alcanes et alcools - Cours et supports de M.Richter · Nomenclature des alcools Un alcool est une molécule organique dans laquelle un groupe hydroxyl -OH est ixé sur un ... Dans

Programme de Première S - BO 30 Septembre 2010

C1.4.StructureetpropriétésdesalcanesetdesalcoolsMiseensituation

Les alcanes et les alcools font partie depuis longtemps des molécules les plus utilisées parl’Homme.Lesalcanespour leurpropriétécombustibleet leurabondancedans lanatureet lesalcoolspourleurréactivitéquienfontdesbasesimportantesensynthèsechimique.

Nousavonsvuquelesmoléculespeuventêtredécritesparleursformulesbrutes,maisquecelane sufDit pas à différencier les différents isomères (même formule brute mais formuledéveloppée différente). Les chimistes ont donc dû trouver une nomenclature précise quipermette, sans l’ombre d’un doute, de savoir de quel isomère on parle pour une réactionchimique.

Nousverronségalementque la façondont lesatomess’agencententreeuxdansun isomèreaune inDluence sur sa température de changement d’état ou la façon dont il interagit avec unsolvant.Ces températuresdifférentesde changementd’étatpeuvent aussi servir à séparerunmélanged’alcaneoud’alcool.

Hydrocarbureetalcanes

Leshydrocarbures sont lesmolécules lesplus importantespournotreéconomieetnotreviequotidienne depuis la révolution industrielle du XIXe siècle. Ce terme désigne toutes lesmoléculesconstituéesuniquementd’atomesdecarboneetd’hydrogène.L’atomed’hydrogènenepouvantfairequ'uneseuleliaison,cesontsurtoutlesatomesdecarbonequisontimportantspour la structure des hydrocarbures et on parlera d’ailleurs de « chaînes carbonées » pourl’enchaînementdecesatomesdecarbone.

Ceschaînescarbonéespeuventêtrelinéaires,sitouslesatomesdecarbonesesuiventenuneseule ligne, rami9iées, si des atomes ou des groupes d’atomes de carbone viennent segreffersurlachaineprincipale,oucycliquesilachaînecarbonéefaituneboucle.

Les alcanes sont des composés acycliques (non cycliques) constitués d’atomes de carbone etd’hydrogène,où tous lesatomesdecarbonessont tétragonaux etne formentdoncquedesliaisonssimples.

LaformulegénéraledesalcanesestCnH2n+2

Lenombred’atomesdecarbonedanslachaîneprincipalevadonnerlenomdel’alcane,forméd’un préDix qui indique le nombre d’atomes de carbone (méth-, éth-, prop- etc…) suivi de laterminaison-ane.Exemple:l’alcanedeformuleC2H6estnommééthane.

Voicilesnomsdesdixpremiersalcanes:

n Formule brute Nom de l’alcane linéaire n Formule brute Nom de l’alcane

linéaire

1 CH4 Méthane 6 C6H14 Hexane

2 C2H6 Éthane 7 C7H16 Heptane

3 C3H8 Propane 8 C8H18 Octane

4 C4H10 Butane 9 C9H20 Nonane

5 C5H12 Pentane 10 C10H22 Décane

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Lorsqu’un alcane est ramiDié, il faut regarder quelle est la suite la plus longue d’atomes decarbonecarc’estellequivadonnerlenomprincipal.

Les ramiDications sont appelées groupes alkyles, elles sont formées en retirant un atomed’hydrogèneà l’alcanecorrespondantet reprennent lemêmepréDixque lesalcanesmaisavecuneterminaisonen-yle.

Exemple:legroupe-CH3estlegroupeméthyle.

Onnumérotealorslachaîneprincipaledel’alcanedetellesortequelepremieratomepossédantune ramiDication possède le numéro le plus petit possible. Les groupes alkyles sont alorsplacés dans l’ordre alphabétique, en enlevant le -e terminal, et précédés de leur indice deposition.

Siplusieursalkylesidentiquessontplacésdanslamêmemolécule,leurnombreseraindiquépar un préDixe l’indiquant (di-, tri-, tétra-) et précédés de leurs indices de position. (voir lesexemplesci-dessous).

�

�

Nomenclaturedesalcools

Un alcool est unemolécule organique dans laquelle un groupehydroxyl -OH est Dixé sur unatome de carbone tétragonal qui est lié uniquement à d’autres atomes de carbone etd’hydrogène,sansêtrerattachéàd’autresgroupescaractéristiquesoudoubleliaison.

Il existe trois sortes de classes d’alcool en fonction de ce qui est lié à l’atome de carboneauquelestDixélegroupehydroxyle.Sicetatomeadeuxatomesd’hydrogèneetseulementune

6 2

3CH

CH2

CH2

CH3

3CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

3CH

CH

CH2

CH3

CH3 3CH

CH2

CH

3CH

C

H2C

H2CH CH3

CH3

CH2

CH2

2CH

2CH

CH2

2CH

2CH

2CHCH2

CH2

CH2

butane hexanecyclohexane

cyclopentane

2-méthylbutane 3-éthyl-4-méthylhexane

Nomenclature des Alcanes

Chaînes linéaires

Chaînes ramifiéesCycliques

1

2 3 4

1345

méthyl

méthyl

éthyl

CH3 C CH2 CH CH3

CH2 CH3CH3

CH3 2,2,3-triméthylhexane



liaisonverslerestedelachaînecarbonée,onparled’alcoolprimaire.Silecarbonepossèdeunseul atome d’hydrogène lié et deux liaisons vers d’autres chaînes carbonées, c’est un alcoolsecondaire.EnDinsil’atomedecarboneliéaugroupehydroxyleestliéàtroisautresatomesdecarbone,c’estunalcooltertiaire:

�

Pournommerlesalcools,oncherchelachaînecarbonéelapluslonguecontenantl’atomedecarbone liéaugroupehydroxyle -OHetonutilise lemêmepréDixequepour lesalcanes,maisaveclaterminaison-ol.

Si legroupehydroxylen’estpasenboutdemolécule,onnumérotelachaînecarbonéedetellesortequelegroupehydroxyleaitlenumérolepluspetitpossible.

Voiciquelquesexemples:

�

Note : il estégalementpossibled’indiquer laposition1si legroupehydroxyleestenboutdechaîne.Ainsiéthanoletéthan-1-olreprésententlamêmemolécule!

Siunalcoolpossèdeunechaînecarbonéenecomportantquedesliaisonssimples(ondiraqu’ilestsaturé)etn’estpascyclique,saformulebruteseraexprimédetypeCnH2n+2O

2-méthylpropan-2-ol

Propan-1-ol (propanol)

Classes d'alcool

Alcool primaire

C

H

OH

H

C

H

OH

C OH

R

R

R

R’

R’

R’’

Alcool secondaire

Propan-2-ol

Alcool tertiaire

3CH

CH2

OH 3CH

CH2

CH2

CH2

OH 3CH

CH

CH2

CH3

CH2

CH

OH

CH2

CH3

éthanol butanol5-méthylheptane-3-ol

Nomenclature des alcools méthyl

alcool alcoolalcool

123

4567



Miscibilitédesalcools

Nousvenonsdevoirquelesalcoolssontcomposésdedeuxparties:ungroupehydroxyle-OHetungroupealkyle-CnH2n+1.

Or les chapitres précédents nous ont permis de voir que les molécules (ou morceaux demolécules) uniquement constituéesd’atomesde carbone et d’hydrogène étaient hydrophobescarellesn’interagissentpresquepasavecl’eauetsontdoncpeusolubles.

D’un autre côté, le groupehydroxyle est hydrophile et va formerdes liaisonshydrogène avecl’eau.

Unalcoolseradoncmiscibledansl’eausisachaînecarbonéeestsufDisammentcourtepourquele caractère hydrophile du groupe hydroxyle l’emporte. Ce sera en particulier le cas duméthanol, de l’éthanol ou du propanol. C’est la raison pour laquelle on utilise courammentl’éthanol pour « alcooliser » des boissons : il est trèsmiscible avec l’eau et estmodérémenttoxiquepourl’homme(relativementauxautresalcoolsquisontnettementplustoxiques!).

�

La représentation des surfaces de Van derWaals ci-dessusmontre la répartition des partieshydrophiles(rougeetbleue)ethydrophobes(vert)dedeuxalcools.

Températuresdechangementd’état

Dans les chapitres précédents nous avons vu l’importance des liaisons hydrogène et desliaisonsdeVanderWaalsdanslacohésiondelamatièreauxétatssolideetliquide.

C’est particulièrement le casdesmolécules d’eau dont les très fortes liaisons hydrogèneentrelesmoléculesexpliquentquesestempératuresdechangementd’état(0°Cpourlafusionet100°Cpourl’ébullitionàpressionatmosphérique)sonttrèssupérieuresàd’autresmoléculesde structure proche comme le sulfure d’hydrogène (-86°C pour a fusion et -61°C pourl’ébullition).

Pourlesalcanes,iln’yaurapasdeliaisonhydrogèneetseuleslesliaisonsdeVanderWaalsvontassurer la cohésion de leurs états liquide et solide. Deux facteurs vont alors contribuer àrenforcercettecohésion:

★ Plus les chaînes carbonées sont longues, plus les interactions de Van der Waals sontimportantesetpluslestempératuresdechangementd’étatsontélevées.CettepropriétéestutiliséepourladistillationfractionnéedupétroledanslesrafDineries(voirplusbas).

Solubilité des alcools dans l'eau

Pentan-1-ol Propan-2-olSoluble à température ambianteNon soluble dans l'eau à température ambiante



★ En revanche, plus les chaînes sont rami9iées, plus les contacts entre molécules sontcompliquéesetpluslestempératuresdechangementd’étatvontêtrebasses.


�

L’observation des molécules en représentation compacte permet de mieux comprendre ladifférenceentrechaînesramiDiéesetchaîneslinéaires:

�

Pourlesalcools,desliaisonshydrogènevontserajouterauxliaisonsdeVanderWaals,enraisonde laprésencedugroupehydroxyle-OH.Dece fait, lestempératuresdechangementd’étatdesalcoolssontsupérieuresàcellesdesalcanesayantunemêmechaînecarbonée.

Distillationfractionnée

Pour séparer des constituants d’un mélange homogène ayant des températures d’ébullitionnettementdifférentes,onvautiliserlatechniquedeladistillationfractionnée.

Surlabasedel’hydrodistillationvueenclassedeseconde,ladistillationfractionnéevaconsisteràchauffer lemélangeetàrecueillirenpremier lesvapeursdesproduitsayant latempératured’ébullitionlaplusbasse.Maispourbienséparercesvapeursdesautresproduits,onutiliseunelonguecolonneverticalequipermetd’obtenirundistillatpluspurentêtedecolonne:

2-méthylheptane 117°C

Evolution des températures de changement d'état (ébullition)

Pentane

Octane 2,3-diméthylhexane126°C 106°C

36°C

Température de changement d'état

Pentanelinéaire : 36 °C

2,3-diméthylhexaneramifié : 106 °C



�

On utilise cette technique dans l’industrie pétrolière, dans les rafDineries, pour séparer lesmultiplesconstituantsdupétrolebrut:

� ImageWikipédia

Au laboratoire, ladistillation fractionnéepermetde séparer l’alcool (θeb=100°C) et l’éthanol(θeb=78°C)ouencoredepuriDierleproduitd’unesynthèsechimique.

0

100

200500

800°C

Ballon

Chauffe ballon

Distillation fractionnée

Réfrigérant à eau

Entrée d’eau froide

Sortie d’eauThermomètre

Colonneà distiller

Mélange

Erlenmeyer

Distillat le plus volatile



Combustiondesalcanesetdesalcools

Les alcanes et les alcools sont très prisés pour l’énergie qu’ils libèrent lors d’une réactionchimiquenomméecombustion.Cetteréactionfaitinterveniruncombustible,iciunalcaneouunalcool,etuncomburant,généralementledioxygèneprésentdansl’air.

Dans le cas des alcanes et des alcools, qui ne contiennent que des atomes de carbone,d’hydrogèneetded’oxygène(pourlesalcools),lesproduitsd’unecombustioncomplète(siledioxygèneestenexcès)serontledioxydedecarboneetdelavapeurd’eau.

Lebiland’unecombustiond’alcaneoud’alcoolpeutdoncs’écriresouslaforme:

�

Ces deux exemples nous permettent de constater que, par exemple, unemole de propane vadonner,parcombustion,troismolesdedioxydedecarbone.Cequiexpliqueletrèsfortimpactdecescombustionssurl’augmentationdelaconcentrationdecegazàeffetdeserredansnotreatmosphèreterrestre.

Réaliser ces combustions nécessite un apport d’énergie pour casser les liaisons entreatomes. Ces réactionsne sontdoncpas spontanéesetondoitapportercetteénergie (avecuneallumetteenDlamméeparexemple)pourquelacombustiondémarre.

Mais la formation de nouvelles liaisons, dans les produits de la réaction, libère aussi del’énergie. Or les réactions de combustions libèrent plus d’énergie qu’elles n’enconsomment, d’où leur intérêt pour se chauffer, cuire nos aliments ou faire avancer nosvoitures.

Aspecténergétique:chaleurabsorbéelorsd’unchangementd’état

Sinoussouhaitonsfairebouillirdel’eauavecunréchaudàalcoollorsd’unesoiréecampingaubordde lamer, il peut être intéressant d’essayer de prévoir quelle quantité d’alcool il faudrabrûlerpourobtenirexactementlaquantitédechaleurnécessaireàcetteébullition.

L’étude de ces transferts d’énergie se nomme « thermodynamique » et repose sur quelquesrelations simples qui peuvent être combinées pour effectuer nos prévisions ou afDiner nosobservations.

Nousavonsvudansleschapitresprécédents(chapitresurlacohésiondessolides)que:

A pression constante, le changement d’état d’un corps pur se fait à températureconstante. A une pression donnée, cette température de changement d’état estcaractéristiquedececorpspur.

OnquantiDie l’énergieabsorbéeparuncorpspourchangerd’état sous lenomd’énergiemassique,aussiappeléechaleurlatente(ouenthalpiedefusionpourlafusion).Cetteénergie

ou alcoolalcane dioxyg ne dioxyde de carbone eau

exemples :

Combustion du propane :

C H 5 O 3 CO 4 H O

Combustion de l' thanol :

C H O 3 O 2 CO 3 H O

è

é

combustion

3 8 2 2 2

2 6 2 2 2

"

"

+ +

+ +

+ +



massiquedefusions’exprimeenjouleparkilogramme(J.kg-1).Elledépenddel’importancedesinteractionsattractivesquiassurentlacohésiondelamatière.

Exemple:pourlaglace,l’énergiemassiquedefusionvaut:Lfus=334kJ.kg-1.Doncpourfairefondreunkilogrammedeglace(pure)ilfautapporteruneénergieégaleà334kJ.

Laquantitédechaleurabsorbéeparuncorpsdemassemaucoursdesonchangementd’étatpeutdoncêtredonnéeparlarelation:

�

Unités:

• Q:quantitédechaleurabsorbée(énergie)enJoule(J)• m:masseducorpsenkilogramme(kg)• L:chaleurlatentedechangementd’étatenJouleparkilogramme(J.kg-1)

Exemple:quelleénergieestnécessairepourfairefondre2litresd’eaupureàpressionambiante?

Voiciquelqueschaleurslatentesdechangementsd’étatdecorpspurs(nommésaussienthalpiesdechangementd’état):

Energiedechangementdetempérature

Imaginons maintenant que vous n’aimiez pas votre thé brûlant et que vous ne voulezqu’augmenter la température de l’eau avec votre réchaud à alcool. Dans ce cas il va falloircalculerlaquantitédechaleurqu’ilfautapporteràuncorpsdemassempourleporteràlabonnetempératureàl’aidedelarelationsuivante:

Q m L#=

2 L d'eau pure ont une masse de 2 kg(Masse volumique de l'eau : 1,00 kg.L )La chaleur latente de fusion vaut L 334 kJ.kgL' nergie n cessaire est doncQ m L 2 334 668 kJé é

eau1

fus1

fus# #

t ==

= = =

-

-

SubstanceChaleur de fusion

(enthalpie de fusion) (kJ.kg-1)

Chaleur de vaporisation (entalpie de vaporisation)

(kJ.kg-1)

Eau 334 2259

Ethanol 108 855

Plomb 23 871

Or 67 1578



�

Unités:

• Q:quantitédechaleurabsorbée(énergie)enJoule(J)• m:masseducorpsenkilogramme(kg)• C:chaleurmassiqueducorpsenJouleparkilogrammepardegré(J.kg-1.°K)• Δt:différencedetempératureentrecellededépartetcelled’arrivée

Notes:

★ La chaleur massique s’exprimait anciennement en calories (cal) qui représente laquantitédechaleurnécessairepouraugmenterlatempératurede1grammed’eaude1°C:1cal=4,18J

★ Ledegréexpriméestendegrékelvin,mais1°K=1°C,leseulchangementvientdelabasedel’échelledetempérature.

Lachaleurmassiqueestégalementappeléecapacitéthermiqueetdépendducorpsétudié.Voiciquelquesexemplesdecapacitésthermiques:

Danscetableaunousvoyonsimmédiatementquelesmétaux,bonsconducteursdechaleur,ontbesoin de très peu d’énergie pour voir leur température s’élever d’un degré, au contraire del’eau,ducorpshumainoududihydrogène.

Exemple:1)Quelleénergieestnécessairepouréleverlatempératured’unlitrel’eauliquidede20à40°C?2)Quellemassedefonte(alliagedeferetdecarbone)(C=0,47kJ.kg-1.K-1)à100°Cfaut-ilplongerdansl’eauà20°Cpourluifaireatteindreces40°C?

Q C m t# #D=

SolidesCapacité thermique

(kJ.kg-1.K-1)Liquides

Capacité thermique

(kJ.kg-1.K-1)Gaz

Capacité thermique

(kJ.kg-1.K-1)

Glace 2,1 Eau 4,18 Air (sec) 1,00

Or 0,13 Ethanol 2,46 Vapeur d’eau 1,85

Plomb 0,13 Huile 2,00 Dioxygène 0,92

Fer 0,47 Octane 1,39 Dihydrogène 14,3

Corps humain 3,47 Mercure 0,14 Diazote 1,04

Q 83,6 kJ

m 2,96 kg

1) Pour l' l vation de temp rature de l'eau :t 40 20 20

1L d'eau une masse de 1 kgC 4,18 kJ.kg . Kdonc Q C m t 4,18 1 20

2)La fonte va perdre 60 Csa capacit massique est C 0,47 kJ.kg . KOn cherche la masse m donc :

m C tQ

0,47 6083,6

donc

é é é°

°

°é °

àeau

1

eau

fonte1

fonte

# # # #

# #

D

D

D

= - =

== =

=

= =

=

=

-

-



Donc,prèsde3kgdefonteà100°Cvontpasserà40°Caucontactdeseulementunlitred’eauquivapasserde20à40 °C.Vousdevriezmieux comprendrepourquoi lespompiersutilisentprincipalement l’eau : non pas seulement pour étouffer les Dlammes mais pour absorber lachaleurdesobjetschaudsetéviterquel’incendienesepropage!

Energielibéréelorsd’unecombustion

En parlant d’incendie, qui est une sorte de combustion, l’énergie libérée par ce type deréactions’exprimeparlarelationsuivante:

�

Unités:

• Elib:EnergielibéréeparlacombustionenJoule(J)• n:nombredemolesducombustibleenmoles(mol)• Ecomb:EnergiemolairedecombustionducombustibleenJouleparmole(J.mol-1)

Pour calculer l’énergie libérée par une combustion il est donc nécessaire d’écrire l’équationbilan de la combustion, de faire le bilan matière de cette combustion pour déterminer lenombredemolesducombustibleen fonctiondes informationsdisponibles(masse,volume,masse volumique, densité…) et ensuite d’effectuer le calcul d’énergie avec la formuleprécédente.

Lesordresdegrandeursdesénergies thermiquesmolairessont100à1000 foisplusgrandesquecellesdeschangementsd’étatàcausedesliaisonsqu’ilfautrompre.


Pour déterminer ces énergies molaires de combustion, on va utiliser une combustion pourchauffer une quantité connue d’eau dans un récipient dont on connaît les propriétés (parexemple une canette en aluminium). En étudiant l’élévation de température de l’eau on saitquelle énergie a été dégagée et on peut en déduire l’énergie libérée (en oubliant pas leséventuelschangementsd’étatassociés,commedelaciredebougiequifondparexemple).

E n Elib comb#=

Substance Energie molaire de combustion (kJ.mol-1)

Méthane 802

Propane (pur) 2044

Octane 5064

Éthanol 1330

Essence 4200

Gazole 7600

Propane (bouteille) 2219


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