CHEMIA

Założenia teorii Butlerowa:

1. Własności substancji zależy od ich składu jakościowego i ilościowego oraz od ich budowy chemicznej.

2. Budową chemiczną substancji nazywa się sposób połączenia atomów cząsteczce z uwzględnieniem ich wzajemnego oddziaływania. Cząsteczka, której substancji chemicznej ma charakterystyczną i tylko jej właściwą budowę, która może być wyrażana tylko jednym wzorem strukturalnym.

3. Atomy pierwiastków, z których utworzona jest dana substancja, łączy się między sobą zgodnie z ich wartościami, przy czym w związkach organicznych węgiel jest zawsze czterowartościowy.

4. W związkach istnieje wzajemne oddziaływanie atomów i grup atomów. Najsilniejsze wzajemne oddziaływanie wywierają atomy związane bezpośrednio. Oddziaływanie wzajemne atomów lub grup atomów, związanych nie bezpośrednio, słabnie w miarę wzrostu odległości między nimi.

Związki organiczne można wyróżnić ogólnym wzorem R-X (R-rodnik wodorowy)

R -H węglowodory nasycone O

R -Cl chloroalkany R -C-H aldehydy

R -OH alkohole O

R -NH₂ aminy R -C-OH kwasy

Węglowodory nasycone (parafinowe)

Są to związki łańcuchowe, w których cząsteczkach atomu węgla są połączone ze sobą wiązaniami pojedynczymi (C-C), pozostałe zaś wartościowości są nasycone atomami wodoru.

Wiązania w cząsteczce etanu:

C-H -powstaje w wyniku naładowania się zhybrydyzowanych orbitali sp³ atomu węgla z orbitalami s wodoru.

C-C -powstaje w wyniku naładowania się dwóch zhybrydyzowanych orbitali sp³.

Szereg homologiczny węglowodorów nasyconych- jest to szereg związków o podobnej budowie chemicznej, otrzymanych analogicznymi metodami, wykazujące zbliżone własności chemiczne i zmieniające się prawidłowo ze wzrostem atomów węgla w cząsteczce własności fizycznych.

Alkany- węglowodory nasycone

Wzór cząsteczki każdego dowolnego członu szeregu homologicznego uzyskuje się przez dodanie stałego elementu budowy tzn. różnicy homologowej, do wzoru cząsteczki poprzedzającej dany człon.

Różnica homologowa:

Izomery- to związki organiczne o jednakowym składzie chemicznym, a więc i masie cząsteczkowej, lecz o różnym ułożeniu atomów w cząsteczce.

butan

2-metylopropan

W przypadku struktury izo- atom trzeciorzędowy, czwartorzędowy- neo-propan

Nazewnictwo alkanów według IUPAC

1. Jako strukturę podstawową związku wybiera się najdłuższy ciągły łańcuch, a następnie rozpatruje się związek jako pochodną tej struktury, uzyskaną przez zastąpienie atomów wodoru różnymi grupami alkilowymi.

2. Gdy jest to konieczne oznacza się kolejnymi numerami atom węgla, do którego przyłączana jest grupa alkilowa.

3. Atom węgla w łańcuchu, numeruje się tak atom węgla przy którym znajduje się podstawnik, oznaczony był możliwe najniższą liczbą.

4. Jeżeli takie same grupy alkilowe występują w cząsteczce kilka razy jako łańcuchy boczne, to liczby ich grup określa się przedrostkiem di-, tri-, tetra-, itp., a pozycję każdej grupy łańcuchu wskazuje się za pomocą odpowiednich liczb.

5. Jeżeli do łańcucha podstawowego dołączonych jest kilka grup alkilowych to wymienia się je kolejno w porządku alfabetycznym.

Własności fizyczne alkanów:

do
-gazy (bezbarwne, bezwonne, lżejsze od powietrza)

do
-ciecze (lżejsze od wody, nierozpuszczalne w wodzie)

i więcej -stałe (lżejsze od wody, nierozpuszczalne w wodzie)

Własności chemiczne alkanów:

1. Halogenowanie:

2. Spalanie:
   

3. Piroliza:
   

Otrzymywanie alkanów:

1. Hydrogenacja (uwodornianie) alkenów:
   

2. Redukcja halogenówalkilów:

a) hydroliza odczynnika Grignera:

b) Redukcja metalem w środowisku kwaśnym:

Główne źródła alkanów:

-ropa naftowa

-gaz ziemny

-węgiel

Zastosowanie alkanów:

1. produkty destylacji naftowej:

• rozpuszczalniki

• benzyny

• olej napędowy

• oleje (opałowe, smarne)

• asfalty

produkty chlorowania (chloroalkany):

• rozpuszczalniki

• rozkład metanu w łuku elektrycznym:

- sadze dla przemysłu gumowego


4. produkty utleniania alkanów:

• alkohole

• aldehydy

• kwasy organiczne

Węglowodory nienasycone- nazywamy związki zawierające wiązania:

- podwójne (węglowodory etylanowe) alken


- potrójne (węglowodory acetylenowe) alkin


Węglowodory etylenowe-są to węglowodory z jednym podwójnym wiązaniem.

Izomeria węglowodorów nienasyconych:

• izomeria szkieletowa

• izomeria ze względu na wiązanie nienasycone

• izomeria geometryczna (cis i trans)

Reguła Markownikowa- W przypadku addycji halogenowodoru do niesymetrycznego wiązania etylenowego, atom halogenu przyłącza się do węgla uboższego o atom wodoru.

Otrzymywanie alkenów:

1. odszczepienie halohenowodoru:
   

2. dehydratacja (odwodnienie) alkoholi:
   

3. odszczepienie halogenu:
   

Prezmysłowe metody otrzymywania alkenów:

1. Piroliza frakcji ropy naftowej

2. Kraking węglowodorów długołańcuchowych

3. Odwodnienie alkoholi

Węglowodory acetylenowe (nienasycone)


Izomeria węglanów acetylenowych:

• szkieletowa (łańcuchowa)

• położenia wiązania nienasyconego

• geometryczna

Własności fizyczne alkinów:

-gaz

-bezwonny

-w stanie ciekłym i stałym jest substancją silnie wybuchową

-trudno rozpuszczalny w wodzie

-mieszanie z powietrzem jest niebezpieczne, gdyż po zapaleniu wybucha z wielką siłą

Własności chemiczne:

1. Reakcje addycji (przyłączania)

• addycja wodoru

• addycja halogenu

• addycja halogenowodoru

• addycja wody

• polimeryzacja

• utlenianie

• spalanie

Addycja wodoru, uwodornienie krystaliczne:


Addycja halogenu, przyłączanie chlorowca:


Otrzymywanie acetylenu:

1. działanie wody na węglik wapnia:
   

2. rozkład termiczny metanu:
   

Zastosowanie:

-do cięcia i spawania metali

-do produkcji kwasu octowego

-produkcji rozpuszczalników

-produkcji klejów syntetycznych

Estry- grupa organicznych związków chemicznych będąca produktem kondensacji kwasów karboksylowych i alkoholi. Estrami nazywa się też produkty kondensacji alkoholi i kwasów nieorganicznych.

Estry są pochodnymi kwasów karboksylowych, w których zamiast atomu wodoru grypy karboksylowej znajduje się grupa alkilowa lub grypa arylowa.



-kwas mrówkowy (metanal)



-kwas octowy (etanal)



-kwas propionowy (propanal)



-kwas masłowy (butanal)

Kondensacja- to reakcja chemiczna w której substraty łączą się z sobą tworząc większą od nich cząsteczkę produktu głównego, oraz jedną lub więcej małych cząsteczek produktu ubocznego. Typowym przykładem kondensacji jest reakcja estryfikacji.

Otrzymywanie estrów:

Reakcja estryfikacji- reakcja kwasu karboksylowego z alkoholem lub fenolem w środowisku kwasowym.

Estry- są związkami wrażliwymi na silne kwasy i zasady. W wyniku działania silnych zasad na wiązanie estrowe powstaje z powrotem alkohol i sól kwasu karboksylowego. Silne kwasy również prowadzą do rozkładu estrów.

Reakcje charakterystyczne:

• reakcje kwasowej hydrolizy estrów - reakcja odwrotna do reakcji estryfikacji.

• Reakcje hydrolizy zasadowej po wpływem jonów OH - reakcja zmydlenia.

Estry niższych kwasów karboksylowych i alkoholi alifatycznych o krótkich łańcuchach węglowych są cieczami słabo mieszającymi się z wodą, o intensywnym i dość przyjemnym zapachu. Są one jednak w większych dawkach toksyczne, niektóre też rakotwórcze.

Estry kwasów karboksylowych z długimi grupami alkilowymi czyli kwasami tłuszczowymi i alkoholami alifatycznymi o długich łańcuchach węglowych są głównie składnikami wosku naturalnego. Z kolei estrów kwasów tłuszczowych i gliceryny to tłuszcze.

Zastosowanie:

-rozpowszechnione w przyrodzie (nadają zapach olejkom roślinnym i owocom)

-estry kwasów karboksylowych o długich łańcuchach to woski (wchodzą w skład wosku pszczelego i stanowią powłokę liści)

-są stosowane do wyrobu esencji zapachowych, rozpuszczalników i farb (np. rozpuszczalniki nitro to mieszanina octanów propyli)

Kwas acetylosalicylowy- jest od 1899r. Lekiem przeciwbólowym, przeciwgorączkowym, przeciwzapalnym i przeciwzakrzepowym.

Zapach estrów: wiele estrów posiada intensywny i przyjemny zapach. Najliczniejszą grupą tego rodzaju estrów są pochodne kwasu octowego, kwasu masłowego.

Maślan butylu
-eter kwasu masłowego i butanolu. Posiada zapach kojarzący się z ananasem.

Reakcje otrzymywania:


Maślan etylu (butan etylu)
-związek ten posiada zapach ananasu.

Olfaktologia- nauka zajmująca się zapachami.

Tłuszcz- specyficzny rodzaj szerszej grupy związków -lipidów, będący chemicznie estrem, w którym trzy cząsteczki kwasów karboksylowych są połączone z gliceryną. Inne nazwy tłuszczów to: trójgliceryna i trigliceryna.

Tłuszcze w organizmie są magazynowane w tkance tłuszczowej, która pełni funkcję magaznu energi, a także cieplnej izolacji oraz mechanicznej osłonie.

Tłuszcze dzielimy na:

-nienasycone w których występują reszty kwasów tłuszczowych posiadających w łańcuchu węglowodorowym wiązania podwójne. Występuje w roślinach i w wysokiej temperaturze.

-nasycone w których nie występują reszty kwasów tłuszczowych posiadających wiązania podwójne.

Węglowodory aromatyczne (areny) -węglowodory zawierające w cząsteczce sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, do którego mogą być przyłączone podstawniki alkilowe.

Głównym i pierwszym przedstawicielem związków aromatycznych jest benzen
.

Zagadnienia budowy pierścienia benzenowego dobrze tłumaczy kwantowa mechanika - metoda orbitali molekularnych. Przyjmuje się hybrydyzację
dla atomów węgla.

Benzen- jest najprostszym węglowodorem aromatycznym, bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu. Temp topnienia 5,51°C, temp wrzenia 80,09°C, gęstość 0,879
(20°C), prawie nie rozpuszczalny w wodzie, nieorganicznie rozpuszczalny w alkoholu, eterze, łatwopalny, toksyczny.

Szereg homologiczny węglowodorów aromatycznych:

-benzen

-toluen

-etylobenzen

-ksylen

-kumen

Do związków aromatycznych należą także węglowodory o skondensowanych łańcuchach węglowodorowych.

Otrzymywanie i własności węglowodorów aromatycznych:

• głównym źródłem, z którego otrzymujemy wiele węglowodorów aromatycznych i ich pochodnych jest tzw. smoła pogazowa -jeden z produktów koksowania węgla. Najobficiej występuje w smole pogazowej naftalen, a obok niego ponad 150 związków aromatycznych które można wydzielić na drodze frakcjonowanej destylacji i kolejnych procesów chemicznych.

• innym źródłem węglowodorów aromatycznych jest ropa naftowa, a w szczególności frakcja benzynowa zawierająca węglowodory
-
. Frakcja ta poddana procesowi tzw. katalitycznego reformingu, który polega na przepuszczeniu par węglowodorów z nadmiarem wodoru nad katalizatorem platynowym w temperaturze ok. 900°C i pod ciśnieniem 1,3 - 3,5MPa.

• przez odwodornienie pochodnych cykloheksanu otrzymać można pochodne benzenu, a ich związek macierzysty powstaje przez trimeryzację acetylenu.

Reaktywność chemiczna węglowodorów aromatycznych

Reakcje substytucji elektronowej:


Nitrowanie arenów przeprowadza się stężonym kwasem azotowym (V), często w obecności stężonego kwasu siarkowego (VI).

Fluorowcowanie przeprowadza się wobec katalizatorów typu kwasów Lewisa, czyli związków posiadających lukę elektronową (np.
). Z benzenu otrzymujemy w ten sposób chlorobenzen.

Sulfonowanie przeprowadza się za pomocą stężonego kwasu siarkowego (VI) lub tzw. dymiącego kwasu siarkowego (VI). W reakcji tej atom zostaje zastąpiony grupą sulfonową -
i powstają kwasy arylosulfonowe. Sulfonowanie jest reakcją odwracalną, gdyż kwasy arylosulfonowe ulegają hydrolizie do macierzystych arenów.

Reakcje Fridel-Craftsa alkilowania i acylowania. W reakcji acylowania na węglowodór aromatyczny działa się chlorkami lub bromkami kwasowymi R-COX lub Ar-COX w obecności chlorku glinu lub innego katalizatora typu kwasu Lewisa.

Reakcje addycji. Układ aromatyczny trudno ulega reakcjom addycji, jednak stosując odpowiednie warunki udaje się przeprowadzić reakcje.

W wyniku chlorowania benzenu w warunkach reakcji rodnikowej (temp, światło) zachodzi reakcja addycji i tworzy się mieszanina przestrzennych izomerów 1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksanu. W podobnych warunkach toluen ulga chlorowaniu w grupie metylowej.

Naftalen ulega uwodornianiu nieco łatwiej niż benzen. Pod działaniem sodu i etalonu tworzy się 1,4 dihydronaftalen. Produktami katalitycznego uwodornienia są: tetralina i dekalina.

Utlenianie arenów. Utlenianie pierścieni aromatycznych zachodzi na ogół trudno i w zależności os użytego utleniacza prowadzi do produktów o różnej strukturze i stopniu utlenienia.

Zastosowanie węglowodorów aromatycznych:

Benzen jest jednym z najważniejszych surowców w syntezie organicznej, służy między innymi do produkcji:

• tworzyw sztucznych

• włókien syntetycznych

• barwników

• detergentów

• leków

• pestycydów

• polimerów

Toluen posiada szerokie zastosowanie jako surowiec w procesie produkcji:

• gumy

• żywic

• detergentów

• barwników

• leków

• kwasu benzoesowego

Toluen jest składnikiem szeregu produktów rynkowych takich jak: farby, inhibitory korozji, rozcieńczalników, środków czyszczących i sanitarnych.

--> [Author:M]

---