Spécialité physique chimie Terminale
En première, on a représenté les molécules par leur formule brute (nombre d'atomes de chaque élément) et leur formule semi-développée (liaisons entre atomes, sauf celles avec les atomes d'hydrogène). Pour les molécules plus grosses, on utilise une écriture plus rapide : la formule topologique.
Exemple du butan-1-ol, de formule brute \(\mathrm{C_4H_{10}O}\) :
Passez d'une représentation à l'autre.
5 carbones ; les H : 3 + 1 + 3 + 2 + 1 = 10 ; un oxygène : \(\mathrm{C_5H_{10}O}\) (c'est le 3-méthylbutanal).
Les quatre premières familles ont été vues en première ; les quatre suivantes sont nouvelles. Le groupe caractéristique est entouré :
Faites tourner les molécules et comparez les familles. Le groupe caractéristique peut être entouré comme dans les formules topologiques.
Au bac, les règles de nomenclature sont fournies ; il faut savoir les appliquer.
| Famille | Nom | Exemple |
|---|---|---|
| alcane | …ane | propane |
| alcène | …-x-ène | but-2-ène |
| alcool | …an-x-ol | butan-2-ol |
| aldéhyde | …anal | propanal |
| cétone | …an-x-one | pentan-2-one |
| acide carboxylique | acide …anoïque | acide éthanoïque |
| ester | …anoate de …yle | éthanoate de méthyle |
| amine | …an-x-amine | propan-2-amine |
| amide | …anamide | éthanamide |
| halogénoalcane | x-chloro…ane (bromo, iodo, fluoro) | 2-chlorobutane |
Exemple : la chaîne principale compte 4 carbones et on la numérote à partir de l'extrémité la plus proche du groupe OH. Le groupe OH est sur le carbone 2 et une ramification méthyl sur le carbone 3 : c'est le 3-méthylbutan-2-ol.
Nommez les molécules suivantes.
Chaîne principale de 3 carbones (avec le C du groupe carboxyle), méthyl sur le carbone 2 : acide 2-méthylpropanoïque.
Côté acide : 3 carbones (propanoate) ; côté alcool : 1 carbone (méthyle) : propanoate de méthyle.
Le chlore est sur le carbone 2 d'une chaîne de 4 carbones : 2-chlorobutane (un halogénoalcane).
Les isomères peuvent différer par :
trois isomères de formule brute \(\mathrm{C_4H_{10}O}\)
deux isomères de fonction de formule brute \(\mathrm{C_3H_6O}\)
Cherchez les isomères de formule brute \(\mathrm{C_3H_6O_2}\) qui sont des acides carboxyliques ou des esters.
C'est l'acide propanoïque.
Ces trois molécules sont des isomères de constitution : l'acide et les esters sont des isomères de fonction.
Exemple : le polyéthylène est obtenu à partir de l'éthène. La double liaison C=C s'ouvre et les monomères s'enchaînent :
Le polypropylène, utilisé pour les boîtes alimentaires et les pare-chocs, a pour fragment \(\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH(CH_3)-}\). Données : M(C) = 12,0 g·mol⁻¹ ; M(H) = 1,0 g·mol⁻¹.
Motif : \(\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-}\) ; monomère : le propène \(\mathrm{CH_2{=}CH-CH_3}\).
\(M_{\text{motif}} = 3 \times 12{,}0 + 6 \times 1{,}0 = 42{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\), donc \(n = \dfrac{1{,}05 \times 10^{5}}{42{,}0} = 2{,}50 \times 10^{3}\) motifs.
| Polymère | Origine | Utilisations courantes |
|---|---|---|
| cellulose | naturel (végétaux) | bois, coton, papier |
| amidon | naturel (végétaux) | aliments (pâtes, pain, pommes de terre) |
| protéines | naturel (êtres vivants) | laine, soie, cheveux (kératine) |
| ADN | naturel (êtres vivants) | support de l'information génétique |
| caoutchouc naturel | naturel (hévéa) | gants, pneus |
| polyéthylène (PE) | synthétique | sacs, flacons, films alimentaires |
| polychlorure de vinyle (PVC) | synthétique | tuyaux, fenêtres, câbles |
| polystyrène (PS) | synthétique | emballages, isolants |
| polyester (PET) | synthétique | bouteilles d'eau, fibres textiles |
| polyamide (nylon) | synthétique | vêtements, cordes |
Rappel de première : un protocole de synthèse comporte une transformation (les réactifs réagissent), une séparation (on isole le produit brut), une purification et une identification du produit (température de fusion, chromatographie, spectroscopie…). Chaque étape peut être optimisée pour gagner du temps ou de la matière.
On utilise les facteurs cinétiques :
Le chauffage à reflux permet de chauffer le mélange réactionnel longtemps sans perte de matière : les vapeurs montent dans le réfrigérant, où l'eau froide qui circule les condense ; elles retombent alors dans le ballon. Le réfrigérant reste ouvert en haut pour éviter une surpression. La pierre ponce régularise l'ébullition, et le support élévateur permet de retirer rapidement le chauffage.
Voici un extrait de protocole de synthèse de l'éthanoate d'éthyle : « Dans un ballon, introduire 20 mL d'éthanol, 20 mL d'acide éthanoïque, 1 mL d'acide sulfurique concentré et quelques grains de pierre ponce. Chauffer à reflux pendant 30 minutes. »
Le chauffage (augmentation de la température) et l'ajout d'acide sulfurique, qui joue le rôle de catalyseur.
Pour chauffer sans perdre les réactifs et les produits, qui sont volatils : les vapeurs sont condensées et retombent dans le ballon.
Le rendement d'une synthèse est limité lorsque la transformation n'est pas totale. C'est le cas de l'estérification, qui conduit à un état d'équilibre de constante \(K = 4{,}0\) :
On mélange 1,0 mol d'acide éthanoïque et 1,0 mol d'éthanol. On note x l'avancement à l'équilibre.
Acide et alcool : \(1{,}0 - x\) ; ester et eau : \(x\). Donc :
\(x = 2{,}0 \times (1{,}0 - x)\), soit \(x = \dfrac{2{,}0}{3{,}0} = 0{,}67\ \text{mol}\) : on obtient le rendement ci-dessous.
Avec un mélange stœchiométrique, le rendement de l'estérification est limité à :
Modifiez la quantité d'éthanol introduite pour 1 mol d'acide, puis éliminez une partie de l'eau formée. Observez le rendement.
Une molécule complexe (médicament, arôme, polymère…) est rarement obtenue en une seule étape. On distingue deux types de modifications :
On compare les réactifs et les produits :
Une réaction peut aussi être une réaction d'oxydoréduction (transfert d'électrons, par exemple l'oxydation d'un alcool par l'ion permanganate) ou une réaction acide-base (transfert d'un ion \(\mathrm{H^+}\)).
Identifiez la catégorie de chacune des réactions suivantes.
Deux réactifs donnent un seul produit et la double liaison disparaît : addition.
Un réactif donne deux produits et une double liaison se forme : élimination.
Le groupe OH est remplacé par un atome de chlore : substitution.
À partir d'une banque de réactions fournie, on choisit l'ordre des étapes qui transforment les réactifs disponibles en la molécule voulue (la molécule cible).
On veut synthétiser l'éthanoate d'éthyle en partant uniquement d'éthène \(\mathrm{CH_2{=}CH_2}\). Banque de réactions :
R3 nécessite l'acide éthanoïque et l'éthanol.
R1 transforme l'éthène en éthanol ; une partie de cet éthanol est oxydée en acide éthanoïque par R2. On obtient la séquence ci-dessous.
Quand un réactif possède plusieurs groupes caractéristiques capables de réagir, on obtient un mélange de produits. Exemple : en faisant réagir la glycine (Gly) et l'alanine (Ala), deux acides α-aminés, on obtient quatre dipeptides : Gly–Gly, Gly–Ala, Ala–Gly et Ala–Ala.
La chimie verte cherche à réduire l'impact environnemental des synthèses. Pour comparer deux voies de synthèse, on examine :
Calculez l'économie d'atomes de l'estérification de l'acide éthanoïque (\(M = 60{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)) par l'éthanol (\(M = 46{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)), qui donne l'éthanoate d'éthyle (\(M = 88{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)) et de l'eau.
\(EA = \dfrac{88{,}0}{60{,}0 + 46{,}0} \times 100 = 83\ \%\) : 17 % de la masse des réactifs part dans le sous-produit, l'eau, qui est sans danger.
L'essentiel à retenir du chapitre.
On considère les trois molécules A, B et C suivantes.
Les trois ont pour formule brute \(\mathrm{C_4H_8O}\) : ce sont des isomères de constitution.
A et B : isomères de fonction (aldéhyde et cétone). A et C : isomères de chaîne (chaîne linéaire et chaîne ramifiée).
A : butanal ; B : butanone (ou butan-2-one) ; C : 2-méthylpropanal.
Le PVC est obtenu par polymérisation du chloroéthène \(\mathrm{CH_2{=}CHCl}\). Un échantillon a une masse molaire moyenne de \(1{,}25 \times 10^{5}\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\). Données : M(C) = 12,0 ; M(H) = 1,0 ; M(Cl) = 35,5 (en g·mol⁻¹).
\(M_{\text{motif}} = 2 \times 12{,}0 + 3 \times 1{,}0 + 35{,}5 = 62{,}5\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\) ; \(n = \dfrac{1{,}25 \times 10^{5}}{62{,}5} = 2{,}00 \times 10^{3}\).
\(\dfrac{35{,}5}{62{,}5} \times 100 = 56{,}8\ \%\). Plus de la moitié de la masse est du chlore : l'incinération libère du chlorure d'hydrogène, gaz toxique et corrosif, qu'il faut traiter. D'où l'intérêt du recyclage.
L'éthanoate de 3-méthylbutyle a une odeur de banane. On le synthétise à partir d'acide éthanoïque et de 3-méthylbutan-1-ol :
Protocole : dans un ballon, introduire 10,0 mL de 3-méthylbutan-1-ol, 15,0 mL d'acide éthanoïque, 1 mL d'acide sulfurique concentré et de la pierre ponce. Chauffer à reflux 30 min. Après séparation et purification, on obtient 8,6 g d'ester.
| M (g·mol⁻¹) | ρ (g·mL⁻¹) | |
|---|---|---|
| 3-méthylbutan-1-ol | 88,0 | 0,81 |
| acide éthanoïque | 60,0 | 1,05 |
| ester | 130,0 | 0,87 |
Groupe ester entouré ; la chaîne à droite de l'oxygène (5 carbones, ramifiée) provient du 3-méthylbutan-1-ol.
Le chauffage à reflux (température élevée sans perte de matière) et l'acide sulfurique, catalyseur.
Alcool : \(n = \dfrac{0{,}81 \times 10{,}0}{88{,}0} = 9{,}2 \times 10^{-2}\ \text{mol}\) ; acide : \(n = \dfrac{1{,}05 \times 15{,}0}{60{,}0} = 0{,}26\ \text{mol}\). L'acide est en excès : cela déplace l'équilibre dans le sens direct et augmente le rendement.
\(m_{\max} = n_{\max} \times M_{\text{ester}} = 9{,}205 \times 10^{-2} \times 130{,}0 = 11{,}97\ \text{g}\), donc \(r = \dfrac{8{,}6}{11{,}97} \times 100 = 72\ \%\).
Éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation (appareil de Dean-Stark) : \(Q_r\) reste inférieur à K et la transformation continue dans le sens direct.
La propanone (acétone), un solvant très utilisé, peut être synthétisée en deux étapes :
Étape 1 :
Étape 2 :
L'étape 2 est réalisée avec un oxydant.
Propan-2-ol, un alcool.
Deux réactifs, un seul produit, la double liaison disparaît : c'est une addition.
La chaîne de 3 carbones ne change pas : les deux étapes sont des modifications de groupe caractéristique (alcène → alcool → cétone).
\(\mathrm{C_3H_8O = C_3H_6O + 2\,H^+ + 2\,e^-}\) : le propan-2-ol cède des électrons, c'est un réducteur. L'étape 2 est une oxydoréduction.