Węglowodory to związki, których składnikami są wyłącznie atomy węgla i wodoru. W zależności od tego czy atomy tworzące szkielet węglowy związku połączone są w łańcuchy, czy pierścienie, węglowodory dzieli się na łańcuchowe(alifatyczne) i pierścieniowe. Podział węglowodorów łańcuchowych: 1) nasycone-alkany (parafiny)-między atomami węgla mają wiązania pojedyncze. 2)nienasycone: a)alkeny(olefiny)-o podwójnym wiązaniu między dwoma sąsiednimi atomami węgla, b) alkiny(acetyleny)-z potrójnym wiązaniem między dwoma sąsiednimi atomami węgla. Podział węglowodorów pierścieniowych: 1) cykloalkany (w tym nafteny), 2) węglowodory aromatyczne (pochodne benzenu). Alkany (CnH2n+2) to węglowodory, których cząsteczki są zbudowane z atomów węgla o hybrydyzacji sp3 i atomów wodoru, połączonych ze sobą pojedynczymi wiązaniami typu σ. Cztery atomy związane z atomem węgla są ułożone w narożnikach czworościanu foremnego, kąt między wiązaniami 109,5°. Wybrane alkany: Butan(C4H10): CH3-CH2-CH2-CH3, Dekan(C10H22): CH3-(CH2)8-CH3, Dodekan(C12H26): CH3-(CH2)10-CH3, Ejkozan(C20H42): CH3-(CH2)18-CH3, Etan(C2H6):CH3-CH3, Heksadekan(C16H34): CH3-(CH2)14-CH3, Heksan(C6H14): CH3-(CH2)4-CH3, Heptan(C7H16): CH3-(CH2)5-CH3, Metan(CH4): CH4, Nonan(C9H20): CH3-(CH2)7-CH3, Oktan(C8H18): CH3-(CH2)6-CH3, Pentan(C5H12): CH3-(CH2)3-CH3, Propan(C3H8): CH3-CH2-CH3, Triakontan(C30H62): CH3-(CH2)28-CH3. Cykloalkany(CH2)n.- węglowodory zbudowane z jednego lub wielu pierścieni utworzonych z atomów węgla połączonych ze sobą pojedynczymi wiązaniami. Posiadają homologii: cyklopropan(C3H6), cyklobutan(C4H8), cyklopentan(C5H10), cykloheksan(C6H12). Występują w ropie naftowej. |
Właściwości fizyczne alkanów.Cztery pierwsze związki szeregu homologicznego n-alkanów są gazami, następne-od pentanu cieczami, od heptadekanu zaś ciałami sta i w temperaturze pokojo wej. Znaczny wpływ na temperaturę wrzenia alkanów ma rozgałęzienie łańcucha. Spośród alkanów o tej samej masie cząsteczkowej najniższą temperaturę wrzenia posiadają związki o najbardzi ej rozgałęzionym łańcuchu. Związek symetryczny topnieje w temperaturze wyższej niż inne związki izometryczne o mniejszej symetrii. Są lżejsze od wody. Gęstość n-alkanów wzrasta nieznac znie ze wzrostem długości łańcucha do 0,8g/cm3. Są nierozpuszczalne w wodzie. Stałe węglowodory dobrze rozpuszczają się w węglowodorach ciekłych. Dobre rozpuszczalniki. Otrzymywanie alkanów. 1) Uwodornienie węglowodorów nienasyconych: CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3, 2) W wyniku redukcji helogenopochodnych alkanów: R-X+H2→R-H+HX, gdzie (X=Br,Cl,I), 3) Z halo genoalkanów w reakcji z sodem: 2R-X+2Na→R-R+2NaX, 4) Przez ogrzewanie soli kwasów karboksylowych z wodorotlenkami metali alkalicznych. Np. CH3COONa+NaOH→(temp)CH4+Na2 CO3. Właściwości chemiczne alkanów. 1) mało reaktywne-trwałe wiązania σ miedzy atomami C-C, C-H, 2) wiązania spolaryzowane w znikomym stopniu, btrwałe chemicznie 3) wiązania mogą ulegać rozerwaniu tylko w reakcjach z bardzo aktywnymi czynnikami, zazwyczaj w high temp. 4) odporne na działanie kwasów , zasad i czynników redukujących. Reakcje którym ulegają alkany. 1) Nitrowanie-podstawienie grupy NO2 w miejsce atomu wodoru(temp 250-500): CH4+HO-NO2→CH3-NO2+H2O. 2) Fluorowcowanie. -podstawienie fluorowca w miejsce atomu wodoru, zachod zi tylko z aktywnymi fluorowcami(fluor, Cl,Br). Światło i ciepło przyspieszają te procesy, nastepuje rozerwanie wiązania C-H. Proces łańcuchowy przebiegający według mechanizmu rodnikowe go. Rozkład. (powyżej 1tysC), rozkład na węgiel i wodór, im większa masa cząsteczkowa tym łatwiejszy rozkład. Temp 300-700 alkany ulegają reakcji odwodornienia i degradacji tworząc mies zaninę węglowodorów nienasyconych i aromatycznych.(kraking). |
Alkeny- nienasycone węglowodory łańcuchowe zawierające 1 lub więcej wiązań podwójnych. Atomy węgla tworzące wiązanie podwójne są w stanie hydryzacji sp2. W etenie atom węgla połączony jest z trzema innymi atomami (jednym atomem węgla i dwoma atomami wodoru) za pomocą wiązań σ. Wiązania leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt między nimi 120. Izomeria- różne rozmieszczenie atomów w cząsteczkach związków o jednakowym składzie chemicznym i takiej samej masie cząsteczkowej: położeniowa- wynika z różnego położenia wiązania podwójnego w łańcuchu węglowym, geometryczna: Izomery mające podstawniki po tej samej stronie nazywają się izomerami cis, a izomery z podstawnikami po przeciwnej stronie noszą nazwę izomerów trans. Właściwości fizyczne alkenów. 1) alkeny posiadające od 2 do 4 atomów węgla w cząsteczce są gazami, 5-12-cieczami, a pozostałe ciałami stałymi. 2)Spalają się świecącym, kopcącym płomieniem. 3) rozpuszczają się tylko w rozpuszczalnikach niepolarnych. Otrzymywanie alkenów: 1)Eliminacja cząsteczki wody z alkoholu przez ogrzewanie mocnym kwasem lub przepuszczanie pary alkoholu nad katalizatorem, np. tlenkiem glinu w temp 300-400. 2) Eliminacja halogenowodoru z halogenoalkanu pod wpływem alkoholowego roztworu zasad. 1,2-dihalogenowe pochodne pod wpływem cynku również przechodzą w alkeny, np. Br-CH2-CH2-Br+Zn→CH2=CH2+ZnBr2.3) kraking węglowodorów zawartych w ropie naftowej lub katalityczne odwodornienie alkanów w podwyższonej temp, w obecności CrO3 jako katalizatora: 2CH3-CH2-CH2-CH3→(CrO3,temp)→ CH2=CH-CH2-CH3+CH3-CH=CH-CH3+2H2. |
Właściwości chemiczne alkenów: 1)Przyłączanie halogenów(fluorowców). Chlor i brom przyłączają się do wiązania podwójnego w ciemności i temp pokojowej. >C=C< + X2 → -C-C- (przy C: dół dwa X, góra 2 kreski pion), gdzie X2=Br2,Cl2. Brak produktów ubocznych. Przyłączanie hologenów do wiązań wielokrotnych przebiega w 2 etapach. Powstaje aktywny kation haloniowy, który zaraz reaguje z anionem fluorowca. 2) Przyłączanie halogenowodoru- Alkeny przyłączają chlorowodór, bromowodór i jodowodór, tworząc odpowiednie fluorowcoalkany. Jeżeli fluorow cowodór przyłacza się do niesymetrycznego alkenu, możliwe są dwa produkty reakcji. Np. bromowodór przyłącza się do propenu(CH3-CH=CH2+HBr) to powstaje 1-bromopropan(CH3-CH2-CH2-Br) i 2-bromopropan(CH3-CH-CH3, nad CH jeszcze Br). Reguła Markownikowa- H-X przyłącza się do niesymetrycznego alkenu w taki sposób, że H+ przyłącza się głównie do atomu węg la związanego już z większa liczbą atomów wodoru. 3) Przyłączenie wody(uwodnienie). Woda w obecnosci mocnego kwasu(HClO4, H2SO4) przyłącza się do wiązania podwójnego, tworząc alkohol. CH3-C=CH2(nad C jest CH3)+HOH→CH3-C-CH3(nad C jest CH3, pod C jest OH), 4) Uwodornienie. Wodór przyłącza się do wiązania podwójnego w obecności rozdrobnionych metali(Pt,Pd,Ni). Pomiar objętości pochłoniętego wodoru pozwala określić liczbę wiązań podwójnych w cząsteczce związku. 5) Utlenianie manganianem(VII) potasu. W 20C rozcieńczone wodne roztwory manganianu(VII) potasu utleniają związki o podwójnym wiązaniu do alkoholi diwodorotlenowych. (glikoli). 3CH3-CH=CH2+2MnO4- + 4H2O → CH3-CH-CH2+2MnO2+2OH- (nad CH i CH2 jest OH). 6)Rozszczepianie za pomocą ozonu. Następuje rozerwanie wiązania podwójnego i powstanie nadtlenku, zwanego ozonkiem. Ozonki pod wpływem siarczku dimetylu powstają połączenia karbonylowe i dimetylosulfotlenek(DMSO). CH3-CH=CH-CH3+O3 → CH3-CH CH-CH3(nad CH są dwa O połączone ze sobą, a pod CHami jeden O). 7) Polimeryzacja alkenów. Łączenie się ze sobą mniejszych cząsteczek w większe, bez wydzielania produktów ubocznych. Substrat to monomer, a produkt to polimer. n CH2=CH2 → (temp,ciś)→…(CH2-CH2)n... |
Alkiny(CnH2n-2)- nienasycone węglowodory łańcuchowe zawierające jedno lub więcej wiązań potrójnych. W acetylenie atomy węgla, między którymi występuje potrójne wiązanie są w stanie hybrydyzacji sp, a każdy z nich połączony jest dwoma atomami(C i H) za pomocą wiązań σ. Kąt między wiązaniami 180. Między atomami C znajdują się również dwa wiązania typu π. H-C≡C-H. Właściwości fizyczne. 1)temp wrzenia i topnienia nieco wyższa niż alkanów lub alkenów o tej samej liczbie atomów C w cząsteczce. 2) lepiej rozpuszczalne w wodzie. 3)spalają się świecącym, kopcącym płomieniem. 4) Acetylen ma charakterystyczny zapach(zanieczyszczenia w karbidzie), rozpuszcza się w acetonie, przy skropleniu po wstrząsie lub ogrzaniu eksploduje. Otrzymywanie. 1) reakcja węglika wapnia(karbidu) z wodą: CaO+3C→(2tysoC)→CaC2+CO; CaC2+2H2O→HC≡CH{acetylen}+Ca(OH)2. 2)Termiczny rozkład metanu w temp>1500: 2CH4→HC≡CH+3H2, 3) Przyłączenie fluorowca do alkenu, a następnie odszczepienie dwóch cząsteczek fluorowcowodoru od powstającego w pierwszym etapie 1,2 difluorowcalkanu. Np. CH3-CH≡CH2→(Br2)→CH3-CH-CH2(nad CH i CH2 są Br)→(-2HBr)→CH3-C≡CH. |
Właściwości chemiczne. 1)Reakcje przyłączania. a) przyłączanie wodoru. Np. HC≡CH→(H2,Pt)→H2C=CH2→(H2,Pt)→H3C-CH3. b)przyłączanie fluorowca i fluorowcowodoru. Np. H-C≡C-H→(Br2)→H-C=C-H(nad C są Br)→H-C-C-H(nad i pod C są Br); HC≡CH→(HBr)→H2C=CHBr(bromek winylu); c) przyłączanie wody. Wyodrębnionym produktem jest tutaj aldehyd lub keton. Reakcja zachodzi w roztworze kwasu siarkowego(VI) z HgSO4. Cząsteczka wody przyłącza się do alkinu dając alkohol winylowy(enol). Nie istnieje on bo ulega izomeryzacji w wyniku przemieszczenia protonu. 2) Reakcje polimeryzacji. a) dimeryzacja acetylenu: wprowadzenie acetylenu do roztworów CuCl2, NH4Cl sprzyja polimeryzacji liniowej. Początkowo otrzymuje się dimer-winyloacetylen, a potem diwinoacetylen i polimery o coraz dłuższym łańcuchu. Np.2HC≡CH→H-C=C-C≡CH. (nad pierwszymi dwoma C są H). Powstawanie chloropenu: CH2=CH-C≡CH+HCl→CH2=CH-C=CH2(nad C jestCl). b) trimeryzacja acetylenu: podczas przepuszczania acetylenu przez rozgrzaną rurę żelazną lub ogrzewania go w obecności węgla aktywowanego następuje trimeryzacja i powstaje benzen. Obok niego mogą powstać: toluen, naftalen. 3) Reakcje podstawiania. Atomy wodoru związane z atomami węgla wiązania potrójnego dają zastąpić się atomami metali, tworząc związki metaloorganiczne (R)H-C≡C-Me. a) reakcja z sodem. HC≡CH+Na→(temp)→HC≡CNa+0,5H2. b) reakcja z solami metali ciężkich. HC≡CH+2Cu+→(H2O,NH3)→CuC≡CCu+2H+; HC≡CH+2[Ag(NH3)2]OH→AgC≡Cag+4NH3+2H2O. Sole te w stanie suchym są wrażliwe na ogrzewanie lub wstrząsy-wybuchają. |
Węglowodory aromatyczne(areny). Związki zawierające w cząsteczce pierścień aromatyczny. Cząsteczka benzenu: (C6H6): 6 atomów węgla, tworzące pierścień karbocykliczny i 6 wodoru. Cząsteczka jest płaska, atomy C(hybrydyzacja sp2) leżą w narożach sześciokąta foremnego. Kąty między wiązaniami 120. Długość wiązania między atomami węgla 0,139nm. Atomy łącznie zawierają 30 elektronów walencyjnych (6C po 4el i 6H po 1el). Elektrony tworzą jedno wiązanie obejmujące wszystkie atomy węgla pierścienia benzenowego- wiązanie zdelokalizowane. W benzenie nazywa się sekstetem elektronowym. Homologi benzenu. Każdy z homologów składa się z pierścienia aromatycznego i alkilowego łańcucha bocznego. Wzór ogólny C6H5Y(podstawienie jednego atomu H jednowartościowym atomem lub grupa atomów) np. C6H5Br-bromobenzen. Może być również C6H5Y2 lub C6H5YZ np. 1,2-dimetylobenzen. Właściwości fizyczne. Benzen i niskocząsteczkowe homologi są bezbarwne, lżejsze od wody, ciecze, char zapach, dobre rozpuszczalniki węglowodorów stałych, tłuszczów, farb i lakierów. Węglowodory o pierścieniach skondensowanych są ciałami stałymi. Benzopiren ma właściwości rakotwórcze. Metody otrzymywania benzenu: 1)proces destylacji smoły węglowej otrzymywanej w wyniku pirolizy węgla kamiennego, 2) z ropy naftowej w procesie reformingu, który polega na cyklizacji alkanów i aromatyzacji cykloalkanów. Katalizatory i wysoka temperatura powodują cyklizację węglowodorów oraz odwodornienie prowadzące do powstania węglowodorów aromatycznych. 3) Trimeryzacja acetylenu w temp 500, 4) Za pomocą reakcji Wurtza-Fittinga w wyniku działania metalicznego sodu na mieszaninę fluorowcoalkanu z fluorowcopochodną aromatyczną: ◊(nad tym Br)+Br-CH2-CH3+2Na→◊(nad tym CH2CH3)+2NaBr. 5) za pomocą reakcji Friedla-Craftsa polegającej na alkilowaniu pierścienia benzenowego w obecności chlorku glinu jako katalizatora. |
Wł chem aromatycznych. 1) R podstawiania elektrofilowego (SE). Czynnik atakujący to kation E+ lub dodatni biegun spolaryzowanej cząsteczki. Podstawieniu ulega atom H związany z atomem C pierścienia aromatycznego. Towarzyszy temu odszczepianie protonu. Odczynnik elektrofilowy E+ wiąże się najchętniej z atomem C o największym ładunku ujemnym. Powstaje wówczas nietrwały kation przejściowy, w którym czynnik elektrofilowy wykorzystuje dwa elektrony π sekstetu elektronowego do utworzenia wiązania kowalencyjnego. Odszczepienie protonu od kationu pośredniego pozwala na uzupełnienie kwartetu elektronów w pierścieniu do sekstetu i powstaje trwały produkt reakcji podstawienia elektrofilowego. Ar-H + E+→Ar-E+H+. Reakcje podstawienia katalizują mocne kwasy Arrheniusa (H2SO4, HClO4) lub Lewisa (A1C13, FeCl3, FeBr3) a) R halogenowania. Reakcja polega na podstawieniu atomu fluor w miejsce atomu wodoru związanego z atomem węgla pierścienia aromatycznego. Bezpośrednie chlorowanie lub bromowanie zachodzi tylko w obecności katalizatora, którym w procesie chlorowania jest A1C13, FeCl3, natomiast w czasie bromowania FeBr3 lub AlBr3. Katalizator powoduje heterolityczny rozpad cząsteczki fluorowca prowadzący do powstania czynnika elektrofilowego Cl+ lub Br b) R nitrowania. Reakcja tego typu polega na podstawieniu grupy nitrowej -NO2 w miejsce atomu wodoru układu aromatycznego. Proces nitrowania wykonuje się mieszaniną stężonych kwasów azotowego(V) i siarkowego(VI) zwaną mieszaniną nitrującą. W omawianym wypadku kwas siarkowy(VI) działa jako katalizator i bez jego obecności reakcja przebiega bardzo wolno. Czynnikiem elektrofilowym jest kation nitronowy NO2. c) R sulfonowania. Polega na podstawieniu grupy sulfonowej -SO3H w miejsce atomu wodoru układu aromatycznego. Produktami są mocne kwasy sulfonowe, dobrze rozpuszczalne w wodzie, tworzące trwałe krystaliczne sole. Czynnikiem elektrofilowym w tej reakcji jest powstający w stężonym kwasie siarkowym(VI) tlenek siarki(VI). d) Reakcje alkilowania i acylowania (reakcje Friedla-Craftsa). Alkilowanie i acylowanie węglowodorów aromatycznych polega na działaniu halogenków alkilu (R-X) lub acylowych (RCO-X) w obecności bezwodnego halogenku glinu lub innych halogenków metali, na przykład FeX3, ZnX2. |
Ad. Aromatyczne 2) Reakcje przyłączania. a) Katalityczne uwodornienie benzenu. Powstaje tetralina i dekalina. b) Jeżeli mieszanina benzenu i chloru zostanie naświelona ultrafioletem to następuje przyłączenie chloru do benzenu. Produkt to heksachlorocykloheksan. 3) Utlenianie węglowodorów aromatycznych. W wysokiej temperaturze, wobec tlenku wanadu(V) jako katalizatora benzen utlenia się tlenem atmosferycznym do bezwodnika kwasu maleinowego. 4) Reakcje związków akiloaromatycznych. Związki alkiloaromatyczne ulegają reakcjom podstawienia w pierścieniu aromatycznym lub w grupach alkilowych. Węglowodory w transporcie morskim.Podstawowy składnik ropy naftowej i produktów jej przerobu, mają największy udział wśród ładunków transportowanych drogą morską. Do oceanów przedostaje się 5-11 mln t węglowodorów rocznie. Taka znaczna ilość zanieczyszczeń środowiska morskiego węglowodorami jest skutkiem żeglugi morskiej i eksploatacji podmorskich złóż ropy naftowej, a głównie codziennego użytkowania statków, które są źródłem dużej liczby niewielkich rozlewisk. Poważne zagrożenie dla środowiska morskiego stwarzają awarie zbiornikowców do przewozu ropy naftowej, statków o największej nośności. Wielkie rozlewiska olejowe, będące następstwem katastrof zbiornikowców, są powodem klęsk ekologicznych na obszarach dotkniętych skutkami awarii. Ze względu na palność oraz lotność lżejszych frakcji ropy naftowej, które powodują powstawanie mieszanin wybuchających, związki te są w transporcie morskim zaliczane do materiałów. |