Węglowodory

Węglowodory klasyfikuje się ze względu na formę połączenia się atomów węgla (łańcuch lub pierścień) oraz na rodzaj wiązań występujących w cząsteczce. Na tej podstawie dzieli się je na węglowodory alifatyczne i aromatyczne.

Węglowodory alifatyczne (alkile), zbudowane są z łańcuchów lub pierścieni węglowych. Dzieli się je ze względu na rodzaj występujących w cząsteczce wiązań. Porównując ich aktywność należy zwrócić uwagę na występowanie bardzo trwałych wiązań atomowych między atomami węgla, jak również między atomami węgla i wodoru, które także mieszczą się w kategorii wiązań atomowych (ponieważ różnica elektroujemności tych pierwiastków wynosi 0,4). O aktywności węglowodorów decyduje pojawienie się wiązania wielokrotnego, które stanowi miejsce zachodzenia reakcji chemicznych.

1. Alkany - węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe, w cząsteczkach których występują wyłącznie wiązania pojedyncze (sigma). Są to węglowodory nasycone (parafiny).

2. Alkeny - węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe, w cząsteczkach których występują wiązania pojedyncze i jedno podwójne (pi). Są to węglowodory nienasycone (olefiny).

3. Alkiny - węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe, w cząsteczkach których występują wiązania pojedyncze i wiązanie potrójne (dwa wiązania pi). Są to węglowodory nienasycone (olefiny).

Alkany

Stanowią punkt wyjścia do otrzymywania dalszych typów związków. W przypadku alkanów szereg homologiczny opisuje wzór ogólny C_nH_2n+2. Różnicę homologiczną stanowi grupa metylenowa (-CH₂-).Zapis strukturalny alkanów jest kwestią umowną, ponieważ atomy węgla w połączeniach wykazują hybrydyzację sp³ (każdy atom węgla tworzy cztery wiązania sigma i staje się centrum tetraedru). Cztery pierwsze alkany to gazy (surowce w syntezach chemicznych i paliwa), dalej do piętnastego to ciecze (paliwa) i powyżej to substancje stałe (smary).

Oto nazwy, wzory sumaryczne i strukturalne pierwszych dziesięciu alkanów:

Liczba atomów węgla	Wzór sumaryczny alkanu	Nazwa alkanu	Wzór strukturalny alkanu
1	CH4	metan
2	C2H6	etan
3	C3H8	propan
4	C4H10	butan
5	C5H12	pentan
6	C6H14	heksan
7	C7H16	heptan
8	C8H18	oktan
9	C9H20	nonan
10	C10H22	dekan
n	CnH2n+2	alkan

Alkany otrzymuje się na skalę przemysłową w wyniku destylacji ropy naftowej. Otrzymuje się wówczas różne frakcje, z których do najważniejszych należy frakcja benzynowa złożona głównie z węglowodorów ciekłych. Aby zwiększyć udział tej frakcji w przetwórstwie ropy stosuje się dwa szczególne procesy: kraking, polegający na rozłamywaniu dłuższych łańcuchów węglowych na ośmioczłonowe (właściwe dla benzyn), oraz reforming, który polega na otrzymywaniu łańcuchów rozgałęzionych. Takie węglowodory posiadają wyższą liczbę oktanową (określającą odporność na niekontrolowany samozapłon paliwa) i tym samym nie wymagają stosowania innych substancji antystukowych, takich jak tetraetyloołów czy benzen.

Otrzymuje się je także poprzez :

• uwodornienie węglowodorów nienasyconych : C_nH_2n + H₂→ C_nH_2n+2

• dekarboksylację kwasów karboksylowych: RCOOH→ RH + CO₂

• syntezę Würtza : 2R-X + 2Na → R-R + 2NaX

Metan :

Otrzymywanie:

• w wyniku działania kwasem solnym (lub wodą) na węglik glinu :

Al₄C₃ + 12HCl → 4AlCl₃ + 3CH₄ (↑)

• rozkład termiczny mieszaniny stałego octanu sodu i wodorotlenku sodu : CH₃COONa + NaOH → Na₂CO₃ + CH₄ (↑)

Właściwości fizyczne: gaz bezbarwny, bezwonny, lżejszy od powietrza, nierozpuszczalny w wodzie (metan jest niepolarny), rozpuszcza się w benzenie (benzen to wzorcowy rozpuszczalnik apolarny).

Właściwości chemiczne: mała aktywność chemiczna ze względu na występujące w cząsteczkach alkanów wiązania kowalencyjne typu sigma.

1. Ulegają reakcji spalania na trzy sposoby :

• Spalanie całkowite: CH₄ +2O₂→ CO₂ + 2H₂O

• Półspalanie: CH₄ + 1,5O₂→ CO + 2H₂O

• Spalanie niecałkowite: CH₄ + O₂→ C + 2H₂O

2. Reagują z fluorowcami ulegając reakcji substytucji (podstawiania). Reakcja zachodzi stopniowo podstawiając każdy z atomów wodoru. Powstają fluorowcopochodne oraz odpowiednie fluorowcowodory:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl chlorometan

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl dichlorometan

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl trichlorometan

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl tetrachlorometan

Reakcja substytucji jest typowa dla alkanów!

Fluorowcopochodne są punktem wyjścia do innych ważnych połączeń:

1. Substytucja fluorowca grupą hydroksylową w środowisku wodnym. Powstaje alkohol : CH₃Cl + NaOH → CH₃OH + NaCl

2. Reakcja z zasadą w środowisku alkoholowym- eliminacja fluorowodoru: CH₃-CH₂Cl + NaOH → CH₂=CH₂ + NaCl + H₂O

3. Difluorowcopochodne reagując z metalami aktywnymi tworzą alkeny (eliminacja fluorowca) :

CH₂Cl-CH₂Cl + Zn→ CH₂=CH₂ + ZnCl₂

4. Synteza Würtza : 2CH₃Cl + 2Na→ CH₃-CH₃ + 2NaCl

5. Alkilowanie - podstawienie rodnika alkilowego:

CH₃-CH₂-CHCl-CH₃ + CH₄ → CH₃-CH₂-CH(CH₃)-CH₃ + HCl

3. Nie dają charakterystycznych reakcji odbarwiania wody bromowej i zakwaszonego roztworu manganianu(VII)potasu.

4. Nazewnictwo: nazwy alkanów pochodzą od liczebników greckich lub łacińskich określających ilość atomów węgla w cząsteczce, z zastosowaniem, typowej dla alkanów, końcówki -an. Przy tworzeniu nazw systematycznych wg nomenklatury genewskiej należy pamiętać o:

1. Wybraniu najdłuższego łańcucha węglowego

2. Atomy węgla numerujemy tak, by podstawniki miały możliwie najniższe lokanty

3. Podstawniki podajemy w porządku alfabetycznym, jeżeli występuje kilka takich samych podstawników to podaje się lokant każdego z nich, a następnie odpowiednim przedrostkiem potwierdza się ich ilość (di, tri itd.)

4. Numery lokantów, nazwy kolejnych podstawników rozdziela się myślnikami

Właściwości fizykochemiczne: Izomeria - zjawisko występowania różnych związków chemicznych o identycznym składzie pierwiastkowym.

Węglowodory nasycone ulegają izomerii łańcuchowej lub ewentualnie izomerii optycznej (związanej ze zdolnością do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego przez substancje nieposiadające żadnego elementu symetrii).

Alkeny

To grupa węglowodorów alifatycznych, w cząsteczkach których występuje wiązanie podwójne. Pojawienie się tego wiązania (a dokładnie pi) oznacza większą aktywność tych węglowodorów. Wzór ogólny szeregu homologicznego alkenów to C_nH_2n. Pierwszy w szeregu związek musi posiadać dwa atomy węgla, gdyż tylko wówczas może wystąpić wiązanie wielokrotne.

Otrzymywanie alkenów:

• Odwodornienie węglowodorów nasyconych w reakcji eliminacji przy użyciu katalizatora (Ni, Pd, Pt) : C₃H₈ → C₃H₆ + H₂

• Odwodornienie alkoholi w obecności Al₂O₃ :

CH₃- CH₂-OH → CH₂=CH₂ + H₂O

• Eliminacja sąsiednich atomów fluorowca:

CH₂Cl-CH₂Cl + Zn→ CH₂=CH₂ + ZnCl₂

• Eliminacja halogenowodoru w obecności alkoholu:

CH₃-CH₂Cl + KOH → CH₂=CH₂ + KCl + H₂O

Eten

Otrzymywanie: na skalę laboratoryjną eten otrzymuje się przez odwodornienie etanolu w obecności kaolinu (Al₂O₃) :

CH₃- CH₂-OH → CH₂=CH₂ + H₂O

Właściwości fizyczne: gaz bezbarwny, bezwonny, gęstość zbliżona do powietrza, cząsteczka płaska (gdyż wzdłuż podwójnego wiązania węgiel-węgiel nie następuje rotacja) i apolarna (nie rozpuszcza się w wodzie), rozpuszcza się w benzenie, atomy węgla o hybrydyzacji sp², którą cechuje kształt trygonalny, płaski z kątem między wiązaniami 120˚.

Właściwości chemiczne:

1. Ulegają reakcji spalania(w zależności od ilości dostarczonego tlenu):

• Spalanie całkowite: C₂H₄ +3O₂→ 2CO₂ + 2H₂O

• Spalanie niecałkowite: C₂H₄ + O₂→ 2C + 2H₂O

• Nie ulegają półspalaniu

• Reagują z fluorowcami ulegając reakcji addycji (przyłączenia). Chcąc ustalić miejsce postawienia atomów stosuje się regułę Markownikowa, zgodnie z którą wodór zostaje podstawiony do atomu węgla przy którym jest więcej atomów wodoru: CH₃-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃

CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl

3. Zdolność do odbarwiania wody bromowej :

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br

4. Zdolność do odbarwienia zakwaszonego roztworu manganianu(VII) potasu:




5. Reakcja addycji wody w obecności Al₂O₃

CH₂=CH₂ + H₂O→ CH₃- CH₂-OH

6. Reakcja addycji wodoru (uwodornienie w obecności katalizatora)

CH₂=CH₂ + H₂→ CH₃- CH₃

7. Reakcje polimeryzacji (kosztem pękania wiązań wielokrotnych), to znaczy małe cząsteczki, tzw. monomery, w wyniku pękania wiązań pi stają się dwuwartościowymi rodnikami, które łącząc się ze sobą tworzą duże cząsteczki zwane polimerami.

Etap I - pękanie wiązania pi


Etap II - tworzenia polimeru n [-CH₂-CH₂-]
→ [-CH₂-CH₂-]_n

Właściwości fizykochemiczne: układ dwóch atomów węgla o hybrydyzacji sp² może być powodem wystąpienia tzw. izomerii geometrycznej (cis-trans). Izomery te rozróżnia się na podstawie położenia podstawników. CH₃ H CH₃ CH₃

\ / \ /

C=C trans-but -2-en C = C cis-but-2-en

/ \ / \

H CH₃ H H ____________________________________________________________

Alkiny

To węglowodory alifatyczne posiadające w cząsteczce wiązanie potrójne, tak więc wzór ogólny szeregu homologicznego tych węglowodorów ma postać C_nH_2n-2. każdy z atomów węgla tworzy dwa wiązania sigma, wiec ulega hybrydyzacji sp¹. Pierwszy w szeregu etyn (lub etin) znany jest również pod bardzo popularną nazwą zwyczajową acetylen.

Acetylen

Otrzymywanie: reakcja karbidu z wodą : CaC₂ +2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

Właściwości fizyczne: gaz bezbarwny, bezwonny (otrzymany z karbidu posiada charakterystyczny zapach), nieco lżejszy od powietrza, nie rozpuszcza się w wodzie (apolarny), dwa wiązania pi (bardziej aktywny od alkenów).

Właściwości chemiczne:

1. Ulegają reakcji spalania:

• Spalanie całkowite: 2C₂H₂ +5O₂→ 4CO₂ + 2H₂O

• Spalanie niecałkowite: 2C₂H₂ + O₂→ 4C + 2H₂O

• Nie ulegają półspalaniu

B. Reagują z fluorowcami ulegając reakcji addycji (przyłączenia).

C₂H₂+HCl→ C₂H₃Cl

3. Zdolność do odbarwiania wody bromowej :

CH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr

D. Odbarwianie zakwaszonego roztworu manganianu(VII) potasu:




5. Reakcje polimeryzacji jest to zachowanie typowe dla węglowodorów nienasyconych. Szczególnie ważna jest reakcja trymeryzacji (gdyż połączą się trzy mole) acetylenu, która prowadzi do benzenu, głównego przedstawiciela węglowodorów aromatycznych.

6. Synteza Kuczerowa (Reakcja hydratacji alkinów). Uwodnienie 1- alkinów prowadzi do aldehydów, zaś pozostałych do ketonów.

Reakcja uwodnienia acetylenu, powstaje aldehyd octowy

C₂H₂+H₂O
CH₃-CHO

Reakcja uwodornienia but-2-inu powstaje keton (butanon)

CH₃-C≡C-CH₃ + H₂O
CH₃-CH₂- C -CH₃

||

O

Właściwości fizykochemiczne : alkiny są izomerami cykloalkenów i alkadienów

---