Ogljikovodiki so spojine, ki so v vesolju pogoste. Saturnova luna Titan v svoji atmosferi vsebuje 1,6 % metana, ki celo dežuje na njegovo površino, vulkani bruhajo metan, v bližini severnega pola pa so celo
jezera tekočega metana in etana.
Ogljikovodiki so na Zemlji razširjeni v obliki zemeljskega plina in nafte, ki naj bi nastala iz odmrlih organizmov skozi milijone let. Ker je nafta nereaktivna, se je ohranila toliko časa. V tej enoti bomo govorili prav o reaktivnosti ogljikovodikov.
Titan-Saturnova luna
Ogljikovodiki so spojine ogljika in vodika, ki se razlikujejo med seboj po zgradbi in jih na podlagi tega delimo v posamezne spojine.
1. Naslednje spojine glede na shemo na sliki razvrstite v ustrezno skupino spojin (alkan, cikloalkan ...).
2. Prikazan je elektrostatični naboj treh molekul. Modra barva kaže pozitivni potencial (primanjkljaj elektronov), rdeča pa izrazit negativni potencial (prebitek elektronov).
Model metana Model etana Model etanola
Iz prikazanega lahko sklepamo, da sta metan in etan (bolj/manj)
Bistvo kemijske reakcije je pretvarjanje ene snovi v drugo snov. To se lahko zgodi, če se vezi med atomi ene snovi razcepijo in se nato tvorijo nove vezi med drugimi atomi.
Vez, ki je elektronski par med dvema atomoma, se pri razcepu vezi razdeli na dva načina: homolitsko ali heterolitsko.
Na sliki so še enkrat predstavljeni vsi trije delci, ki nastanejo s prekinitvijo vezi. Razlikujejo se po število valenčnih elektronov. Poimenujte jih kot: elektrofil, nukleofil ali radikal; določite jim naboj: +, − ali 0; določite, pri kateri prekinitvi vezi nastanejo: ho (homolitski) ali he (heterolitski).
Po reaktivnih delcih poimenujemo organske reakcije. Tako razlikujemo radikalske, elektrofilne in nukleofilne reakcije. Ti reaktivni delci so del reaktanta, ki mu rečemo reagent. Reaktant, s katerim reagira reagent, se imenuje substrat. Gre torej za reakcijo med dvema paroma, ki se privlačujeta:
Delec z negativnim nabojem na C-atomu imenujemo tudi karboanion in delec s pozitivnim nabojem na C-atomu imenujemo karbokation. Nukleofili (donorji elektronskega para) so lahko tudi nevtralne molekule, kot sta H2O in NH3. Tudi elektrofili (akceptorji elektronskega para) so lahko nevtralne molekule, kot je BF3.
Naslednje delce razvrstite med elektrofile (E), nukleofile (N) in radikale (R) (zaradi preglednosti nevezni elektronski pari niso narisani) tako, da pod delec zapišete E, N ali R:
Organske reakcije so precej zapletene reakcije, bolj kot večina anorganskih reakcij. Zato po dogovoru organske reakcije poenostavljeno zapisujemo z reakcijskimi shemami. V teh shemah zapisujemo: substrat, reagent, pogoje, glavni produkt in stranski produkt.
Kemijska reakcija
Substrat je neka organska spojina, ki jo pri reakciji pretvarjamo v drugo, običajno organsko spojino.
Reagent so lahko organske ali anorganske spojine, ki povzročijo spremembo v substratu, da lahko nastane nova snov, produkt. Navadno ga pišemo na puščico.
Pogoji so lahko povišana temperatura (Δ), povišan tlak ( P ), svetloba (hν, UV), katalizator (kat, Pt, Ni, H+, FeCl3...), vodna raztopina (aq), organsko topilo (C2H5OH, CCl4...) in drugo.
Stranski produkti so lahko anorganske spojine, ki jih vedno niti ne pišemo. Poglejmo tri primere reakcijskih shem:
Ugotovite, kašno vlogo imajo navedene spojine v reakcijah A, B in C. Katere spojine so substrat (s), reaktant (r), glavni produkt (g) in stranski produkt (p)?
Primer povezanih reakcijskih shem:
Alkani so nasičeni ogljikovodiki z enojnimi vezmi med atomi ogljika C–C in atomi ogljika in vodika C–H. Vse vezi v molekuli so zelo močne, vez C–H je tudi šibko polarna, ker imata vodik in ogljik podobno elektronegativnost. Enakomerno razporejena elektronska gostota v molekuli je vzrok za kemijsko nereaktivnost alkanov. Nekaj reakcij pa vseeno poteka.
Model molekule metana
Film prikazuje radikalsko substitucijo broma na heksan
Halogeniranje: Alkani se ob prisotnosti svetlobe ali pri povišani temperaturi lahko spajajo tudi s halogenimi elementi, zlasti s klorom ali bromom. Pri tej reakciji se vodik v alkanu zamenja s halogenim elementom. Reakcija poteka po mehanizmu radikalske substitucije (SR). Če je na voljo dovolj halogenega elementa, se reakcija lahko nadaljuje z zamenjavo drugih vodikovih atomov, običajno pa nastane zmes več produktov.
Model CCl4
Radikalska reakcija je verižna reakcija, ki sestoji iz treh stopenj.
Reakcijo začne svetloba ali toplota, ki povzroči homolitsko cepitev vezi v molekulah in nastanek radikalov.
Reakcije, pri katerih nastanejo novi reaktivni delci, imenujemo verižne reakcije.
Reakcijo, pri kateri se dva radikala povežeta v molekulo, imenujemo prekinitev. Radikalske reakcije so nekontrolirane, zato lahko nastanejo številni produkti.
Oksidacija: Alkani pri povišani temperaturi reagirajo s kisikom, govorimo o gorenju. Daljše verige alkanov se težje vžgejo. Kemijsko reakcija ni zanimiva, je pa pomembna zaradi pridobivanja energije. Ker pri reakciji nastaja tudi ogljikov dioksid, ki vpliva na podnebne spremembe, je človeštvo primorano razmišljati o drugih virih energije.
Ko je za reakcijo na voljo dovolj kisika, govorimo o popolni oksidaciji.
CnH2n+2 + (1,5n + 0,5)O2 → nCO2 + (n+1)H2O
Če je kisika premalo, nastaja ogljikov oksid ali celo sam ogljik v obliki saj. Govorimo o nepopolni oksidaciji:
CnH2n+2 + nO2 → nCO + (n+1)H2O
2CnH2n+2 + (1,5n + 1)O2 → nCO + nC + (2n+2)H2O
Pri nepopolni oksidaciji po navadi nastane različno razmerje med CO, C, nastaja pa lahko tudi CO2.
Primer možnih cepitev molekule dodekana.
Primer izomerizacije:
Primer reforminga:
Kreking: Je proces, v katerem se večje molekule alkanov, katerih uporabna vrednost ni velika, pretvorijo v manjše, veliko bolj uporabne krajše molekule alkanov, alkenov in alkinov. Poteče pa lahko tudi reakcija izomerizacije, kjer se molekule razvejajo ali nastanejo ciklične spojine (reforming).
Zapišite molekulsko formulo ogljikovodika, če je iz 1 mola ogljikovodika nastala ustrezna množina produktov.
a)
b)
Alkeni so nenasičeni ogljikovodiki, ki imajo eno ali več dvojnih vezi. Dvojne vezi (vezi in ) predstavljajo povečano elektronsko gostoto, ki privlačujejo elektrofile. Na π-vez se najprej veže elektrofil, nato se v molekulo veže še nukleofil. Značilne reakcije na alkene so torej elektrofilne adicije.
Model molekule etena
Video prikazuje reakciijo broma na heks-1-en.
Naslednjim reakcijam določite številko slike (1 do 4), na kateri je ta reakcija prikazana.
Halogeniranje je vezava halogenih elementov na dvojne vezi.
Najpogosteje vežemo klor ali brom. Bromiranje uporabljamo tudi za
dokazovanje prisotnosti nenasičenih vezi v alkenih in alkinih.
Hidrohalogeniranje je reakcija vezave vodikovih halogenidov (HF,
HCl, HBr, HI). Ker se tu vežeta na dvojno vez dva različna atoma, moramo
paziti na to, kateri produkt dejansko nastane. Pri tem upoštevamo Markovnikovo pravilo.
Hidrogeniranje je vezava vodika na dvojne vezi, ki poteka ob
prisotnosti katalizatorja (Pt ali Pd). Znana reakcija hidrogeniranja je
priprava nasičenih maščob iz nenasičenih (priprava margarine iz
rastlinskih maščob).
Hidriranje ali adicija vode. To je reakcija, ki poteče v prisotnosti kisline. Vodikov ion (oksonijev ion) se veže najprej, nato sledi vezava skupine OH iz molekule vode. Tudi pri adiciji vode je treba upoštevati Markovnikovo
pravilo.
Markovnikov je bil ruski kemik (1837−1904), ki je najbolj znan po Markovnikovem pravilu: kadar se na dvojne vezi vežejo vodikovi halogenidi ali voda, se vodik veže na tisti atom, ki ima že vezanih več vodikov.
Če je ob dvojni vezi vezanih enako število atomov vodika, potem se lahko vodik veže kjer koli, če molekula ni simetrična, lahko nastaneta dva produkta.
Model molekule etina
Alkini so nenasičeni ogljikovodiki z vsaj eno trojno vezjo. Alkini so zaradi krajše razdalje med atomoma ogljika ob trojni vezi nekoliko manj reaktivni. Tudi na alkine potekajo elektrofilne adicije.
Etin ali tudi acetilen uporabljajo pri avtogenem varjenju. Plamen dosega temperature do 3000 °C. Da dosežejo popolna oksidacija in tako visoko temperaturo, morajo posebej dovajati kisik. Zato imajo varilci dve jeklenki, za kisik in za etin.
Uredite kemijsko enačbo za gorenje acetilena.
Zaradi dveh π-vezi se pri reakciji veže 2-krat več reaktanta. Drugače poteče reakcija adicije vode. Kislina ni učinkovita na trojno vez, potreben je ion Hg2+ kot katalizator, da reakcija poteče.
Nastali produkt je enol, ki se pretvori v aldehid (ali keton), obe spojini, ki sta v ravnotežju. Ta pojav imenujemo TAVTOMERIJA.
Enol in aldehid oziroma enol in keton sta
Podobne reakcije, ki potekajo na alkenih in alkinih, potekajo tudi na cikloalkenih in cikloalkinih.
Ugotovite, ali pri naslednjih adicijah nastane samo en produkt (prvi (p) ali drugi (d)), oba produkta (o) ali reakcija ne poteče (n). Vpišite črke p, d, o ali n ob vsaki reakciji.
Kroglični model benzena
3D model molekule benzena
Porazdelitev elektronske gostote v molekuli benzena
Po skeletni formuli benzena bi sklepali, da je benzen nenasičen ogljikovodik (cikloalken). Na modelu vidimo, da je elektrostatičen naboj v molekuli enakomerno razporejen. Izmerite dolžino vezi in velikost kotov v molekuli. Navodila se skrivajo pod gumbom.
Vse vezi v molekuli benzena (enako/različno)
Zaradi enakomerne razporeditve π-elektronov v obroču (delokalizacija elektronov) aromatske spojine niso reaktivne za reakcije adicij. Značilne reakcije so elektrofilne substitucije.
Dopolnite reakcije elektrofilnih substitucij z ustreznimi reagenti.
Reaktivni delci so: radikali (R·), elektrofili (E+) in nukleofili (Nu–).
Reakcijska shema ponazarja kemijsko reakcijo s ponazoritvijo substrata, reagenta, pogojev, glavnega produkta in strankega produkta.
Reakcije alkanov: oksidacije, radikalske substitucije (halogeniranje), kreking.
Reakcije alkenov: oksidacije, elektrofilne adicije (halogeniranje, hidrohalogeniranje, hidrogeniranje, hidriranje).
Reakcije alkinov: oksidacije, elktrofilne adicije (halogeniranje, hidrohalogeniranje, hidrogeniranje, hidriranje).
Pri hidriranju alkinov poteče izomerizacija enola v aldehid oziroma v keton. Izomera sta v ravnotežju, ta pojav imenujemo tavtomerija.
Reakcije arenov: elektrofilne substitucije (halogeniranje, alkiliranje, aciliranje, nitriranje, sulfoniranje).
Pri naslednjih reakcijah nastanejo radikali ali elektrofili in nukleofili. Dopolnite reakcijo z besedo ho, če gre za homolitsko prekinitev vezi, in he, če gre heterolitsko prekinitev vezi.
Zapišite racionalno formulo produkta, ki nastane pri naslednjih reakcijah.
2CH3CHCHCH2CH3 + 15O2 /Δ → 10
CH3CHCHCH2CH3 + H2 / Pt →
CH2CHCH2CH2CH3 + HBr →
CH3CH2CH2CHCH2 + Br2 →
CH2CH2 + H2O/H + →
Alkani so zelo reaktivne spojine pri sobnih pogojih.
Drži.
Ne drži.
Bromiranje benzena poteče enako lahko kot bromiranje etena.
Drži.
Ne drži.
Alkini so manj reaktivni kot alkeni.
Drži.
Ne drži.
Kaj ne nastane pri kloriranju pentana?
CH3CH2CH2CH2CH2Cl
Napačno.
CH3CH2CH2CHClCH3
Napačno.
CH3CH2CHClCH2CH3
Napačno.
CH3CH2ClCH2CH2CH3
Pravilno.
Dopolnite poved, ki se nanaša na reakcijo iz prejšnje naloge.
Reakcija kloriranje pentana spada med
Če alkene uvajamo v vodo, nastanejo alkoholi.
Drži.
Ne drži.
Katera spojina (A, B, C ali D) nastane pri reakciji?
A
Napačno.
B
Napačno.
C
Napačno.
D
Pravilno.
V katerem primeru propen ne bo reagiral?
Br2
Napačno.
HCl
Napačno.
H2O
Pravilno! Za reakcijo z vodo potrebujemo katalizator, kislino.
H2/Pt
Napačno.
Katera spojina ne more nastati pri bromiranju pentana?
1-bromopentan
Napačno.
2-bromopentan
Napačno.
3-bromopentan
Pravilno.
4-bromopentan
Pravilno! Ta spojina je 2-bromopentan.
Povežite vrsto reakcije s spojino, na kateri reakcija poteka.
Označi napačne
Kateri produkt (A, B, C ali D) nastane pri reakciji?
A
Napačno.
B
Napačno.
C
Pravilno.
D
Napačno.
Povežite reagent z vrsto reakcije.
Kateri produkti lahko nastanejo pri kislinsko katalizirani adiciji vode na CH3-CH2-CH=CH-CH3?
CH3-CH2-CH(OH)-CH2-CH3
CH3-CH2-CH2-CH(OH)-CH3
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2OH
CH3-CH2-CH2-O-CH2-CH3
Katere trditve držijo za alkane?
Pri oksidaciji 1 mola benzena nastane 6 molov ogljikovega dioksida in 6 mol vode.
Bromiranje metana poteka pri običajnih pogojih, bromiranje etana pa ob UV-svetlobi.
Pri radikalskem kloriranju 2-metilbutana nastanejo štirje monosubstituirani položajni izomeri.
Nerazvejane alkane lahko z reakcijami pretvorimo v razvejane alkane.
Katera trditev drži za ogljikovodike?
Ogljikovodiki so spojine ogljika, vodika in halogenih elementov.
Napačno.
Areni so ciklični alifatski ogljikovodiki.
Napačno.
Pri popolni oksidaciji ogljikovodikov nastanejo tudi saje.
Napačno.
Reakcijo bromiranja uporabljamo za dokazovanje multiplih vezi.
Pravilno.
Dokončajte naslednjo reakcijo.
CH3-CH2-CH=CH2 + HI →
Kaj je glavni produkt hidriranja (adicije vode) na pent-1-in?
Pentan-1-en-1ol
Napačno.
Pentan-1-en-2ol
Napačno.
Pentanal
Napačno.
Pentan-2-on
Pravilno.
Dopolnite naslednje besedilo.
Najpomembnejše reakcije na alkenih so
Za aromatske spojine so značilne reakcije
Pri alkiliranju benzena z 1-bromopropanom se na benzenov obroč veže
Pri kislinsko katalizirani adiciji vode na propin nastane
Pri bromiranju heksana nastane več 2-bromoheksana kot 1-bromoheksana.
Drži.
Ne drži.