Thème N°20 :

Les alcanes

Matériel et Produits:

Bouteilles de Méthane et de Dioxygène

Permanganate de Potassium (solide) - Acide Chlorhydrique concentré

Brome dans CCl4 (ou dans l’hexane) - Eau de Brome - Eau de Chaux - Hexane ou Heptane - Papier pH - Ammoniaque Concentré - Paraffine - Paille de Fer -

Bec Bunsen avec virole (2) - Ballon 500 ml Col large très sec (4) - Eprouvettes à explosions (5) - Lampe - Appareil Générateur de Dichlore - Cuve à eau Salée - Tubes à essais (12) - Petits Bouchons (4) - Portoirs (2) - Tube à dégagement pour tube à essai - Spatules (2) -

Introduction :

Les alcanes font partie avec les alcènes, les alcynes et les dérivés aromatiques de la grande famille des hydrocarbures. Le nom hydrocarbure contient les racines hydro = hydrogène et carbure = carbone, ce nom leur a été donné car leur formule chimique ne contient que les éléments C et H. Les alcanes sont les plus simples des hydrocarbures car il ne présentent que des simples liaisons C-C ou C-H (liaisons sigma). Leur formule brute est du type CnH2n+2. Leur chimie est peu variée (on les appelle aussi paraffines = peu d'affinité en latin parum affinis). On distinguera néanmoins trois grandes catégorie de réactions les concernant :

- Réaction de destruction/combustion :

Cette réaction est très importante ; en effet les hydrocarbures, et les alcanes en particulier, sont d'excellents combustibles utilisés quotidiennement sous formes de gaz de chauffage (butane et propane) ou de carburants liquides (essence, fioule, kérosène sont des mélanges d'hydrocarbures).

- Réactions de substitution avec les halogènes

- Réactions de réarrangements ou coupures : craquage

I) Réactions destructrices - combustions :

1) Combustion avec le dioxygène de l'air :

a) Combustion complète

Prendre un bec Bunsen muni d'une virole et l'allumer. Montrer l'action de la virole sur le réglage de la flamme (bleue virole ouverte combustion complète - jaune orangée virole fermée combustion incomplète). Prendre un ballon de 500 ml à col large parfaitement sec et en surmonter le bec Bunsen. On observe l'extinction de la flamme; la combustion nécessite du dioxygène. De la buée se forme sur les parois du ballon par condensation de la vapeur d'eau produite par la réaction, on peut éventuellement la caractériser grâce à quelques cristaux de CuSO4 anhydre qui bleuiront à son contact. Verser de l'eau de chaux dans le ballon, celle-ci se trouble, ce qui montre la formation de dioxyde de carbone. Ecrire et équilibrer la réaction de combustion (se renseigner préalablement sur le gaz utilisé butane ou propane).

b) Combustion incomplète :

Utiliser le même bec Bunsen mais cette fois virole fermée. Montrer la coloration orangée de la flamme et les fumées noire de carbone qui l'accompagnent, pour les mettre en évidence, passer une soucoupe ou une casserole dans la flamme pour que le noir de carbone s'y dépose (référence à la vie de tous les jours). Conclusion : quand il manque de dioxygène (ici d'air) la combustion est incomplète et ne fournit pas uniquement du dioxyde de carbone on obtient du carbone et du monoxyde de carbone gaz incolore et inodore difficile à mettre en évidence mais responsable chaque année de dizaines de morts en France en raison de sa grande toxicité (il se fixe sur l'hémoglobine à la place du dioxygéne). Souligner l'importance d'un bon réglage des appareils de chauffage et d'une bonne aération. Ne pas chercher à équilibrer la réaction.

2) Combustion dans le dioxygène pur :

Remplir sur une cuve à eau, une éprouvette à explosion d'un mélange de dioxygène et d'alcane gazeux en respectant au mieux les proportions stoechiométriques. Prendre l'éprouvette à explosion avec un chiffon et la présenter à la flamme d'un bec Bunsen. Il se produit une explosion violente qui peut, si elle est bien réussie, souffler le bec. Penser alors à fermer le gaz et signaler l'utilisation d'explosifs pour éteindre les puits de pétrole enflammés. Verser de l'eau de chaux dans l'éprouvette à explosion celle ci se trouble. On ne peut pas mettre l'eau en évidence puisque le tube est déjà mouillé mais il s'en forme bien entendu. Conclusion la réaction est la même qu'avec l'air mais est explosive. Pour la combustion incomplète procéder de la même façon mais avec un large excès d'alcane. Le contenu de l'éprouvette brûlera sans exploser et le tube sera couvert de noir de carbone. Ici aussi, la réaction est la même qu'avec l'air.

3) Combustion avec le dichlore :

Remplir sous la hotte une éprouvette à explosion d'un mélange de 1/3 de méthane et 2/3 de dichlore (proportions stoechiométriques). Présenter à la flamme : on observe la formation de noir de carbone et de vapeurs de chlorure d'hydrogène qu'on peut mettre en évidence avec un papier pH humidifié qui rougit ou par la formation de fumées blanches si on présente un flacon d'ammoniaque concentré (formation de NH4Cl solide en suspension dans l'air).

 

II) Réactions de substitution avec les halogènes : (SOUS LA HOTTE)

1) Bromation de l'hexane (ou de l'heptane):

Dans un tube à essais introduire un peu de solution de dibrome dans le tétrachlorure de carbone et de l'hexane. On bouche le tube et on laisse à la lumière du soleil (lampe si insuffisant). Au bout d'un moment, la solution se décolore. Faire aussi un témoin qui sera laissé à l'obscurité. Quand la décoloration a été obtenue, ouvrir le tube et présenter un papier pH humide. Celui-ci rougit, ce qui traduit la formation de HBr. On peut aussi montrer la formation d'ion Br-, pour cela ajouter 1 ml d'eau et agiter fortement le tube à essais. Les ions bromures passent dans la phase aqueuse. Prélever un peu de phase aqueuse et verser dans un peu de nitrate d'argent, l'apparition lente d'un précipité caractérise les ions bromures. Le témoin à l'obscurité ne donne aucune réaction ce qui montre que le processus est photochimique.

Remarque : CCl4 présentant une roxicité relativement élevée on peut si on le désire le remplacer par de l’hexane.

2) Chloration du méthane (ou propane ou butane) :

Sous la hotte remplir une éprouvette à gaz d'un mélange moitié moitié de dichlore et d'alcane gazeux. Faire, là aussi, un témoin qui sera laissé à l'obscurité. Au bout de quelques minutes on observe la montée de l'eau dans l'éprouvette et la formation de gouttelettes huileuses sur les parois. Dans cette réaction, les gaz sont remplacés par des produits liquides (CH2Cl2 , CHCl3 et CCl4 dans le cas du méthane) qui forment les gouttelettes huileuses. Le volume diminuant, l'eau monte. Montrer que le témoin n'a pas subi la réaction. La réaction peu être extrémement lente si l’éclairage est insuffisant, l’idéal est le plein soleil pour une réaction rapide, sinon éclairer fortement avec une lampe.

III) Craquage de la paraffine :

Chauffer de la paraffine dans un tube à essais. Introduire un morceau de paille de fer (ou un peu de fer en poudre). Surmonter le tout d'un tube à dégagement trempant dans de l'eau de brome. Bien chauffer fer et paraffine, on observe que les vapeurs produites décolorent l'eau de brome. La molécule de paraffine, alcane lourd, a été coupée pour produire des hydrocarbures plus légers dont des alcènes. Cette réaction est utilisée pour valoriser la fraction lourde des pétroles.