Karamö, le prof virtuelLeçon 2 sur 18
Les hydrocarbures
Je sais reconnaître et classer un hydrocarbure, écrire l'équation de sa combustion et exploiter cette équation pour calculer des masses et des volumes.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un hydrocarbure et citer ses sources naturelles
- Classer les hydrocarbures en familles à l'aide de leur formule générale
- Équilibrer l'équation de combustion complète ou incomplète d'un hydrocarbure
- Déterminer la formule d'un hydrocarbure gazeux par une analyse eudiométrique
Avant de commencer : La leçon « Introduction à la chimie organique » (tétravalence du carbone, formule brute), la quantité de matière et le volume molaire des gaz.
1Je découvre
À Labé, Mamadou aide son oncle, qui tient une petite station où l'on vend de l'essence, du gasoil et des bouteilles de gaz pour la cuisine. Un client arrive en moto, un autre en camion, une vendeuse de beignets vient échanger sa bouteille de gaz vide.
Mamadou se demande : l'essence, le gasoil et le gaz de la bouteille sont-ils des produits très différents ? Son professeur de chimie lui répond qu'ils appartiennent tous à la même famille chimique : ce sont des mélanges d'hydrocarbures, extraits du pétrole et du gaz naturel. Quand ils brûlent, ils donnent de l'énergie, mais aussi du dioxyde de carbone et de l'eau… et parfois un gaz invisible et mortel, le monoxyde de carbone.
Qu'est-ce qu'un hydrocarbure, comment les classer, et que se passe-t-il exactement quand ils brûlent ?
2Je comprends
1. Définition et origine
Un hydrocarbure est un composé organique formé uniquement de carbone et d'hydrogène. Sa formule brute s'écrit CxHy.
Les hydrocarbures proviennent surtout :
- du pétrole brut, un mélange liquide de très nombreux hydrocarbures ;
- du gaz naturel, composé en grande partie de méthane CH4 ;
- du charbon (houille), dont on peut extraire du benzène et d'autres composés.
Le méthane se forme aussi naturellement dans les marécages, les rizières inondées et les tas d'ordures, par la décomposition des matières végétales sans air.
2. Classer les hydrocarbures
On classe les hydrocarbures selon les liaisons entre atomes de carbone et la forme de la chaîne.
- Un hydrocarbure est saturé s'il ne contient que des liaisons simples C-C : chaque carbone porte le maximum d'atomes d'hydrogène.
- Il est insaturé s'il contient au moins une liaison double C=C ou triple C ≡ C.
- La chaîne est ouverte (droite ou ramifiée) ou fermée (cyclique).
| Famille | Liaison caractéristique | Formule générale | Premier exemple |
|---|---|---|---|
| Alcanes | simples uniquement, chaîne ouverte | CnH2n+2 | méthane CH4 |
| Cyclanes | simples, un cycle | CnH2n (n ≥ 3) | cyclohexane C6H12 |
| Alcènes | une double liaison C=C | CnH2n (n ≥ 2) | éthylène C2H4 |
| Alcynes | une triple liaison C ≡ C | CnH2n-2 (n ≥ 2) | acétylène C2H2 |
| Aromatiques | noyau benzénique | CnH2n-6 (benzène et homologues) | benzène C6H6 |
Remarque : une même formule générale peut correspondre à deux familles. CnH2n peut être un alcène ou un cyclane ; il faut un test chimique (leçon sur les alcènes) pour trancher.
- Seulement des liaisons simples C–C
- Alcanes CnH2n+2, cyclanes CnH2n
- Réaction typique : substitution
- Ne décolorent pas l'eau de brome à l'obscurité
- Au moins une liaison C=C ou C≡C
- Alcènes CnH2n, alcynes CnH2n−2
- Réaction typique : addition
- Décolorent rapidement l'eau de brome
3. Propriétés physiques générales
- Les hydrocarbures sont insolubles dans l'eau et moins denses qu'elle : l'essence ou le gasoil renversé flotte à la surface d'une flaque.
- Les plus petits (1 à 4 atomes de carbone) sont gazeux à la température ordinaire ; les moyens sont liquides ; les plus lourds sont solides (paraffine des bougies, bitume des routes).
- Ils sont inflammables : on ne stocke jamais d'essence près d'un feu.
4. La combustion complète
Tous les hydrocarbures brûlent dans le dioxygène. Lorsque le dioxygène est en excès, la combustion est complète et ne donne que du dioxyde de carbone et de l'eau :
CxHy + (x + y4) O2 → x CO2 + y2 H2O
Cette réaction dégage beaucoup de chaleur : c'est pour cela qu'on utilise les hydrocarbures comme combustibles (cuisine, moteurs, groupes électrogènes).
Méthode
Pour équilibrer la combustion complète de C_xH_y :
- J'écris x devant CO2 (conservation du carbone).
- J'écris y/2 devant H2O (conservation de l'hydrogène).
- Je compte les atomes d'oxygène à droite : 2x + y/2 ; je place la moitié, x + y/4, devant O2.
- Si le coefficient de O2 est fractionnaire, je peux tout multiplier par 2.
- Je vérifie C, H et O de chaque côté.
Exemple
Écrire la combustion complète du butane C4H10 (gaz des bouteilles de cuisine), puis calculer, pour 580 g de butane brûlé, la masse de CO2 formée et le volume de dioxygène consommé (Vm = 24 L/mol).
x = 4, y = 10 : x + y/4 = 4 + 2,5 = 6,5.
C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O, soit 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O.
M(C4H10) = 4 × 12 + 10 = 58 g/mol, donc n = 580/58 = 10 mol.
n(CO2) = 4 × 10 = 40 mol, m(CO2) = 40 × 44 = 1 760 g = 1,76 kg.
n(O2) = 6,5 × 10 = 65 mol, V(O2) = 65 × 24 = 1 560 L.
5. La combustion incomplète : un danger réel
Quand le dioxygène manque (pièce fermée, fourneau mal réglé, moteur en marche dans un garage fermé), la combustion est incomplète. Elle produit :
- du carbone (suie, fumée noire) : CH4 + O2 → C + 2 H2O ;
- du monoxyde de carbone CO : 2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O.
Le monoxyde de carbone est incolore et inodore. Il se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place du dioxygène : il peut tuer une personne endormie sans qu'elle s'en rende compte. C'est pourquoi on n'allume jamais un fourneau à charbon ou un groupe électrogène dans une chambre fermée. Une flamme bleue indique une bonne combustion ; une flamme jaune et fumeuse indique une combustion incomplète.
6. Trouver la formule d'un hydrocarbure gazeux : l'eudiométrie
Pour des gaz mesurés dans les mêmes conditions de température et de pression, les volumes sont proportionnels aux quantités de matière. On peut donc lire l'équation de combustion directement en volumes.
Dans un eudiomètre, on fait brûler un volume V d'hydrocarbure avec du dioxygène en excès. Après refroidissement, l'eau est liquide (son volume est négligeable). On fait passer le gaz restant dans une solution de potasse, qui absorbe le CO2.
Exemple
On brûle 10 cm³ d'un hydrocarbure gazeux. La combustion consomme 50 cm³ de dioxygène et produit 30 cm³ de CO2. Trouver sa formule.
Pour 1 volume d'hydrocarbure : x volumes de CO2 et (x + y/4) volumes de O2.
x = 30/10 = 3.
x + y/4 = 50/10 = 5, donc y/4 = 2 et y = 8.
Formule : C3H8 (le propane). Vérification : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O.
7. L'importance des hydrocarbures pour la Guinée
Les hydrocarbures sont partout dans la vie quotidienne : carburants des taxis-brousse et des pirogues à moteur, gaz de cuisine, gasoil des groupes électrogènes, bitume des routes, plastiques. Leur combustion rejette du CO2, un gaz à effet de serre : utiliser moins de carburant et entretenir les moteurs protège à la fois le porte-monnaie et l'environnement.
3Je retiens
Je retiens
Un hydrocarbure ne contient que C et H : formule C_xH_y.
Alcanes C_nH_{2n+2} (saturés) ; alcènes C_nH_{2n} ; alcynes C_nH_{2n−2} ; cyclanes C_nH_{2n} ; benzène et homologues C_nH_{2n−6}.
Combustion complète : C_xH_y + (x + y/4) O2 → x CO2 + (y/2) H2O.
Combustion incomplète (manque de O2) : suie C et monoxyde de carbone CO, gaz mortel, incolore et inodore.
Pour des gaz dans les mêmes conditions, les volumes sont proportionnels aux quantités de matière.
La potasse absorbe le CO2 : c'est ainsi qu'on mesure son volume dans l'eudiomètre.
4Erreurs fréquentes
- Écrire y devant H2O au lieu de y/2 : chaque molécule d'eau contient 2 atomes d'hydrogène.
- Oublier que O2 contient 2 atomes : le coefficient de O2 vaut la MOITIÉ du nombre d'atomes d'oxygène à droite.
- Compter le volume d'eau dans l'eudiomètre : après refroidissement, l'eau est liquide et son volume est négligé.
- Conclure « alcène » dès qu'on trouve C_nH_{2n} : ce peut aussi être un cyclane.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Classe chaque hydrocarbure dans sa famille à l'aide de la formule générale : CH4 ; C2H4 ; C3H4 ; C5H12 ; C6H6.
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CH4 et C5H12 : forme CnH2n+2, ce sont des alcanes.
C2H4 : forme CnH2n avec n = 2 ; un cycle est impossible avec 2 carbones, c'est un alcène (l'éthylène).
C3H4 : forme CnH2n-2, c'est un alcyne (le propyne).
C6H6 : forme CnH2n-6, c'est le benzène, hydrocarbure aromatique.
2Exercice 2
Équilibre les équations de combustion complète :
a) du propane C3H8 ; b) de l'éthylène C2H4 ; c) de l'acétylène C2H2.
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a) C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O.
b) C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O.
c) C2H2 + 52 O2 → 2 CO2 + H2O, soit 2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O.
3Exercice 3
On brûle complètement 1,0 kg de méthane.
a) Écris l'équation de la réaction.
b) Calcule la masse de dioxyde de carbone rejetée.
c) Calcule le volume de dioxygène consommé (Vm = 24 L/mol).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
b) n(CH4) = 100016 = 62,5 mol ; n(CO2) = 62,5 mol ; m(CO2) = 62,5 × 44 = 2 750 g = 2,75 kg.
c) n(O2) = 2 × 62,5 = 125 mol ; V(O2) = 125 × 24 = 3 000 L = 3 m³.
4Exercice 4
Aïssatou prépare le repas sur un fourneau à charbon de bois. Sa grand-mère veut placer le fourneau dans la chambre pour se réchauffer pendant l'harmattan.
a) Écris l'équation de la combustion complète puis incomplète (formation de CO) du carbone.
b) Explique à la grand-mère, en trois phrases, pourquoi c'est dangereux.
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a) Complète : C + O2 → CO2. Incomplète : 2 C + O2 → 2 CO.
b) Dans une chambre fermée, le dioxygène s'épuise et le charbon produit du monoxyde de carbone. Ce gaz ne se voit pas et ne se sent pas. Il empêche le sang de transporter le dioxygène et peut tuer pendant le sommeil ; il faut donc toujours utiliser le fourneau dehors ou dans un lieu bien aéré.
5Exercice 5
(Type examen) Dans un eudiomètre, on introduit 20 cm³ d'un hydrocarbure gazeux CxHy et 150 cm³ de dioxygène. Après combustion complète et refroidissement, il reste 110 cm³ de gaz. Ce gaz, passé dans la potasse, perd 80 cm³.
a) Quels sont les gaz présents après refroidissement ? Que représentent les 80 cm³ ?
b) Détermine x, puis le volume de dioxygène consommé.
c) Déduis-en y et la formule brute. À quelles familles ce composé peut-il appartenir ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Après refroidissement, l'eau est liquide ; il reste le CO2 formé et le dioxygène en excès. La potasse absorbe le CO2 : les 80 cm³ sont le volume de CO2 formé.
b) x = 8020 = 4. Dioxygène restant : 110 - 80 = 30 cm³ ; dioxygène consommé : 150 - 30 = 120 cm³.
c) x + y4 = 12020 = 6, donc y4 = 2 et y = 8. Formule brute : C4H8. Vérification : C4H8 + 6 O2 → 4 CO2 + 4 H2O.
C4H8 est de la forme CnH2n : c'est un alcène (butène) ou un cyclane (cyclobutane, méthylcyclopropane).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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