1. Introduction : la chimie du carbone

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1 1. Introduction : la chimie du carbone Pendant très longtemps, certains corps n'ont pu être obtenus qu'à partir des êtres vivants. Leur synthèse au laboratoire étant impossible, il était admis que la vie (on disait le principe vital) était nécessaire à leur élaboration. Les chimistes ont donc distingué deux chimies : la chimie minérale, qui s'intéresse aux propriétés des substances que l'on rencontre dans le règne minéral, la chimie organique que nous allons aborder et qui traite des corps extraits des organes ou des déchets des animaux et des végétaux. Au début du XIX e siècle, les chimistes isolaient des corps organiques de plus en plus nombreux, mais demeuraient incapables d'en faire la synthèse. Cependant, on réalisa bientôt les premières synthèses de corps organiques. Ainsi, en 1828, Wöhler obtint par hasard, à partir de réactifs minéraux, un solide blanc dont les propriétés étaient identiques à celles de l'urée isolée de l'urine de mammifères. Introduction à la chimie organique

2 A partir de 1851, le français Bertholot produisit par synthèse l'alcool méthylique, puis de nombreux composés organiques. Le principe vital n'était plus défendable, les méthodes du laboratoire permettaient aussi la production des composés organiques. La distinction artificielle entre la chimie organique et la chimie minérale perdait peu à peu sa raison d'être grâce à l'accroissement du nombre des synthèses organiques. Plus tard, on constata que toutes les substances organiques contenaient du carbone. Le terme chimie organique a subsisté, mais possède maintenant un sens différent : celui de chimie des composés du carbone, que ceux-ci existent à l'état naturel ou aient été préparés par synthèse au laboratoire. Définition : La chimie organique est la chimie des composés du carbone à l'exception des oxydes de carbone CO et CO 2, de l'acide carbonique H 2 CO 3 et de ses sels, les carbonates. 2. La composition des corps organiques Les composés organiques naturels ne sont construits qu'à partir d'un nombre très restreint d'éléments chimiques. Par définition, le carbone est toujours présent. En plus du carbone, ils contiennent les non-métaux : H, O, N de même que S et P. La répartition de ces éléments (% masse) dans la matière vivante est la suivante : Oxygène: 62 % Carbone : 20 % Hydrogène:10 % Azote: 3 % 95 % pour 4 éléments D'autres éléments sont présents en très petites quantités comme le fer (Fe), le magnésium (Mg), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), l'iode (I) ce sont les oligoéléments. Bien qu'à l'état de traces, ils jouent un rôle biologique fondamental dans des molécules indispensables à la vie comme par exemple: le fer dans l'hémoglobine, le magnésium dans la chlorophylle, etc. Les êtres vivants comportent trois catégories de corps de formule C x H y O z particulièrement importantes : Les lipides constituant les graisses et l huile. Introduction à la chimie organique 2

3 Les hydrates de carbone, ainsi nommés parce qu'ils répondent généralement à la formule C n (H 2 O) m, comprenant les sucres, les amidons, la cellulose, etc.. On les appelle aussi glucides. Les protéines Il y a cent cinquante ans, le physiologiste français François Magendie ( ) proclamait : "L'azote est indispensable à la vie et à son entretien." En effet, une alimentation à base de glucides et de lipides uniquement est insuffisante sans un apport essentiel en protéines formées principalement de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. Ces protéines entrent dans la composition de tous les tissus du corps: ce sont des matériaux de construction. Leur rôle est très important, en particulier pour les os, les muscles et le sang. Les enzymes, par exemple, sont des protéines permettant toutes les réactions du métabolisme, sans lesquelles toute vie serait impossible. Dans les composés obtenus par synthèse, l'homme a introduit d'autres éléments. Ainsi les halogènes, dont le chlore, sont très souvent présents dans les "pesticides" comme le DDT ou les polymères comme le chlorure de polyvinyle. Cette introduction d'éléments étrangers à la biosphère pose de nombreux problèmes de pollution. DDT (dichloro-diphenyl-tricholoethane) Chlorure de vinyle Introduction à la chimie organique 3

4 3. L origine du carbone "organique" ou le cycle du carbone La formation des composés organiques est donc une particularité du monde vivant. L'origine du carbone est le dioxyde de carbone, CO 2, atmosphérique qui constitue une réserve de carbone minéral. Ainsi, chaque année, environ le tiers du dioxyde de carbone atmosphérique est utilisé dans ce qu'on appelle le cycle du carbone qui est résumé dans la figure ci-dessous. Le cycle du carbone se fait par des échanges de carbone sous différentes formes, entre quatres réservoirs : l atmosphère, la biosphère, l hydrosphère et la lithosphère. 3.1 Les échanges entre l atmosphère et la biosphère Les échanges entre l atmosphère et la biosphère se font soit par assimilation soit par restitution de gaz carbonique, la forme minérale du carbone. Le CO 2 assimilé est utilisé pour former le carbone organique ou inversement le carbone organique est utilisé pour former le gaz carbonique qui est restitué. Les processus impliqués sont les suivants : la photosynthèse et la respiration et dans une moindre mesure les décompositions aérobies La photosynthèse Les végétaux verts (chlorophylle) trouvent leur carbone en puisant directement dans les réserves de gaz carbonique de l'atmosphère. La photosynthèse permet aux plantes d'utiliser le carbone minéral (CO 2 atmosphérique) et le faire passer à l'état de molécules organiques. La lumière (soleil) fournit l'énergie nécessaire à la réaction. chlorophylle 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 atmosphère sol énergie solaire atmosphère C 6 H 12 O 6 = hydrates de carbone tels que le glucose, la cellulose, l amidon Introduction à la chimie organique 4

5 Le glucose formé sert de matière première à toutes les synthèses effectuées à l'intérieur de la plante. Ainsi, à la surface du globe, 150 milliards de tonnes de carbone sont introduites par photosynthèse dans des molécules organiques La respiration des êtres vivants Introduction à la chimie organique 5 La respiration des animaux et végétaux libère du CO 2 en même temps qu'elle absorbe de l'oxygène de l'atmosphère. Une part importante du carbone fixé par le mode vivant retourne ainsi à la réserve commune. L'énergie récupérée est nécessaire à la vie pour ses synthèses, ses mouvements et le maintien de la température du corps C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + énergie Les végétaux verts rejettent 15% de la masse de carbone fixée, les animaux une part plus importante Les décompositions aérobies Lors de décompositions aérobies, les plantes et animaux morts libèrent du CO 2 produit par les bactéries et les moisissures qui les décomposent. La fermentation de solutions sucrées est un exemple de décomposition aérobie : Celle-ci a lieu, par exemple, lors de la production de boissons alcoolisées. La formation d alcool se fait simultanément à la formation de CO 2. Remarque Dans la biosphère, l assimilation du carbone par les êtres vivants qui ne font pas de photosynthèse, se fait grâce à la chaîne alimentaire. Les animaux et les végétaux non verts (champignons), ainsi qu'un grand nombre de bactéries s'alimentent aux dépends des végétaux verts. Par exemple, les herbivores consomment des plantes et les carnassiers mangent les animaux herbivores. Ils n'utilisent pas les molécules organiques telles qu'ils les ont trouvées, mais les transforment par digestion en molécules plus simples que leurs cellules assimilent, puis assemble en composés plus spécifiques.

6 3.2 Les échanges entre l atmosphère et l hydrosphère Les eaux douces ou marines constituent avec l'atmosphère les deux grandes réserves de CO 2. Si la concentration de CO 2 dans l'eau est inférieure à celle de l'atmosphère, celui-ci diffuse dans l'eau selon : CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) Inversement, si la concentration de gaz carbonique est plus élevée dans l'eau, il diffuse dans l'atmosphère. L acide carbonique formé après dissolution du gaz carbonique dans l eau, se dissocie dans l eau, acidifiant cette dernière : H 2 CO 3 (aq) H + (aq) + HCO 3 - (aq) Le gaz carbonique de l'air peut également être mis en réserve sous forme de bicarbonates solubles : CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Ca(HCO 3 ) 2 (aq) calcaire (insoluble) atmosphère bicarbonate (soluble) La répartition du CO 2 dans l'océan est approximativement la suivante : 1 % dans le dioxyde de carbone dissout (CO 2 ) 90 % dans l'hydrogénocarbonate (HCO 3 ) 9 % dans les ions carbonates (CO 3 2 ) 3.3 Les échanges entre l atmosphère ou l hydrosphère et la lithosphère. Les échanges de carbone entre l atmosphère, ou l hydrosphère, et la lithosphère, se font à travers trois processus naturels : la sédimentation, la fossilisation et le volcanisme, et un processus dû essentiellement à l activité humaine : la combustion La sédimentation On a d abord le gaz carbonique de l'air qui après avoir été mis en réserve dans l hydrosphère sous forme de bicarbonates solubles (voir précédemment), finit par précipiter sous forme de carbonate et se déposer dans les sédiments. Précipitation du carbonate de calcium Ca(HCO 3 ) 2 (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g ou aq) + H 2 O(l) précipité La fossilisation (ou décomposition anaérobie) La décomposition anaérobie des plantes et animaux morts permet la formation d hydrocarbures fossiles (fossilisation) tels que le gaz naturel et le pétrole qui sont composés principalement d hydrocarbures. La fermentation méthanique en est un exemple, le méthane étant un des composants du gaz naturel: C 6 H 12 O 6 3 CO CH Volcanisme Ponctuellement, la lithosphère restitue du carbone, essentiellement sous forme de CO 2, à l hydrosphère et l atmosphère par les éruptions volcaniques. Introduction à la chimie organique 6

7 3.3.4 Les combustions La combustion des combustibles tels que le bois ou les combustibles fossiles, produit, entre autre, du CO 2 et de l'eau. C est le cas de la combustion complète du méthane contenu dans le gaz de ville, dont voilà l équation : Depuis le développement de l'ère industrielle, les rejets de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, dus à l activité humaine, ont considérablement augmenté. On estime que les quantités de gaz rejetés progressent d'environ 2% tous les dix ans. L'augmentation de la concentration du CO 2, dans l'atmosphère, entraîne un réchauffement de la planète, par effet de serre. CH O 2 CO H 2 O 3.4 Conclusion L'ensemble des processus de consommation et de production de dioxyde de carbone contribue à maintenir constante la teneur en CO 2 de l'atmosphère terrestre. Le réservoir atmosphérique de dioxyde de carbone se régénère approximativement en vingt ans et, pour un an passé dans l'atmosphère, une molécule de dioxyde de carbone en passe environ vingt dans les océans. Cet équilibre s'est établi sur terre, en quelque cinq milliards d'années. Il est fragile et sa destruction pourrait conduire, à long terme, à des catastrophes planétaires. Les stocks de carbone dans l'air, les sols et les sédiments sont exprimés en milliards de tonnes. Les flèches indiquent le sens des échanges et les chiffres le volume moyen annuel en milliards de tonnes Introduction à la chimie organique 7

8 Introduction à la chimie organique 8