Propriétés physiques des hydrocarbures : activités expérimentales et exploitation de mesures

Par des mesures et des expériences simples, on découvre que plus un hydrocarbure a une grande masse molaire, plus sa température d'ébullition est élevée et moins il s'évapore, et que les hydrocarbures ne se mélangent pas à l'eau : c'est ce qui explique leurs usages et leurs dangers.

Objectifs

Exploiter un tableau de mesures pour relier la masse molaire et la température d'ébullition des alcanes.
Prévoir l'état physique d'un alcane à la température ambiante.
Interpréter une expérience de volatilité et une expérience de solubilité.
Expliquer, à partir de ces propriétés, l'usage des hydrocarbures comme carburants et solvants, et quelques effets sur l'environnement.

Notions clés, activité 1 : masse molaire et température d'ébullition

Le tableau donne la masse molaire \(M\) et la température d'ébullition \(\theta_{\text{éb}}\) (sous pression normale, valeurs arrondies d'après le CRC Handbook of Chemistry and Physics) des huit premiers alcanes à chaîne linéaire. Masses molaires atomiques : \(M(\ce{C}) = 12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(M(\ce{H}) = 1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Alcane	Formule	\(M\) (g/mol)	\(\theta_{\text{éb}}\) (°C)
méthane	\(\ce{CH4}\)	16	−162
éthane	\(\ce{C2H6}\)	30	−89
propane	\(\ce{C3H8}\)	44	−42
butane	\(\ce{C4H10}\)	58	−0,5
pentane	\(\ce{C5H12}\)	72	36
hexane	\(\ce{C6H14}\)	86	69
heptane	\(\ce{C7H16}\)	100	98
octane	\(\ce{C8H18}\)	114	126

Questions de l'activité.

Comment évolue la température d'ébullition quand la masse molaire augmente ?
Quels alcanes du tableau sont gazeux à 25 °C ? Lesquels sont liquides ?
Le décane \(\ce{C10H22}\) a-t-il une température d'ébullition plus grande ou plus petite que celle de l'octane ?

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1. Les points montent régulièrement : quand \(M\) augmente, \(\theta_{\text{éb}}\) augmente. Les molécules plus longues s'attirent plus fortement entre elles ; il faut plus d'énergie pour les séparer.

2. Un corps est gazeux à 25 °C si sa température d'ébullition est inférieure à 25 °C. Méthane, éthane, propane et butane sont gazeux ; du pentane à l'octane, ils sont liquides.

3. \(M(\ce{C10H22}) = 10 \times 12 + 22 \times 1 = 142\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), plus grande que celle de l'octane : sa température d'ébullition est plus grande.

Et les isomères ?

Trois alcanes ont la formule \(\ce{C5H12}\), donc la même masse molaire, \(72\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Leurs températures d'ébullition (mêmes sources, valeurs arrondies) : pentane 36 °C, 2-méthylbutane 28 °C, 2,2-diméthylpropane 10 °C.

À 25 °C, lequel de ces alcanes est liquide ?

le propane
le butane
l'hexane
le méthane

L'hexane bout à 69 °C, au-dessus de 25 °C : il est liquide. Les trois autres bouillent en dessous de 0 °C et sont gazeux.

Activité 2 : qui s'évapore le plus vite ?

Protocole (démonstration du professeur). Sur deux verres de montre, on dépose une goutte d'essence et une goutte de pétrole lampant (kérosène), de même taille, loin de toute flamme. On observe les deux gouttes pendant quelques minutes.

Observation. La goutte d'essence disparaît bien avant celle de pétrole lampant.

Un liquide qui s'évapore facilement est dit volatil. L'essence contient surtout des hydrocarbures plus légers que ceux du pétrole lampant.

Interprétation : cherche d'abord

Les molécules les plus légères s'attirent le moins : elles quittent plus facilement le liquide.

Conclusion : plus la masse molaire d'un hydrocarbure est petite, plus il est volatil et plus sa température d'ébullition est basse. Volatilité et température d'ébullition varient en sens contraire.

Conséquence pratique : l'essence forme vite des vapeurs inflammables. On ne la stocke jamais dans une bouteille ouverte ni près d'un foyer.

Parmi ces alcanes liquides, lequel est le plus volatil ?

le pentane
l'hexane
l'heptane
l'octane

Le pentane a la plus petite masse molaire et la plus basse température d'ébullition (36 °C) : c'est lui qui s'évapore le plus vite.

Activité 3 : les hydrocarbures et l'eau

On réalise l'expérience suivante dans un tube à essais, étape par étape.

On verse quelques millilitres d'hexane sur l'eau, on agite puis on laisse reposer : deux couches se forment. L'hexane est insoluble dans l'eau.

On ajoute une goutte d'huile et on agite : l'huile se retrouve dans la couche d'hexane, l'eau reste limpide. L'hexane est un solvant des corps gras.

La couche d'hexane est au-dessus : l'hexane est moins dense que l'eau. C'est le cas des hydrocarbures liquides usuels, qui flottent sur l'eau.

Lors d'une fuite de gazole sur une rivière, le gazole :

se dissout dans l'eau et disparaît
forme une nappe à la surface de l'eau
coule au fond de la rivière
s'évapore entièrement en quelques secondes

Insoluble et moins dense que l'eau, le gazole forme une nappe en surface ; peu volatil, il ne s'évapore que lentement.

Exemples résolus : des propriétés aux usages

Exemple 1 : choisir le bon gaz pour la bouteille

Le propane bout à −42 °C et le butane à −0,5 °C. Dans un pays froid, une bouteille de gaz est posée dehors par une nuit à −10 °C. Lequel des deux gaz continuera à sortir de la bouteille ?

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Pour sortir en gaz, le liquide de la bouteille doit être au-dessus de sa température d'ébullition.

À −10 °C, on est en dessous de la température d'ébullition du butane (−0,5 °C) : le butane reste liquide dans la bouteille, presque rien ne sort.

Le propane bout à −42 °C : à −10 °C, il est au-dessus de sa température d'ébullition et il continue de sortir. C'est pour cette raison qu'on utilise du propane quand il fait froid.

Exemple 2 : calculer et classer

Classer par température d'ébullition croissante : le butane, le 2-méthylpropane (\(\ce{C4H10}\) ramifié) et le pentane. Justifier.

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Masses molaires : butane et 2-méthylpropane, \(4 \times 12 + 10 = 58\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ; pentane, \(5 \times 12 + 12 = 72\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Le pentane, plus lourd, bout le plus tard.

Entre les deux isomères de \(58\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), le plus ramifié bout le plus tôt.

Ordre croissant : 2-méthylpropane, puis butane, puis pentane.

Exemple 3 : carburants et environnement

Expliquer pourquoi les hydrocarbures sont de bons carburants, puis citer deux effets de leur usage sur l'environnement.

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Leur combustion avec le dioxygène de l'air libère beaucoup d'énergie, et ceux qui sont liquides se transportent et se stockent facilement (essence, gazole, kérosène des avions).

Effet 1 : leur combustion produit du dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\), un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique.

Effet 2 : insolubles et flottants, ils forment des nappes qui polluent l'eau, les plages et les mangroves en cas de fuite. Volatils, ils libèrent aussi des vapeurs qui polluent l'air.

Erreurs fréquentes

Penser qu'une température d'ébullition haute rend volatil : c'est l'inverse, plus elle est basse, plus le corps est volatil.
Oublier les isomères : deux alcanes de même masse molaire n'ont pas forcément la même température d'ébullition.
Confondre « insoluble » et « plus dense » : un hydrocarbure est insoluble dans l'eau ET moins dense ; ce sont deux propriétés distinctes qui expliquent ensemble la nappe en surface.
Éteindre un feu d'essence avec de l'eau : l'essence flotte et continue de brûler à la surface de l'eau ; on étouffe la flamme (couverture, sable, extincteur adapté).

Récapitulatif

Alcanes linéaires : quand la masse molaire augmente, la température d'ébullition augmente.
À même masse molaire, un isomère plus ramifié bout plus bas.
Gazeux à 25 °C : du méthane au butane ; liquides : à partir du pentane.
Plus un hydrocarbure est léger, plus il est volatil.
Insolubles dans l'eau, moins denses qu'elle, solvants des graisses.
Usages : carburants et solvants ; effets : \(\ce{CO2}\) de combustion, nappes de pollution, vapeurs.

Masse molaire et ébullition

Plus la chaîne est longue (M grande), plus la température d'ébullition est élevée.

Volatilité

Facilité à s'évaporer ; grande pour les hydrocarbures légers.

Solubilité dans l'eau

Nulle : hydrocarbure et eau forment deux couches.

Solvant

Un hydrocarbure liquide dissout graisses, huiles et peintures.

Effets sur l'environnement

CO2 à la combustion, nappes sur l'eau, vapeurs dans l'air.