2011-11-09

1

CHEMIA II

Wykład
W

ę

giel i chemia w

ę

gla

Jacek Czerwiński

Pok. 110

Konsultacje - sobota 10

o0

-12

00

[e-mail]

2011-11-09

2

Literatura

J. Mc Murry „Chemia Organiczna”, część I i II

R. Morrison, J. Boyd „Chemia Organiczna”

P. Mastalerz „Chemia Organiczna”

G. Kupryszewski „Chemia Organiczna”

Graham Patrick – Chemia organiczna - Krótkie wyklady

Z. Jamrógiewicz

http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/organiczna/organiczna.htm

Chemia organiczna z Windows

http://acn.waw.pl/drwrede/chemiaorganicznazwindows/spis.htm

Czym jest chemia organiczna?

Określenie

„substancja organiczna”

oznaczało dawniej przynależność lub
pochodzenie ze świata zwierzęcego lub
roślinnego.

Związki nieorganiczne - substancje
wyodrębnione z minerałów.

2011-11-09

3

Co to jest chemia organiczna?

Związki organiczne - np. cukier trzcinowy,

terpentyny, barwniki

znano i stosowano od dawna.

Do połowy XIX w. sądzono , mogą je

wytworzyć jedynie organizmy żywe.

do ich wytworzenia potrzebna jest

„siła życiowa”

vis vitalis

Nie można substancji organicznych otrzymać z

nieorganicznych.

Ale:

już na początku XIX w. wiadomo było,

że w skład cząsteczek związków
występujących w przyrodzie ożywionej
wchodzi zaledwie kilka pierwiastków

składnikiem wszystkich związków
organicznych jest

WĘGIEL.

2011-11-09

4

W 1828 r. Fryderyk Wöhler

ogrzewa mieszaninę siarczanu amonowego i
cyjanianu potasowego
otrzymał związek organiczny - mocznik.

związek organiczny można otrzymać z substancji
nieorganicznych bez udziału jakichkolwiek
organizmów żywych!!!

Jeszcze 20 lat i ostatecznie zarzucono teorię „siły
życiowej”.

Związki organiczne można wytwarzać w
laboratorium

Chemia organiczna - chemia związków węgla.

Gmelin 1848, Kekule 1851

2011-11-09

5

WĘGIEL

symbol

C

konfiguracja
elektronowa

1s

2

2s

2

p

2

nazwa
angielska

carbon

izotopy

12

C (98,9%)

13

C (1,1%)

nazwa
łaci

ń

ska

carboneum

temperatura
topnienia

3550

o

C

grupa

14 w

ę

glowce

temperatura
wrzenia

4830

o

C

liczba
atomowa

6

g

ę

sto

ść

(20

o

C, 1013

hPa) [g/cm

3

]

diament

3,47-3,56

masa
atomowa

12,011u

grafit:

2,1-2,3

Podstawowe izotopy

Izotop

Zawartość

izotopu [%]

Okres

połowicznego

zaniku

Typ

rozpadu

9

C

--

127 ms

ß

+

, alfa

10

C

--

19,3 s

ß

+

11

C

--

20,3 min

ß

+

12

C

98,892

--

13

C

1,108

--

14

C

--

5730 lat

ß

-

15

C

--

2,45s

ß

-

2011-11-09

6

Odmiany alotropowe

Grafit

Diament

Grafen

Fulereny i nanorurki

Inne:

Chaoit („biały węgiel”)

Węgiel amorficzny (sadza)

Węgiel metaliczny

Węgiel szklisty

Węgiel linearny

Grafit

hybrydyzacja

sp

2

warstwowy,

układ heksagonalny

piroliza zwi

ą

zków

organicznych,

szare płytki, łupliwy,
nierozpuszczalny,
reaguje z utleniaczami

twardo

ść

6 (Mohs’a)

0,1415 nm

0,335nm

2011-11-09

7

Grafit

Właściwości

Dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło

Odporny na wysoką temperaturę

W przyrodzie bardzo rzadko spotyka się dobrze
wykształcone kryształy grafitu. Najczęściej występuje w
postaci agregatów łuseczkowych, blaszkowych lub w
formie zbitej masy o szaroczarnej barwie. Jest minerałem
giętkim, ale nie jest sprężysty. Jest krajalny i
nieprzezroczysty, w dotyku jest tłusty i brudzący.

Struktura grafitu składa się z warstw, w których występują
sprzężone, sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne,
podobne do benzenu. Podobnie jak w benzenie, każde wiązanie C-
C w warstwie ma charakter zdelokalizowanego, "1,5 krotnego"
wiązania aromatycznego. Wiązania te tworzą obszary
zdelokalizowanych

orbitali π

, które, podobnie jak to się dzieje w

metalach umożliwiają swobodny ruch elektronów równolegle do
warstw, dzięki czemu grafit wykazuje stosunkowo wysokie
przewodnictwo elektryczne.

Między warstwami występują jedynie słabe oddziaływania. Ich
charakter tradycyjnie określany jako

oddziaływania Van der Waalsa

w istocie jest

słabym oddziaływaniem metalicznym

.

2011-11-09

8

Odległości między sąsiednimi atomami węgla w jednej warstwie
wynoszą 1.42 Å (czyli 0,142 nm), zaś między warstwami 3,35 Å
(0,335 nm). Powoduje to, że grafit wykazuje znaczną

anizotropię

(czyli kierunkowość) różnych własności fizycznych. Np:
Monokryształy grafitu przewodzą dobrze prąd elektryczny w
kierunku równoległym do warstw i znacznie gorzej w kierunku
prostopadłym.

Grafit techniczny jest zlepkiem niewielkich monokryształów,
wykazuje on wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i
niewielką na rozciąganie i ścinanie. Jest więc jednocześnie
twardy, łupliwy i podatny na ścieranie.

Wyjątkowe dobre własności smarujące. Podczas poddawania go
siłom ścinającym ulega on rozdrobnieniu do postaci o
mikrometrycznych rozmiarach drobin. Efekt supersmarowania.

Metaliczny charakter

wiązania w połączeniu z relatywnie małą

ilością biorących w nim udział elektronów (ok. 1 na 10 tys.
atomów) i wielką ruchliwością powoduje, że siła wiązania
warstw jest zbliżona do tej charakterystycznej dla
oddziaływań Van der Waalsa, a jednocześnie przewodność
elektryczna w kierunku prostopadłym do płaszczyzn
grafitowych jest o kilka rzędów wielkości większa od
przewodności charakterystycznej dla kryształów Van der
Waalsa (kryształów molekularnych).

2011-11-09

9

Diament

hybrydyzacja

sp

3

sie

ć

regularna

otrzymywany z

grafitu pod bardzo
wysokim ci

ś

nieniem

bezbarwne
kryształy, b. twardy,
10 Mosh’a

niereaktywny,
nierozpuszczalny

0,154 nm

Diament

Dobra przewodność cieplna:

2000W/(m*K)

wynikającą z efektywnego

przewodnictwa fononowego

Jest

izolatorem

, z wyjątkiem diamentu niebieskiego, który jest

półprzewodnikiem (domieszka B)

Jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad

Może zawierać wrostki innych minerałów

Tworzy zazwyczaj niewielkie kryształy przyjmujące postać ośmiościanu,
rzadziej sześcianu. Duża część kryształów ma zaokrąglone kształty oraz
wykazuje zbliźniaczenia.
Jest kruchy (rozpryskuje się pod wpływem uderzenia), przezroczysty;
zwykle zawiera śladowe ilości N, Al, B, Mn, Si, Mg, Cr.
Są w nim spotykane różne wrostki mineralne reprezentowane przez:
oliwin, granat, pirop, pirotyn, ilmenit, rutyl, grafit, diopsyd, spinel oraz
wcześniej wykrystalizowane diamenty. Rodzaj tych inkluzji pozwala na
precyzyjne określenie miejsca pochodzenia danego kamienia. Minerał
bardzo rzadki.

2011-11-09

10

Diament

Ze względu na cechy zewnętrzne wyróżnia się kilka typów
diamentów:

bort

– występuje w postaci nieregularnych zrostów

ziarnistych, drobnokrystalicznych skupień,

ballas

– promieniste skupienia kryształów diamentu,

Lonsdaleit

– polimorficzna odmiana diamentu o dużej

gęstości atomowej,

Karbonado

– zwany też czarnym diamentem, występuje w

postaci drobnoziarnistych, porowatych skupień zabarwionych
na czarno, szaro lub ciemnozielono, o różnej wielkości (aż do
wielkości jaja), przypominające z wyglądu koks – spotykane
przede wszystkim w Brazylii.

Inne

CHAOIT – „biały w

ę

giel”

bezbarwne kryształy,

bardzo twardy,

bardzo mało reaktywny,

nierozpuszczalny

W

ę

giel

„metaliczny

”

podobnie jak inne niemetale wyst

ę

puje w tej

postaci przy ci

ś

nieniach

p > 70 GPa

2011-11-09

11

fulereny

Jedna z alotropowych odmian w

ę

gla

2011-11-09

12

Nanorurki

Jednościenne bądź
wielościenne rurki
węglowe o średnicy
nawet poniżej 1nm

Przypominają
pojedyncze warstwy
grafitu (lub kilka
warstw umieszczonych
jedna na drugiej)
zwinięte w pozbawione
denek walce

2011-11-09

13

Grafen

Grafen

– jedna z alotropowych form

węgla, odkryta w 2004 roku przez
grupę brytyjsko-rosyjską. Grafen
zbudowany jest z pojedynczej
warstwy atomów węgla tworzących
połączone pierścienie
sześcioczłonowe i może być
uważany za ostatni element szeregu

wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych

.

2011-11-09

14

Ponieważ grubość materiału wynosi jeden atom, tę formę
określa się jako dwuwymiarową (dokładniej dwuwymiarową
strukturę atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną).
Długość wiązań węgiel-węgiel wynosi ok. 1,42 Å, czyli 0,142
nanometra. Atomy węgla tworzą w grafenie płaską,
praktycznie dwuwymiarową siatkę o sześciokątnych oczkach,
której struktura przypomina plaster miodu.

Za badania grafenu Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow
otrzymali w roku

2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki

Bardzo dobry przewodnik ciepła – zmierzona przewodność cieplna
wynosi od 4840±440 do 5300±480 W/mK (dla porównania srebro –
429 W/mK)

Posiada niewielką rezystancję

Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej
przy założeniu jedynie rozpraszania na fononach μ = 200 000
cm²/Vs (dla porównania krzem – 1500 cm²/Vs, arsenek galu – 8500
cm²/Vs)

Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości
światła, umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla
elektronu poruszającego się w przewodniku

Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 proc.
światła), przez jego warstwę nie przechodzą nawet atomy helu.

Jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny,
że można go bez szkody rozciągnąć o 20 procent.

2011-11-09

15

Pierwszą definicję

Chemii organicznej

podali Gmelin 1848, Kekule 1851
twierdząc że, "Chemia organiczna jest
chemią związków węgla"

Układ okresowy pierwiastków

1

18

1

H

1
Wodór

He

2
Hel

2

13

14

15

16

17

2

Li

3
Lit

Be

4
Beryl

B

5
Bor

C

6
W

ę

giel

N

7
Azot

O

8
Tlen

F

9
Fluor

Ne

10
Neon

3

Na

11
Sód

Mg

12
Magnez

Al

13
Glin

Si

14
Krzem

P

15
Fosfor

S

16
Siarka

Cl

17
Chlor

Ar

18
Argon

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

4

K

19
Potas

Ca

20
Wap

ń

Sc

21
Skand

Ti

22
Tytan

V

23
Wanad

Cr

24
Chrom

Mn

25
Mangan

Fe

26

Ż

elazo

Co

27
Kobalt

Ni

28
Nikiel

Cu

29
Mied

ź

Zn

30
Cynk

Ga

31
Gal

Ge

32
German

As

33
Arsen

Se

34
Selen

Br

35
Brom

Kr

36
Krypton

5

Rb

37
Rubid

Sr

38
Stront

Y

39
Itr

Zr

40
Cyrkon

Nb

41
Niob

Mo

42
Molibden

Tc

43
Technet

Ru

44
Ruten

Rh

45
Rod

Pd

46
Pallad

Ag

47
Srebro

Cd

48
Kadm

In

49
Ind

Sn

50
Cyna

Sb

51
Antymon

Te

52
Tellur

I

53
Jod

Xe

54
Ksenon

6

Cs

55
Cez

Ba

56
Bar

*

Hf

72
Hafn

Ta

73
Tantal

W

74
Wolfram

Re

75
Ren

Os

76
Osm

Ir

77
Iryd

Pt

78
Platyna

Au

79
Złoto

Hg

80
Rt

ęć

Tl

81
Tal

Pb

82
Ołów

Bi

83
Bizmut

Po

84
Polon

At

85
Astat

Rn

86
Radon

7

Fr

87
Frans

Ra

88
Rad

**

Rf

104
Rutherford

Db

105
Dubn

Sg

106
Seaborg

Bh

107
Bohr

Hs

108
Has

Mt

109
Meitner

Uun

110

Uuu

111

Uub

112

Uut

113

Uuq

114

Uup

115

Uuh

116

Uus

117

Uuo

118

*

Lantanowce

La

57
Lantan

Ce

58
Cer

Pr

59
Prazeodym

Nd

60
Neodym

Pm

61
Promet

Sm

62
Samar

Eu

63
Europ

Gd

64
Gadolin

Tb

65
Terb

Dy

66
Dyspoz

Ho

67
Holm

Er

68
Erb

Tm

69
Tul

Yb

70
Iterb

Lu

71
Lutet

**

Aktynowce

Ac

89
Aktyn

Th

90
Tor

Pa

91
Protaktyn

U

92
Uran

Np

93
Neptun

Pu

94
Pluton

Am

95
Ameryk

Cm

96
Kiur

Bk

97
Bekerel

Cf

98
Kaliforn

Es

99
Einstein

Fm

100
Ferm

Md

101
Mendelew

No

102
Nobel

Lr

103
Lorens

2011-11-09

16

GRUPA 14

-

W

Ę

GLOWCE

konfiguracja ns

2

p

2

stopnie utlenienia -4, +2, +4

C i Si - tendencje do wi

ą

za

ń

atomowych

(zw. IV warto

ś

ciowe)

hybrydyzacja C - sp

3

, sp

2

, sp

hybrydyzacja Si - sp

3

(tylko wi

ą

zania pojedyncze)

C

hemia organiczna

-

chemia związków węgla.

Gmelin 1848, Kekule 1851

Przez analogię

- związki krzemu - „związki krzemoorganiczne”

2011-11-09

17

GRUPA 14

-

W

Ę

GLOWCE

C

CO

CO

2

+ H

2

O = H

2

CO

3

sole - w

ę

glany CaCO

3

Si

SiO

2

+ 2 NaOH

Na

2

SiO

3

+ H

2

O

H

2

SiO

3

, H

2

SiO

3

+ HOH = H

4

SiO

4

krzemiany Na

2

SiO

3

Ge

H

2

GeO

3

, sole - germaniany

Sn

SnO – amfoteryczny

SnOH

SnO

2

- charakter kwasowy

H

2

SnO

3

Pb

PbO

Pb(OH)

2

PbO

2

Pb(OH)

4

H

4

PbO

4

GRUPA 14

-

W

Ę

GLOWCE

Poł

ą

czenia z wodorem

- wszystkie tworz

ą

C

- w

ę

glowodory –

chemia organiczna

Si

- krzemowodory - silany

Ge

- germanowodory

Sn

- tylko SnH

4

Pb

- PbH

4

- bardzo nietrwały

w

ę

gliki, krzemki, germanki - z metalami ,

półprzewodniki

Sn, Pb - z metalami - stopy

2011-11-09

18

Definicja

Chemii organicznej

słuszna do

dziś:

"

Chemia organiczna jest chemią

węglowodorów i ich pochodnych

"

Schurlenmer (1889 )

Związek organiczny
Zawiera połączenie C – H

wiązanie atomowe

2011-11-09

19

Podstawowym pierwiastkiem w
połączeniach organicznych jest

węgiel

.

Atomy węgla posiadają zdolność łączenia
się pomiędzy sobą w nawet bardzo długie
łańcuchy.

Te z kolei mogą być proste lub
rozgałęzione, a poza tym łańcuch może
ulec zamknięciu tworząc pierścień.

Przykłady węglowodorów:

2011-11-09

20

Przykłady węglowodorów:

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

,

,

,

,

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

,

,

Przykłady węglowodorów:

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

2011-11-09

21

Inne związki organiczne:

C

O

C

O

H

C

O

C

S

C

C

N

C

C

C

C

C

N

C

C

C

N

,

,

,

,

,

Rzędowość atomu węgla

atom C połączony tylko z jednym atomem C

- węgiel pierwszorzędowy

atom C połączony z dwoma atomami C

- drugorzędowy

atom C połączony z trzema atomami C

- trzeciorzędowy

atom C połączony z czterema atomami C

-

czwartorzędow

y lub węgiel "neo"

2011-11-09

22

Rzędowość atomu węgla

Podstawową grupą połączeń organicznych są
związki zbudowane z atomów węgla i
wodoru, nazywane

węglowodorami

.

Węglowodory ze względu na budowę
szkieletu węglowego dzielimy na dwie
główne klasy:

węglowodory alifatyczne

węglowodory aromatyczne

.

2011-11-09

23

węglowodory alifatyczne
węglowodory aromatyczne.

Węglowodory alifatyczne się na alkany,
alkeny, alkiny

oraz ich analogi pierścieniowe

(cykloalkany itd.)

Węglowodory – podział:

2011-11-09

24

Podstawowe pojęcia

są to węglowodory nasycone, w których
występują tylko pojedyncze wiązania
węgiel - węgiel

jest to szereg związków, z których każdy
następny zawiera o jedną grupę -CH

2

-

więcej od poprzedniego

Alkany

Szereg homologiczny

2011-11-09

25

Nazwy alkanów

Wszystkie nazwy

alkanów

charakteryzuje końcówka

met

an

CH

4

heks

an

C

6

H

14

et

an

C

2

H

6

hept

an

C

7

H

16

prop

an

C

3

H

8

okt

an

C

8

H

18

but

an

C

4

H

10

non

an

C

9

H

20

pent

an

C

5

H

12

dek

an

C

10

H

22

- an

Wzór ogólny szeregu homologicznego
alkanów

C

n

H

2n+2

2011-11-09

26

Hybrydyzacja sp

3

Taka struktura jest wynikiem hybrydyzacji sp

3

w atomie węgla

powstałe orbitale wiążące sp

3

, skierowane

są ku wierzchołkom czworościanu.

Takie właśnie rozmieszczenie orbitali
umożliwia maksymalne ich oddalenie i
przyjęcie struktury tetraedrycznej.

2011-11-09

27

metan

etan

Izomeria łańcuchowa w alkanach

jest to zjawisko występowania dwóch lub
większej liczby związków o takim samym wzorze
sumarycznym, lecz różnej budowie cząsteczek

polega na różnej budowie
łańcucha cząsteczek izomerów

C - C - C

C

izo - butan

(przedrostek izo- oznacza
łańcuch rozgałęziony)

Izomeria

Izomeria łańcuchowa

C

4

H

10

C - C - C - C

n - butan

(przedrostek n- oznacza
prosty łańcuch węgla)

2011-11-09

28

Nazewnictwo

Numery atomów węgla,

przy których są podstawniki

5,6 - di chloro - 4 - etylo - 2,3,3 - tri metylo oktan

Rodzaj

podstawnika w

kolejności

alfabetycznej

Przedrostki określające liczbę

jednakowych podstawników

Nazwa węglowodoru

o najdłuższym łańcuchu

C

C

Cl Cl

C

C
C

-C

1

- C

2

- C

3

- C

4

- C

5

- C

6

- C

7

- C

8

-

Właściwości fizyczne

Im dłuższy łańcuch węglowy, tym wyższa jest
temperatura wrzenia

Alkany o 1 do 4 atomów węgla są gazami

Alkany o 5 do 16 atomach węgla są cieczami

Alkany o co najmniej 17 atomach węgla
są ciałami stałymi

2011-11-09

29

Zależność temperatury topnienia i wrzenia

od długości łańcucha

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

14

16

20

30

ilo

ść

atomów w

ę

gla

te

m

p

e

ra

tu

ra

0

C

temperatura topnienia

temperatura wrzenia

Właściwości fizyczne

Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach
niepolarnych i słabo-polarnych (benzyna,
eter)

Nie rozpuszczają się w wodzie

i rozpuszczalnikach polarnych

2011-11-09

30

Reakcje spalania

alkan + O

2

CO

2

+ H

2

O

CO + H

2

O

C + H

2

O

spalanie całkowite

spalanie niepełne - półspalanie

spalanie niepełne - niecałkowite

Reakcja charakterystyczna

Alkany są chemicznie nieaktywne. Ulegają jedynie
reakcji ............................................... z chlorowcami w
obecności światła

HX

X

R

X

H

R

hν

2

+

−

→



+

−

HBr

Br

CH

Br

CH

3

hν

2

4

+

→



+

substytucji (podstawienia)

2011-11-09

31

Reakcje otrzymywania

4

3

aq

3

4

3CH

4AlCl

12HCl

C

Al

++++

→

→

→

→

++++

2

2

2

1

kat.

2

2

1

R

CH

CH

R

H

R

CH

CH

R

−−−−

−−−−

−−−−







→

→

→

→









++++

−−−−

====

−−−−

Metan otrzymuje się w reakcji węgliku glinu z kwasem
solnym

Wyższe homologi z węglowodorów nienasyconych w
reakcjach przyłączania wodoru

R

1

i R

2

oznacza alkil lub wodór

3

2

2

3

kat.

2

3

3

CH

CH

CH

CH

H

CH

CH

CH

CH

−−−−

−−−−

−−−−







→

→

→

→









++++

−−−−

====

−−−−

Ważna rola w środowisku
•Gaz cieplarniany (jeden z najbardziej
efektywnych)
•Efekt fermentacji metanowej

CH

4

Ważny surowiec w przemyśle chemicznym

2011-11-09

32

W

łaściwości metanu

Bezbarwny i bezwonny gaz, prawie dwukrotnie lżejszy od

powietrza. Występuje jako główny składnik gazu ziemnego

Pojawia się często w kopalniach, stąd nazwa

Wydziela się również z bagnisk wskutek rozkładu gnijących ciał

organicznych, dlatego też bywa nazywany

Jest bardzo łatwo zapalny, z powietrzem tworzy mieszaniny

wybuchowe, dlatego też stanowi duże zagrożenie w górnictwie.

Przy dostatecznie dużym dostępie powietrza, metan spala się
słabo widocznym płomieniem na dwutlenek węgla i wodę

gaz kopalniany

gazem błotnym

INNE ALKANY

Występują w przyrodzie
Gaz ziemny: metan, etan, propan, wyższe do C

7

Ropa naftowa: 30% - 80% mieszaniny alkanów

n-alkany do C

33

izoalkany do C

10

Wosk pszczeli – 10% alkanów do C

31

H

64

Skórka jabłek - C

27

H

56

i C

29

H

60

Liście kapusty - C

29

H

60

i

2011-11-09

33

INNE ALKANY

Zastosowanie:

propan- butan – gaz płynny

izobutan – aerozole - dezodoranty