węglowodory - SKRÓT, Matura, Chemia, chemia organiczna

WĘGLOWODORY

ALKANY

Metan stanowi minimum 75% gazu ziemnego. Dlatego gaz ziemny jest przemysłowym źródłem metanu. Inne sposoby otrzymania metanu ilustrują równania reakcji:

Metoda Bergiusa - poprzez bezpośrednią syntezę węgla z wodorem w wysokiej temperaturze

bez dostępu tlenu :

C + 2H2    500°C→ CH4

Metoda Tropscha - Fischera :

CO + 3 H2 → CH4 + H2O

Ogrzewanie octanu sodu z wodorotlenkiem sodu

CH3COOH  +  NaOH  ----->  CH3COONa + H2O

Reakcja węgliku glinu z kwasem solnym

Hydroliza węgliku glinu :

Al4O3  +   12H-OH   ----->    3CH4 + Al(OH)3

Dekarboksylacja  kwasu octowego :

CH3COOH  __T__>  CH4 + CO2

Hydrogenacja węglowodorów nienasyconych :

CH2=CH2 + H2 __Q, Ni__> H3C-CH3

CHşCH + 2H2 __Q, Ni__ > H3C-CH3

Kraking - rozpad dużych cząsteczek na mniejsze fragmenty:

- pod wpływem temperatury - kraking termiczny

- pod wpływem katalizatora - kraking katalityczny

przykłady: 

Kraking parafin (alkanów) do olefin (alkenów)

n = m + k

CnH2n+2 __T__> CmH2m+2 + CkH2k

C6H14 __T__> C4H10 + C2H4

C16H34 -----> C7H16 + 3C2H4 + C3H6

Kraking olefin do mniejszych olefin

n = m + k

CnH2n __T__> CmH2m + CkH2k

C7H14 __T__> C3H6 + C4H8

Przy omawianiu każdego szeregu mówi się o podobieństwach i różnicach dotyczących struktury, właściwości fizycznych i właściwości chemicznych.

Struktura alkanów:

Tworzą rozbudowane przestrzennie łańcuchy proste lub rozgałęzione

Atomy węgla przybierają hybrydyzację tetragonalną sp3

Występuje rotacja dookoła wiązań C−C

Różna ilość grup metylenowych −CH2−

Właściwości fizyczne alkanów:

Hydrofoby (są niepolarne)

Lotne (od CH4 do C4H10 - gazy, od C5H12 do C15H32 - ciecze, ponad C16H34 - nisko topliwe ciała stałe)

Rozpuszczają się same w sobie i w podobnych do nich (niepolarnych) rozpuszczalnikach głównie organicznych

Są łatwopalne

Właściwości chemiczne alkanów:

Ulegają reakcjom spalania

Ulegają reakcjom podstawienia (substytucji halogenami)

Są bierne chemicznie (mało reaktywne)

Wiązanie C−H jest wiązaniem kowalencyjnym o znikomej polaryzacji (ΔχC−H = 2,5 − 2,1 = 0,4), a na dodatek wiązania są rozmieszczone symetrycznie - wszystkie te cechy wpływają na fakt, że alkany nie są polarne, czyli ich cząsteczki nie są dipolami. Związki takie nie rozpuszczają się w polarnej wodzie (w myśl zasady "podobne rozpuszcza podobne") i dlatego nazywane są hydrofobami (gr. hýdrō 'woda', phóbos 'strach' - wodowstręt).

Alkany są związkami lotnymi. Tym mianem określa się związki o niskich temperaturach topnienia i wrzenia. Temperatury topnienia i wrzenia alkanów od jednego do czterech atomów węgla o nierozgałęzionym łańcuchu są ujemne, (czyli w temperaturze pokojowej są gazami). Związki od n-pentanu (C5H12) do n-pentadekanu (C15H32) są cieczami, n-heksadekan i n-heptadekan to związki, które w temperaturze pokojowej mają nieopisany stan skupienia (przejściowy pomiędzy ciekłym, a stałym), zaś od n-oktadekanu wzwyż są to ciała stałe. Litera n we wszystkich nazwach oznacza, że mówi się o związku z łańcuchem prostym (normalnym). Odpowiednie dane liczbowe przedstawiono w poniższej tabeli.

Alkany są w jednym szeregu homologicznym. Oznacza to, że są do siebie podobne. W myśl zasady "podobne rozpuszcza podobne" alkany rozpuszczają się same w sobie. Łatwo jest tym samym rozpuścić metan w heksanie, propan w butanie itd... Węglowodory stałe i gazowe są rozpuszczone w ciekłych alkanach - tworzą w ten sposób ropę naftową. Alkany można rozpuścić także w innych niepolarnych rozpuszczalnikach głównie organicznych takich jak CCl4 (tetrachlorometan).

Pomimo, że alkany są bierne chemicznie (mało reaktywne) - ulegają kilku reakcjom. Dwa najważniejsze typy reakcji, jakim ulegają alkany to spalanie i substytucja, o których powiemy w kolejnych rozdziałach.

Rzędowość atomów węgla:

- liczba atomów węgla związanych z rozpatrywanym atomem węgla

Otrzymywanie alkanów

Powiedzieliśmy już, że alkany stosunkowo trudno wchodzą w jakiekolwiek reakcje chemiczne. Wyjątek stanowi reakcja spalania, którą już omówiliśmy oraz reakcja halogenowania. Najczęściej mówi się o chlorowaniu, tak więc rozpatrzmy mechanizm reakcji chlorowania metanu.

Chlorowanie metanu jako reakcja substytucji rodnikowej

1. Destylacja ropy naftowej

2. Reakcja Wurtza - działanie metalicznym sodem na fluorowcopochodne alkanów w wyniku których powstaje łańcuch węglowodorowy będący produktem złączenia się obu grup alkilowych. (reakcja dobudowy łańcucha)

Uwodornienie węglowodorów nienasyconych

Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów karboksylowych (synteza Kolbego). W jej wyniku na anodzie następuje dekarboksylacja (uwolnienie cząsteczki CO2)

Reakcje charakterystyczne

a)      Omawiana reakcja zachodzi wg mechanizmu wolnorodnikowego. Na początku działanie światła powoduje rozpad cząsteczki chloru na dwa rodniki.

Cl−Cl    hν→ 2 Cl•

Oznaczenie hν mówi, że czynnikiem powodującym rozpad jest fala elektromagnetyczna (światło). Proces ten rozpoczyna szereg reakcji, dla tego nazywany jest inicjacją - rozpoczęciem.

Dalej zachodzą etapy propagacji - rozwinięcia, które powtarzają się cyklicznie tak długo, aż wszystkie rodniki w reaktorze zostaną wyczerpane.

CH4 + Cl• → CH3• + HCl

CH3• + Cl2 → CH3Cl + Cl•

Powstające rodniki chloru mogą atakować dalsze cząsteczki metanu i tak w kółko. Reakcje doprowadzające do wygaszenia procesu to reakcje terminacji - zakończenia.

Cl• + Cl• → Cl2

CH3• + Cl• → CH3Cl

CH3• + CH3• → C2H6

Przedstawiona reakcja jest reakcją rodnikową, ponieważ zachodzi wg mechanizmu wolnorodnikowego. Jest reakcją fotochemiczną, ponieważ w fazie inicjacji wymagany jest dostęp światła. Jest też reakcją łańcuchową, ponieważ procesy propagacji napędzają się wzajemnie powtarzając się cyklicznie. I w końcu jest to reakcja substytucji, czyli podstawienia, bo jeden atom jest wymieniany na inny.

To jednak nie koniec. Kto zabroni rodnikowi chlorowemu zaatakować chlorometan? Mogą więc zachodzić dalsze podstawienia.

CH3Cl + Cl• → CH2Cl• + HCl

CH2Cl• + Cl2 → CH2Cl2 + Cl•

CH2Cl2 + Cl• → CHCl2• + HCl

CHCl2• + Cl2 → CHCl3 + Cl•

CHCl3 + Cl• → CCl3• + HCl

CCl3• + Cl2 → CCl4 + Cl•

Niestechiometrycznie możemy powiedzieć, że z chloru i metanu powstają: CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3, CCl4, a także produkty uboczne HCl w tym wyższe węglowodory jak C2H5 oraz ich chloropochodne, oczywiście w śladowych ilościach.

b)      Inne sposoby otrzymywania halogenków

Istnieją jeszcze inne metody otrzymywania halogenoalkanów. Jednym z nich jest addycja, którą poznasz bliżej przy omawianiu węglowodorów nienasyconych. W konkretnych źródłach można odszukać specyficzne reakcje, w których powstają żądane fluorowcopochodne związków organicznych.

Otrzymywanie halogenków (halogenki alkilu = halogenowęglowodory) z alkoholi zostanie omówione przy alkoholach.

c)      Freony

Freony to związki, w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru.

CnFxCl2n+2-x

Przy czym x ∈ 〈1; 2n+1〉.

Freony nie są związkami ciekawymi z chemicznego punktu widzenia, gdyż są bierne chemicznie. Z tego powodu, jak również dlatego, że są nietoksyczne, wykorzystywano je w aerozolach i lodówkach. Z czasem okazało się, że freony wywierają zgubny wpływ na atmosferyczną warstwę ozonu.

Ozon jest alotropową odmianą tlenu znajdującą się w atmosferze, która chroni nas przed nadmiarem promieniowania ultrafioletowego UV (ang. ultra violet) pochodzącego ze słońca.

Freony są katalizatorami reakcji: 2 O3    freony→ 3 O2, która prowadzi do zaniku warstwy ozonowej. Skutkiem tego jest zjawisko nazywane dziurą ozonową.

Obecnie produkcja i emisja freonów została znacząco ograniczona, co ma doprowadzić w przyszłości do regeneracji warstwy ozonu w Naszej atmosferze. Produkty uwolnione od freonów posiadają znak ozone-friendly, ozon freundlich, ohne FCKW, czy też CFC fre

Alkany są stosowane:

a).jako składniki paliw:

-metan znalazł zastosowanie gospodarcze jako paliwo gazowe;

-"gaz płynny", czyli mieszanina propanu i butanu, stosowany jest jako paliwo turystyczne i paliwo do silników spalinowych;

- cięższe węglowodory są stosowane powszechnie w postaci benzyn lub olejów napędowych do silników benzynowych i dieslowskich;

Produktem spalania paliw jest dwutlenek węgla. Wzrost ilości źródeł emisji dwutlenku węgla powoduje, że jego zawartość w atmosferze ziemskiej zwiększa się.  Dwutlenek węgla łatwo absorbuje promieniowanie podczerwone, emitowane przez Słońce, co prowadzi do wzrostu temperatury na Ziemi. Zjawisko to nazwane zostało "efektem cieplarnianym". Efekt cieplarniany jest to więc skrótowa nazwa zmian klimatu spowodowanych zwiększeniem się stężeń zanieczyszczeń w atmosferze absorbujących promieniowanie podczerwone. Należą do nich ditlenek węgla, węglowodory np. metan i jego ppochodne.

b).jako surowce w wielu syntezach organicznych np.do przerobu na węglowodory nienasycone oraz jako składnoki rozpuszczalników;

c).jako materiały energetyczne;

d).w zapalniczkach;

e).do znieczuleń;

f).do wyrobu farb, gum, kauczuku i barwników.

Cykloalkany

Cyklizacja alifatycznych związków łańcuchowych.

Reakcje charakterystyczne

ALKENY

Po oderwaniu od etenu jednego atomu wodoru otrzymujemy alkil postaci:

Alkil ten nazywamy grupą winylową H2C=CH•. Bardziej systematyczna nazwa to winyl, a najlepsza etenyl (jednak praktycznie nie używana).

Ważnym związkiem winylowym jest chloroeten (chlorek winylu). Jest on monomerem poli(chlorku winylu), dlatego wrócimy do niego przy polimeryzacji.

Wykonajmy charakterystykę alkenów

Struktura alkenów:

Posiadają wiązanie podwójne (π) - grupa winylowa

Przy wiązaniu podwójnym tworzą płaskie struktury

W miejscach nasyconych tworzą rozbudowane przestrzennie łańcuchy proste lub rozgałęzione

Atomy węgla przybierają hybrydyzację trygonalną sp2

Występuje rotacja dookoła wiązań C−C

Brak rotacji dookoła wiązania C=C (izomeria geometryczna)

Różna ilość grup metylenowych −CH2−

Właściwości fizyczne alkenów:

Hydrofoby (są niepolarne), reagują z wodą

Rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych (np. alkanach)

Ze wzrostem ilości atomów węgla t.top. ↑, t.wrz. ↑, gęstość ↑, aktywność ↓

Są łatwopalne

Właściwości chemiczne alkenów:

Ulegają reakcjom spalania

Ulegają reakcjom przyłączenia (addycji) do wiązania podwójnego

Ulegają reakcjom polimeryzacji

Są reaktywne

Wykazują izomerię geometryczną trans-cis

Właściwości chemiczne etylenu i innych alkenów:

1) ulegają reakcjom addycji do wiązania podwójnego.

a) przyłączanie bromu lub chloru

b) addycja cząsteczek chlorowodoru lub bromowodoru

c) addycja wody do wiązania podwójnego

Reguła Markownikowa - atom wodoru przyłącza się do atomu węgla o niższej rzędowości

                                       (związanego z mniejszą liczbą atomów węgla).

2. Reakcja uwodornienia

3. Reakcje polimeryzacji

Etylen może reagować sam ze sobą, przy czy jego cząsteczki łączą się w długie łańcuchy zawierające tylko wiązania pojedyncze. Jest to reakcja polimeryzacji.

4. Odbarwia wodę bromową i roztwór nadmanganianu potasu (w przeciwieństwie do alkanów)

     W reakcji z nadmanganianem potasu daje glikole.

Otrzymywanie

Alkeny otrzymać można na kilka sposobów. Wszystkie sprowadzają się jednak do reakcji eliminacji dwóch podstawników przy wiązaniu pojedynczym. Jednego z jednej strony, drugiego z drugiej. Ogólnie można przedstawić ten proces tak, jak na Ryc. 10.

Tak więc dla etenu mogą to być:

a)      Dehydrogenacja etanu:

H3C−CH3    p, T, k→ H2C=CH2 + H2

b)      Dehydratacja etanolu:

H3C−CH2OH    Al2O3, H2SO4→ H2C=CH2 + H2O

c)      Reakcja halogenoetanu z silną zasadą:

H3C−CH2X + MeOH    T→ H2C=CH2 + MeX + H2O

np. H3C−CH2Br + KOH    T→ H2C=CH2 + KBr + H2O

d)      Reakcja 1,2-dihalogenoetanu z pyłem cynkowym

XH2C−CH2X + Zn → H2C=CH2 + ZnX2

e)      ...