Le sucre, l’alcool à brûler, le vinaigre, l’essence, les médicaments : tous ces produits sont faits de molécules organiques, des édifices bâtis autour d’une chaîne d’atomes de carbone. Avec seulement quelques types d’atomes, la nature et les chimistes fabriquent des millions de molécules différentes. En première, on apprend à les représenter, à les nommer et à comprendre pourquoi leur structure détermine leurs propriétés.
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Les molécules organiques et leurs atomes
Une molécule organique contient du carbone et de l’hydrogène, souvent de l’oxygène, de l’azote ou un halogène. Les atomes sont reliés par des liaisons covalentes : chacun met en commun des électrons pour atteindre une structure stable. Le nombre de liaisons formées par un atome dépend de son nombre d’électrons de valence.
| Atome | Numéro atomique Z | Électrons de valence | Liaisons formées |
|---|---|---|---|
| Hydrogène H | 1 | 1 | 1 |
| Carbone C | 6 | 4 | 4 |
| Azote N | 7 | 5 | 3 |
| Oxygène O | 8 | 6 | 2 |
Le carbone, avec ses quatre liaisons, peut s’enchaîner en chaînes droites, ramifiées ou en cycles, et former des liaisons simples (C–C) ou doubles (C=C, C=O).
Représenter une molécule organique
Une même molécule se décrit de plusieurs façons, de la plus synthétique à la plus détaillée. La formule brute donne seulement la nature et le nombre des atomes. La formule développée montre toutes les liaisons. La formule semi-développée ne dessine pas les liaisons avec l’hydrogène. La formule topologique ne montre que le squelette carboné.
Pour écrire une formule topologique : chaque extrémité et chaque sommet de la ligne brisée représente un atome de carbone ; les atomes d’hydrogène liés au carbone ne sont pas écrits ; les atomes autres que C et H (O, N…) sont écrits, avec les H qui leur sont liés.
Les alcanes et la nomenclature
Un alcane est un hydrocarbure saturé à chaîne ouverte : il ne contient que du carbone et de l’hydrogène, avec uniquement des liaisons simples. Sa formule brute est CnH2n+2. Le nom d’un alcane linéaire se forme avec une racine qui donne le nombre n d’atomes de carbone, suivie de la terminaison « -ane ».
| n | Nom | Formule brute | n | Nom | Formule brute |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | méthane | CH4 | 6 | hexane | C6H14 |
| 2 | éthane | C2H6 | 7 | heptane | C7H16 |
| 3 | propane | C3H8 | 8 | octane | C8H18 |
| 4 | butane | C4H10 | 9 | nonane | C9H20 |
| 5 | pentane | C5H12 | 10 | décane | C10H22 |
Pour un alcane ramifié, on repère d’abord la chaîne carbonée la plus longue, qui donne le nom de base. On la numérote de façon à donner les plus petits indices aux ramifications. Chaque ramification est un groupe alkyle (méthyl –CH3, éthyl –C2H5), cité avant le nom de base avec son indice, par ordre alphabétique, avec les préfixes di, tri s’il y en a plusieurs identiques.
CH3–CH(CH3)–CH(CH3)–CH2–CH3 : la chaîne la plus longue a 5 carbones (pentane), avec deux groupes méthyle portés par les carbones 2 et 3. Nom : 2,3-diméthylpentane. Formule brute : C7H16 (7 carbones, 2 × 7 + 2 = 16 hydrogènes).
Isomères de constitution
Des molécules sont isomères lorsqu’elles ont la même formule brute mais des formules semi-développées différentes. Ce sont des espèces chimiques distinctes, avec des propriétés physiques différentes. Attention : dessiner la même chaîne tournée ou repliée ne crée pas un isomère.
On distingue l’isomérie de chaîne (enchaînement du squelette différent), de position (même groupe porté par un autre carbone, comme le butan-1-ol et le butan-2-ol) et de fonction (groupes caractéristiques différents : le propanal CH3–CH2–CHO et la propanone CH3–CO–CH3 sont deux isomères de formule C3H6O).
Groupes caractéristiques et familles
Un groupe caractéristique est un atome ou un groupe d’atomes qui détermine les propriétés chimiques d’une famille de molécules. Le nom suit la même règle : on remplace la terminaison de l’alcane par un suffixe et, si besoin, on précise la position du groupe par un indice.
| Famille | Formule brute générale | Exemple |
|---|---|---|
| Alcool | CnH2n+2O | éthanol CH3–CH2–OH ; propan-2-ol CH3–CH(OH)–CH3 |
| Aldéhyde | CnH2nO | éthanal CH3–CHO ; propanal CH3–CH2–CHO |
| Cétone | CnH2nO | propanone CH3–CO–CH3 ; butanone CH3–CO–CH2–CH3 |
| Acide carboxylique | CnH2nO2 | acide éthanoïque CH3–COOH |
| Amine | CnH2n+3N | éthanamine CH3–CH2–NH2 |
CH3–CH(OH)–CH3 : la chaîne a 3 carbones (propane) et le groupe –OH est porté par le carbone 2. Nom : propan-2-ol. Formule brute : C3H8O ; masse molaire M = 3 × 12,0 + 8 × 1,0 + 16,0 = 60,0 g/mol.
Polarité des liaisons et propriétés physiques des molécules organiques
L’électronégativité χ mesure la capacité d’un atome à attirer les électrons d’une liaison : H 2,20 ; C 2,55 ; N 3,04 ; O 3,44. Quand les deux atomes ont des électronégativités nettement différentes, la liaison est polarisée : l’atome le plus électronégatif porte une charge partielle négative δ−, l’autre une charge partielle positive δ+. La liaison C–H (écart 0,35) est considérée comme peu polarisée ; les liaisons C–O (0,89) et O–H (1,24) sont nettement polarisées.
Quand un atome d’hydrogène est lié à O ou N (il porte alors δ+), il peut attirer un doublet non liant de l’oxygène ou de l’azote d’une autre molécule : c’est la liaison hydrogène. Elle est bien plus faible qu’une liaison covalente mais beaucoup plus forte que les interactions entre molécules sans groupe O–H ou N–H. Pour faire bouillir un liquide, il faut rompre ces interactions : plus elles sont nombreuses et intenses, plus la température d’ébullition est élevée.
Pour une famille donnée, la température d’ébullition augmente avec la longueur de la chaîne carbonée et diminue avec la ramification. À taille comparable, un alcool bout plus haut qu’un alcane (liaisons hydrogène). Les alcools à chaîne courte sont miscibles à l’eau (ils forment des liaisons hydrogène avec elle) ; la solubilité diminue quand la chaîne carbonée s’allonge. Les alcanes, sans liaison polarisée, ne sont pas miscibles à l’eau.
L’éthanol (M = 46,0 g/mol) bout à 78 °C, le propane (M = 44,0 g/mol), de masse molaire presque identique, à −42 °C. Cet écart de 120 °C s’explique par les liaisons hydrogène entre molécules d’éthanol : le propane n’en forme pas.
Deux dessins différents ne sont pas toujours deux isomères : il faut comparer l’enchaînement des atomes, pas l’orientation du dessin. La liaison hydrogène n’est pas une liaison covalente : elle relie deux molécules, elle ne fait pas partie de la molécule. Enfin, dans une formule topologique, il ne faut pas oublier les atomes d’hydrogène portés par les carbones quand on compte la formule brute.
L’essentiel à retenir
- C forme 4 liaisons, N 3, O 2, H 1.
- Formules brute, développée, semi-développée et topologique décrivent une même molécule à différents niveaux.
- Alcane : CnH2n+2 ; on nomme par la chaîne la plus longue et les indices les plus petits.
- Isomères : même formule brute, formules semi-développées différentes (chaîne, position, fonction).
- Groupes : –OH alcool, –CHO aldéhyde, C=O cétone, –COOH acide carboxylique, –NH2 amine.
- Liaisons polarisées et liaison hydrogène expliquent température d’ébullition et miscibilité à l’eau.