Chimie · 10e Prépare le BEPC

Leçon 21 sur 26

Les propriétés chimiques des alcynes

Je sais écrire les équations de combustion et d'addition de l'acétylène, en une ou deux étapes, et utiliser ces réactions dans des calculs.

55 min
5 exercices corrigés
1 schéma
QCM de 5 questions

À la fin de la leçon, tu sauras :

Écrire la combustion de l'acétylène et expliquer l'usage du chalumeau oxyacétylénique
Écrire les additions de H₂, Br₂, HCl et H₂O sur l'acétylène, en une ou deux étapes
Expliquer la fabrication du PVC à partir de l'acétylène
Comparer les réactions des alcanes, alcènes et alcynes et faire des calculs de masses et de volumes

Avant de commencer : Les alcynes (formule, acétylène, préparation), les alcènes (réaction d'addition, polymérisation), les calculs de quantités de matière.

1Je découvre

Dans l'atelier de soudure de Mamadou, à Siguiri, on répare les charrettes et les pièces des machines d'orpaillage. Mamadou règle son chalumeau : s'il n'ouvre que la bouteille d'acétylène, la flamme est jaune, haute et lâche une épaisse fumée noire. Dès qu'il ouvre la bouteille de dioxygène, la flamme devient courte, d'un bleu éblouissant, et découpe une barre de fer en quelques secondes.

Son apprenti Ibrahima remarque aussi, dans le magasin voisin, des tuyaux gris marqués « PVC » destinés à l'installation d'eau des maisons. Le vendeur lui dit que ce plastique est fabriqué, lui aussi, à partir de gaz comme l'acétylène.

Ibrahima s'étonne : comment un gaz peut-il à la fois donner une flamme capable de fondre le fer et servir à fabriquer des tuyaux ?

Quelles réactions chimiques l'acétylène peut-il subir grâce à sa triple liaison, et à quoi servent-elles ?

2Je comprends

1. La combustion de l'acétylène

Comme tous les hydrocarbures, l'acétylène brûle dans le dioxygène. La combustion complète s'écrit :

2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O

Vérification : C : 4 = 4 ; H : 4 = 4 ; O : 10 = 8 + 2.

Dans l'air, la combustion est incomplète : l'acétylène est très riche en carbone (2426 ≈ 92 % de sa masse), et l'air n'apporte pas assez de dioxygène. La flamme est jaune, très éclairante (c'était le principe des lampes à carbure) et fuligineuse : elle dépose beaucoup de suie.

Avec du dioxygène pur, la combustion est complète et dégage énormément de chaleur sur une petite surface. La flamme du chalumeau oxyacétylénique dépasse 3 000 °C : elle permet de souder et de découper les métaux, dont l'acier.

Exemple

Quel volume de dioxygène faut-il pour brûler complètement 10 L d'acétylène (volumes mesurés dans les mêmes conditions) ?

D'après l'équation, 2 volumes de C₂H₂ réagissent avec 5 volumes de O₂.

V(O₂) = 10 × 5/2 = 25 L.

2. Les réactions d'addition

La triple liaison contient deux liaisons fragiles qui peuvent s'ouvrir l'une après l'autre. L'addition peut donc se faire en deux étapes : l'alcyne devient d'abord un composé à double liaison, puis un composé saturé.

1Alcyne : triple liaison C≡C (exemple : HC≡CH).
2Première addition d'une molécule A–B : on obtient une double liaison C=C.
3Deuxième addition d'une molécule A–B : on obtient une liaison simple C–C.
4Le produit final est saturé : chaque carbone a 4 liaisons simples.

Une triple liaison peut fixer jusqu'à deux molécules.

Addition de dihydrogène (hydrogénation).

Avec un catalyseur au nickel et du dihydrogène en excès, l'addition est totale :

HC≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃ (éthane).

Avec un catalyseur au palladium « empoisonné » (rendu moins actif), on s'arrête à l'alcène :

HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (éthylène).

Addition de dibrome. L'acétylène décolore l'eau de brome, comme les alcènes :

HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-dibromoéthène) ;
CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ (1,1,2,2-tétrabromoéthane).

Bilan : C₂H₂ + 2Br₂ → C₂H₂Br₄. Une mole d'alcyne peut donc décolorer deux moles de dibrome, alors qu'une mole d'alcène n'en décolore qu'une.

Addition de chlorure d'hydrogène : vers le PVC. En présence d'un catalyseur, l'acétylène fixe une molécule de HCl :

HC≡CH + HCl → CH₂=CHCl

Le produit est le chloroéthène, appelé chlorure de vinyle. Il possède encore une double liaison : il peut donc se polymériser, comme l'éthylène :

n CH₂=CHCl → –(CH₂–CHCl)_n–

On obtient le polychlorure de vinyle, le PVC : tuyaux d'eau et d'évacuation, gaines électriques, revêtements de sol. Voilà le lien entre la bouteille du soudeur et les tuyaux du magasin. (Aujourd'hui, l'industrie fabrique surtout le chlorure de vinyle à partir de l'éthylène, mais la voie de l'acétylène reste un exemple classique.)

Addition d'eau (hydratation). En présence d'ions mercure(II) en milieu acide, l'acétylène fixe une molécule d'eau. Il se forme d'abord un composé instable, CH₂=CH–OH, qui se transforme aussitôt en éthanal :

HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO (éthanal)

La trimérisation. À chaud, avec un catalyseur, trois molécules d'acétylène s'unissent en une molécule cyclique, le benzène : 3C₂H₂ → C₆H₆.

Méthode

Pour écrire une addition sur un alcyne :

Je lis l'énoncé : combien de molécules sont ajoutées (une ou deux) ? Avec quel catalyseur ?
Première molécule : je place un morceau sur chaque carbone de la triple liaison, qui devient double.
Deuxième molécule (si demandée) : même chose, la double liaison devient simple.
Je vérifie que chaque carbone a 4 liaisons et que les atomes sont conservés.
J'écris l'équation-bilan et je nomme le produit.

Exemple

Quelle masse de dibrome faut-il pour saturer complètement 2,6 g d'acétylène, et quelle masse de produit obtient-on ? (C = 12 ; H = 1 ; Br = 80 g/mol)

C₂H₂ + 2Br₂ → C₂H₂Br₄.

n(C₂H₂) = 2,6 / 26 = 0,1 mol.

n(Br₂) = 2 × 0,1 = 0,2 mol ; M(Br₂) = 160 g/mol ; m(Br₂) = 0,2 × 160 = 32 g.

M(C₂H₂Br₄) = 24 + 2 + 320 = 346 g/mol ; m = 0,1 × 346 = 34,6 g.

Contrôle : 2,6 + 32 = 34,6 g. Juste.

Exemple

Quel volume d'acétylène (conditions normales) faut-il pour fabriquer 125 kg de PVC, si toutes les réactions sont totales ? (Cl = 35,5 g/mol ; Vm = 22,4 L/mol)

Motif du polymère : –CH₂–CHCl–, M = 2 × 12 + 3 × 1 + 35,5 = 62,5 g/mol.

Nombre de moles de motifs : 125 000 / 62,5 = 2 000 mol.

Chaque motif vient d'une molécule de chlorure de vinyle, qui vient d'une molécule d'acétylène : n(C₂H₂) = 2 000 mol.

V = 2 000 × 22,4 = 44 800 L, soit 44,8 m³.

3. Bilan : trois familles, trois comportements

	Alcanes	Alcènes	Alcynes
Liaison	simple	double	triple
Formule	C_nH_2n+2	C_nH_2n	C_nH_2n-2
Réaction caractéristique	substitution	addition (1 molécule)	addition (1 ou 2 molécules)
Eau de brome	pas de décoloration	décoloration	décoloration
Polymère typique	aucun	polyéthylène	PVC (via le chlorure de vinyle)

Plus un hydrocarbure est insaturé, plus il est réactif.

3Je retiens

Je retiens

Combustion : 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O ; avec O₂ pur, flamme de plus de 3 000 °C (chalumeau).

Dans l'air, l'acétylène brûle avec une flamme jaune et fuligineuse (combustion incomplète).

Addition en deux étapes : triple liaison → double liaison → liaison simple.

HC≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃ (nickel) ; HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (palladium empoisonné).

C₂H₂ + 2Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ : l'acétylène décolore l'eau de brome.

HC≡CH + HCl → CH₂=CHCl (chlorure de vinyle) puis polymérisation en PVC.

HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO (éthanal).

4Erreurs fréquentes

Oublier que l'addition peut se faire deux fois : avec le dihydrogène en excès sur nickel, on obtient l'éthane, pas l'éthylène.
Écrire une substitution sur l'acétylène (formation de HBr) : avec le dibrome, c'est une addition, sans HBr.
Mal équilibrer la combustion : 2C₂H₂ + 5O₂, et non C₂H₂ + 2O₂.
Écrire le chlorure de vinyle CH₃–CH₂Cl : c'est le chloroéthane ; le chlorure de vinyle garde une double liaison, CH₂=CHCl.

5Je m’exerce

1Exercice 1

Écris l'équation de la combustion complète de l'acétylène. Pourquoi sa flamme est-elle fuligineuse dans l'air ?

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2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. L'acétylène contient environ 92 % de carbone en masse : dans l'air, le dioxygène ne suffit pas pour brûler tout ce carbone. Une partie reste sous forme de suie (carbone), ce qui rend la flamme jaune et fuligineuse.

2Exercice 2

Écris les équations de l'hydrogénation de l'acétylène : a) en présence de palladium empoisonné ; b) en présence de nickel et de dihydrogène en excès. Nomme les produits.

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a) HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ : éthylène (éthène).

b) HC≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃ : éthane.

3Exercice 3

Écris les équations des réactions du propyne HC≡C–CH₃ avec : a) une molécule de dibrome ; b) deux molécules de dibrome. Donne la formule brute du produit final.

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a) HC≡C–CH₃ + Br₂ → CHBr=CBr–CH₃ (1,2-dibromopropène).

b) HC≡C–CH₃ + 2Br₂ → CHBr₂–CBr₂–CH₃ (1,1,2,2-tétrabromopropane).

Formule brute du produit final : C₃H₄Br₄.

4Exercice 4

On fait réagir 5,2 g d'acétylène avec du chlorure d'hydrogène en quantité suffisante.

a) Écris l'équation et nomme le produit.

b) Calcule la masse de produit obtenue.

c) Écris l'équation de polymérisation de ce produit et nomme le polymère.

Données : C = 12 ; H = 1 ; Cl = 35,5 g/mol.

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a) HC≡CH + HCl → CH₂=CHCl : chloroéthène (chlorure de vinyle).

b) n(C₂H₂) = 5,226 = 0,2 mol, donc n(C₂H₃Cl) = 0,2 mol. M(C₂H₃Cl) = 24 + 3 + 35,5 = 62,5 g/mol ; m = 0,2 × 62,5 = 12,5 g.

c) n CH₂=CHCl → –(CH₂–CHCl)_n– : le polychlorure de vinyle (PVC).

5Exercice 5

(Type BEPC) Un hydrocarbure gazeux A a une masse molaire de 26 g/mol.

a) Montre que A est un alcyne et identifie-le.

b) On fait passer 1,12 L de A (conditions normales) dans une solution de dibrome en excès. Calcule la masse maximale de dibrome qui peut réagir.

c) Le soudeur Mamadou utilise 448 L de A (conditions normales) dans la journée. Calcule le volume de dioxygène nécessaire à la combustion complète et la masse de dioxyde de carbone rejetée.

Données : C = 12 ; H = 1 ; O = 16 ; Br = 80 g/mol ; V_m = 22,4 L/mol.

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a) Pour un alcyne, 14n - 2 = 26, donc n = 2 : C₂H₂ vérifie C_nH_2n-2. A est l'acétylène (éthyne). (Un alcane ou un alcène donnerait n non entier : 2414 ou 2614.)

b) n(C₂H₂) = 1,1222,4 = 0,05 mol. C₂H₂ + 2Br₂ → C₂H₂Br₄ : n(Br₂) = 0,1 mol ; m = 0,1 × 160 = 16 g.

c) n(C₂H₂) = 44822,4 = 20 mol. D'après 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O : n(O₂) = 52 × 20 = 50 mol, V(O₂) = 50 × 22,4 = 1 120 L. n(CO₂) = 2 × 20 = 40 mol, m(CO₂) = 40 × 44 = 1 760 g, soit 1,76 kg.