plus, au sein d’une molécule, les atomes (à l’exception de H) sont entourés de 4 doublets d’électrons. Et pour d’autres atomes : • L’Hydrogène (Z=1) ; (K)1 ; 1 e-­‐ de valence ; règle du duet 2-­‐1=1 liaison • L’oxygène (Z=8) : (K)2(L)6 ; 6 e-­‐ de valence ; règle de l’octet 8-­‐6=2 liaisons; ex H2O, CH2O • L’azote (Z=7) : (K)2(L)5 ; 5 e-­‐ de valence ; règle de l’octet 8-­‐5=3 liaisons; ex NH3 e) Forme géométrique des molécules àActivité 3 avec ChemSkecth Les doublets d’électrons (liants et non liants) d’un atome se positionnent dans l’espace de sorte à toujours minimiser la répulsion électrique qu’ils exercent les uns sur les autres : ils s’orientent autour de l’atome de façon à être le plus éloigné possible les uns des autres. Un atome de carbone engagé dans 4 liaisons simples (ex : CH4 ) possède une géométrie tétraédrique a une géométrie tétraédrique : l’atome de carbone est au centre d’un tétraèdre. Les atomes d’hydrogène sont aux sommets du tétraèdre. Un atome de carbone engagé dans 1 liaison double et 2 liaisons simples possède une géométrie plane (ex éthene) Un atome de carbone engagé dans 1 liaison triple et 1 liaison simple possède une géométrie linéaire (ex éthyne) f) Corps pur simple et formes allotropiques http://www.edinformatics.com/interactive_molecules/carbon_jmol.htm http://ressources.univ-­‐lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/chimie/01/deug/CHIM103B/carbones.html Un corps pur simple est composé d’un seul type d’atomes. Les atomes peuvent s’agencer de différentes manières, on dit qu’il y a plusieurs formes allotropiques (du grec allos autre et tropos manière). Les propriétés de la matière dépendent fortement de ces formes allotropiques. Le carbone peut se trouver principalement sous trois formes allotropiques : Carbone fullerène Carbone diamant Carbone graphite Art et sciences : Atomium à maille cc d’un cristal de fer Bruxelle : 2. Quelques familles d’hydrocarbures On distingue plusieurs familles d’hydrocarbures suivant leur squelette carboné (cad l’enchainement des atomes de carbone). a) Présentation de quelques familles i. Les alcanes Les alcanes sont des hydrocarbures ne comportant que des liaisons simples (on dit que sa chaine carbonée est saturée) et ne présentant pas de cycles. Leurs atomes de carbone sont tétragonaux. Le nom des alcanes finissent par la terminaison –ane. (ex : méthane). Leur formule brute est CnH2n+2. ii. Les alcènes Les alcènes sont des hydrocarbures non cycliques, qui possèdent au moins une double liaison C=C (insaturés). Le nom des alcènes finissent par la terminaison –ène. Leur formule brute est CnH2n. iii. Les composés aromatiques Les composés aromatiques sont des molécules cycliques dans lesquelles il y a alternance de liaisons simples et de liaisons double. Les composés aromatiques sont souvent présents dans les arômes et également dans les colorants/pigments. Ex : pigment rouge d’alizarine , la mauvéine b) Représentation i. Formule brute, développée et semi développée La formule brute d’une molécule indique la nature des atomes qui la constitue et le nombre de chacun de ces atomes Dans la formule développée d’une molécule, toutes les liaisons entre atomes apparaissent Dans la formule semi-­‐développée d’une molécule, les liaisons concernant l’H ne sont pas représentés Remarque : certaines molécules ont la même formule brute mais des formules développées différentes, on les appelle des isomères. Les isomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes. ii. Représentation de Lewis Dans la représentation de Lewis d’une molécule, toutes les liaisons covalentes et tous les doublets non liants des atomes sont représentés. Le nombre de doublets non liants d’un atome est égal au nombre d’électrons de valence qui ne sont pas mis en commun, divisé par deux D’après la règle de l’octet les atomes (sauf l’H) doivent être entourés de 4 doublets (liaisons et/ou doublets non liants). iii. Ecriture topologique Afin de représenter rapidement une molécule, on utilise parfois son écriture topologique. On écrit alors la chaîne carbonée sous la forme d’une ligne en zigzag sans représenter ni les atomes de carbone, ni les liaisons carbone-­‐
hydrogène. Les atomes autres que carbone et hydrogène sont écrits, ainsi que les atomes d’hydrogène leur étant liés. Les liaisons doubles et triples sont respectivement représentées par un double et triple trait. CH2 CH
CH3 CH
CH3-­‐CH3 CH
3-­‐CH2-­‐CH2-­‐CH2-­‐CH3 H3C
CH3
HC
HC
CH
CH
CH
A rt et sciences : Quand la chimie inspire les bijoutiers…
Le pendentif en argent ci-contre a été fabriqué à
l’aide du modèle moléculaire de la caféine.
Ecrire la formule topologique de la caféine et
comparer au pendentif. O
H3C
O
c) La nomenclature des alcanes et des alcènes La nomenclature consiste à attribuer un nom systématique à toutes les molécules. L'identification d'une molécule d'hydrocarbure passe par la détermination : -­‐ de sa famille d'appartenance (alcane, alcène, …), -­‐ de son squelette constitué par la chaîne carbonée la plus longue, -­‐ des substituants, ou groupes alkyles, dans le cas où la chaîne carbonée est ramifiée. i. Comment identifier la famille ? • A partir de la formule semi-­‐développée : y a-­‐t-­‐il ou non présence d'une liaison multiple ? • A partir du nom : la terminaison est-­‐elle ane ou ène ? N
C
CH3
C
C
N
H3C
C
N
CH
N
la
ii. Comment identifier le squelette de la molécule ? Le squelette est constitué par la chaîne carbonée linéaire la plus longue (ou chaîne principale) qui inclut la liaison multiple éventuelle. Une chaîne est identifiée par un préfixe lié au nombre d'atomes C qu'elle contient. Nb de C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 préfixe méth éth prop but pent hex hept oct non déc Exercice : Identifier (par un trait de couleur) la chaîne principale des deux molécules suivantes : CH3-CH2-CH 2-CH-CH3 CH2=C-CH3 CH2-CHn3 e possède pas de ramification (= ne possède CH2-CH
3 Remarque : lorsque l’hydrocarbure qu’une chaîne principale) il est linéaire. Dans le cas contraire, il est ramifié. iii. Comment identifier les substituants ? Pour les alcanes et les alcènes, les ramifications greffées sur la chaîne principale sont constituées par des groupes alkyles. Chaque groupe est identifié par un préfixe lié au nombre d'atomes C, suivi de la terminaison yle. Nb de C Formule 1 CH3-­‐ 2 CH3-­‐CH2-­‐ 3 CH3-­‐CH2-­‐CH2 -­‐ 4 CH3-­‐CH2-­‐CH2–CH2-­‐ Nom du groupe alkyle méthyle éthyle propyle butyle Exercice : Identifier (en l'entourant en vert) le groupe alkyle dans les deux molécules précédentes iv. Comment nommer un hydrocarbure ? • Identifier la chaîne principale incluant obligatoirement la liaison multiple éventuelle; identifier ensuite le substi-­‐
tuant sur la chaîne. • Numéroter les atomes C de la chaîne principale en commençant par l'extrémité la plus proche : -­‐ de la liaison multiple éventuelle (en priorité) ; -­‐ du substituant (dans les autres cas). • Repérer les positions de la liaison multiple et du substituant par des numéros. • Le nom de la molécule est alors construit de la façon suivante. (position du substituant)-­‐(nom du substituant)(préfixe de la chaîne)-­‐(position de liaison double)-­‐(terminaison de la famille) Application: Alcane ou Formule alcène ? brute Nom Formule semi-­‐développée Formule topologique CH3-CH2-CH 2-CH2-CH2-CH 3 CH2=CH-CH2-CH 2-CH3 pent-­‐2-­‐ène 3-­‐éthyl-­‐2-­‐méthylhexane heptane 2,3-­‐diméthylpent-­‐2-­‐ène