Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 18
Le benzène
Je connais la structure et les propriétés physiques du benzène, et je sais écrire ses réactions de substitution (halogénation, nitration, sulfonation, alkylation) et calculer un rendement.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la structure géométrique du benzène et justifier sa stabilité
- Citer les propriétés physiques et les dangers du benzène
- Écrire les réactions de substitution du benzène avec leurs conditions
- Calculer une quantité de produit et un rendement
Avant de commencer : La leçon « Les composés aromatiques » (noyau benzénique, groupe phényle, nomenclature) et les leçons sur les alcanes et les alcènes (substitution, addition).
1Je découvre
Au laboratoire du lycée, à Boké, le professeur montre à Alpha et Kadiatou un flacon de benzène fermé, avec un pictogramme de danger. « On ne l'ouvrira pas : ses vapeurs sont dangereuses. Mais ce liquide est l'un des plus importants de toute la chimie. »
Il écrit au tableau : C6H6. Kadiatou calcule vite : pour 6 carbones, un alcane aurait 14 hydrogènes. Il en manque 8 ! « Il devrait avoir quatre liaisons doubles ou deux triples, et réagir encore plus vite qu'un alcène. »
Le professeur verse de l'eau de brome dans un autre composé aromatique, le toluène : la couleur orange ne disparaît pas. Kadiatou est surprise : une molécule aussi « insaturée » ne fait presque pas d'additions.
Comment la structure du benzène explique-t-elle sa grande stabilité, et quelles réactions peut-il faire ?
2Je comprends
1. Carte d'identité du benzène
Le benzène a été isolé pour la première fois par le physicien anglais Michael Faraday en 1825.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Formule brute | C6H6 ; M = 78 g/mol |
| État à 20 °C | liquide incolore, odeur caractéristique |
| Température d'ébullition | 80 °C environ |
| Température de fusion | 5,5 °C environ |
| Densité | 0,88 (moins dense que l'eau) |
| Solubilité | insoluble dans l'eau ; excellent solvant des graisses, du caoutchouc |
| Danger | inflammable, toxique et cancérogène |
2. Structure géométrique
Les mesures montrent que :
- les 6 atomes de carbone et les 6 atomes d'hydrogène sont dans un même plan ;
- les carbones forment un hexagone régulier : tous les angles valent 120° ;
- les six liaisons carbone-carbone ont la même longueur, 140 pm, entre celle d'une liaison simple (154 pm) et celle d'une double (134 pm).
| Liaison | Longueur (pm) |
|---|---|
| C-C (éthane) | 154 |
| C=C (éthylène) | 134 |
| C ⋯ C (benzène) | 140 |
Chaque carbone met en commun 3 de ses électrons avec ses voisins (2 carbones et 1 hydrogène). Il lui reste 1 électron : les 6 électrons restants sont délocalisés sur tout le cycle. Cette délocalisation rend le noyau très stable : le benzène « préfère » garder son cycle intact. Il fait donc surtout des substitutions (le cycle est conservé) et très difficilement des additions (le cycle serait détruit).
3. Les réactions de substitution
Dans une substitution sur le benzène, un atome H du cycle est remplacé par un atome ou un groupe ; il se forme un dérivé monosubstitué C6H5-X et une petite molécule (HX ou H2O). Ces réactions nécessitent un catalyseur.
a) Halogénation (chloration, bromation) avec un catalyseur à base de fer (Fe, FeCl3 ou FeBr3), à l'abri de la lumière :
C6H6 + Br2 xrightarrowFeBr3 C6H5Br + HBr (bromobenzène)
C6H6 + Cl2 xrightarrowFeCl3 C6H5Cl + HCl (chlorobenzène)
b) Nitration avec un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique concentrés (le « mélange sulfonitrique »), en chauffant modérément :
C6H6 + HNO3 xrightarrowH2SO4 C6H5NO2 + H2O (nitrobenzène)
Le nitrobenzène est un liquide jaune pâle ; on le transforme ensuite en aniline, base de nombreux colorants et médicaments.
c) Sulfonation avec l'acide sulfurique concentré, à chaud :
C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O (acide benzènesulfonique)
Les dérivés sulfonés servent à fabriquer des détergents (poudres à laver).
d) Alkylation (réaction de Friedel et Crafts), avec un chloroalcane et le chlorure d'aluminium comme catalyseur :
C6H6 + CH3Cl xrightarrowAlCl3 C6H5-CH3 + HCl (toluène)
Dans l'industrie, on fait réagir le benzène avec l'éthylène pour obtenir l'éthylbenzène, qui donne ensuite le styrène puis le polystyrène.
- 1Benzène + Br2 (catalyseur FeBr3) → bromobenzène C6H5Br + HBr.
- 2Benzène + HNO3 (catalyseur H2SO4) → nitrobenzène C6H5NO2 + H2O.
- 3Benzène + H2SO4 concentré → acide benzènesulfonique C6H5SO3H + H2O.
- 4Benzène + CH3Cl (catalyseur AlCl3) → toluène C6H5CH3 + HCl.
4. En plus pour la série SM : une deuxième substitution
Si l'on poursuit la réaction, un second H peut être remplacé. La position du deuxième substituant dépend du premier. Par exemple, la bromation du bromobenzène donne surtout des dérivés en positions 1,2 et 1,4, tandis que la nitration du nitrobenzène donne surtout le 1,3-dinitrobenzène. Avec le toluène et un grand excès d'acide nitrique, on peut remplacer trois H : on obtient le trinitrotoluène (TNT), un explosif.
5. Calculer une quantité de produit et un rendement
Dans une réaction réelle, on obtient souvent moins de produit que prévu (réaction incomplète, pertes pendant la purification). On définit le rendement :
r = quantité (ou masse) de produit obtenuequantité (ou masse) maximale prévue par l'équation × 100
Méthode
Pour calculer un rendement :
- J'écris l'équation équilibrée.
- Je calcule la quantité de matière du réactif limitant : n = m/M.
- J'en déduis, avec les coefficients, la quantité puis la masse maximale de produit (masse théorique).
- Je divise la masse réellement obtenue par la masse théorique et je multiplie par 100.
Exemple
On réalise la nitration de 39 g de benzène avec un excès d'acide nitrique. On recueille 49,2 g de nitrobenzène. Calculer le rendement.
C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O.
n(C6H6) = 39/78 = 0,50 mol ; le benzène est limitant, donc n(C6H5NO2) max = 0,50 mol.
M(C6H5NO2) = 6 × 12 + 5 + 14 + 2 × 16 = 123 g/mol ; m théorique = 0,50 × 123 = 61,5 g.
r = 49,2/61,5 × 100 = 80 %.
Exemple
On prépare 15,7 g de bromobenzène par bromation du benzène (rendement 100 %). Quel volume de bromure d'hydrogène se dégage (Vm = 24 L/mol) ?
M(C6H5Br) = 72 + 5 + 80 = 157 g/mol ; n = 15,7/157 = 0,10 mol.
D'après l'équation, n(HBr) = n(C6H5Br) = 0,10 mol ; V = 0,10 × 24 = 2,4 L.
6. Prudence
Le benzène provoque, en cas d'exposition prolongée, des maladies graves du sang. Il est donc réservé aux laboratoires équipés ; dans les exercices de lycée, on le manipule « sur le papier ». Les carburants en contiennent une petite quantité : on évite de respirer les vapeurs d'essence et on ne s'en sert jamais pour nettoyer ses mains.
3Je retiens
Je retiens
Benzène C6H6 (M = 78 g/mol) : liquide incolore, bout vers 80 °C, insoluble dans l'eau, toxique et cancérogène.
Molécule plane, hexagone régulier, angles de 120°, 6 liaisons C–C identiques (140 pm), 6 électrons délocalisés.
Le noyau est très stable : le benzène fait surtout des substitutions (le cycle est conservé), avec un catalyseur.
Halogénation : C6H6 + X2 → C6H5X + HX (catalyseur Fe, FeX3).
Nitration : C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O (H2SO4). Sulfonation : C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O.
Alkylation : C6H6 + R–Cl → C6H5–R + HCl (AlCl3).
Rendement r = masse obtenue / masse théorique × 100.
4Erreurs fréquentes
- Écrire C6H6Br2 comme produit de la bromation catalysée : avec FeBr3, c'est une substitution, le produit est C6H5Br + HBr.
- Oublier la petite molécule formée (HBr, HCl, H2O) : l'équation n'est alors pas équilibrée.
- Confondre les catalyseurs : fer ou FeX3 pour l'halogénation, H2SO4 pour la nitration, AlCl3 pour l'alkylation.
- Calculer un rendement supérieur à 100 % : c'est le signe d'une erreur de masse molaire ou de réactif limitant.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Réponds aux questions.
a) Donne la longueur des liaisons C–C dans le benzène et compare-la à celles de l'éthane et de l'éthylène.
b) Pourquoi le benzène fait-il plus facilement des substitutions que des additions ?
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a) Dans le benzène, toutes les liaisons C–C mesurent 140 pm ; c'est entre la liaison simple de l'éthane (154 pm) et la liaison double de l'éthylène (134 pm).
b) Les 6 électrons délocalisés sur le cycle le rendent très stable. Une substitution conserve le cycle et sa stabilité ; une addition le détruirait. La substitution est donc favorisée.
2Exercice 2
Écris les équations des réactions du benzène avec : a) le dichlore (catalyseur FeCl3) ; b) l'acide nitrique (catalyseur H2SO4) ; c) l'acide sulfurique concentré. Nomme les produits organiques.
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a) C6H6 + Cl2 xrightarrowFeCl3 C6H5Cl + HCl : chlorobenzène.
b) C6H6 + HNO3 xrightarrowH2SO4 C6H5NO2 + H2O : nitrobenzène.
c) C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O : acide benzènesulfonique.
3Exercice 3
On fait réagir 7,8 g de benzène avec un excès de chloroéthane en présence de chlorure d'aluminium.
a) Écris l'équation de la réaction et nomme le produit organique.
b) Calcule la masse maximale de ce produit.
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a) C6H6 + CH3-CH2Cl xrightarrowAlCl3 C6H5-CH2-CH3 + HCl : éthylbenzène.
b) n(C6H6) = 7,878 = 0,10 mol. M(C8H10) = 96 + 10 = 106 g/mol. m = 0,10 × 106 = 10,6 g.
4Exercice 4
(Type examen) On réalise la nitration de 15,6 g de benzène. Après purification, on recueille 22,14 g de nitrobenzène.
a) Écris l'équation de la réaction.
b) Calcule la masse théorique de nitrobenzène.
c) Calcule le rendement de la préparation.
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a) C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O.
b) n(C6H6) = 15,678 = 0,20 mol ; mth = 0,20 × 123 = 24,6 g.
c) r = 22,1424,6 × 100 = 90 \%.
5Exercice 5
La monohalogénation du benzène donne un composé C6H5X qui contient 50,96 % en masse d'halogène.
a) Exprime le pourcentage d'halogène en fonction de la masse molaire MX de l'halogène.
b) Calcule MX et identifie l'halogène (Cl : 35,5 ; Br : 80 ; I : 127 g/mol).
c) Écris l'équation de la réaction.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) M(C6H5X) = 77 + MX ; \%X = MX77 + MX × 100.
b) MX77 + MX = 0,5096, donc MX = 0,5096 × 77 + 0,5096 MX, soit 0,4904 MX = 39,24 et MX ≈ 80 g/mol. C'est le brome.
c) C6H6 + Br2 xrightarrowFeBr3 C6H5Br + HBr.
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6Je vérifie
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