Objectifs

• Relier l'état physique d'un alcane (gaz, liquide, solide) à la longueur de sa chaîne.
• Expliquer pourquoi la température d'ébullition augmente avec la masse molaire et diminue avec les ramifications.
• Savoir qu'un alcane est apolaire, et en déduire sa solubilité : insoluble dans l'eau, soluble dans les solvants apolaires.
• Décrire les interactions de Van der Waals entre molécules.

1. Les forces qui retiennent les molécules : Van der Waals

Dans un liquide ou un solide, les molécules restent proches parce qu'elles s'attirent. Entre molécules d'alcanes, ces attractions sont les interactions de Van der Waals : les électrons bougent sans arrêt dans la molécule, ce qui crée à chaque instant de petites charges partielles passagères ; elles attirent les électrons des molécules voisines, et les molécules se collent faiblement.

2. Températures d'ébullition et de fusion

2.1 Effet de la longueur de chaîne

Températures d'ébullition des alcanes linéaires sous pression normale (valeurs arrondies, données de référence du CRC Handbook of Chemistry and Physics) :

Pourquoi ? Une chaîne plus longue a plus d'électrons et une plus grande surface de contact avec ses voisines : les interactions de Van der Waals sont plus fortes, il faut plus d'énergie, donc une température plus élevée, pour séparer les molécules.

2.2 Effet des ramifications

Les trois isomères de \(\ce{C5H12}\) ont la même masse molaire, 72 g/mol, mais pas la même température d'ébullition (valeurs arrondies, CRC Handbook) :

• pentane (linéaire) : environ \(36\ ^\circ\mathrm{C}\) ;
• 2-méthylbutane (une ramification) : environ \(28\ ^\circ\mathrm{C}\) ;
• 2,2-diméthylpropane (très ramifié, presque sphérique) : environ \(10\ ^\circ\mathrm{C}\).

Exemple résolu 1

Classer par température d'ébullition croissante : hexane, butane, pentane, 2,2-diméthylpropane. Cherche d'abord.

Exemple résolu 2

Un jour de forte chaleur à Niamey, il fait \(40\ ^\circ\mathrm{C}\) à l'ombre. Dans quel état sont le pentane et l'hexane ?

3. Polarité et solubilité

3.1 Les alcanes sont apolaires

Le carbone et l'hydrogène ont des électronégativités très proches : la liaison C–H est donc très peu polarisée, et la liaison C–C ne l'est pas du tout. De plus, la forme tétraédrique répartit ces liaisons de façon symétrique. Résultat : une molécule d'alcane n'a pratiquement pas de pôle positif ni de pôle négatif, elle est apolaire.

3.2 Solubilité : « qui se ressemble s'assemble »

Exemple résolu 3

Fatou verse de l'hexane dans un tube à essai contenant de l'eau, agite, puis laisse reposer. Que voit-elle ?

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

• Entre molécules d'alcanes : interactions de Van der Waals, faibles, croissantes avec la taille et la surface de contact.
• Températures d'ébullition et de fusion : elles augmentent avec la masse molaire ; à masse égale, elles baissent avec les ramifications.
• À 25 °C : C1 à C4 gaz, C5 à environ C16 liquides, chaînes plus longues solides.
• Alcanes apolaires : insolubles dans l'eau, solubles dans les solvants apolaires, moins denses que l'eau.