CHEMIA
WĘGLOWODORY
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