15

Węglowodory

              Podstawą klasyfikacji węglowodorów jest forma połączenia się atomów węgla (łańcuch lub pierścień) oraz rodzaj wiązań występujących w cząsteczce. Na tej podstawie dzieli się węglowodory na dwie zasadnicze grupy, aromatyczne i alifatyczne.

              Węglowodory aromatyczne czyli areny to takie, których cząsteczki tworzą, połączone w pierścień, atomy węgla o hybrydyzacji sp2 więc w pierścieniu co drugie wiązanie jest podwójne.   

H

      |

     C

/      \\

H - C        C - H

||          |

H-  C        C - H

\     //

C

|

                                                                                                               H

              Węglowodory alifatyczne czyli alkile zbudowane są z łańcuchów lub pierścieni węglowych. Dzieli się je ze względu na rodzaj występujących w cząsteczce wiązań. Jeżeli atomy węgla połączone są wyłącznie wiązaniami pojedynczymi, czyli sigma, mówi się o węglowodorach nasyconych czyli alkanach. Jeżeli występuje jedno wiązania podwójne, mówi się o alkenach, jeżeli jest wiązanie potrójne wówczas mówi się o alkinach. Jeżeli atomy węgla połączone są w opierścień nazwę grupy poprzedza się przedrostkiem cyklo, a więc cykloalkany, cykloalkeny czy cykloalkiny. Porównując ich aktywność należy zwrócić uwagę na fakt, że w związkach tych występują bardzo trwałe wiązania atomowe, w formie definicyjnej między atomami węgla (układy homojądrowe), zaś wiązania między atomami węgla i wodoru również mieszczą się w kategorii wiązań atomowych, ponieważ różnica elektroujemności tych pierwiastków wynosi 0,4. O aktywności węglowodorów decyduje więc pojawienie się wiązania podwójnego, a w tym słabszego wiązania pi. Takie wiązanie w cząsteczkach węglowodorów stanowi miejsce zachodzenia reakcji chemicznych. Reasumując, alkile dzieli się na:

1. alkany – węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe w cząsteczkach których występują wyłącznie wiązania pojedyncze (sigma)
2. alkeny – węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe, w cząsteczkach których występuje jedno wiązanie podwójne
3. alkiny – węglowodory łańcuchowe lub pierścieniowe, zawierające w cząsteczce wiązanie potrójne (dwa wiązania pi)

Alkany

              To szczególnie ważna grupa związków organicznych. Stanowią one punkt wyjścia do otrzymywania dalszych typów związków, również z ich nazw tworzy się tzw. nazwy systematyczne dalszych typów połączeń organicznych. Z tego względu bardzo ważne jest nauczenie się nazw i wzorów dziesięciu pierwszych przedstawicieli szeregu homologicznego alkanów. Tworzenie szeregów homologicznych jest typowe dla grup połączeń organicznych. Pod tym pojęciem rozumie się szereg związków chemicznych różniących się stałym fragmentem cząsteczki, tak zwaną różnicą homologiczną. W przypadku alkanów szereg homologiczny opisuje wzór ogólny CnH2n+2 zaś różnicę homologiczną stanowi grupa metylenowa (–CH2-) Oto nazwy, wzory sumaryczne oraz półstrukturalne dziesięciu pierwszych alkanów:

1. metan              CH4

2.      etan              C2H6                            CH3-CH3

3. propan              C3H8                            CH3-CH2-CH3
4. butan              C4H10                            CH3-CH2-CH2-CH3
5. pentan              C5H12                            CH3-CH2- CH2- CH2- CH3
6. heksan              C6H14                            CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2–CH3
7. heptan              C7H16                            CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 –CH3
8. oktan              C8H18                            CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 –CH3
9. nonan              C9H20                            CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 –CH3
10. dekan              C10H22                            CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 –CH3

Zapis strukturalny jest kwestią umowną gdyż atomy węgla w tych połączeniach wykazują hybrydyzację sp3 (ponieważ każdy atom tworzy cztery wiązania sigma) i tak każdy staje się centrum tetraedru. Każda cząsteczka alkanu jest więc szeregiem połączonych narożami czworościanów, jest to więc struktura bardzo złożona i właśnie dlatego wprowadzono uproszczenie rysując atomy węgla w szeregu. Chcąc skrócić i tę niedogodność (patrz długość łańcucha np. dekanu), węglowodór ten można zapisać w formie skróconego wzoru półstrukturalnego: CH3-(CH2)8-CH3. Proszę pamiętać o takim opanowaniu nazw i wzorów węglowodorów aby móc je kojarzyć natychmiast i jednoznacznie.

Ze względu na możliwość występowania różnych form połączenia się atomów w węglowodorach występuje zjawisko izomerii. Polega ono na tym, że związkowi o określonym wzorze sumarycznym może odpowiadać kilka różnych struktur – izomerów. Podobnie jest w szeregu homologicznym alkanów.

Alkany otrzymuje się na skalę przemysłową w wyniku przetwórstwa ropy naftowej a konkretnie w wyniku jej destylacji. Otrzymuje się wówczas różne frakcje, z których do najważniejszych należy niewątpliwie frakcja benzynowa złożona głównie z węglowodorów ciekłych. Aby zwiększyć udział tej frakcji w przetwórstwie ropy stosuje się dwa szczególnie ważne procesy, są to tzw. kraking polegający na rozłamywaniu dłuższych łańcuchów węglowych na ośmioczłonowe, właściwe dla benzyn. Drugi proces to reforming, który z kolei polega na otrzymywaniu łańcuchów rozgałęzionych. Takie węglowodory posiadają wyższą liczbę oktanową i tym samym nie wymagają stosowania innych substancji antystukowych, takich jak np. tetraetyloołów czy benzen. 

Pierwsze cztery węglowodory (od metanu do butanu) są gazami dalej do  piętnastego to ciecze i powyżej ciała stałe. W zależności od stany skupienia znajdują różne zastosowanie techniczne, gazowe jako paliwo i surowiec w syntezie chemicznej, ciekła jako paliwa zaś substancje stałe to smary.  Pierwszy w szeregu alkanów metan, na przykładzie którego omawia się alkany, otrzymuje się na skalę laboratoryjną dwoma sposobami:

1. W wyniku działania kwasem solnym lub wodą na węglik glinu: Al4C3+12HCl→4AlCl3+3CH4(↑)
2. Przez rozkład termiczny mieszaniny stałego octanu sodu i wodorotlenku sodu: CH3COONa + NaOH Na2CO3 + CH4(↑)

Właściwości fizyczne: gaz bezbarwny, bezwonny, lżejszy od powietrza (przypominam sposób wyliczenia tego: powietrze to przede wszystkim azot, którego masa molowa wynosi 28 g/mol, jeżeli uwzględnimy jeszcze około 20%, nieco cięższego, tlenu to „masa molowa” powietrza, a ściślej masa 22,4 dm3 powietrza wynosi w przybliżeniu 29g. Teraz wystarczy porównać masę molową interesującego nas gazu z wartością 29 i już wiemy, czy jest cięższy, czy też lżejszy od powietrza. Tak więc metan ze swą masą molową 16 g/mol jest prawie dwukrotnie lżejszy od powietrza. Metan nie rozpuszcza się w wodzie gdyż sam niepolarny nie będzie się rozpuszczał w polarnej wodzie. Metan rozpuszcza się natomiast w benzenie, który jest wzorcowym rozpuszczalnikiem apolarnym.

Właściwości chemiczne:   Ze względu na występujące w cząsteczkach alkanów wiązania kowalencyjne typu sigma, związki te wykazują małą aktywność chemiczną.

A.  Ulegają reakcji spalania, która może przebiegać na trzy sposoby:

1)     Spalanie całkowite, którego produktami są para wodna i dwutlenek węgla CH4+2O2→CO2+2H2O

2)     Półspalanie, którego produktami są tlenek węgla i para wodna: CH4+1,5O2→CO + 2H2O

3)     Spalanie niecałkowite, prowadzące do węgla i pary wodnej:  CH4+O2→C+2H2O,wydzielająca się sadza powoduje,  ten typ spalania określa się również jako spalanie kopcącym płomieniem

Dla spalania alkanów na powietrzu typowe są dwa pierwsze sposoby spalania

B. Reagują z fluorowcami według schematu reakcji podstawiania czyli inaczej substytucji dając fluorowcopochodne oraz odpowiednie fluorowcowodory. Reakcja taka biegnie stopniowo podstawiając każdy z atomów wodoru:

              CH4 + Cl2→CH3Cl + HCl              - powstały produkt to chlorometan lub inaczej chlorek metylu

              CH3Cl + Cl2→ CH2Cl2 + HCl – nazwa pochodnej to chlorek metylenu lub dichlorometan

              CH2Cl2 + Cl2→ CHCl3 + HCl – trichlorometan, chlorek metylidenu, nazwa zwyczajowa chloroform

              CHCl3 + Cl2→CCl4+HCl – tetrachlorometan lub zwyczajowo tetra

              Reakcja substytucji jest typowa dla alkanów, charakterystyczne jest równoległe utworzenie silnego kwasu (!)

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

                            Fluorowcopochodne są punktem wyjścia do otrzymania innych ważnych połączeń, oto przykłady najistotniejszych reakcji fluorowcopochodnych:

1)     Substytucja fluorowca grupą hydroksylową, reakcja taka biegnie z środowisku wodnym                            i prowadzi do alkoholu

2)     Reakcja fluorowcopochodnej z zasadą w środowisku alkoholowym, następuje eliminacja fluorowcowodoru i utworzenie soli

3)     Difluorowcopochodne reagując z metalami aktywnymi powodują utworzenie alkenów, następuje eliminacja fluorowca CH2Cl-CH2Cl + Zn→CH2=CH2+ZnCl2

4)     Synteza Würtza, polegająca na przedłużeniu łańcucha węglowego w wyniku stapiania fluorowcopochodnej z metalicznym sodem: 2CH3Cl + 2Na→CH3-CH3 + 2NaCl

5)     Fluorowcopochodne stosuje się do tzw. alkilowania, czyli podstawienia rodnika alkilowego : CH3-CH2-CHCl-CH3 +CH4→CH3-CH2-CH(CH3)-CH3 + HCl

D. Nazewnictwo i izomery alkanów: nazwy alkanów pochodzą najczęściej od liczebników greckich lub łacińskich określających ilość atomów węgla w cząsteczce, z zastosowaniem, typowej dla alkanów, końcówki –an. Warto jednak wiedzieć, że nazwy czterech pierwszych są nazwami zwyczajowymi. Pewne trudności można zauważyć przy tworzeniu nazw węglowodorów o rozgałęzionych łańcuchach węglowych. Przy tworzeniu nazw systematycznych wg tzw. nomenklatury genewskiej musimy pamiętać o kilku zasadach

1. 1. wybieramy najdłuższy łańcuch węglowy
   2. atomy węgla numerujemy tak, aby podstawniki miały możliwie najniższe lokanty (kolejne numery atomów węgla w łańcuchu podawane cyframi arabskimi)
   3. podstawniki podaje się w porządku alfabetycznym, jeżeli występuje kilka takich samych podstawników to podaje się lokant każdego z nich a następnie odpowiednim przedrostkiem potwierdza ich ilość np. 3,4 - dimetylo. 1,2,3 -trichloro itd.
   4. numery lokantów, nazwy kolejnych podstawników rozdziela się myślnikami

1           2             3          4                         5          6

CH3-CHCl-CH2-C(CH3)Cl-CH2...