HYDROCARBURES SATURES : LES ALCANES

Le cours

1. Introduction aux hydrocarbures saturés

Les alcanes sont des hydrocarbures saturés, c'est-à-dire des composés constitués uniquement de carbone et d'hydrogène, dans lesquels tous les atomes de carbone sont liés par des liaisons simples. Ce sont les hydrocarbures les plus simples et les plus stables.

Importance économique en Côte d'Ivoire : - Production de pétrole offshore (champs de Baobab, Espoir, Foxtrot) - Raffinage à la SIR (Abidjan, capacité : 3,8 millions de tonnes/an) - Distribution de carburants (essence, diesel, kérosène) - Gaz butane pour la cuisson

2. Structure et formule générale

2.1 Définition

Un alcane est un hydrocarbure saturé de formule générale CₙH₂ₙ₊₂ pour les alcanes non cycliques (acycliques).

2.2 Caractéristiques structurales

• Toutes les liaisons carbone-carbone sont simples (σ)
• Chaque atome de carbone est tétraédrique (angles ≈ 109,5°)
• Rotation libre autour des liaisons C-C
• Pas de plans de symétrie (sauf méthane)

2.3 Série homologue

Les alcanes forment une série homologue : chaque terme diffère du précédent par un groupement CH₂.

À partir de C₁₇H₃₆ : solides à température ambiante

2.4 Alcanes cycliques (cycloalcanes)

Formule générale : CₙH₂ₙ (pour n ≥ 3)

Exemples : - Cyclopropane : C₃H₆ (triangle) - Cyclobutane : C₄H₈ (carré) - Cyclopentane : C₅H₁₀ (pentagone) - Cyclohexane : C₆H₁₂ (hexagone)

3. Isomérie de chaîne

3.1 Définition

Des isomères sont des composés qui ont la même formule brute mais des formules développées différentes.

L'isomérie de chaîne concerne la structure de la chaîne carbonée : linéaire ou ramifiée.

3.2 Exemple : butane C₄H₁₀

Butane (n-butane) : chaîne linéaire CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

Méthylpropane (isobutane) : chaîne ramifiée CH₃-CH(CH₃)-CH₃ ou (CH₃)₃CH

3.3 Exemple : pentane C₅H₁₂

3 isomères : 1. n-pentane : CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ 2. Méthylbutane (isopentane) : CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ 3. Diméthylpropane (néopentane) : C(CH₃)₄

3.4 Nombre d'isomères

Le nombre d'isomères croît rapidement avec n : - C₄H₁₀ : 2 isomères - C₅H₁₂ : 3 isomères - C₆H₁₄ : 5 isomères - C₇H₁₆ : 9 isomères - C₈H₁₈ : 18 isomères - C₁₀H₂₂ : 75 isomères - C₂₀H₄₂ : 366 319 isomères !

Description du schéma 1 : Isomères du butane et du pentane Représenter en 3D avec modèles tétraédriques : 1. Butane : n-butane (linéaire) et isobutane (ramifié) 2. Pentane : n-pentane, isopentane, néopentane Montrer les différentes longueurs de chaîne et degrés de ramification. Annoter : "Même formule CₙH₂ₙ₊₂", "Propriétés physiques différentes", "n-pentane : Téb=36°C, néopentane : Téb=9,5°C".

4. Nomenclature des alcanes

4.1 Règles IUPAC

1. Chaine principale : la plus longue chaîne carbonée
2. Numérotation : attribuer les numéros les plus bas possibles aux substituants
3. Substituants : nommer les groupes alkyle (méthyl-, éthyl-, propyl-, etc.)
4. Assemblage : numéro-substituant chaîne principale

4.2 Groupes alkyle

Un groupe alkyle est un alcane ayant perdu un atome d'hydrogène : R- (formule CₙH₂ₙ₊₁)

• CH₃- : méthyl
• CH₃CH₂- : éthyl
• CH₃CH₂CH₂- : propyl (n-propyl)
• (CH₃)₂CH- : isopropyl
• CH₃CH₂CH₂CH₂- : butyl (n-butyl)
• (CH₃)₃C- : tert-butyl

4.3 Exemples de nomenclature

CH₃-CH₂-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ : 1. Chaîne principale : pentane (5 C) 2. Substituant en position 2 : méthyl 3. Nom : 2-méthylpentane

(CH₃)₂CH-CH₂-CH(CH₃)-CH₃ : 1. Chaîne principale la plus longue : pas la ligne droite (4C) mais chaîne en zigzag (5C) 2. C'est du 2,4-diméthylpentane

4.4 Alcanes cycliques

Préfixe "cyclo-" devant le nom de l'alcane linéaire correspondant.

• C₃H₆ : cyclopropane
• C₆H₁₂ : cyclohexane

Pour les substituants : méthylcyclopentane, 1,2-diméthylcyclohexane, etc.

5. Propriétés chimiques des alcanes

5.1 Stabilité

Les alcanes sont peu réactifs à température ambiante (d'où leur nom ancien "paraffines" : peu d'affinité).

5.2 Combustion

Combustion complète (excès d'O₂) : $$\\text{C}_n\\text{H}_{2n+2} + \\left(\\frac{3n+1}{2}\\right)\\text{O}_2 \\rightarrow n\\text{CO}_2 + (n+1)\\text{H}_2\\text{O}$$

Exemple : butane $$\\text{C}_4\\text{H}_{10} + \\frac{13}{2}\\text{O}_2 \\rightarrow 4\\text{CO}_2 + 5\\text{H}_2\\text{O}$$

Combustion incomplète (déficit d'O₂) : Produit du CO et/ou du C (suie)

5.3 Substitution radicalaire

Les alcanes réagissent avec les halogènes (Cl₂, Br₂) sous l'effet de la lumière UV (réaction photochimique).

Mécanisme en trois étapes : 1. Initiation : Cl₂ → 2Cl• (radicaux libres) 2. Propagation : - CH₄ + Cl• → CH₃• + HCl - CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl• 3. Terminaison : combinaison de radicaux

Produits : mélange de mono et polyhalogénés CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + CH₂Cl₂ + CHCl₃ + CCl₄ + HCl

5.4 Craquage

Décomposition thermique en fragments plus petits (à haute température, en absence d'air). $$\\text{C}_{10}\\text{H}_{22} \\xrightarrow{\\Delta} \\text{C}_5\\text{H}_{12} + \\text{C}_5\\text{H}_{10}$$

6. Propriétés physiques

6.1 Évolution avec la masse molaire

• État physique : gaz (C₁-C₄) → liquides (C₅-C₁₇) → solides (≥C₁₈)
• Température d'ébullition : augmente avec la masse molaire
• Densité : augmente avec la masse molaire (tous < 1, flottent sur l'eau)
• Solubilité : insolubles dans l'eau, solubles dans les solvants organiques

6.2 Explication

Les forces intermoléculaires sont des forces de Van der Waals (faibles). Elles augmentent avec la surface de contact, donc avec la longueur de la chaîne.

7. Applications et intérêts

7.1 Combustibles et carburants

Gaz : - Méthane : gaz naturel (cuisson, chauffage) - Propane, butane : GPL (bouteilles)

Liquides : - Essence : C₅-C₁₀ - Kérosène : C₁₀-C₁₆ - Gazole : C₁₄-C₂₀

Solides : - Paraffine : bougies, cosmétiques - Vaseline : pharmacie

7.2 Solvants

• Hexane : extraction d'huiles
• Heptane : étalonnage en chromatographie

7.3 Matières premières

Pour la synthèse de nombreux produits : plastiques, détergents, médicaments.

7.4 Dérivés halogénés

• CH₃Cl : réfrigérant
• CH₂Cl₂ : solvant de dégraissage
• CHCl₃ : ancien anesthésique
• CCl₄ : ancien solvant, extincteur

Description du schéma 2 : Distillation fractionnée du pétrole Représenter une tour de distillation : 1. Entrée pétrole brut chauffé à 350-400°C 2. Plateaux à différentes températures : - 20-70°C : gaz (C₁-C₄) - 70-180°C : essence (C₅-C₁₀) - 180-250°C : kérosène (C₁₀-C₁₆) - 250-350°C : gazole (C₁₄-C₂₀) - >350°C : résidus 3. Annoter : "Séparation par différences de Téb", "Essence : indice d'octane important", "Gazole : indice de cétane".

8. Dangers et précautions

8.1 Inflammabilité

Tous les alcanes sont combustibles. Avec l'air, ils forment des mélanges explosifs dans certaines proportions.

Limites d'explosivité : - Méthane : 5-15% dans l'air - Propane : 2,1-9,5% - Butane : 1,8-8,4%

8.2 Toxicité

• Asphyxiants simples à haute concentration
• Certains (hexane) sont neurotoxiques
• Les dérivés halogénés sont souvent toxiques (CHCl₃ hépatotoxique)

8.3 Impact environnemental

• Combustion : CO₂ (gaz à effet de serre), CO, NOx, particules
• Marées noires : pollution marine
• Évaporation : contribution au smog photochimique

9. Méthodologie de résolution

Pour nommer un alcane : 1. Trouver la chaîne la plus longue 2. Numéroter pour donner les indices les plus bas 3. Identifier les substituants 4. Écrire le nom

Pour écrire une équation de combustion : 1. Écrire CₙH₂ₙ₊₂ + O₂ → CO₂ + H₂O 2. Équilibrer C, puis H, puis O

Pour la substitution : 1. Écrire l'alcane + X₂ (X = Cl, Br) 2. Indiquer "hv" ou "Δ" 3. Produits principaux : halogénure + HX

10. Cas d'étude : Essence ivoirienne et indice d'octane

Problème : À la SIR, on produit de l'essence avec un indice d'octane de 95. L'essence est un mélange d'hydrocarbures dont l'heptane et l'isooctane (2,2,4-triméthylpentane) sont des références.

Données : - n-heptane : indice d'octane = 0 - isooctane : indice d'octane = 100 - Indice d'octane = % isooctane dans un mélange qui a le même comportement à la détonation

Analyse d'un échantillon d'essence : C = 85,7%, H = 14,3%

Questions : 1. Déterminer la formule empirique de cette essence 2. Sachant que la masse molaire moyenne est de 110 g/mol, trouver la formule brute moyenne 3. L'essence contient principalement des alcanes en C₈. Quels sont les isomères du C₈H₁₈ ? 4. Pourquoi préfère-t-on les alcanes ramifiés dans l'essence ? 5. Calculer le pouvoir calorifique de cette essence (chaleur de combustion de l'octane : -5470 kJ/mol) 6. Un réservoir de 50 L d'essence (densité 0,75) peut alimenter une voiture pendant combien de km si la consommation est de 6 L/100 km ?

Résolution :

1. Formule empirique : Pour 100 g : m_C = 85,7 g, m_H = 14,3 g n_C = 85,7/12 = 7,14 mol n_H = 14,3/1 = 14,3 mol Rapport H/C = 14,3/7,14 = 2,00 Formule empirique : CH₂

2. Formule brute moyenne : M(CH₂) = 14 g/mol n = 110/14 = 7,86 ≈ 8 Formule brute moyenne : C₈H₁₆

Mais les alcanes saturés en C₈ ont pour formule C₈H₁₈. La différence s'explique par la présence d'insaturés (alcènes) ou de composés aromatiques dans l'essence.

3. Isomères de C₈H₁₈ : Il y a 18 isomères. Les principaux : - n-octane - 2-méthylheptane - 3-méthylheptane - 4-méthylheptane - 2,2-diméthylhexane - 2,3-diméthylhexane - 2,4-diméthylhexane - 2,5-diméthylhexane - 3,3-diméthylhexane - 3,4-diméthylhexane - 3-éthylhexane - 2,2,3-triméthylpentane - 2,2,4-triméthylpentane (isooctane) - 2,3,3-triméthylpentane - 2,3,4-triméthylpentane - 2-méthyl-3-éthylpentane - 3-méthyl-3-éthylpentane - 2,2,3,3-tétraméthylbutane

4. Préférence pour les alcanes ramifiés : Les alcanes ramifiés ont un indice d'octane plus élevé (meilleure résistance à la détonation). - n-octane : indice 0 - isooctane (2,2,4-triméthylpentane) : indice 100

5. Pouvoir calorifique : Pour C₈H₁₈ : ΔH_comb = -5470 kJ/mol Masse molaire octane : 114 g/mol Pouvoir calorifique massique : 5470/114 = 48,0 kJ/g Pour 1 L (750 g) : 48,0 × 750 = 36 000 kJ/L

6. Autonomie : 50 L × (100 km / 6 L) = 833 km

Conclusion : L'essence ivoirienne est un mélange complexe où les alcanes ramifiés sont privilégiés pour leur haute résistance à la détonation, permettant un meilleur rendement moteur.