PARtiE 2 Manuel unique, p. 200 ( Manuel de chimie, p. 114) Alcanes et alcools séquence 6 Le programme notions et contenus Compétences attendues CoMPrEndrE Cohésion et transformation de la matière Nomenclature des alcanes et des alcools ; formule semi-développée. Lien entre les températures de changement d état et la structure moléculaire dans le cas de l eau, des alcools et des alcanes. Miscibilité des alcools avec l eau. Reconnaître une chaîne carbonée linéaire, ramifiée ou cyclique. Nommer un alcane et un alcool. Donner les formules semi-développées correspondant à une formule brute donnée dans le cas de molécules simples. Interpréter : l évolution des températures de changement d état au sein d une famille de composés ; les différences de température de changement d état entre les alcanes et les alcools ; la plus ou moins grande miscibilité des alcools avec l eau. Réaliser une distillation fractionnée. Écrire une équation de combustion. Les compétences à acquérir dans la séquence 1. Connaître la nomenclature des alcanes et des alcools. 2. Interpréter les propriétés physiques des alcanes et des alcools. 3. Écrire l équation de combustion d un alcane ou d un alcool. Évaluation diagnostique p. 200 Situation 1 Cette situation illustre l intérêt de savoir prévoir les propriétés physiques des alcanes à partir de leurs formules brutes. Les élèves pourront émettre des hypothèses, qui seront confirmées ou infirmées dans l activité 1, qui étudie plus en détail le lien entre températures de changement d état et structure moléculaire. Situation 2 Cette situation est l occasion de rappeler des connaissances vues au collège et en Seconde, que l on peut aussi faire retrouver aux élèves en leur demandant ce qui compose, à leur avis, le nuage de fumée émis par la locomotive. Ces connaissances seront réinvesties dans l activité 2 au travers d une approche plus quantitative. Situation 3 Cette situation permet de rappeler le principe de la distillation, présenté en classe de cinquième lors de la distillation d une eau minérale, puis en Seconde. Elle donne un exemple concret d application de la distillation fractionnée, qui fait l objet d un TP dans l activité 3. 109
Activités Activité 1 Structure et propriétés physiques p. 202 1. a. Les alcanes sont les molécules a, c, d, f, g, i, j et l. L alcane i est, en particulier, un cycloalcane (ou alcane cyclique). b. Les alcools sont les molécules b, e et k. 2. Une molécule est cyclique si son squelette carboné (ou «chaîne carbonée») forme une boucle. Dans une molécule ramifiée, un atome de carbone au moins est lié à trois atomes de carbone ou plus. Une molécule qui n est ni cyclique ni ramifiée est linéaire. 3. a. «Dans la famille des alcanes, la température d ébullition augmente quand la longueur de la chaîne carbonée augmente.» Ainsi, la température d ébullition de la molécule j est inférieure à celle de la molécule a, elle-même inférieure à celle de la molécule d, elle-même inférieure à celle de la molécule l. b. «Pour deux alcanes ayant le même nombre d atomes de carbone, le plus ramifié a la température d ébullition la plus basse.» Ainsi, la température d ébullition de la molécule c (respectivement f ) est inférieure à celle de la molécule f (respectivement d ). 4. La réponse à la question 3. a. semble être généralisable aux alcools (molécules b et k ) et aux cycloalcanes (molécules g et i ). 5. «Pour une même chaîne carbonée, un alcool a une température d ébullition plus élevée qu un alcane.» (en s appuyant sur les molécules d et k ). 6. L octane (8 atomes de carbone) doit avoir une température d ébullition plus élevée que celle de l heptane (7 atomes de carbone, molécule l ) qui vaut 98 C d après le document. L octane ne peut donc pas entrer en ébullition à température ambiante et sous pression atmosphérique. Activité 2 Équations de combustion p. 203 1. a. D après le schéma de l ADEME, la consommation en GNV est de 7,5 m 3 pour 100 km, soit 1,1 10 3 m 3 pour 15 000 km. La masse volumique du GNV étant de 0,78 kg m -3, la masse demandée vaut m(gnv) = 8,8 10 2 kg = 8,8 10 5 g. b. C 4 + 2 O 2 Æ CO 2 + 2 2 c. On assimile, comme l affirme le document, le GNV au méthane. D après l équation ci-dessus, il se forme une mole de dioxyde de carbone pour une mole de méthane. n(c 4 ) = m(gnv)/m(c 4 ) = 8,8 10 5 /16 = 5,5 10 4 mol = n(co 2 ). On en déduit que m(co 2 ) = n(co 2 ) M(CO 2 ) = 5,5 10 4 44 = 2,4 10 6 g = 2,4 t. 2. D après le schéma de l ADEME, la consommation en GPL est de 9,75 L pour 100 km, soit 1,5 10 3 L pour 15 000 km. Puisque la masse volumique du GPL est voisine de 550 kg m -3, cela correspond à une masse de 804 kg, soit 402 kg de butane et 402 kg de propane. L équation de combustion complète du propane est : C 3 + 5 O 2 Æ 3 CO 2 + 4 2 On en déduit que : n(co 2 ) = 3n(C 3 ) = 3 m(c 3 )/M(C 3 ) = 3 402 10 3 /44 = 2,7 10 4 mol. L équation de combustion complète du butane est : 2 C 4 + 13 O 2 Æ 8 CO 2 + 10 2 On en déduit que n (CO 2 ) = 4n(C 4 ) = 4 m(c 4 )/M(C 4 ) = 4 402 10 3 /58 = 2,8 10 4 mol. La quantité de matière totale en dioxyde de carbone est donc 5,5 10 4 mol, soit une masse de 2,4 tonnes. 3. D après le schéma, la production annuelle de CO 2 (pour 15 000 km) vaut 2,7 tonnes, soit 6,1 10 4 mol. La conservation de la matière implique la consommation de 6,1 10 4 moles d atomes de carbone, et du double d atomes d hydrogène, soit une masse de super 95 : m(super 95) = 6,1 10 4 (12 + 2) = 8,6 10 5 g. La masse volumique du super 95 étant 0,7 kg L -1, le volume de ce carburant est de 1,2 10 3 L pour 15 000 km. 110
4. Pour la question 1, on trouve 2,4 tonnes de CO 2 au lieu de 2,02. Si la combustion n est pas complète, la masse de CO 2 émise sera plus faible que la valeur attendue, mais ce n est pas forcément un gain pour l environnement, puisqu on produit alors du monoxyde de carbone, un gaz très toxique. Pour la question 2, on trouve 2,4 tonnes de CO 2 au lieu de 2,38. Ce résultat est tout à fait satisfaisant compte tenu du nombre de chiffres significatifs. Pour la question 3, on trouve une consommation de 1,2 10 3 /150 = 8 L pour 100 km, au lieu de 7,5 L. Dans tous les cas, on obtient le bon ordre de grandeur. 5. La valeur de la masse de dioxyde de carbone émise par la combustion d une masse m d alcane ne peut être calculée que si la combustion est complète. Activité 3 Distillation fractionnée du vin p. 204 1. a. 1 : chauffe-ballon ; 2 : vin ; 3 : ballon à fond rond ; 4 : colonne de Vigreux ; 5 : thermomètre ; 6 : réfrigérant à eau. b. L eau arrive en bas du réfrigérant et ressort par le haut. Ces branchements ne peuvent pas être inversés, car il faut que l eau remplisse tout le réfrigérant pour que les échanges thermiques soient optimisés. c. Le support élévateur sous le chauffe-ballon est un élément de sécurité : il peut être rapidement baissé pour arrêter le chauffage en cas d emballement de la réaction. 2. La température T 1 vaut 79 C, ce qui correspond à la température d ébullition de l éthanol. Le composé que l on recueille est donc l éthanol. 3. La masse volumique du vin est voisine de 0,98 g cm -3. Celle de la fraction V 0 vaut environ 0,80 g cm -3, voisine de celle de l éthanol. La fraction V 0 est enrichie en éthanol par rapport au vin de départ, ce qui confirme la réponse à la question 2. 4. La fraction V 0 peut être enflammée avec une allumette, et non le vin. Cela confirme que la fraction V 0 est enrichie en éthanol par rapport au vin de départ. 5. Le sulfate de cuivre se colore en bleu vif quand on y dépose une goutte de vin décoloré, et en bleu pâle pour une goutte de fraction V 0. La fraction V 0 contient moins d eau que le vin de départ, mais il en reste néanmoins quelques traces. L éthanol recueilli dans la fraction V 0 n est pas parfaitement pur. 6. D après la question 5, la séparation de l éthanol et du vin n a pas été réalisée à 100 % par cette distillation fractionnée. De plus, dans le ballon, l eau reste mélangée à de nombreux constituants du vin autres que l éthanol. La distillation fractionnée constitue donc un moyen efficace de séparer les constituants d un mélange, mais ne permet pas de les séparer parfaitement. exercices Compétence 1 : Connaître la nomenclature des alcanes et des alcools 1 a. Vrai. b. Faux. Un alcane ramifié peut être cyclique. c. Vrai (cinq atomes de carbone dans la chaîne principale et un atome de carbone dans le substituant). d. Vrai. 2 a. Un alcane est une molécule constituée uniquement d atomes de carbone et d hydrogène associés entre eux par des liaisons simples. b. Les chaînes carbonées peuvent être linéaires, cycliques ou ramifiées. PARTIE 2 Séquence 6 Alcanes et alcools 111
3 a et c : chaînes linéaires ; b : chaîne ramifiée ; d : chaîne cyclique. 4 a C 4 : méthane. b 3 C : éthane. c 3 C C 2 : propane. d 3 C C 2 C 2 : butane. e 3 C C 2 C 2 C 2 : pentane. f 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 : hexane. 6 1. a : 2-méthylbutane ; b : cyclohexane ; c : 3,5-diméthylheptane. 2. Un squelette carboné tel que celui de la molécule a est ramifié ; celui de b est cyclique. 7 a : butan-2-ol ; b : 2-méthylpropanol ; c : 3,4-diméthylhexanol. 8 a. C 2 1 b. 3 C 2 C 3 C 4 C 2 5 2 C C 2 O 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 c. 3 C C C 2 d. 3 C C C C 2 C 2 O 1 2 3 4 5 e. 3 C C C C 2 C 2 O 1 2 3 4 5 6 f. 3 C C C C 2 C 2 C 2 COMPÉTENCE 2 : Interpréter les propriétés physiques des alcanes et des alcools 9 a. Vrai. b. Faux. Elle sera inférieure. c. Vrai. d. Vrai. 10 1. La solubilité des alcools diminue quand la longueur de la chaîne carbonée augmente. Elle est considérée comme nulle à partir de 5 atomes de carbone. 2. L hexanol n étant pas miscible à l eau, on va observer deux phases. La densité de l alcool étant inférieure à celle de l eau, il se trouve au-dessus. 11 a. Le second, car il a une chaîne carbonée plus longue. b. Le second, car son squelette carboné n est pas ramifié. c. Le premier car, pour un même squelette carboné, les alcools ont des températures de changement d état plus élevées que les alcanes. 12 1. 1 : chauffe-ballon ; 2 : mélange à distiller ; 3 : ballon à fond rond ; 4 : colonne de Vigreux ; 5 : thermomètre ; 6 : réfrigérant. 2. a. L hexane a la température d ébullition la plus basse : il est le composé recueilli en premier. b. Il reste uniquement le décane, car l hexane et l octane ont des températures d ébullition inférieures à 150 C. 112
13 1. Le raffinage du pétrole permet de séparer les différents hydrocarbures en familles de produits aux points d ébullition comparables, appelées coupes pétrolières. Les intervalles de températures d ébullition sont les suivants : Fioul : 300 à 400 C ; white spirit : 150 à 200 C ; kérosène : 180 à 280 C ; gazole : 350 à 360 C. 2. D après les intervalles de température d ébullition donnés ci-dessus : 1. fioul ; 2. gazole ; 3. kérosène ; 4. white spirit. 14 1. La distillation fractionnée permet de séparer des liquides miscibles ayant des températures d ébullition différentes. Elle repose sur le fait que le liquide ayant la température d ébullition la plus basse s évapore en premier quand le mélange est chauffé. 2. a. Le pentane est le composé recueilli dans la première fraction : son volume vaut 50 ml, soit une masse de 50 0,62 = 31 g. b. D après sa température d ébullition, l alcane recueilli en dernier est l heptane. c. La température d ébullition du troisième alcane est comprise entre celle du pentane et celle de l heptane. Comme l on sait que, dans la famille des alcanes, la température d ébullition augmente avec la longueur de la chaîne carbonée, on en déduit que ce troisième alcane ne peut être que l hexane, et non l octane. Compétence 3 : Écrire l équation de combustion d un alcane ou d un alcool 15 a. Faux. Lorsque la combustion est incomplète, elle peut produire du carbone et du monoxyde de carbone. b. Faux. Il suffit d écrire les deux équations de combustions ajustées. c. Vrai. d. Faux. Il n y a pas conservation de l élément oxygène. L équation correcte est : 2 O (l) + 3 O 2 (g) Æ 2 CO 2 (g) + 4 2 16 Pour l hexane : 2 C 6 14 (l) + 19 O 2 (g) Æ 12 CO 2 (g) + 14 2 Pour l hexanol : C 6 13 O (l) + 9 O 2 (g) Æ 6 CO 2 (g) + 7 2 Pour le propanol : 2 C 3 7 O (l) + 9 O 2 (g) Æ 6 CO 2 (g) + 8 2 17 1. Le dépôt noir est constitué de carbone. 2. La combustion est ici incomplète : la quantité de dioxygène est insuffisante. 19 1. L équation demandée est : 2 C 4 (g) + 13 O 2 (g) Æ 8 CO 2 (g) + 10 2 2. On calcule les masses molaires : M(C 4 ) = 58 g mol-1 ; M( 2 O) = 18 g mol -1. La masse de butane contenue dans 10 cm 3 vaut 580 0,010 = 5,8 g, ce qui correspond à 0,10 mol. La combustion complète forme donc 0,50 mol d eau, soit 9,0 g. 20 1. La combustion est incomplète car les produits ne sont pas uniquement du dioxyde de carbone et de l eau. 2. 3,00 g de butanol correspondent à 0,0406 mol de C 4 O, soit à 0,162 mol de carbone. 4,00 g de dioxyde de carbone correspondent à 0,091 mol de carbone, et 0,300 g de carbone pur à 0,025 mol. La conservation de la matière impose qu il s est formé 0,162-0,091-0,025 = 0,046 mol de monoxyde de carbone, donc une masse de 1,29 g. 3. Il y a 1,29 g de CO dans une pièce de 27 m 3, soit 48 mg m -3. Cette valeur est en dessous du seuil. 21 Combustion complète de l éthanol L éthanol est un liquide volatile et sans odeur, également appelé alcool de grain, car il est produit par la fermentation de nombreux fruits (raisins, pommes, etc.). Sa formule brute est C 2 5 O (l) PARTIE 2 Séquence 6 Alcanes et alcools 113
1. Écrire l équation de la combustion complète de l éthanol. 2. Calculer la valeur de la masse d eau produite par la combustion complète de 50 g d éthanol. 1. L équation de la combustion complète de l éthanol est : C 2 5 O + 3 O 2 Æ 2 CO 2 + 3 2 2. 50 g d éthanol, de masse molaire 46 g mol -1, correspondent à 1,1 mol. Leur combustion forme 3,3 mol d eau, soit 59 g. Exercices de synthèse 22 1. a. 3 C b. 3 C C 2 C 2 c. 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 d. 3 C C C 2 C 2 C 2 e. 3 C C 2 C C 2 2. éthane : - 89 C ; butane : - 0,5 C ; heptane : 98 C ; 2,2-diméthylpentane : 79 C ; 3-éthylpentane : 93 C. 23 1. propane : 3 C C 2 hexane : 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 octane : 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 2,2,4-triméthylpentane : 3 C C C 2 C 2-méthylpentane : 3 C C C 2 C 2 2. Pour les alcanes, quand la longueur de la chaîne carbonée augmente, les températures de changement d état augmentent. C est le contraire pour les températures d auto-inflammation. 3. Pour les alcanes, quand la ramification augmente, les températures de changement d état diminuent. C est le contraire pour les températures d auto-inflammation. 4. Si l indice d octane vaut 98, ce carburant se comporte comme s il contenait 98 % d iso-octane et seulement 2 % d heptane. Comme l iso-octane est beaucoup plus ramifié que l heptane, il doit avoir une température d auto-inflammation supérieure à celle de l heptane. Le carburant d indice d octane 98 doit donc théoriquement s auto-enflammer à une température supérieure à celle du carburant 95. 24 1. La température est trop basse pour obtenir du butane à l état gazeux sous la pression atmosphérique. 2. On sait que, dans la famille des alcanes, les températures de changement d état augmentent avec la longueur de la chaîne carbonée : le propane doit donc avoir une température d ébullition inférieure à - 0,5 C. Si elle est inférieure à - 5 C (elle vaut en réalité - 42 C), on pourra alors avoir du propane gazeux même à cette température, et ainsi faire fonctionner le barbecue à gaz. 3. La bouteille contient 6,0 kg de butane (de masse molaire 58 g mol -1 ), soit 1,03 10 2 mol. L équation de combustion complète du butane est : 2 C 4 (g) + 13 O 2 (g) Æ 8 CO 2 (g) + 10 2 114
Il faut donc 6,5 mol d oxygène pour 1,0 mol de butane. Ici, cela correspond à 6,7 10 2 mol, soit 22 kg de dioxygène. 3. b. Cette réaction libère 8/2 1,0 10 2 = 4 10 2 mol de dioxyde de carbone (de masse molaire 44 g mol -1 ), soit 18 kg. 25 1. La flamme s éteint, car la quantité de dioxygène n est plus suffisante pour permettre la combustion. Cela suggère qu il n y en a plus assez non plus pour la respiration. 2. L équation de la combustion complète correspondante est : 2 C 30 62 (s) + 91 O 2 (g) Æ 60 CO 2 (g) + 62 2 La quantité initiale de paraffine est n = 200/M(C 30 62 ) = 200/422 = 0,46 mol. La réaction consomme 91/2 0,46 = 22 mol de dioxygène, soit 6,9 10 2 g. 3. Pour les paraffines liquides à température ambiante, la température de fusion est plus faible que pour les paraffines solides. Or, on sait que les températures de changement d état diminuent quand la longueur de la chaîne carbonée diminue. Les paraffines liquides doivent donc être composées d alcanes comportant plutôt 10 atomes de carbone. 26 1. La formule développée du glycérol est : O O O C C C 2. Le glycérol est miscible à l eau car il a un petit squelette carboné et trois groupements -O. 3. Les interactions intermoléculaires sont plus importantes pour le glycérol car chaque molécule peut établir plusieurs liaisons hydrogène : les températures de changement d état sont donc plus élevées pour lui que pour l éthanol. 4. Combustion complète du glycérol : 2 C 3 O 3 (l) + 7 O 2 (g) Æ 6 CO 2 (g) + 8 2 La conservation de la matière permet de déterminer la formule brute de l acroléine, d où la réaction conduisant à sa formation : C 3 O 3 (l) Æ C 3 4 O + 2 2 27 1. Le 2,2,4,5-tétraméthylhexane a pour formule : 3 C C C 2 C C 2. a. L équation de la combustion complète d un alcane de formule C 10 22 est : 2 C 10 22 + 31 O 2 Æ 20 CO 2 + 22 2 b. M(C 10 22 ) = 142 g mol -1. 1 kg d alcane de formule C 10 22 correspond donc à une quantité de matière de 1 000/142 = 7 mol. D après l équation, sa combustion complète entraîne la formation de 70 moles de CO 2, soit 3 tonnes. 3. La consommation pour 100 km est donnée par passager. L avion étant plein (525 passagers), il consomme 2,9 525 60 = 9,1 10 4 L pour 6 000 km. La densité du kérosène valant 0,7, le volume calculé précédemment correspond à une masse de 6,4 10 4 kg, soit à une quantité de matière n = (6,4 10 7 /142) = 4,5 10 5 mol. La combustion complète du kérosène forme, d après l équation, une quantité de matière n = 4,5 10 6 mol de dioxyde de carbone, soit une masse m = 2,0 10 8 g = 2,0 10 2 t. 4. Les élèves répondront probablement que ces traînées blanches sont dues à l eau formée lors de la combustion. En réalité, on pense que le passage de l avion provoque la condensation en gouttes ou en cristaux de la vapeur d eau déjà présente dans l atmosphère. Cette eau diffuse alors fortement la lumière. PARTIE 2 Séquence 6 Alcanes et alcools 115
28 1. Voir exercice 4. 2. Les formules brutes des cinq premiers alcanes linéaires sont : C 4, C 2 6, C 3, C 4 et C 5 12. 3. La formule générale d un alcane linéaire est C n 2n + 2. 4. La formule s applique aussi à un alcane ramifié puisque, pour passer d un alcane linéaire à n atomes de carbone à un alcane ramifié contenant le même nombre d atomes de carbone, on déplace des liaisons mais on n ajoute ou n enlève aucun atome. 5. La formule des alcanes cycliques est C n 2n car, pour former un cycle, il faut établir une liaison supplémentaire entre deux atomes de carbone, qui doivent donc être liés chacun à un atome d hydrogène de moins que dans la forme linéaire. En route vers la Terminale 29 1. Le volume total de la pièce vaut 450 m 3, ce qui correspond à 5,4 10 2 kg d air. 2. En supposant que 22 % de cette masse est du dioxygène, cela représente 1,2 10 2 kg de dioxygène, soit 3,7 10 3 mol. 3. L équation demandée est : 2 C 4 (g) + 13 O 2 (g) Æ 8 CO 2 (g) + 10 2 4. La bouteille contient 10 kg de butane, soit 10 10 3 /58 = 1,7 10 2 mol. 5. À l aide de l équation de combustion, on détermine que la combustion complète de 10 kg de butane consomme 1,1 10 3 mol de dioxygène et libère 6,9 10 2 mol de dioxyde de carbone. 6. Cette réaction consomme 1,1 10 3 mol de dioxygène sur les 3,7 10 3 mol initialement présentes : cela représente un appauvrissement en dioxygène de 30 %. Il faut donc renouveler l air de la pièce en utilisant les hottes. 7. Le dioxyde de carbone, plus dense que l air, se trouve plus près des voies respiratoires. 8. Le butanol ayant le même nombre d atomes de carbone et d hydrogène que le butane, sa combustion complète forme les mêmes quantités de dioxyde de carbone et d eau, mais comme sa molécule comporte un atome d oxygène, cette combustion nécessite 0,5 mol de dioxygène en moins. 9. L effet de serre. 30 1. La combustion complète de cet alcool a formé 52,8/44 = 1,2 mol de dioxyde de carbone et 25,2/18 = 1,4 mol d eau. La conservation de la matière implique que les 20,4 g d alcool de départ renferment 1,2 mol de carbone et 2,8 mol d hydrogène. 2. On note m(o) la masse d oxygène contenue dans l alcool de départ. On a 1,2 12 + 2,8 1 + m(o) = 20,4 ; d où m(o) = 3,2 g. Cela équivaut à 0,2 mol d oxygène. 3. 20,4 g d alcool contient 0,2 mol d oxygène. Or, une mole d alcool contient une mole d oxygène, donc pour obtenir la formule brute, il suffit de multiplier les quantités de matière de chaque élément présentes dans 20,4 g par 5, d où la formule brute C 6 14 4. Il y a 8 alcools qui conviennent : hexanol, 2-méthylpentanol, 3-méthylpentanol, 4-méthylpentanol, 2,2-diméthylbutanol, 2,3-diméthylbutanol, 3,3-diméthylbutanol et 2-éthylbutanol. 5. a. On place le liquide dans un tube à essais que l on met dans un bain d huile. On place un thermomètre dans le tube à essais et on note la température à partir de laquelle on observe l ébullition du liquide (cette température doit rester constante pendant tout le changement d état). b. L isomère qui a la température la plus haute est le moins ramifié. C est donc ici l hexanol. 116