Réactions caractéristiques des hydrocarbures : brûler, échanger, ajouter

Tous les hydrocarbures brûlent (combustion complète ou incomplète) ; les alcanes réagissent surtout par substitution, à la lumière, en échangeant un H contre un halogène ; les alcènes réagissent par addition en ouvrant leur double liaison.

Objectifs

Écrire et équilibrer l'équation-bilan d'une combustion complète et d'une combustion incomplète.
Décrire les tests qui identifient l'eau et le dioxyde de carbone formés.
Écrire une réaction de substitution (halogénation) d'un alcane et en décrire les étapes radicalaires simplifiées.
Écrire des réactions d'addition sur un alcène et utiliser le test à l'eau de brome.

1. La combustion : l'hydrocarbure brûle avec le dioxygène

Une combustion est une réaction entre un combustible (ici un hydrocarbure) et le dioxygène \(\ce{O2}\) de l'air, le comburant. Elle libère de l'énergie (chaleur, lumière).

a) Combustion complète

Avec assez de dioxygène, tout le carbone devient du dioxyde de carbone et tout l'hydrogène devient de l'eau. Flamme bleue, peu de fumée.

\[\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\]

Pour un alcane quelconque :

\[\mathrm{C_nH_{2n+2}} + \frac{3n+1}{2}\,\mathrm{O_2} \longrightarrow n\,\mathrm{CO_2} + (n+1)\,\mathrm{H_2O}\]

b) Combustion incomplète

Quand le dioxygène manque, il se forme aussi du monoxyde de carbone \(\ce{CO}\) et/ou du carbone \(\ce{C}\) (la suie noire). Flamme jaune et fumante.

\[\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}\] \[\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}\]

c) Identifier les produits : l'expérience

On retourne un verre froid et sec au-dessus de la flamme : de fines gouttelettes (buée) apparaissent. La combustion produit de l'eau ; elle bleuit le sulfate de cuivre anhydre blanc.

On verse de l'eau de chaux dans le verre et on agite : elle se trouble (devient laiteuse). La combustion produit du dioxyde de carbone.

Exemple résolu 1 : équilibrer la combustion complète du butane

Écrire les réactifs et les produits : \(\ce{C4H10 + O2 -> CO2 + H2O}\).

Carbone : 4 atomes à gauche, donc \(\ce{4CO2}\). Hydrogène : 10 atomes, donc \(\ce{5H2O}\).

Oxygène à droite : \(4 \times 2 + 5 = 13\) atomes, il faudrait \(\frac{13}{2}\ \ce{O2}\). Pour avoir des nombres entiers, on multiplie tout par 2.

Équation-bilan : \[\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}\] Vérification : C 8 = 8 ; H 20 = 20 ; O 26 = 16 + 10.

Exemple résolu 2

Équilibrer la combustion complète de l'éthane \(\ce{C2H6}\).

Voir la solution

2 C donnent \(\ce{2CO2}\) ; 6 H donnent \(\ce{3H2O}\) ; oxygène à droite : \(4 + 3 = 7\) atomes, soit \(\frac{7}{2}\ \ce{O2}\). En multipliant par 2 :

\[\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}\]

Vérification : C 4 = 4 ; H 12 = 12 ; O 14 = 8 + 6.

Quelle équation correspond à la combustion complète du propane ?

\(\ce{C3H8 + 3O2 -> 3CO + 4H2O}\)
\(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\)
\(\ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O}\)

Combustion complète : on obtient \(\ce{CO2}\) et \(\ce{H2O}\). À droite il y a \(3 \times 2 + 4 = 10\) atomes O, il faut donc \(\ce{5O2}\). La première produit du CO (incomplète) et la troisième n'est pas équilibrée.

2. La substitution : l'alcane échange un H contre un halogène

Les alcanes sont peu réactifs (à part la combustion). Mais un mélange de méthane et de dichlore \(\ce{Cl2}\), exposé à la lumière, réagit : c'est une halogénation, réaction de substitution.

\[\ce{CH4 + Cl2 ->[{\text{lumière}}] CH3Cl + HCl}\]

Le chlorométhane \(\ce{CH3Cl}\) peut à son tour réagir. On obtient successivement :

\[\ce{CH3Cl ->[+Cl2] CH2Cl2 ->[+Cl2] CHCl3 ->[+Cl2] CCl4}\]

(dichlorométhane, trichlorométhane ou chloroforme, tétrachlorométhane ; chaque étape libère aussi une molécule \(\ce{HCl}\)). Expérience : dans un flacon de méthane et de dichlore exposé à la lumière, la couleur jaune-vert du dichlore pâlit, des gouttelettes huileuses apparaissent sur la paroi, et le gaz formé rougit un papier pH humide (\(\ce{HCl}\) est acide).

Le mécanisme radicalaire, en simple

Un radical est un atome ou un groupe qui possède un électron célibataire (noté par un point). Très instable, il cherche à réagir.

Amorçage : la lumière casse la molécule de dichlore en deux radicaux. \[\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{\text{lumière}} 2\,\mathrm{Cl}^{\bullet}\]

Propagation : chaque radical arrache un H et crée un nouveau radical, comme un relais. \[\mathrm{Cl}^{\bullet} + \mathrm{CH_4} \longrightarrow \mathrm{HCl} + {}^{\bullet}\mathrm{CH_3}\] \[{}^{\bullet}\mathrm{CH_3} + \mathrm{Cl_2} \longrightarrow \mathrm{CH_3Cl} + \mathrm{Cl}^{\bullet}\]

Rupture : deux radicaux se rencontrent et s'unissent, ce qui arrête la chaîne. \[\mathrm{Cl}^{\bullet} + {}^{\bullet}\mathrm{CH_3} \longrightarrow \mathrm{CH_3Cl}\]

Exemple résolu 3

Écrire la monosubstitution de l'éthane par le dichlore à la lumière et nommer le produit organique.

Voir la solution

\[\ce{C2H6 + Cl2 ->[{\text{lumière}}] C2H5Cl + HCl}\]

Un H de l'éthane est remplacé par un Cl : on obtient le chloroéthane \(\ce{CH3-CH2Cl}\) et du chlorure d'hydrogène.

Dans la réaction \(\ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}\), que s'est-il passé ?

Un atome H du méthane a été remplacé par un atome Cl.
Les deux atomes Cl se sont ajoutés au méthane sans rien enlever.
Le méthane a brûlé dans le dichlore en donnant du \(\ce{CO2}\).

C'est une substitution : un H sort (il part avec un Cl sous forme de \(\ce{HCl}\)) et un Cl prend sa place sur le carbone.

3. L'addition : l'alcène ouvre sa double liaison

Dans une addition, une molécule se fixe sur les deux carbones de la double liaison, qui devient simple. Rien n'est enlevé : tous les atomes des réactifs se retrouvent dans un seul produit.

Dibrome (bromation) : \[\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br}\] (1,2-dibromoéthane)
Dihydrogène (hydrogénation, avec un catalyseur comme le nickel ou le platine) : \[\ce{CH2=CH-CH3 + H2 -> CH3-CH2-CH3}\] (le propène devient du propane)
Chlorure d'hydrogène : \[\ce{CH3-CH=CH-CH3 + HCl -> CH3-CH2-CHCl-CH3}\] (2-chlorobutane)
Eau (hydratation, en milieu acide et à chaud) : \[\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2OH}\] (éthanol)

Un cas spécial : la polymérisation

Des milliers de molécules d'éthène peuvent s'additionner les unes aux autres, comme les perles d'un collier, pour former le polyéthylène, le plastique des sachets :

\[n\,\ce{CH2=CH2} \longrightarrow \left(\mathrm{-CH_2-CH_2-}\right)_n\]

Exemple résolu 4

Écrire l'addition du dibrome sur le but-2-ène et nommer le produit.

Repérer la double liaison : entre les carbones 2 et 3 de \(\ce{CH3-CH=CH-CH3}\).

Ouvrir la double liaison : un atome Br se fixe sur le carbone 2, l'autre sur le carbone 3.

Équation : \[\ce{CH3-CH=CH-CH3 + Br2 -> CH3-CHBr-CHBr-CH3}\] Produit : 2,3-dibromobutane.

flowchart LR
A[Hydrocarbure] --> B[Combustion avec O2]
A --> C[Alcane substitution a la lumiere]
A --> D[Alcene addition sur la double liaison]
B --> E[CO2 et H2O ou CO et suie]
C --> F[Un H remplace par Cl]
D --> G[Liaison simple et un seul produit]

On agite de l'eau de brome orange avec un gaz inconnu : elle se décolore aussitôt. Ce gaz est probablement…

du méthane \(\ce{CH4}\)
du dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\)
de l'éthène \(\ce{CH2=CH2}\)

La décoloration rapide de l'eau de brome signale une double liaison C=C : le dibrome s'additionne sur l'alcène. Le méthane (alcane) et le \(\ce{CO2}\) ne la décolorent pas ainsi.

Quelle réaction donne un seul produit qui contient tous les atomes des réactifs ?

la chloration du méthane à la lumière
l'addition du dihydrogène sur l'éthène
la combustion complète du butane

\(\ce{CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3}\) : un seul produit, l'éthane. La chloration donne aussi \(\ce{HCl}\), la combustion donne \(\ce{CO2}\) et \(\ce{H2O}\).

Erreurs fréquentes

Oublier d'équilibrer l'oxygène en dernier dans une combustion, ou laisser une fraction sans multiplier toute l'équation.
Écrire \(\ce{CO}\) dans une combustion complète : complète signifie \(\ce{CO2}\) et \(\ce{H2O}\) uniquement.
Confondre substitution et addition : en substitution il y a toujours un second produit (\(\ce{HCl}\)) ; en addition, un seul produit.
Faire une addition sur un alcane : sans double liaison, rien ne peut s'ajouter.
Oublier la condition de la substitution : sans lumière (ni chaleur), le méthane et le dichlore ne réagissent pratiquement pas.

Récapitulatif

Combustion complète : hydrocarbure + \(\ce{O2}\) donne \(\ce{CO2}\) + \(\ce{H2O}\) ; incomplète : aussi \(\ce{CO}\) et/ou \(\ce{C}\). Tests : buée et sulfate de cuivre anhydre pour l'eau, eau de chaux pour le \(\ce{CO2}\).
Substitution (alcanes, lumière) : un H est remplacé par un halogène ; mécanisme radicalaire en amorçage, propagation, rupture.
Addition (alcènes) : \(\ce{H2}\), \(\ce{Br2}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{H2O}\) se fixent sur la double liaison qui devient simple ; l'eau de brome se décolore.

Combustion complète

Assez de O2 : produits CO2 et H2O, flamme bleue

Combustion incomplète

Manque de O2 : CO toxique et/ou suie C, flamme jaune et fumante

Substitution

Un H de l'alcane remplacé par Cl ou Br, à la lumière ; produit secondaire HCl

Radical

Espèce avec un électron célibataire, très réactive, comme Cl•

Addition

Une molécule se fixe sur les deux carbones de C=C ; un seul produit

Test de l'eau de brome

Décolorée rapidement par un alcène, pas par un alcane