Chemia ogólna

      Do tej pory reakcjami utleniania nazywaliśmy reakcje, w których jakieś substancje łączyły się z tlenem. Niektóre pierwiastki można jednak spalać w atmosferze beztlenowej (np. w chlorze) i również następuje reakcja nazywana utlenianiem.

Utlenianiem nazywamy proces utraty elektronów przez atomy, cząsteczki lub jony.

      Elektrony oddawane w procesie utleniania muszą być przyłączane przez inne substancje. Dlatego każdej reakcji utleniania towarzyszy reakcja redukcji.

Redukcją nazywamy proces pobierania elektronów przez atomy, cząsteczki lub jony.

      Oba procesy zachodzą równocześnie. Określa się je wspólną nazwą reakcji utleniania-redukcji lub reakcji redoks.

      Reakcja spalania magnezu w tlenie przebiega zgodnie z równaniem:

2 Mg + O₂ −> 2 MgO

      Wiadomo, że sieć krystaliczna tlenku magnezu składa się z jonów Mg²⁺ i O^2-. Można więc reakcję powstawania MgO przedstawić równaniami:

Mg −> Mg²⁺ + 2e^-     (utlenianie)
O₂ + 4e^- −> 2O^2-     (redukcja)

      Ponieważ liczba elektronów oddanych i przyjętych musi być taka sama, należy pierwsze równanie pomnożyć przez dwa:

2Mg −> 2Mg²⁺ + 4e^-
O₂ + 4e^- −> 2O^2-
sumarycznie: 2 Mg + O₂ −> 2 MgO

      Podobnie można zapisać przebieg reakcji magnezu z bromem:

Mg −> Mg²⁺ + 2e^-
Br₂ + 2e^- −> 2Br^-
sumarycznie: Mg + Br₂ −> MgBr₂

      Substancja oddająca elektrony to reduktor, substancja pobierająca elektrony to utleniacz.

      Podczas ustalania co jest reduktorem a co utleniaczem konieczna jest znajomość stopnia utlenienia pierwiastka. Stopniem utlenienia pierwiastka, wchodzącego w skład określonego związku, nazywamy liczbę dodatnich lub ujemnych ładunków elementarnych, które zyskałby atom pierwiastka, gdyby wszystkie wiązania w cząsteczce były jonowe. Tak więc w przypadku jonów stopień utlenienia jest równy ilości oddanych lub przyjętych elektronów, natomiast w związkach kowalencyjnych przesunięcie wspólnej pary elektronowej traktuje się jak przejście elektronów od pierwiastka mniej elektroujemnego do pierwiastka bardziej elektroujemnego. Stopnie utleniania oznacza się cyframi rzymskimi i zapisuje nad symbolem pierwiastka.

Reguły ustalania stopni utlenienia:

1. Pierwiastki w stanie wolnym mają stopień utleniania równy zero np. Mg⁰, N₂⁰;

2. Stopień utlenienia pierwiastka w jonach prostych jest równy ładunkowi tego jonu np. Mg^+II, O-^II;

3. Suma stopni utlenienia wszystkich atomów pierwiastków wchodzących w skład obojętnej cząsteczki wynosi zero np. Mg^+IICl₂^-I       [II + 2(-I)] = 0;

4. Wodór w związkach z pierwiastkami, które mają większą od niego elektroujemność ma stopień utlenienia +I;

5. Stopień utlenienia tlenu wynosi najczęściej -II;

6. Suma stopni utlenienia wszystkich atomów wchodzących w skład jonu złożonego jest równa ładunkowi tego jonu np. (SO₄)^2- −> (S^+VIO₄^-II)^2- bo [+VI + 4(-II)] = -2

      Wprowadzenie stopni utlenienia dla pierwiastków pozwoliło na łatwiejszą interpretację równań redoks. Proces, w którym następuje podwyższenie stopnia utlenienia pierwiastka, nazywamy utlenianiem, proces, w którym następuje obniżenie stopnia utlenienia, to redukcja. Zapis reakcji będzie więc uwzględniał obie reakcje połówkowe i stopnie utlenienia reduktora i utleniacza. Aby poprawnie zapisać równanie sumaryczne otrzymywania siarczku glinu Al + S −> Al₂S₃ należy zapisać równania połówkowe a następnie uzgodnić ilość elektronów wymienionych pomiędzy atomami siarki i glinu.

Al⁰ −> Al^+III + 3e^-     utlenianie
S0 + 2e^- −> S^-II     redukcja

      Z zapisu wynika, że aby ilość wymienionych elektronów była taka sama dla obu pierwiastków należy pierwsze równanie pomnożyć przez dwa, a równanie drugie przez trzy.

2Al⁰ −> 2Al^+III + 6e^-     utlenianie
3S0 + 6e^- −> 3S^-II     redukcja
sumarycznie: 2Al + 3S −> Al₂S₃

      Zapis taki nazywamy bilansem elektronowym. Niektóre reakcje przebiegają przy współudziale substancji, które nie zmieniają swoich stopni utlenienia w czasie reakcji. Bilansowanie równań tych przemian chemicznych przebiega w podobny sposób, z tym, ze na koniec należy sprawdzić, czy ogólny bilans równania (ilości poszczególnych atomów) jest poprawny.

Hydroliza soli: czyli synteza soli z wodą w wyniku czego otrzymujemy kwas i zasadę.

Sól + woda kwas + zasada (odwrotnie do reakcji zobojętniania)

Hydrolizie ulegają:

• Sole mocnych kwasów i słabych zasad, wykazując odczyn kwasowy (hydroliza kationowa)

• Sole słabych kwasów i mocnych zasad , wykazując odczyn zasadowy(hydroliza anionowa)

• Sole słabych kwasów i słabych zasad(hydroliza soli słabego kwasu słabej zasady)

• Sole mocnych zasad i mocnych kwasów nie ulegają hydrolizie

1)Zadania na stężenie procentowe i molowe- przykłady

Ile g węglanu sodu należy odważyć aby otrzymac 300g 12% roztworu?

Rozwiązanie : roztwór 12% to taki, który w 100g zawiera 12g soli a więc w 300g roztworu powinno znajdowac się xg soli :

$x = \frac{300\ g\ *12\ g}{100g}$

x = 36 g

Odp.Do sporządzenia 300 g 12% roztworu węglanu sodu należy odważyć 36 g soli.

2) z moli takie podobne jak mięliśmy na zaliczeniu

Oblicz stężenie w mol ∙ dm-³ roztworu siarczanu VI potasu o stężeniu 50 g ∙ dm-³

Rozwiązanie: jeżeli masa 1 mola K2SO4 wynosi 174 g to masa x moli k2so4 wynosi 50 g, czyli

$$x = \frac{1\ mol*50\ g}{174g} = 0,287\ mola$$

Odp.

Chemia organiczna:

Tłuszcze (zwane też glicerydami) są mieszaniną estrów wyższych kwasów karboksylowych oraz gliceryny.

Ze względu na występowanie, tłuszcze dzielimy na:

- pochodzenia zwierzęcego: tran, smalec, łój

- pochodzenia roślinnego: oleje roślinne (słonecznikowy, rzepakowy, sojowy)

Ze względu na konsystencję:

- stałe: masło, smalec

- ciekłe: oleje, tran

Tłuszcze stałe posiadają w części węglowodorowej tylko wiązania pojedyncze między atomami węgla, są więc tłuszczami nasyconymi: masło, smalec.

Tłuszcze ciekłe (oleje) posiadają w części węglowodorowej wiązania wielokrotne między atomami węgla, są więc tłuszczami nienasyconymi (olej słonecznikowy, rzepakowy).

Tłuszcze można otrzymać w procesie estryfikacji alkoholu glicerolu (gliceryna) z kwasami tłuszczowymi, np. z kwasem palmitynowym.

Przykład reakcji otrzymywania tłuszczu

Jak widać, glicerol (gliceryna) zawiera 3 grupy hydroksylowe, należy więc w reakcji estryfikacji użyć 3 cząsteczki kwasu palmitynowego, który jest kwasem jednokarboksylowym. Wiemy, że potrzebna jest jedna grupa hydroksylowa, pochodząca od alkoholu, aby „przereagowała” z jedną grupą karboksylową, pochodzącą od kwasu, stąd glicerol, posiadający 3 grupy hydroksylowe, może przereagować z 3 cząsteczkami jednokarboksylowego kwasu palmitynowego. Otrzymany w tej reakcji związek jest estrem - trójpalmitynianem glicerolu.

Tłuszcze w procesie trawienia ulegają rozkładowi - hydrolizie. Zachodzi reakcja:

Powstały w reakcji kwas tłuszczowy, w organizmie żywym ulega rozkładowi (spalaniu) do tlenku węgla IV - CO₂ oraz wody. W czasie tej reakcji wydziela się znaczna ilość energii.

Jak odróżnić substancje tłuste od tłuszczów?

Służy do tego tzw. próba akroleinowa.

Tłuszcz ogrzewany rozkłada się i wydziela się akroleina - substancja o ostrym i nieprzyjemnym zapachu. Substancje tłuste ogrzewane nie dają tej reakcji.

Tłuszcze reagują z wodorotlenkami, np. wodorotlenkiem sodu. Proces ten nazywamy zmydlaniem tłuszczów:

np.:

      Tłuszcze są estrami gliceryny i kwasów tłuszczowych. Powstawanie tłuszczów przedstawia poniższa reakcja:

      Tłuszcze nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych np. w benzenie. Ponieważ mają mniejszą gęstość od wody pływają na jej powierzchni.

      Wszystkie tłuszcze spotykane w życiu codziennym są mieszaninami, dlatego topią się w pewnym zakresie temperatur, a nie w ściśle określonej temperaturze. Występują w stanie: stałym (słonina, łój), ciekłym (olej) i mazistym (masło, smalec).

      Tłuszcze pochodzenia roślinnego są zwykle ciekłe i nazywamy je olejami. Tłuszcze te uzyskuje się przez tłoczenie nasion roślin oleistych. Najpopularniejszymi w Polsce olejami są olej słonecznikowy uzyskiwany z nasion słonecznika i olej rzepakowy uzyskiwany z rzepaku.

Olejami w języku potocznym nazywamy nie tylko związki należące do grupy tłuszczów, ale także niektóre mieszaniny ciekłych węglowodorów (np. olej napędowy). Oleje jadalne łatwo odróżnić od węglowodorów obserwując efekty spalania tych substancji. Podczas spalania tłuszczu wyczuwa się charakterystyczny, nieprzyjemny zapach.

      Hydroliza zasadowa tłuszczów prowadzona na skalę przemysłową daje sole sodowe kwasów zawartych w tłuszczu, czyli mydła.

 Ponieważ substancje, które wyodrębniono z tkanek organizmów żywych po uprażeniu rozkładały się na węgiel i wodę nadano im nazwę - węglowodany. Nazwa ta nie odzwierciedla jednak faktycznej budowy cukrów. Poza cukrami właściwymi (nazywanymi węglowodanami) istnieją również cukropodobne substancje pektynowe, hemicelulozy, gumy roślinne, mukopolisacharydy itp. Do grupy cukrów zaliczamy związki o różnych właściwościach. Należą do niej zarówno związki mało- jak i wielkocząsteczkowe, dobrze lub słabo rozpuszczalne w wodzie, słodkie i bez smaku.

Tę dużą klasę związków ogólnie można podzielić na trzy grupy:

 Monosacharydy (cukry proste, jednocukry), które nie ulegają hydrolizie do prostszych cząsteczek, odpowiadają wzorowi C_nH_2nO_n gdzie n= 1, 2, 3, ... 10.

 Oligosacharydy (wielocukry proste), czyli pochodne monosacharydów. W skład jednej cząsteczki oligosacharydu może wchodzić od 2 do 9 monosacharydów.

 Polisacharydy (wielocukry złożone), makrocząsteczki złożone z wielkiej liczby cząsteczek monosacharydów.

CUKRY PROSTE

      Monosacharydy zawierają jedną grupę aldehydową (aldozy) lub ketonową (ketozy) i szereg grup hydroksylowych. Ze względu na ilość atomów tlenu obecnych w cząsteczce jednocukry dzielimy na triozy, tetrozy, pentozy, heksozy itd. Najprostsze związki należące do cukrów mają trzy atomy węgla i trzy atomy tlenu w cząsteczce: C₃H₆O₃, natomiast cukrami o największym znaczeniu są pentozy i heksozy.

      Budowę cząsteczek cukrów można przedstawić za pomocą wzorów łańcuchowych, półacetalowych i pierścieniowych (wzory Hawortha). Nazwę cukru w formie łańcuchowej tworzy się według wzoru rzutowego Fishera. Według tego wzoru łańcuch węglowy pisany jest pionowo, numerację węgli prowadzi się od góry łańcucha tak, by grupa karbonylowa była oznaczona jak najniższym numerem. Ponieważ cukry są substancjami czynnymi optycznie zasadnicze znaczenie ma ustalenie konfiguracji danego związku. Odmiana izomeryczna, która ma grupę hydroksylową umieszczoną na prawo przy węglu chiralnym o najwyższej numeracji należy do serii D, w przeciwnym wypadku - do serii L.

      Posługując się wzorami rzutowymi Fishera można także wyprowadzić wzór Hawortha odnoszący się do form pierścieniowych cukrów prostych. Dzięki wzorom pierścieniowym możliwe jest wytłumaczenie wielu zjawisk takich jak np. mutarotacja. Przyjmuje się, że cukry występują w dwóch odmianach tautomerycznych: o budowie pierścieniowej i o budowie łańcuchowej z grupą karbonylową. W strukturze pierścieniowej występuje dodatkowe centrum asymetrii przy węglu C₁ (lub C₂), tzw. węgiel anomeryczny. Skutkiem obecności węgla anomerycznego jest powstawanie dwóch odmian tzw. anomerów. Wielkość pierścienia można wyrazić dodając do nazwy cukry końcówkę - furanoza dla pierścienia pięcioczłonowego i - piranoza dla pierścienia sześcioczłonowego (np. glukopiranoza).

GLUKOZA

      Glukoza jest cukrem należącym do monosacharydów. Jest ona aldoheksozą, posiada grupę funkcyjną karbonylową -CHO oraz pięć grup hydroksylowych -OH. Wzór sumaryczny glukozy jest taki, jak innych monoheksoz: C₆ H₁₂O₆. Wzór strukturalny w postaci łańcuchowej przedstawia się następująco:

      Cząsteczka glukozy może występować w różnych formach: otwartej lub zamkniętej (półacetalowa). Występuje przeważnie jako glukopiranoza, a w niewielkim procencie jako glukofuranoza.

Właściwości fizyczne glukozy.

      Ciało stałe, krystaliczne, bezbarwne, o słodkim smaku. Ogrzewanie glukozy powyżej 150 stopni Celsjusza prowadzi do jej karmelizacji. Jest to substancja doskonale rozpuszczalna w wodzie. Procesowi rozpuszczania towarzyszy przemiana formy łańcuchowej w pierścieniową (obie formy znajdują się w stanie równowagi chemicznej). Uproszczony schemat tej przemiany przedstawia rysunek:

Występowanie glukozy.



      Glukoza występuje w sokach owoców, przede wszystkim winogron (stąd nazwa cukier gronowy), jagodach i miodzie. Występuje także w organizmie ludzkim, np. we krwi.




Wykrywanie glukozy.

      Glukozę wykrywamy wykorzystując jej właściwości redukcyjne, za pomocą prób: Trommera i Tollensa. Takie próby wykonuje się także przy wykrywaniu aldehydów.

 próba Trommera

      Do probówki wlewamy po 1cm³  rozcieńczonych roztworów: siarczanu (VI) miedzi (II) CuSO₄ i wodorotlenku sodu NaOH. Do wytrąconego niebieskiego osadu dodajemy  około 5cm3 roztworu glukozy. Probówkę wstawiamy do zlewki z gorącą wodą i ogrzewamy. Powstały niebieski, galaretowaty osad zmienia barwę na ceglastą).
CuSO₄  + 2NaOH −> Cu (OH)₂ + Na₂SO₄
Cu(OH)₂ + glukoza −> Cu₂O + H₂O + kwas glukonowy

      Glukoza spowodowała redukcję dwuwartościowej miedzi w Cu(OH)₂ do miedzi jednowartościowej w Cu₂O.

Zastosowanie glukozy:

      Glukozę stosuje się w medycynie (jako środek leczniczy, do konserwowania krwi, kroplówek itp.), w przemyśle cukierniczym, przy barwieniu skór. Powstającą podczas hydrolizy skrobi glukozę poddaje się fermentacji katalizowanej przez enzymy drożdży:
C₆H₁₂O₆ −>−> 2C₂H₅OH + CO₂

Jest izomerem glukozy, podobnie jak ona występuje w słodkich owocach i w miodzie.
      
      Fruktoza jest substancją stałą o smaku znacznie słodszym niż glukoza. W wodzie rozpuszcza się bardzo dobrze dając odmianę cykliczną, pięcioczłonową, z mostkiem tlenowym między C2 i C5.

      Jest reprezentantem ketoheksoz. Na skalę przemysłową otrzymuje się fruktozę poprzez hydrolizę sacharozy.

      Węglowodory ogólnie można podzielić na łańcuchowe i cykliczne (pierścieniowe). Łańcuch węglowodorowy może być prosty lub rozgałęziony, może również zawierać oprócz wiązań pojedynczych wiązania wielokrotne (podwójne lub potrójne). Węglowodory cykliczne mogą zawierać jeden lub więcej pierścieni, a także wiązania pojedyncze i wielokrotne.
 
      Nazwy pierwszych czterech węglowodorów nasyconych, łańcuchowych są zwyczajowe, natomiast nazwy pozostałych tworzy się poprzez dodanie do rdzenia, określającego ilość atomów węgla w łańcuchu, końcówkę -an charakterystyczną dla alkanów. Liczebniki określające rdzeń nazwy są pochodzenia greckiego. Alkany o łańcuchach prostych określa się mianem n-alkanów.

      Nazwy węglowodorów z wiązaniem podwójnym (alkenów) tworzy się podobnie jak nazwy alkanów: do rdzenia, określającego ilość atomów węgla w łańcuchu dodaje się  końcówkę -en. W przypadku alkinów , czyli węglowodorów zawierających wiązania potrójne końcówka nazwy to -yn. Miejsce występowania wiązania wielokrotnego zaznacza się przez wstawienie przed nazwę węglowodoru lokantu np. 1-propen, 3-hepten.
     
 

Wzory i nazwy pierwszych dziesięciu węglowodorów podaje tabela:
 

Nazwa n-alkanu	Wzór sumaryczny	Nazwa alkenu	Wzór sumaryczny	Nazwa 1-alkinu	Wzór sumaryczny
Metan	CH4
Etan	C2H6	Eten	C2H4	Etyn	C2H2
Propan	C3H8	Propen	C3H6	Propyn	C3H4
Butan	C4H10	Buten	C4H8	Butyn	C4H6
Pentan	C5H12	Penten	C5H10	Pentyn	C5H8
Heksan	C6H14	Heksen	C6H12	Heksyn	C6H10
Heptan	C7H16	Hepten	C7H14	Heptyn	C7H12
Oktan	C8H18	Okten	C8H16	Oktyn	C8H14
Nonan	C9H20	Nonen	C9H18	Nonyn	C9H16
Dekan	C10H22	Deken	C10H20	Dekyn	C10H18

      Nazwy jednowartościowych grup (reszt węglowodorowych) utworzonych przez usunięcie atomu wodoru od końcowego atomu węgla tworzy się przez zmianę przyrostka -an  w nazwie węglowodoru na -yl (lub -il po spółgłoskach g,k,l).
Np.  CH₃-CH₂-CH₂-      propyl
 
      Nazwy alkanów rozgałęzionych tworzy się przez umieszczenie przedrostków określających nazwy bocznych łańcuchów przed nazwą najdłuższego łańcucha węglowego w cząsteczce. Reguły określające nazewnictwo:
 
1. Za podstawę nazwy uważa się nazwę najdłuższego łańcucha węglowego w cząsteczce.
 

2. Jeżeli kilka łańcuchów ma taką samą ilość atomów węgla za główny przyjmuje się ten, który posiada największą ilość podstawników.

Przykład: W przypadku A oba zaznaczone łańcuchy mają taka samą ilość atomów węgla, w przypadku B łańcuch niebieski jest dłuższy. Ponieważ w przykładzie A oba łańcuchy maja taką samą liczbę podstawników, podstawniki są takie same a ich lokanty nie zmieniają się, nie ma znaczenia czy za podstawę nazwy przyjmiemy łańcuch niebieski czy żółty.
 
3. Grupy węglowodorowe przyłączone do głównego łańcucha węglowego uważa się za podstawniki a ich nazwy  wymienia się w kolejności alfabetycznej zgodnie z kolejnością alfabetyczną np. etylometyloheptan

4. Atomy węgla w łańcuchu głównym numeruje się kolejno w takim kierunku, aby podstawniki miały jak najniższe wartości. Liczby te wymienia się w nazwie węglowodoru oddzielając je łącznikiem np. 2-metylo pentan.

5. Jeżeli w  cząsteczce węglowodoru występuje kilka jednakowych podstawników oznacza się je przedrostkiem stanowiącym liczebnik: di- (dwa), -tri (trzy), -tetra (cztery) itd. Kolejne cyfry oddziela się od siebie przecinkami np. 2,3-dimetylopentan.
 
      Węglowodory cykliczne mają nazwy pochodzące od węglowodorów nierozgałęzionych o takiej samej liczbie atomów węgla. Położenie wiązań wielokrotnych oznacza się możliwie najniższymi lokantami. Ewentualne łańcuchy boczne wymienia się w kolejności alfabetycznej przed przedrostkiem cyklo. Dla 1,3,5 cykloheksatrienu została zachowana nazwa zwyczajowa - benzen.

 

	cyklopropan

Ważne klasy związków organicznych i ich grupy funkcyjne:

nazwa	wzór	nazwa	wzór
węglowodory	R-H	-	-
Fluorowcopochodne	R-X	fluorowiec	-X(F,CI,Br,I)
Alkohole i fenole	R-OH	Wodorotlenkowa (hydroksylowa)	-OH
Etery	R-O-R	Eterowa(oksy)	-O-
Aldehydy	R-CHO	Aldehydowa (ketonowa)	=C=O
Kwasy karboksylowe	R-COOH	karboksylowa	-C=O | OH
Kwasy sulfonowe	R-SO3H	sulfonowa	-SO3H
aminy	R-NH2	aminowa	-NH2
Związki nitrowe	R-NO2	nitrowa	-NO2
Związki nitrylowe	R-CN	nitrylowe	-C=N(tu SA trzy krezki)

Obok związków zawierających jedną grupę funkcyjną istnieje wiele substancji zawierających kilka różnych grup funkcyjnych (tab.2)

Nazwa związku	Grupy funkcyjne
monosacharydy	Grupy hydroksylowe i grupa aldehydowa lub ketonowa
fluorowcokwasy	Grupa karboksylowa i fluorowiec
hydroksykwasy	Grupa karboksylowa i hydroksylowa
aldehydokwasy	Grupa karboksylowa i aldehydowa
oksokwasy	Grupa karboksylowa i ketonowa
Aminokwasy(białka)	Grupa karboksylowa i aminowa

Mam to z naszej książki więc jest dobrze.

NAZWA KLASY
WZÓR OGÓLNY
Układy macierzyste:
Węglowodory alifatyczne
R-H
Węglowodory aromatyczne
Ar-H
Związki heterocykliczne
Het-H