Propriétés physiques et utilisations : du pétrole brut aux produits de tous les jours

Le pétrole brut est un mélange d'hydrocarbures que l'on sépare grâce à leurs températures d'ébullition ; ensuite, la volatilité, la masse volumique et l'insolubilité dans l'eau de chaque produit décident de son usage, des précautions à prendre et de ses effets sur l'environnement.

Objectifs

Expliquer le principe de la distillation fractionnée du pétrole à partir des températures d'ébullition.
Relier la longueur de la chaîne carbonée (et la masse molaire) à la volatilité d'un hydrocarbure.
Prévoir si un gaz d'hydrocarbure s'accumule au sol ou monte, en comparant sa masse molaire à celle de l'air.
Utiliser l'insolubilité et la faible masse volumique des hydrocarbures pour expliquer leur rôle de solvant et le comportement d'une nappe sur l'eau.
Citer des précautions d'usage et des effets simples sur l'environnement.

Rappel utile

Un alcane linéaire a pour formule \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) et pour masse molaire

\[M = 12n + (2n + 2) \times 1 = 14n + 2 \quad (\mathrm{g\,mol^{-1}})\]

Plus \(n\) est grand, plus la molécule est longue, plus \(M\) est grande et plus la température d'ébullition \(\theta_{\text{éb}}\) est élevée. Ce cours utilise cette règle pour comprendre comment on fabrique et comment on utilise les produits pétroliers.

1. Séparer le pétrole brut : la distillation fractionnée

Le pétrole brut est un mélange de très nombreux hydrocarbures, des petites molécules (1 à 4 atomes de carbone) jusqu'aux très longues. Comme ces molécules n'ont pas la même température d'ébullition, on peut les séparer en chauffant : c'est la distillation fractionnée.

Le pétrole est chauffé fortement ; la plus grande partie se vaporise et entre en bas d'une haute colonne.
La colonne est très chaude en bas et de plus en plus froide vers le haut.
Les vapeurs montent ; chaque hydrocarbure se condense (redevient liquide) à l'étage où la température devient inférieure à sa température d'ébullition.
Les molécules les plus courtes, très volatiles, sortent en haut sous forme de gaz ; les plus longues restent en bas.

Le pétrole chauffé entre en bas de la colonne sous forme de vapeur ; la température diminue quand on monte.

Les molécules courtes (petite masse molaire) bouillent à basse température : elles montent jusqu'en haut et sortent en gaz ou en essence.

Les molécules moyennes se condensent plus bas : kérosène (carburant d'avion, pétrole lampant), puis gazole.

Les molécules très longues ne se vaporisent pas : elles restent en bas et donnent le fioul lourd et le bitume des routes.

Fraction	Atomes de carbone (environ)	Températures d'ébullition (ordre de grandeur)	Utilisation
Gaz	1 à 4	en dessous de 30 °C	gaz de cuisine (butane, propane)
Essence	5 à 10	30 à 180 °C	carburant des motos et voitures, solvants
Kérosène	10 à 16	150 à 250 °C	carburant d'avion, pétrole lampant
Gazole	14 à 20	250 à 350 °C	carburant des camions, groupes électrogènes
Résidus	plus de 20	au-dessus de 350 °C	fioul lourd, paraffine, bitume

Les limites varient selon les raffineries et les manuels : ce sont des ordres de grandeur, les fractions se chevauchent.

Exemple résolu 1 : à quel étage sort chaque hydrocarbure ?

On donne les températures d'ébullition (valeurs arrondies, CRC Handbook of Chemistry and Physics) : propane \(-42\ ^\circ\mathrm{C}\) ; octane \(126\ ^\circ\mathrm{C}\) ; dodécane \(\ce{C12H26}\) \(216\ ^\circ\mathrm{C}\) ; hexadécane \(\ce{C16H34}\) \(287\ ^\circ\mathrm{C}\). Dans quelle fraction trouve-t-on chacun ? Les classer du haut vers le bas de la colonne.

Voir la solution

On compare chaque température aux plages du tableau :

propane (\(-42\ ^\circ\mathrm{C}\), 3 C) : fraction gaz ;
octane (\(126\ ^\circ\mathrm{C}\), 8 C) : fraction essence ;
dodécane (\(216\ ^\circ\mathrm{C}\), 12 C) : fraction kérosène ;
hexadécane (\(287\ ^\circ\mathrm{C}\), 16 C) : fraction gazole.

Du haut vers le bas : propane, octane, dodécane, hexadécane. C'est aussi l'ordre des masses molaires croissantes : \(44\), \(114\), \(170\) et \(226\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) (avec \(M = 14n + 2\)).

Dans la colonne de distillation, où sortent les hydrocarbures ayant la plus grande masse molaire ?

Tout en haut, là où il fait le plus froid
Au milieu, avec le kérosène
Tout en bas, là où il fait le plus chaud

Une grande masse molaire correspond à une longue chaîne et à une température d'ébullition élevée : ces molécules se condensent dès le bas de la colonne, ou ne se vaporisent même pas.

2. Volatilité : qui s'évapore vite, et quels dangers ?

Un liquide est volatil s'il s'évapore facilement à température ordinaire. Pour les hydrocarbures :

\[\text{chaîne courte} \Rightarrow M \text{ petite} \Rightarrow \theta_{\text{éb}} \text{ basse} \Rightarrow \text{très volatil}\]

Classement par volatilité décroissante : essence, puis kérosène (pétrole lampant), puis gazole, puis huiles et graisses.

Gaz plus lourd ou plus léger que l'air ?

Pour un gaz, on compare sa masse molaire à celle de l'air, environ \(29\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). La densité par rapport à l'air vaut approximativement :

\[d = \frac{M}{29}\]

Si \(d > 1\), le gaz est plus lourd que l'air et s'accumule près du sol ; si \(d < 1\), il monte.

Exemple résolu 2 : une fuite de gaz dans la cuisine

Une bouteille de butane \(\ce{C4H10}\) fuit dans la cuisine d'Awa à Bamako. Le gaz va-t-il monter vers le plafond ou rester au sol ? Même question pour le méthane \(\ce{CH4}\) (gaz naturel).

Butane : \(M = 4 \times 12 + 10 \times 1 = 58\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

\(d = \dfrac{58}{29} = 2{,}0\) : le butane est environ deux fois plus lourd que l'air. Il s'accumule au ras du sol.

Méthane : \(M = 12 + 4 = 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(d = \dfrac{16}{29} \approx 0{,}55\) : il monte vers le plafond.

Conséquence pratique : en cas d'odeur de gaz de bouteille, on n'allume ni flamme ni interrupteur, on ferme le robinet et on ouvre portes et fenêtres pour évacuer le gaz qui stagne en bas.

Le propane \(\ce{C3H8}\) a une masse molaire de \(44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). En cas de fuite, il…

s'accumule près du sol, car \(d \approx 1{,}5\)
monte au plafond, car \(d \approx 0{,}66\)
se mélange uniformément, car un gaz n'a pas de masse

\(d = 44 / 29 \approx 1{,}5 > 1\) : le propane est plus lourd que l'air et reste près du sol.

3. Insolubles dans l'eau, plus légers que l'eau : des solvants qui flottent

Les hydrocarbures sont insolubles dans l'eau : versés dans l'eau, ils forment deux couches (deux phases). En revanche, ils dissolvent les corps gras, les huiles, les cires, le goudron et de nombreuses peintures : « le semblable dissout le semblable ».

Ils ont aussi une masse volumique plus faible que celle de l'eau (\(1{,}0\ \mathrm{kg\,L^{-1}}\)) : environ \(0{,}66\ \mathrm{kg\,L^{-1}}\) pour l'hexane, environ \(0{,}75\ \mathrm{kg\,L^{-1}}\) pour l'essence et environ \(0{,}84\ \mathrm{kg\,L^{-1}}\) pour le gazole (valeurs moyennes, qui varient selon la composition). La couche d'hydrocarbure se place donc au-dessus de l'eau.

Exemple résolu 3 : choisir et doser un solvant

Ali veut nettoyer une pièce de moto couverte de cambouis. Il a de l'eau, du white-spirit et du sel. (a) Quel liquide choisir ? (b) Il en verse \(1{,}5\ \mathrm{L}\) dans une bassine d'eau par erreur : où se trouve le white-spirit (masse volumique \(0{,}78\ \mathrm{kg\,L^{-1}}\)) ? (c) Quelle masse de white-spirit a-t-il versée ?

Voir la solution

(a) Le cambouis est un mélange gras : il se dissout dans un hydrocarbure, pas dans l'eau. Ali choisit le white-spirit ; le sel ne sert à rien.

(b) Le white-spirit est insoluble dans l'eau et moins dense qu'elle (\(0{,}78 < 1{,}0\)) : il forme une couche qui flotte au-dessus de l'eau.

Pourquoi une tache de gazole sur une flaque d'eau forme-t-elle une fine couche à la surface ?

Parce que le gazole est soluble dans l'eau et plus dense qu'elle
Parce que le gazole est insoluble dans l'eau et moins dense qu'elle
Parce que le gazole s'évapore entièrement en touchant l'eau

Insoluble, le gazole ne se mélange pas à l'eau ; moins dense, il reste au-dessus et s'étale en film.

4. Les mêmes propriétés expliquent les pollutions

flowchart LR
A[Propriete physique] --> B[Insoluble et moins dense que l eau]
A --> C[Volatil]
A --> D[Combustible]
B --> E[Film sur l eau qui bloque l oxygene et englue oiseaux et poissons]
C --> F[Vapeurs nocives a respirer]
D --> G[Gaz rejetes dont le CO2]

Insolubilité et faible masse volumique : un hydrocarbure déversé (fuite, marée noire, huile de vidange) forme un film à la surface de l'eau. Ce film limite les échanges de dioxygène avec l'air et englue les oiseaux et les poissons ; dans le sol, il s'infiltre et peut atteindre les puits et les nappes d'eau.
Volatilité : les vapeurs d'essence et de solvants, respirées longtemps, irritent et sont nocives (maux de tête, vertiges) ; elles polluent l'air des ateliers et des stations.
Combustion : utilisés comme carburants, les hydrocarbures produisent du dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\), gaz à effet de serre, et parfois du monoxyde de carbone \(\ce{CO}\) toxique et des fumées.

Quelle propriété explique surtout qu'une huile de vidange versée au sol finisse par polluer l'eau d'un puits ?

Elle ne se dissout pas et ne se dégrade que très lentement, elle s'infiltre et reste dans le sol et dans l'eau
Elle est très volatile et passe dans l'air en quelques minutes
Elle se dissout entièrement dans l'eau, ce qui la fait disparaître

Une huile de vidange est peu volatile et insoluble : elle ne disparaît ni dans l'air ni dans l'eau, elle s'infiltre et persiste.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

La distillation fractionnée sépare le pétrole en fractions selon la température d'ébullition : gaz, essence, kérosène, gazole, résidus.
Chaîne courte, petite masse molaire : température d'ébullition basse et grande volatilité.
Un gaz est plus lourd que l'air si \(d = M/29 > 1\) : c'est le cas du butane et du propane.
Les hydrocarbures sont insolubles dans l'eau, moins denses qu'elle, et dissolvent les corps gras : ce sont de bons solvants.
Ces mêmes propriétés expliquent les pollutions : films sur l'eau, vapeurs nocives, gaz de combustion.

Distillation fractionnée

Séparation du pétrole selon la température d'ébullition : petites molécules en haut, grosses en bas

Volatilité

Facilité à s'évaporer ; plus grande quand la chaîne est courte

Densité d'un gaz par rapport à l'air

d = M / 29 ; si d supérieur à 1, le gaz reste au sol

Hydrocarbure et eau

Insoluble et moins dense : deux couches, l'hydrocarbure au-dessus

Solvant hydrocarbure

Dissout graisses, huiles, cires et peintures, pas le sel ni le sucre