Matériel et Produits :
Bouteilles d'Ethylène et de Dioxygène - Cyclohexene - Acide Maléïque - Acide Fumarique - Permanganate de Potassium (Solide) - Solution acidifiée de Permanganate de Potassium - Acide Chlorhydrique Concentré - Dibrome dans CCl4 (ou dans l’hexane) - Eau de Chaux - Ammoniaque Concentré - Styrène - Peroxyde de Benzoyle - Méthanol - Soude 1 M - Solution de Nitrate d'Argent - Papier pH - Générateur de Dichlore - Cuve à eau salée - Cuve à eau - Eprouvettes à Explosion (4) - Tubes a essais (12) - Portoirs (2) - bain-marie (3) - Bec Bunsen - Petits erlens 100 ml (3) - Pince en Bois (2) - (Trompe à Vide + Bouchon troué + Tube à Essai) (2) - Petits Bouchons pour Tubes à Essais (2) - Glace Pilée - Banc de Kofler -
Introduction :
Les alcènes comportent une double liaison carbone-carbone. La double liaison C = C est en réalité constituée de deux liaisons bien différentes, l'une est solide (liaison s) alors que l'autre est fragile (liaison p). On pourra donc facilement couper la liaison fragile pi et la remplacer par deux nouvelles liaisons sigma c'est ce que l'on appellera des réactions d'addition. De nombreux réactifs peuvent ainsi s'additionner aux alcènes, nous étudierons ici l'addition des halogènes. Dans la même famille des réactions d'addition, nous étudierons une réaction un peu particulière mais d'une importance industrielle considérable : l'addition d'un alcène sur lui-même, c'est à dire une polymérisation.
Une autre catégorie de réactions destructives de combustion avec le dioxygène ou le dichlore sera ensuite envisagée. Enfin l'oxydation ménagée des alcènes sera étudiée.
Mais avant cela nous montrerons une conséquence structurelle de la présence de la double liaison C = C : l'existence de l'isomérie (E ; Z) liée à l'impossibilité de la rotation autour de cette liaison.
I) Isomérie (E ; Z) ou (Cis ; Trans) des alcènes :
Nous allons différencier deux composés isomères Cis-Trans l'un de l'autre. L'acide maléïque (Cis) et l'acide fumarique (Trans) de formule semi-développée : COOH-CH=CH-COOH.
Prendre 2 bechers de 150 ml, les coiffer d'une rondelle de liège de diamètre adapté percée en son centre d'un trou dans lequel on entrera un tube à essais. Dans l'un introduire des cristaux d'acide maléïque, dans l'autre de l'acide fumarique. Introduire de la glace pilée dans les tubes à essais et chauffer les deux bechers sur grille d'amiante. Par déshydratation intramoléculaire l'acide maléique donnera l'anhydride cyclique qui se cristallisera en belles aiguilles sur le tube froid. D’autre part l’eau formée par la réaction apparait trés nettement dans le bécher. Le composé trans lui ne peut donner la réaction de déshydratation intramoléculaire et si on observe la formation de fumées blanches il n’y a pas formation d’eau, ni formation de beaux cristaux en aiguilles. On distingue donc trés nettement les deux acides par cette expérience.
Prendre les points de fusion des deux acides et de l'anhydride au banc de Kofler. Cela montre qu'il s'agit bien de trois produits différents.
II) Réaction d'addition avec les halogènes :
1) Bromation du cyclohéxène :
Dans un tube à essais verser un peu de cyclohexène puis rajouter petit à petit une solution de dibrome dans CCl4 ; celle ci se décolore. Ajouter 1 ml d'eau distillée et bien agiter le tube, les ions bromures éventuellement formés doivent ainsi passer dans la phase aqueuse plus lourde. Verser un peu de phase aqueuse dans un tube à essais contenant AgNO3, aucun précipité apparaît ce qui montre qu'il n'y a pas eu formation d'ions Br-, il s'agit donc bien d'une réaction d'addition.
Remarque : CCl4 présentant une toxicité relativement élevée on pourra si on le désire le remplacer par l’hexane par exemple. La phase organique sera alors moins dense que l’eau.
2) Chloration de l'éthylène : (SOUS LA HOTTE)
Sur une cuve à eau salée remplir une éprouvette à gaz d'un mélange de dichlore et d'éthylène (1/2 - 1/2). Rapidement on constate une montée de l'eau salée dans l'éprouvette et l'apparition de gouttelettes huileuses sur les parois. On peut faire un témoin qu'on laissera à l'obscurité, le processus n'étant pas photochimique la réaction se fera tout de même.
III) Réactions de polymérisation :
Polymérisation du styrène :
Le styrène contient habituellement des inhibiteurs de polymérisation, le traiter tout d'abord par la soude 1 M afin de les éliminer. Porter sous agitation magnétique énergique quelques minutes puis transvaser dans une ampoule à décanter. Eliminer la soude et laver plusieurs fois à l'eau distillée. Sécher le styrène obtenu en y ajoutant une spatulée de sulfate de sodium anhydre qui fixera l'eau puis filtrer sur coton.
Dans un petit erlen introduire 10 ml de styrène ainsi traité et une pointe de spatule de peroxyde de benzoyle (0,5 g). Porter au bain-marie, le mélange s'épaissit petit à petit.
Au bout de 15 à 20 minutes sortir l'erlen du bain-marie et le laisser refroidir.
Le polystyrène formé est un solide transparent qui adhère au fond du tube.
Si ce solide n'est pas visible (trop bas degré de polymérisation) on peut faire précipiter le polystyrène par ajout de méthanol.
IV) Réactions destructives :
1) Combustion dans l'air :
Remplir sur la cuve à eau une éprouvette à explosion d'éthylène. Présenter la à la flamme, l'éthylène brûle. Verser de l'eau de chaux dans l'éprouvette, celle-ci se trouble, ce qui montre la formation de CO2. Il se forme aussi de l'eau mais il est difficile de la mettre en évidence.
2) Combustion explosive dans le dioxygène :
(FACULTATIF / RELATIVEMENT DANGEREUX)
Sur la cuve à eau remplir une éprouvette à explosion (ou mieux une bouteille en matière plastique d’eau minérale par exemple) d'un mélange (1/4 - 3/4) d'éthylène et de dioxygène (proportions sensiblement stoechiométriques). Prendre l'éprouvette avec un chiffon et mettre des lunettes de protection avant de présenter à la flamme. Il se produit une forte explosion qui souffle généralement la flamme. Penser à couper le gaz et signaler l'utilisation d'explosifs pour éteindre les puits de pétrole enflammés. Verser de l'eau de chaux dans l'éprouvette : celle-ci se trouble.
Remarque : Cette réaction est très spectaculaire. On ne pourrai pas la réaliser avec des élèves car elle est interdite par décret.
3) Combustion avec le dichlore :
Sur une cuve à eau salée, emplir une éprouvette à explosion d'un mélange (1/3 - 2/3) d'éthylène et de dichlore (proportions stoechiométriques). Présenter à la flamme, on observe la formation de noir de carbone et de vapeurs de gaz chlorhydrique qu'on peut caractériser avec un papier pH ou par la formation de fumées blanches avec l'ammoniaque concentré (formation de NH4Cl solide en suspension dans l'air).
V) Réaction d'oxydation ménagée :
Addition avec le permanganate de potassium dilué :
Dans un tube à essais introduire 2 ml de cyclohéxène et 0,5 ml d'une solution très diluée de permanganate de potassium acidifiée. Boucher et agiter énergiquement. La phase aqueuse se décolore. Par syn-addition , il s'est formé un diol "Cis" difficile à mettre en évidence.