Karamö, le prof virtuelLeçon 12 sur 26
La chimie organique : introduction
Je sais reconnaître un composé organique, mettre en évidence le carbone et l'hydrogène qu'il contient, et exploiter sa formule brute (pourcentages, combustion).
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la chimie organique et distinguer composés organiques et composés minéraux
- Mettre en évidence expérimentalement le carbone, l'hydrogène (et l'azote) dans un composé organique
- Calculer les pourcentages massiques des éléments et retrouver une formule brute simple
- Écrire l'équation de la combustion complète d'un composé organique et en exploiter les quantités
Avant de commencer : La leçon « Calculer des masses et des volumes dans une réaction chimique », le test du dioxyde de carbone à l'eau de chaux, la notion de molécule et de formule chimique.
1Je découvre
Au marché de Kankan, Aïssatou fait les courses avec sa grand-mère : du riz, du fonio, de l'huile de palme, du beurre de karité, du sucre, du poisson fumé, du savon et un bidon en plastique pour l'huile. Sur le chemin du retour, elles achètent aussi du charbon de bois pour la cuisine.
En classe, le professeur de chimie annonce : « Presque tout ce que vous avez acheté appartient à la même grande famille de la chimie : la chimie organique. » Aïssatou est surprise. Quel rapport entre un bidon en plastique, un morceau de sucre et du poisson ?
Elle se souvient pourtant d'une observation : quand on laisse le sucre trop longtemps sur le feu pour faire du caramel, il devient brun puis noir, comme du charbon. Et quand l'huile de la poêle brûle, elle fait une fumée noire. Le riz brûlé au fond de la marmite est noir aussi.
Qu'ont en commun tous ces produits, et qu'est-ce que la chimie organique ?
2Je comprends
1. Une chimie née de l'étude des êtres vivants
Au début du XIXe siècle, les chimistes séparaient les substances en deux groupes :
- les substances minérales, venant des roches, de l'eau, de l'air (sel, calcaire, métaux) ;
- les substances organiques, extraites des êtres vivants (sucre, huiles, graisses, urée, alcool).
Beaucoup pensaient que seules les plantes et les animaux pouvaient fabriquer des substances organiques, grâce à une mystérieuse « force vitale ». En 1828, le chimiste allemand Friedrich Wöhler obtient en laboratoire de l'urée (une substance présente dans l'urine) à partir d'un composé minéral. Cette expérience montre que les substances organiques obéissent aux mêmes lois que les autres, et qu'on peut les synthétiser.
Aujourd'hui, on appelle chimie organique la chimie des composés du carbone. Un composé organique est un composé qui contient l'élément carbone, presque toujours associé à l'hydrogène, et souvent à l'oxygène et à l'azote.
Exceptions : quelques composés carbonés simples sont classés parmi les composés minéraux : le carbone pur (graphite, diamant), le monoxyde de carbone CO, le dioxyde de carbone CO2, les carbonates (comme le calcaire CaCO3) et les cyanures.
2. Des composés partout autour de nous
| Origine | Exemples de composés organiques |
|---|---|
| Végétale | sucre (saccharose), amidon du riz, du fonio et du manioc, huile de palme, huile d'arachide, beurre de karité, coton, bois |
| Animale | protéines de la viande et du poisson, graisses, lait, laine |
| Fossile | pétrole, essence, gasoil, gaz butane, charbon (qui contient surtout du carbone et quelques composés organiques) |
| Synthèse | plastiques (bidons, sachets, chaises), médicaments, colorants, textiles synthétiques |
On connaît aujourd'hui des millions de composés organiques, beaucoup plus que de composés minéraux. Cette grande variété vient d'une propriété particulière de l'atome de carbone, que tu étudieras dans la leçon suivante : il peut former quatre liaisons et s'enchaîner avec d'autres atomes de carbone.
- Contiennent du carbone lié à l'hydrogène
- Brûlent souvent facilement
- Se décomposent (noircissent) quand on les chauffe fort
- Souvent peu solubles dans l'eau
- Sucre, huile, butane, plastique
- Contiennent en général peu ou pas de carbone
- Brûlent rarement
- Résistent souvent à la chaleur
- Souvent solubles dans l'eau (sels)
- Sel, calcaire, eau, métaux, CO₂
3. Mettre en évidence le carbone et l'hydrogène
a) Le carbone
- Carbonisation : chauffé fortement sans flamme, le sucre fond, brunit (caramel) puis laisse un résidu noir de carbone. Le riz brûlé, le pain grillé trop longtemps et le bois transformé en charbon de bois montrent la même chose.
- Combustion : on brûle le composé et on fait passer les gaz dans l'eau de chaux. Elle se trouble : il s'est formé du dioxyde de carbone CO2, donc le composé contenait du carbone.
b) L'hydrogène
- Au-dessus de la flamme d'une bougie, un verre froid et sec se couvre de buée : il s'est formé de l'eau H2O, donc le composé contenait de l'hydrogène.
- Pour prouver qu'il s'agit bien d'eau, on utilise du sulfate de cuivre anhydre, poudre blanche qui devient bleue au contact de l'eau.
c) L'azote (dans les protéines : viande, cheveux, plumes)
- Chauffés avec de la chaux sodée, ces composés dégagent de l'ammoniac NH3, reconnaissable à son odeur piquante et au papier pH humide qui devient bleu (l'ammoniac est basique).
- 1Brûler un petit morceau de bougie sous un verre froid et sec retourné.
- 2Observer la buée sur la paroi et la tester au sulfate de cuivre anhydre : il bleuit, c'est de l'eau.
- 3Retourner le verre, verser un peu d'eau de chaux et agiter.
- 4Observer le trouble de l'eau de chaux : c'est du dioxyde de carbone.
- 5Conclure : la bougie contient les éléments carbone et hydrogène.
4. Formule brute et composition massique
La formule brute d'un composé indique la nature et le nombre de chaque atome de sa molécule : CxHyOzNt. Exemples : méthane CH4, butane C4H10, éthanol C2H6O, glucose C6H12O6.
Le pourcentage massique d'un élément est la part de la masse de la molécule due à cet élément :
\%C = 12xM × 100 ; \%H = 1 × yM × 100 ; \%O = 16zM × 100.
Méthode
Pour retrouver la formule brute d'un hydrocarbure CₓHᵧ à partir de sa masse molaire M et de %C :
- J'écris : 12x / M = %C / 100, donc x = (%C × M) / (12 × 100).
- J'arrondis x à l'entier le plus proche.
- Je calcule y = M − 12x (car chaque H pèse 1 g/mol).
- J'écris la formule CₓHᵧ et je vérifie que 12x + y = M.
Exemple
Calculer la composition massique de l'éthanol C₂H₆O. (C = 12 ; H = 1 ; O = 16)
M = 2 × 12 + 6 × 1 + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 g/mol.
%C = 24 / 46 × 100 ≈ 52,2 % ; %H = 6 / 46 × 100 ≈ 13,0 % ; %O = 16 / 46 × 100 ≈ 34,8 %.
Contrôle : 52,2 + 13,0 + 34,8 = 100 %.
Exemple
Un hydrocarbure gazeux a pour masse molaire 44 g/mol et contient 81,8 % de carbone en masse. Trouver sa formule brute.
x = (81,8 × 44) / (12 × 100) = 3 599,2 / 1 200 ≈ 3,0, donc x = 3.
y = 44 − 12 × 3 = 44 − 36 = 8.
Formule brute : C₃H₈ (le propane). Vérification : 12 × 3 + 8 = 44 g/mol.
5. La combustion des composés organiques
Les composés organiques formés de C, H (et O) brûlent dans le dioxygène.
- Combustion complète (dioxygène en quantité suffisante) : flamme bleue, il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau.
- Combustion incomplète (manque de dioxygène) : flamme jaune, fumée noire ; il se forme aussi du carbone (suie) et du monoxyde de carbone CO, un gaz très toxique, sans odeur. C'est pourquoi il ne faut jamais faire brûler du charbon de bois dans une pièce fermée.
Pour un hydrocarbure CxHy : CxHy + (x + y4)O2 → xCO2 + y2H2O.
Exemple
Écrire l'équation de la combustion complète de l'éthanol C₂H₆O.
Produits : CO₂ et H₂O. Carbone : 2 CO₂ ; hydrogène : 6 H donnent 3 H₂O.
Oxygène à droite : 2 × 2 + 3 = 7 atomes ; à gauche, l'éthanol en apporte 1, il faut donc 6 atomes, soit 3 O₂.
C₂H₆O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O.
3Je retiens
Je retiens
La chimie organique est la chimie des composés du carbone (sauf C, CO, CO₂, carbonates et cyanures, classés minéraux).
Les composés organiques ont une origine végétale, animale, fossile ou de synthèse (Wöhler, urée, 1828).
Carbone : carbonisation (résidu noir) ou CO₂ qui trouble l'eau de chaux. Hydrogène : eau formée, qui bleuit le sulfate de cuivre anhydre.
Formule brute CₓHᵧO_z ; %C = 12x / M × 100.
Combustion complète : CO₂ + H₂O ; incomplète : aussi C (suie) et CO (toxique).
Hydrocarbure : CₓHᵧ + (x + y/4) O₂ → x CO₂ + (y/2) H₂O.
4Erreurs fréquentes
- Classer le CO₂ ou le calcaire parmi les composés organiques parce qu'ils contiennent du carbone : ce sont des exceptions, classées minérales.
- Croire qu'un composé organique vient forcément d'un être vivant : on en fabrique beaucoup par synthèse (plastiques, médicaments).
- Conclure à la présence d'oxygène dans un composé parce que sa combustion donne CO₂ et H₂O : l'oxygène peut venir entièrement du dioxygène de l'air.
- Oublier les atomes d'oxygène du composé lui-même en équilibrant sa combustion (cas de l'éthanol).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Classe les composés suivants en organiques ou minéraux : CH4 ; NaCl ; C2H6O ; CO2 ; CaCO3 ; C6H12O6 ; H2O ; C12H22O11.
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Organiques : CH4, C2H6O, C6H12O6, C12H22O11. Minéraux : NaCl, CO2, CaCO3, H2O (CO2 et CaCO3 contiennent du carbone, mais sont des exceptions classées minérales).
2Exercice 2
Mamadou chauffe fortement du sucre dans un tube à essai. Le sucre fond, devient brun, puis il reste un solide noir. Des gouttelettes apparaissent sur la partie froide du tube.
a) Quel est le solide noir ? Quel élément met-il en évidence ?
b) Que sont probablement les gouttelettes ? Comment le vérifier ? Quel élément mettent-elles en évidence ?
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a) Le solide noir est du carbone : il met en évidence l'élément carbone dans le sucre.
b) Ce sont probablement des gouttelettes d'eau. On le vérifie avec du sulfate de cuivre anhydre, qui devient bleu. Elles mettent en évidence l'élément hydrogène contenu dans le sucre.
3Exercice 3
Calcule les pourcentages massiques de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans l'acide éthanoïque C2H4O2, principal constituant du vinaigre après l'eau. On donne : C = 12 ; H = 1 ; O = 16.
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M(C2H4O2) = 24 + 4 + 32 = 60 g/mol.
\%C = 2460 × 100 = 40 % ; \%H = 460 × 100 ≈ 6,7 % ; \%O = 3260 × 100 ≈ 53,3 %.
Contrôle : 40 + 6,7 + 53,3 = 100 %.
4Exercice 4
Un hydrocarbure CxHy a une masse molaire de 58 g/mol et contient 82,8 % de carbone en masse. Détermine sa formule brute.
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x = 82,8 × 5812 × 100 = 4 802,41 200 ≈ 4,0, donc x = 4.
y = 58 - 12 × 4 = 10. Formule brute : C4H10 (le butane). Vérification : 48 + 10 = 58 g/mol.
5Exercice 5
(Type BEPC) On brûle complètement 2,3 g d'éthanol C2H6O dans le dioxygène. On donne : C = 12 ; H = 1 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Écris l'équation de la combustion complète.
b) Comment identifier chacun des deux produits formés ?
c) Calcule le volume de dioxygène consommé.
d) Calcule la masse de dioxyde de carbone et la masse d'eau formées.
e) Vérifie la conservation de la masse.
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a) C2H6O + 3O2 → 2CO2 + 3H2O.
b) Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux ; l'eau fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre.
c) M(C2H6O) = 46 g/mol ; n = 2,346 = 0,050 mol. n(O2) = 3 × 0,050 = 0,15 mol ; V(O2) = 0,15 × 22,4 = 3,36 L.
d) n(CO2) = 2 × 0,050 = 0,10 mol ; m(CO2) = 0,10 × 44 = 4,4 g.
n(H2O) = 3 × 0,050 = 0,15 mol ; m(H2O) = 0,15 × 18 = 2,7 g.
e) m(O2) = 0,15 × 32 = 4,8 g. Réactifs : 2,3 + 4,8 = 7,1 g ; produits : 4,4 + 2,7 = 7,1 g. La masse est conservée.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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