LES HYDROCARBURES

LES HYDROCARBURES
1. GENERALITES SUR LA CHIMIE ORGANIQUE
1.1. Historique :
—> 1690 : pour la première fois , on fait la distinction entre :
la chimie minérale : chimie de la matière inerte
la chimie organique : chimie des organismes vivants
—> jusqu’au XIX ème siècle, aucune synthèse de corps organique n’a pu être réalisée
en laboratoire (“in vitro”), en dehors d’un organisme vivant.
—> 1828 : WOEHLER (savant allemand) réalise la première synthèse organique :
celle de l’urée NH2 — CO — NH2 .
1.2. Caractères communs aux composés organiques :
—> Ils contiennent tous l’élément C (formation de chaînes carbonées plus ou
moins longues).
—> ils contiennent un nombre restreint d’éléments : C , H , O , N , halogènes , ...
—> Ils sont très nombreux : la chimie minérale compte environ 40 000 composés,
mais la chimie organique en compte plusieurs millions. On peut cependant les
regrouper et les classer par familles, d’après leur groupement fonctionnel :
R - OH : famille des alcools
R - COOH : famille des acides
....
Cx Hy : famille des hydrocarbures
—> Ils forment souvent des macromolécules (par de longues chaînes carbonées).
Les polymères ont des masses molaires M = qques dizaines de kg/mol .
—> ils ont , en général, une faible stabilité thermique : θ < 400°C .
—> les réactions sont souvent lentes (cf. étude de la cinétique chimique) et
réversibles :
A ++ B B
C + CD + D
A
elles conduisent à un équilibre chimique et la réaction n’est pas totale .
1.3. Règles de nomenclature :
Elles permettent, à partir du nom du corps, d’écrire facilement et rapidement la
formule chimique du composé.
2. LES ALCANES : ce sont des hydrocarbures saturés
2.1. Le méthane : CH4
La structure de la molécule est tétraédrique : l’atome de C
occupe le centre d’un tétraèdre (pyramide à base triangulaire
équilatérale) et les 4 atomes H occupent chacun un des
sommets :
HCH = 109° 28’
H
C
H
H
H
2
CONVENTION de représentation :
liaison dans le plan
liaison en avant
liaison en arrière
H
C
H
H
H
2.2. Chaînes “ linéaires “ :
* Formule brute pour les alcanes :
* Formule développée :
Ethane :
H
H
H
C
C
H
H
Cn H2n+2
Propane :
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
Rq : c’est une formule qui fait apparaître clairement le nombre et le type de liaisons
entre les atomes . Mais il ne faut pas oublier que chaque atome de C a une
structure tétraédrique :
HCC = CCC = HCH = 109° 28’
===> tous les angles valentiels :
* Formule semi-développée : c’est celle qui est la plus souvent utilisée
NOM
Formule BRUTE
Formule SEMI-DEVELOPPEE
Méthane
Ethane
Propane
Butane
Pentane
Hexane
Heptane
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
CH4
CH3 — CH3
CH3 — CH2 — CH3
CH3 — CH2 — CH2 — CH3
CH3 — CH2 — CH2— CH2 — CH3
...
...
Octane
C8H18
CH3 — (CH2)6— CH3
3
NOMENCLATURE :
Règle 1 :
le nom des alcanes est formé à partir d’un :
- préfixe qui indique le nombre d’atomes de carbone
- suffixe : —- ane
Les 4 premiers corps ont gardés leur nom usuel : méthane,
éthane, propane, butane .
les autres : pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8),
nonane (9), décane (10), ...
2.3. Chaînes “ramifiées” :
—-> ISOMERES : deux isomères sont deux corps différents : ils ont la même
formule brute, mais une formule développée différente . Cela veut dire que la
structure spatiale est différente, l’arrangement des atomes dans l’espace n’est pas le
même .
3
1
—-> C4H10 :
2
CH3
CH
CH3
CH2
CH2 CH3
CH3
butane
CH3
2-méthylpropane
—-> C5H12 :
1
2
3
4
4
CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
pentane
1
CH3
2
CH
CH3
3
CH2
4
CH3
2-méthylbutane
CH3
1
CH3
3
2
C
CH3
CH3
2,2-diméthylpropane
NOMENCLATURE :
Règle 2 :
le nom des groupements (ou radicaux) qui sont fixés sur la
chaîne carbonée est formé à partir d’un :
- préfixe : le même que l’alcane correspondant
- suffixe : —- yle
Méthyle
— CH3 :
— CH2 — CH3 :
éthyle
— CH2— CH2 — CH3 : propyle
4
NOMENCLATURE :
Règle 3 : nom d ‘un alcane ramifié :
* déterminer et numéroter la chaîne la plus longue : elle donne le
nom de l’alcane.
* nommer, devant le nom de l’alcane, le ou les radicaux latéraux
en indiquant le numéro du carbone d’attache.
* la numérotation doit se faire dans un sens tel que la somme
arithmétique de tous les numéros soit la plus petite possible.
Exemples :
1
CH3
2
CH2
3
4
5
CH2
CH
CH
6
CH3
CH3
CH3
1
CH3 CH3
CH2
C
2
5
CH
CH3
3
CH3
CH3
2,3 - diméthylhexane
4
2,2,4 - triméthylpentane
2.4 Cycloalcanes :
* Formule brute pour les cycloalcanes :
Cn H2n
NOMENCLATURE :
Règle 4 : nom d ‘un cycloalcane :
ce sont les mêmes règles que pour les alcanes “linéaires” et
“ramifiés” : le nom est simplement précédé du préfixe
CYCLO—.
CH2
CH2
CH2
CH2
Cyclopropane :
très instable (très forte
tension sur les liaisons
C—C
CH2
CH2
CH2
CH2
Cyclobutane : instable
CH2
CH2
CH2
CH2
Cyclopentane :
moyennement stable
Cyclohexane : très stable ; tous les angles valentiels (109°28’) sont respectés : la
molécule peut se présenter sous deux formes limites : CHAISE et BATEAU.
5
FORME CHAISE
FORME BATEAU
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
* Exemple de cycloalcane ramifié :
CH3
CH2
CH
3
4
5 CH2
2
1
CH
1,1,2 - triméthyl - 3 - éthylcyclopentane
CH3
C
CH3
CH3
3. LES ALCENES : ce sont des hydrocarbures insaturés
* formule brute : C2H4
3.1. L ‘éthène
( ancien nom : éthylène )
H
C
H
* la structure de la molécule est plane
* tous les angles valentiels ont la même valeur :
H
C
HCC = CCC = HCH = 120 °
H
* la distance C = C : d = 0,133 nm
3.2. Autres composés :
* Hydrocarbures insaturés
avec une seule double liaison
Cn H2n
* Hydrocarbures insaturés
avec deux double liaisons :
Cn H2n-2
6
NOMENCLATURE :
Règle 5 : nom d ‘un alcène :
* on applique les mêmes règles que pour les alcanes
* c’est simplement le suffixe qui change : —- ène pour les
composés avec une seule double-liaison et —- diène pour les
composés avec deux double-liaisons.
* on précise par un numéro, placé devant le suffixe, la position
de la double-liaison.
1
Exemples :
CH3
CH
CH
CH
CH3
4
CH
C
CH2
4
CH
CH2
but - 2 - ène
5
CH3
CH3
1
CH3
CH3
3
2
CH2
4
3
3 - méthylpent - 2 - ène
1
3
2
1
CH3
2
2
C
3
CH
4
5
5
CH
CH2
CH3 CH3
2, 2, 3 - triméthylpent - 4 - ène
butadi - 1, 3 - ène
4. LES ALCYNES : ce sont des hydrocarbures fortement insaturés
4.1. L’éthyne ( ancien nom : acétylène )
C2H2
H
C
C
H
* la molécule est linéaire
* la distance
C
Cvaut : d = 0,110 nm
4.2. Autres composés : hydrocarbures avec une seule triple liaison :
CnH2n - 2
NOMENCLATURE :
Règle 6 : nom d ‘une alcyne :
* on applique les mêmes règles que pour les alcènes
* c’est simplement le suffixe qui change : —- Yne
* on précise par un numéro, placé devant le suffixe, la position
de la triple-liaison.
7
Exemples :
2, 5 - diméthylhept - 3 - yne
CH3
1
3
2
CH3
CH
C
4
5
C
CH
CH3
1
CH3 CH3
2, 2, 3 - triméthylpent - 4 - yne
but - 1 - yne
CH3
CH2
CH
C
2
3
CH3
C
CH
CH3
C
C
CH3
CH
C
4
5
6
CH2
7
CH3
CH3 but - 2 - yne
5. PROPRIETES CHIMIQUES
5.1.Réactions de DESTRUCTION :
* Combustion dans le dioxygène :
CH4
+ 2 O2
Méthane :
C3H8 + 5 O2
Propane :
Butane :
2 C4H10 + 13 O2
Octane : (moteurs à essence)
CO2
+
3 CO2 +
8 CO2 +
2 H2 O
4 H2 O
10 H2O
C8H18
+
25 O2
16 CO2 +
18 H2O
C2H2
+
5 O2
4 CO2 +
2 H2 O
Ethyne ou acétylène : (chalumeau oxyacétylénique : θ = 2000 °C)
* Combustion dans le dichlore : (sans intérêt industriel)
CH4
+ 2 Cl2
C + 4 HCl
Méthane :
C2H4 + 2 Cl2
2 C + 4 HCl
Ethène :
C2H2 + Cl2
C + 2 HCl
Ethyne :
Une étude comparée de ces trois réactions permet d’apprécier la différence de stabilité
entre hydrocarbures saturés et insaturés ou fortement insaturés.
5.2. Réaction de SUBSTITUTION : avec les alcanes (hydrocarbures saturés)
* Action du dichlore sur le méthane :
lumière
Mélange
verdâtre
de méthane
et dichlore
Eau très salée
Un mélange de dichlore et de méthane (à volume égal) est
placé à la lumière du jour, sur une cuve à eau salée :
•
l’eau fortement salée ne dissout pratiquement pas le
dichlore ; une expérience témoin avec du dichlore
seul, sans méthane, peut la prouver
•
Il faut éviter la lumière trop vive qui pourrait déclancher une réaction explosive
A l’obscurité complète, un témoin analogue est mis en
place dans les mêmes conditions.
8
lumière
Après quelques heures de réaction on constate les faits
suivants :
•
la couleur verte du dichlore a disparu
•
Le niveau d’eau est monté dans le tube, ce qui veut
dire que les gaz présents au début ont réagi .
•
De fines gouttelettes de liquides nouveaux apparaissent sur les parois
Enfin :
•
le témoin laissé à l’obscurité est toujours dans le
même état : la réaction, pour se faire , a besoin de
rayons U.V.
Gaz et
liquides
incolores
Eau très salée
* Equations de réaction :
CH4
+
Cl2
CH3Cl +
HCl
Il n’y a pas rupture de la molécule : la structure spatiale initiale (tétraédrique) est
conservée .
La réaction ne s’arrête pas à ce stade, mais elle se poursuit de la manière suivante :
CH3Cl +
CH2Cl2 +
CHCl3 +
Cl2
Cl2
Cl2
CH2Cl2 +
CHCl3 +
CCl4
+
HCl
HCl
HCl
NOMENCLATURE :
Règle 7 : nom des composés halogénés (contenant Fluor, chlore,
brome, iode) :
* on applique les mêmes règles que pour les alcanes ramifiés
* les atomes d’halogène jouent le même rôle que les radicaux :
leurs noms :
FLUORO—chloro—bromo—iodo—* on précise par un numéro, placé devant le préfixe, le numéro
du carbone d’attache.
1
2
CH2Cl
Exemples :
CCl
3
4
CHBr
CH2
CH3
CH3
1, 2 - dichloro - 3 - bromo - 2 - méthylpentane
1
2
3
4
CHCl2
CH2
CHCl
CH3
CCl2
5
CHCl
trichloroéthylène ou trichloroéthène
1, 1, 3 - trichlorobutane
CH2
CHCl
chlorure de vinyle ou chloroéthène
9
Importance industrielle de quelques dérivés halogénés :
•
Chlorométhane CH3Cl : intervient dans certaines synthèses ( caoutchoucs,
résines, silicones )
•
Dichlorométhane CH2Cl2 : solvant, utilisé en particulier pour l’extraction de la
caféine du café
•
Trichlorométhane CHCl3 : c’est le chloroforme utilisé comme solvant
•
Tétrachlorométhane CCl4 : bon solvant
•
1,1,1-trichloroéthane CCl3 - CH3 : solvant utilisé dans le passé dans les produits
effaceurs Tipp-Ex
•
Bromochlorodifluorométhane CBrClF2 : utilisé dans le passé dans les extincteurs
comme agent d’expansion
•
1,2,3,4,5,6-hexafluorocyclohexane : utilisé comme insecticide
•
Fréons : dérivés chlorés et fluorés qu’on essaye d’éviter parce qu’ils attaquent la
couche d’ozone :
fréon 012 : CF2Cl2 : fluide frigorigène
fréon 011 : CF2Cl2 : bombes aérosols
fréon 114 : CClF2-CClF2 : bombes aérosols
5.3.Réactions d’ ADDITION : avec les alcènes et alcynes (hydrocarbures insaturés)
Nickel
* Hydrogénation de l’éthène : avec catalyseur à base de
H
H
H
H
+
C
C
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
Molécule plane
Molécule spatiale
Une réaction d’addition provoque une modification de la structure géométrique de la
molécule de départ (ce qui n’est pas le cas pour une substitution).
* Chloruration de l’éthène : catalysée par les rayons U.V.
C
+
C
Cl
C
Cl
C
H
H
H
H
H
H
H
éthène
+
dichlore
H
Cl
Cl
1,2-dichloroéthane
* Hydratation de l’éthène :
C
H
+
C
OH
H
H
H
H
C
OH
C
H
H
H
Ethène : molécule plane
H
H
Ethanol : molécule spatiale
10
5.4. Réaction de POLYMERISATION :
* Polymérisation = addition multiple de composés identiques les uns sur les
autres :
n MONOMERE
POLYMERE
n : degré de polymérisation : 50 < n < 10.000 ou davantage
Le monomère est un composé du type éthène
C
C
* Principe de la polymérisation en chaîne :
.... +
C
+
C
.....
CH2
n CH2
CH2
C
CH2
CH2
CH2
éthène
+
C
C
CH2
.....
CH2
CH2
+ ....
C
CH2
n
polyéthène ou polythène
* Arrêt de la polymérisation : la chaîne peut se refermer (rare) . Dès qu’on
désire stopper la réaction en chaîne, on injecte un courant de dihydrogène qui sature
la molécule.
* Polymères couramment utilisés :
H
H
C
C
POLYSTYRENE :
coffres, bacs,
n ustensiles, jouets,
isolant
H
H
CH3
C
C
H
H
POLYPROPENE :
fils de haute
résistance
Textile allié à
d’autres fibres
n
H
C
H
H
Cl
C
C
H
H
H
CN
C
C
H
H
POLYCHLOROETHENE :
P.V.C. PolyVinyleChlorid
revêtements, tuyauteries,
n disques, textiles Rhovyl, ...
POLYACRILONITRILE :
Textiles synthétiques
n (Orlon-Crylor)
F
F
C
C
F
F
OOC-CH3
C
CH3
n
n
POLYMETACRYLATE DE METHYLE :
POLYTETRAFLUOROETHENE :
revêtement des poêles Tefal
11
6. COMPOSES AROMATIQUES
C6H6
6.A CHEF DE FILE : Benzène
* Comportement chimique : c’est un composé fortement insaturé : on
s’attendrait logiquement à de nombreuses additions et aucune substitution. On
constate un comportement inverse : il donne de très nombreuses substitutions et très
difficilement des additions (uniquement avec H2 et Cl2).
Conclusion : le benzène, malgré sa forte insaturation, a plutôt un comportement de
corps saturé : cette réalité est liée à la structure particulière du benzène.
* Structure du benzène :
•
H
Composé plan, cyclique : les six atomes de
H
carbone C forment un hexagone régulier ;
C
C
tous les angles de liaisons valent 120 ° .
•
Chaque atome C donne 3 liaisons simples :
il reste alors 1e- par atome de carbone
C
H
•
Les 6 e- restant sont DELOCALISES sur H C
l’ensemble de la molécule ; chaque e
n’appartient pas à un atome C particulier,
C
C
mais les 6 e- appartiennent à l’ensemble du
cycle : ce cycle s’appelle NOYAU
H
H
AROMATIQUE : c’est une structure très
stable. Nous avons ainsi l’explication du
comportement chimique du benzène.
* Convention de représentation du noyau aromatique :
6.B. Autres composés :
CH3
méthylbenzène
ou toluène
CH
CH2
vinylbenzène
ou styrène
C6H6 + 3 Cl2
C6H6Cl6
6.C. Addition : par exemple le dichlore :
C’est une réaction catalysée par les U.V. : il se forme un insecticide, appelé
couramment le lindane, dont le nom officiel est 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane
6.D. Substitution : par exemple la nitration (action de l’acide nitrique en présence
d’acide sulfurique concentré)
CH3
CH3
+ 3 HNO3
3 H2O +
NO2
La nitration du toluène conduit à la formation d’un composé
trinitré : c’est le TriNitroToluène : TNT (explosifs)
NO2
NO2