Alcanes et industrie
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Les hydrocarbures dans l’industrie pétrolière Un hydrocarbure est un composé organique constitué des seuls éléments carbone et hydrogène. - Hydrogène : Il ne peut former qu'une seule liaison covalente - Carbone : Il peut former quatre liaisons covalentes I. Nature de la liaison Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle chacun des atomes liés met en commun un électron d’une de ses couches externes afin de former un doublet d’électrons liant les deux atomes. La liaison covalente peut être simple : Ou la liaison covalente peut être double (voire triple) : Dans ce cas, cela signifie que chaque atome met en jeu une paire d’électrons. Les liaisons covalentes sont directionnelles. Cela implique que les atomes (ou les molécules) liés par covalence adoptent des formes caractéristiques avec des angles de liaison spécifiques en fonction du nombre et de la nature des atomes présents. Les principales familles d’hydrocarbures utilisées dans l’industrie pétrolière sont : - Les alcanes : les chaînes carbonées ne comportent que des liaisons simples, - Les alcènes : les chaînes carbonées comportent une liaison double. Il existe d'autres familles d'hydrocarbures dont les chaînes carbonées ont des structures différentes (alcynes, hydrocarbures aromatiques ...) mais elles ne feront pas l’objet de ce cours. II. Les alcanes A. Généralités La formule brute des alcanes est du type CnH2n+2. Les alcanes ne comportent que des carbones tétraédriques. Cela signifie que chaque atome de carbone émet une liaison covalente simple soit avec un autre atome de carbone, soit avec un atome d’hydrogène. Néanmoins, du fait de l’encombrement des atomes entre eux (un atome d’hydrogène est nettement plus petit qu’un atome de carbone), les molécules d’alcane ne sont pas linéaires. Les angles formés par deux atomes de carbone sont tous égaux et valent 109°28'. De ce fait, le butane qui est un alcane à 4 atomes de carbone, peut se représenter ainsi dans l’espace : (Cf Tableau des alcanes) B. Isomères et alcanes ramifiés A l’exception des 3 premiers alcanes de la famille qui sont linéaires, les molécules suivantes deviennent si longues qu’elles peuvent avoir des isomères de constitution. On appelle isomères de constitution des corps purs composés qui ont la même formule brute mais des formules développées différentes. Remarque : plus l'alcane a un nombre de carbones élevé, plus il a d'isomères (2 pour C4, 366 319 pour C20, en théorie). Ces isomères sont liés aux diverses ramifications (différentes positions des atomes de carbone les uns par rapport aux autres). À l'exception des quatre premiers alcanes qui ont des noms consacrés par l'usage, tous les alcanes ont un nom systématique (nom qui leur est propre). Le nom d'un alcane à chaîne linéaire se forme en associant un radical et la terminaison -ane. Le radical indique le nombre de carbones de la chaîne : - pent : 5 atomes de carbone, - hex : 6 atomes de carbone, - oct : 8 atomes de carbone et ainsi de suite. Exemple : l'un des constituants de l'essence est un alcane en C8, on le nomme octane. Par contre, dans le cas des alcanes ramifiés, il est nécessaire de suivre la règle suivante : C. Les cycloalcanes A la différence des alcanes linéaires et ramifiés, la formule brute des cycloalcanes : CnH2n Pour les nommer, on utilise les mêmes règles que pour les alcanes linéaires et ramifiés : le nom est simplement précédé du préfixe cyclo—. Exemple : Le cyclohexane est une molécule très stable car tous les angles entre les atomes carbone-carbone sont respectés (109°28’). Du fait de la libre rotation des atomes entre eux, la molécule peut se présenter sous deux formes limites : CHAISE et BATEAU. III. Les alcènes A. Généralités C'est la deuxième grande famille d'hydrocarbures. Elle est caractérisée par la présence d'une liaison double carbone-carbone qui les rend beaucoup plus réactifs que les alcanes. Les alcènes sont peu présents dans les pétroles et sont obtenus par vapocraquage. La formule brute des alcènes est : CnH2n. On dit que les alcènes sont des hydrocarbures insaturés. Au niveau de la double liaison, il n’y a pas de libre rotation entre les deux carbones. A ce niveau, l’atome de carbone est qualifié de trigonal. Les autres atomes de carbone restent tétraédriques. B. Isomères de constitution Les isomères de constitution se différencient de par la structure de la chaîne carbonée : ramifications et emplacement de la liaison double. Les formules semi-développées permettent de les distinguer. Exemple : Pour un alcène de formule brute : C4H8 1) CH2 = CH - CH2 - CH3 2) CH3 - CH = CH - CH3 3) CH2 = C – CH3 CH3 1) et 2) diffèrent par l'emplacement de la liaison double. 3) a une chaîne ramifiée Comme la double liaison double carbone-carbone n'autorise pas la libre rotation, il résulte l'existence de deux isomères pour le but-2-ène. Soit les deux groupements méthyle CH3- sont du même côté de la double liaison soit ils sont du côté opposé de cette double liaison. Ces deux isomères sont appelés stéréo-isomères. Les stéréo-isomères ne diffèrent que par l'arrangement de leurs atomes dans l'espace. De ce fait, le nom des alcènes se modifie selon si l’alcène est linéaire ou ramifié : 1. Les alcènes à chaîne linéaire Pour indiquer la présence de la liaison double C = C, la terminaison ène remplace la terminaison ane des alcanes. La position de la double liaison est donnée par le numéro du premier atome de carbone doublement lié rencontré dans le sens de la numérotation de la chaîne. La chaîne est numérotée de façon à attribuer à cette double liaison le plus petit numéro. 2. Les alcènes à chaîne ramifiée On détermine la plus longue chaîne linéaire contenant la double liaison. Elle donne son nom à l'alcène. On numérote la chaîne principale selon la règle des alcènes linéaires. On identifie les groupes alkyles. L’indice de la double liaison prime sur les indices des ramifications. 3. Les stéréo-isomères Lorsque les groupes alkyles sont disposés : - d'un même côté de la double liaison, le stéréo-isomère est appelé Z. - de part et d'autre de la double liaison, le stéréo-isomère est appelé E. IV. Les Alcynes Les alcynes sont des hydrocarbures : - Instables, - fortement insaturés car ils possèdent une triple liaison carbone-carbone : Exemple : la molécule d’éthyne (ou acétylène) de formule C2H2 - de formule brute CnH2n-2 qui à l’exception de l’acétylène, ont des noms obtenus en remplaçant la terminaison –ane des alcanes par –yne. La numérotation de la chaîne principale permet d’indiquer la position de la triple liaison carbonecarbone. Elle suit les mêmes règles que pour les alcènes y compris pour les ramifications ; Exemple : V. Intérêt des ramifications Dans le cas des hydrocarbures, l'indice d'octane augmente dans l’ordre suivant (entre parenthèses la nomenclature désuète provenant de l'industrie du pétrole) : Alcanes linéaires (paraffines) à chaîne longue Augmentation de Alcanes linéaires (paraffines) à chaîne courte l’indice d’octane Alcènes (oléfines) et cycloalcanes (naphtènes) Alcanes ramifiés (isoparaffines) (ex. iso-octane, indice d'octane = 100) Hydrocarbures aromatiques (ex. toluène, indice d'octane = 120) L'indice d'octane mesure la résistance d'un carburant utilisé dans un moteur à allumage commandé à l'auto-allumage (allumage sans intervention de la bougie). On parle assez souvent improprement de capacité antidétonante du carburant pour un carburant d'indice d'octane élevé. Un carburant ayant tendance à l'auto-allumage peut dans certains cas transiter à la détonation. On dit qu'un carburant a un indice d'octane de 95 par exemple, lorsque celui-ci se comporte, au point de vue auto-allumage, comme un mélange de 95 % d'iso-octane qui est résistant à l'auto-inflammation (son indice est de 100 par définition) et de 5 % de n-heptane, qui lui s'auto-enflamme facilement (son indice est de 0 par définition).
