Objectifs

• Exploiter un tableau et un graphique de températures d'ébullition et de fusion.
• Prévoir l'état physique d'un alcane à une température donnée.
• Expliquer les tendances observées par les interactions de Van der Waals.
• Justifier la faible solubilité des alcanes dans l'eau par leur caractère apolaire.

1. Ce que disent les mesures

La masse molaire d'un alcane \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) se calcule avec \(M(\ce{C}) = 12\ \text{g·mol}^{-1}\) et \(M(\ce{H}) = 1\ \text{g·mol}^{-1}\) :

Voici les températures d'ébullition \(\theta_{eb}\) des huit premiers alcanes linéaires, sous la pression atmosphérique normale (valeurs arrondies des tables de données).

Les températures de fusion augmentent elles aussi avec la longueur de chaîne, même si c'est un peu moins régulier pour les tout premiers termes. Conséquence, à 20 °C et sous la pression normale :

• de \(\ce{CH4}\) à \(\ce{C4H10}\) : gaz (gaz naturel, gaz de cuisine) ;
• de \(\ce{C5H12}\) jusqu'à environ 16 ou 17 carbones : liquides (essence, pétrole lampant, gazole) ;
• au-delà : solides (paraffine des bougies, vaseline).

Exemple résolu 1 : identifier puis prévoir

Un alcane linéaire a une masse molaire de \(86\ \text{g·mol}^{-1}\). Identifie-le, puis indique son état à Niamey par une journée à 40 °C.

Exemple résolu 2 : le pentane à Niamey

Le pentane bout à 36 °C. Un flacon ouvert de pentane est posé au soleil à 40 °C. Que se passe-t-il ?

2. Expliquer : les interactions de Van der Waals

Pour faire bouillir un liquide, il faut séparer ses molécules les unes des autres. Les molécules d'alcanes s'attirent par des interactions de Van der Waals : ce sont des attractions électriques faibles, qui agissent à très courte distance entre toutes les molécules.

• Plus la chaîne est longue (plus la masse molaire est grande), plus la surface de contact entre molécules voisines est grande, plus les interactions sont intenses, et plus il faut d'énergie pour séparer les molécules : \(\theta_{eb}\) augmente.
• À formule brute identique, une molécule ramifiée est plus compacte, presque sphérique : elle offre moins de surface de contact, les interactions sont plus faibles et \(\theta_{eb}\) est plus basse.

Exemple résolu 3 : classer trois isomères

Le pentane, le 2-méthylbutane et le 2,2-diméthylpropane ont tous pour formule \(\ce{C5H12}\). Leurs températures d'ébullition sont 36 °C, 28 °C et 10 °C (valeurs arrondies). Attribue chaque valeur.

3. Polarité, solubilité et densité

Le carbone et l'hydrogène ont des électronégativités très proches : la liaison \(\ce{C-H}\) est pratiquement non polarisée, et la liaison \(\ce{C-C}\) ne l'est pas du tout. Les alcanes sont donc des molécules apolaires.

• L'eau est très polaire et ses molécules s'attirent fortement entre elles (liaisons hydrogène). Les molécules d'alcanes ne peuvent pas s'insérer entre elles : les alcanes sont pratiquement insolubles dans l'eau. On observe deux phases.
• Les alcanes se mélangent bien avec d'autres espèces apolaires : graisses, huiles, autres hydrocarbures. On résume souvent : « le semblable dissout le semblable ». C'est pourquoi l'essence ou l'hexane servent de solvants pour dissoudre des graisses.
• Les alcanes liquides sont moins denses que l'eau : leur masse volumique est inférieure à celle de l'eau (\(1\ \text{g·cm}^{-3}\)), par exemple environ \(0{,}66\ \text{g·cm}^{-3}\) pour l'hexane. Ils flottent sur l'eau.

flowchart LR
A[Liaisons C H peu polarisees] --> B[Molecule apolaire]
B --> C[Insoluble dans eau]
B --> D[Soluble dans les graisses]
C --> E[Deux phases alcane au dessus]

Exemple résolu 4 : prévoir une expérience

Dans un tube, Fatou verse 2 mL d'eau puis 2 mL d'heptane. Elle agite et laisse reposer. Décris et explique ce qu'elle observe.

4. Application : séparer les alcanes du pétrole

Dans la colonne de distillation, le pétrole est chauffé en bas. Les vapeurs montent et se refroidissent : chaque fraction se condense à la hauteur où la température devient inférieure à sa température d'ébullition. Les alcanes courts (gaz) sortent en haut, les plus longs (bitume, paraffines) restent en bas.

Exemple résolu 5 : ordre de sortie

Un mélange contient de l'heptane, du butane et du nonane (θéb ≈ 151 °C). Dans quel ordre ces alcanes sortent-ils, du haut de la colonne vers le bas ?

Erreurs fréquentes

• Dire que l'ébullition « casse les molécules » : elle sépare des molécules intactes.
• Penser que la masse molaire suffit toujours : entre isomères (même masse molaire), la ramification fait baisser \(\theta_{eb}\).
• Confondre « insoluble » et « plus lourd » : l'alcane ne se dissout pas et flotte, car il est moins dense que l'eau.
• Comparer une température à \(\theta_{eb}\) dans le mauvais sens : au-dessus de \(\theta_{eb}\), le corps est gazeux.

Récapitulatif

• \(M = 14n + 2\) ; quand \(n\) augmente, \(\theta_{eb}\) et \(\theta_{fus}\) augmentent.
• À 20 °C : gaz de C1 à C4, liquides ensuite, solides pour les longues chaînes.
• Cause : interactions de Van der Waals, plus intenses quand la surface de contact est grande ; une ramification les affaiblit.
• Alcanes apolaires : insolubles dans l'eau, solubles dans les graisses et solvants apolaires, moins denses que l'eau.
• Les différences de \(\theta_{eb}\) permettent la distillation fractionnée du pétrole.