W
GLOWODORY
CHEMIA
W
GLOWODORY
ALKANY
WST
P
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
(sp3) orbitali atomów węgla.
Ogólny wzór alkanów to CnH2n+2 gdzie ne"1
Rys. Model czÄ…steczki etanu
WA
AÅšCIWOÅšCI 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.
TEMPERATURA
NAZWA SYSTEMATYCZNA
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 Ą, 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
2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O
B. substytucja Cl2, Br2, I2, F2 - mechanizm wolnorodnikowy  w obecności światła atomy fluorowców
zastępują atomy wodoru w cząsteczce alkanu z wytworzeniem fluorowcowodoru
hV
CH3  CH3 + Cl2 CH3  CH2Cl + HCl
~ 2 ~
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  dziaÅ‚anie metalicznym sodem na fluorowcopochodnÄ… 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
kat
CH2 = CH2 + H2 CH3  CH3
kat
CH a" CH + 2H2 CH3  CH3
C. ogrzewanie etanianu sodu z wodorotlenkiem sodu  w wyniku prażenia soli octowej sodu i zasady
sodowej powstaje metan oraz węglan sodu
T
CH3COONa + NaOH CH4 + Na2CO3
D. reakcja węgliku glinu z kwasem chlorowodorowym  działając roztworem HCl na węglik glinu
otrzymujemy metan oraz chlorek glinu
Al4C3 + 12HCl 3CH4 + 4AlCl3
E. reakcja węgliku glinu z wodą  działając wodą na węglik glinu otrzymujemy metan oraz wodorotlenek glinu
Al4C3 + 12H2O 3CH4 + 4Al(OH)3
REGUA
A ZAJCEWA
W reakcji eliminacji wiązanie podwójne tworzy się przy atomie węgla uboższego w wodór.
alkohol
zgodne z reg. Zajcewa: CH3  CHCl  CH2  CH3 + KOH CH3  CH = CH  CH3 + KCl + H2O
alkohol
niezgodne z reg. Zajcewa: CH3  CHCl  CH2  CH3 + KOH CH2 = CH  CH2  CH3 + KCl + H2O
~ 3 ~
W
GLOWODORY
ALKENY
WST
P
Alkeny to nienasycone węglowodory, które oprócz wiązań pojedynczych zawierają jedno wiązanie podwójne
pomiÄ™dzy atomami wÄ™gla (dÅ‚. 134pm). WiÄ…zanie podwójne skÅ‚ada siÄ™ z silnego wiÄ…zania à utworzonego przez
czołowe nałożenie się zhybrydyzowanych (sp2) orbitali atomów węgla, oraz ze słabego wiązania Ą powstałego
przez boczne przenikanie niezhybrydyzowanych orbitali p.
Wzór ogólny alkenów to CnH2n gdzie ne"2.
Rys. Model czÄ…steczki etenu
WA
AÅšCIWOÅšCI FIZYCZNE NA PRZYKA
ADZIE 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
C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O
B. addycja
- fluorowców  działając fluorowcem na alken rozrywamy wiązanie podwójne w wyniku czego tworzy się
difluorowcopochodna alkanu
CH2 = CH2 + Br2 CH2Br  CH2Br
- wodoru  pod wpływem wodoru i w obecności katalizatora (np. Ni, Pd, Pt) pękają wiązania podwójne w
cząsteczce nienasyconego węglowodoru, w wyniku czego powstaje alkan
kat
CH2 = CH2 + H2 CH3  CH3
- fluorowcowodorów  pod wpływem fluorowcowodoru zostaje rozerwane wiązanie podwójne i do tak
otrzymanej cząsteczki, zgodnie z regułą Markownikowa, przyłącza się atom wodoru oraz atom fluorowca
tworzÄ…c fluorowcopochodnÄ… alkanu
CH2 = CH  CH3 + HF CH3  CHF  CH3
- 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
H+
CH2 = CH  CH3 + H2O CH3  CHOH  CH3
~ 4 ~
C. reakcja z KMnO4  alkany ulegajÄ… reakcji z silnie zakwaszonym wodnym roztworem manganianu (VII)
potasu; eten w tej reakcji tworzy brunatny tlenek manganu (IV), zasadÄ™ potasowÄ… oraz etan-1,2-diol
CH2  OH
H+
3CH2 = CH2 + 2KMnO4 + 4H2O 2MnO2 + 2KOH + 3
CH2  OH
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)
kat
nCH2 = CH2 [ CH2  CH2  ]n
T, p
OTRZYMYWANIE
A. odwodnienie alkoholu - pod wpływem temperatury i katalizatora (np. Al2O3) z cząsteczki alkoholu zostaje
wyeliminowana cząsteczka wody tworząc alken zgodnie z regułą Zajcewa
Al2O3, T
CH3  CH2  CH2OH CH3  CH = CH2 + H2O
B. reakcja fluorowcopochodnej z zasadą  w reakcji fluorowcopochodnej z zasadą potasową i w środowisku
alkoholowym powstaje alken (zgodnie z regułą Zajcewa), sól oraz woda
alkohol
CH3  CHCl  CH2  CH3 + KOH CH3  CH = CH  CH3 + KCl + H2O
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. ZnCl2)
CH2Cl  CH2Cl + Zn CH2 = CH2 + ZnCl2
REGUA
A 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.
CH2 = CH  CH3 + HCl CH3  CHCl  CH3
~ 5 ~
W
GLOWODORY
ALKINY
WST
P
Alkiny to grupa nienasyconych węglowodorów, zawierających w swej cząsteczce jedno wiązanie potrójne pomiędzy
atomami wÄ™gla (dÅ‚. 120pm). WiÄ…zanie takie skÅ‚ada siÄ™ z silnego wiÄ…zania à utworzonego przez czoÅ‚owe naÅ‚ożenie
się zhybrydyzowanych (sp) orbitali atomów węgla, oraz z dwóch słabych wiązań Ą powstałych przez boczne
nakładanie się pozostałych, niezhybrydyzowanych orbitali p.
Wzór ogólny alkinów to: CnH2n-2 gdzie ne"2.
Rys. Model czÄ…steczki etynu
WA
AÅšCIWOÅšCI FIZYCZNE NA PRZYKA
ADZIE 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 a" CH + O2 4C + 2H2O
B. addycja
- fluorowców - działając fluorowcem na alkin rozrywamy wiązanie potrójne w wyniku czego tworzy się
tetrafluorowcopochodna alkanu (produkt pośredni to difluorowcopochodna alkenu)
CH a" CH + 2Br2 CHBr2  CHBr2
- 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)
kat
CH a" CH + 2H2 CH3  CH3
- fluorowcowodorów - pod wpływem fluorowcowodoru zostaje rozerwane wiązanie potrójne i do tak
otrzymanej cząsteczki, zgodnie z regułą Markownikowa, przyłączają się atomy wodoru oraz atomy fluorowca
tworzÄ…c difluorowcopochodnÄ… alkanu
CH a" C  CH3 + 2HCl CH3  CCl2  CH3
- wody  reakcja Kuczerowa  pod wpływem wody i w obecności katalizatorów HgSO4 i H2SO4 alkin
przekształca się w nietrwały enol, a następnie samorzutnie przekształca się (tautomeryzuje) w związek
karbonylowy (aldehyd lub keton)
Hg2+, H+
CH a" CH + H2O [CH2 = CHOH] CH3CHO
Suche acetylenki metali
ciężkich są związkami
silnie wybuchowymi
~ 6 ~
C. reakcja z KMnO4
COOK
H+
3CHa"CH + 8KMnO4 8MnO2 + 2KOH + 3 + 2H2O
COOK
D. reakcja z aktywnymi metalami  w reakcji z aktywnymi metalami etyn tworzy acetylenki poprzez
podstawienie atomu wodoru w czÄ…steczce atomem metalu
2CHa"CH + 2Na 2CHa"CNa + H2
OTRZYMYWANIE
A. reakcja tetrafluorowcopochodnej z cynkiem  w wyniku reakcji tetrafluorowcopochodnej alkanu z cynkiem
powstaje alkin oraz sól
CHCl2  CHCl2 + 2Zn CHa"CH + 2ZnCl2
B. reakcja difluorowcopochodnej z zasadą - działając roztworem zasady potasowej na difluorowcopochodną
alkanu w środowisku alkoholowym otrzymamy alkin, sól oraz wodę
alkohol
CH2Cl  CH2Cl + KOH CHa"CH + 2KCl + 2H2O
C. reakcja węgliku wapnia (karbidu) z wodą  w wyniku reakcji karbidu z wodą powstaje etyn oraz zasada
wapniowa
CaC2 + 2H2O CHa"CH + Ca(OH)2
D. rozkład metanu  w procesie pirolizy, rozkładając metan w temperaturze łuku elektrycznego otrzymamy etyn
oraz wodór
T
2CH4 CHa"CH + 3H2
~ 7 ~
W
GLOWODORY
ARENY
WST
P
Areny (węglowodory aromatyczne) to związki chemiczne, których cząsteczka ma budowę pierścieniową i zawiera
zdelokalizowane wiązanie Ą, które łączy wszystkie atomy węgla. Pierwszym związkiem w szeregu homologicznym
arenów jest benzen (C6H6).
Ogólny wzór arenów to: CnH2n-6 gdzie ne"6.
Rys. Model czÄ…steczki benzenu
WA
AÅšCIWOÅšCI FIZYCZNE NA PRZYKA
ADZIE 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
2C6H6 + 3O2 12C + 6H2O
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. FeCl3, FeBr3)
Br
FeBr3
+ Br2 + HBr
- nitrowanie  w obecności katalizatora (oleum  roztwór SO3 w stężonym H2SO4) benzen reaguje z kwasem
azotowym (V) tworzÄ…c nitrobenzen oraz wodÄ™
NO2
H2SO4 (st.)
+ HNO3 + H2O
- sulfonowanie  reagujÄ…c z kwasem siarkowym (IV) benzen tworzy kwas benzenosulfonowy i wodÄ™
SO3H
+ H2SO4 + H2O
~ 8 ~
- alkilowanie  w obecności katalizatora (np. AlCl3) benzen ulega reakcji z fluorowcopochodnymi alkanów
tworząc swój homolog oraz fluorowcowodór
CH3
AlCl3
+ CH3Cl + 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)
kat.
+ 3H2
T, p
OTRZYMYWANIE BENZENU
A. odwodornienie cykloheksanu
kat.
T, p
+ 3H2
B. trimeryzacja etynu
3CHa"CH
MECHANIZM SYBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ NA PRZYKA
ADZIE BROMU
Reakcja substytucji elektrofilowej benzenu składa się z trzech zasadniczych etapów:
I. wytworzenie jonu elektrofilowego
FeBr3 + Br2 FeBr4- + Br+
II. atak elektrofila na cząsteczkę benzenu, wytworzenie przejściowego produktu i oderwanie jonu wodorowego
Br H Br
+ Br+ + H+
+
III. odtworzenie katalizatora
H+ + FeBr4- FeBr3 + HBr
~ 9 ~
WYBRANE HOMOLOGI BENZENU
WZÓR WZÓR
NAZWA
SUMARYCZNY STRUKTURALNY
C6H6 benzen
CH3
metylobenzen
C7H8
(toluen)
C2H5
C8H10 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.
CH3 CH2Cl
Ksylen to potoczna
hv
nazwa homologu
+ Cl2 + HCl
benzenu o dwóch
podstawnikach
metylobenzen chlorofenylometan
metylowych
CH3 CH3 CH3
Cl
FeCl
3
+ 2Cl2 + + 2HCl
Cl
metylobenzen o-chlorometylobenzen p-chlorometylobenzen
(toluen) (o-chlorotoluen) (p-chlorotoluen)
Podstawnik I rodzaju kieruje inne podstawniki w położenie orto i para, np.  CH3,  OH,  Cl,  Br,  I,  NH2.
CH3 CH3 CH3
NO2
H2SO4 (st.)
2 + 2HNO3 + + 2H2O
NO2
metylobenzen o-nitrotoluen p-nitrotoluen
Podstawnik II rodzaju kieruje inne podstawniki w położenie meta, np.  NO2,  CHO,  COOH.
NO2 NO2
H2SO4 (st.)
+ HNO3 + 2H2O
NO2
nitrobenzen m-dinitrobenzen
~ 10 ~
GRUPA
REAKCJE CHEMICZNE OTRZYMYWANIE
ZWI
ZKÓW
- synteza Würtza
- spalanie
2CH I + 2Na CH  CH + 2NaI
2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 3 3 3
- uwodornienie alkenów i alkinów (katalizator)
- substytucja fluorowców
hV CH = CH + H CH  CH
CH  CH + Cl CH  CH Cl + HCl 2 2 2 3 3
3 3 2 3 2
CH a" CH + 2H CH  CH
2 3 3
- ogrzewanie etanianu sodu z wodorotlenkiem sodu
CH COONa + NaOH CH + Na CO
3 4 2 3
- reakcja węgliku glinu z kwasem solnym
Al C + 12HCl 3CH + 4AlCl
4 3 4 3
- spalanie - odwodornienie alkoholu ( Al O i T lub st. H SO i T)
2 3 2 4
C H + 3O 2CO + 2H O
2 4 2 2 2
Al2O3, T
CH  CH OH CH = CH + H O
3 2 2 2 2
- addycja fluorowców
CH = CH + Br CH Br  CH Br - reakcja fluorowcopochodnej z zasadÄ…
2 2 2 2 2
(środowisko alkoholowe)
- addycja wodoru (katalizator)
alkohol
CH = CH + H CH  CH CH Cl  CH + KOH CH = CH + KCl + H O
2 2 2 3 3 2 3 2 2 2
- addycja fluorowcowodorów - reakcja difluorowcopochodnej z cynkiem
CH = CH + HF CH  CH F (gdy atomy chloru są przy sąsiednich atomach węgla)
2 2 3 2
CH Cl  CH Cl + Zn CH = CH + ZnCl
2 2 2 2 2
- addycja wody (kwaśne środowisko)
CH2 = CH2 + H2O CH3  CH2OH
- reakcja z KMnO4 (kwaśne środowisko) COOK
3C H + 2KMnO + 4H O 2MnO + 2KOH + 3
2 4 4 2 2
COOK
- polimeryzacja (katalizator, temperatura, ciśnienie)
nCH = CH [ CH  CH  ]
2 2 2 2 n
- reakcja tetrafluorowcopochodnej z cynkiem
- spalanie
CHCl2  CHCl2 + 2Zn CHa"CH + 2ZnCl2
2CH a" CH + O 4C + 2H O
2 2
- reakcja difluorowcopochodnej z zasadÄ…
- addycja fluorowców
(środowisko alkoholowe)
CH a" CH + 2Br CHBr  CHBr
2 2 2
alkohol
CH Cl  CH Cl + KOH CHa"CH + 2KCl + 2H O
2 2 2
- addycja wodoru (katalizator)
CH a" CH + 2H CH  CH
2 3 3
- reakcja węgliku wapnia (karbidu) z wodą
CaC + 2H O CHa"CH + Ca(OH)
2 2 2
- addycja fluorowcowodorów
CH a" CH + HCl CH2 = CHCl
- rozkład metanu (temperatura)
CH2 = CHCl + HCl CH3  CHCl2
T
2CH CHa"CH + 3H
4 2
- addycja wody  reakcja Kuczerowa (HgSO i H SO )
4 2 4
CH a" CH + H O [CH = CHOH] CH CHO
2 2 3
- reakcja z aktywnymi metalami
2CH a" CH + 2Na 2CH a" CNa + H
2
TM, ® & Copyright © 2011 by Adrian Drożdż. All rights reserved
~ 11 ~
ALKANY
ALKENY
ALKINY