- rappeler les réactions (réactifs et conditions) par lesquelles les alcanes peuvent être produits : (a) addition d'hydrogène à un alcène dans une réaction d'hydrogénation, catalyseur $\text{H}_2\text{(g)}$ et $\text{Pt/Ni}$ et chaleur (b) craquage d'un alcane à chaîne plus longue, chaleur avec $\text{Al}_2\text{O}_3$
- décrire : (a) la combustion complète et incomplète des alcanes (b) la substitution par radical libre des alcanes par $\text{Cl}_2$ ou $\text{Br}_2$ en présence de lumière ultraviolette, exemplifié par les réactions de l'éthane
- décrire le mécanisme de substitution par radical libre en se référant aux étapes d'initiation, propagation et terminaison
- suggérer comment le craquage peut être utilisé pour obtenir plus d'alcanes et d'alcènes utiles de plus faible $M_r$ à partir de fractions lourdes de pétrole brut
- comprendre l'inertie générale des alcanes, notamment envers les réactifs polaires, en termes de force des liaisons $\text{C–H}$ et de leur manque relatif de polarité
- reconnaître les conséquences environnementales du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote et des hydrocarbures non brûlés résultant de la combustion des alcanes dans le moteur à combustion interne et de leur retrait catalytique
Hydrocarbures
Chimie A-Level · Sujet 14
9:54
Hydrocarbures
Deux liquides clairs, rien que du carbone et de l'hydrogène. Et deux tubes à essai d'eau bromée orange. Agitez le premier liquide dans un tube, le second dans le…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
14.1
Alcanes
Programme
Source : Programme Cambridge International

Les alcanes 烷烃 sont des hydrocarbures saturés (formule générale $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).
Fabrication des alcanes
- hydrogénation 氢化 : ajouter de l'hydrogène à un alcène 烯烃, en utilisant un catalyseur $\text{Pt}$ ou $\text{Ni}$ avec chaleur.
- craquage 裂化 : briser un long chaînon d'alcan en chaînes plus courtes par chauffage avec $\text{Al}_2\text{O}_3$.
Combustion
Lors de la combustion 燃烧, un alcane brûle dans l'oxygène :

- combustion complète 完全燃烧 (beaucoup d'oxygène) produit du dioxyde de carbone et de l'eau.
- combustion incomplète 不完全燃烧 (pas assez d'oxygène) produit de l'eau ainsi que du monoxyde de carbone toxique 一氧化碳 ($\text{CO}$) et de la suie (carbone).
On vous demande souvent d'écrire l'équation bilan. Équilibrez-la dans un ordre fixe - carbone d'abord, puis hydrogène, et oxygène en dernier - car l'oxygène est le seul élément présent uniquement d'un côté :
Les 6 carbones fixent $6\,\text{CO}_2$ ; les 14 hydrogènes fixent $7\,\text{H}_2\text{O}$ ; compter les oxygènes à droite donne $12 + 7 = 19$, donc la gauche a besoin de $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. Un demi de $\text{O}_2$ est tout à fait acceptable dans cette équation - et si la question demande des nombres entiers, il suffit de tout multiplier par deux ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).
Substitution radicalaire libre
Les alcanes réagissent avec le chlore ou le brome par substitution radicalaire libre 自由基取代, sous lumière ultraviolette 紫外线. Pour l'éthane et le chlore, le mécanisme comporte trois étapes :
- initiation 引发 — la lumière UV dissocie le halogène en deux radicaux libres 自由基 : $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ Ce type de rupture est une fission homolytique 均裂 : la liaison se rompt également, un électron allant vers chaque atome, ce qui crée deux radicaux. (L'inverse, la fission hétérolytique 异裂, envoie les deux électrons vers un seul atome et forme une paire d'ions - c'est ce qui se produit dans les mécanismes polaires comme l'addition électrophile.) Les examinateurs demandent ce mot par son nom, utilisez-le donc.
- propagation 增长 — les radicaux réagissent et forment de nouveaux radicaux :
$$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
- termination 终止 — deux radicaux se joignent, terminant la chaîne : $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$

Pourquoi le craquage est utile et pourquoi les alcanes sont peu réactifs
Le craquage transforme les fractions lourdes du pétrole brut 原油 en alcanes et alcènes plus utiles à bas poids moléculaire $M_r$. (Une fraction 馏分 est un ensemble de molécules ayant une plage d'ébullition similaire.)
Les alcanes sont généralement peu réactifs, surtout envers les réactifs polaires. Cela s'explique par le fait que les liaisons C–H et C–C sont fortes et ont peu de polarité 极性, donc il n'y a pas de charge pour attirer une espèce attaquante.
Effets environnementaux
La combustion des alcanes dans un moteur à combustion interne dégage du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote et des hydrocarbures non brûlés. Un convertisseur catalytique élimine ces polluants en les transformant en gaz inoffensifs.
Le carbone tétraédrique
Chaque carbone dans un alcane possède quatre paires de liaison et aucune paire non liante — elles s'éloignent autant que possible pour former un tétraèdre (109.5°).
Substitution par radicaux libres
Le méthane réagit avec le chlore sous lumière UV selon une série d'étapes radicalaires.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| alkane/ˈælkeɪn/ | 烷烃 | wán tīng |
| hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ | 氢化 | qīng huà |
| alkene/ˈælkiːn/ | 烯烃 | xī tīng |
| cracking/ˈkrækɪŋ/ | 裂化 | liè huà |
| combustion/kəmˈbʌstʃn/ | 燃烧 | rán shāo |
| complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ | 完全燃烧 | wán quán rán shāo |
| incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ | 不完全燃烧 | bù wán quán rán shāo |
| carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ | 一氧化碳 | yī yǎng huà tàn |
| free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 自由基取代 | zì yóu jī qǔ dài |
| ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/ | 紫外线 | zǐ wài xiàn |
| initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ | 引发 | yǐn fā |
| free radical/friː ˈrædɪkl/ | 自由基 | zì yóu jī |
| propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ | 增长 | zēng zhǎng |
| termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ | 终止 | zhōng zhǐ |
| crude oil/kruːd ɔɪl/ | 原油 | yuán yóu |
| fraction/ˈfrækʃn/ | 馏分 | liú fèn |
| polarity/pəʊˈlærɪti/ | 极性 | jí xìng |
| elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ | 消去 | xiāo qù |
| halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ | 卤代烷 | lǔ dài wán |
| dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ | 脱水 | tuō shuǐ |
| alcohol/ˈælkəhɒl/ | 醇 | chún |
14.2
Alcènes
Programme
- rappeler les réactions (y compris les réactifs et conditions) par lesquelles les alcènes peuvent être produits : (a) élimination de $\text{HX}$ d'un halogénure d'alkyle par $\text{NaOH}$ éthanolique et chaleur (b) déshydratation d'un alcool, en utilisant un catalyseur chauffé (ex. $\text{Al}_2\text{O}_3$) ou un acide concentré (ex. acide concentré $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) craquage d'un alcane à chaîne plus longue
- décrivez les réactions suivantes des alcènes : (a) l'addition électrophile de (i) hydrogène dans une réaction d'hydrogénation, $\text{H}_2\text{(g)}$ et $\text{Pt/Ni}$ catalyseur et chaleur (ii) vapeur d'eau, $\text{H}_2\text{O(g)}$ et $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyseur (iii) un halogénure d'hydrogène, $\text{HX(g)}$, à température ambiante (iv) un halogène, $\text{X}_2$ (b) l'oxydation par de l'acide dilué froid acidifié $\text{KMnO}_4$ pour former le diol (c) l'oxydation par de l'acide concentré chaud acidifié $\text{KMnO}_4$ entraînant la rupture de la double liaison carbone–carbone et l'identité des produits subséquents pour déterminer la position des liaisons d'alcène dans les molécules plus grandes (d) polymérisation par addition exemplifiée par les réactions de l'éthène et du propène
- décrire l'utilisation de l'eau bromée pour montrer la présence d'une liaison C=C
- décrire le mécanisme de l'addition électrophile dans les alcènes, en utilisant le brome/éthène et l'acide bromhydrique/propène comme exemples
- décrire et expliquer les effets inductifs des groupes alkyle sur la stabilité des cations primaires, secondaires et tertiaires formés lors de l'addition électrophile (ceci doit être utilisé pour expliquer l'addition de Markovnikov)
Source : Programme Cambridge International

Les alcènes possèdent une double liaison C=C (formule générale $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). La double liaison est le groupe fonctionnel, donc les alcènes sont réactifs.
Fabrication des alcènes
- élimination 消去 d'un $\text{HX}$ à partir d'un halogénure d'alkyle 卤代烷, en utilisant $\text{NaOH}$ dissous dans l'éthanol, avec chaleur.
- déshydratation 脱水 d'un alcool 醇, en utilisant un catalyseur $\text{Al}_2\text{O}_3$ chaud ou de l'acide sulfurique concentré.
- craquage d'un alcène à chaîne plus longue.
Réactions des alcènes
La plupart des réactions sont des additions électrophiles 亲电加成 à travers la double liaison :
| Réactif et conditions | Produit |
|---|---|
| $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyseur, chaleur | alcane |
| vapeur d'eau ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyseur | alcool |
| non halogénure d'hydrogène 卤化氢 ($\text{HX}$), température ambiante | halogénure d'alkyle |
| un halogène $\text{X}_2$ | alcane di-substitué |
Il existe également deux réactions d'oxydation avec $\text{KMnO}_4$ acidifié :
- $\text{KMnO}_4$ froid, dilué ajoute deux groupes $\text{–OH}$ pour former un diol 二醇.
- $\text{KMnO}_4$ chaud, concentré rompt la liaison C=C entièrement, et ce que devient chaque moitié indique exactement où se trouvait la double liaison.
Cette deuxième réaction vaut la peine d'être bien apprise, car c'est ainsi que l'examen vous demande de localiser une double liaison dans une grande molécule. L'oxydation est écrite avec $[\text{O}]$, signifiant « un atome d'oxygène provenant de l'agent oxydant ». Coupez la molécule au niveau du C=C, puis regardez ce que portait chacun des deux carbones :
| Le carbone C=C porte | Il devient |
|---|---|
| deux groupes alkyle ($\text{=CR}_2$) | une cétone 酮, $\text{R}_2\text{C=O}$ |
| un groupe alkyle et un $\text{H}$ ($\text{=CHR}$) | non acide carboxylique 羧酸, $\text{RCOOH}$ |
| deux hydrogènes ($\text{=CH}_2$) | $\text{CO}_2$ et eau |
Le schéma est simplement le nombre d'hydrogènes que ce carbone avait : aucun arrête à une cétone, un pousse vers un acide, et deux sont oxydés jusqu'à $\text{CO}_2$.
Exemple résolu. Donnez les produits lorsque $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ est chauffé avec de l'acide $\text{KMnO}_4$ acidifié concentré chaud. Coupez au niveau du C=C et prenez chaque carbone séparément. Le carbone de gauche porte deux groupes méthyle et aucun hydrogène, donc il s'arrête à une cétone : $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, qui est la propanone. Le carbone de droite porte un méthyle et un H, donc il va jusqu'à un acide carboxylique : $\text{CH}_3\text{COOH}$, l'acide éthanoïque. Donc :
Maintenant, faites-le à l'envers, qui est la façon dont la question est généralement posée. Étant donné les produits, reconstruisez l'alcène en remettant les deux carbones carbonyle ensemble sous forme de C=C : une cétone signifie que ce carbone avait deux groupes alkyle, un acide signifie un groupe alkyle et un H, et $\text{CO}_2$ signifie que la chaîne se terminait par $\text{=CH}_2$. Obtenir $\text{CO}_2$ est la preuve la plus forte de toutes - elle ne peut provenir que d'une double liaison terminale.
Test pour une liaison C=C
Agitez le composé avec de l'eau bromée orange 溴水. Un alcène la décolorise (la rend incolore) par addition électrophile. Un alcane ne le fait pas.

Polymérisation par addition
Dans la polymérisation par addition 加成聚合, de nombreuses molécules d'alcène se rejoignent en une longue chaîne, sans autre produit. L'éthylène donne le poly(éthylène). Le produit à longue chaîne est un polymère 聚合物.

Mécanisme et règle de Markovnikov
Dans l'addition électrophile (par exemple le brome avec l'éthylène), la liaison C=C riche en électrons attire l'électrophile. Cela forme un intermédiaire positif appelé carbocation 碳正离子, que la partie négative attaque ensuite.

Les groupes alkyle repoussent les électrons vers le carbone positif — c'est l'effet inductif 诱导效应. Ainsi, un carbocation avec plus de groupes alkyle est plus stable : tertiaire est plus stable que secondaire, qui est plus stable que primaire. Quand $\text{HBr}$ s'ajoute au propène, le carbocation le plus stable se forme, donc l'hydrogène s'ajoute au carbone qui a déjà plus d'hydrogènes. Ce schéma est la règle de Markovnikov 马氏规则.

Exemple résolu. Prédire le produit majeur lorsque $\text{HBr}$ s'ajoute à la propène, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. Le $\text{H}^{+}$ s'ajoute en premier, et il s'ajoute de telle sorte que le carbocation plus stable se forme. Ajouter le $\text{H}$ au carbone terminale place la charge positive sur le carbone central, formant un carbocation secondaire, stabilisé par des groupes alkyles donneurs d'électrons de part et d'autre (deux côtés). L'ajouter au carbone central laisserait un carbocation primaire moins stable. L'ion bromure attaque ensuite le carbocation secondaire ; le produit majeur est donc le 2-bromopropane. C'est la règle de Markovnikov — mais citez la raison (stabilité du carbocation : tertiaire > secondaire > primaire), car la règle seule n'est pas l'explication.
Voie d'addition des alcènes
Suivez comment la liaison C=C s'ouvre et de nouveaux atomes s'ajoutent.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ | 亲电加成 | qīn diàn jiā chéng |
| steam/stiːm/ | 水蒸气 | shuǐ zhēng qì |
| hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ | 卤化氢 | lǔ huà qīng |
| diol/dɪˈɒl/ | 二醇 | èr chún |
| bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/ | 溴水 | xiù shuǐ |
| addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ | 加成聚合 | jiā chéng jù hé |
| polymer/ˈpɒlɪmə/ | 聚合物 | jù hé wù |
| carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ | 碳正离子 | tàn zhèng lí zi |
| inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ | 诱导效应 | yòu dǎo xiào yìng |
| Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/ | 马氏规则 | mǎ shì guī zé |
| homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ | 均裂 | jūn liè |
| heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ | 异裂 | yì liè |
| ketone/ˈketəʊn/ | 酮 | tóng |
| carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ | 羧酸 | suō suān |
14.2
Conseils d'examen
- Alcanes : la substitution radicalaire nécessite une lumière UV — montrer l'initiation, la propagation et la terminaison avec les points radicaux.
- Alcènes : addition électrophile via un carbocation ; dessiner des flèches courbes depuis le $\text{C}=\text{C}$.
- Markovnikov : H s'ajoute au carbone portant le plus d'hydrogènes, via le carbocation le plus stable (les groupes alkyles sont donneurs d'électrons).
- Test pour $\text{C}=\text{C}$ : l'eau de brome se décolore (orange → incolore) — indiquer l'observation.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.