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Chapitre 8 :
LES HYDROCARBURES
Un hydrocarbure est un corps dont les molécules sont formées
uniquement à partir d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène.
Le méthane est la plus petite molécule d'hydrocarbure.
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Chapitre 8 :
LES HYDROCARBURES
I) Chaîne carbonée des alcanes :
1) Le carbone tétragonal :
Le carbone possède quatre électrons dans la couche
périphérique (L) comme les autres éléments de la même
colonne (silicium, germanium...) on dit qu’il est tétravalent.
Dans une molécule, un atome de carbone peut être lié à
d'autres atomes par quatre liaisons covalentes simples :
le carbone est alors tétragonal.
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
2) Le méthane :
La formule brute du méthane CH4, indique la nature des atomes et leur
nombre (atomicité) dans une molécule.
La formule développée est donnée par une figure : la formule
développée indique, en plus de la formule brute, comment les
atomes sont liés les uns aux autres.
La molécule est inscrite dans un tétraèdre régulier.
Les quatre atomes d'hydrogène occupent, autour de l'atome
de carbone central, 4 positions parfaitement équivalentes,
les 4 sommets d'un tétraèdre régulier.
Les angles des liaisons C – H sont de l09° 28'.
représentation
La longueur de la liaison C – H est de l09 pm.
de Cram
modèle
moléculaire
Chapitre 8 :
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
3) Les alcanes :
a) Définition :
Des hydrocarbures qui ne possèdent que des liaisons covalentes simples
(hydrocarbures saturées) et dont les atomes de carbone forment des
chaînes ouvertes (non cycliques) sont appelés alcanes.
La formule brute la plus générale des alcanes non cycliques est CnH2n + 2.
Remarque : nous appellerons cyclo-alcanes les alcanes dont la chaîne
carbonée est fermée : leur formule brute la plus générale est
alors CnH2n.
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
3) Les alcanes :
b) Exemples :
La longueur de la liaison C – C (154 pm) est supérieure à la longueur des
liaisons C – H (109 pm comme dans le méthane).
Autour d’un atome de carbone, le tétraèdre n'est plus régulier mais les
angles entre les directions de deux liaisons sont encore de 109° 28'.
Les familles d’alcanes les plus simples sont :
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
méthane éthane propane butane pentane hexane heptane octane
Remarque : Les deux groupes méthyle – CH3 de la molécule d'éthane
peuvent tourner autour de l'axe de la liaison C – C :
Il existe deux conformations extrêmes de la molécule.
conformation
alternée
conformation
éclipsée
Chapitre 8 :
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
4) Isomérie et nomenclature :
a) Chaîne carbonée :
On appelle chaîne carbonée d'une molécule l'enchaînement de ses
atomes de carbone.
On appelle groupe un ensemble d'atomes liés entre eux et constituant une
partie d'une molécule (groupe méthyle ─ CH3, groupe éthyle ─ C2H5 …).
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
4) Isomérie et nomenclature :
b) Isomères de constitution de chaîne :
Deux alcanes comportant le même nombre d'atomes de carbone mais
dont les chaînes carbonées sont différentes, sont des isomères de
constitution de chaîne.
Ils ont des propriétés physiques légèrement différentes.
Par exemple, leurs températures normales d'ébullition présentent des
écarts, ce qui permet de les séparer dans un mélange.
Exemple :
La température d'ébullition du n-pentane est de 36,07 °C et
celle du 2-méthylbutane est de 27,85 °C.
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
4) Isomérie et nomenclature :
c) Règle de nomenclature :
Nous utiliserons les règles de nomenclature définies par U.I.C.P.A.
(Union internationale de chimie pure et appliquée, en anglais IUPAC
International Union of Pure and Applied Chemist).
Exemple 1 : CH3 – CH2 – CH2 – CH3
n-butane
Exemple 2 :
4-éthyl-3,3-diméthylhexane
et non 3-éthyl-4,4-diméthylhexane
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
5) Modèles et représentations :
a) Modèles moléculaires :
On utilise en général des modèles compacts ou des modèles éclatés.
Exemple :
L’éthane (CH3 – CH3) :
modèle compact
modèle éclaté
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I) Chaîne carbonée des alcanes :
5) Modèles et représentations :
b) Représentations :
Nous utiliserons : - la formule développée ou la représentation de Lewis :
La représentation de Lewis précise le rôle de chaque
doublet électronique, elle permet de déterminer la
géométrie spatiale de la molécule.
- la représentation topologique :
Elle est utilisée en biologie pour représenter des
molécules complexes.
Exemple :
Le 4-éthyl-3-méthylheptane :
représentation de Lewis
représentation topologique
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II) Chaîne carbonée des alcènes :
1) Le carbone trigonal :
Le carbone peut réaliser une liaison double avec un
atome et deux liaisons simples avec deux autres atomes :
l’atome de carbone est alors trigonal.
L'éthène (C2H4 ) ou éthylène est le plus simple des alcènes.
Les deux atomes de carbone sont reliés entre eux par une liaison double.
La longueur de la liaison C == C est de 134 pm.
La molécule d’éthène est plane, la liaison double est rigide.
- Formule semi-développée :
- Formule développée :
CH2 == CH2
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II) Chaîne carbonée des alcènes :
2) Les alcènes :
Les hydrocarbures qui ne possèdent qu’une seule liaison double C == C
sont appelés alcènes.
La formule brute la plus générale des alcènes non cycliques est CnH2n.
Les familles d’alcènes les plus simples sont :
C2H4
C3H6
C4H8
C5H10
C6H12
C7H14
C8H16
éthène
propène
butène
pentène
hexène
heptène
octène
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II) Chaîne carbonée des alcènes :
3) Diastéréo-isomérie :
a) Les diastéréo-isomères :
On considère un alcène de formule XHC == CHY (où X et Y sont des groupes
d'atomes ou des atomes, autres que des hydrogènes).
Il existe deux molécules possibles qui sont des diastéréo-isomères.
Pour des diastéréo-isomères XHC == CHY, la configuration est dénommée
Z (ou cis) quand les deux atomes ou groupes d'atomes X et Y sont tous
les deux disposés du même coté de la double liaison, elle est dénommée
E (ou trans) s'ils sont disposés de part et d'autre.
isomère Z (ou cis)
isomère E (ou trans)
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II) Chaîne carbonée des alcènes :
3) Diastéréo-isomérie :
b) Nomenclature :
Alcènes : nom de famille : préfixe (donnant le nombre de C) + suffixe ène.
Exemple :
2,3,5-triméthylhept-3-ène
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II) Chaîne carbonée des alcènes :
4) Cas du benzène :
Le benzène est une molécule cyclique qui comporte trois liaisons doubles.
Il existe deux conformations possibles de la molécule, on dit qu’il existe
deux formes mésomères. En fait la molécule passe sans arrêt d'une forme
à l'autre :
On convient de représenter le cycle du benzène
par la formule de Kekulé :
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III) Les alcynes :
1) Présentation :
Le carbone peut réaliser une liaison triple avec un atome et une liaison
simple avec un autre atome :
La structure géométrique de ce carbone est alors digonale.
L'éthyne (C2H2 ) ou acéthylène est le plus simple des alcynes.
Les deux atomes de carbone sont reliés entre eux par une liaison triple.
La longueur de la liaison C ≡ C est de 120 pm.
La molécule d’éthyne est linéaire.
- Formule développée :
- Modèles moléculaires :
compact
éclaté
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III) Les alcynes :
2) Nomenclature :
Les hydrocarbures qui ne possèdent qu’une seule liaison triple C ≡ C
sont appelés alcynes.
La formule brute la plus générale des alcynes non cycliques est CnH2n − 2.
Les familles d’alcynes les plus simples sont :
C2H2
C3H4
C4H6
C5H8
C6H10
C7H12
C8H14
éthyne
propyne
butyne
pentyne
hexyne
heptyne
octyne
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
1) Craquage et isomérisation :
La réaction de craquage thermique, pratiquée en présence de vapeur
d’eau, consiste à porter pendant un temps très court (de 0,5 à 2 s) à une
température élevée (700 à 850 °C), les alcanes dont la chaîne est formée de
5 à 9 atomes de carbone (les naphtas).
Ils subissent des réactions de fragmentation et de recombinaison qui les
transforment en un mélange de molécules à chaîne plus courte, saturées
(alcanes) et insaturées (alcènes, alcadiènes).
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
2) Réaction de combustion :
La réaction de combustion complète d’un hydrocarbure en présence de
dioxygène (O2) produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O).
Exemple :
Avec un alcane :
2 CnH2.n + 2 + (3.n + 1) O2 → 2.n CO2 + (2.n + 2) H2O
Remarque : Si le dioxygène est en défaut, la combustion est incomplète et
il se forme, en plus du CO2 et du H2O, du monoxyde de
carbone (CO), ainsi que des particules de carbone (C).
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
3) Réaction de substitution des alcanes :
Lors d'une réaction de substitution, un atome ou un groupe d'atomes
remplace un atome d'hydrogène dans la molécule initiale.
Exemple :
Lorsqu'on mélange du méthane
(CH4) et du dichlore (Cl2) qu'on
porte à la lumière, il se forme un
mélange de molécules de méthane
plus ou moins substituées, et de
l'acide chlorhydrique (HCl).
Par réaction de substitution dans un
mélange de méthane (CH4) ou d'éthane
(C2H6) et de dichlore (Cl2), de difluor (F2)
et de dibrome (Br2), obtient un fréon.
Le fréon peut être utilisé comme fluide caloporteur dans les réfrigérateurs.
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
4) Réaction d’addition des alcènes :
a) Définition :
Lors d'une réaction d'addition, des atomes ou des groupes d'atomes sont
ajoutés à la molécule initiale après ouverture de la double liaison.
Exemple 1 : H2C == CH2 + Cl2 → ClH2C – CH2Cl (1,2-dichloroéthane)
Exemple 2 : H3C – CH == C H2 + HCl
 CH3 – (CH2)2 – Cl 1-chloropropane
 CH3 – CHCl – CH3 2-chloropropane
Remarque : L'expérience montre que le 1-chloropropane n'est presque pas
obtenu.
La règle de Markovnikof nous indique que : le substituant (Cl) a tendance à
se fixer sur l'atome de carbone qui "porte" le moins d'atomes d'hydrogène.
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
4) Réaction d’addition des alcènes :
b) Applications :
- Formation d’un alcool.
Exemple : H2C == CH2 + H2O → CH3 – CH2 – OH
éthanol
- Synthèse du chlorure de vinyle (chloroéthène) à partir de l'acétylène :
HC ≡ CH + HCl → H2 C == CH2Cl chloroéthène ou chlorure de vinyle
- Polymérisation additive :
La polymérisation additive est une réaction dans laquelle les molécules
d'un composé se soudent les unes aux autres pour former un polymère.
Exemple 1 : le chloroéthène ou chlorure de vinyle donne le polychlorure
de vinyle (PVC) :
n
→ n fois
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
4) Réaction d’addition des alcènes :
b) Applications :
- Formation d’un alcool.
Exemple : H2C == CH2 + H2O → CH3 – CH2 – OH
éthanol
- Synthèse du chlorure de vinyle (chloroéthène) à partir de l'acétylène :
HC ≡ CH + HCl → H2 C == CH2Cl chloroéthène ou chlorure de vinyle
- Polymérisation additive :
La polymérisation additive est une réaction dans laquelle les molécules
d'un composé se soudent les unes aux autres pour former un polymère.
Exemple 2 : le cyanoéthène (N ≡ C – CH == CH2) donne les
polyacrylonitriles (orlon, crylor) :
n
→ n fois
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IV) Quelques réactions chimiques des hydrocarbures :
4) Réaction d’addition des alcènes :
b) Applications :
- Formation d’un alcool.
Exemple : H2C == CH2 + H2O → CH3 – CH2 – OH
éthanol
- Synthèse du chlorure de vinyle (chloroéthène) à partir de l'acétylène :
HC ≡ CH + HCl → H2 C == CH2Cl chloroéthène ou chlorure de vinyle
- Polymérisation additive :
La polymérisation additive est une réaction dans laquelle les molécules
d'un composé se soudent les unes aux autres pour former un polymère.
Exemple 3 : le styrène ou phényléthène (C6H5 – CH == CH2) se polymérise
et donne le polystyrène :
n
→ n fois