Fiche explicative de la leçon: Propriétés des alcools Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier et nommer les alcools, et à décrire leurs propriétés physiques.

Les alcools sont des composés organiques qui contiennent au moins un groupe fonctionnel hydroxy . L’alcool le plus simple est le méthanol, il ne contient qu’un seul atome de carbone lié à trois atomes d’hydrogène et un seul groupe hydroxy. L’éthanol est la deuxième molécule d’alcool la plus simple. Il contient un groupe éthyle lié à un seul groupe hydroxy. Les molécules de méthanol et d’éthanol sont illustrées sur la figure suivante.

Le méthanol et l’éthanol sont des molécules relativement petites et de faible masse moléculaire. Le méthanol a une formule chimique plutôt simple et une masse moléculaire de 32,04 g/mol. L’éthanol a une formule chimique légèrement plus complexe, , mais sa masse moléculaire est de seulement 46,07 g/mol.

Les molécules d’alcool ont des propriétés chimiques et physiques inhabituelles qui diffèrent des propriétés des alcanes de taille similaire. Les alcools sont plus solubles dans l’eau et ils tendent à avoir des points d’ébullition beaucoup plus élevés et des valeurs de volatilité plus basses. Les propriétés inhabituelles des molécules d’alcool peuvent être comprises si vous vous souvenez que les atomes d’oxygène retirent une quantité importante de densité à partir des liaisons covalentes .

Les atomes d’oxygène sont des éléments hautement électronégatifs, et ils retirent une grande quantité de densité électronique des liaisons covalentes . La densité électronique devient concentrée autour des atomes d’oxygène électronégatifs et amenuisée autour des atomes d’hydrogène liés par covalence. Le groupe hydroxy devient hautement polaire et peut induire la formation de liaisons hydrogène lorsqu’il interagit avec d’autres molécules polaires. La figure suivante montre comment une liaison hydrogène peut se former entre une molécule d’éthanol polaire et une molécule d’eau polaire. La liaison hydrogène est représentée par une ligne rouge en pointillé.

Les petites molécules d’alcool sont solubles dans l’eau du fait des interactions intermoléculaires attractives entre des molécules voisines d’alcool et d’eau. Les petites molécules d’alcool se dissolvent facilement dans l’eau liquide, car elles peuvent former des liaisons hydrogène fortes avec des molécules d’eau qui les entourent. Il est énergétiquement avantageux que les petites molécules d’alcool se dissolvent dans l’eau liquide du fait des interactions électrostatiques attractives entre les molécules polaires d’alcool et d’eau.

Les molécules d’alcool plus longues tendent à être moins solubles dans l’eau car elles contiennent une portion de chaîne hydrocarbonée non polaire plus longue. Les petits groupes hydroxy peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau qui les entourent, mais la plus grande portion de la chaîne hydrocarbonée non polaire ne peut former des liaisons hydrogène avec aucun type de molécules d’eau qui les entourent. Il est énergétiquement favorable pour les petits groupes hydroxy de se dissoudre dans l’eau, mais il est plus favorable pour les grandes chaînes carbonées de ne pas se dissoudre dans l’eau.

Le tableau suivant montre comment la solubilité d’une molécule d’alcool dans l’eau peut être déterminée par la longueur de sa portion de chaîne hydrocarbonée. Il est important de comprendre ici que les molécules d’alcool sont toujours plus solubles dans l’eau que les molécules des alcanes non polaires de taille similaire. Les molécules des alcanes non polaires ne peuvent former aucune liaison hydrogène avec les molécules d’eau car elles ne contiennent aucun groupe formant une liaison hydrogène, tel qu’un groupe .

La force de la liaison hydrogène peut également être utilisée pour expliquer pourquoi les substances alcooliques ont des points d’ébullition relativement élevés et pourquoi elles ne sont pas très volatiles. Les molécules d’alcool adjacentes sont liées entre elles par des liaisons hydrogène fortes, il faut donc beaucoup d’énergie thermique pour les séparer. L’image suivante montre comment une liaison hydrogène forte peut se former entre deux molécules d’éthanol adjacentes.

Le tableau suivant montre que les alcools ont tendance à avoir des points d’ébullition plus élevés lorsqu’ils sont constitués de molécules qui ont un plus grand nombre de groupes hydroxy. Le tableau indique que l’éthylène glycol a un point d’ébullition plus élevé que l’éthanol , car les molécules d’éthylène glycol ont deux groupes hydroxy et les molécules d’éthanol ont un seul groupe hydroxy. Le tableau indique également que le glycérol a un point d’ébullition très élevé principalement parce qu’il est composé de molécules qui ont trois groupes hydroxy.

De nombreux alcools peuvent être classés dans la catégorie des acides faibles, car ils contiennent des groupes hydroxy polaires qui peuvent se rompre dans l’eau et produire des ions d’hydrogène . Les alcools ne sont que faiblement acides, ayant ainsi un effet neutre sur le papier de tournesol, mais ils sont suffisamment acides pour réagir avec des métaux très réactifs tels que le sodium ou le potassium. L’équation suivante montre comment le potassium métallique peut être mis en réaction avec un alcool pour produire un alcoolate de potassium : 

Le terme est utilisé ici pour représenter un groupe alkyle. L’équation suivante montre comment une substance représentative, l’éthanol, peut être mise en réaction avec du sodium métallique pour conduire aux produits éthanolate de sodium et hydrogène gazeux : 

De nombreux alcools peuvent être classés comme des alcools primaires (), secondaires (), ou encore tertiaires (). Les alcools sont classés parmi les alcools primaires si le groupe hydroxy est lié à un atome de carbone qui est à son tour lié à deux autres atomes d’hydrogène et à un groupe alkyle. Les alcools primaires peuvent être décrits par la formule générale , où est un groupe alkyle. Le méthanol ne peut pas être décrit avec la formule générale , mais il est toujours classé comme un alcool primaire par presque tous les manuels de chimie et encyclopédies.

Les alcools sont classés parmi les alcools secondaires lorsque le groupe hydroxy est lié à un atome de carbone qui est à son tour lié à un atome d’hydrogène et à deux groupes alkyles. On peut décrire les alcools secondaires par la formule générale , où est un groupe alkyle.

Les alcools sont classés parmi les alcools tertiaires lorsque le groupe hydroxy est lié à un atome de carbone qui est à son tour lié à aucun atomes d’hydrogène et trois groupes alkyles. Les alcools tertiaires peuvent être décrits par la formule générale , où est un groupe alkyle.

Les molécules d’alcool peuvent également être classées dans différentes catégories en fonction du nombre de groupes hydroxy qu’elles contiennent. Les molécules d’alcool peuvent être classées comme molécules monohydriques si elles contiennent un seul groupe hydroxy, et comme molécules dihydriques si elles contiennent deux groupes hydroxy. Le méthanol et l’éthanol peuvent tous les deux être classés comme molécules monohydriques et l’éthylène glycol peut être classé comme molécule dihydrique.

L’éthylène glycol est utilisé pour obtenir des liquides de freins hydrauliques et pour produire des préparations antigel. Les molécules d’éthylène glycol peuvent également être utilisées pour fabriquer de l’encre d’impression et pour préparer le polymère de polyéthylène glycol (PEG) utilisé pour fabriquer des films photographiques et des bandes de cassette.

Les molécules d’alcool peuvent être classées parmi les molécules trihydriques si elles contiennent trois groupes hydroxy, le terme polyhydrique est employé pour décrire toute molécule d’alcool qui contient plusieurs groupes hydroxy. Certains livres de chimie indiquent que les alcools polyhydriques ont au moins quatre groupes hydroxy et d’autres indiquent que les alcools polyhydriques ont au moins deux ou trois groupes hydroxy. Il y a beaucoup de définitions différentes pour le terme polyhydrique et les élèves doivent être bien conscients de ce fait.

Le glycérol peut être classé comme molécule trihydrique car il contient trois groupes hydroxy. L’édulcorant sorbitol et les sucres de glucose et de fructose peuvent tous être classés comme des molécules polyhydriques car elles contiennent au moins cinq groupes hydroxy.

Les sucres de glucose et de fructose sont régulièrement ajoutés aux produits alimentaires pour les rendre plus sucrés et plus faciles à manger. Des molécules de sorbitol peuvent également être ajoutées aux aliments pour les rendre plus sucrées et plus savoureux. Le glycérol est utilisé pour fabriquer des crèmes et des cosmétiques. Le glycérol peut également être utilisé pour fabriquer différents types de textiles et pour préparer des substances explosives telles que la nitroglycérine. L’équation suivante montre comment les molécules de glycérol peuvent être mises en réaction avec l’acide nitrique pour obtenir de la nitroglycérine : 

L’UICPA a développé un système de nomenclature systématique pour classer tous les différents types de molécules d’alcool. Le nom UICPA d’un alcool a toujours une racine, pouvant également inclure des locants (indice de position), des préfixes et des suffixes. La figure suivante montre comment le nom UICPA d’un alcool peut être composé de la racine butane et d’autres locants, préfixes et suffixes. Le préfixe 2-méthyl est en bleu sur la figure suivante et le groupe principal butane est en noir. Les locants -2,3 sont en vert et le suffixe -diol est en rouge.

La racine est toujours déterminée à partir de la taille et de la liaison moléculaire de la plus longue chaîne carbonée. La racine est le nom complet ou abrégé d’une molécule alcane tel que butane ou butan. Le suffixe est déterminé à partir du nombre de groupes hydroxy qui sont liés par covalence à la plus longue chaîne carbonée. Le suffixe est -ol si la molécule a un groupe hydroxy et -diol ou -triol si la molécule a deux ou trois groupes hydroxy. Le préfixe est déterminé à partir du type et du nombre de substituants qui ont remplacé les atomes d’hydrogène sur la plus longue chaîne carbonée. Le préfixe s’agit habituellement d’une simple combinaison de nombres et de noms de groupes alkyles tels que 2-méthyl ou 2-éthyl-4-méthyl. Les locants sont déterminés à partir de la position des groupes hydroxy sur la plus longue chaîne carbonée. Le locant peut être un nombre unique ou une combinaison de nombres différents. Nous allons déterminer le nom UICPA du composé organique suivant.

L’unique et la plus longue chaîne carbonée contient cinq atomes de carbone, ainsi nous pouvons utiliser cette information pour déterminer que la racine pentane. Comme il y a un groupe hydroxy, le suffixe doit être -ol. Le locant peut être déterminé en numérotant les atomes de carbone du côté droit et du côté gauche de la molécule. Les nombres en rouge indiquent comment les atomes de carbone peuvent être numérotés en partant de la gauche de la molécule. Les nombres en bleu indiquent comment les atomes de carbone peuvent être numérotés en partant de la droite de la molécule. Les suites de nombres en rouge et en bleu montrent que le substituant hydroxy est soit sur le deuxième (2), soit sur le quatrième (4) atome de carbone de la chaîne principale, le locant est donc -2- ou -4-. Nous devons choisir une seule de ces deux options de locant. Les nombres de couleur rouge sont le choix préféré ici parce que nous voulons toujours que les locants aient des valeurs aussi basses que possible. Nous n’avons pas besoin de déterminer un préfixe pour le nom de cette molécule car elle n’a aucun substituant alkyle.

On peut combiner la racine pentane avec le locant -2- et le suffixe - ol pour déterminer que la molécule porte le nom UICPA pentan-2-ol. Vous devez noter ici que la racine pentane a été abrégée en pentan car le suffixe -ol commence par une voyelle. La lettre finale « e » de toute racine alcane doit être toujours supprimée si le suffixe commence par une voyelle.

Nous allons maintenant essayer de déterminer le nom UICPA d’une molécule dihydrique qui a un seul groupe méthyle attaché à l’un des atomes de carbone de la chaîne principale.

La chaîne carbonée la plus longue contient quatre atomes de carbone, ce qui implique que la racine est butane. Comme il y a deux groupes hydroxy et un substituant méthyle, le suffixe doit être - diol et le préfixe doit inclure le terme méthyl.

Les locants et les préfixes numériques sont difficiles à déterminer pour cette molécule, car nous devons réfléchir à la position des groupes hydroxy et méthyle. Les locants et les préfixes numériques peuvent être déterminés en considérant d’abord la position des groupes hydroxy, puis en considérant la position du moins important substituant méthyle. Les groupes hydroxy ont toujours la priorité sur d’autres substituants alkyles moins importants.

Les nombres en rouge indiquent comment les atomes de carbone peuvent être comptés en partant de la gauche de la molécule. Les nombres en bleu indiquent comment les atomes de carbone peuvent être comptés en partant de la droite de la molécule. Les nombres en rouge indiquent le groupe hydroxy le plus à gauche sur le deuxième atome de carbone de la chaîne principale (2) et le groupe hydroxy le plus à droite sur le troisième atome de carbone de la chaîne principale (3). Les nombres en bleu indiquent le groupe hydroxy le plus à gauche sur le troisième atome de carbone de la chaîne principale (3) et le groupe hydroxy le plus à droite sur le deuxième atome de carbone de la chaîne principale (2). Les nombres en rouge et en bleu indiquent tous les deux que locant doit être -2,3- et que la molécule doit donc inclure la portion butane-2,3-diol.

Nous pouvons cependant déterminer que nous devons utiliser ici les nombres en rouge car ils placent le substituant méthyle sur le deuxième atome de carbone de la chaîne principale (2), tandis que les nombres en bleu le placent sur le troisième atome de carbone de la chaîne principale (3). Le préfixe est 2-méthyl si on utilise les nombres en rouge, et 3-méthyl si on utilise les nombres en bleu. Les nombres en rouge sont ici le choix préféré dans le préfixe car ils ont des valeurs inférieures. On peut combiner le préfixe 2-méthyl avec la portion butane-2,3-diol en obtenant pour le nom UICPA 2-méthylbutane-2,3-diol pour la molécule. Vous devez noter ici que nous n’avons pas abrégé la racine butane en la changeant en butan car le suffixe -diol ne commence pas par une voyelle.

L’image suivante montre le nom UICPA pour d’autres types de molécules d’alcool.

Vous devriez être en mesure de vous rendre compte à partir de ces exemples représentatifs que les substituants alkyles doivent être listés par ordre alphabétique et que les molécules d’alcool cycliques peuvent être nommées selon les mêmes conventions que les molécules à chaîne droite.

Le nom UICPA ne correspond généralement pas au nom usuel d’un alcool. De nombreuses molécules d’alcool portent le nom commun alcool allylique, mais le nom UICPA est alcanol. Le méthanol est régulièrement appelé alcool méthylique et l’éthanol est souvent appelé alcool éthylique. Il est également tout à fait normal d’utiliser le nom d’alcool propylique pour la molécule de propan-1-ol et le nom d’alcool isopropylique pour la molécule de propan-2-ol. Beaucoup de gens utilisent également le nom d’alcool isobutylique pour ce qu’on appelle officiellement le 2-méthylpropan-1-ol, tout comme beaucoup de gens utilisent le nom d’alcool butylique tertiaire, ou tert- butanol, pour ce qu’on devrait appeler le 2-méthylpropan-2 -ol. Ces informations sont résumées dans le tableau suivant.

La levure peut être utilisée pour produire de l’éthanol et du dioxyde de carbone à partir de petites molécules de sucre telles que le glucose et le saccharose ou à partir de macromolécules d’amidon constituées de monomères de sucre plus petits. Les équations suivantes montrent comment la compagnie de sucre Hawamdiya produit de l’éthanol à partir d’un réactif à base de mélasse (saccharose) par un procédé de fermentation : 

L’éthanol peut également être produit par l’hydratation catalytique de molécules d’éthène. Les chimistes industriels passent régulièrement des molécules d’éthène et d’eau sur des catalyseurs comme l’acide sulfurique ou l’acide phosphorique (V) afin d’obtenir l’éthanol. Les équations suivantes montrent comment ces réactions chimiques peuvent avoir lieu : 

Les réactions sont habituellement des réactions réversibles, mais elles peuvent être répétées encore et encore jusqu’à ce que la grande majorité des molécules du réactif éthène réactives aient été transformées en éthanol.

De même, l’eau peut être combinée avec des molécules d’alcène à longue chaîne pour former des molécules d’alcool relativement grandes. La règle de Markovnikov peut être utilisée pour comprendre comment les molécules d’eau et autres molécules d’halogénures d’hydrogène s’ajoutent en s’attachant à la double liaison carbone-carbone des molécules d’alcène à chaîne plus longue. L’énoncé de la règle de Markovnikov dit que l’atome d’hydrogène des molécules ou s’ajoute à l’atome de carbone de la molécule d’alcène qui possède le plus grand nombre d’atomes d’hydrogène liés par covalence. Cela signifie que, dans la réaction avec l’eau, les molécules de 2-méthylbut-2-ène vont produire des molécules de 2-méthylbutan-2-ol. La réaction entre le 2-méthylbut-2-ène et les molécules d’eau est illustrée par le schéma suivant : 

Des substances alcooliques peuvent également être obtenues par des réactions de substitution lors de la réaction de molécules d’halogénoalcane (halogénure d’alkyle) avec une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium ou de potassium. Les ions hydroxyde interagissent avec les molécules d’halogénoalcanes et de nouveaux produits alcooliques sont obtenus lorsque la liaison carbone-halogène se rompt par des processus de dissociation. L’équation suivante montre comment un alcool peut être obtenu en faisant réagir un halogénoalcane avec une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium :  Remarquez que est le radical alkyle et est le radical halogénure.

Le bromoéthane (bromure d’éthyle) et le 2-bromopropane peuvent être chauffés à reflux avec une solution d’hydroxyde de sodium ou de potassium afin d’obtenir des alcools. L’équation suivante montre comment les molécules de bromoéthane peuvent être mises en réaction avec une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium afin d’obtenir de l’éthanol, l’éthanol pouvant être classé comme alcool primaire car il peut être décrit par la formule générale où est un groupe alkyle : 

L’équation suivante montre comment les molécules de 2-bromopropane peuvent être mises en réaction avec une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium afin d’obtenir du propan-2-ol ; le propan-2-ol produit peut être classé parmi les alcools secondaires, car il peut être décrit par la formule générale où est un groupe alkyle : 

La figure suivante montre comment on peut faire réagir de manière similaire le 2-bromo-2-méthylpropane avec une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium afin d’obtenir obtenir 2-méthylpropan-2-ol comme produit. Le 2-méthylpropan-2-ol peut être classé dans la catégorie des alcools tertiaires car il peut être décrit par la formule générale où est un groupe alkyle : 

La vitesse des réactions de substitution dépend de la polarité et de la force de la liaison carbone-halogène. Les réactions de substitution se déroulent le plus rapidement si la liaison carbone-halogène est très polaire et si la liaison carbone-halogène est très faible et facile à rompre. La liaison carbone-halogène ne peut cependant pas être à la fois hautement polaire et très faible et facile à rompre. Les liaisons carbone-halogène sont plus fortes lorsqu’elles sont plus polaires. La liaison carbone-fluor est la liaison carbone-halogène la plus polaire et c’est aussi la liaison carbone-halogène la plus forte. La liaison carbone-iode est la liaison carbone-halogène la moins polaire et c’est aussi la liaison carbone-halogène la plus faible. La figure suivante montre pourquoi une liaison carbone-halogène ne peut pas être hautement polaire et en même temps très faible et facile à rompre.

Des expériences chimiques ont été utilisées pour montrer que la force de la liaison carbone-halogène est considérablement plus importante pour déterminer la vitesse des réactions de substitution par hydrolyse alcaline. Les molécules d’halogénoalcane ont tendance à réagir plus rapidement avec les ions hydroxyde si la liaison carbone-halogène est relativement faible. Le tableau suivant compare les forces de quatre liaisons carbone-halogène différentes. Les forces des liaisons sont représentées en tant que valeurs de l’énergie moyenne de liaison. Les liaisons les plus fortes ont les valeurs d’énergie moyenne de liaison les plus élevées. Les liaisons les plus faibles ont les valeurs d’énergie moyenne de liaison les plus basses.

Les forces des liaisons carbone-halogène sont étroitement liées aux longueurs des liaisons carbone-halogène. Les liaisons carbone-halogène ont tendance à être plus faibles lorsque les atomes d’halogène sont plus grands et les liaisons carbone-halogène sont plus longues. La figure suivante montre les relations entre la taille des atomes d’halogène et les valeurs de la longueur et de la force de la liaison carbone-halogène.

Les molécules d’iodoalcanes ont tendance à réagir plus rapidement avec les ions hydroxyde que les molécules de bromoalcanes ou de chloroalcanes, car la liaison carbone-iode est plus faible que la liaison carbone-brome ou carbone-chlore. Les molécules de fluoroalcanes ont tendance à réagir très lentement et de manière inefficace avec les ions hydroxyde car la liaison carbone-fluor est très forte et très difficile à rompre.

Les alcools sont en effet un groupe important de composés avec de nombreuses applications commerciales et industrielles. Le méthanol est un produit chimique important en tant que matière première, également utilisé dans les antigels pour les véhicules, dans les carburants pour les fusées et comme solvant polaire. Le méthanol est également utilisé comme carburant pour les camions géants et les sprintcars USAC, car il ne produit pas de nuage de fumée opaque lors des collisions des voitures et des véhicules sur la piste de course. L’équation suivante décrit l’équation chimique correspondant à la combustion complète du méthanol : 

Il est quand-même important de se rendre compte que l’intoxication au méthanol peut provoquer des lésions oculaires graves et entraîner la mort. De petites quantités de méthanol ingéré peuvent détruire des parties du système nerveux central, ce qui peut provoquer une atteinte neurologique permanente et une cécité irréversible.

L’éthanol est utilisé pour produire des boissons alcoolisées et comme antiseptique et désinfectant à usage général. Il est également utilisé comme solvant chimique et comme additif dans l’essence pour les véhicules. L’éthanol a un indice d’octane relativement élevé et il peut être mélangé avec d’autres carburants pour atteindre les exigences minimales pour l’indice d’octane établies par les organismes nationaux de réglementation automobile. L’utilisation des carburants à l’éthanol pourrait croître dans le futur proche. Les carburants à l’éthanol ont une empreinte carbone inférieure à celle des produits de la distillation du pétrole brut conventionnel, une utilisation accrue de carburants à faible empreinte carbone pouvant ainsi nous aider à ralentir le réchauffement climatique. L’éthanol est également utilisé pour fabriquer des thermomètres spéciaux, en partie parce qu’il est moins toxique que le mercure, mais aussi parce qu’il a un point de congélation de et un point d’ébullition de .

Il est important de dire ici que la consommation excessive d’éthanol peut être extrêmement dangereuse, pouvant entraîner des effets nocifs irréparables au corps humain. Les alcooliques sont sujets au développement de plusieurs types de cancers et leurs foies ont tendance à être cicatrisés et atteints. La consommation excessive de boissons alcoolisées a également été associée au développement de l’hypertension, aux maladies cardiaques, aux accidents vasculaires cérébraux et aux troubles digestifs.