CHEMIA

WĘGLOWODORY

~ 2 ~

hV

WĘGLOWODORY

A L K A N Y

WSTĘP

Alkany to grupa nasyconych węglowodorów, czyli takich związków, w których pomiędzy atomami węgla występują
tylko wiązania pojedyncze (dł. 154pm ). Wiązania takie tworzą się przez czołowe nałożenie się zhybrydyzowanych
(sp

3

) orbitali atomów węgla.

Ogólny wzór alkanów to C

n

H

2n+2

gdzie n≥1

Rys. Model cząsteczki etanu

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

Alkany zawierające od 1 do 4 atomów węgla w cząsteczce w warunkach standardowych to gazy. Od 5 do 16
atomów węgla w cząsteczce to ciecze, a powyżej 16 atomów węgla to ciała stałe.
Niepolarność cząsteczki sprawia, że nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast rozpuszczają się w niepolarnych
substancjach (np. benzynie).
Temperatura wrzenia i topnienia oraz gęstość alkanów rośnie wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.
Spośród n-alkanów i ich rozgałęzionych izomerów powyższe parametry są wyższe dla n-alkanów.

NAZWA SYSTEMATYCZNA

TEMPERATURA

WRZENIA

pentan

36°C

2-metylobutan

28°C

2,2-dimetylopropan

10°C

REAKCJE ALKANÓW

Alkany ze względu na swój nasycony charakter, nie posiadają w swych cząsteczkach słabego wiązania π, przez co są
bardzo mało reaktywne (stąd inna nazwa – parafiny, od łac. parum affinis – mało reaktywne).

A. spalanie – w zależności od ilości tlenu obecnego w środowisku powstaje dwutlenek węgla, tlenek węgla (II)

lub węgiel oraz woda

2C

2

H

6

+ 7O

2

4CO

2

+ 6H

2

O

B. substytucja Cl

2

, Br

2

, I

2

, F

2

- mechanizm wolnorodnikowy – w obecności światła atomy fluorowców

zastępują atomy wodoru w cząsteczce alkanu z wytworzeniem fluorowcowodoru

CH

3

– CH

3

+ Cl

2

CH

3

– CH

2

Cl + HCl

~ 3 ~

kat

alkohol

T

kat

alkohol

OTRZYMYWANIE

Na skalę przemysłową alkany otrzymuje się w wyniku wydzielenia ich z produktów naturalnych, czyli gazu
ziemnego i ropy naftowej. Oto niektóre laboratoryjne metody otrzymywania tych związków:

A. synteza Würtza – działanie metalicznym sodem na fluorowcopochodną alkanu powoduje oderwanie

atomów fluorowca od cząsteczki i połączenie tak powstałych grup alkilowych w cząsteczkę nowego alkanu

B. uwodornienie alkenów i alkinów – pod wpływem wodoru i w obecności katalizatora (np. Ni, Pd, Pt) pękają

wiązania podwójne w cząsteczce nienasyconego węglowodoru, w wyniku czego powstaje alkan

CH

2

= CH

2

+ H

2

CH

3

– CH

3

CH ≡ CH + 2H

2

CH

3

– CH

3

C. ogrzewanie etanianu sodu z wodorotlenkiem sodu – w wyniku prażenia soli octowej sodu i zasady

sodowej powstaje metan oraz węglan sodu

CH

3

COONa + NaOH CH

4

+ Na

2

CO

3

D. reakcja węgliku glinu z kwasem chlorowodorowym – działając roztworem HCl na węglik glinu

otrzymujemy metan oraz chlorek glinu

Al

4

C

3

+ 12HCl 3CH

4

+ 4AlCl

3

E. reakcja węgliku glinu z wodą – działając wodą na węglik glinu otrzymujemy metan oraz wodorotlenek glinu

Al

4

C

3

+ 12H

2

O 3CH

4

+ 4Al(OH)

3

REGUŁA ZAJCEWA

W reakcji eliminacji wiązanie podwójne tworzy się przy atomie węgla uboższego w wodór.

zgodne z reg. Zajcewa:

CH

3

–

C

HCl –

C

H

2

– CH

3

+ KOH CH

3

–

C

H =

C

H – CH

3

+ KCl + H

2

O

niezgodne z reg. Zajcewa:

C

H

3

–

C

HCl – CH

2

– CH

3

+ KOH

C

H

2

=

C

H – CH

2

– CH

3

+ KCl + H

2

O

~ 4 ~

kat

H

+

WĘGLOWODORY

A L K E N Y

WSTĘP

Alkeny to nienasycone węglowodory, które oprócz wiązań pojedynczych zawierają jedno wiązanie podwójne
pomiędzy atomami węgla (dł. 134pm). Wiązanie podwójne składa się z silnego wiązania σ utworzonego przez
czołowe nałożenie się zhybrydyzowanych (sp

2

) orbitali atomów węgla, oraz ze słabego wiązania π powstałego

przez boczne przenikanie niezhybrydyzowanych orbitali p.
Wzór ogólny alkenów to C

n

H

2n

gdzie n≥2.

Rys. Model cząsteczki etenu

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE NA PRZYKŁADZIE ETENU

Eten (etylen) jest gazem nierozpuszczalnym w wodzie (z powodu niepolarnego charakteru cząsteczki), lżejszym od
powietrza. Wraz ze wzrostem łańcucha węglowego alkenów, rośnie ich temperatura wrzenia oraz topnienia.

REAKCJE ALKENÓW

A. spalanie – w zależności od ilości tlenu obecnego w środowisku powstaje dwutlenek węgla, tlenek węgla (II)

lub węgiel oraz woda

C

2

H

4

+ 3O

2

2CO

2

+ 2H

2

O

B. addycja

- fluorowców – działając fluorowcem na alken rozrywamy wiązanie podwójne w wyniku czego tworzy się

difluorowcopochodna alkanu

CH

2

= CH

2

+ Br

2

CH

2

Br – CH

2

Br

- wodoru – pod wpływem wodoru i w obecności katalizatora (np. Ni, Pd, Pt) pękają wiązania podwójne w

cząsteczce nienasyconego węglowodoru, w wyniku czego powstaje alkan

CH

2

= CH

2

+ H

2

CH

3

– CH

3

- fluorowcowodorów – pod wpływem fluorowcowodoru zostaje rozerwane wiązanie podwójne i do tak

otrzymanej cząsteczki, zgodnie z regułą Markownikowa, przyłącza się atom wodoru oraz atom fluorowca
tworząc fluorowcopochodną alkanu

CH

2

= CH – CH

3

+ HF CH

3

– CHF – CH

3

- wody – w kwaśnym środowisku pod wpływem wody pęka wiązanie podwójne, a następnie do cząsteczki

przyłącza się atom wodoru oraz grupa –OH zgodnie z regułą Markownikowa

CH

2

= CH – CH

3

+ H

2

O CH

3

– CHOH – CH

3

~ 5 ~

CH

2

– OH

CH

2

– OH

H

+

alkohol

Al

2

O

3

, T

kat

T, p

C. reakcja z KMnO

4

– alkany ulegają reakcji z silnie zakwaszonym wodnym roztworem manganianu (VII)

potasu; eten w tej reakcji tworzy brunatny tlenek manganu (IV), zasadę potasową oraz etan-1,2-diol

3CH

2

= CH

2

+ 2KMnO

4

+ 4H

2

O 2MnO

2

+ 2KOH + 3

D. polimeryzacja – pod wpływem katalizatora (np. Pt), wysokiej temperatury i ciśnienia pękają wiązania

podwójne i wiele monomerów łączy się w długi łańcuch – polimer (w tym przypadku – polietylen)

nCH

2

= CH

2

[– CH

2

– CH

2

–]

n

OTRZYMYWANIE

A. odwodnienie alkoholu - pod wpływem temperatury i katalizatora (np. Al

2

O

3

) z cząsteczki alkoholu zostaje

wyeliminowana cząsteczka wody tworząc alken zgodnie z regułą Zajcewa

CH

3

– CH

2

– CH

2

OH CH

3

– CH = CH

2

+ H

2

O

B. reakcja fluorowcopochodnej z zasadą – w reakcji fluorowcopochodnej z zasadą potasową i w środowisku

alkoholowym powstaje alken (zgodnie z regułą Zajcewa), sól oraz woda

CH

3

– CHCl – CH

2

– CH

3

+ KOH CH

3

– CH = CH – CH

3

+ KCl + H

2

O

C. reakcja difluorowcopochodnej z cynkiem – warunkiem zaistnienia takiej reakcji jest obecność atomów

fluorowca przy sąsiednich atomach węgla w cząsteczce pochodnej; tylko taki związek w reakcji z cynkiem
wytworzy alken oraz sól (np. ZnCl

2

)

CH

2

Cl – CH

2

Cl + Zn CH

2

= CH

2

+ ZnCl

2

REGUŁA MARKOWNIKOWA

W reakcji addycji związku HX (gdzie X = Cl, F, I, Br, OH) do alkenu, atom wodoru przyłącza się do tego atomu
węgla przy podwójnym wiązaniu, przy którym znajduje się więcej atomów wodoru.

CH

2

= CH – CH

3

+

H

Cl

CH

3

– CH

Cl

– CH

3

~ 6 ~

kat

Hg

2+

, H

+

WĘGLOWODORY

A L K I N Y

WSTĘP

Alkiny to grupa nienasyconych węglowodorów, zawierających w swej cząsteczce jedno wiązanie potrójne pomiędzy
atomami węgla (dł. 120pm). Wiązanie takie składa się z silnego wiązania σ utworzonego przez czołowe nałożenie
się zhybrydyzowanych (sp) orbitali atomów węgla, oraz z dwóch słabych wiązań π powstałych przez boczne
nakładanie się pozostałych, niezhybrydyzowanych orbitali p.
Wzór ogólny alkinów to: C

n

H

2n-2

gdzie n≥2.

Rys. Model cząsteczki etynu

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE NA PRZYKŁADZIE ETYNU

Etyn (acetylen) jest bezbarwnym gazem, bezwonnym, lżejszym od powietrza. Nie rozpuszcza się w wodzie.
Tak jak w przypadku alkanów i alkenów temperatura topnienia, wrzenia oraz gęstość alkinów rośnie w miarę
wzrostu łańcucha węglowego.

REAKCJE ALKINÓW

A. spalanie – w zależności od ilości tlenu obecnego w środowisku powstaje dwutlenek węgla, tlenek węgla (II)

lub węgiel oraz woda, która jest stałym, niezmiennym produktem

2CH ≡ CH + O

2

4C + 2H

2

O

B. addycja

- fluorowców - działając fluorowcem na alkin rozrywamy wiązanie potrójne w wyniku czego tworzy się

tetrafluorowcopochodna alkanu (produkt pośredni to difluorowcopochodna alkenu)

CH ≡ CH + 2Br

2

CHBr

2

– CHBr

2

- wodoru – pod wpływem wodoru i w obecności katalizatora (np. Ni, Pt, Pd) pękają wiązania potrójne w

cząsteczce nienasyconego węglowodoru, w wyniku czego powstaje alkan (produktem pośrednim jest alken)

CH ≡ CH + 2H

2

CH

3

– CH

3

- fluorowcowodorów - pod wpływem fluorowcowodoru zostaje rozerwane wiązanie potrójne i do tak

otrzymanej cząsteczki, zgodnie z regułą Markownikowa, przyłączają się atomy wodoru oraz atomy fluorowca
tworząc difluorowcopochodną alkanu

CH ≡ C – CH

3

+ 2HCl CH

3

– CCl

2

– CH

3

- wody – reakcja Kuczerowa – pod wpływem wody i w obecności katalizatorów HgSO

4

i H

2

SO

4

alkin

przekształca się w nietrwały enol, a następnie samorzutnie przekształca się (tautomeryzuje) w związek
karbonylowy (aldehyd lub keton)

CH ≡ CH + H

2

O [CH

2

= CHOH] CH

3

CHO

Suche acetylenki metali
ciężkich są związkami
silnie wybuchowymi

~ 7 ~

COOK

COOK

H

+

T

alkohol

C. reakcja z KMnO

4

3CH≡CH + 8KMnO

4

8MnO

2

+ 2KOH + 3 + 2H

2

O

D. reakcja z aktywnymi metalami – w reakcji z aktywnymi metalami etyn tworzy acetylenki poprzez

podstawienie atomu wodoru w cząsteczce atomem metalu

2CH≡CH + 2Na 2CH≡CNa + H

2

OTRZYMYWANIE

A. reakcja tetrafluorowcopochodnej z cynkiem – w wyniku reakcji tetrafluorowcopochodnej alkanu z cynkiem

powstaje alkin oraz sól

CHCl

2

– CHCl

2

+ 2Zn CH≡CH + 2ZnCl

2

B. reakcja difluorowcopochodnej z zasadą - działając roztworem zasady potasowej na difluorowcopochodną

alkanu w środowisku alkoholowym otrzymamy alkin, sól oraz wodę

CH

2

Cl – CH

2

Cl + KOH CH≡CH + 2KCl + 2H

2

O

C. reakcja węgliku wapnia (karbidu) z wodą – w wyniku reakcji karbidu z wodą powstaje etyn oraz zasada

wapniowa

CaC

2

+ 2H

2

O CH≡CH + Ca(OH)

2

D. rozkład metanu – w procesie pirolizy, rozkładając metan w temperaturze łuku elektrycznego otrzymamy etyn

oraz wodór

2CH

4

CH≡CH + 3H

2

~ 8 ~

FeBr

3

H

2

SO

4

(st.)

Br

NO

2

SO

3

H

WĘGLOWODORY

A R E N Y

WSTĘP

Areny (węglowodory aromatyczne) to związki chemiczne, których cząsteczka ma budowę pierścieniową i zawiera
zdelokalizowane wiązanie π, które łączy wszystkie atomy węgla. Pierwszym związkiem w szeregu homologicznym
arenów jest benzen (C

6

H

6

).

Ogólny wzór arenów to: C

n

H

2n-6

gdzie n≥6.

Rys. Model cząsteczki benzenu

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE NA PRZYKŁADZIE BENZENU

Benzen jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym zapachu, nierozpuszczalną w wodzie. Ma właściwości
rakotwórcze – powoduje zanik szpiku kostnego, a w następstwie białaczkę.

REAKCJE ARENÓW

A. spalanie – w powietrzu spala się jasnym, kopcącym płomieniem z wytworzeniem węgla i wody

2C

6

H

6

+ 3O

2

12C + 6H

2

O

B. substytucja elektrofilowa

- chloru / bromu – benzen reaguje z chlorem i bromem z wytworzeniem chloro / bromo pochodnej

benzenu oraz chloro / bromo wodoru tylko w obecności katalizatora (np. FeCl

3

, FeBr

3

)

+ Br

2

+ HBr

- nitrowanie – w obecności katalizatora (oleum – roztwór SO

3

w stężonym H

2

SO

4

) benzen reaguje z kwasem

azotowym (V) tworząc nitrobenzen oraz wodę

+ HNO

3

+ H

2

O

- sulfonowanie – reagując z kwasem siarkowym (IV) benzen tworzy kwas benzenosulfonowy i wodę

+ H

2

SO

4

+ H

2

O

~ 9 ~

AlCl

3

kat.

T, p

CH

3

Br

Br

kat.

T, p

H

- alkilowanie – w obecności katalizatora (np. AlCl

3

) benzen ulega reakcji z fluorowcopochodnymi alkanów

tworząc swój homolog oraz fluorowcowodór

+ CH

3

Cl + HCl

C. addycja

- wodoru – w obecności katalizatora (np. Pt, Pd), wysokiego ciśnienia i temperatury (2,5MPa, 473K) benzen

przyłącza wodór tworząc cykloheksan (produkty pośrednie: cykloheks-1,3-dien i cykloheksen)

+ 3H

2

OTRZYMYWANIE BENZENU

A. odwodornienie cykloheksanu

+ 3H

2

B. trimeryzacja etynu

3CH≡CH

MECHANIZM SYBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ NA PRZYKŁADZIE BROMU

Reakcja substytucji elektrofilowej benzenu składa się z trzech zasadniczych etapów:
I. wytworzenie jonu elektrofilowego

FeBr

3

+ Br

2

FeBr

4

-

+ Br

+

II. atak elektrofila na cząsteczkę benzenu, wytworzenie przejściowego produktu i oderwanie jonu wodorowego

+ Br

+

+ H

+

III. odtworzenie katalizatora

H

+

+ FeBr

4

-

FeBr

3

+ HBr

+

~ 10 ~

CH

3

H

2

SO

4

(st.)

CH

3

CH

3

NO

2

H

2

SO

4

(st.)

NO

2

NO

2

NO

2

WYBRANE HOMOLOGI BENZENU

WZÓR

SUMARYCZNY

WZÓR

STRUKTURALNY

NAZWA

C

6

H

6

benzen

C

7

H

8

CH

3

metylobenzen

(toluen)

C

8

H

10

C

2

H

5

etylobenzen

Budowa cząsteczek homologów benzenu pokazuje, że powinny one wykazywać właściwości chemiczne alkanów
jak i arenów, dlatego ich charakter w reakcjach zależy od warunków prowadzenia reakcji.



+ Cl

2

+ HCl

metylobenzen chlorofenylometan





+ 2Cl

2

+ + 2HCl

metylobenzen o-chlorometylobenzen p-chlorometylobenzen
(toluen) (o-chlorotoluen) (p-chlorotoluen)


Podstawnik I rodzaju kieruje inne podstawniki w położenie orto i para, np. –CH

3

, –OH, –Cl, –Br, –I, – NH

2

.

2 + 2HNO

3

+ + 2H

2

O

metylobenzen o-nitrotoluen p-nitrotoluen


Podstawnik II rodzaju kieruje inne podstawniki w położenie meta, np. –NO

2

, –CHO, –COOH.

+ HNO

3

+ 2H

2

O

nitrobenzen m-dinitrobenzen

CH

3

FeCl

3

CH

3

hv

CH

2

Cl

CH

3

Cl

CH

3

Cl

NO

2

Ksylen to potoczna
nazwa homologu
benzenu o dwóch
podstawnikach
metylowych

~ 11 ~

hV

Al

2

O

3

, T

alkohol

alkohol

T

COOK

COOK

GRUPA

ZWIĄZKÓW

REAKCJE CHEMICZNE

OTRZYMYWANIE

A

LKA

N

Y

-

spalanie

2C

2

H

6

+ 7O

2

4CO

2

+ 6H

2

O

- substytucja fluorowców

CH

3

– CH

3

+ Cl

2

CH

3

– CH

2

Cl + HCl

- synteza Würtza

2CH

3

I + 2Na CH

3

– CH

3

+ 2NaI

- uwodornienie alkenów i alkinów (katalizator)

CH

2

= CH

2

+ H

2

CH

3

– CH

3

CH ≡ CH + 2H

2

CH

3

– CH

3

- ogrzewanie etanianu sodu z wodorotlenkiem sodu

CH

3

COONa + NaOH CH

4

+ Na

2

CO

3

- reakcja węgliku glinu z kwasem solnym

Al

4

C

3

+ 12HCl 3CH

4

+ 4AlCl

3

A

LKEN

Y

- spalanie

C

2

H

4

+ 3O

2

2CO

2

+ 2H

2

O

- addycja fluorowców

CH

2

= CH

2

+ Br

2

CH

2

Br – CH

2

Br

- addycja wodoru (katalizator)

CH

2

= CH

2

+ H

2

CH

3

– CH

3

- addycja fluorowcowodorów

CH

2

= CH

2

+ HF CH

3

– CH

2

F

- addycja wody (kwaśne środowisko)

CH

2

= CH

2

+ H

2

O CH

3

– CH

2

OH

- reakcja z KMnO

4

(kwaśne środowisko)

3C

2

H

4

+ 2KMnO

4

+ 4H

2

O 2MnO

2

+ 2KOH + 3

- polimeryzacja (katalizator, temperatura, ciśnienie)

nCH

2

= CH

2

[– CH

2

– CH

2

–]

n

- odwodornienie alkoholu ( Al

2

O

3

i T lub st. H

2

SO

4

i T)

CH

3

– CH

2

OH CH

2

= CH

2

+ H

2

O

- reakcja fluorowcopochodnej z zasadą

(środowisko alkoholowe)

CH

2

Cl – CH

3

+ KOH CH

2

= CH

2

+ KCl + H

2

O

- reakcja difluorowcopochodnej z cynkiem

(gdy atomy chloru są przy sąsiednich atomach węgla)
CH

2

Cl – CH

2

Cl + Zn CH

2

= CH

2

+ ZnCl

2

A

LKI

N

Y

-

spalanie

2CH ≡ CH + O

2

4C + 2H

2

O

- addycja fluorowców
CH ≡ CH + 2Br

2

CHBr

2

– CHBr

2

- addycja wodoru (katalizator)
CH ≡ CH + 2H

2

CH

3

– CH

3

- addycja fluorowcowodorów
CH ≡ CH + HCl CH

2

= CHCl

CH

2

= CHCl + HCl CH

3

– CHCl

2

- addycja wody – reakcja Kuczerowa (HgSO

4

i H

2

SO

4

)

CH ≡ CH + H

2

O [CH

2

= CHOH] CH

3

CHO

- reakcja z aktywnymi metalami
2CH ≡ CH + 2Na 2CH ≡ CNa + H

2

- reakcja tetrafluorowcopochodnej z cynkiem

CHCl

2

– CHCl

2

+ 2Zn CH≡CH + 2ZnCl

2

- reakcja difluorowcopochodnej z zasadą

(środowisko alkoholowe)

CH

2

Cl – CH

2

Cl + KOH CH≡CH + 2KCl + 2H

2

O

- reakcja węgliku wapnia (karbidu) z wodą

CaC

2

+ 2H

2

O CH≡CH + Ca(OH)

2

- rozkład metanu (temperatura)

2CH

4

CH≡CH + 3H

2

TM,

®

& Copyright © 2011 by Adrian Drożdż. All rights reserved