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Alcènes et alcynes

Étudier les hydrocarbures insaturés et leurs réactions d'addition.

Chimie Première Chapitre 2 / 8 ⏱ 9 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Nommer un alcène et préciser son isomérie
  • Prévoir le produit d'une addition
  • Écrire une équation de polymérisation

Jusqu'ici, tes hydrocarbures — méthane, éthane, les alcanes en général — n'avaient que des liaisons simples entre atomes de carbone : des molécules « saturées », stables, plutôt peu réactives. Ce chapitre t'ouvre une famille beaucoup plus vivante : les hydrocarbures insaturés, ceux qui portent une double liaison (les alcènes) ou une triple liaison (les alcynes). Cette liaison supplémentaire change tout : elle donne à la molécule un point faible, une zone riche en électrons, où d'autres molécules vont pouvoir s'accrocher. C'est exactement ce qui se passe quand une mangue mûrit sous l'effet de l'éthylène, quand un chalumeau à l'acétylène découpe une tôle d'acier, ou quand une usine transforme un gaz en sac plastique.

Tu vas apprendre à reconnaître et nommer ces molécules, à comprendre pourquoi certaines existent en deux versions géométriques différentes (l'isomérie ZZ/EE), et surtout à prévoir le produit des réactions qui les caractérisent : les additions. C'est un chapitre très concret — la chimie organique industrielle (plastiques, carburants, alcools) repose presque entièrement sur ces réactions — et c'est aussi la première fois que tu vas devoir choisir entre plusieurs produits possibles grâce à une règle simple, la règle de Markovnikov.

Garde ton compas mental sur la géométrie des molécules : un alcène est plat autour de sa double liaison, un alcyne est parfaitement rectiligne autour de sa triple liaison. Cette géométrie n'est pas un détail esthétique — elle explique directement l'isomérie ZZ/EE et la façon dont les molécules réagissent.

1Double et triple liaison

1.1  Formule générale et hybridation

Définition

Un alcène est un hydrocarbure acyclique qui possède une double liaison carbone–carbone C=C\text{C}=\text{C}. Sa formule brute est :

CnH2n(n⩾2)\text{C}_n\text{H}_{2n} \qquad (n \geqslant 2)

Un alcyne est un hydrocarbure acyclique qui possède une triple liaison carbone–carbone C≡C\text{C}\equiv\text{C}. Sa formule brute est :

CnH2n−2(n⩾2)\text{C}_n\text{H}_{2n-2} \qquad (n \geqslant 2)

Compare avec un alcane CnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n+2} : chaque liaison supplémentaire (une double liaison compte pour une liaison « en plus » par rapport à une simple) coûte exactement deux atomes d'hydrogène. Un alcène a deux H\text{H} de moins qu'un alcane de même chaîne ; un alcyne, quatre de moins.

Exemple — formule brute à partir du nombre de carbones

Quelle est la formule brute de l'alcène et de l'alcyne à 5 atomes de carbone ?

  1. alcène : n=5⇒C5H2×5=C5H10n = 5 \Rightarrow \text{C}_5\text{H}_{2\times5} = \text{C}_5\text{H}_{10}
  2. alcyne : n=5⇒C5H2×5−2=C5H8n = 5 \Rightarrow \text{C}_5\text{H}_{2\times5-2} = \text{C}_5\text{H}_{8}
Exemple — reconnaître la famille à partir de la formule brute

La molécule C6H12\text{C}_6\text{H}_{12} est-elle un alcane, un alcène ou un alcyne ?

  1. pour n=6n = 6 : alcane ⇒C6H14\Rightarrow \text{C}_6\text{H}_{14} ; alcène ⇒C6H12\Rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12} ; alcyne ⇒C6H10\Rightarrow \text{C}_6\text{H}_{10}
  2. ⇒\RightarrowC6H12\text{C}_6\text{H}_{12} correspond à un alcène2 atomes d'hydrogène de moins que l'alcane correspondant
Chimie & Co — Le « gaz oléfiant »

En 1669 déjà, l'alchimiste allemand Johann Joachim Becher obtient un gaz inflammable en distillant de l'éthanol avec de l'acide sulfurique. Mais c'est en 1795 que quatre chimistes hollandais — Deiman, Paets van Troostwijk, Bondt et Lauwerenburg — étudient ce gaz de près : mis en contact avec le dichlore, il donne un liquide huileux (le 1,2-dichloroéthane). Ils le baptisent « gaz oléfiant », c'est-à-dire « qui donne naissance à l'huile ». Ce nom a traversé les siècles : aujourd'hui encore, la famille des alcènes est parfois appelée famille des oléfines, en particulier dans l'industrie pétrochimique.

1.2  Géométrie : plane pour l'alcène, linéaire pour l'alcyne

Propriété

Autour d'une double liaison C=C\text{C}=\text{C}, chaque carbone est hybridé sp² : il forme trois liaisons σ\sigma réparties dans un même plan, avec des angles voisins de 120°120°. La molécule est donc plane au voisinage de la double liaison.

Autour d'une triple liaison C≡C\text{C}\equiv\text{C}, chaque carbone est hybridé sp : il ne forme que deux liaisons σ\sigma, alignées à 180°180°. La molécule est donc linéaire au voisinage de la triple liaison.

Éthylène CH₂=CH₂ : molécule plane, angles ≈ 120° CC HH HH 120° Les 6 atomes (2 C + 4 H) sont coplanaires — hybridation sp²
Figure 1 — Géométrie plane de l'éthylène : chaque carbone, hybridé sp², forme trois liaisons σ\sigma à environ 120°120° l'une de l'autre.
Acétylène HC≡CH : molécule linéaire, angle = 180° HCCH Les 4 atomes sont alignés — hybridation sp (2 liaisons σ + 2 liaisons π)
Figure 2 — Géométrie linéaire de l'acétylène : chaque carbone, hybridé sp, ne forme que deux liaisons σ\sigma, à 180°180° l'une de l'autre.
Attention

Ne confonds pas la géométrie locale (autour de la liaison multiple) et la géométrie de toute la molécule. Dans le but-2-ène CH3–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–CH}_3, c'est le fragment central C=C\text{C}=\text{C} qui est plan à 120°120° ; les deux groupes CH3\text{CH}_3, eux, restent tétraédriques comme dans un alcane.

1.3  Deux molécules emblématiques

L'éthylène et l'acétylène sont les plus petits représentants de leur famille — et deux des molécules les plus fabriquées au monde par l'industrie chimique.

Exemple — l'éthylène, hormone du mûrissement

Les plantes elles-mêmes fabriquent de l'éthylène CH2=CH2\text{CH}_2=\text{CH}_2 : c'est une véritable hormone végétale. Une mangue qui commence à mûrir libère de l'éthylène, qui accélère le ramollissement de la pulp, le changement de couleur et le sucrage — y compris chez les fruits voisins, non encore mûrs, exposés au même gaz. C'est pourquoi on entasse parfois des mangues vertes avec quelques fruits déjà mûrs pour accélérer leur maturation, de Dakar à Abidjan.

L'éthylène, hormone qui déclenche le mûrissement C₂H₄ (éthylène) quelques jours suffisent Mangue verte (non mûre) Mangue mûre
Figure 3 — L'éthylène qu'exhale un fruit mûr accélère le mûrissement des fruits voisins : une propriété exploitée depuis longtemps dans le commerce des fruits.
Chimie & Co — Le carbure qui éclairait les mines

L'acétylène HC≡CH\text{HC}\equiv\text{CH} se prépare simplement en versant de l'eau sur du carbure de calcium CaC2\text{CaC}_2 :

CaC2+2 H2O⟶C2H2+Ca(OH)2\text{CaC}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2

Le carbure de calcium fut produit industriellement dès 1892 grâce aux travaux du chimiste français Henri Moissan et de l'ingénieur canadien Thomas Willson, qui utilisèrent un four électrique à très haute température. Les lampes à carbure, qui brûlent l'acétylène ainsi produit, ont éclairé mines et vélos pendant des décennies. Aujourd'hui, la combustion très exothermique de l'acétylène avec du dioxygène pur (flamme à environ 3 000 °C3\,000\ \text{°C}) est exploitée par le chalumeau oxyacétylénique, utilisé pour souder et découper les métaux.

2Nomenclature

2.1  Nommer un alcène

Méthode — nommer un alcène

1. Repère la chaîne principale : la plus longue chaîne carbonée contenant la double liaison.

2. Numérote la chaîne de manière à donner le plus petit indice possible à la double liaison (priorité absolue sur les indices des substituants).

3. Le nom se construit comme pour un alcane, en remplaçant la terminaison -ane par -ène, précédée de l'indice de position : « but-1-ène », « but-2-ène ».

4. Pour n⩽3n \leqslant 3 (éthène, propène), l'indice de position est inutile : une seule position existe.

Exemple — nommer une molécule

Nomme la molécule CH3–CH2–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}=\text{CH–CH}_3.

  1. chaîne principale : 5 carbones ⇒\Rightarrow racine « pent »
  2. numérotation de gauche à droite : double liaison entre C2 et C3 ; de droite à gauche : entre C3 et C4
  3. ⇒\Rightarrowon choisit le sens qui donne le plus petit indice : 222 < 3, priorité au plus petit indice
  4. ⇒\Rightarrowle composé est le pent-2-ène
Exemple — nommer un alcène ramifié

Nomme CH2=C(CH3)–CH2–CH3\text{CH}_2=\text{C(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3.

  1. chaîne principale (contenant la double liaison) : 4 carbones ⇒\Rightarrow « but »
  2. double liaison en position 1 (numérotation depuis la gauche)
  3. substituant méthyle sur le carbone 2
  4. ⇒\Rightarrowle composé est le 2-méthylbut-1-ène
Attention

La priorité de numérotation revient toujours à la liaison multiple, jamais aux substituants. Dans CH3–CH(CH3)–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH}=\text{CH}_2, on numérote pour donner l'indice 11 à la double liaison (but-1-ène substitué en 3), même si cela donne un indice plus grand au groupe méthyle.

2.2  Nommer un alcyne

Propriété

La règle est identique à celle des alcènes, en remplaçant la terminaison -ane par -yne : la chaîne principale contient la triple liaison, numérotée pour lui donner le plus petit indice possible.

Exemple — nommer un alcyne

Nomme CH3–C≡C–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–C}\equiv\text{C–CH}_2\text{–CH}_3 et CH≡C–CH2–CH3\text{CH}\equiv\text{C–CH}_2\text{–CH}_3.

  1. première molécule : 5 carbones, triple liaison en position 2 ⇒\Rightarrow pent-2-yne
  2. seconde molécule : 4 carbones, triple liaison en position 1 ⇒\Rightarrow but-1-yne

2.3  Écrire la formule semi-développée à partir du nom

Méthode — du nom à la formule

On lit le nom à l'envers de la méthode précédente : la racine donne le nombre de carbones, la terminaison donne le type de liaison, l'indice donne sa position, et l'on complète chaque carbone par le nombre d'hydrogènes nécessaire pour qu'il forme 4 liaisons au total.

Exemple — écrire la formule du but-2-ène
  1. « but » ⇒\Rightarrow 4 carbones ; « 2-ène » ⇒\Rightarrow double liaison entre C2 et C3
  2. squelette : C1–C2=C3–C4\text{C}_1\text{–C}_2=\text{C}_3\text{–C}_4
  3. ⇒\RightarrowCH3–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–CH}_3C1 et C4 : 3 H chacun ; C2 et C3, déjà 3 liaisons (C, C, double C) : 1 H chacun

3Isomérie ZZ/EE

3.1  Une double liaison bloque la rotation

Autour d'une liaison simple C–C\text{C–C}, les deux moitiés de la molécule tournent librement l'une par rapport à l'autre, comme deux perles enfilées sur un même fil. Autour d'une double liaison C=C\text{C}=\text{C}, c'est impossible : la liaison π\pi, formée par le recouvrement latéral de deux orbitales, se romprait si l'on essayait de faire pivoter les deux carbones l'un par rapport à l'autre. La molécule est figée dans le plan que tu as découvert en section 1.

Définition

Un alcène présente une isomérie ZZ/EE lorsque chacun des deux carbones de la double liaison porte deux substituants différents. Deux arrangements géométriques distincts existent alors : ce sont deux molécules différentes, avec des propriétés physiques différentes, qu'aucune rotation ne peut interconvertir.

3.2  Priorité et notation ZZ/EE

Méthode — attribuer la lettre ZZ ou EE

Sur chaque carbone de la double liaison, on compare les deux substituants et l'on identifie celui qui est prioritaire : en version simplifiée (niveau Première), c'est celui dont l'atome directement lié au carbone a le numéro atomique le plus grand (par exemple Cl>C>H\text{Cl} > \text{C} > \text{H}).

  • si les deux substituants prioritaires sont du même côté de la double liaison ⇒\Rightarrow isomère ZZ (de l'allemand zusammen, « ensemble ») ;
  • si les deux substituants prioritaires sont de part et d'autre ⇒\Rightarrow isomère EE (entgegen, « à l'opposé »).
Isomérie Z/E du but-2-ène CH₃–CH=CH–CH₃ Z-but-2-ène (cis) E-but-2-ène (trans) CH₃CH₃ HH CH₃H HCH₃ Groupes prioritaires (CH₃, en violet) du même côté ⇒ Z de part et d'autre ⇒ E
Figure 4 — Les deux isomères géométriques du but-2-ène : le ZZ (cis, les deux méthyles du même côté) et le EE (trans, méthyles opposés) sont deux molécules bien distinctes.
Exemple — priorité avec un substituant chloré

Détermine si l'isomère du 1-chloropropène CH3–CH=CH–Cl\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–Cl} où le chlore et le groupe méthyle sont du même côté est ZZ ou EE.

  1. sur le carbone portant Cl\text{Cl} : substituants Cl\text{Cl} et H\text{H} ⇒\Rightarrow Cl\text{Cl} prioritairenuméro atomique 17 > 1
  2. sur le carbone portant CH3\text{CH}_3 : substituants CH3\text{CH}_3 et H\text{H} ⇒\Rightarrow CH3\text{CH}_3 prioritairenuméro atomique du carbone 6 > 1
  3. Cl\text{Cl} et CH3\text{CH}_3 (les deux groupes prioritaires) sont du même côté, par hypothèse
  4. ⇒\Rightarrowl'isomère est ZZ
Attention

Un carbone de la double liaison portant deux substituants identiques interdit toute isomérie ZZ/EE. C'est le cas du propène CH3–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH}_2 : le carbone terminal porte deux atomes d'hydrogène, indiscernables — un seul isomère existe.

3.3  Importance biologique : la vision

Exemple — l'isomérie ZZ/EE au cœur de l'œil

Dans les cellules de ta rétine, une molécule dérivée de la vitamine A, le rétinal, est fixée sous forme 11-cis (l'équivalent biologique de ZZ) à une protéine, l'opsine. Quand un photon de lumière est absorbé, le rétinal s'isomérise en quelques picosecondes vers sa forme tout-trans (EE) : ce changement de géométrie déforme la protéine et déclenche l'influx nerveux transmis au cerveau. L'isomérie ZZ/EE n'est donc pas qu'un exercice de nomenclature — c'est littéralement la première étape chimique de la vision humaine.

4Réactions d'addition (H2\text{H}_2, X2\text{X}_2, HX\text{HX}, H2O\text{H}_2\text{O})

4.1  Principe général

Définition

Une réaction d'addition est une réaction au cours de laquelle la liaison π\pi (la plus faible, la plus accessible) d'une double ou triple liaison se rompt : chacun des deux atomes de carbone engagés forme alors une nouvelle liaison σ\sigma avec l'un des deux fragments du réactif ajouté. Le squelette carboné n'est pas modifié ; c'est l'insaturation qui diminue (ou disparaît).

Quatre réactifs d'addition sont au programme : le dihydrogène H2\text{H}_2, un dihalogène X2\text{X}_2 (souvent Br2\text{Br}_2), un halogénure d'hydrogène HX\text{HX} et l'eau H2O\text{H}_2\text{O}.

4.2  Hydrogénation catalytique : addition de H2\text{H}_2

Propriété

CnH2n+H2→Ni, Pt ou PdCnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni, Pt ou Pd}} \text{C}_n\text{H}_{2n+2}

Un alcène additionne une molécule de H2\text{H}_2 pour redonner l'alcane correspondant ; un alcyne en additionne deux (une par liaison π\pi) pour aboutir, lui aussi, à l'alcane. La réaction nécessite un catalyseur métallique (nickel, platine ou palladium finement divisé) : elle se déroule à la surface du métal, par un mécanisme différent de celui présenté en 4.4, hors programme de Première.

Exemple — hydrogénation de l'éthylène et du propyne
  1. CH2=CH2+H2→NiCH3–CH3\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni}} \text{CH}_3\text{–CH}_3
  2. CH3–C≡CH+2 H2→NiCH3–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–C}\equiv\text{CH} + 2\,\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni}} \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_3deux liaisons π à saturer

4.3  Addition de dihalogène : addition de X2\text{X}_2

Propriété

CnH2n+Br2⟶CnH2nBr2\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{Br}_2 \longrightarrow \text{C}_n\text{H}_{2n}\text{Br}_2

L'alcène additionne le dibrome à froid, sans catalyseur et sans dégagement gazeux, pour donner un dibromoalcane vicinal (les deux atomes de brome portés par deux carbones voisins). C'est cette réaction, immédiate et visible, qui sert de test de reconnaissance des liaisons multiples (détaillé en section 7).

Exemple — addition du dibrome sur l'éthylène
  1. CH2=CH2+Br2⟶CH2Br–CH2Br\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{Br}_2 \longrightarrow \text{CH}_2\text{Br–CH}_2\text{Br}
  2. produit : le 1,2-dibromoéthaneun atome de Br sur chacun des deux carbones anciennement doublement liés

4.4  Addition d'un halogénure d'hydrogène : addition de HX\text{HX}

Propriété

CnH2n+HX⟶CnH2n+1X\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{HX} \longrightarrow \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{X}

L'hydrogène se fixe sur un des deux carbones, l'halogène XX (Cl\text{Cl}, Br\text{Br}, I\text{I}) sur l'autre. Pour un alcène symétrique (comme l'éthylène), un seul produit est possible. Pour un alcène dissymétrique, deux produits sont envisageables : la règle de Markovnikov (section 5) indique lequel est majoritaire.

Démonstration — mécanisme de l'addition électrophile

L'addition d'un hydracide sur un alcène se déroule en deux étapes, via un intermédiaire chargé.

Étape 1. La double liaison, riche en électrons, est un site nucléophile : elle attaque l'atome d'hydrogène de H–Br\text{H–Br}, polarisé Hδ+–Brδ−\text{H}^{\delta+}\text{–Br}^{\delta-}. La liaison H–Br\text{H–Br} se rompt de façon hétérolytique : le doublet part entièrement avec l'ion Br−\text{Br}^-. Il se forme un carbocation, intermédiaire instable où un carbone ne porte plus que 6 électrons de valence.

Étape 2. L'ion Br−\text{Br}^-, nucléophile, comble aussitôt la lacune électronique du carbocation en formant une nouvelle liaison σ\sigma.

Mécanisme simplifié de l'addition de HBr sur l'éthylène CH₂=CH₂+H–Br δ+δ− le doublet π attaque H(rupture hétérolytique de H–Br) CH₃–CH₂⁺+Br⁻ le nucléophile Br⁻comble la lacune du carbocation CH₃–CH₂–Br(bromoéthane)
Figure 5 — Les deux étapes de l'addition électrophile : formation d'un carbocation, puis capture par l'ion bromure.

4.5  Hydratation : addition de H2O\text{H}_2\text{O}

Propriété

CnH2n+H2O→H+CnH2n+1OH\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{OH}

En présence d'un catalyseur acide (ions H+\text{H}^+) et sous pression, l'alcène additionne l'eau selon un mécanisme électrophile analogue à celui de 4.4 : il se forme un alcool. C'est la voie industrielle de synthèse de l'éthanol à partir de l'éthylène, à côté de la fermentation des sucres.

Exemple — synthèse industrielle de l'éthanol
  1. CH2=CH2+H2O→H+CH3–CH2–OH\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–OH}

5Règle de Markovnikov

5.1  Énoncé de la règle

Théorème — règle de Markovnikov

Lors de l'addition d'un hydracide HX\text{HX} sur un alcène dissymétrique, l'atome d'hydrogène se fixe préférentiellement sur le carbone de la double liaison qui porte déjà le plus grand nombre d'atomes d'hydrogène (le carbone le moins substitué) ; l'halogène XX se fixe sur l'autre carbone, le plus substitué. Ce produit est le produit majoritaire.

Attention

La règle de Markovnikov n'a de sens que pour un alcène dissymétrique. Pour l'éthylène ou un alcène symétrique comme le but-2-ène, les deux carbones de la double liaison sont équivalents : un seul produit existe, la règle ne « choisit » rien.

5.2  Pourquoi cette règle ? La stabilité des carbocations

Démonstration — idée de preuve

D'après le mécanisme de la section 4.4, la vitesse de la réaction est gouvernée par la stabilité du carbocation intermédiaire : plus il est stable, plus il se forme facilement, plus le produit correspondant est majoritaire.

Un carbocation est stabilisé par les groupes alkyles voisins, qui repoussent des électrons vers le carbone chargé positivement (effet inductif donneur). On classe ainsi la stabilité :

carbocation tertiaire>secondaire>primaire\text{carbocation tertiaire} > \text{secondaire} > \text{primaire}

Le mécanisme emprunte donc majoritairement le chemin qui forme le carbocation le plus substitué — c'est-à-dire celui où H+\text{H}^+ s'est fixé sur le carbone le moins substitué. On retrouve exactement l'énoncé de Markovnikov.

Exemple — addition de HBr\text{HBr} sur le propène

Le propène CH3–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH}_2 est dissymétrique : un carbone porte un CH3\text{CH}_3 et un H\text{H}, l'autre porte deux H\text{H}.

  1. H+\text{H}^+ se fixe sur le carbone terminal =CH2=\text{CH}_2déjà porteur du plus grand nombre de H
  2. le carbocation formé est secondaire CH3–CH+–CH3\text{CH}_3\text{–CH}^+\text{–CH}_3plus stable que le carbocation primaire de l'autre voie
  3. ⇒\Rightarrowproduit majoritaire : CH3–CHBr–CH3\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_3 (2-bromopropane)
  4. produit minoritaire : CH3–CH2–CH2Br\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{Br} (1-bromopropane)
Exemple — addition de HCl\text{HCl} sur le but-1-ène

Le but-1-ène CH3–CH2–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}=\text{CH}_2 additionne HCl\text{HCl}.

  1. carbone =CH2=\text{CH}_2 (2 H) contre carbone =CH–=\text{CH–} (1 H, lié à un CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_3)
  2. H+\text{H}^+ se fixe sur le carbone terminal =CH2=\text{CH}_2, le plus riche en H
  3. ⇒\Rightarrowproduit majoritaire : CH3–CH2–CHCl–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHCl–CH}_3 (2-chlorobutane)

6Polymérisation

6.1  Principe : additionner en chaîne

Définition

La polymérisation est une réaction en chaîne au cours de laquelle un très grand nombre de molécules identiques, les monomères (ici des alcènes), s'additionnent les unes aux autres par ouverture successive de leur double liaison. Il en résulte une macromolécule, le polymère, dont la formule s'écrit à l'aide du motif qui se répète nn fois.

n CH2=CHR⟶[−CH2–CHR–]nn\ \text{CH}_2=\text{CHR} \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CHR–}\right]_n

Le principe est le même que pour une addition ordinaire (section 4) : chaque double liaison s'ouvre, et chacun des deux carbones forme une nouvelle liaison σ\sigma — mais cette fois avec le carbone du monomère voisin, et non avec un petit réactif extérieur. nn peut atteindre plusieurs milliers.

6.2  Le polyéthylène et ses cousins

Exemple — polymérisation de l'éthylène (PE)
  1. n CH2=CH2⟶[−CH2–CH2–]nn\ \text{CH}_2=\text{CH}_2 \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CH}_2\text{–}\right]_n
  2. polymère : le polyéthylène (PE)sacs plastiques, bouteilles, films d'emballage
Exemple — polymérisation du chlorure de vinyle (PVC)
  1. n CH2=CHCl⟶[−CH2–CHCl–]nn\ \text{CH}_2=\text{CHCl} \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CHCl–}\right]_n
  2. polymère : le polychlorure de vinyle (PVC)tuyaux, gaines de câbles électriques
Exemple — polymérisation du styrène (PS)
  1. n CH2=CH–C6H5⟶[−CH2–CH(C6H5)–]nn\ \text{CH}_2=\text{CH–C}_6\text{H}_5 \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CH(C}_6\text{H}_5\text{)–}\right]_n
  2. polymère : le polystyrène (PS)emballages, isolation thermique
Motif du polyéthylène (PE) n chaque sommet = –CH₂– PVC Cl tuyaux, câbles PS emballages, isolation
Figure 6 — Motif répétitif du polyéthylène, et substituant caractéristique du PVC (Cl) et du polystyrène (cycle benzénique).
Chimie & Co — Des « molécules géantes » contestées

Dans les années 1920, l'idée que le caoutchouc ou la cellulose puissent être de véritables molécules covalentes, longues de milliers d'atomes, paraît absurde à la plupart des chimistes : on pensait plutôt à de petits agrégats. Le chimiste allemand Hermann Staudinger défend seul cette hypothèse des macromolécules, contre l'avis de la communauté. Ses travaux, confirmés dans les décennies suivantes par les débuts de l'industrie des polymères (PE, PVC, PS), lui valent le prix Nobel de chimie en 1953. Toute la pétrochimie moderne des plastiques repose sur son intuition.

7Tests de reconnaissance

7.1  Le test au dibrome

Définition

L'eau de brome (ou une solution de Br2\text{Br}_2 dans un solvant organique) est orangée. Mise en présence d'un alcène ou d'un alcyne, elle réagit instantanément par addition (section 4.3) et se décolore, à froid, sans dégagement gazeux. Un hydrocarbure saturé (alcane), lui, ne la décolore pas dans ces conditions : c'est un test de reconnaissance simple et rapide d'une liaison multiple carbone–carbone.

Test au dibrome (eau de brome) Alcane (témoin) + Br₂ : reste orangé aucune réaction à froid eau de brome + alcène Après agitation incolore ! liaison multiple confirmée
Figure 7 — L'alcane laisse l'eau de brome orangée ; l'alcène la décolore instantanément à froid.
Exemple — interpréter un test au dibrome

On fait barboter un gaz inconnu, de formule brute C4H8\text{C}_4\text{H}_8, dans de l'eau de brome : celle-ci se décolore aussitôt. Que peux-tu conclure ?

  1. C4H8\text{C}_4\text{H}_8 correspond à la formule générale CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n} avec n=4n=4
  2. décoloration instantanée à froid ⇒\Rightarrow présence d'une liaison multiple
  3. ⇒\Rightarrowle gaz est un alcène à 4 atomes de carbone (un but-1-ène, un but-2-ène ou un méthylpropène)

7.2  Autres indices : la combustion

Les alcènes et les alcynes ont, à nombre de carbones égal, une proportion de carbone plus élevée que les alcanes. Leur combustion dans le dioxygène de l'air est donc souvent incomplète et s'accompagne d'une flamme fuligineuse (chargée de fumée noire, riche en fines particules de carbone) — un indice qualitatif supplémentaire, notamment pour l'acétylène du chalumeau, dont la flamme n'est claire qu'en présence de dioxygène pur.

Attention — piège classique

Un alcane peut réagir avec le dibrome — mais uniquement par substitution, une réaction lente, qui nécessite de la lumière ou une forte chaleur, et qui libère du HBr\text{HBr} gazeux. Le test de reconnaissance doit donc être réalisé à froid et à l'obscurité : dans ces conditions précises, seule une liaison multiple donne une décoloration instantanée.

Fiche mémo

  • Alcène CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n} : une double liaison C=C\text{C}=\text{C}, molécule plane, angles ≈120°\approx 120° (sp²).
  • Alcyne CnH2n−2\text{C}_n\text{H}_{2n-2} : une triple liaison C≡C\text{C}\equiv\text{C}, molécule linéaire, angle 180°180° (sp).
  • Nomenclature : chaîne principale = la plus longue contenant la liaison multiple ; on numérote pour lui donner le plus petit indice.
  • Isomérie ZZ/EE : existe seulement si chaque carbone de la double liaison porte deux substituants différents. Groupes prioritaires du même côté ⇒Z\Rightarrow Z ; côtés opposés ⇒E\Rightarrow E.
  • Addition de H2\text{H}_2 (catalyseur Ni, Pt ou Pd) ⇒\Rightarrow alcane.
  • Addition de X2\text{X}_2 (souvent Br2\text{Br}_2), à froid, sans catalyseur ⇒\Rightarrow dihalogénoalcane vicinal — base du test au dibrome.
  • Addition de HX\text{HX} ⇒\Rightarrow halogénoalcane ; sur un alcène dissymétrique, deux produits possibles.
  • Markovnikov : H\text{H} se fixe sur le carbone déjà le plus riche en H\text{H} (le carbocation le plus stable se forme préférentiellement).
  • Addition de H2O\text{H}_2\text{O} (catalyseur H+\text{H}^+) ⇒\Rightarrow alcool.
  • Polymérisation : n CH2=CHR→[−CH2–CHR–]nn\ \text{CH}_2=\text{CHR} \rightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CHR–}\right]_n (PE, PVC, PS…).
  • Test au dibrome : décoloration instantanée à froid, à l'obscurité ⇒\Rightarrow liaison multiple présente.

8Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Donne la formule brute de l'alcène et de l'alcyne à 6 atomes de carbone. Le composé C7H14\text{C}_7\text{H}_{14} est-il un alcane, un alcène ou un alcyne ?

Voir le corrigé détaillé
  1. alcène : n=6⇒C6H12n=6 \Rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}
  2. alcyne : n=6⇒C6H10n=6 \Rightarrow \text{C}_6\text{H}_{10}
  3. pour n=7n=7 : alcane C7H16\text{C}_7\text{H}_{16}, alcène C7H14\text{C}_7\text{H}_{14}, alcyne C7H12\text{C}_7\text{H}_{12}
  4. ⇒\RightarrowC7H14\text{C}_7\text{H}_{14} est un alcène
2

Nomme les molécules CH3–CH2–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}=\text{CH}_2 et CH3–C≡C–CH3\text{CH}_3\text{–C}\equiv\text{C–CH}_3.

Voir le corrigé détaillé
  1. 1re molécule : 4 carbones, double liaison en position 1 (depuis la droite)
  2. ⇒\Rightarrowbut-1-ène
  3. 2e molécule : 4 carbones, triple liaison symétrique, position 2
  4. ⇒\Rightarrowbut-2-yne
3

Écris la formule semi-développée du pent-1-ène et de l'hex-3-yne.

Voir le corrigé détaillé
  1. pent-1-ène : 5 C, double liaison en 1 ⇒CH2=CH–CH2–CH2–CH3\Rightarrow \text{CH}_2=\text{CH–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3
  2. hex-3-yne : 6 C, triple liaison en 3 ⇒CH3–CH2–C≡C–CH2–CH3\Rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–C}\equiv\text{C–CH}_2\text{–CH}_3
4

Écris l'équation de l'hydrogénation catalytique (platine) du pent-2-ène.

Voir le corrigé détaillé
  1. CH3–CH=CH–CH2–CH3+H2→PtCH3–CH2–CH2–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–CH}_2\text{–CH}_3 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3
  2. produit : le pentanela double liaison a disparu, aucun carbone gagné ni perdu
5

Écris l'équation de l'addition du dibrome sur le propène.

Voir le corrigé détaillé
  1. CH3–CH=CH2+Br2⟶CH3–CHBr–CH2Br\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH}_2 + \text{Br}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{Br}
  2. produit : le 1,2-dibromopropane
Niveau 2 — Approfondissement
6

La figure 8 représente le 1-bromopropène CH3–CH=CH–Br\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–Br}. Détermine, en justifiant, si la configuration représentée est ZZ ou EE.

1-bromopropène : quelle configuration ? CH₃ H H Br
Figure 8 — Représentation du 1-bromopropène ; à toi de déterminer sa configuration.
Voir le corrigé détaillé
  1. sur le carbone de gauche : substituants CH3\text{CH}_3 et H\text{H} ⇒CH3\Rightarrow \text{CH}_3 prioritaire (en haut sur la figure)
  2. sur le carbone de droite : substituants Br\text{Br} et H\text{H} ⇒Br\Rightarrow \text{Br} prioritaire (en bas sur la figure)
  3. les deux groupes prioritaires (CH3\text{CH}_3 en haut, Br\text{Br} en bas) sont de part et d'autre de la double liaison
  4. ⇒\Rightarrowla configuration représentée est EE : c'est le (E)(E)-1-bromopropène
7

On fait réagir HBr\text{HBr} sur le 2-méthylprop-1-ène CH2=C(CH3)2\text{CH}_2=\text{C(CH}_3\text{)}_2. Détermine le produit majoritaire.

Voir le corrigé détaillé
  1. carbone =CH2=\text{CH}_2 : 2 H ; carbone =C(CH3)2=\text{C(CH}_3\text{)}_2 : 0 H
  2. H+\text{H}^+ se fixe sur =CH2=\text{CH}_2, le plus riche en H
  3. le carbocation formé, (CH3)3C+(\text{CH}_3)_3\text{C}^+, est tertiaire : très stable
  4. ⇒\Rightarrowproduit majoritaire : (CH3)3C–Br(\text{CH}_3)_3\text{C–Br} (2-bromo-2-méthylpropane)
8

Écris l'équation générale de polymérisation du propène CH2=CH–CH3\text{CH}_2=\text{CH–CH}_3 et nomme le polymère obtenu (le polypropylène, noté PP).

Voir le corrigé détaillé
  1. n CH2=CH–CH3⟶[−CH2–CH(CH3)–]nn\ \text{CH}_2=\text{CH–CH}_3 \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CH(CH}_3\text{)–}\right]_n
  2. polymère obtenu : le polypropylène (PP)
9

Deux flacons contiennent l'un du pentane C5H12\text{C}_5\text{H}_{12}, l'autre du pent-1-ène C5H10\text{C}_5\text{H}_{10}. Propose un test permettant de les distinguer, et décris le résultat attendu pour chacun.

Voir le corrigé détaillé

On verse un peu de chaque gaz dans de l'eau de brome, à froid et à l'obscurité (section 7).

  1. pentane : hydrocarbure saturé, aucune liaison multiple ⇒\Rightarrow eau de brome reste orangée
  2. pent-1-ène : C5H10=CnH2n\text{C}_5\text{H}_{10} = \text{C}_n\text{H}_{2n}, un alcène ⇒\Rightarrow eau de brome se décolore instantanément
10

Nomme la molécule CH3–CH2–C(CH3)=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–C(CH}_3\text{)}=\text{CH–CH}_3 et indique si elle présente une isomérie ZZ/EE, en justifiant.

Voir le corrigé détaillé
  1. chaîne principale de 5 carbones contenant la double liaison ⇒\Rightarrow « pent »
  2. numérotation depuis la droite : double liaison en position 2 (contre 3 dans l'autre sens) ⇒\Rightarrow on garde 2
  3. méthyle en position 3
  4. ⇒\Rightarrownom : 3-méthylpent-2-ène
  5. carbone 2 : substituants CH3\text{CH}_3 et H\text{H}, différents
  6. carbone 3 : substituants CH3\text{CH}_3 (branche) et CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_3 (chaîne), différents
  7. ⇒\Rightarrowles deux carbones portent des substituants différents : l'isomérie ZZ/EE existe pour cette molécule
Niveau 3 — Défi
11

Un composé gazeux AA a pour formule brute C4H8\text{C}_4\text{H}_8. On réalise deux tests : (a) AA décolore instantanément l'eau de brome, à froid ; (b) l'addition de HBr\text{HBr} sur AA ne donne qu'un seul composé organique.

  1. Que peux-tu déduire de la famille de AA à partir de sa formule brute et du test (a) ?
  2. Que peux-tu déduire de la structure de AA à partir du test (b) ?
  3. Propose la formule semi-développée et le nom de AA.
Voir le corrigé détaillé

1. C4H8\text{C}_4\text{H}_8 correspond à la formule générale CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n} avec n=4n=4 : cela peut être un alcène — mais aussi un cyclane (formule identique), qui lui ne décolorerait pas l'eau de brome à froid. Le test (a), positif, confirme la présence d'une liaison multiple : AA est un alcène à 4 carbones.

2. Un seul produit d'addition de HBr\text{HBr} signifie que les deux carbones de la double liaison sont équivalents : AA est un alcène symétrique.

  1. but-1-ène CH2=CH–CH2–CH3\text{CH}_2=\text{CH–CH}_2\text{–CH}_3 : dissymétrique, 2 produits possibles
  2. 2-méthylprop-1-ène : dissymétrique (deux voies distinctes), 2 produits possibles
  3. but-2-ène CH3–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–CH}_3 : chaque carbone porte CH3\text{CH}_3 et H\text{H} ⇒\Rightarrow symétrique

3. AA est le but-2-ène, CH3–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH–CH}_3.

12

On fait réagir HCl\text{HCl} sur le 2-méthylbut-2-ène CH3–C(CH3)=CH–CH3\text{CH}_3\text{–C(CH}_3\text{)}=\text{CH–CH}_3.

  1. Écris les deux carbocations envisageables selon le carbone sur lequel se fixe H+\text{H}^+.
  2. Compare leur stabilité et déduis le produit majoritaire.
Voir le corrigé détaillé

1. Les deux carbones de la double liaison portent : C2\text{C}_2 (deux méthyles, 0 H) et C3\text{C}_3 (un méthyle C4\text{C}_4, 1 H).

  1. si H+\text{H}^+ se fixe sur C3\text{C}_3 (le plus riche en H) : carbocation sur C2\text{C}_2, lié à 3 carbones ⇒\Rightarrow tertiaire
  2. si H+\text{H}^+ se fixe sur C2\text{C}_2 : carbocation sur C3\text{C}_3, lié à 2 carbones ⇒\Rightarrow secondaire

2. Un carbocation tertiaire est plus stable qu'un carbocation secondaire (effet inductif donneur de deux groupes alkyles contre un). La voie tertiaire l'emporte très largement.

  1. ⇒\Rightarrowproduit majoritaire : CH3–CCl(CH3)–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CCl(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3 (2-chloro-2-méthylbutane)
13

Dans un chalumeau, on brûle complètement 2,02{,}0 L de propyne gazeux C3H4\text{C}_3\text{H}_4, mesurés dans des conditions où le volume molaire vaut Vm=24 L⋅mol−1V_m = 24\ \text{L·mol}^{-1}.

  1. Écris et équilibre l'équation de combustion complète du propyne.
  2. Calcule le volume de dioxygène nécessaire.
  3. Calcule la masse de dioxyde de carbone formée (M(CO2)=44 g⋅mol−1M(\text{CO}_2) = 44\ \text{g·mol}^{-1}).
Voir le corrigé détaillé

1. La combustion complète d'un hydrocarbure donne du CO2\text{CO}_2 et de l'H2O\text{H}_2\text{O}.

  1. C3H4+x O2⟶3 CO2+2 H2O\text{C}_3\text{H}_4 + x\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}
  2. conservation de O : 2x=3×2+2×1=82x = 3\times2 + 2\times1 = 8
  3. ⇒\Rightarrowx=4x = 4 : C3H4+4 O2⟶3 CO2+2 H2O\text{C}_3\text{H}_4 + 4\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

2. Quantité de matière de propyne, puis volume de dioxygène.

  1. n(C3H4)=VVm=2,024n(\text{C}_3\text{H}_4) = \dfrac{V}{V_m} = \dfrac{2{,}0}{24}
  2. ==0,0830{,}083 mol
  3. n(O2)=4×n(C3H4)=0,33n(\text{O}_2) = 4 \times n(\text{C}_3\text{H}_4) = 0{,}33 mol
  4. V(O2)=n(O2)×Vm=0,33×24V(\text{O}_2) = n(\text{O}_2) \times V_m = 0{,}33 \times 24
  5. ≈\approx8,08{,}0 L

3. Masse de dioxyde de carbone.

  1. n(CO2)=3×n(C3H4)=3×2,024=0,25n(\text{CO}_2) = 3 \times n(\text{C}_3\text{H}_4) = 3 \times \dfrac{2{,}0}{24} = 0{,}25 mol
  2. m(CO2)=n(CO2)×M(CO2)=0,25×44m(\text{CO}_2) = n(\text{CO}_2) \times M(\text{CO}_2) = 0{,}25 \times 44
  3. ==1111 g
Niveau 4 — Problèmes de vie courante
14

Les mangues de Fatou (Dakar). Fatou, commerçante à Dakar, reçoit 200200 kg de mangues encore vertes qu'elle doit vendre mûres dans 3 jours. Elle hésite entre (a) les étaler à l'air libre, séparées les unes des autres, ou (b) les entasser dans une caisse fermée avec quelques mangues déjà bien mûres. Quelle méthode choisir ? Justifie avec la chimie du chapitre.

Voir le corrigé détaillé

Une mangue mûre émet en continu de l'éthylène CH2=CH2\text{CH}_2=\text{CH}_2, hormone végétale qui accélère le mûrissement des fruits voisins (section 1.3). Dans une caisse fermée, ce gaz reste concentré autour des mangues encore vertes et agit efficacement sur elles ; à l'air libre, il se dilue immédiatement et n'a presque aucun effet.

Fatou doit donc choisir la méthode (b) : entasser les mangues vertes avec quelques mangues mûres, dans une caisse fermée, pour accélérer leur mûrissement d'ici 3 jours.

15

Le chalumeau d'Ibrahim (Abidjan). Ibrahim, soudeur à Abidjan, doit produire 6,06{,}0 L d'acétylène (Vm=24 L⋅mol−1V_m = 24\ \text{L·mol}^{-1}) à partir de carbure de calcium CaC2\text{CaC}_2 (M=64 g⋅mol−1M = 64\ \text{g·mol}^{-1}) et d'eau.

  1. Écris l'équation de la réaction.
  2. Calcule la masse minimale de CaC2\text{CaC}_2 nécessaire.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. CaC2+2 H2O⟶C2H2+Ca(OH)2\text{CaC}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2

2. D'après l'équation, 1 mol de CaC2\text{CaC}_2 donne 1 mol de C2H2\text{C}_2\text{H}_2.

  1. n(C2H2)=VVm=6,024n(\text{C}_2\text{H}_2) = \dfrac{V}{V_m} = \dfrac{6{,}0}{24}
  2. ==0,250{,}25 mol
  3. n(CaC2)=n(C2H2)=0,25n(\text{CaC}_2) = n(\text{C}_2\text{H}_2) = 0{,}25 molstœchiométrie 1:1
  4. m(CaC2)=n×M=0,25×64m(\text{CaC}_2) = n \times M = 0{,}25 \times 64
  5. ==1616 g

Ibrahim doit utiliser au moins 16 g de carbure de calcium.

16

L'atelier de Douala. Un atelier de Douala fabrique des emballages en polystyrène de masse molaire moyenne M=20 800 g⋅mol−1M = 20\,800\ \text{g·mol}^{-1}. Le motif [−CH2–CH(C6H5)–]\left[-\text{CH}_2\text{–CH(C}_6\text{H}_5\text{)–}\right] a pour masse molaire 104 g⋅mol−1104\ \text{g·mol}^{-1}.

  1. Rappelle l'équation de polymérisation du styrène.
  2. Détermine le degré de polymérisation nn (nombre de motifs par chaîne) de cet échantillon.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. n CH2=CH–C6H5⟶[−CH2–CH(C6H5)–]nn\ \text{CH}_2=\text{CH–C}_6\text{H}_5 \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CH(C}_6\text{H}_5\text{)–}\right]_n

2. La masse molaire du polymère est nn fois celle du motif.

  1. M=n×104M = n \times 104
  2. ⇒\Rightarrown=M104=20 800104n = \dfrac{M}{104} = \dfrac{20\,800}{104}
  3. ==200200

Chaque chaîne de ce polystyrène compte environ 200 motifs.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Quelle est la formule brute générale d'un alcène ?

Explication : Un alcène possède une double liaison C=C\text{C}=\text{C}, ce qui lui donne 2 atomes d'hydrogène de moins qu'un alcane de même chaîne : CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n}.

Quelle est la formule brute générale d'un alcyne ?

Explication : La triple liaison C≡C\text{C}\equiv\text{C} coûte 4 atomes d'hydrogène par rapport à l'alcane de même chaîne, d'où CnH2n−2\text{C}_n\text{H}_{2n-2}.

Autour d'une double liaison C=C\text{C}=\text{C}, la géométrie de la molécule est :

Explication : Chaque carbone de la double liaison est hybridé sp² : il forme trois liaisons σ\sigma coplanaires, à environ 120°120° l'une de l'autre.

Autour d'une triple liaison C≡C\text{C}\equiv\text{C}, la géométrie est :

Explication : Chaque carbone de la triple liaison, hybridé sp, ne forme que deux liaisons σ\sigma, alignées à 180°180° : la molécule est linéaire à cet endroit.

Lors de la numérotation de la chaîne principale d'un alcène, la priorité absolue revient à :

Explication : On numérote toujours pour donner l'indice le plus petit possible à la double (ou triple) liaison, quitte à donner un indice plus grand à un substituant.

Quel est le nom de la molécule CH3–CH2–CH=CH–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}=\text{CH–CH}_3 ?

Explication : Chaîne à 5 carbones. En numérotant depuis la droite, la double liaison est en position 2 (contre 3 dans l'autre sens) : on garde le plus petit indice, d'où « pent-2-ène ».

Un alcène présente une isomérie ZZ/EE lorsque :

Explication : L'isomérie ZZ/EE exige que chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents : sinon un seul arrangement géométrique existe.

Pour attribuer la lettre ZZ ou EE, sur chaque carbone de la double liaison, le substituant prioritaire est celui dont :

Explication : En version simplifiée de Première, on compare le numéro atomique de l'atome directement lié au carbone de la double liaison (par exemple Cl>C>H\text{Cl} > \text{C} > \text{H}).

Un alcène, en présence de dihydrogène et d'un catalyseur métallique (Ni, Pt ou Pd), est transformé en :

Explication : L'hydrogénation catalytique CnH2n+H2→Ni, Pt ou PdCnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni, Pt ou Pd}} \text{C}_n\text{H}_{2n+2} sature la double liaison et redonne l'alcane.

Pour hydrogéner complètement un alcyne en alcane, il faut additionner :

Explication : Un alcyne possède deux liaisons π\pi (triple liaison) : il faut donc deux additions successives de H2\text{H}_2 pour aboutir à l'alcane saturé.

L'addition de dibrome Br2\text{Br}_2 sur un alcène, à froid et sans catalyseur, donne :

Explication : L'alcène additionne Br2\text{Br}_2 à froid, sans catalyseur : chaque carbone de l'ancienne double liaison porte alors un atome de brome — c'est la base du test au dibrome.

D'après la règle de Markovnikov, lors de l'addition de HX\text{HX} sur un alcène dissymétrique, l'atome d'hydrogène se fixe sur :

Explication : L'hydrogène se fixe préférentiellement sur le carbone le moins substitué (déjà le plus riche en H) ; l'halogène se fixe sur l'autre : c'est le produit majoritaire.

La règle de Markovnikov s'explique par la stabilité relative des carbocations intermédiaires, car :

Explication : Les groupes alkyles stabilisent la charge positive par effet inductif donneur : tertiaire>secondaire>primaire\text{tertiaire} > \text{secondaire} > \text{primaire}. Le chemin réactionnel formant le carbocation le plus stable l'emporte.

On fait réagir HBr\text{HBr} sur le propène CH3–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH}=\text{CH}_2. Quel est le produit majoritaire ?

Explication : H+\text{H}^+ se fixe sur le carbone terminal =CH2=\text{CH}_2, le plus riche en H, ce qui forme le carbocation secondaire CH3–CH+–CH3\text{CH}_3\text{–CH}^+\text{–CH}_3, le plus stable.
Produit majoritaire : CH3–CHBr–CH3\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_3, le 2-bromopropane.

L'addition d'eau sur un alcène, en présence d'un catalyseur acide H+\text{H}^{+}, donne :

Explication : L'hydratation CnH2n+H2O→H+CnH2n+1OH\text{C}_n\text{H}_{2n} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{OH} est la voie industrielle de synthèse de l'éthanol à partir de l'éthylène.

La polymérisation d'un alcène CH2=CHR\text{CH}_2=\text{CHR} consiste en :

Explication : Chaque double liaison s'ouvre, et chaque carbone forme une nouvelle liaison σ\sigma avec le monomère voisin, formant la macromolécule [−CH2–CHR–]n\left[-\text{CH}_2\text{–CHR–}\right]_n.

Le monomère utilisé pour fabriquer le PVC (polychlorure de vinyle) est :

Explication : n CH2=CHCl⟶[−CH2–CHCl–]nn\ \text{CH}_2=\text{CHCl} \longrightarrow \left[-\text{CH}_2\text{–CHCl–}\right]_n donne le polychlorure de vinyle, utilisé pour tuyaux et gaines de câbles.

Le test au dibrome (eau de brome) permet de mettre en évidence une liaison multiple carbone-carbone car :

Explication : Un alcène ou un alcyne décolore l'eau de brome instantanément, à froid. Un alcane ne réagit que par substitution, lentement et sous lumière : le test doit être fait à froid et à l'obscurité.

Un composé de formule brute C5H10\text{C}_5\text{H}_{10} ne décolore pas l'eau de brome à froid, à l'obscurité. On peut en conclure que :

Explication : Piège classique : un cyclane a la même formule brute CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n} qu'un alcène, mais ne possède aucune liaison multiple, donc ne décolore pas l'eau de brome.

On veut hydrogéner totalement 0,50 mol0{,}50\ \text{mol} de propyne CH3–C≡CH\text{CH}_3\text{–C}\equiv\text{CH} (deux additions de H2\text{H}_2 nécessaires). Quelle quantité de matière de H2\text{H}_2 est consommée ?

Explication : Un alcyne additionne deux molécules de H2\text{H}_2 (une par liaison π\pi).
n(H2)=2×n(propyne)=2×0,50n(\text{H}_2) = 2 \times n(\text{propyne}) = 2 \times 0{,}50
n(H2)=1,0 moln(\text{H}_2) = 1{,}0\ \text{mol}.
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