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Généralités sur les alcanes
Les alcanes sont la famille des molécules composées uniquement de
carbone et d'hydrogène. On distingue généralement les molécules linaires et ramifiées
(alcanes) des molécules cycliques (cyclanes).
Avant de continuer, faisons un rappel succinct de nomenclature des alcanes.
Données sur les liaisons dans les alcanes
Afin d'expliquer la réactivité des alcanes, voici quelques données
sur les liaisons, la différence d’électronégativité et l’énergie de
liaison. On rappelle que :
- La différence d’électronégativité D c met en évidence le caractère polaire d’une liaison.
- L’énergie de liaison (qui permet de calculer l’enthalpie libre de liaison : D r H°) reflète la facilité relative à rompre les liaisons.
Données sur les liaisons C-C et C-H
A-B |
D
c = c (B) - c (A) |
DH°(25°C) / kJ/mol |
C-H |
- 0,4 |
412 |
C-C |
0 |
345 |
Pour plus de
renseignements sur les énergies de liaisons
On constate que les liaisons C-H sont très peu polarisées. Les types
de réactions réalisables seront donc en grande majorité des réactions à rupture
homolytique de liaison : des réactions radicalaires.
On donne à titre de comparaison les énergies de liaisons de rupture
homolytique et hétérolytique de la même liaison.
C-C ® C° + °C DH° = 345 kJ / mol
C-C ® C(+) + C(-) DH°
> 1000 kJ / mol
Remarque
La deuxième valeur dépend considérablement du solvant. Elle est
estimée ici dans un solvant apolaire.
Les réactions radicalaires sont trop souvent des réactions
anarchiques. Certaines réactions radicalaires (Carey, réf 2.2, tome A, p651-728) sont
maîtrisées lorsque les molécules sont plus complexes. Avec les alcanes, elles se
limitent à des réactions plus parasitiques qu'autre chose.
Voilà pourquoi les alcanes sont essentiellement utilisés dans les
carburants, pour des réactions de combustion.
Propriétés physiques
Les alcanes existent sous les trois états de la matière, selon leur
structure et leur masse molaire. Les alcanes à faible nombre de carbone (n < 5) sont
gazeux, puis liquides (15 > n > 5), et les alcanes lourds (n > 15) sont solides.
On entre ensuite dans les catégories de la pétrochimie : Le classement se fait
essentiellement par rapport aux températures d'ébullition (séparation réalisée par
distillation dans le tour de distillation de la raffinerie). Nous donnons à titre
indicatif le nombre de carbones des alcanes correspondant.
Coupes de distillation des alcanes fossiles
Teb / °C |
Classe |
Nom |
Cn |
- |
Gaz légers |
Gaz naturel |
n = 1, 2 |
- |
Gaz légers |
Gaz de bonbonne |
n = 3, 4 |
40-80 |
Essences légères |
Ether de pétrole |
n = 5, 6 |
80-120 |
Essences moyennes |
Essence |
n = 7, 8 |
120-180 |
Essences lourdes |
White spirit |
n = 9, 10 |
180-230 |
Pétroles lampant |
Kérosène |
n = 11, 12 |
230-305 |
Gaz-oil |
Diesel |
12 < n < 18 |
305-405 |
Lubrifiants légers |
Huiles légères |
18 < n < 26 |
405-515 |
Lubrifiants moyens |
Vaseline |
18 < n < 26 |
405-515 |
Lubrifiants lourds |
Cires et paraffines |
26 < n < 38 |
T > 575 |
Résidus liquides sous pression
atmosphérique |
Mazouts |
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T > 575 |
Résidus solides sous pression réduite |
Asphaltes |
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Caractéristiques physiques : ce sont les propriétés physiques
(température de changement d'état) qui caractérisent les alcanes.
Propriétés physiques de quelques alcanes
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Etat, à 20°C |
Teb / °C |
Tfus / °C |
Densité |
Methane |
g |
-161,5 |
-183 |
- |
Ethane |
g |
- 89 |
-172 |
- |
Propane |
g |
- 42 |
- 188 |
- |
Butane |
g |
- 0,5 |
- 135 |
- |
Pentane |
l |
36,1 |
-130 |
0,626 |
Hexane |
l |
68,7 |
- 95 |
0,659 |
Heptane |
l |
98,4 |
- 91 |
0,684 |
C20 |
s |
342 |
37 |
- |
C30 |
s |
446 |
66 |
- |
On peut aussi comparer les propriétés entre isomères. Voici quelques
données concernant les isomères de l'hexane.
Comparaison des propriétés d’alcanes isomères (tableau 1.9)
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Teb / °C |
Tf / °C |
d |
| n-Hexane |
68,7 |
-94 |
0,659 |
| 3-Méthylpentane |
63,3 |
-118 |
0,664 |
| 2-Méthylpentane |
60,3 |
-154 |
0,653 |
| 2,3-Diméthylbutane |
58 |
-129 |
0,661 |
| 2,2-Diméthylbutane |
49,7 |
-98 |
0,649 |
Conclusion. Les seules données interprétables pour comparer les
isomères sont les températures d'ébullition : elles diminuent d'autant plus que
l'alcane est plus ramifié.
Propriétés spectroscopiques
Infrarouge
Les bandes caractéristiques sont les bandes d’élongation et de
déformation des liaisons C - H et C - C.
RMN 1-H
- En RMN du proton, le déplacement chimique des alcanes et groupement alkyls sont de
faible valeur (2 < d < 0,5 ).
- Le couplage permet de déduire l’environnement de chaque hydrogène.
- L’intégration donne le nombre d’hydrogène de chaque signal.
Bibliographie
Biodégradation des pétroles
- Atlas R.M. 1996 - Slick Solutions - Chem. Brit., 5, p. 42-45.
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