Fiche explicative de la leçon: Propriétés des alcanes Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à écrire et à interpréter les noms et les formules des alcanes, ainsi qu’à décrire les tendances dans les propriétés physiques.

Les alcanes sont des composés organiques saturés qui contiennent des atomes de carbone et d’hydrogène liés par covalence. Les alcanes font partie des composés organiques les moins réactifs et ils subissent des forces intermoléculaires parmi les plus faibles. Ils ne réagissent pas avec la plupart des substances car ils ne possèdent pas de liaisons pi () riches en électrons. Il n’y a que des liaisons sigma () entre les atomes, et la densité électronique est relativement uniforme dans une molécule d’alcane.

Dans un alcane, chaque atome de carbone est lié de manière covalente à quatre autres atomes. Nous pouvons le voir sur la figure suivante. Certains atomes de carbone sont liés à deux autres atomes de carbone et à deux autres atomes d’hydrogène. D’autres atomes de carbone sont liés à un seul atome de carbone et à trois atomes d’hydrogène. Tous les atomes de carbone et d’hydrogène sont cependant toujours liés par des liaisons covalentes simples. L’image suivante montre trois molécules d’alcanes représentatives. La ligne supérieure présente les molécules en utilisant un modèle moléculaire « boules- bâtonnets », la deuxième ligne présente les molécules en utilisant la formule moléculaire (également appelée formule chimique, ou formule brute) et le nom dérivé de la formule chimique, et la troisième ligne présente les molécules en utilisant leur formule développée.

Les liaisons covalentes sont constituées d’électrons chargés négativement, ce qui explique pourquoi il y a toujours une répulsion électrostatique entre les quatre liaisons covalentes autour d’un atome. Les liaisons covalentes se repoussent entres elles et finissent par prendre une position qui minimise l’intensité des forces de répulsion électrostatique. Les quatre atomes liés de manière covalente finissent par se positionner de manière comparable aux sommet d’un tétraèdre, et il y a un angle de entre chacune des quatre liaisons covalentes.

Le méthane () est l’alcane le plus simple. Il ne contient qu’un seul atome de carbone qui est lié de manière covalente à quatre atomes d’hydrogène. L’éthane () est une molécule légèrement plus complexe, et elle contient deux atomes de carbone et six atomes d’hydrogène. Le méthane et l’éthane sont les deux premiers membres de la série homologue des alcanes linéaires et le propane () est le troisième membre.

Les composés de la série homologue des alcanes linéaires ont pour formule générale , où est le nombre d’atomes de carbone et est le nombre d’atomes d’hydrogène. La formule peut être utilisée pour déterminer la formule moléculaire de tout alcane linéaire à chaine courte tel que l’éthane, ou de tout alcane linéaire à chaîne longue tel que le décane. La formule peut également être utilisée pour déterminer combien d’ atomes d’hydrogène il y a dans un alcane dont le nombre d’atomes de carbone est connu. Par exemple, nous pouvons déterminer que le propane a huit atomes d’hydrogène parce que le terme « prop- » suggère que le propane a trois atomes de carbone et quand .

La formule générale ne peut être utilisée que pour les alcanes linéaires, tels que le méthane et l’éthane. Cette formule ne fonctionne que lorsqu’il y a des groupes aux extrémités d’une molécule d’alcane, et ce n’est pas le cas des alcanes cycliques. Les alcanes cycliques ne contiennent généralement que des groupes et c’est pourquoi nous utilisons la formule pour déterminer la formule moléculaire des alcanes cycliques tels que le cyclopentane et le cyclohexane.

La composition des alcanes peut devenir assez complexe, et l’UICPA a développé un système d’appellation qui aide les chimistes spécialisés en chimie organique à identifier et à classer différents types de molécules d’alcanes. Selon l’UICPA, le radical (le terme « racine ») est déterminé à partir du nombre d’ atomes de carbone dans la plus longue chaîne continue d’atomes de carbone, et le préfixe UICPA est déterminé à partir du nombre et du type de chaîne latérale. Le suffixe sera toujours le terme « -ane », car le système UICPA utilise ce suffixe pour indiquer qu’une molécule est un hydrocarbure saturé.

Nous utiliserons le système de dénomination UICPA pour classifier chaque composé organique. La formule développée pour un composé inconnu est indiquée ci-dessous.

La chaîne de carbone la plus longue contient sept atomes de carbone. Ceci suggère que le radical ou racine est le terme « hept- ». Il n’y a pas de chaînes latérales. Ceci suggère que nous ne devrions pas ajouter de préfixe. La molécule est un hydrocarbure saturé. Cela implique que le suffixe est « -ane ». Nous pouvons mettre ces termes ensemble pour déterminer que cette molécule devrait s’appeler « heptane ».

Il est beaucoup plus difficile de déterminer le nom d’un hydrocarbure hautement ramifié car il faut décrire la plus longue chaîne hydrocarbonée et tous ses substituants. Nous pouvons considérer quelques exemples de systèmes représentatifs pour comprendre le système de dénomination de l’UICPA pour une structure hydrocarbonée substituée. La figure suivante illustre la formule développée d’un hydrocarbure inconnu. L’hydrocarbure inconnu a la formule structurale suivante : .

La chaîne de carbone la plus longue contient quatre atomes de carbone et ceci implique que le radical ou racine est le terme « but- ». Il y a deux groupes méthyle en chaînes latérales, de sorte que le préfixe doit comprendre le terme « diméthyl- ». Les groupes méthyle doivent être placés sur le deuxième atome de carbone si on compte les atomes de carbone de gauche à droite, et sur le troisième atome de carbone si on compte les atomes de carbone de droite à gauche. Nous compterons de la gauche vers la droite, car cela nous donne des nombres plus petits, et nous chercherons toujours à avoir l’ensemble de plus petits nombres possible. Si nous suivons cette logique jusqu’au bout, nous devrions être en mesure de voir que cette molécule se nomme le « 2,2-diméthylbutane ».

Il existe également des conventions pour classer les dérivés d’alcane avec un groupe halogène ou nitro. Le préfixe « bromo- » désigne un substituant , et le préfixe « chloro- » désigne un substituant . Le préfixe « nitro- » décrit un substituant dont la formule chimique est . Nous pouvons voir que la structure suivante, à gauche, porte le nom de 2-bromopropane, et que celle de droite porte le nom de 2,2-dichlorobutane. Les préfixes « 2-bromo- » et « 2,2-dichloro- » décrivent les groupes halogènes sur les atomes de carbone en position deux. Le préfixe « 2-bromo- » correspond à un seul groupe , et le préfixe « 2,2-dichloro- » correspond à deux groupes .

Considérons un alcane multisubstitué qui possède à la fois des substituants du groupe alkyle et du groupe chloro. Cet exemple permettra d’expliquer les conventions de classification des dérivés d’alcanes comportant différents types de chaînes latérales. La figure suivante décrit la structure d’un hydrocarbure disubstitué avec une chaîne latérale et une chaîne latérale . Le nom de la molécule se termine par le terme « -pentane » car la chaîne la plus longue comporte cinq atomes de carbone. Le préfixe comprend les termes « 2-bromo- » et « 3-méthyl- » car il existe des chaînes latérales du groupe et sur les atomes de carbone en position deux et trois. Le préfixe « 2-bromo- » précède le terme « 3-méthyl- » dans le nom de la molécule car la lettre b précède la lettre m dans l’alphabet. Le système de dénomination de l’UICPA classe par ordre alphabétique les termes préfixes en fonction de leur première lettre. Nous pouvons utiliser les informations de ce paragraphe pour déterminer que la molécule porte le nom de 2-bromo-3-méthylpentane.

Le système de dénomination de l’UICPA n’est certainement pas simple et pas toujours facile à comprendre et à appliquer. Considérons des structures de molécules et des noms de molécules plus représentatifs pour nous familiariser avec la nomenclature de l’UICPA. La figure suivante décrit le nom UICPA de six alcanes plus substitués.

La figure montre comment le nom d’un dérivé d’alcane dépend des règles de nomenclature de l’UICPA.

La figure clarifie les règles de dénomination des structures des dérivés d’un alcane cyclique. Les noms des dérivés d’un alcane cyclique dépendent du même ensemble de règles de dénomination que celles des structures des dérivés d’un alcane à linéaire. Cependant, ils comprennent également le préfixe « cyclo- » avant les composants terminaux du nom comme « -pentane » ou « -hexane ».

Il existe un nombre presque illimité d’alcanes différents, mais remarquons qu’il existe des tendances générales entre la taille d’un alcane et ses propriétés physiques. On a démontré que les alcanes plus longs ont généralement des points d’ébullition et de fusion plus élevés. Cette tendance peut s’expliquer si nous prenons en compte les différentes forces de dispersion chaîne-chaîne entre les alcanes à chaîne courte et les alcanes à chaîne plus longue.

Les forces de dispersion dépendent à la fois de la taille et de la forme des molécules d’alcanes en interaction. Les forces de dispersion sont plus fortes lorsqu’il y a plus de superficie de contact entre les molécules voisines. Il y a généralement plus de superficie de contact entre des molécules adjacentes qui sont plus longues et ont plus d’atomes de carbone, mais cette tendance se complexifie avec l’apparition de ramifications dans la chaîne principale de l’alcane. La distance entre les alcanes très ramifiés a tendance à être plus grande car ces molécules ne peuvent pas s’empiler efficacement les unes sur les autres.

Il existe une relation comparable entre la viscosité et la masse volumique d’un alcane linéaire et sa longueur. Les alcanes linéaires plus longs ont des valeurs de viscosité et de masse volumique plus élevées et les alcanes linéaires plus courts ont des valeurs de viscosité et de masse volumique plus faibles.

La longueur d’un alcane détermine de manière similaire son indice d’inflammabilité. L’inflammabilité est définie comme la facilité avec laquelle une substance combustible peut être enflammée. Les molécules d’alcane plus longues ont tendance à avoir des valeurs d’inflammabilité inférieures, et les molécules d’alcane plus courtes ont tendance à avoir des valeurs d’inflammabilité plus élevées.

La volatilité d’un alcane linéaire peut également être déterminée à partir de sa longueur. Les alcanes linéaires plus longs ont une plus grande superficie de contact et ils subissent des interactions intermoléculaires plus fortes. Les fortes forces de dispersion rendent les alcanes moins susceptibles de se dissocier spontanément à partir d’un liquide.

Les hydrocarbures sont presque toujours obtenus à partir de gisements de pétrole découverts sous terre.

Les chimistes extraient le pétrole brut des grands réservoirs souterrains, puis ils utilisent des colonnes de fractionnement pour séparer le mélange de pétrole brut. Le procédé permet aux chimistes non seulement d’isoler les hydrocarbures d’autres composés organiques, mais également de séparer un type d’alcane d’un autre.

Les alcanes sont ensuite utilisés comme source d’énergie pour les avions, les camions, les voitures et les navires. L’énergie est obtenue en chauffant les alcanes avec une flamme et en leur permettant de réagir avec une alimentation abondante en dioxygène. Cette réaction chimique est appelée combustion complète, et elle est toujours exothermique. La formule algébrique suivante décrit le processus de combustion complète pour différents types d’alcanes : 

Il est important de savoir que les alcanes ne peuvent brûler complètement que lorsqu’ils ont suffisamment de dioxygène gazeux avec lequel ils peuvent réagir. Les alcanes ne pourront brûler que partiellement (combustion incomplète) s’ils ne peuvent pas interagir avec suffisamment de molécules de dioxygène. Une combustion complète et une combustion incomplète peuvent être facilement distinguées l’une de l’autre car une combustion incomplète produit du monoxyde de carbone alors qu’une combustion complète n’en produit pas.