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Vidéo de la leçon : Propriétés du benzène Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à décrire les propriétés du benzène, expliquer sa structure et nommer ses dérivés.

18:10

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les propriétés du benzène, à expliquer sa structure et à nommer ses dérivés. Le benzène est un cycle hexagonal contenant six atomes de carbone, chacun lié à un seul atome d’hydrogène. La structure du benzène a été proposée pour la première fois par le chimiste allemand August Kekulé en 1865. La légende raconte qu’il a développé cette structure cyclique après avoir rêvé à un serpent mangeant sa propre queue. Comme nous le verrons dans un moment, cette structure initiale n’était pas tout à fait exacte. Kekulé a par la suite apporté des modifications à sa proposition. Bien qu’il ait continué à affirmer que l’alternance des liaisons simples et doubles était à la base de cette structure, il a par la suite affirmé qu'elle oscillait continuellement entre deux formes différentes. Au cours de cette oscillation, les liaisons doubles devenaient toutes des liaisons simples, et vice versa.

La chimie moderne a permis d'apporter davantage de modifications à cette structure. Nous ne pouvons pas modéliser avec précision les propriétés chimiques du benzène seulement avec des liaisons simples et doubles. Nous devons examiner les orbitales contenant des électrons afin d'obtenir une compréhension plus globale. Les orbitales atomiques de la chaîne carbonée du benzène forment des régions en forme de ballon au-dessus et en dessous du plan hexagonal de la molécule. Lorsque nous voulons considérer la position des électrons dans l'ensemble de la molécule, nous devons prendre en compte les orbitales moléculaires. Dans le cas du benzène, les orbitales atomiques en forme de ballon se combinent pour former deux orbitales moléculaires en forme de beigne, une au-dessus et une en dessous du cycle carboné.

Bien que les détails précis de ces orbitales dépassent le cadre de cette vidéo, nous pouvons résumer leur effet en comparant le vieux modèle de Kekulé avec ce nouveau modèle. Dans le vieux modèle du benzène, les électrons étaient étroitement liés par des liaisons simples et doubles. Dans ce nouveau modèle, certains des électrons du benzène sont délocalisés, ce qui signifie qu’ils ne sont pas liés à un atome ou à une liaison spécifique. Ils peuvent plutôt se déplacer librement autour de la molécule dans ces orbitales moléculaires en forme de beigne.

Un autre mot que nous sommes susceptibles d'entendre dans ce contexte est la résonance, qui fait référence au mouvement des électrons délocalisés. Bien que les électrons délocalisés et la résonance ne désignent pas exactement la même chose, nous pouvons les utiliser ensemble pour décrire cette situation. En ce qui nous concerne, si une molécule possède des électrons délocalisés, elle a également une résonance. En chimie, nous dessinons parfois des formules topologiques, qui utilisent des lignes droites pour représenter les liaisons entre les atomes de carbone. La présence des atomes d’hydrogène est implicite. Nous pouvons dessiner la formule topologique du benzène de deux manières différentes. La première façon est inspirée des orbitales moléculaires circulaires du benzène et montre la délocalisation de ses électrons. La deuxième façon montre le benzène comme une structure contenant trois doubles liaisons. Tel que nous l’avons mentionné précédemment, cette deuxième structure constitue une représentation moins précise. Examinons de plus près pourquoi il en est ainsi.

Lorsque nous parlons du benzène, nous parlons également d’un groupe de molécules apparentées mais distinctes appelées cycloalcènes. La partie « alc » des cycloalcènes signifie que nous sommes en présence d'atomes de carbone, cyclo- signifie que ces derniers sont contenus dans un cycle et le suffixe -ène signifie qu’il y a au moins une liaison double. Dans l’exemple représenté ici, nous pouvons constater que le cyclohexène est effectivement un cycle d’atomes de carbone contenant une liaison double. À première vue, le benzène semble appartenir à ce groupe. Toutefois, comme certains de ses électrons sont délocalisés plutôt que d’être liés par des liaisons simples et doubles, le benzène n’est pas considéré comme étant un cycloalcène. Le benzène et les cycloalcènes diffèrent par leur réactivité, leur énergie et leur structure.

Si nous examinons de plus près ces différences, nous pouvons constater comment la résonance du benzène affecte ses propriétés chimiques. Commençons par comparer leur réactivité. Les cycloalcènes sont connus pour être très réactifs. De nombreuses molécules, telles que les molécules d’eau ou les molécules d’halogène, peuvent réagir avec la liaison double d'un cycloalcène. Elles se lient donc à sa chaîne carbonée. Dans la réaction que nous avons écrite ici, le brome se retrouve d'abord sous la forme d’un liquide brun. Le produit de cette réaction est le 1,2-dibromocyclohexane, qui implique deux atomes de brome liés côte à côte sur un cycle contenant six atomes de carbone. Ce produit est incolore. Alors, si nous réalisions cette réaction en laboratoire, nous pourrions observer le liquide passer du brun à l'incolore dans le tube à essai.

Le changement de couleur de cette substance indique qu’une réaction se produit réellement, ce qui supporte l'idée que les cycloalcènes sont très réactifs. La plupart des molécules d’halogène peuvent réagir de la même manière avec la plupart des cycloalcènes. D’un autre côté, si nous exposions du benzène au brome, aucune réaction ne se produirait en l'absence d'un catalyseur. Cependant, en introduisant un catalyseur, soit le bromure de fer(III), la combinaison du benzène avec le brome pourrait produire du bromobenzène et du bromure d’hydrogène. En comparant ces deux réactions, nous pouvons affirmer que le cyclohexène est plus réactif que le benzène. Les électrons de la liaison double du cyclohexène réagissent facilement avec d’autres substances pour former de nouveaux composés.

Comme le benzène nécessite un catalyseur afin de pouvoir réagir avec le brome, il est moins réactif que le cyclohexène. De façon plus précise, il est moins réactif étant donné qu'il possède des électrons délocalisés. Comparativement aux électrons de la liaison double du cyclohexène, ces électrons délocalisés sont moins susceptibles de former de nouvelles liaisons avec d’autres substances. Les électrons délocalisés rendent donc le benzène plus stable. En plus de diminuer la réactivité, ce phénomène réduit également la quantité d’énergie entreposée dans les liaisons.

En fait, de l’énergie est entreposée dans les liaisons doubles des composés. Ainsi, de l’énergie est libérée lorsque nous brisons une liaison double, par exemple en transformant du cyclohexène en cyclohexane. Dans ce cas précis, 120 kilojoules d’énergie sont libérés pour chaque mole de cyclohexène transformée en cyclohexane. Nous appelons cette valeur la variation d’enthalpie d’hydrogénation. Il s'agit de la variation d’énergie lorsque nous hydrogénons ou ajoutons des atomes d’hydrogène au cyclohexène pour le transformer en cyclohexane.

Une tendance commence à se dégager en examinant la variation d’enthalpie d’hydrogénation du 1,3-cyclohexadiène. L’hydrogénation de deux liaisons doubles nous donne une variation d’enthalpie prévue de moins 240 kilojoules par mole, soit le double de la variation d’enthalpie d’hydrogénation d’une seule liaison double. Or, la valeur expérimentale n’est pas de moins 240 kilojoules par mole. Elle diffère légèrement d'environ huit kilojoules par mole.

En extrapolant cette tendance, nous pourrions nous attendre à ce que la variation d’enthalpie d’hydrogénation du benzène soit de moins 360 kilojoules par mole. Cependant, si nous mesurons la variation d’enthalpie d’hydrogénation du benzène, la valeur réelle est de moins 208 kilojoules par mole, ce qui est beaucoup plus faible que la valeur prévue. Nous pouvons constater ici que le benzène ne contient pas simplement trois liaisons doubles étant donné qu'il est plus stable et qu'il contient moins d'énergie que prévu. L’effet des électrons délocalisés du benzène s'observe à nouveau. Leur résonance ajoute de la stabilité au composé, ce qui diminue sa variation d’enthalpie d’hydrogénation.

Une autre observation qui supporte ce modèle du benzène avec des électrons délocalisés est la forme et la structure observées de cette molécule. Une technique appelée cristallographie aux rayons X peut révéler des informations importantes sur la structure des molécules. Dans cette situation, nous pouvons l’utiliser afin de mesurer la longueur des liaisons. Une liaison simple carbone-carbone typique, comme celles présentes dans le cyclohexène, a une longueur de liaison de 154 picomètres. Une liaison double carbone-carbone typique, comme celle présente dans le cyclohexène, a une longueur de liaison de 134 picomètres.

Cependant, la cristallographie aux rayons X de la molécule de benzène révèle un détail intéressant. Ses six liaisons ont toutes la même longueur, soit 140 picomètres, bien que certaines sources mentionnent plutôt 139 picomètres. Le cyclohexène a différentes longueurs de liaison pour ses liaisons simples et sa liaison double. Par conséquent, si nous considérons le benzène comme étant un cycloalcène, nous pourrions nous attendre à ce que sa structure présente une alternance entre des liaisons courtes et longues. Toutefois, étant donné que certains électrons du benzène sont délocalisés dans la molécule plutôt que d’être localisés dans certaines liaisons simples et doubles, toutes ses liaisons ont la même longueur.

Maintenant que nous en avons appris davantage sur la structure du benzène, examinons comment le synthétiser. Il existe plusieurs façons de synthétiser le benzène. L'une de ces méthodes utilise des molécules d’éthyne. Le passage de molécules d’éthyne à travers un tube de fer, ou parfois un tube de nickel, chauffé au rouge à 873 kelvins produit du benzène. De façon plus spécifique, les électrons de la liaison triple de chaque molécule d’éthyne sont utilisés pour établir de nouvelles liaisons entre ces molécules. La formation de ces nouvelles liaisons transforme trois molécules d’éthyne en une molécule de benzène.

D’autres méthodes de synthèse du benzène impliquent l’élimination des groupes fonctionnels de certains composés aromatiques. Par exemple, nous pouvons faire passer de l’hydroxybenzène sur de la poussière de zinc chauffée afin de produire du benzène et de l’oxyde de zinc. Nous pouvons également chauffer du benzoate de sodium, de l’hydroxyde de sodium et de la chaux vive afin de produire du benzène et du carbonate de sodium. Finalement, nous pouvons hydrater de l’acide benzènesulfonique avec de la vapeur surchauffée afin de produire du benzène et de l’acide sulfurique.

La structure cyclique en résonance du benzène est présente dans de nombreux composés différents. Nous appelons ces composés des dérivés du benzène. Comme nous l’avons mentionné précédemment, nous pouvons également les appeler des composés aromatiques. Certains de ces composés aromatiques possèdent un atome d’halogène lié au cycle carboné. Pour nommer ces composés, nous devons simplement ajouter le préfixe approprié. Nous avons ici du chlorobenzène, du fluorobenzène et du bromobenzène. C'est parfois un groupe fonctionnel plutôt qu'un atome qui est lié au cycle benzénique. Encore une fois, nous pouvons ajouter le préfixe ou le suffixe approprié pour écrire le nom. Avec la liaison d'un groupe éthyle, la molécule devient de l'éthylbenzène. Avec la liaison d'un aldéhyde, la molécule devient du benzaldéhyde.

Trois autres composés aromatiques sont l’hydroxybenzène, le méthylbenzène et l’aminobenzène. Bien que nous puissions nommer ces composés avec la méthode du préfixe suivi de benzène, ces molécules ont aussi des noms communs. Nous pouvons respectivement les appeler phénol, toluène et aniline. Il s'agit d'un bon rappel qu’un composé chimique peut souvent avoir plusieurs noms. Nous venons d’examiner le chlorobenzène, un dérivé monosubstitué du benzène. Monosubstitué signifie qu'une substitution ou qu'un atome ou un groupe fonctionnel est lié au cycle carboné. En ajoutant un autre atome de chlore au cycle, nous obtenons du dichlorobenzène, un dérivé disubstitué, ce qui signifie qu’il y a deux substitutions sur le cycle carboné.

Mais à quoi ressemble ce composé ? Où le deuxième atome de chlore est-il lié ? Il pourrait ressembler à ceci, à ceci ou encore à ceci. Comment pouvons-nous différencier ces trois versions différentes du dichlorobenzène ? Décrivons tout d'abord leurs différences. Dans la première version, les atomes de chlore sont liés à des atomes de carbone adjacents. Dans la deuxième version, les liaisons se situent sur des atomes de carbone qui sont eux-mêmes séparés par un autre atome de carbone. Dans la troisième version, les atomes de chlore sont liés à des atomes de carbone qui sont situés à l'opposé l'un de l'autre dans le cycle. Il convient de noter qu'il s'agit des trois seuls arrangements possibles pour le dichlorobenzène. Tout autre arrangement que nous pourrions dessiner finirait par être une rotation ou un reflet de l’un ou l'autre de ces trois arrangements.

Afin de pouvoir nommer ces trois versions, nous utilisons un préfixe différent pour chacun de ces arrangements. Lorsque les liaisons sont côte à côte, il s'agit de l'orthodichlorobenzène. Le deuxième arrangement dans lequel les liaisons sont légèrement séparées est appelée métadichlorobenzène. Le troisième arrangement dans lequel les liaisons sont à l'opposé est appelée paradichlorobenzène. Nous pouvons également raccourcir ces préfixes en une seule lettre, en faisant référence à ces composés comme étant respectivement du o-dichlorobenzène, du m-dichlorobenzène et du p-dichlorobenzène.

Une autre façon de nommer ces composés consiste à numéroter les atomes de carbone de un à six. Par convention, les numéros des carbones impliqués dans les liaisons sont les plus petits, ce qui signifie généralement que nous commençons par un atome de carbone impliqué dans une liaison et que nous nous déplaçons sur la molécule vers la liaison suivante. Puisque ses atomes de chlore sont liés au carbone numéro un et au carbone numéro deux, nous pouvons aussi appeler l'orthodichlorobenzène le 1,2-dichlorobenzène. Si nous numérotons les atomes de carbone dans la représentation du métadichlorobenzène, nous pouvons constater qu'il y a une liaison sur le carbone numéro un et une sur le carbone numéro trois, ce qui nous donne le nom de 1,3-dichlorobenzène. En continuant ce processus avec le paradichlorobenzène, nous observons des liaisons sur le carbone numéro un et sur le carbone numéro quatre, ce qui nous donne le nom de 1,4-dichlorobenzène.

Mais une question demeure. Comment savons-nous dans quelle orientation se formera le dérivé substitué ? Afin de répondre à cette question, examinons un exemple de réaction. Si nous ajoutons du brome sur le méthylbenzène, nous nous retrouvons avec du bromure d’hydrogène et deux produits aromatiques différents. De façon plus spécifique, cette réaction produira 40 % d’orthobromométhylbenzène et 60 % de parabromométhylbenzène. Ce résultat s'explique par le fait qu’un groupe méthyle est ce que nous appelons un groupement de position ortho-para. Il oriente donc les atomes et les groupes fonctionnels pour qu'ils se lient sur les positions ortho et para. En débutant avec un groupe fonctionnel différent lié à l’anneau benzène, nous pourrions obtenir des résultats différents.

Par exemple, en ajoutant des groupes nitro sur le nitrobenzène, le produit aromatique est le dinitrobenzène. De façon plus précise, nous obtenons 93 pour cent de métadinitrobenzène. Le groupe nitro est un groupement de position méta, ce qui signifie qu’il oriente les atomes et les groupes fonctionnels pour qu'ils se lient sur la position méta. Les autres groupements de position ortho-para comprennent les groupes hydroxy, les groupes amino et les halogènes, alors que les autres groupements de position méta comprennent les groupes cyano, les groupes trifluorométhyles, les groupes sulfonyles et les groupes carbonyles.

Finalement, si nous voulons travailler avec du benzène en laboratoire, il peut être utile de connaître certaines de ses propriétés physiques. Il s'agit d'un liquide incolore qui dégage une odeur sucrée. Il est moins dense que l’eau. En tant que molécule non polaire, il est non miscible dans l’eau mais soluble dans les solvants non polaires. Il a un point d’ébullition moyen de 80,5 degrés Celsius et un point de fusion de 5,5 degrés Celsius. Il est inflammable et il brûle avec une flamme noire comme la suie.

Maintenant que nous en avons appris davantage sur le benzène, récapitulons les points clés de cette leçon. Une molécule de benzène est un cycle contenant six atomes de carbone, chacun lié à un seul atome d’hydrogène. Les électrons délocalisés du benzène lui confèrent sa stabilité. Le benzène peut être synthétisé en utilisant plusieurs méthodes différentes. Nous pouvons nommer les dérivés du benzène en utilisant des préfixes ou parfois des suffixes afin de représenter les atomes et les groupes fonctionnels qui y sont liés. Nous pouvons utiliser des atomes de carbone numérotés ou les préfixes ortho-, méta- et para- pour représenter les différents arrangements. Finalement, le benzène est un liquide incolore qui dégage une odeur sucrée.

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