Réactions caractéristiques des hydrocarbures : le cahier de laboratoire

Quatre expériences suffisent pour reconnaître les réactions des hydrocarbures : ils brûlent (combustion complète ou incomplète), les alcanes échangent un hydrogène contre un halogène à la lumière (substitution), et les alcènes décolorent l'eau de brome en ouvrant leur double liaison (addition).

Objectifs

Suivre une démarche expérimentale : protocole, observations, interprétation, équation bilan.
Identifier les produits d'une combustion par des tests (eau de chaux, sulfate de cuivre anhydre).
Distinguer une combustion complète d'une combustion incomplète à l'aspect de la flamme.
Interpréter la chloration du méthane comme une substitution, et le test à l'eau de brome comme une addition.
Utiliser ces réactions pour distinguer un alcane d'un alcène.

Notions clés, expérience 1 : la combustion complète

Protocole. On allume un bec à gaz alimenté au butane, virole (entrée d'air) ouverte. Au-dessus de la flamme, on tient quelques secondes un bécher froid et sec retourné. On dépose ensuite sur la buée quelques grains de sulfate de cuivre anhydre. Enfin, on verse un peu d'eau de chaux dans le bécher et on agite.

Le bécher froid se couvre de buée : la combustion produit de la vapeur d'eau qui se condense sur la paroi.

Le sulfate de cuivre anhydre passe du blanc au bleu : le liquide de la buée est bien de l'eau.

L'eau de chaux se trouble : la combustion a produit du dioxyde de carbone.

Interprétation. Le butane \(\ce{C4H10}\) a réagi avec le dioxygène de l'air. Ses atomes de carbone se retrouvent dans le dioxyde de carbone, ses atomes d'hydrogène dans l'eau. Une combustion qui ne donne que \(\ce{CO2}\) et \(\ce{H2O}\) est dite complète.

Équation bilan : cherche d'abord

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

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

Oxygène à droite : \(4 \times 2 + 5 = 13\) atomes, soit \(\tfrac{13}{2}\ \ce{O2}\). On multiplie tout par 2 pour avoir des nombres entiers : \[ \ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O} \]

Vérification : C, 8 = 8 ; H, 20 = 20 ; O, 26 = 16 + 10.

Quel test met en évidence le dioxyde de carbone produit par une combustion ?

le sulfate de cuivre anhydre devient bleu
l'eau de chaux se trouble
l'eau de brome se décolore
le papier pH devient bleu

L'eau de chaux se trouble en présence de CO2. Le sulfate de cuivre anhydre, lui, met en évidence l'eau.

Expérience 2 : la combustion incomplète

Protocole. On ferme progressivement la virole du bec à gaz : il arrive moins d'air. On approche une soucoupe en porcelaine de la flamme.

Observations. La flamme devient jaune et éclairante ; un dépôt noir de carbone (suie) se forme sur la soucoupe.

Interprétation. Le dioxygène manque : le carbone de l'hydrocarbure n'est pas entièrement transformé en \(\ce{CO2}\). Il se forme du carbone \(\ce{C}\) et du monoxyde de carbone \(\ce{CO}\), un gaz invisible, sans odeur et très toxique. Exemples avec le méthane :

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

Une flamme jaune qui dépose de la suie indique :

une combustion complète
un excès de dioxygène
un manque de dioxygène
la présence d'un alcène

Sans assez de dioxygène, la combustion est incomplète : le carbone n'est pas totalement oxydé et se dépose en suie.

Expérience 3 : la chloration du méthane (substitution)

Expérience décrite. Dans une éprouvette retournée sur de l'eau salée, on mélange du méthane et du dichlore (gaz jaune-vert). On expose l'éprouvette à la lumière.

Observations.

la couleur jaune-vert du dichlore disparaît peu à peu ;
des gouttelettes huileuses apparaissent sur la paroi ;
le niveau de l'eau salée monte dans l'éprouvette ;
un papier pH humide approché de l'ouverture devient rouge : il s'est formé un gaz acide, le chlorure d'hydrogène \(\ce{HCl}\).

Interprétation. Un atome d'hydrogène du méthane est remplacé par un atome de chlore : c'est une réaction de substitution.

\[ \ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl} \quad \text{(à la lumière)} \]

La réaction peut continuer : \(\ce{CH2Cl2}\) (dichlorométhane), \(\ce{CHCl3}\) (trichlorométhane), \(\ce{CCl4}\) (tétrachlorométhane). Les gouttelettes huileuses sont ces dérivés liquides.

Mécanisme simplifié (radicalaire). La lumière casse la molécule de dichlore en deux atomes de chlore très réactifs, appelés radicaux et notés \(\mathrm{Cl^{\bullet}}\).

Amorçage, à la lumière : \(\mathrm{Cl_2 \longrightarrow 2\,Cl^{\bullet}}\)

Propagation : \(\mathrm{Cl^{\bullet} + CH_4 \longrightarrow CH_3^{\bullet} + HCl}\), puis \(\mathrm{CH_3^{\bullet} + Cl_2 \longrightarrow CH_3Cl + Cl^{\bullet}}\). Le radical chlore est régénéré : la réaction continue en chaîne.

Rupture : deux radicaux se rencontrent et s'associent, par exemple \(\mathrm{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} \longrightarrow Cl_2}\) : la chaîne s'arrête.

Dans la chloration du méthane, la montée de l'eau salée dans l'éprouvette s'explique par :

la formation de dichlore
l'augmentation de la quantité de gaz
la production de méthane
la dissolution dans l'eau du chlorure d'hydrogène formé

Le chlorure d'hydrogène est un gaz très soluble dans l'eau : en se dissolvant, il laisse moins de gaz dans l'éprouvette, et l'eau monte.

Expérience 4 : le test à l'eau de brome (addition)

Protocole. Dans deux tubes contenant de l'eau de brome (orangée), on fait barboter, à l'abri de la lumière vive, du butane dans le premier et de l'éthylène (éthène) dans le second.

Tube	Gaz	Observation
1	butane (alcane)	la couleur orangée persiste
2	éthylène (alcène)	décoloration rapide

Interprétation. La double liaison de l'alcène s'ouvre et chaque carbone fixe un atome de brome : c'est une réaction d'addition. Le dibrome est consommé, la couleur disparaît.

\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br} \]

Le produit est le 1,2-dibromoéthane. L'alcane, qui n'a que des liaisons simples, ne réagit pas dans ces conditions.

D'autres additions sur l'éthylène, réalisées dans l'industrie :

dihydrogène (catalyseur nickel) : \(\ce{CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3}\), éthane ;
chlorure d'hydrogène : \(\ce{CH2=CH2 + HCl -> CH3-CH2Cl}\), chloroéthane ;
eau (catalyseur acide) : \(\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2OH}\), éthanol ;
polymérisation : un très grand nombre de molécules d'éthylène s'additionnent les unes aux autres pour former le polyéthylène.

flowchart TD
A[Gaz inconnu dans eau de brome] --> B{Decoloration rapide}
B -->|oui| C[Alcene : addition]
B -->|non| D[Alcane probable]
D --> E[Confirmer par combustion]

Quel est le produit de l'addition du dibrome sur le propène \(\ce{CH2=CH-CH3}\) ?

\(\ce{CH2Br-CHBr-CH3}\)
\(\ce{CH3-CH2-CH2Br}\)
\(\ce{CH2Br-CH2-CH2Br}\)
\(\ce{CH2=CBr-CH3}\)

Les deux atomes de brome se fixent sur les deux carbones de l'ancienne double liaison, C1 et C2 : on obtient le 1,2-dibromopropane.

Exemples résolus

Exemple 1 : la combustion complète du propane

Écrire l'équation bilan de la combustion complète du propane \(\ce{C3H8}\).

Voir la solution

Carbone : 3 atomes, donc \(\ce{3CO2}\). Hydrogène : 8 atomes, donc \(\ce{4H2O}\).

Oxygène à droite : \(3 \times 2 + 4 = 10\) atomes, soit \(\ce{5O2}\).

\[ \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O} \] Vérification : C 3 = 3 ; H 8 = 8 ; O 10 = 6 + 4.

Exemple 2 : identifier deux bouteilles sans étiquette

Au laboratoire du lycée de Bouaké, deux flacons de gaz ont perdu leur étiquette. On sait que l'un contient du propane et l'autre du propène. Proposer un test et prévoir les observations.

Voir la solution

Le propène est un alcène (double liaison) ; le propane est un alcane. Seul l'alcène donne rapidement une addition avec le dibrome.

Test : faire barboter chaque gaz dans de l'eau de brome. Le gaz qui la décolore rapidement est le propène ; celui qui la laisse orangée est le propane.

Équation pour le propène : \(\ce{CH2=CH-CH3 + Br2 -> CH2Br-CHBr-CH3}\).

Exemple 3 : nommer le type de réaction

Pour chaque équation, dire s'il s'agit d'une combustion, d'une substitution ou d'une addition : (a) \(\ce{C2H6 + Cl2 -> C2H5Cl + HCl}\) ; (b) \(\ce{C2H4 + H2 -> C2H6}\) ; (c) \(\ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O}\).

Voir la solution

(a) Un H de l'éthane est remplacé par un Cl, et il se forme HCl : substitution.

(b) Deux réactifs donnent un seul produit, la double liaison disparaît : addition.

(c) Réaction avec le dioxygène qui donne CO2 et H2O : combustion complète (vérification : C 2 = 2 ; H 4 = 4 ; O 6 = 4 + 2).

Erreurs fréquentes

Confondre les tests : eau de chaux pour le CO2, sulfate de cuivre anhydre pour l'eau, eau de brome pour la double liaison.
Oublier la lumière dans la chloration d'un alcane : sans elle, la réaction ne démarre pratiquement pas.
Placer les deux bromes sur le même carbone lors d'une addition : ils se fixent chacun sur un carbone de l'ancienne double liaison.
Croire que le monoxyde de carbone se repère à l'odeur : il est inodore.
Équilibrer en changeant les indices (écrire \(\ce{CO3}\) au lieu de \(\ce{CO2}\)) : on ne modifie que les nombres placés devant les formules.

Récapitulatif

Réaction	Qui réagit	Conditions	Ce qu'on observe
Combustion complète	tout hydrocarbure	dioxygène en quantité suffisante	flamme bleue ; eau de chaux troublée
Combustion incomplète	tout hydrocarbure	manque de dioxygène	flamme jaune, suie ; CO toxique
Substitution	alcanes	dihalogène et lumière	décoloration lente, HCl formé
Addition	alcènes	dibrome, dihydrogène, eau…	eau de brome décolorée rapidement

Combustion complète

Hydrocarbure + O2 donne CO2 + H2O ; flamme bleue.

Combustion incomplète

Manque de O2 : carbone (suie) et monoxyde de carbone, gaz toxique.

Substitution

Un H d'un alcane est remplacé par un halogène, à la lumière ; il se forme aussi HCl ou HBr.

Addition

La double liaison d'un alcène s'ouvre et fixe deux atomes ou groupes ; un seul produit.

Test à l'eau de brome

Décoloration rapide : présence d'une double liaison C=C.