Introduction à la chimie organique et cycle du carbone - théorie -2016

2OS
1. Introduction : la chimie du carbone
Pendant très longtemps, certains corps n'ont pu être obtenus qu'à partir des êtres vivants.
Leur synthèse au laboratoire étant impossible, il était admis que la vie (on disait le
principe vital) était nécessaire à leur élaboration.
Les chimistes ont donc distingué deux chimies :
•
la chimie minérale, qui s'intéresse aux propriétés des substances que l'on
rencontre dans le règne minéral,
•
la chimie organique que nous allons aborder et qui traite des corps extraits des
organes ou des déchets des animaux et des végétaux.
Au début du XIXe siècle, les chimistes isolaient des corps organiques de plus en plus
nombreux, mais demeuraient incapables d'en faire la synthèse. Cependant, on réalisa
bientôt les premières synthèses de corps organiques.
Ainsi, en 1828, Wöhler obtint par
hasard, à partir de réactifs
minéraux, un solide blanc dont les
propriétés étaient identiques à
celles de l'urée isolée de l'urine
de mammifères.
Introduction à la chimie organique
2OS
A partir de 1851, le français
Bertholot produisit
par
synthèse l'alcool méthylique,
puis de nombreux composés
organiques.
Le principe vital n'était plus défendable, les méthodes du laboratoire permettaient aussi la
production des composés organiques. La distinction artificielle entre la chimie organique
et la chimie minérale perdait peu à peu sa raison d'être grâce à l'accroissement du
nombre des synthèses organiques.
Plus tard, on constata que toutes les substances organiques contenaient du carbone.
Le terme chimie organique a subsisté, mais possède maintenant un sens différent : celui
de chimie des composés du carbone, que ceux-ci existent à l'état naturel ou aient été
préparés par synthèse au laboratoire.
Définition :
La chimie organique est la chimie des composés du carbone à l'exception des oxydes de
carbone CO et CO2, de l'acide carbonique H2CO3 et de ses sels, les carbonates.
2. La composition des corps organiques
Les composés organiques naturels ne sont construits qu'à partir d'un nombre très restreint
d'éléments chimiques. Par définition, le carbone est toujours présent. En plus du
carbone, ils contiennent les non-métaux : H, O, N de même que S et P.
La
répartition de ces éléments (%
masse) dans la matière vivante est la
suivante :
Oxygène: 62 %
Carbone : 20 %
Hydrogène:10 %
Azote:
3%

95 % pour 4 éléments
D'autres éléments sont présents en très petites quantités comme le fer (Fe), le magnésium
(Mg), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), l'iode (I) … ce sont les oligoéléments.
Bien qu'à l'état de traces, ils jouent un rôle biologique fondamental dans des molécules
indispensables à la vie comme par exemple: le fer dans l'hémoglobine, le magnésium
dans la chlorophylle, etc.
Les êtres vivants comportent trois catégories de corps de formule CxHyOz particulièrement
importantes :
•
Les lipides constituant les graisses et l’huile.
Introduction à la chimie organique
2
2OS
•
Les hydrates de carbone, ainsi nommés parce qu'ils répondent généralement à la
formule Cn(H2O)m, comprenant les sucres, les amidons, la cellulose, etc.. On les
appelle aussi glucides.
•
Les protéines
Il y a cent cinquante ans, le physiologiste français François
Magendie (1783-1855) proclamait : "L'azote est indispensable à la
vie et à son entretien."
En effet, une alimentation à base de glucides et de lipides
uniquement est insuffisante sans un apport essentiel en protéines
formées principalement de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et
d'azote.
Ces protéines entrent dans la composition de tous les tissus du
corps: ce sont des matériaux de construction.
Leur rôle est très important, en particulier pour les os, les muscles
et le sang.
Les enzymes, par exemple, sont des protéines permettant toutes
les réactions du métabolisme, sans lesquelles toute vie serait
impossible.
Dans les composés obtenus par synthèse, l'homme a introduit d'autres éléments. Ainsi
les halogènes, dont le chlore, sont très souvent présents dans les "pesticides"
comme le DDT ou les polymères comme le chlorure de polyvinyle. Cette introduction
d'éléments étrangers à la biosphère pose de nombreux problèmes de pollution.
DDT
(dichloro-diphenyl-tricholoethane)
Chlorure de vinyle
Introduction à la chimie organique
3
2OS
3. L’origine du carbone "organique" ou le cycle du carbone
La formation des composés organiques est donc une particularité du monde vivant.
L'origine du carbone est le dioxyde de carbone, CO2, atmosphérique qui constitue
une réserve de carbone minéral. Ainsi, chaque année, environ le tiers du dioxyde de
carbone atmosphérique est utilisé dans ce qu'on appelle le cycle du carbone qui est
résumé dans la figure ci-dessous.
Le cycle du carbone se fait par des échanges de carbone sous différentes formes, entre
quatres réservoirs : l’atmosphère, la biosphère, l’hydrosphère et la lithosphère.
3.1 Les échanges entre l’atmosphère et la biosphère
Les échanges entre l’atmosphère et la biosphère se font soit par assimilation soit par
restitution de gaz carbonique, la forme minérale du carbone. Le CO2 assimilé est utilisé
pour former le carbone organique ou inversement le carbone organique est utilisé pour
former le gaz carbonique qui est restitué. Les processus impliqués sont les suivants : la
photosynthèse et la respiration et dans une moindre mesure les décompositions aérobies.
3.1.1 La photosynthèse
Les végétaux verts (chlorophylle) trouvent leur
carbone en puisant directement dans les réserves de
gaz carbonique de l'atmosphère.
La photosynthèse permet aux plantes d'utiliser le
carbone minéral (CO2 atmosphérique) et le faire
passer à l'état de molécules organiques.
La lumière (soleil) fournit l'énergie nécessaire à la
réaction.
chlorophylle
6 CO2
+ 6 H2O → C6H12O6 +
atmosphère
sol
énergie solaire
6 O2
atmosphère
C6H12O6 = hydrates de carbone tels que le glucose, la cellulose, l’amidon
Introduction à la chimie organique
4
2OS
Le glucose formé sert de matière première à toutes les synthèses effectuées à l'intérieur
de la plante.
Ainsi, à la surface du globe, 150 milliards de tonnes de carbone sont introduites par
photosynthèse dans des molécules organiques.
3.1.2 La respiration des êtres vivants
La respiration des animaux et végétaux libère du CO2 en
même temps qu'elle absorbe de l'oxygène de
l'atmosphère.
Une part importante du carbone fixé par le mode vivant
retourne ainsi à la réserve commune.
L'énergie récupérée est nécessaire à la vie pour ses
synthèses, ses mouvements et le maintien de la
température du corps
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie
Les végétaux verts rejettent 15% de la masse de carbone fixée, les animaux une part plus
importante.
3.1.3 Les décompositions aérobies
Lors de décompositions aérobies, les
plantes et animaux morts libèrent du
CO2 produit par les bactéries et les
moisissures qui les décomposent.
La fermentation de solutions sucrées
est un exemple de décomposition
aérobie : Celle-ci a lieu, par exemple,
lors de la production de boissons
alcoolisées. La formation d’alcool se
fait simultanément à la formation de
CO2.
Remarque
Dans la biosphère, l’assimilation du carbone par les êtres vivants qui ne font pas de
photosynthèse, se fait grâce à la chaîne alimentaire.
Les animaux et les végétaux non verts
(champignons), ainsi qu'un grand nombre de
bactéries s'alimentent aux dépends des
végétaux verts.
Par exemple, les herbivores consomment des
plantes et les carnassiers mangent les
animaux herbivores.
Ils n'utilisent pas les molécules organiques
telles qu'ils les ont trouvées, mais les
transforment par digestion en molécules plus
simples que leurs cellules assimilent, puis
assemble en composés plus spécifiques.
Introduction à la chimie organique
5
2OS
3.2 Les échanges entre l’atmosphère et l’hydrosphère
Les eaux douces ou marines constituent avec l'atmosphère les deux grandes réserves de
CO2. Si la concentration de CO2 dans l'eau est inférieure à celle de l'atmosphère, celui-ci
diffuse dans l'eau selon :
CO2(g) + H2O(l)
H2CO3(aq)
Inversement, si la concentration de gaz carbonique est plus élevée dans l'eau, il diffuse
dans l'atmosphère.
L’acide carbonique formé après dissolution du gaz carbonique dans l’eau, se dissocie
dans l’eau, acidifiant cette dernière :
H+(aq) + HCO3-(aq)
H2CO3(aq)
Le gaz carbonique de l'air peut également être mis en réserve sous forme de bicarbonates
solubles :
CaCO3(s) +
calcaire (insoluble)
CO2(g) +
H2O(l)
atmosphère
Ca(HCO3)2(aq)
bicarbonate (soluble)
La répartition du CO2 dans l'océan est approximativement la suivante :
1 % dans le dioxyde de carbone dissout (CO2)
90 % dans l'hydrogénocarbonate (HCO3−)
9 % dans les ions carbonates (CO32−)
3.3 Les échanges entre l’atmosphère ou l’hydrosphère et la lithosphère.
Les échanges de carbone entre l’atmosphère, ou l’hydrosphère, et la lithosphère, se font à
travers trois processus naturels : la sédimentation, la fossilisation et le volcanisme, et un
processus dû essentiellement à l’activité humaine : la combustion.
3.3.1 La sédimentation
On a d’abord le gaz carbonique de l'air qui après avoir été mis en réserve dans
l’hydrosphère sous forme de bicarbonates solubles (voir précédemment), finit par
précipiter sous forme de carbonate et se déposer dans les sédiments.
Précipitation du carbonate de calcium
Ca(HCO3)2 (aq)
CaCO3(s) + CO2(g ou aq) + H2O(l)
précipité
3.3.2 La fossilisation (ou décomposition anaérobie)
La décomposition anaérobie des plantes et animaux morts permet la formation
d’hydrocarbures fossiles (fossilisation) tels que le gaz naturel et le pétrole qui sont
composés principalement d’hydrocarbures.
La fermentation méthanique en est un exemple, le méthane étant un des composants du
gaz naturel:
C6H12O6 —› 3 CO2 + 3 CH4
3.3.3 Volcanisme
Ponctuellement, la lithosphère restitue du carbone, essentiellement sous forme de CO2, à
l’hydrosphère et l’atmosphère par les éruptions volcaniques.
Introduction à la chimie organique
6
2OS
3.3.4 Les combustions
La combustion des combustibles tels que le bois ou les combustibles fossiles, produit,
entre autre, du CO2 et de l'eau. C’est le cas de la combustion complète du méthane
contenu dans le gaz de ville, dont voilà l’équation :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Depuis le développement de l'ère
industrielle, les rejets de dioxyde de
carbone dans l'atmosphère, dus à
l’activité humaine, ont considérablement augmenté. On estime que
les quantités de gaz rejetés
progressent d'environ 2% tous les dix
ans.
L'augmentation de la concentration
du CO2, dans l'atmosphère, entraîne
un réchauffement de la planète, par
effet de serre.
3.4 Conclusion
L'ensemble des processus de consommation et de production de dioxyde de carbone
contribue à maintenir constante la teneur en CO2 de l'atmosphère terrestre. Le réservoir
atmosphérique de dioxyde de carbone se régénère approximativement en vingt ans et,
pour un an passé dans l'atmosphère, une molécule de dioxyde de carbone en passe
environ vingt dans les océans.
Cet équilibre s'est établi sur terre, en quelque cinq milliards d'années. Il est fragile et sa
destruction pourrait conduire, à long terme, à des catastrophes planétaires.
Les stocks de carbone dans l'air, les
sols et les sédiments sont exprimés
en milliards de tonnes. Les flèches
indiquent le sens des échanges et
les chiffres le volume moyen annuel
en milliards de tonnes
Introduction à la chimie organique
7
2OS
Introduction à la chimie organique
8