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Introduction : chimie organique et carbone

 

I. Qu'est ce qu'étudie la chimie organique ?

La chimie organique étudie les molécules composées d'atomes de carbone et d'hydrogène. C'est le point commun entre toutes les molécules organiques.  

I.1.Voici quelques molécules organiques pour illustrer cela :

propane glycol éthylamine
éthène éthane acide acétique

 

Ces molécules organiques sont différentes car le nombre d'atomes varie, d'autres atomes peuvent venir se greffer sur les atomes de carbone et d'hydrogène (on parle alors d'hétéro atomes), la façon dont les atomes sont assemblés, leurs structures ( une liaison simple ou une double liaison entre deux atomes par exemple). Tout cela a demandé que l'on regroupe les molécules ayant le même type de réactivité ou possédant des groupements similaires.

II. Le cycle du Carbone

II.1. Le carbone a un rôle très important dans les molécules organiques, d'où vient-il, ?. Comment est-il produit ?

II.2. Schéma de synthèse du cycle du carbone :

Ce schéma montre le cycle du carbone, sous sa forme gazeuse (CO2) ou solide. Les végétaux produisent (lors de la respiration) et absorbent du CO2 ( lors de photosynthèse). De même une certaine quantité de CO2 est dissoute dans l'eau. (Le dioxyde de carbone est utilisé aussi dans les boissons gazeuses mais en beaucoup plus concentré). La décomposition de végétaux, d'êtres vivants produit aussi du CO2 et la combustion des produits de cette décomposition (charbon, gaz naturel et pétrole) libère également du dioxyde de carbone.

Mais, comment obtient-on du charbon, du pétrole ou du gaz naturel à partir de la décomposition d'être vivants ?

II.2.1. Le charbon :

Le charbon provient de la décomposition de végétaux en milieu humide (marécageux). Ces débris ont ensuite étés recouverts d'épaisses couches d'alluvion. Les molécules de ces débris carbonés ont été soumises à une forte pression et à une température élevée. Dans ces conditions, les molécules perdent leurs atomes d'hydrogène et d'oxygène. Il ne reste plus que du carbone. Ce phénomène s'appelle carbonisation. Plus la carbonisation est longue, plus la teneur en carbone du charbon ainsi obtenu augmente.

II.2.2. Le pétrole & le gaz naturel :

A la base, il s'agit aussi d'une décomposition de matière organique d'origine végétale et animale. Sous l'action de la chaleur, de la pression et de certaines bactéries, cette matière organique a perdu ses atomes d'oxygène et est devenue un mélange d'hydrocarbures ( composés de carbone et d'hydrogène). Ces molécules liquides et gazeuses ont lentement traversé les roches poreuses pour être emprisonnées dans des roches imperméables. La carbonisation est également présente, car il y a une hausse de pression et de température, mais insuffisante pour faire perdre aux molécules leurs atomes d'hydrogène. Lorsque la quantité de gaz emprisonné dans la roche (gisement) est faible mais qu'il y a beaucoup de molécules liquides, on parle de gisement de pétrole, dans le cas contraire de gisement de gaz naturel. Les roches imperméables emprisonnant les hydrocarbures liquides et gazeux sont appelées roche magasin. Et le pétrole trouve son nom tout naturellement de l'endroit où on l'extrait : du latin Pétra (la pierre) et oléum (huile).

Le pétrole est donc un mélange d'hydrocarbures, mais comment les séparent-on ? Car les molécules le composant ont des longueurs et des propriétés différentes.

Les opérations qui permettent la séparation des différentes longueurs de molécule ou longueur de chaîne s'appelle Raffinage. Le raffinage est composé de deux opérations :

II.2.3. La distillation.

Les hydrocarbures (pétrole) contenus dans le mélange ont une température d'ébullition différente selon leur longueur de chaîne. Pour séparer les différents hydrocarbures contenus dans le pétrole, on va le chauffer.

tour à distiller (schéma)

note : la température diminue plus l'on monte dans la tour de distillation et la longueur de chaîne des molécules diminue aussi; les plus longues (donc les plus lourdes) en bas et plus courtes (plus légères) en haut

a. On porte le mélange dans une tour à distiller à +/- 375°C
b. Les différentes molécules encore sous état liquide tombent dans un conduit, les autres sous forme gazeuse continuent leur ascension dans la tour.
c. La température diminue plus on monte dans la tour. Certaines molécules se condensent et tombent sur un plateau où elles sont recueillies à l'état liquide
d. Les molécules encore toujours gazeuses arrivées au sommet de la tour (t° < 60°C) restent gazeuses et se retrouveront dans nos bonbonnes de gaz les autres se sont condensées à différents niveaux..  Les différentes longueurs de chaîne séparées du pétrole brut s'appellent fractions. Découvrons les différentes fractions ci-contre.
(c) schéma tour à distiller : Chimie Organique, troisième degré (5 et 6) travail collectif réalisé par des professeurs de chimie sous la direction des Inspecteurs Philippe ARNOULD et Jacques FURNÉMONT et de Pierre COLLETTE, Formateur au CAF

II.2.4. La désulfuration :

Dans les différentes fractions recueillies, il y a encore beaucoup d'atomes de soufre. Afin d'éviter que lors de la combustion l'on ne libère trop de SO2 qui réagit avec de l'oxygène et l'eau pour former de l'acide sulfurique de manière incontrôlée (pluies acides), on enlève une grande partie du soufre. Cela se réalise en passant les hydrocarbures sous un courant d'hydrogène. Le soufre ayant une grande affinité avec l'hydrogène est "pompé" hors des hydrocarbures. L'on produira ensuite de l'acide sulfurique, mais de manière contrôlée afin d ' éviter la formation de pluies acides.

Voici comment le SO2 relâché dans l'air lors de la combustion des hydrocarbures forme des pluies acides :

combustion de l'hydrocarbure

S + O2  --> SO2

réaction avec l'oxygène contenu dans l'air

SO2 + ½ O2 --> SO3

réaction avec la vapeur d'eau contenue dans l'air

SO3 + H2O -->  H2SO4

= formation d'acide sulfurique et de pluies acides

Voici qui clôture cette introduction. Nous avons vu qu'il peut y avoir des molécules composées des atomes H & C (hydrocarbures) et également des composés avec des hétéro atomes. Ces différentes compositions ont étés regroupées par la ressemblance de leurs propriétés sous différentes fonctions.

 

 

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