Chimie organique • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal
Les hydrocarbures sont le chapitre d'entrée de la chimie organique, et c'est là que se prennent les habitudes : compter les insaturations avant de dessiner, chercher l'intermédiaire avant de prévoir un produit, vérifier une formule brute avant de conclure.
Cette fiche laisse le cours dans le polycopié et rassemble les gestes qui rapportent des points : le calcul du degré d'insaturation, les trois phases d'une réaction radicalaire, et la vraie règle de Markovnikov.
Le fil du chapitre
Toute la réactivité des hydrocarbures se lit sur la stabilité de l'INTERMÉDIAIRE : un radical pour les alcanes, un carbocation pour les alcènes, et la même échelle sert aux deux.
Le degré d'insaturation se calcule AVANT de commencer à dessiner : il dit combien de cycles et de liaisons multiples il faudra placer, et il élimine la moitié des structures proposées.
Les hydrocarbures sont apolaires : ils ne sont pas miscibles à l'eau et flottent dessus. C'est la seule question de solubilité qui tombe sur ce chapitre.
Le chlore est peu sélectif et attaque à peu près partout ; le brome est très sélectif et cherche le carbone le plus substitué. Un énoncé qui parle de brome attend un produit unique.
La décoloration du dibrome est le test de la liaison multiple : un alcane ne décolore pas, un alcène et un alcyne oui, et instantanément.
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« a un degré , donc c'est forcément un alcène. »
Ce qu'il faut écrire
« Le degré peut être une liaison double OU un cycle : le cyclohexane a la même formule brute qu'un hexène. »
Pourquoi : Fermer un cycle consomme deux hydrogènes, exactement comme créer une liaison . Le calcul ne distingue pas les deux, et c'est l'énoncé ou un test chimique qui tranche.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le néopentane est plus compact, donc plus dense, donc il bout plus haut. »
Ce qu'il faut écrire
« Une molécule ramifiée offre MOINS de surface de contact : les forces de London sont plus faibles et le néopentane bout à degrés contre pour le pentane. »
Pourquoi : Les forces de London dépendent de la surface, pas de la masse seule. Trois isomères de même formule brute se classent donc par leur forme, du plus linéaire au plus sphérique.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« : voilà la seconde étape de propagation. »
Ce qu'il faut écrire
« Cette étape consomme DEUX radicaux et n'en produit aucun : c'est une terminaison. »
Pourquoi : Une propagation entretient la chaîne : un radical entre, un radical sort. Le simple compte des radicaux de chaque côté suffit à classer n'importe quelle étape.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le chlore va attaquer le carbone tertiaire, comme le brome. »
Ce qu'il faut écrire
« Le chlore est peu sélectif et donne un mélange de tous les produits possibles ; seul le brome privilégie nettement le carbone le plus substitué. »
Pourquoi : Le radical chlore est très réactif, donc peu regardant : son état de transition ressemble aux réactifs. Le radical brome, moins réactif, laisse la stabilité du radical formé décider.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« On additionne selon Markovnikov, donc le premier brome va sur le carbone le plus hydrogéné. »
Ce qu'il faut écrire
« Les deux atomes ajoutés sont identiques : il n'y a rien à orienter, et la règle ne s'applique tout simplement pas. »
Pourquoi : Markovnikov ne concerne que les réactifs DISSYMÉTRIQUES, comme ou . Avec , ou , la question ne se pose pas.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le vaut , donc la soude arrache l'hydrogène terminal. »
Ce qu'il faut écrire
« Un de reste très supérieur à celui de l'eau : il faut une base bien plus forte, l'amidure de sodium par exemple. »
Pourquoi : Une réaction acide-base ne va que dans le sens de l'acide le plus faible. Avec , dont l'acide conjugué a un de , l'équilibre reste du mauvais côté.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La solution de dibrome se décolore, donc il y a un hydrocarbure dans le tube. »
Ce qu'il faut écrire
« Seules les liaisons multiples décolorent le dibrome à froid et sans lumière : un alcane ne réagit qu'à la lumière, et lentement. »
Pourquoi : Le test distingue les insaturés des saturés, ce qui est tout son intérêt. Il faut donc préciser les conditions, sans lumière et à froid, sinon l'halogénation radicalaire brouille tout.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« L'ozonolyse coupe la chaîne carbonée en deux au milieu. »
Ce qu'il faut écrire
« Elle coupe exactement la LIAISON DOUBLE, et chaque carbone qui la portait devient un carbonyle. »
Pourquoi : L'ozonolyse est un outil d'identification : on remonte de deux carbonyles à la position exacte de la liaison double. La coupure se fait là et nulle part ailleurs.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le diène est conjugué, donc la Diels-Alder aura lieu. »
Ce qu'il faut écrire
« Il faut en plus que le diène puisse adopter la conformation s-cis : un diène bloqué en s-trans ne réagit pas. »
Pourquoi : Le cycle à six formé exige que les deux extrémités du diène pointent du même côté. Un blocage stérique interdit alors la réaction, malgré une conjugaison parfaite.
On regarde la fonction de départ et celle qu'il faut obtenir.
Si alcane vers halogénoalcane → sous lumière, en acceptant un mélange avec le chlore
Exemple : attaque surtout le carbone tertiaire
Si alcène vers alcool, avec orientation Markovnikov → en milieu acide, en surveillant les réarrangements
Exemple : le se place sur le carbone le plus substitué
Si alcène vers alcane → avec un catalyseur métallique, addition SYN
Exemple : les deux hydrogènes arrivent du même côté
Si alcène vers dihalogénoalcane vicinal → , addition ANTI par le pont halonium
Exemple : les deux halogènes se placent de part et d'autre
Si on veut localiser une liaison double inconnue → ozonolyse, puis remonter des carbonyles obtenus
Exemple : deux cétones identiques signalent un alcène symétrique
Toutes ces additions consomment un degré d'insaturation : le produit doit donc avoir deux hydrogènes de plus, ou deux substituants de plus, que le réactif.
On part des fragments obtenus et on recolle.
Si l'ozonolyse donne deux aldéhydes différents → la liaison double était entre deux carbones portant chacun un hydrogène
Exemple : un alcène disubstitué non symétrique
Si elle donne une cétone et un aldéhyde → un des deux carbones de la double liaison portait deux substituants
Exemple : un alcène trisubstitué
Si elle donne un seul produit en double quantité → l'alcène était symétrique
Exemple : le but-2-ène donne deux molécules d'éthanal
Si la combustion donne les quantités de et de → compter les carbones puis les hydrogènes, et conclure sur la formule brute
Exemple : mol de et mol d'eau pour mol de composé donnent
Le degré d'insaturation calculé sur la formule brute obtenue doit correspondre à la structure proposée. Si les deux ne coïncident pas, c'est la structure qui est fausse.
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Quand l'utiliser : L'énoncé demande le mécanisme d'une halogénation, ou de justifier la présence d'un sous-produit.
Phrase de conclusion
« La seconde étape de propagation régénère le radical halogène, ce qui entretient la chaîne : une seule initiation suffit à transformer des milliers de molécules. »
Le piège : Utiliser des flèches entières là où le mécanisme est radicalaire : un radical se déplace avec UN électron, donc une demi-flèche.
Barème : 1 point l'initiation, 1 point par étape de propagation, 1 point la terminaison.
Quand l'utiliser : L'énoncé donne les masses de dioxyde de carbone et d'eau formées par une masse ou une quantité connue de composé.
Phrase de conclusion
« mol de carbone et mol d'hydrogène pour mol de composé donnent , de degré d'insaturation nul. »
Le piège : Oublier que chaque molécule d'eau apporte DEUX hydrogènes, ce qui divise le compte par deux.
Barème : 1 point les quantités de matière, 1 point le compte des atomes, 1 point la formule brute vérifiée.
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Le degré d'insaturation du produit
Recalculer le degré sur la formule du produit : une addition en consomme exactement un, une élimination en crée un.
Un produit d'addition encore insaturé signale une réaction mal écrite.
Le compte des atomes de part et d'autre
Vérifier que chaque élément apparaît en même nombre dans les réactifs et dans les produits, l'oxygène compris.
Une combustion équilibrée avec un coefficient demi est correcte, à condition de doubler toute l'équation si l'énoncé l'exige.
Un radical entre, un radical sort
Compter les radicaux de chaque côté de chaque étape écrite : et pour une propagation, et pour une terminaison.
Deux radicaux à gauche et un produit stable à droite : c'est une terminaison, pas une propagation.
L'ordre des températures d'ébullition
Classer les isomères du plus linéaire au plus ramifié : la température doit décroître dans cet ordre.
Un néopentane annoncé plus haut bouillant que le pentane trahit un raisonnement fondé sur la masse plutôt que sur la surface.
La combustion complète de mol d'un hydrocarbure gazeux produit g de dioxyde de carbone et g d'eau.
Déterminer sa formule brute, puis écrire l'équation de combustion équilibrée.
Étape 1
mol et mol.
Pourquoi
On convertit d'abord, sans rien interpréter. Écrire les deux masses molaires vaut le point de méthode, même si le calcul se fait de tête.
Étape 2
Carbone : mol, soit atomes par molécule.
Pourquoi
Chaque molécule de dioxyde de carbone contient exactement un carbone, tous venus du combustible. Le rapport donne directement l'indice.
Étape 3
Hydrogène : mol, soit atomes par molécule.
Pourquoi
Chaque molécule d'eau emporte DEUX hydrogènes : c'est le facteur que la moitié des copies oublie, et il divise le résultat par deux.
Étape 4
Formule brute : , de degré d'insaturation .
Pourquoi
Le degré nul confirme un alcane, cohérent avec la formule générale pour . Deux vérifications indépendantes du même résultat.
Étape 5
Équation : .
Pourquoi
Le coefficient demi est parfaitement licite ; on double toute l'équation si l'énoncé exige des entiers. Le compte des oxygènes, de chaque côté, valide l'équilibrage.
Étape 6
Contrôle : mol d'éthane donne bien mol de dioxyde de carbone et mol d'eau.
Pourquoi
On repart de la formule trouvée vers les données de l'énoncé : c'est l'opération inverse, et elle attrape toute erreur d'indice.
Conclusion rédigée
« L'hydrocarbure est l'éthane, de formule , et sa combustion complète s'écrit . »
L'erreur classique sur cet exercice : Compter mol d'hydrogène au lieu de et conclure à , formule qui ne correspond à aucun composé stable.
On applique la formule qui prend deux fois le nombre de carbones, plus deux, plus les azotes, moins les hydrogènes et les halogènes, le tout divisé par deux. Le résultat donne le nombre total de cycles et de liaisons multiples. Une liaison triple compte pour deux degrés et un cycle aromatique pour quatre.
Parce que les forces de dispersion entre molécules dépendent de la surface de contact. Une chaîne linéaire s'accole à ses voisines sur toute sa longueur, une molécule ramifiée est presque sphérique et se touche beaucoup moins. Le pentane bout ainsi à trente-six degrés contre neuf et demi pour le néopentane, à formule brute identique.
En comptant les radicaux de chaque côté. Une propagation en consomme un et en produit un autre, ce qui entretient la chaîne. Une terminaison en consomme deux et n'en produit aucun. Une initiation n'en consomme aucun et en produit deux, à partir d'une molécule cassée par la lumière ou la chaleur.
Seulement lorsque le réactif ajouté est dissymétrique, comme le bromure d'hydrogène ou l'eau. Avec du dihydrogène ou du dibrome, les deux atomes ajoutés sont identiques et il n'y a rien à orienter. Quand elle s'applique, elle dit que le proton se fixe de façon à former le carbocation le plus stable.
Beaucoup plus qu'un alcane, mais bien moins que l'eau. Son constante d'acidité correspond à un pKa voisin de vingt-cinq, contre cinquante pour un alcane et quinze virgule sept pour l'eau. La soude ne suffit donc pas à l'arracher : il faut une base beaucoup plus forte, comme l'amidure de sodium.
