Chapitre 6 : Les alcanes et les alcools. Nomenclature des alcanes et des alcools.. Définitions L enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique forme une «chaîne carbonée» ; Il existe une grande diversité de molécules organiques, dont les chaînes peuvent être classées en trois catégories : - Chaîne carbonée linéaire : la molécule est constituée d atomes de carbone liés les uns à la suite des autres sans former de boucle ; - Chaîne carbonée ramifiée : au moins un des atomes de carbone (appelé carbone ramifié) est lié à trois ou quatre autres atomes de carbone ; - Chaîne carbonée cyclique : la molécule est constituée d atomes de carbone liés les uns à la suite des autres en formant une boucle. Chaîne linéaire Chaîne ramifiée Chaîne cyclique.2. Les alcanes.2.. Définitions Les hydrocarbures sont des molécules constituées uniquement d atomes de carbone et d hydrogène : leurs atomes de carbone sont tétragonaux c'est-à-dire liés à leurs voisins par quatre liaisons simples en formant un tétraèdre ; Un alcane est un hydrocarbure acyclique (chaîne linéaire ou ramifiée) dont la formule brute est : C n H 2n+2 (n est un entier naturel ).2.2. Nomenclature des alcanes Le nom d un alcane linéaire, est constitué d un préfixe, qui indique le nombre d atomes de carbone contenus dans la chaîne carbonée, suivi du suffixe «ane» : Nombre d atomes de carbone 2 4 5 6 7 8 9 0 Préfixe Méth Éth Prop But Pent Hex Hept Oct Non Déc formules et noms des premiers alcanes linéaires
Cas des alcanes ramifiés : En retirant un atome d hydrogène à un alcane linéaire, on obtient un groupe alkyle dont le nom s établit en remplaçant la terminaison «ane» par la terminaison «yle» : Groupe d atomes Nom du groupe méthyle éthyle propyle Comment nommer un alcane ramifié? La chaîne carbonée la plus longue est appelée chaîne carbonée principale : son nombre d atomes de carbone détermine le nom de l alcane ramifié. Rechercher la chaîne principale puis la numéroter de façon à ce que le numéro du premier atome de carbone portant une ramification soit le plus petit possible ; Nommer la molécule en faisant précéder le nom de l alcane linéaire, correspondant à la chaîne principale, des noms des groupes alkyles, pris dans l ordre alphabétique, et précédés de leur indice de position sur la chaîne principale. 5 4 2-méthylpentane 2 2 4 5 -éthyl-2-méthylhexane 6 Remarque : Lorsque plusieurs groupes alkyles sont identiques, on utilise les préfixes di, tri, tétra mais cela ne change rien à l ordre alphabétique. 4 6 5 -éthyl-2,5-diméthylhexane.. Les alcools... Définitions Un alcool est une molécule organique dans laquelle un atome de carbone tétragonal porte le groupe caractéristique «OH» et n est lié à aucun autre groupe caractéristique ni engagé dans une double liaison ; La formule brute d un alcool à chaîne carbonée saturée acyclique est : C n H 2n+ OH ou C n H 2n+2 O (n est un entier naturel ) Les alcools sont des molécules organiques dont la structure dérive simplement de celle des alcanes : un groupe hydroxyle «OH» est fixé sur un atome de carbone tétragonal ( les 4 liaisons covalentes forment un tétraèdre)...2. Nomenclature des alcools Le nom d un alcool dérive de celui de l alcane correspondant : on remplace le «e» final par la terminaison «ol», précédée, si nécessaire, de l indice de position du groupe hydroxyle dans la chaîne carbonée principale. Comment nommer un alcool? Repérer la chaîne carbonée la plus longue comportant le groupe caractéristique hydroxyle «OH» ; Numéroter cette chaîne carbonée afin que l atome de carbone portant le groupe caractéristique «OH» (ou carbone fonctionnel) ait le plus petit numéro ;
Identifier les substituants éventuels et les nommer ; Nommer l alcool en suivant les mêmes règles que pour les alcanes, mais en remplaçant la terminaison «ane» par la terminaison «ol», précédée de l indice de position de l atome de carbone fonctionnel sur la chaîne principale.... Classe d un alcool 2 OH Butan-2-ol 4 6 5 4 2 OH 5-méthylhexan--ol Suivant la position du groupe caractéristique «OH» sur la molécule, on range les alcools en trois classes différentes : - Un alcool est dit «primaire» si l atome de carbone fonctionnel ( carbone qui porte le groupe caractéristique «OH») n est lié qu à des atomes d hydrogène ou à un seul autre atome de carbone ; - Un alcool est dit «secondaire» si l atome de carbone fonctionnel est lié à deux autres atomes de carbone ; - Un alcool est dit «tertiaire» si l atome de carbone fonctionnel est lié à trois autres atomes de carbone..4. En résumé OH Alcool primaire Alcool secondaire Alcool tertiaire 2 C 2 OH OH Éthanol Propan-2-ol 2-méthylpropan-2-ol 2. Propriétés physiques (Voir TP n 2) 2.. Températures de changement d état des alcanes Les alcanes ne sont constitués que des éléments carbone et hydrogène, ils ne peuvent donc pas participer à la formation de liaisons hydrogène. Les molécules d alcanes étant apolaires, elles ne peuvent engendrer que des dipôles instantanés et leur cohésion à l état liquide et solide ne peut donc être assurée que par des interactions de Van der Waals (entre dipôles instantanés) qui seront d autant plus intenses que le moment dipolaire des molécules impliquées sera élevé. Le moment dipolaire instantané d une molécule d alcane augmente avec le nombre d atomes de carbone : les interactions (de Van der Waals) en sont d autant plus fortes et difficiles à rompre. L énergie thermique qu il faut fournir pour atteindre un changement d état est alors plus grande et les températures de changement d état plus élevées. En résumé : Les températures de fusion et d ébullition des alcanes linéaires augmentent lorsque le nombre n d atomes de carbone de la chaîne carbonée augmente (voir figure ).
Alcane linéaire Formule brute fus éb État physique (à 25 C) Méthane 4-82,5-6,5 Gazeux Éthane C 2 H 6-8, - 88,6 Gazeux Propane C H 8-87,6-42, Gazeux Butane C 4 H 0-8, - 0,5 Gazeux Pentane C 5 H 2-29 6, Liquide Hexane C 6 H 4-95, 68,7 Liquide Heptane C 7 H 6-9 98,4 Liquide Octane C 8 H 8-56,8 25,7 Liquide Nonane C 9 H 20-5 50,8 Liquide Décane C 0 H 22-29,7 74 Liquide Figure : Température de fusion et d'ébullition des alcanes linéaires (sous pression atmosphériqsue) Les températures de fusion et d ébullition des alcanes linéaires sont d autant plus élevées que la longueur de la chaîne carbonée est grande et donc que l intensité des interactions de Van der Waals augmente. Cas des alcanes ramifiés : - Dans le cas des alcanes ramifiés, les molécules sont moins longues que leurs isomères linéaires donc leurs moments dipolaires instantanés sont plus faibles ; - L encombrement dû aux ramifications gène les interactions entre molécules donc les interactions de Van der Waals sont d autant plus faibles que la molécule est ramifiée et les molécules sont moins liées donc plus facile à séparer que les molécules d alcanes linéaires isomères : ils sont plus volatils. Nom Alcanes linéaires Formule brute fus éb Nom Alcanes ramifiés Formule brute Méthane 4-82,5-6,5 Méthylpropane C 4 H 0-45 - 0 Éthane C 2 H 6-8, - 88,6 Méthylbutane C 5 H 2-59 28 Propane C H 8-87,6-42, Diméthylpropane C 5 H 2-7 0 Butane C 4 H 0-8, - 0,5 2-méthylpentane C 6 H 4-54 60, Pentane C 5 H 2-29 6, -méthylpentane C 6 H 4-8 6, Hexane C 6 H 4-95, 68,7 2,2-diméthylbutane C 6 H 4-98 49,7 Heptane C 7 H 6-9 98,4 2,-diméthylbutane C 6 H 4-29 58 Octane C 8 H 8-56,8 25,7 2-méthylhexane C 7 H 6-54 6 Les températures d ébullition des alcanes sont d autant plus basses que ceux-ci sont ramifiés. 2.2. Températures de changement d état des alcools Les molécules d alcool possède une liaison polaire (liaison O H) qui peut engendrer des liaisons hydrogène entre les molécules. fus éb Les liaisons hydrogène entre les molécules de méthanol
Alcools linéaires Formule brute θ fus θ éb État physique (à 25 C) Méthanol OH - 98 64,7 liquide Éthanol C 2 H 5 OH - 2 78,4 liquide Propan--ol C H 7 OH - 26 97 liquide Butan--ol C 4 H 9 OH - 80 7 liquide Pentan--ol C 5 H OH - 78 8 liquide Hexan--ol C 6 H OH - 5,5 56 liquide Heptan--ol C 7 H 5 OH - 4,5 74 liquide Octan--ol C 8 H 7 OH - 6,5 94 liquide Nonan--ol C 9 H 9 OH - 5 2,5 liquide Décan--ol C 0 H 2 OH 7 2 liquide Figure 2 : Température d ébullition des alcanes linéaires et des alcools (sous pression atmosphérique) Pour une même chaîne carbonée, les alcools ont des températures de changement d état supérieures à celles des alcanes. Remarque : températures de changement d état de l eau Dans l eau, des liaisons hydrogène entre les molécules augmentent la cohésion des états solides et liquide, ce qui explique que les températures de changement d état soient anormalement élevées par rapport aux molécules ayant des structures similaires (ex. : éb (H 2 S) = 6 C, les molécules de H 2 S ne subissent que des interactions de Van der Waals car le soufre est trop peu électronégatif). Application : la distillation fractionnée Principe La distillation fractionnée permet de séparer les constituants d un mélange de liquides miscibles ayant des températures d ébullition nettement différentes : le liquide le plus volatile constitue le distillat et le moins volatile, le résidu. Montage expérimental : 2.. La miscibilité des alcools avec l eau Toute molécule d alcool (notée «R OH») est constituée de deux groupes d atomes : - Un groupe hydroxyle «OH» : ce groupe est hydrophile («aime l eau») car il peut établir des liaisons hydrogène avec les molécules d eau ; - Un groupe alkyle «R» : ce groupe est hydrophobe («n aime pas l eau») tout comme les alcanes.
Lorsque le groupe R a une chaîne carbonée courte, les molécules d alcool peuvent s entourer facilement de molécules d eau et il y a miscibilité totale de l alcool avec l eau. Si la chaîne carbonée de R est longue, les interactions entre molécules d alcool et d eau sont limitées et la miscibilité devient partielle, voire nulle si la chaîne est très longue. En résumé : La miscibilité des alcools dans l eau est due au groupe «OH» qui établit des liaisons hydrogène avec les molécules d eau mais la chaîne carbonée tend, au contraire, à diminuer la solubilité de l alcool dans l eau. - Le méthanol, l éthanol et le propanol sont miscibles à l eau en toute proportion ; - La solubilité d un alcool dans l eau diminue quand la longueur de la chaîne carbonée augmente : au-delà du pentanol, la miscibilité devient nulle ; - La solubilité d un alcool dans l eau augmente, pour un même nombre d atomes de carbone, quand le nombre de substituants augmente. Alcool Solubilité massique dans l eau (en g.l ) Éthanol OH Propan--ol ( ) 2 OH Butan--ol ( ) OH Pentan--ol ( ) 4 OH Hexan--ol ( ) 5 OH Infinie Infinie 80 22 6 Remarque : les alcanes sont totalement non miscibles à l eau, ce sont des espèces non polaires sans interaction intermoléculaire particulière avec l eau (pas de liaison hydrogène entre autres). 2.4. Combustions des alcanes et des alcools Combustion complète du butane Combustion incomplète du butane Lors de la combustion complète d un alcane ou d un alcool, la molécule organique réagit avec le dioxygène de l air pour former uniquement du dioxyde de carbone et de l eau. Cette réaction est exothermique : elle dégage de l énergie sous forme de chaleur. Les équations des réactions de combustion complète sont : Butane (alcane) Éthanol (alcool) 2 C 4 H 0 (g) + O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 0 H 2 O (g) C 2 H 5 OH (l) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O (g) Lorsque la quantité de dioxygène est insuffisante, la combustion est incomplète et il peut se former, en plus du dioxyde de carbone et de l eau, du monoxyde de carbone et du carbone : Les équations des réactions de combustion incomplète sont : Butane (alcane) Éthanol (alcool) C 4 H 0 (g) + 4 O 2 (g) CO 2 (g) + 5 H 2 O (g) + CO (g) + 2 C (s) C 2 H 5 OH (l) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + C (s) + H 2 O (g) (?)
Chapitre 6 : Les alcanes et les alcools Les objectifs de connaissance : - Connaître la nomenclature des alcanes et des alcools ; - Interpréter les propriétés physiques des alcanes et des alcools. Les objectifs de savoir-faire : - Reconnaître une chaîne carbonée linéaire, ramifiée ou cyclique ; - Réaliser une distillation fractionnée ; - Écrire et équilibrer l équation de la réaction de combustion d un alcane ou d un alcool. Je dois savoir Oui Non - Définition des mots : chaîne carbonée linéaire, chaîne carbonée ramifiée, chaîne carbonée cyclique, hydrocarbures, alcane, groupe alkyle, chaîne principale, alcool. - Écrire la formule brute d un alcane et d un alcool. (cf..2. &..) - Nommer un alcane linéaire et un alcane ramifié. (cf..2.2) - Nommer un alcool. (cf...2) - Connaître et reconnaître la classe d un alcool. (cf...) - Interpréter les températures de changement d état des alcanes (linéaires ou ramifiés). (cf. 2.) - Interpréter les températures de changement d état des alcools. (cf. 2.2) - Interpréter la miscibilité des alcools avec l eau. (cf. 2.) - Écrire et équilibrer l équation d une réaction de combustion d un alcool. (cf. 2.4)