Karamö, le prof virtuelLeçon 10 sur 18
La pétrochimie
Je sais expliquer comment on sépare et transforme le pétrole (distillation, craquage, reformage), ce qu'est l'indice d'octane, et comment la pétrochimie fabrique les plastiques et de nombreux produits.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le pétrole brut et le principe de sa distillation fractionnée
- Écrire des équations de craquage et de vapocraquage
- Définir l'indice d'octane et le rôle du reformage
- Citer les grands produits de la pétrochimie et leurs effets sur l'environnement
Avant de commencer : Les leçons sur les hydrocarbures, les alcanes, les alcènes et le benzène (formules, combustion, polymérisation).
1Je découvre
Sur la route nationale, entre Kissidougou et Guéckédou, Sékou voyage dans un taxi-brousse. Le chauffeur s'arrête pour faire le plein de gasoil. Sur la pompe voisine, on lit « Super ». Au bord de la route, des sachets plastiques et des bidons vides traînent dans l'herbe.
Sékou se pose des questions : l'essence, le gasoil, le pétrole lampant, le gaz de cuisine, le bitume de la route et même le sachet plastique viennent tous du pétrole brut, un liquide noir et épais qui sort du sous-sol. Comment un seul liquide peut-il donner des produits aussi différents ? Et que veut dire le chiffre « 95 » affiché sur certaines pompes ?
Comment sépare-t-on et transforme-t-on le pétrole, et que fabrique la pétrochimie ?
2Je comprends
1. Le pétrole brut
Le pétrole brut est un mélange de très nombreux hydrocarbures (surtout des alcanes et des cyclanes, et des composés aromatiques), avec un peu de composés soufrés, oxygénés et azotés. Il s'est formé pendant des millions d'années, à partir de restes d'organismes marins enfouis sous des sédiments, à l'abri de l'air, sous l'effet de la chaleur et de la pression.
Le gaz naturel, souvent trouvé avec le pétrole, est surtout formé de méthane.
Le pétrole brut n'est pas utilisable tel quel : il faut d'abord le raffiner (le séparer en fractions), puis transformer certaines fractions. La pétrochimie est l'ensemble des industries qui fabriquent des produits chimiques à partir du pétrole et du gaz naturel.
2. La distillation fractionnée
Les hydrocarbures du pétrole n'ont pas la même température d'ébullition : plus une molécule contient d'atomes de carbone, plus elle bout à haute température. On chauffe le pétrole vers 350 à 400 °C et on envoie ses vapeurs dans une haute colonne de distillation. En montant, les vapeurs se refroidissent ; chaque fraction se condense à la hauteur où la température est égale à sa température d'ébullition.
| Fraction (du haut vers le bas) | Nombre de carbones (environ) | Usages |
|---|---|---|
| Gaz | 1 à 4 | gaz de cuisine (butane, propane) |
| Essence (naphta) | 5 à 10 | carburant des voitures, matière première de la pétrochimie |
| Kérosène | 10 à 16 | carburant des avions, pétrole lampant |
| Gasoil | 14 à 20 | moteurs diesel, groupes électrogènes |
| Fioul lourd | plus de 20 | centrales, navires |
| Résidu | très lourd | bitume des routes, paraffine |
- 1Le pétrole brut est chauffé dans un four vers 350 à 400 °C.
- 2Ses vapeurs entrent en bas de la colonne de distillation.
- 3En montant, elles se refroidissent : les plus lourdes se condensent en bas.
- 4Les plus légères (gaz, essence) montent jusqu'en haut de la colonne.
- 5Chaque fraction est recueillie à un étage différent.
- 6Le résidu qui ne s'évapore pas sort au fond : il donne le bitume.
3. Le craquage
La distillation donne trop de fractions lourdes et pas assez d'essence. On casse donc les grosses molécules en molécules plus petites : c'est le craquage. Il donne toujours un alcane plus court et un ou plusieurs alcènes.
- Craquage catalytique (vers 500 °C, avec un catalyseur) : pour fabriquer de l'essence.
C10H22 → C8H18 + C2H4
- Vapocraquage (vers 800 °C, en présence de vapeur d'eau, sans catalyseur) : pour fabriquer surtout des alcènes légers, éthylène et propène, bases de la pétrochimie.
C6H14 → C4H10 + C2H4
Méthode
Pour équilibrer une équation de craquage :
- J'écris l'alcane de départ C_nH_{2n+2}.
- Je retire les produits connus : je soustrais les nombres de C, puis de H.
- Je vérifie que ce qui reste correspond à une formule d'alcène C_mH_{2m} (ou à plusieurs molécules d'alcène).
- Je contrôle que les C et les H sont conservés.
Exemple
Compléter : C16H34 → C8H18 + … (le reste ne contient que de l'éthylène).
Carbones restants : 16 − 8 = 8 ; hydrogènes restants : 34 − 18 = 16.
C8H16 correspond à 4 molécules d'éthylène C2H4 (4 × 2 = 8 C et 4 × 4 = 16 H).
C16H34 → C8H18 + 4 C2H4.
4. L'indice d'octane et le reformage
Dans un moteur à essence, le mélange d'air et d'essence doit brûler au moment où la bougie fait son étincelle. Certaines essences s'enflamment trop tôt, spontanément, sous l'effet de la compression : le moteur « cliquette » et s'abîme.
L'indice d'octane mesure la résistance d'une essence à cet auto-allumage. On compare l'essence à deux alcanes de référence :
- l'heptane (chaîne linéaire), qui s'enflamme très facilement : indice 0 ;
- le 2,2,4-triméthylpentane (appelé « isooctane », très ramifié), qui résiste bien : indice 100.
Une essence d'indice 95 se comporte comme un mélange de 95 % d'isooctane et 5 % d'heptane (en volume).
Les alcanes ramifiés et les composés aromatiques ont un indice d'octane élevé. Le reformage catalytique transforme des alcanes linéaires en alcanes ramifiés et en composés aromatiques : il améliore l'indice d'octane et fournit du benzène, du toluène et des xylènes. Il produit aussi du dihydrogène.
Par exemple, l'hexane peut se transformer en benzène : C6H14 → C6H6 + 4 H2.
5. De la pétrochimie à la vie quotidienne
À partir de quelques produits de base (éthylène, propène, benzène, méthane), la pétrochimie fabrique :
| Produit de base | Produits fabriqués | Exemples d'objets |
|---|---|---|
| éthylène | polyéthylène, PVC | sachets, bidons, tuyaux |
| propène | polypropylène | sacs tissés, chaises, cordes |
| benzène | polystyrène, nylon, colorants | emballages, filets de pêche |
| méthane (gaz naturel) | dihydrogène, puis ammoniac | engrais azotés (urée) |
Beaucoup de médicaments, de détergents, de peintures et de solvants viennent aussi de la pétrochimie.
6. Pétrole et environnement
- La combustion des carburants rejette du CO2, principal gaz à effet de serre lié aux activités humaines.
- Les plastiques se dégradent très lentement : les sachets bouchent les caniveaux, étouffent les sols et sont avalés par le bétail et les poissons.
- Les fuites de pétrole en mer (marées noires) détruisent la faune des côtes et des mangroves.
Réduire, réutiliser, recycler les plastiques et bien entretenir les moteurs sont des gestes utiles pour la Guinée, dont les carburants sont importés.
Exemple
Un litre d'essence a une masse d'environ 700 g. On l'assimile à de l'octane C8H18. Quelle masse de CO2 rejette-t-on en le brûlant complètement ?
2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O (O : 50 = 32 + 18).
M(C8H18) = 96 + 18 = 114 g/mol ; n = 700/114 ≈ 6,14 mol.
n(CO2) = 8 × 6,14 ≈ 49,1 mol ; m = 49,1 × 44 ≈ 2 160 g, soit environ 2,2 kg de CO2 par litre.
3Je retiens
Je retiens
Le pétrole brut est un mélange d'hydrocarbures ; on le sépare par distillation fractionnée (températures d'ébullition différentes).
Fractions : gaz (C1–C4), essence, kérosène, gasoil, fioul, résidu (bitume).
Craquage : une grosse molécule → un alcane plus court + un ou plusieurs alcènes (catalytique : essence ; vapocraquage : éthylène, propène).
Indice d'octane : heptane = 0 ; 2,2,4-triméthylpentane = 100. Alcanes ramifiés et aromatiques = indice élevé.
Reformage catalytique : alcanes linéaires → ramifiés et aromatiques ; améliore l'indice d'octane.
La pétrochimie fabrique plastiques, solvants, détergents, médicaments et engrais azotés.
4Erreurs fréquentes
- Croire que la distillation fabrique de nouvelles molécules : elle ne fait que SÉPARER ; ce sont le craquage et le reformage qui transforment.
- Penser que l'indice d'octane mesure la quantité d'octane dans l'essence : il mesure la résistance à l'auto-allumage.
- Oublier l'alcène dans un craquage : un alcane ne peut pas se couper en deux alcanes sans perdre d'hydrogène.
- Placer les fractions lourdes en haut de la colonne : ce sont les plus légères qui montent le plus haut.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Réponds aux questions.
a) Sur quelle propriété physique repose la distillation fractionnée du pétrole ?
b) Parmi le gasoil, le gaz et l'essence, lequel est recueilli le plus haut dans la colonne ? Pourquoi ?
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a) Sur la différence des températures d'ébullition des hydrocarbures.
b) Le gaz : ses molécules (1 à 4 carbones) ont les températures d'ébullition les plus basses ; elles restent gazeuses jusqu'en haut de la colonne, qui est la partie la plus froide.
2Exercice 2
Complète les équations de craquage.
a) C12H26 → C8H18 + … (un seul alcène)
b) C6H14 → C2H4 + …
Nomme les produits.
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a) C : 12 - 8 = 4 ; H : 26 - 18 = 8 : C4H8. C12H26 → C8H18 + C4H8 : un octane et un butène.
b) C : 6 - 2 = 4 ; H : 14 - 4 = 10 : C4H10. C6H14 → C2H4 + C4H10 : de l'éthylène et un butane.
3Exercice 3
Une essence se comporte comme un mélange de 30 % d'heptane et 70 % de 2,2,4-triméthylpentane.
a) Quel est son indice d'octane ?
b) Écris la formule semi-développée du 2,2,4-triméthylpentane et donne sa formule brute.
c) Pourquoi un pétrolier pratique-t-il le reformage catalytique ?
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a) Indice d'octane : 70.
b) CH3-C(CH3)2-CH2-CH(CH3)-CH3 ; formule brute C8H18.
c) Pour transformer les alcanes linéaires en alcanes ramifiés et en aromatiques, qui résistent mieux à l'auto-allumage : cela augmente l'indice d'octane de l'essence (et fournit des aromatiques et du dihydrogène).
4Exercice 4
(Type examen) Un groupe électrogène consomme 5 L d'essence par soirée. On assimile l'essence à de l'octane C8H18, de masse volumique 0,70 kg/L.
a) Écris l'équation de la combustion complète de l'octane.
b) Calcule la masse d'octane brûlée en une soirée.
c) Calcule la masse de CO2 rejetée.
d) Calcule le volume d'air nécessaire, sachant que l'air contient 20 % de dioxygène en volume (Vm = 24 L/mol).
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a) 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O.
b) m = 5 × 0,70 = 3,5 kg = 3 500 g.
c) n(C8H18) = 3 500114 ≈ 30,7 mol ; n(CO2) = 8 × 30,7 ≈ 245,6 mol ; m(CO2) ≈ 245,6 × 44 ≈ 10 800 g, soit environ 10,8 kg.
d) n(O2) = 12,5 × 30,7 ≈ 383,8 mol ; V(O2) ≈ 383,8 × 24 ≈ 9 210 L ; V(air) = 9 2100,20 ≈ 46 000 L, soit environ 46 m³.
5Exercice 5
Un échantillon de PVC a une masse molaire moyenne de 125 000 g/mol.
a) Donne le monomère du PVC, sa formule et sa masse molaire.
b) Calcule le degré de polymérisation.
c) Cite deux problèmes posés par les déchets plastiques en Guinée et deux gestes pour les réduire.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Chlorure de vinyle CH2=CHCl ; M = 24 + 3 + 35,5 = 62,5 g/mol.
b) n = 125 00062,5 = 2 000.
c) Problèmes : caniveaux bouchés qui provoquent des inondations en saison des pluies ; sols et cours d'eau pollués, animaux qui avalent les sachets. Gestes : réutiliser les sacs (sacs en tissu, paniers), trier et collecter les plastiques pour le recyclage, ne pas les brûler ni les jeter dans la rue.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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