La chimie organique, cours, première S,

Exercices énoncé avec correction

1)- Exercice 2 page 192.

2)- Exercice 3 page 192.

3)- Exercice 7 page 192.

4)- Exercice 9 page 193.

5)- Exercice 10 page 193.

6)- Exercice 13 page 193.

7)- Exercice 20 page 195.

Pour aller plus loin :

Logiciel pour la
construction de molécule
Chemsketch Gratuit

Mots clés :

groupes fonctionnels ; alcanes ; alcènes ;

chaîne carbonée ; isomères ; chimie organique ;

molécule organique ; formule topologique ; ...

I- Introduction.

1)- Définition.

La chimie organique est la chimie des composés du carbone d'origine naturelle ou produits par synthèse

- Remarque :

Le carbone C, le dioxyde de carbone CO₂,

l’ion carbonate CO₃^2–et l’ion hydrogénocarbonate HCO₃^–sont des composés inorganiques.

Jusqu’au début du 19^ième siècle, la chimie organique étudie les substances issues des êtres vivants.

Au 18^ième siècle, le chimiste français Lavoisier montre que les molécules organiques sont formées

à partir d’un nombre restreint d’éléments chimiques :

le carbone C, l’hydrogène H,

parfois l’oxygène O, l’azote N,

et aussi le soufre S, le chlore Cl…

Au milieu du 19^ième siècle, les chimistes (Wöhler et Berthelot)

parviennent à synthétiser des substances organiques naturelles,

puis à créer de nouvelles molécules organiques n’existant pas dans la nature.

Wöhler arrive à synthétiser l’urée et Berthelot synthétise l’acétylène.

Friedrich Wöhler (Eschersheim, près de Frankfort, né le 31 juillet, 1800

- Göttingen, mort le 23 septembre, 1882) était un chimiste allemand.

Pierre Eugène Marcellin Berthelot, habituellement désigné sous le nom de Marcellin Berthelot,

né le 25 octobre 1827 à Paris, mort le 18 mars 1907, était un chimiste,

essayiste, historien des sciences, homme politique et académicien français.

- Additif :

L'urée naturelle, découverte en 1773 par Hilaire Rouelle, est formée dans le foie lors du cycle de l'urée à partir

de l'ammoniac provenant de la dégradation des acides aminés.

Il est éliminé par l'urine.

Sa synthèse en 1828 par Friedrich Wöhler a provoqué une révolution en démontrant

qu'il est possible de synthétiser un composé organique, en dehors d'un organisme vivant.

Cette expérience marque le début de la chimie organique et la fin de la théorie de la force vitale.

Formule de l’urée :

L´acétylène (appelé éthyne par la nomenclature IUPAC)

est un composé chimique de formule C₂H₂, découvert par Edmund Davy en Angleterre en 1836.

Sa structure est :

Berthelot, en 1862, fut le premier à le synthétiser par un arc voltaïque produit entre une électrode de graphite

baignant dans une atmosphère de dihydrogène :

Avant 1828, la force vitale est une cause mystérieuse et unique censée être capable d'édifier in vivo des composés

comme l'acide acétique ou l'éthanol.

En 1828, cette théorie est battue en brèche par Friedrich Wöhler, qui parvient à synthétiser l'urée,

à partir d'une solution de cyanate d'ammonium qui est un réactif minéral.

Mais la théorie subsiste jusqu'à la fin du siècle sous une forme plus faible :

même si la chimie ordinaire explique la formation des molécules organiques,

c'est la force vitale qui expliquerait leur agencement complexe caractéristique des êtres vivants.

Une telle théorie implique la possibilité d'une véritable génération spontanée, par application de la « force vitale » à un milieu propice.

Les expériences de Pasteur, permettant de relier tous les phénomènes mystérieux à l'existence de microbes,

et l'impossibilité de mettre en évidence une génération spontanée une fois prise toutes les précautions utiles

(élimination des « germes ») font définitivement abandonner cette théorie par la science.

- La chimie organique regroupe l’ensemble des techniques utilisées en chimie :

- Extraction, analyse, synthèse…

2)- Les ressources des matières organiques.

a)- Origine du carbone.

- La totalité du carbone C constituant les molécules organiques naturelles provient du dioxyde de carbone CO₂atmosphérique.

- Les végétaux, grâce à leur chlorophylle et grâce à l’énergie solaire transforment le dioxyde de carbone CO₂atmosphérique en molécules organiques, le glucose :

		Lux
6 CO₂ _(g)	+ 6 H₂O _(ℓ₎	→	C₆H₁₂CO₆_(aq)	+ 2 O₂ _(g)
			Glucose

- C’est la synthèse chlorophyllienne.

- Remarque :

- Le glucose participe à la formation d’autres glucides simples comme le saccharose, puis à des glucides complexes comme l’amidon.

- Les cellules des êtres vivants fabriquent leurs propres substances organiques à partir des aliments : c’est la synthèse biochimique.

b)- Ressources organiques naturelles.

- Ce sont principalement les combustibles fossiles : les charbons, les pétroles et les gaz naturels.

- Ils constituent les matières premières de la chimie organiques.

II- L’atome de carbone et ses voisins.

1)- Stéréochimie de l’atome de carbone.

- La chimie du carbone doit son importance à la propriété particulière qu’a le carbone de former des chaines carbonées.

- L’élément carbone Z = 6, sa structure électronique est K (2) L (4).

- L’atome de carbone possède quatre électrons sur sa couche électronique externe.

- Il est de ce fait tétravalent.

- Mais suivant le nombre de voisins qu’il possède, sa géométrie change.

- On rencontre :

Le carbone tétragonal :

=> Carbone qui échange quatre liaisons simples

avec quatre atomes distincts voisins.

=> On parle aussi de carbone tétraédrique.

=> L’atome de carbone se trouve au centre d’un tétraèdre

dont les autres atomes occupent les sommets.

On peut utiliser la représentation de CRAM :

Convention :

► Un trait plein représente une liaison entre

deux atomes situés dans le plan de la figure

► Un triangle allongé plein représente une liaison

entre un atome situé dans le plan de la figure

et un atome situé en avant de ce plan.

► Un trait en pointillé représente une liaison

entre un atome situé dans le plan de la figure

et un atome situé en arrière de ce plan

► Exemple : cas du carbone dans la molécule de méthane.

CH₄

(exercice)

Le carbone trigonal :

=> Carbone qui échange deux liaisons simples et une double liaison.

=> Il possède 3 atomes distincts voisins.

=> L’atome de carbone se trouve au centre d’un triangle.

► Exemple de molécule : la propanone ou acétone

(exercice)

Le carbone digonal :

=> Il peut échanger soit une simple liaison

et une triple liaison soit deux doubles liaisons,

=> Il possède deux atomes voisins distincts.

► Exemple de molécule :

Dioxyde de carbone

Acétylène

(exercice)

2)- Les autres atomes.

- Dans les molécules organiques, l’atome de carbone C se lie avec l’atome d’hydrogène H, l’atome d’oxygène O et l’atome d’azote N.

a)- L’atome d’hydrogène

- Z = 1 , structure électronique : K (1)

- Il possède 1 électron sur sa couche électronique externe.

- Il respecte la règle du DUET.

- Il forme une liaison covalente.

- L’atome d’hydrogène est monovalent.

b)- L’atome d’oxygène.

- Z = 8, structure électronique : K (2) L (6).

- Il possède 6 électrons sur sa couche électronique externe.

- Il respecte la règle de l’OCTET.

- Il forme deux liaisons covalentes.

- L’atome d’oxygène est divalent.

- Il peut former, deux simples liaisons comme dans la molécule d’eau, ou une double liaison comme dans la molécule de dioxygène.

- Exemples :

Molécule d’eau	Molécule de dioxygène

- Z = 7, structure électronique : K (2) L (5).

- Il possède 5 électrons sur sa couche électronique externe.

- Il respecte la règle de l’OCTET.

- Il forme trois liaisons covalentes.

- L’atome d’azote est trivalent.

- Il peut former, trois simples liaisons comme dans la molécule d’ammoniac,

ou une double liaison et une simple liaison comme dans la molécule de dioxygène.

- Exemples :

Molécule d’ammoniac

Molécule de diazène :

NH₃

HN = NH

H – N = N – H

III-Constitution d’une molécule organique.

- Une molécule organique comporte le plus souvent une chaine carbonée et éventuellement un groupe caractéristique ou groupe fonctionnel.

- Les liaisons entre atomes constituant une molécule organique sont covalentes.

- On appelle chaine carbonée l’enchainement des atomes de carbone liés entre eux par des liaisons covalentes.

- Certaines molécules organiques présentent un groupe caractéristique ou groupe fonctionnel.

- Les différents groupes caractéristiques permettent de regrouper les molécules organiques en différentes familles.

- Les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique présentent des propriétés chimiques semblables.

- La chaîne carbonée est dite linéaire lorsque chaque atome de carbone n’est lié qu’à deux atomes de carbone au plus.

- La chaîne carbonée est ramifiée si un ou plusieurs atomes de carbone sont liés à plus deux autres atomes de carbone.

- Une chaîne carbonée est saturée si tous les atomes de carbone ne forment que des liaisons simples entre eux.

- Lorsque au moins deux atomes de carbone voisins sont liés par une double (ou une triple) liaison, la chaîne carbonée est dite insaturée.

- La formule brute d’une molécule indique la nature et le nombre des atomes constituant la molécule.

- Elle ne donne aucune indication sur la structure de la molécule : chaîne carbonée, groupe fonctionnel,…

- Elle indique l’enchaînement des atomes et la nature des liaisons qui les unissent.

- Elle ne fait pas apparaître les liaisons entre un atome d’hydrogène et un autre atome.

- Les atomes autres que le carbone C et l’hydrogène H sont représentés de manière explicite ainsi que les atomes d’hydrogène H qu’ils portent.

- Les isomères de constitution sont des molécules qui ont la même formule brute mais qui différent par l’enchaînement de leurs atomes.

- Les isomères de position : la position du groupe fonctionnel ou de la double liaison sont différentes.

- Les hydrocarbures sont des composés organiques dont la molécule ne contient que des atomes de carbone C et d’hydrogène H.

- méthane (CH₄), éthane (C₂H₆), propane (C₃H₈), butane (C₄H₁₀).

- Pour les autres alcanes à chaîne linéaire, on utilise un préfixe grec indiquant le nombre d'atomes de carbone que l'on fait suivre du suffixe -ane.

- On obtient un groupement alkyle en enlevant un atome d'hydrogène à la formule d'un alcane.

- Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés, non cycliques, qui possèdent une double liaison carbone - carbone : C = C.

- Autour d’une simple liaison carbone – carbone C – C, il y a libre rotation alors qu’il n’existe pas de libre rotation autour d’une double liaison carbone - carbone C = C.

- Les molécules A et B différent par la position, par rapport à l’axe de la double liaison, des deux atomes d’hydrogène.

- Pour passer de la molécule A à la molécule B, il faut rompre certaines liaisons et en reformer d’autres.

- Il n’y a pas libre rotation autour d’une double liaison carbone - carbone : C = C.

- Les molécules A et B sont des molécules distinctes que l’on peut séparer.

- La température d'ébullition normale du (Z)-but-2-ène est de 3,7 °C alors que celle de l'isomère (E)-but-2-ène est de 0,9 °C

- La configuration Z (de l'allemand zusammen: ensemble) où les deux atomes d’hydrogène sont situés du même côté de la double liaison,

- Et la configuration E (de l'allemand entgegen: opposé) où les deux atomes d’hydrogène sont situés de part et d'autre de la double liaison.

- Au sein d’une même famille, les températures de fusion θ_fus et d’ébullition θ_eb

augmentent avec le nombre d’atomes de carbone ou la longueur de la chaîne carbonée.

- Les alcanes ramifiés ont une température d’ébullition θ_eb supérieure à celle de

l’alcane linéaire ayant le même nombre d’atomes de carbone dans la chaîne principale

- La densité augmente avec le nombre d’atome de carbone de la chaîne carbonée.

- D’une manière générale, la solubilité dans l’eau décroît lorsque la longueur de la chaîne carbonée augmente.

Alcanes linéaires

Alcanes ramifiés

Nom

Solubilité

Nom

Solubilité

Méthane

Eau : 5,0 mL / L

Éthanol : 0,05 L / L

Éther : très soluble

Méthylpropane

(C₄H₁₀)

Eau : peu soluble

Éthanol : 1,35 L / L

Ether : 2,84 L / L

Éthane

Eau : 4,7 mL/L

Éthanol : 0,15 L / L

Méthylbutane

(C₅H₁₂)

Eau : très peu soluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

Propane

Eau : peu sol

Éthanol : très soluble

Éther : très soluble

Diméthylpropane

(C₅H₁₂)

Eau : insoluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

Butane

Eau : 15 mL / L

Éthanol : 1,9 L / L

Éther : 3 L / L

2-méthylpentane

(C₆H₁₄)

Eau : peu soluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

Pentane

Eau : insoluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

3-méthylpentane

(C₆H₁₄)

Eau : peu soluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

Hexane

Eau : peu soluble

Éthanol : très soluble

Éther : très soluble

2,2-diméthylbutane

(C₆H₁₄)

Eau : peu soluble

Éthanol : soluble

Éther : très soluble

Heptane

Eau : insoluble

Éthanol : très soluble

Éther : Très soluble

2,3-diméthylbutane

(C₆H₁₄)

Eau : peu soluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

Octane

Éthanol : soluble

Ether : soluble

2-méthylhexane

(C₇H₁₆)

Eau : insoluble

Éthanol : soluble

Éther : soluble

- La distillation permet de séparer deux liquides miscibles qui ont des températures d’ébullition différentes.

- La distillation fractionnée permet de séparer et de recueillir les constituants d’un mélange d’espèces chimiques ayant des températures d’ébullition différentes.

- L’espèce chimique extraite en premier est l’espèce la plus volatile, celle dont la température d’ébullition est la plus faible.

- La distillation fractionnée des pétroles, qui est un mélange d’hydrocarbures est la première étape du raffinage.

- La séparation et la purification s’effectuent dans une tour à distillation.

Formule brute	Indication
C₄H₁₀	Butane ou isobutane ?
C₂H₆O	Alcool ou éther oxyde ?

	Formule topologique
n-butane
isobutane
Propan-1-ol

Nombre d'atomes de carbone : n	Formule	Préfixe	Nom
5	C₅H₁₂	pent-	pentane
6	C₆H₁₄	hex-	hexane
7	C₇H₁₆	hept-	heptane
8	C₈H₁₈	oct-	octane
9	C₉H₂₀	non-	nonane
10	C₁₀H₂₂	déc-	décane
11	C₁₁H₂₄	undéc-	undécane
12	C₁₂H₂₆	dodéc-	dodécane
13	C₁₃H₂₈	tridéc-	tridécane
14	C₁₄H₃₀	tétradéc-	tétradécane
15	C₁₅H₃₂	pentadéc-	pentadécane
16	C₁₆H₃₄	hexadéc-	hexadécane
17	C₁₇H₃₆	heptadéc-	heptadécane
18	C₁₈H₃₈	octadéc-	octadécane

CH₃ –	Groupe méthyle
CH₃ – CH₂ –	Groupe éthyle
CH₃ – CH₂ – CH₂ –	Groupe propyle
	Groupe isopropyle ou Méthyléthyle

Alcanes linéaires			Alcanes ramifiés
Nom	θ_fus°C	θ_eb°C	Nom	θ_fus°C	θ_eb°C
Méthane	- 184	- 164	Méthylpropane (C₄H₁₀)	- 145	- 10
Éthane	- 172	- 88,5	Méthylbutane (C₅H₁₂)	- 159	28
Propane	- 190	- 44,5	Diméthylpropane (C₅H₁₂)	- 17	10
Butane	- 135	0,6	2-méthylpentane (C₆H₁₄)	- 154	60,3
Pentane	- 131	36,2	3-méthylpentane (C₆H₁₄)	- 118	63,3
Hexane	- 94	69	2,2-diméthylbutane (C₆H₁₄)	- 98	49,7
Heptane	- 90	98,5	2,3-diméthylbutane (C₆H₁₄)	- 129	58
Octane	- 56.5	126	2-méthylhexane (C₇H₁₆)	- 154	61

Formule brute	C₄H₁₀
Formule développée
Formule semi-développée	CH₃– CH₂ – CH₂ – CH₃
Formule topologique

Alcanes linéaires		Alcanes ramifiés
Nom	Densité	Nom	Densité
Méthane	0,72 (gaz)	Méthylpropane (C₄H₁₀)	2,67 (gaz)
Éthane	1,36 (gaz)	Méthylbutane (C₅H₁₂)	0,62 (liquide)
Propane	2,01 (gaz)	Diméthylpropane (C₅H₁₂)	0,61 (liquide)
Butane	2,70 (gaz)	2-méthylpentane (C₆H₁₄)	0,65 (liquide)
Pentane	0,63 (liquide)	3-méthylpentane (C₆H₁₄)	0,66 (liquide)
Hexane	0,66 (liquide	2,2-diméthylbutane (C₆H₁₄)	0,65 (liquide)
Heptane	0,68 (liquide	2,3-diméthylbutane (C₆H₁₄)	0,66 (liquide)
Octane	0,70 (liquide	2-méthylhexane (C₇H₁₆)	0,66 (liquide)


Butane	Isobutane