1. Qu est-ce que la chimie organique? Alcanes et alcools Lis le texte suivant puis réponds aux questions posées. Jusqu au début du XIX ème siècle, la chimie organique étudiait les substances issues des organismes vivants appartenant au monde végétal ou animal. Elle s opposait à la chimie minérale qui se consacrait aux substances extraites du monde minéral, c est à dire provenant des roches, des eaux naturelles ou de l atmosphère. Alors que l on savait faire la synthèse des composés minéraux, c est à dire leur préparation à partir des corps simples correspondant à leurs éléments constitutifs, on ne parvenait pas, à l époque, à réaliser la synthèse de composés organiques leur obtention semblait impliquer l intervention d une mystérieuse «force vitale» que seuls les organismes vivants possédaient en eux! Mais en 1828, l Allemand Wöhler obtint, en chauffant divers réactifs minéraux, un solide blanc en tout point identique à l urée, composé organique extrait de l urine des mammifères. Depuis, de très nombreuses synthèses de composés organiques ont été réalisées dans les laboratoires : certains de ces composés existaient déjà dans la nature, d autres ont été créés artificiellement ( matières plastiques, médicaments, ) Une nouvelle définition de la chimie organique s avère donc nécessaire. Quelle est l origine de l adjectif «organique» qui caractérise certains composés chimiques? Pourquoi l expérience réalisée par Wöhler a-t-elle mis fin au concept de «force vitale»? Voici les formules brutes de quelques composés de la chimie organique : Glucose C6H12O6 Ethanol C2H6O Méthane CH4 Urée CH4ON2 Acéthylène C2H4 Cholestérol C27H46O Caféine C8H10O2N4 Camphre C10H16O Aspirine C9H8O4 Benzène C6H6 Vitamine C C6H8O6 Propane C3H8 Quels sont les éléments chimiques toujours présents dans ces composés? Quels autres éléments sont parfois présents? Voici les formules brutes de quelques composés de la chimie minérale : Acide sulfurique H2SO4 Dioxygène O2 Chlorure de sodium NaCl Sulfate de cuivre(ii) Cu2SO4 Acide nitrique HNO3 Oxyde de fer Fe2O3 Permanganate de potassium KMnO4 Hydroxyde de sodium NaHO Eau H2O Le texte ci-dessus se termine par la phrase : «une nouvelle définition de la chimie organique s avère donc nécessaire». Quelle définition moderne, déduite de la comparaison entre les formules brutes des composés organiques et des composés minéraux, peut-on donner de la chimie organique? Le dioxyde de carbone CO2 a toujours été classé parmi les composés non organiques (ou minéraux). Ce classement est-il en accord avec ta définition précédente? Peux-tu cependant justifier cette apparente exception à la règle en rappelant quelles sont les sources du gaz carbonique présent dans notre atmosphère. 1
2. L'atome de carbone: 12 L atome de carbone a pour symbole 6 C. Quelle est sa structure électronique? Déduis-en sa valence. 1 L atome d hydrogène a pour symbole 1 H. Quelle est sa structure électronique? Déduis-en sa valence. Quelle est la formule brute de la molécule la plus simple constituée d atomes de carbone et d hydrogène, appelée méthane? Représente sa formule développée. Quelle est la valeur de l angle entre 2 liaisons voisines dans cette formule développée? Observe le modèle moléculaire éclaté de cette molécule. Les liaisons covalentes sont matérialisées par un raccord en plastique. Cette molécule de méthane est-elle plane? Quelle est la valeur réelle de l angle entre 2 liaisons voisines? La formule développée que tu as représentée ci-dessus correspond-elle à la géométrie réelle de la molécule? pourquoi? Tu vas utiliser le cube ci-contre pour dessiner en perspective la molécule de méthane : place un atome de carbone (boule noire) au centre du cube. place un atome d hydrogène (boule plus petite) sur un angle du cube place un autre atome d hydrogène sur un angle opposé au précédent, selon une diagonale d une des faces du cube. Et ainsi de suite représente les liaisons entre ces atomes pour compléter la molécule. x Représente ci-contre cette molécule en utilisant les conventions de CRAM : une liaison qui est dans le plan du schéma est représentée par un trait entre les 2 atomes concernés. une liaison qui est dirigée vers l observateur est représentée par une liaison qui est dirigée vers l arrière est représentée par 3. Les alcanes : Un alcane est un hydrocarbure saturé à chaîne carbonée ouverte. Sa formule brute est C n H 2n+2 Hydrocarbure : molécule constituée uniquement d atomes de carbone et d hydrogène. Saturé : toutes les liaisons chimiques entre les atomes de carbone sont des liaisons simples (il n y a pas de double ou triple liaison dans un alcane, chaque atome de carbone est donc lié à 4 atomes voisins) La chaîne (ou squelette) carbonée d une molécule organique est constituée par l enchaînement des atomes de carbone liés entre eux par des liaisons covalentes. La chaîne carbonée est ouverte si elle n est pas cyclique, c est à dire si elle ne forme pas une boucle fermée. Lorsque un au moins des atomes de carbone est lié à plus de 2 autres atomes de carbone, on dit que la chaîne carbonée est ramifiée, sinon elle est qualifiée de linéaire. Voici les noms (à connaître par cœur) de quelques alcanes à chaîne linéaire, c est à dire non ramifiée : Méthane Ethane Propane Butane Pentane Hexane CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 2
Des molécules isomères ont la même formule brute mais des formules développées différentes. Elles ont des noms différents mais aussi des propriétés physiques et chimiques différentes. La formule brute d une molécule indique la nature et le nombre d atomes qui la constituent: tous les atomes présents dans la molécule sont cités les uns à la suite des autres, et on indique pour chaque atome en bas à droite le nombre de fois qu il intervient dans la molécule. La formule développée d une molécule fait apparaître toutes les liaisons covalentes entre les atomes. Dans la formule semi-développée d une molécule, les liaisons faisant intervenir un atome d hydrogène ne sont pas représentées. On regroupe alors les atomes d hydrogène avec l autre atome auquel ils sont liés Dans la formule topologique, on ne représente pas les atomes de carbone mais la chaîne carbonée est représentée en zigzag : il existe un atome de carbone à chaque extrémité de segment. On ne représente pas non plus les atomes d hydrogène liés aux atomes de carbone (on trouve leur nombre en respectant la tétravalence du carbone). Les autres atomes sont représentés. Représente les formules développées, semi-développées et topologiques des isomères de formule brute C 5 H 12 Voici les règles de nomenclature des alcanes à chaîne ramifiée : Identifier la chaîne carbonée linéaire la plus longue de la molécule : on l appelle chaîne principale. Le nombre d atomes de carbone contenus dans cette chaîne détermine le nom de l alcane. Identifier les différentes ramifications greffées sur la chaîne principale : ce sont des groupements alkyles, c est à dire des alcanes ayant «perdu» un atome d hydrogène de façon à libérer une liaison. Leur formule générale est C n H 2n+1 et leur nom dérive de celui de l alcane correspondant en remplaçant le suffixe «ane» par «yle» : Groupements : méthyle éthyle propyle butyle Formule chimique : La notation R est parfois utilisée pour symboliser un groupement alkyle quelconque, non défini. Numéroter les atomes de carbone de la chaîne principale en partant d une extrémité (il y a deux sens possibles) de façon à ce que la somme des numéros des atomes substitués (liés à un groupement alkyle) soit le plus petit possible. Faire précéder le nom de l alcane correspondant à la chaîne principale par les noms des différentes ramifications alkyle, classées par ordre alphabétique. De plus, chaque groupement alkyle doit être précédé du numéro de l atome de carbone de la chaîne principale qui le porte. Nomme les isomères du pentane représentés ci-dessus. Représente le 3-éthyl 2,3-diméthyl hexane en formules développée, semi-développée et topologique : Un alcane contient 82,8% en masse de carbone. On rappelle que M(C)=12,0g.mol 1 et M(H)=1,0g.mol 1 Détermine sa formule brute et nomme les isomères correspondants. 3
4. Les alcools : On appelle groupe caractéristique (ou groupe fonctionnel) dans une molécule un groupe d atomes qui permet de la différentier d un alcane. Ce groupe caractéristique lui confère des propriétés chimiques particulières. Entourer les groupes caractéristiques dans les molécules suivantes: NH 2 L atome de carbone lié au groupe caractéristique, ou présent dans celui-ci, s appelle de façon générale «carbone fonctionnel». Si dans un alcane on remplace un atome d'hydrogène par un groupe caractéristique hydroxyle OH, on obtient un alcool. La formule générale d'un alcool est R OH où R est un groupement alkyle C n H 2n+1 Rappelle la formule brute d'un alcane constitué par n atomes de carbone : Déduis-en la formule brute d'un alcool de même chaine carbonée : Les règles de nomenclature pour un alcool sont les mêmes que pour un alcane, mais il faut remplacer le suffixe «ane» de l alcane de même chaine carbonée par «an-x-ol» où x est le numéro du carbone fonctionnel. Attention cependant! la chaîne carbonée principale, qui donne son nom à la molécule, doit forcément contenir le carbone fonctionnel qui devient prioritaire. Cette chaîne doit être numérotée dans un sens tel que le carbone fonctionnel porte le plus petit numéro possible. Exercice : Un alcool possède 21,6% en masse d oxygène. Quelle est sa formule brute? Représente les formules topologiques et nomme tous les alcools isomères correspondants. 5. Propriétés comparées des alcanes et des alcools : 4
Qu'appelle-t-on" température d'ébullition" d'un corps, notée θ ébul dans le tableau? Comment varie la température d'ébullition des alcanes linéaires lorsque la chaine carbonée s'allonge? Propose une interprétation à cette constatation en utilisant le fait que plus une molécule d'alcane linéaire possède d'atomes de carbone, plus elle peut exercer d'interactions de Van der Walls avec ses voisines. Comment varie la température d'ébullition des alcools lorsque la chaine carbonée s'allonge? Compare les températures d'ébullition des alcools et des alcanes de mêmes chaînes carbonées. Propose une interprétation à cette constatation en utilisant le fait que les "liaisons hydrogène" sont plus attractives que celles de Van der Walls. Qu'appelle-ton "solubilité" d'une espèce chimique dans un solvant? Comment une solubilité peut-elle être infinie? Enonce une règle pour prévoir l'évolution de la solubilité des alcools dans l'eau, en fonction de leurs masses molaires. Propose une interprétation à cette règle. Distillation fractionnée d'un vin blanc : Principe : Sous une pression donnée, les températures de changement d'état sont caractéristiques des corps purs et elles permettent de les identifier. Plus la température d'ébullition d'un corps pur est basse, plus il est volatil, plus il se vaporise facilement. Sous la pression atmosphérique normale (P=1,013.10 5 Pa), l'eau bout à 100 C, l'éthanol se vaporise à 78 C, La distillation fractionnée est une technique permettant de séparer les différents constituants d'un mélange en se basant sur leurs différences de températures d'ébullition. Le vin comporte plusieurs centaines de composés différents (eau, éléments organiques, sucres, alcools...). Parmi ceux-ci, l éthanol qui joue un rôle important dans la stabilité du vin et son goût. Il résulte de la fermentation du jus de raisin (transformation du glucose sous l effet de levures) selon l équation C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2. Le degré alcoolique d un vin correspond au volume d éthanol, exprimé en ml, contenu dans 100 ml de vin. 5
Montage : Annote le montage ci-contre, en précisant le rôle joué par chaque objet : Un thermomètre permet de mesurer la température θ1 du vin dans le ballon, et un autre la température θ2 des vapeurs au sommet de la colonne de vigreux. Mets le chauffe-ballon en marche et note l'évolution de ces températures au cours du temps. Trace les graphes correspondants ci-contre. Que constates-tu? Quelles précautions faut-il prendre pour récupérer uniquement de l'éthanol dans l'éprouvette graduée? Quel test faut-il réaliser pour vérifier que le liquide obtenu ne contient pas d'eau, contrairement au vin? Détermine la masse volumique de ce liquide, puis sa densité. Conclue sachant que la densité de l'éthanol est d = 0,79. 6