Étudier la relation entre la structure et les propriétés des hydrocarbures - Session 2

Le clivage homolytique est un type de clivage de liaison dans lequel une liaison covalente entre deux atomes se rompt symétriquement. Chaque atome conserve un électron de la paire partagée. Ce processus entraîne la formation de deux espèces hautement réactives appelées radicaux. Par exemple, le clivage homolytique de la liaison covalente dans la molécule de chlore entraîne la formation de deux radicaux chlore. Le processus de clivage homolytique est représenté par une flèche à une seule tête.

Le processus de clivage homolytique nécessite généralement un apport d’énergie pour rompre la liaison et initier le clivage. Cette énergie peut être fournie par divers moyens, tels que la chaleur, la lumière ou l’interaction avec d’autres espèces réactives. L’apport d’énergie perturbe l’équilibre entre les forces attractives qui maintiennent les atomes ensemble et les forces répulsives entre les électrons. En conséquence, la liaison est rompue et chaque atome conserve un électron. Pouvez-vous donner un exemple de réaction chimique impliquant un clivage homolytique ?.

Le clivage hétérolytique est un type de clivage de liaison dans lequel une liaison covalente se rompt de manière asymétrique. Cela entraîne la formation de deux espèces chargées appelées ions. Dans ce processus, l’un des atomes liés conserve les deux électrons de la paire partagée. Il devient une espèce chargée négativement appelée anion. L’autre atome devient déficient en électrons. Il devient une espèce chargée positivement appelée cation. Par exemple, la liaison dans la molécule de chlorure d’hydrogène se rompt de manière asymétrique pour produire des ions hydrogène et des ions chlorure.

L'hydrogénation catalytique des alcènes est une réaction chimique dans laquelle l'hydrogène gazeux réagit avec un alcène en présence d'un catalyseur pour former un alcane. Ce processus implique l’ajout d’atomes d’hydrogène à travers la double liaison de l’alcène. Cela entraîne la conversion de la double liaison en une liaison simple. Le catalyseur couramment utilisé pour l'hydrogénation des alcènes est généralement un métal de transition, tel que le platine, le palladium ou le nickel. Par exemple, l’hydrogénation catalytique de l’éthène entraîne la formation d’éthane.

L'hydrogénation catalytique des alcynes est une réaction chimique dans laquelle l'hydrogène gazeux réagit avec un alcyne en présence d'un catalyseur pour former un alcane. Ce processus implique l’ajout d’atomes d’hydrogène à travers la triple liaison de l’alcyne. Cela entraîne la conversion de la liaison insaturée en une liaison simple. Le catalyseur couramment utilisé pour l'hydrogénation des alcynes est généralement un catalyseur métallique, tel que le palladium, le platine ou le nickel. Par exemple, l’hydrogénation catalytique de l’éthyne entraîne la formation d’éthane.

La nature de la liaison dans le benzène peut être expliquée en considérant la structure de Kekule et le concept de délocalisation des électrons pi. La structure de Kekule est un modèle précoce proposé par Friedrich August Kekule pour décrire la structure du benzène. Cela suggère que le benzène est une molécule cyclique avec des liaisons simples et doubles alternées entre les atomes de carbone.

Dans la structure kekule du benzène, chaque atome de carbone est relié à un atome d'hydrogène et à deux atomes de carbone voisins par une liaison sigma. La liaison pi restante est formée par l'atome de carbone avec l'atome de carbone voisin. Cela montre que chacun des atomes de carbone du benzène est sp²hybridé.

Kekule a montré que le benzène pouvait exister sous deux formes ou structures. Il a appelé ces structures des structures de résonance. Dans une structure, les liaisons simples et doubles alternées sont disposées dans un anneau hexagonal. Dans d’autres structures, les positions des liaisons simples et doubles sont inversées. L’idée de Kekule était que la structure réelle du benzène n’est décrite que par l’une ou l’autre de ces structures de résonance. Il s’agit d’un intermédiaire ou d’un hybride des deux structures.

Selon la structure de Kekule, les liaisons simples et les doubles liaisons carbone-carbone du benzène sont distinctes. Il est dit que dans le benzène, la longueur de la liaison simple carbone-carbone est 154pm. La longueur de liaison des atomes de carbone à double liaison est 133pm. Cependant, les données expérimentales révèlent que toutes les longueurs de liaison carbone-carbone dans le benzène sont égales. Toutes les longueurs de liaison carbone-carbone dans le benzène sont 138pm. Cela contredit les longueurs de liaison alternées présentées par la structure de Kekule.

Nous allons maintenant comparer la valeur de Enthalpy standard d’hydrogénation de la structure Kekule du benzène avec la valeur observée. Comme nous le savons, 1-cyclohexatrienea une double liaison. Enthalpie standard d'hydrogénation de 1-cyclohexatrieneest -120 kj/mol. La structure de Kekule indique que le benzène possède trois doubles liaisons. Ainsi, l'enthalpie standard d'hydrogénation pour trois doubles liaisons sera -360 kj/mol.

Entre-temps, les résultats expérimentaux indiquent que l'enthalpie standard d'hydrogénation du benzène est -208 kj/mol. Ces données montrent que l'enthalpie standard d'hydrogénation du benzène est inférieure à l'enthalpie standard d'hydrogénation de la structure de Kekule du benzène. Cela montre que le benzène est plus stable que sa structure Kekule d'une quantité d'un cinq deux kilojoules par mole. Cela signifie que le benzène ne subit pas facilement de réactions d’addition par rapport aux autres alcènes.

Nous pouvons conclure que la structure de Kekule ne décrit pas correctement la structure du benzène. C'est parce que le benzène est plus stable que sa structure Kekule. La structure du benzène est correctement décrite par la délocalisation des électrons pi. Comme nous le savons déjà, tous les atomes de carbone du benzène sont sp². Cela signifie que chaque carbone du benzène possède une orbitale p non hybridée. Il y a donc au total six orbitales p non hybridées dans le benzène. Ces orbitales p non hybridées sont perpendiculaires aux liaisons sigma carbone-carbone dans le benzène.

Les électrons dans ces orbitales p non hybridées sont appelés électrons pi. Les électrons pi délocalisés dans le benzène sont répartis sur l’ensemble du cycle. Ils ne sont pas localisés entre des atomes de carbone spécifiques. Cette délocalisation confère au benzène sa stabilité et sa réactivité uniques par rapport aux autres hydrocarbures insaturés. Le cercle dans la structure donnée du benzène représente la délocalisation des électrons pi sur tout le cycle benzénique.

Comme nous le savons, dans les alcynes, il existe des triples liaisons entre les atomes de carbone. Par exemple, l’éthyne possède une triple liaison entre deux atomes de carbone. Ces atomes de carbone sont hybridés sp. L'une des triples liaisons est la liaison sigma. Les deux autres sont des liaisons pi. En raison de la présence d'une liaison sigma et de deux liaisons pi, la densité électronique est concentrée entre deux atomes de carbone. En conséquence, l'atome d'hydrogène est faiblement lié aux atomes de carbone.

Lorsque les alcynes sont traités avec une base forte, l'atome d'hydrogène attaché à l'atome de carbone hybridé sp est déplacé par l'ion métallique de la base forte. Cela montre que les alcynes présentent un comportement acide car ils peuvent donner l’ion hydrogène. Par exemple, lorsque l’éthyne est traité avec de l’amide de sodium, l’atome d’hydrogène de l’éthyne est déplacé par le métal sodium.