Námsgögn
Innskrá
Hleð efnisyfirliti...

Efnisyfirlit

  1. Formáli
    1. Inngangur
    2. 20.1 Kolvetni
    3. 20.2 Alkóhól og eterar
    4. 20.3 Aldehýð, ketón, karboxýlsýrur og esterar
    5. 20.4 Amín og amíð
    6. Lykilhugtök
    7. Samantekt
    8. Æfingar
  2. A | Lotukerfið
  3. B | Nauðsynleg stærðfræði
  4. C | Mælieiningar og umreiknistuðlar
  5. D | Grunnfastar í eðlisfræði
  6. E | Eiginleikar vatns
  7. F | Samsetning sýra og basa á markaði
  8. G | Staðalvarmafræðilegir eiginleikar valinna efna
  9. H | Jónunarfastar veikra sýra
  10. I | Jónunarfastar veikra basa
  11. J | Leysnimargfeldi
  12. K | Myndunarfastar fyrir flókjónir
  13. L | Staðalspenna rafskauta (hálfhólfa)
  14. M | Helmingunartímar nokkurra geislavirkra samsætna
  15. Atriðaskrá
Efnafræði 2e (IS)Kafli 2020.1 Kolvetni
Skrá inn til að leggja til breytingu
2020 Lífræn efnafræði

20.1 Kolvetni

FYRRI KAFLI

Inngangur

NÆSTI KAFLI

20.2 Alkóhól og eterar

20.1 Kolvetni

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

  • útskýra mikilvægi kolvetna og ástæðuna fyrir fjölbreytileika þeirra
  • nefna mettuð og ómettuð kolvetni og sameindir sem eru afleiddar af þeim
  • lýsa einkennandi efnahvörfum mettaðra og ómettaðra kolvetna
  • bera kennsl á byggingar- og rúmhverfur kolvetna

Stærsti gagnagrunnur1 yfir lífræn efnasambönd telur um 10 milljónir efna. Þar á meðal eru efnasambönd sem eiga uppruna sinn í lifandi lífverum og önnur sem efnafræðingar hafa framleitt. Fjöldi mögulegra lífrænna efnasambanda hefur verið áætlaður2 um 1060, sem er stjarnfræðilega há tala. Tilvist svo margra lífrænna sameinda stafar af getu kolefnisatóma til að mynda allt að fjögur sterk efnatengi við önnur kolefnisatóm. Þetta leiðir af sér keðjur og hringi af mjög mismunandi stærð, lögun og flækjustigi.

Einföldustu lífrænu efnasamböndin innihalda aðeins frumefnin kolefni og vetni og kallast kolvetni. Þótt þau samanstandi aðeins af tveimur tegundum atóma er til mikill fjöldi mismunandi kolvetna. Það er vegna þess að þau geta samanstaðið af mislöngum keðjum, greinóttum keðjum og hringjum úr kolefnisatómum, eða blöndu af þessum byggingum. Að auki geta kolvetni verið breytileg eftir því hvaða tegundir kolefnis-kolefnistengja eru til staðar í sameindum þeirra. Mörg kolvetni finnast í plöntum, dýrum og steingervingum þeirra. Önnur kolvetni hafa verið framleidd á rannsóknarstofu. Við notum kolvetni á hverjum degi, aðallega sem eldsneyti, svo sem jarðgas, asetýlen, própan, bútán og helstu innihaldsefni bensíns, dísilolíu og brennsluolíu. Hin þekktu plastefni pólýetýlen, pólýprópýlen og pólýstýren eru einnig kolvetni. Við getum greint á milli nokkurra tegunda kolvetna út frá mismunandi tengjum milli kolefnisatóma. Þetta leiðir til mismunar í rúmfræði og svigrúmablöndun kolefnis.

Alkanar

Alkanar, eða mettuð kolvetni, innihalda aðeins eintengi milli kolefnisatóma. Hvert kolefnisatóm í alkani hefur sp3-blandsvigrúm og tengist fjórum öðrum atómum, sem hvert um sig er annaðhvort kolefni eða vetni. Lewis-byggingar og líkön af metani, etani og pentani eru sýnd á mynd 20.2. Kolefniskeðjur eru venjulega teiknaðar sem beinar línur í Lewis-byggingum. Hins vegar verður að muna að Lewis-byggingum er ekki ætlað að sýna rúmfræði sameinda. Taktu eftir að kolefnisatómin í byggingarlíkönum (kúlu-og-strikalíkönum og rýmislíkönum) af pentansameindinni liggja ekki í beinni línu. Vegna sp3-svigrúmablöndunarinnar eru tengjahornin í kolefniskeðjum nálægt 109,5°, sem gefur slíkum keðjum í alkani sikksakk-lögun.

Byggingar alkana og annarra lífrænna sameinda má einnig sýna á minna nákvæman hátt með þjöppuðum byggingarformúlum (eða einfaldlega þjöppuðum formúlum). Í stað venjulegs sniðs efnaformúlna þar sem hvert frumefnistákn birtist aðeins einu sinni, er þjöppuð formúla skrifuð til að gefa til kynna tengin í sameindinni. Þessar formúlur líta út eins og Lewis-bygging þar sem flest eða öll tengjatákn hafa verið fjarlægð. Þjappaðar byggingarformúlur fyrir etan og pentan eru sýndar neðst á mynd 20.2 og nokkur fleiri dæmi eru gefin í æfingunum í lok þessa kafla.

Myndin sýnir fjórar leiðir til að framsetja sameindir metans, etans og pentans. Í fyrstu röð myndarinnar sýna Lewis-byggingarformúlur frumefnistákn og tengi milli frumeinda. Metan hefur miðlæga C-frumeind sem fjórar H-frumeindir tengjast. Etan hefur C-frumeind sem þrjár H-frumeindir tengjast. Sú C-frumeind tengist einnig annarri C-frumeind sem þrjár H-frumeindir tengjast. Pentan hefur C-frumeind sem þrjár H-frumeindir tengjast. Sú C-frumeind tengist annarri C-frumeind sem tvær H-frumeindir tengjast. Sú C-frumeind tengist annarri C-frumeind sem tvær H-frumeindir tengjast. Sú C-frumeind tengist annarri C-frumeind sem tvær H-frumeindir tengjast. Sú C-frumeind tengist annarri C-frumeind sem þrjár H-frumeindir tengjast. Í annarri röð eru sýnd kúlu-og-strikalíkön. Í þessum framsetningum eru tengi táknuð með strikum og frumefni með kúlum. Kolefnisfrumeindir eru svartar og vetnisfrumeindir eru hvítar á þessari mynd. Í þriðju röð eru sýnd rýmislíkön. Í þessum líkönum eru frumeindir stækkaðar og þrýst saman, án strika til að tákna tengi. Nöfn sameindanna og byggingarformúlur eru gefnar í fjórðu röð. Metan er nefnt og sýnt með þjappaðri byggingarformúlu sem C H lágvísir 4. Etan er nefnt og sýnt með tveimur byggingarformúlum C H lágvísir 3 C H lágvísir 3 og C lágvísir 2 H lágvísir 6. Pentan er nefnt og sýnt bæði sem C H lágvísir 3 C H lágvísir 2 C H lágvísir 2 C H lágvísir 2 C H lágvísir 3 og C lágvísir 5 H lágvísir 12.
Mynd 20.2. Hér sjást Lewis-byggingar, kúlu-og-strikalíkön og rýmislíkön fyrir sameindir metans, etans og pentans.

Algeng aðferð sem lífrænir efnafræðingar nota til að einfalda teikningar af stærri sameindum er að nota beinagrindarbyggingu (einnig kölluð línubygging). Í þessari gerð byggingar eru kolefnisatóm ekki táknuð með C, heldur með hverjum enda línu eða broti í línu. Vetnisatóm eru ekki teiknuð ef þau tengjast kolefni. Önnur atóm en kolefni og vetni eru táknuð með frumefnistáknum sínum. Mynd 20.3 sýnir þrjár mismunandi leiðir til að teikna sömu byggingu.

Á þessari mynd er kolvetnissameind sýnd á þrjá vegu. Í fyrsta lagi sýnir útbreidd formúla allar einstakar kolefnisfrumeindir, vetnisfrumeindir og tengi í greinóttri kolvetnissameind. Fyrsta C-frumeindin tengist þremur H-frumeindum. Sú C-frumeind tengist annarri C-frumeind í keðjunni. Þessi önnur C-frumeind tengist einni H-frumeind og annarri C-frumeind ofan við keðjuna. C-frumeindin sem tengist ofan við aðra C-frumeindina í keðjunni tengist þremur H-frumeindum. Önnur C-frumeindin í keðjunni tengist þriðju C-frumeindinni í keðjunni. Þessi þriðja C-frumeind tengist einni H-frumeind og annarri C-frumeind neðan við keðjuna. Þessi C-frumeind tengist tveimur H-frumeindum og annarri C-frumeind neðan við keðjuna. Þessi önnur C-frumeind neðan við keðjuna tengist þremur H-frumeindum. Þriðja C-frumeindin í keðjunni tengist fjórðu C-frumeindinni í keðjunni. Fjórða C-frumeindin tengist tveimur H-frumeindum og fimmtu C-frumeindinni. Fimmta C-frumeindin tengist tveimur H-frumeindum og sjöttu C-frumeindinni. Sjötta C-frumeindin tengist þremur H-frumeindum. Í öðru lagi sýnir þjöppuð formúla hverja kolefnisfrumeind sameindarinnar í hópum með vetnisfrumeindunum sem henni tengjast, þannig að eftir standa C H, C H lágvísir 2 og C H lágvísir 3 hópar með tengjum á milli sín. Byggingin sýnir C H lágvísir 3 hóp sem tengist C H hópi. C H hópurinn tengist ofan við C H lágvísir 3 hóp. C H hópurinn tengist einnig öðrum C H hópi. Þessi C H hópur tengist C H lágvísir 2 hópi fyrir neðan og C H lágvísir 3 hópi þar fyrir neðan. Þessi C H hópur tengist einnig C H lágvísir 2 hópi sem tengist öðrum C H lágvísir 2 hópi. Þessi C H lágvísir 2 hópur tengist loks C H lágvísir 2 hópi. Lokabyggingin á myndinni er beinagrindarbygging sem inniheldur aðeins línustrik sem raðað er til að sýna byggingu sameindarinnar.
Mynd 20.3. Sömu byggingu má sýna á þrjá mismunandi vegu: sem útbreidda formúlu, þjappaða formúlu og beinagrindarbyggingu.

Dæmi 20.1

Að teikna beinagrindarbyggingar

Teiknaðu beinagrindarbyggingar fyrir þessar tvær sameindir:

Tvær þéttaðar byggingarformúlur eru sýndar. Á mynd a er greinótt sameind þar sem miðlægt C-atóm tengist þremur CH₃-hópum og CH-hópi sem tengist tveimur CH₃-hópum. Á mynd b er bein sjö kolefnisatóma keðja, CH₃(CH₂)₅CH₃.

Lausn

Hverju kolefnisatómi er breytt í enda á striki eða skurðpunkt strika. Öllum vetnisatómum sem tengjast kolefnisatómunum er sleppt úr byggingunni, þótt við verðum enn að gera okkur grein fyrir því að þau séu þar:

Tvær beinagrindarformúlur eru sýndar. Mynd a er greinótt og líkist plúsmerki með tveimur viðbótargreinum hægra megin. Mynd b er ógreinótt sikksakkkeðja úr sex línubútum.

Prófaðu þig

Teiknaðu beinagrindarformúlur fyrir þessar tvær sameindir:

Tvær þéttaðar byggingarformúlur eru sýndar. Á mynd a mynda fimm CH₂-hópar og einn CH-hópur sexhyrndan hring, og CH₃-hópur tengist CH-hópnum. Á mynd b er bein fimm kolefnisatóma keðja, CH₃(CH₂)₃CH₃.

Svar:

Tvær beinagrindarformúlur eru sýndar. Á mynd a er sexhyrndur hringur með einni metýlgrein upp til hægri. Á mynd b er ógreinótt sikksakkkeðja með fimm kolefnisatómum.

Dæmi 20.2

Túlkun beinagrindarformúla

Finndu efnaformúlu sameindarinnar sem sýnd er hér:

Beinagrindarformúla sýnir fimmhyrndan hring. Frá hægra horni hringsins liggur tengi að greinipunkti sem hefur tvær stuttar greinar, eina upp og aðra niður til hægri.

Lausn

Það eru átta staðir þar sem strik skerast eða enda, sem þýðir að það eru átta kolefnisatóm í sameindinni. Þar sem við vitum að kolefnisatóm mynda að jafnaði fjögur tengi, mun hvert kolefnisatóm hafa þann fjölda vetnisatóma sem þarf til að mynda fjögur tengi. Þetta efnasamband inniheldur 16 vetnisatóm og hefur því sameindaformúluna C8H16.

Staðsetning vetnisatómanna í sameindinni:

Þéttuð byggingarformúla sýnir fimmhyrndan hring úr fjórum CH₂-hópum og einum CH-hópi. CH-hópur hringsins tengist öðrum CH-hópi sem ber tvo CH₃-hópa.

Prófaðu þig

Tilgreindu efnaformúlu sameindarinnar sem sýnd er hér:

Greinótt beinagrindarformúla er sýnd sem sikksakkkeðja. Frá báðum efri hornum keðjunnar liggur ein grein upp og önnur niður, alls fjórar greinar.

Svar:

C9H20

Allir alkanar samanstanda af kolefnis- og vetnisatómum og hafa svipuð tengi, byggingu og formúlur. Óhringlaga alkanar hafa allir formúluna CₙH2ₙ₊2. Fjöldi kolefnisatóma í alkönum er ótakmarkaður. Meiri fjöldi atóma í sameindunum leiðir til sterkari millisameindakrafta (dreifikrafta) og þar með mismunandi eðliseiginleika sameindanna. Eiginleikar á borð við bræðslumark og suðumark (tafla 20.1) breytast venjulega jafnt og þétt og með fyrirsjáanlegum hætti eftir því sem fjöldi kolefnis- og vetnisatóma í sameindunum breytist.

Eiginleikar nokkurra alkana³
AlkanSameindaformúlaBræðslumark (°C)Suðumark (°C)Fasi við STP4Fjöldi byggingarhverfa
metanCH4–182,5–161,5lofttegund1
etanC2H6–183,3–88,6lofttegund1
própanC3H8–187,7–42,1lofttegund1
bútanC4H10–138,3–0,5lofttegund2
pentanC5H12–129,736,1vökvi3
hexanC6H14–95,368,7vökvi5
heptanC7H16–90,698,4vökvi9
oktanC8H18–56,8125,7vökvi18
nónanC9H20–53,6150,8vökvi35
dekanC10H22–29,7174,0vökvi75
tetradekanC14H305,9253,5fast efni1858
oktadekanC18H3828,2316,1fast efni60.523

Kolvetni með sömu formúlu, þar á meðal alkanar, geta haft mismunandi byggingu. Til dæmis hafa tveir alkanar formúluna C4H10: Þeir kallast n-bútan og 2-metýlprópan (eða ísóbútan) og hafa eftirfarandi Lewis-byggingar:

n-Bútan og 2-metýlprópan eru sýnd með Lewis-formúlum, kúlu-og-stikulíkönum og rúmfyllingarlíkönum. n-Bútan hefur beina fjögurra kolefnisatóma keðju en 2-metýlprópan er greinótt.

Efnasamböndin n-bútan og 2-metýlprópan eru byggingarhverfur (hugtakið formgerðarhverfur er einnig oft notað). Formgerðarhverfur hafa sömu sameindaformúlu en mismunandi tengiröð atóma í sameindum sínum. Sameind n-bútans inniheldur ógreinda keðju, sem þýðir að ekkert kolefnisatóm er tengt fleiri en tveimur öðrum kolefnisatómum. Við notum hugtakið venjulegt, eða forskeytið n, til að vísa til ógreindrar keðju kolefnisatóma. Efnasambandið 2-metýlprópan hefur greinda keðju; kolefnisatómið í miðju Lewis-byggingarinnar er tengt þremur öðrum kolefnisatómum.

Það er ekki eins auðvelt og það sýnist að bera kennsl á hverfur út frá Lewis-byggingum. Lewis-byggingar sem líta út fyrir að vera mismunandi geta í raun táknað sömu hverfurnar. Til dæmis tákna byggingarnar þrjár á mynd 20.4 allar sömu sameindina, n-bútan, og eru því ekki mismunandi hverfur. Þær eru nákvæmlega eins vegna þess að hver þeirra inniheldur ógreinda keðju fjögurra kolefnisatóma.

Myndin sýnir þrjár leiðir til að framsetja sameindir n-bútans. Í fyrstu röð myndarinnar sýna Lewis-byggingarformúlur frumefnatákn kolefnis og vetnis ásamt efnatengjum milli frumeindanna. Fyrsta byggingin í þessari röð sýnir þrjár af tengdu C-frumeindunum í láréttri röð þar sem ein C-frumeind er tengd ofan við kolefnið lengst til vinstri. C-frumeindin lengst til vinstri hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin sem tengd er ofan við C-frumeindina lengst til vinstri hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin sem tengd er hægra megin við C-frumeindina lengst til vinstri hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin lengst til hægri hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindirnar og efnatengin sem tengja allar C-frumeindirnar eru rauð. Önnur byggingin í röðinni sýnir á svipaðan hátt röð þriggja tengdra C-frumeinda þar sem ein C-frumeind er tengd neðan við C-frumeindina til vinstri. C-frumeindin lengst til vinstri hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin sem tengd er neðan við C-frumeindina lengst til vinstri hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin sem tengd er hægra megin við C-frumeindina lengst til vinstri hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. Frumeindin lengst til hægri hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. Allar C-frumeindirnar og efnatengin milli þeirra eru rauð. Þriðja byggingin hefur tvær C-frumeindir tengdar í röð þar sem þriðja C-frumeindin er tengd ofan við vinstri C-frumeindina og fjórða C-frumeindin er tengd neðan við hægri C-frumeindina. C-frumeindin sem tengd er ofan við vinstri C-frumeindina hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. Vinstri C-frumeindin hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. Hægri C-frumeindin hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. C-frumeindin sem tengd er neðan við hægri C-frumeindina hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. Allar C-frumeindirnar og efnatengin milli þeirra eru rauð. Í annarri röð eru sýnd kúlulíkön fyrir byggingarnar. Í þessum framsetningum eru efnatengi táknuð með prikum og frumefni táknuð með kúlum. Kolefnisfrumeindir eru svartar og vetnisfrumeindir eru hvítar á þessari mynd. Í þriðju röð eru sýnd rýmislíkön. Í þessum líkönum eru frumeindir stækkaðar og ýtt saman, án prika til að tákna efnatengi.
Mynd 20.4. Þessar þrjár framsetningar á byggingu n-bútans eru ekki hverfur vegna þess að þær innihalda allar sömu röðun atóma og efnatengja.

Grunnatriði lífrænnar nafnakerfisfræði: Nafngiftir alkana

Alþjóðasamtök um hreina og hagnýta efnafræði (IUPAC) hafa þróað nafnakerfi sem hefst á nöfnum alkana og hægt er að aðlaga þaðan til að taka tillit til flóknari bygginga. Nafnakerfi alkana byggist á tveimur reglum:

  1. Til að nefna alkan skal fyrst finna lengstu keðju kolefnisatóma í byggingu þess. Tveggja kolefna keðja kallast etan; þriggja kolefna keðja própan; og fjögurra kolefna keðja bútan. Lengri keðjur eru nefndar sem hér segir: pentan (fimm kolefna keðja), hexan (6), heptan (7), oktan (8), nónan (9) og dekan (10). Þessi forskeyti má sjá í nöfnum alkananna sem lýst er í töflu 20.1.
  2. Bætið forskeytum við nafn lengstu keðjunnar til að gefa til kynna staðsetningar og nöfn tengihópa. Tengihópar eru greinar eða virkir hópar sem koma í stað vetnisatóma á keðju. Staðsetning tengihóps eða greinar er auðkennd með númeri þess kolefnisatóms sem hann er tengdur við í keðjunni. Við tölusetjum kolefnisatómin í keðjunni með því að telja frá þeim enda keðjunnar sem er næst tengihópunum. Margir tengihópar eru nefndir hver fyrir sig og settir í stafrófsröð fremst í nafnið.
Tölusettar byggingarformúlur eru sýndar fyrir própan, 2-klórprópan, 2-metýlprópan, 2,4-díflúorhexan og 1-bróm-3-klórhexan. Tengihóparnir Cl, CH₃, F og Br eru rauðir.

Þegar fleiri en einn tengihópur er til staðar, annaðhvort á sama kolefnisatómi eða á mismunandi kolefnisatómum, eru tengihóparnir taldir upp í stafrófsröð. Þar sem tölusetning kolefnisatóma hefst á þeim enda sem er næst tengihópi er lengsta kolefniskeðjan tölusett þannig að tengihóparnir fái sem lægstar tölur. Endingin -ó kemur í stað -íð í lok heitis rafneikvæðs tengihóps. Í jónaefnum endar neikvætt hlaðna jónin á -íð, eins og klóríð; í lífrænum efnasamböndum er litið á slík atóm sem tengihópa og endingin -ó er notuð. Fjöldi tengihópa af sömu gerð er tilgreindur með forskeytunum dí- (tveir), trí- (þrír), tetra- (fjórir) og svo framvegis; til dæmis merkir díflúoró- tvo flúortengihópa.

Dæmi 20.3

Að nefna halógensetta alkana

Nefndu sameindina sem hefur bygginguna sem sýnd er hér:

Byggingarformúla sýnir fjögurra kolefnisatóma keðju. Br tengist þriðja kolefnisatóminu frá vinstri og Cl endakolefnisatóminu hægra megin.

Lausn

Sama fjögurra kolefnisatóma keðja er tölusett 4, 3, 2 og 1 frá vinstri. Br tengist kolefni 2 og Cl kolefni 1.

Fjögurra kolefna keðjan er tölusett frá þeim enda þar sem klóratómið er. Þetta setur tengihópana í stöður 1 og 2; ef tölusett væri frá hinum endanum myndu tengihóparnir lenda í stöðum 3 og 4. Fjögur kolefnisatóm þýða að grunnheiti þessa efnasambands verður bútan. Brómið í stöðu 2 er tilgreint með því að bæta við 2-brómó-. Það kemur fremst í heitið þar sem brómó- kemur á undan klóró- í stafrófsröð. Klórið í stöðu 1 er tilgreint með 1-klóró-, sem leiðir til þess að heiti sameindarinnar verður 2-brómó-1-klóróbútan.

Prófaðu þig

Nefndu eftirfarandi sameind:

Byggingarformúla sýnir fimm kolefnisatóma keðju. Tvö Br-atóm tengjast miðkolefnisatóminu og I-atóm næsta kolefnisatómi til hægri.

Svar:

3,3-díbrómó-2-joðópentan

Tengihópur sem inniheldur einu vetni minna en samsvarandi alkan kallast alkýlhópur. Heiti alkýlhóps er myndað með því að fella niður endinguna -an úr heiti alkansins og bæta við -ýl:

Metan, metýlhópur, etan og etýlhópur eru sýnd. Metýl- og etýlhóparnir myndast með því að fjarlægja eitt endavetnisatóm; laust tengi er sýnt í stað vetnisins.

Opnu tengin í metýl- og etýlhópunum gefa til kynna að þessir alkýlhópar séu tengdir öðru atómi.

Dæmi 20.4

Nafngiftir útskiptra alkana

Nefndu sameindina sem hefur þá byggingu sem sýnd er hér:

Sex kolefnisatóma aðalkeðja er tölusett 6 til 1 frá vinstri til hægri. Tveggja kolefnisatóma grein tengist kolefni 3 og er tölusett upp frá tengipunktinum.

Lausn

Lengsta kolefniskeðjan liggur lárétt yfir síðuna og inniheldur sex kolefnisatóm. Þetta gerir grunnnafnið að hexani, en við þurfum einnig að fella inn nafn greinarinnar. Í þessu tilviki viljum við tölusetja frá hægri til vinstri, eins og bláu tölurnar sýna, þannig að greinin tengist kolefni 3. Ef tölusett væri frá vinstri til hægri lenti greinin á kolefni 4, sem brýtur í bág við reglurnar. Greinin sem tengist stöðu 3 á keðjunni inniheldur tvö kolefnisatóm, tölusett með rauðu, þannig að við tökum stofninn et- fyrir tvö kolefni og bætum við endingunni -ýl til að sýna að um grein er að ræða. Þegar allt þetta er sett saman er sameindin 3-etýlhexan.

Prófaðu þig

Nefndu eftirfarandi sameind:

Byggingarformúla sýnir átta kolefnisatóma aðalkeðju. Þriggja kolefnisatóma grein tengist fimmta kolefnisatómi keðjunnar frá vinstri.

Svar:

4-própýloktan

Sum kolvetni geta myndað fleiri en eina tegund alkýlhópa þegar vetnisatómin sem fjarlægja á hafa mismunandi „umhverfi“ í sameindinni. Þennan fjölbreytileika mögulegra alkýlhópa má greina á eftirfarandi hátt: Vetnisatómin fjögur í metansameind eru jafngild; þau hafa öll sama umhverfi. Þau eru jafngild vegna þess að hvert þeirra tengist sama kolefnisatóminu, sem tengist þremur vetnisatómum. Hugsanlega er auðveldara að sjá þetta jafngildi í kúlu- og prikalíkönunum á mynd 20.2. Ef eitt af vetnisatómunum fjórum er fjarlægt úr metani myndast metýlhópur. Sömuleiðis eru vetnisatómin sex í etani jafngild (mynd 20.2), og ef eitt þeirra er fjarlægt myndast etýlhópur. Hvert þessara sex vetnisatóma tengist kolefnisatómi sem aftur tengist tveimur öðrum vetnisatómum og einu kolefnisatómi. Hins vegar eru vetnisatóm í tvenns konar umhverfi í bæði própani og 2-metýlprópani, sem aðgreinast af nálægum atómum eða atómahópum:

Própan og 2-metýlprópan eru sýnd. Própan er bein þriggja kolefnisatóma keðja og vetnin á miðkolefninu eru fjólublá. 2-metýlprópan er greinótt; eina vetnið á miðkolefninu er grænt.

Hvert hinna sex jafngildu vetnisatóma af fyrri gerðinni í própani og hvert hinna níu jafngildu vetnisatóma af sömu gerð í 2-metýlprópani, sem öll eru sýnd með svörtu, tengist kolefnisatómi sem tengist aðeins einu öðru kolefnisatómi. Fjólubláu vetnisatómin tvö í própani eru af annarri gerð. Þau eru frábrugðin vetnisatómunum sex af fyrri gerðinni að því leyti að þau tengjast kolefnisatómi sem tengist tveimur öðrum kolefnisatómum. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani er frábrugðið hinum níu vetnisatómunum í þeirri sameind og fjólubláu vetnisatómunum í própani. Græna vetnisatómið í 2-metýlprópani tengist kolefnisatómi sem tengist þremur öðrum kolefnisatómum. Hægt er að mynda tvo mismunandi alkýlhópa úr hvorri þessara sameinda, allt eftir því hvaða vetnisatóm er fjarlægt. Nöfn og bygging þessara og nokkurra annarra alkýlhópa eru talin upp á mynd 20.5.

Þessi tafla sýnir lista yfir alkýlhópa og samsvarandi byggingu þeirra. Metýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 á eftir fylgir strik. Etýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H með lágvísi 2 á eftir fylgir strik. n-própýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H með lágvísi 2 C H með lágvísi 2 á eftir fylgir strik. Ísóprópýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H C H með lágvísi 3 með striki sem liggur upp frá miðju C. n-bútýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H með lágvísi 2 C H með lágvísi 2 C H með lágvísi 2 á eftir fylgir strik. sek-bútýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H með lágvísi 2 C H C H með lágvísi 3 með striki sem liggur upp frá þriðja C talið frá vinstri til hægri. Ísóbútýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C H C H með lágvísi 2 með striki sem liggur til hægri. Þar er C H með lágvísi 3 tengt við miðju C. tert-bútýl er sýnt sem C H með lágvísi 3 C C H með lágvísi 3 með C H með lágvísi 3 hópi tengdum neðan við miðju C og striki sem liggur upp frá miðju C.
Mynd 20.5. Þessi listi sýnir nöfn og formúlur ýmissa alkýlhópa sem myndast þegar vetnisatóm eru fjarlægð af mismunandi stöðum.

Athugið að alkýlhópar eru ekki til sem stöðugar, sjálfstæðar einingar. Þeir eru alltaf hluti af stærri sameind. Staðsetning alkýlhóps á kolvetniskeðju er tilgreind á sama hátt og fyrir aðra tengihópa:

Tölusettar byggingarformúlur eru sýndar fyrir 3-etýlheptan, 2,2,4-trímetýlpentan og 4-ísóprópýlheptan. Etýl-, metýl- og ísóprópýlhóparnir greinast frá réttum kolefnisatómum aðalkeðjunnar.

Alkanar eru tiltölulega stöðugar sameindir, en hiti eða ljós getur komið af stað efnahvörfum sem fela í sér rof á C–H eða C–C eintengjum. Bruni er dæmi um slíkt efnahvarf:

CH4(g)+2O2(g)⟶CO2(g)+2H2O(g)

Alkanar brenna í návist súrefnis, sem er mjög útvermið oxunar- og afoxunarhvarf þar sem koldíoxíð og vatn myndast. Þar af leiðandi eru alkanar frábært eldsneyti. Til dæmis er metan, CH4, helsti efnisþáttur jarðgass. Bútan, C4H10, sem notað er í útileguprímusa og kveikjara, er alkan. Bensín er fljótandi blanda af alkönum með beinum og greinóttum keðjum, sem hver inniheldur fimm til níu kolefnisatóm, auk ýmissa aukaefna til að bæta eiginleika þess sem eldsneytis. Steinolía, dísilolía og brennsluolía eru fyrst og fremst blöndur alkana með meiri mólmassa. Helsta uppspretta þessa fljótandi alkanaeldsneytis er hráolía, sem er flókin blanda sem aðskilin er með brotaeimingu. Brotaeiming nýtir sér mismunandi suðumark efnisþátta blöndunnar (sjá mynd 20.6). Þú mannst ef til vill að suðumark er háð millisameindakröftum, sem fjallað var um í kaflanum um lausnir og kvoður.

Þessi mynd inniheldur ljósmynd af hreinsunarstöð sem sýnir stór súlulaga mannvirki. Einnig er sýnd skýringarmynd af eimingarsúlu. Nálægt botni súlunnar sýnir ör sem bendir inn í súluna frá vinstri hvar hituð hráolía kemur inn. Súlan inniheldur nokkur lög þar sem mismunandi efnisþættir eru fjarlægðir. Neðst eru leifar fjarlægðar í gegnum rör eins og sýnt er með ör út úr súlunni. Á hverju stigi þar fyrir ofan eru mismunandi efni fjarlægð í gegnum rör, frá botni til topps súlunnar. Í röð frá botni til topps eru þessi efni brennsluolía, síðan dísilolía, steinolía, nafta, bensín og loks hreinsunarstöðvargas efst. Hægra megin við skýringarmyndina af súlunni er tvíhöfða ör sem er blá efst og breytir smám saman um lit yfir í rautt þegar farið er niður. Blái toppur örvarinnar er merktur: „Smáar sameindir: lágt suðumark, mjög rokgjarnar, flæða auðveldlega, kviknar auðveldlega í.“ Rauði botn örvarinnar er merktur: „Stórar sameindir: hátt suðumark, lítt rokgjarnar, flæða treglega, kviknar treglega í.“
Mynd 20.6. Í eimingarsúlu fyrir hráolíu gufar olía, sem hituð hefur verið í um 425 °C í ofninum, upp þegar hún fer inn í botn turnsins. Gufurnar stíga upp í gegnum bólulok á röð af bökkum í turninum. Eftir því sem gufurnar kólna smám saman þéttast eimingarbrot með hærra, og síðan lægra, suðumark í vökva og eru tekin út. (mynd til vinstri: breytt verk eftir Luigi Chiesa)

Í skiptihvarfi, sem er annað dæmigert efnahvarf alkana, er einu eða fleiri vetnisatómum alkansins skipt út fyrir annað atóm eða atómahóp. Engin kolefnis-kolefnistengi rofna í þessum efnahvörfum og svigrúmablöndun kolefnisatómanna breytist ekki. Til dæmis er efnahvarfið milli etans og klórsameindar sem sýnt er hér skiptihvarf:

Hvarf etans við Cl₂ er sýnt. Við hita eða ljós kemur Cl-atóm í stað eins H-atóms og mynda klóretan og HCl; breytt atóm og tengi eru rauð.

C–Cl hluti klóróetansameindarinnar er dæmi um virkan hóp, þann hluta sameindar sem ljær henni ákveðna efnafræðilega hvarfgirni. Þær tegundir virkra hópa sem eru til staðar í lífrænni sameind ráða miklu um efnaeiginleika hennar. Þeir eru jafnframt notaðir til að flokka lífræn efnasambönd, eins og nánar er lýst í síðari hlutum þessa kafla.

Tengill á námsefni

Viltu æfa þig meira í að nefna alkana? Horfðu á þetta stutta kennslumyndband til að rifja upp nafngiftarferlið.

Alkenar

Lífræn efnasambönd sem innihalda eitt eða fleiri tvítengi eða þrítengi milli kolefnisatóma kallast ómettuð. Þú hefur líklega heyrt um ómettaða fitu. Hún samanstendur af flóknum lífrænum sameindum með löngum keðjum kolefnisatóma sem innihalda að minnsta kosti eitt tvítengi milli kolefnisatóma. Ómettaðar kolvetnissameindir sem innihalda eitt eða fleiri tvítengi kallast alkenar. Kolefnisatóm sem tengjast með tvítengi eru bundin saman með tveimur tengjum, einu σ-tengi og einu π-tengi. Tvítengi og þrítengi valda annarri rúmfræði í kringum þau kolefnisatóm sem taka þátt í þeim. Þetta leiðir til mikilvægs munar á lögun og eiginleikum sameinda. Þessi ólíka rúmfræði veldur mismunandi eiginleikum ómettaðrar og mettaðrar fitu.

Eten, C2H4, er einfaldasti alkeninn. Hvert kolefnisatóm í eteni, sem oftast kallast etýlen, hefur þríhyrnda planbyggingu. Annar meðlimur raðarinnar er própen (própýlen) (mynd 20.7). Þar á eftir koma hverfur bútens. Fjögur kolefnisatóm í keðju bútens gera kleift að mynda hverfur sem byggjast á staðsetningu tvítengisins, auk nýrrar tegundar hverfni.

Lewis-byggingarformúlur sýna frumefnatákn kolefnis og vetnis ásamt tengjum milli frumeindanna. Fyrsta byggingin í þessari röð sýnir tvær tengdar C-frumeindir með tvítengi á milli sín. Hver C-frumeind hefur einnig tvær H-frumeindir tengdar við sig. Önnur byggingin í röðinni sýnir þrjár tengdar C-frumeindir með tvítengi upp og til hægri milli fyrstu og annarrar C-frumeindarinnar þegar farið er frá vinstri til hægri eftir keðjunni, og eintengi niður og til hægri milli annarrar og þriðju C-frumeindarinnar. Fyrsta C-frumeindin hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig, önnur C-frumeindin hefur eina H-frumeind tengda við sig og þriðja C-frumeindin hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. Þriðja byggingin sýnir fjórar tengdar C-frumeindir þar sem ein tengist upp og til hægri við C-frumeind, niður og til hægri við C-frumeind, og með tvítengi upp og til hægri við C-frumeind. Fyrsta C-frumeindin, frá vinstri til hægri, hefur þrjár H-frumeindir tengdar við sig. Önnur C-frumeindin hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. Þriðja C-frumeindin hefur eina H-frumeind tengda við sig og fjórða C-frumeindin hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig. Í annarri röð eru sýnd kúlu-og-strikalíkön af byggingunum. Í þessum framsetningum eru eintengi táknuð með strikum, tvítengi með tveimur samsíða strikum og frumefni með kúlum. Kolefnisfrumeindir eru svartar og vetnisfrumeindir eru hvítar á þessari mynd. Í þriðju röð eru sýnd rýmislíkön. Í þessum líkönum eru frumeindir stækkaðar og þrýst saman, án strika til að tákna tengi. Í neðstu röðinni eru nöfnin gefin upp. Sameindin með tvítengið milli tveggja C-frumeinda nefnist eten. Sameindin með tvítengið milli fyrstu og annarrar C-frumeindarinnar í þriggja frumeinda keðjunni nefnist própen. Sameindin með tvítengið milli kolefnisfrumeindanna í fjögurra frumeinda keðjunni nefnist 1-búten.
Mynd 20.7. Sýndar eru útvíkkaðar byggingarformúlur, kúlu-og-strikalíkön og rýmislíkön fyrir alkenana eten, própen og 1-búten.

Etýlen (almennt iðnaðarheiti á eteni) er grunnhráefni í framleiðslu á pólýetýleni og öðrum mikilvægum efnasamböndum. Yfir 135 milljónir tonna af etýleni voru framleiddar á heimsvísu árið 2010 til notkunar í fjölliðu-, jarðolíu- og plastiðnaði. Etýlen er framleitt í iðnaði með ferli sem kallast krökkun, þar sem langar kolvetniskeðjur í jarðolíublöndu eru brotnar niður í smærri sameindir.

Efnafræði í daglegu lífi

Endurvinnsla plasts

Fjölliður (úr grísku orðunum poly sem þýðir „mörg“ og mer sem þýðir „hlutar“) eru stórar sameindir sem samanstanda af endurteknum einingum, sem kallast einliðir. Fjölliður geta verið náttúrulegar (sterkja er fjölliða úr sykurleifum og prótein eru fjölliður úr amínósýrum) eða tilbúnar [eins og pólýetýlen, pólývínýlklóríð (PVC) og pólýstýren]. Fjölbreytileiki í byggingu fjölliða skilar sér í miklu úrvali eiginleika og notkunarmöguleika sem gera þær að ómissandi hluta af daglegu lífi okkar. Ef virkum hópum er bætt við byggingu fjölliðu getur það leitt til verulega ólíkra eiginleika (sjá umfjöllun um Kevlar síðar í þessum kafla).

Dæmi um fjölliðunarhvarf er sýnt á mynd 20.8. Einliðan etýlen (C2H4) er gas við stofuhita, en þegar hún er fjölliðuð með hjálp hvatans úr hliðarmálmi breytist hún í fast efni sem samanstendur af löngum keðjum af –CH2– einingum og kallast pólýetýlen. Pólýetýlen er algengt plast sem er aðallega notað í umbúðir (poka og filmur).

Þessi skýringarmynd hefur þrjár raðir og sýnir hvernig etýlen hvarfast og myndar pólýetýlen. Í fyrstu röðinni sýna Lewis-byggingarformúlur þrjár sameindir af etýleni sem leggjast saman, en hver þeirra samanstendur af tveimur tvítengdum C-frumeindum sem hvor um sig tengist tveimur H-frumeindum. Þrípunktar eru á undan og eftir byggingum sameindanna, og á eftir þeim kemur ör sem bendir til hægri. Hægra megin við örina birtast þrípunktarnir aftur vinstra megin við strik sem tengist keðju af 7 C-frumeindum, sem hver um sig hefur H-frumeindir tengdar ofan og neðan við sig. Strik er á enda keðjunnar og á eftir því koma þrípunktar. Hvarfamyndin er endurtekin í annarri röðinni þar sem kúlulíkön eru notuð fyrir byggingarnar. Í þessum framsetningum eru eintengi táknuð með prikum, tvítengi með tveimur samsíða prikum og frumefni með kúlum. Kolefnisfrumeindir eru svartar og vetnisfrumeindir eru hvítar á þessari mynd. Í þriðju röðinni eru sýnd rýmislíkön. Í þessum líkönum eru frumeindirnar stækkaðar kúlur sem þrýst er saman, án prika til að tákna efnatengi.
Mynd 20.8. Hér sést efnahvarfið þegar etýlen fjölliðast í pólýetýlen.

Pólýetýlen tilheyrir undirflokki gervifjölliða sem flokkast sem plast. Plast er gervilífrænt fast efni sem hægt er að móta; það er yfirleitt lífræn fjölliða með háan mólmassa. Flestar einliðurnar sem fara í algengt plast (etýlen, própýlen, vínýlklóríð, stýren og etýlentereftalat) eru unnar úr jarðolíu og eru ekki mjög lífbrjótanlegar, sem gerir þær að hentugum efnum til endurvinnslu. Endurvinnsla plasts hjálpar til við að draga úr þörfinni á að nota meira af jarðolíubirgðum og lágmarkar einnig umhverfisskaðann sem hlýst af því að henda þessum ólífbrjótanlegu efnum.

Endurvinnsla plasts felst í að safna úrgangsplasti, afskurði eða notuðu plasti og vinna efnið aftur í nytsamlegar vörur. Til dæmis má bræða pólýetýlentereftalat (gosflöskur) og nota það í plasthúsgögn, teppi eða aðrar vörur. Önnur plastefni, svo sem pólýetýlen (pokar) og pólýprópýlen (bollar og plastílát undir matvæli), má endurvinna eða vinna aftur til notkunar. Víða eru endurvinnsluáætlanir sem beinast að einni eða fleiri algengum nytjaplasttegundum sem hafa fengið endurvinnslukóða (sjá mynd 20.9). Slíkar aðgerðir hafa verið við lýði síðan á áttunda áratug 20. aldar og hafa gert framleiðslu sumra plastefna að einni skilvirkustu iðnaðarframleiðslu nútímans.

Þessi tafla sýnir endurvinnslutákn, nöfn og notkun ýmissa tegunda plasts. Táknin eru sýnd með þremur örvum í þríhyrningi sem umlykja tölu. Talan 1 er merkt PETE. Viðkomandi plast, pólýetýlentereftalat (PETE), er notað í gosflöskur og matarbakka sem mega fara í ofn. Talan 2 er merkt HDPE. Viðkomandi plast er háþéttnipólýetýlen (HDPE), sem er notað í flöskur fyrir mjólk og uppþvottalög. Talan 3 er merkt V. Viðkomandi plast er pólývínýlklóríð eða (PVC). Þetta plast er notað í matarbakka, plastfilmu og flöskur fyrir sódavatn og sjampó. Talan 4 er merkt LDPE. Þetta plast er lágþéttnipólýetýlen (LDPE). Það er notað í innkaupapoka og ruslapoka. Talan 5 er merkt PP. Viðkomandi plast er pólýprópýlen (PP). Það er notað í smjörlíkisdósir og matarbakka sem mega fara í örbylgjuofn. Talan 6 er merkt PS. Viðkomandi plast er pólýstýren (PS). Það er notað í jógúrtdósir, frauðplastbakka fyrir kjöt, eggjabakka, drykkjarmál úr sjálfsölum, plasthnífapör og umbúðir fyrir rafeindatæki og leikföng. Talan 7 er merkt annað fyrir allt annað plast. Hlutir í þessum flokki eru meðal annars plastefni sem passa ekki í neinn annan flokk. Melamín sem notað er í plastdiska og bolla er dæmi um það.
Mynd 20.9. Hver tegund af endurvinnanlegu plasti er merkt með kóða til að auðvelda auðkenningu.

Nafn alkens er dregið af nafni alkansins með sama fjölda kolefnisatóma. Tilvist tvítengisins er gefin til kynna með því að skipta út endingunni -an fyrir endinguna -en. Staðsetning tvítengisins er tilgreind með því að nefna minni töluna af þeim kolefnisatómum sem taka þátt í tvítenginu:

Byggingarformúlur etens, própens, 1-bútens og 2-bútens eru sýndar. C=C-tvítengin eru rauð og staðsetning þeirra sést af tölusetningu keðjunnar.

Ísómerur alkena

Sameindir af 1-búteni og 2-búteni eru byggingarhverfur; uppröðun atómanna í þessum tveimur sameindum er ólík. Sem dæmi um mun á uppröðun er fyrsta kolefnisatómið í 1-búteni tengt tveimur vetnisatómum; fyrsta kolefnisatómið í 2-búteni er tengt þremur vetnisatómum.

Efnasambandið 2-búten og sum önnur alken mynda einnig aðra tegund hverfa sem kallast rúmhverfur. Í hópi rúmhverfa eru sömu tegundir atóma tengdar hver annarri í sömu röð, en rúmfræði sameindanna tveggja er ólík. Rúmhverfur alkena eru ólíkar hvað varðar stefnu hópanna hvorum megin við C=C tengið.

Kolefnisatóm geta snúist frjálst um eintengi en ekki um tvítengi; tvítengi er stíft. Þetta gerir það að verkum að hægt er að hafa tvær hverfur af 2-búteni, aðra með báða metýlhópana sömu megin við tvítengið og hina með metýlhópana hvorum megin við það. Þegar byggingar bútens eru teiknaðar með 120° tengihornum í kringum sp2-blönduðu kolefnisatómin sem taka þátt í tvítenginu verða hverfurnar augljósar. Hverfan af 2-búteni þar sem metýlhóparnir tveir eru sömu megin kallast cis-hverfa; sú þar sem metýlhóparnir tveir eru hvorum megin kallast trans-hverfa (mynd 20.10). Ólík rúmfræði hefur í för með sér ólíka eðliseiginleika, svo sem suðumark, sem getur gert það mögulegt að aðskilja hverfurnar:

Myndin sýnir þrjár leiðir til að sýna hverfur bútens. Í fyrstu röð myndarinnar sýna Lewis-byggingarformúlur efnatákn kolefnis og vetnis og tengi milli frumeindanna. Fyrsta byggingin í þessari röð sýnir C-frumeind með tvítengi við aðra C-frumeind sem er tengd niður og til hægri við C H lágvísi 2 sem aftur er tengdur við C H lágvísi 3. Fyrsta C-frumeindin, frá vinstri til hægri, hefur tvær H-frumeindir tengdar við sig og önnur C-frumeindin hefur eina H-frumeind tengda við sig. Önnur byggingin í röðinni sýnir C-frumeind með tvítengi við aðra C-frumeind. Fyrsta C-frumeindin er tengd við H-frumeind upp og til vinstri og C H lágvísi 3 niður og til vinstri. Önnur C-frumeindin er tengd við H-frumeind upp og til hægri og C H lágvísi 3 niður og til hægri. Báðar C H lágvísir 3 byggingarnar eru rauðar. Þriðja byggingin sýnir C-frumeind með tvítengi við aðra C-frumeind. Fyrsta C-frumeindin frá vinstri er tengd upp og til vinstri við C H lágvísi 3 sem er rauður. Hún er einnig tengd niður og til vinstri við H-frumeind. Önnur C-frumeindin er tengd upp og til hægri við H-frumeind og niður og til vinstri við C H lágvísi 3 sem er rauður. Í annarri röð eru sýnd kúlulíkön af byggingunum. Í þessari framsetningu eru eintengi sýnd með spýtum, tvítengi með tveimur samsíða spýtum og frumefni með kúlum. C-frumeindir eru svartar og H-frumeindir eru hvítar á þessari mynd. Í þriðju röð eru sýnd rýmislíkön. Í þessum líkönum eru frumeindir stækkaðar og þrýst saman, án spýta til að sýna tengi. Í neðstu röðinni eru nöfnin gefin upp. Sameindin með tvítengið milli fyrsta og annars kolefnisins kallast 1 bandstrik búten. Sameindirnar tvær með tvítengið milli annarrar og þriðju kolefnisfrumeindarinnar kallast 2 bandstrik búten. Fyrsta líkanið, sem hefur báða C H lágvísir 3 hópana fyrir neðan tvítengið, kallast cis-hverfa. Hitt líkanið, sem hefur C H lágvísir 3 hópana hvor sínum megin við tvítengið, kallast trans-hverfa.
Mynd 20.10. Þessi sameindalíkön sýna byggingar- og rúmhverfur bútens.

Alken eru mun hvarfgjarnari en alkanar vegna þess að C=C-hlutinn er hvarfgjarn virkur hópur. Þar sem π-tengi er veikara tengi rofnar það mun auðveldar en σ-tengi. Því gangast alken undir einkennandi efnahvarf þar sem π-tengið rofnar og tvö σ-tengi koma í þess stað. Þetta efnahvarf kallast samlagningarhvarf. Svigrúmablöndun kolefnisatómanna í tvítengi alkens breytist úr sp2 í sp3 við samlagningarhvarf. Til dæmis leggjast halógenar á tvítengið í alkeni í stað þess að koma í stað vetnis, eins og gerist í alkani:

Samlagningarhvarf etens við Cl₂ er sýnt. C=C-tvítengið rofnar og eitt Cl-atóm tengist hvoru kolefnisatómi, þannig að 1,2-díklóretan myndast.

Dæmi 20.5

Hvarfgirni og nafnakerfi alkena

Gefðu upp IUPAC-heiti fyrir hvarfefni og myndefni halógenunarhvarfsins sem hér er sýnt:

Vinstri hlið ófullgerðs samlagningarhvarfs er sýnd. CH₃CH=CHCH₂CH₃ hvarfast við Cl₂ og ör vísar að auðu myndefnasvæði.

Lausn

Hvarfefnið er fimm kolefna keðja sem inniheldur kolefnis-kolefnis-tvítengi, þannig að grunnheitið verður penten. Við byrjum að telja á þeim enda keðjunnar sem er næst tvítenginu, í þessu tilviki frá vinstri. Tvítengið spannar kolefni 2 og 3, svo heitið verður 2-penten. Þar sem tveir kolefnishópar eru tengdir við kolefnisatómin tvö í tvítenginu og eru sömu megin við tvítengið er þessi sameind cis-hverfan, og heiti upphaflega alkensins er cis-2-penten. Myndefni halógenunarhvarfsins hefur tvö klóratóm tengd við kolefnisatómin sem voru hluti af kolefnis-kolefnis-tvítenginu:

Byggingarformúla sýnir CH₃CH(Cl)CH(Cl)CH₂CH₃, þar sem Cl-atóm tengist hvoru kolefnisatómi sem áður myndaði tvítengið.

Þessi sameind er nú útskiptur alkani og fær heiti í samræmi við það. Grunnnöfnið verður pentan. Við teljum frá þeim enda sem gefur kolefnisatómunum sem klóratómin tengjast tölurnar 2 og 3, sem gerir heiti myndefnisins að 2,3-díklórópentan.

Prófaðu þig

Gefðu upp heiti hvarfefnisins og myndefnisins í efnahvarfinu sem sýnt er:

Vinstri hlið samlagningarhvarfs er sýnd: sex kolefnisatóma alken með <span class=C=C-tvítengi ásamt Cl2. Hvarförin bendir að auðu myndefnasvæði." width="975" height="144">

Svar:

hvarfefni: cis-3-hexen; myndefni: 3,4-díklóróhexan

Alkýn

Kolvetnissameindir með eitt eða fleiri þrítengi kallast alkýnar; þær mynda annan flokk ómettaðra kolvetna. Tvö kolefnisatóm sem tengjast með þrítengi eru bundin saman með einu σ-tengi og tveimur π-tengjum. Kolefnisatómin með sp-svigrúmablöndun sem mynda þrítengið hafa tengjahornið 180°, sem gefur þessari tegund tengja línulega, stanglaga lögun.

Einfaldasta efnið í flokki alkýna er etýn, C2H2, sem oftast er kallað asetýlen. Lewis-bygging etýns, sem er línuleg sameind, er svohljóðandi:

Byggingarformúla etýns, einnig nefnds asetýlens, er sýnd sem H–C≡C–H. Kolefnisatómin og þrítengið eru rauð.

IUPAC-nafnakerfið fyrir alkýn er svipað og fyrir alken, að því undanskildu að viðskeytið -ýn er notað til að gefa til kynna þrítengi í keðjunni. Til dæmis kallast CH3CH2C≡CH 1-bútýn.

Dæmi 20.6

Bygging alkýna

Lýstu rúmfræði og svigrúmablöndun kolefnisatómanna í eftirfarandi sameind:

Byggingarformúla CH₃–<span class=C≡C–CH3 er sýnd. Kolefnisatómin eru tölusett 1 til 4 frá vinstri." width="256" height="59">

Lausn

Kolefnisatómin 1 og 4 hafa fjögur eintengi og eru því fjórflötungslaga með sp3-svigrúmablöndun. Kolefnisatómin 2 og 3 taka þátt í þrítenginu, þannig að þau hafa línulega lögun og flokkast sem sp-blandsvigrúm.

Prófaðu þig

Greindu svigrúmablöndun og tengjahorn kolefnisatómanna í sýndri sameind:

Fimm kolefnisatóma keðja er sýnd með þrítengi milli kolefna 1 og 2 og tvítengi milli kolefna 3 og 4. Metýlhópur tengist kolefni 5.

Svar:

kolefni 1: sp, 180°; kolefni 2: sp, 180°; kolefni 3: sp2, 120°; kolefni 4: sp2, 120°; kolefni 5: sp3, 109,5°

Efnafræðilega eru alkýn svipuð alkenum. Þar sem virki hópurinn C≡C hefur tvö π-tengi, hvarfast alkýn venjulega enn auðveldar og hvarfast við tvöfalt meira magn hvarfefnis í samlagningarhvörfum. Hvarf asetýlens við bróm er dæmigert:

Samlagningarhvarf etýns við tvær Br₂-sameindir er sýnt. Þrítengið rofnar og 1,1,2,2-tetrabrómetan myndast; hvort kolefni tengist tveimur Br-atómum og einu H-atómi.

Asetýlen og önnur alkýn brenna einnig auðveldlega. Asetýlenbrennari nýtir sér hinn háa brunahita asetýlens.

Arómatísk kolvetni

Bensen, C6H6, er einfaldasta efnið í stórri fjölskyldu kolvetna sem kallast arómatísk kolvetni. Þessi efnasambönd innihalda hringbyggingar og sýna efnatengi sem lýsa verður með hugtakinu um samhljómunarblending í gildistengjakenningunni eða hugtakinu um afstaðsetningu í sameindasvigrúmakenningunni. (Til að rifja upp þessi hugtök er bent á fyrri kafla um efnatengi). Samhljómunarbyggingar bensens, C6H6, eru:

Tvær jafngildar Kekulé-formúlur bensens eru sýndar með tvíhöfða ör á milli. Sex kolefnisatóma hringurinn hefur þrjú víxltengi og eitt H-atóm á hverju kolefni.

Gildistengjakenningin lýsir bensensameindinni og öðrum flötum arómatískum kolvetnasameindum sem sexhyrndum hringjum af sp2-blönduðum kolefnisatómum þar sem óblandað p-svigrúm hvers kolefnisatóms er hornrétt á flöt hringsins. Þrjár gildisrafeindir í sp2-blandsvigrúmum hvers kolefnisatóms og gildisrafeind hvers vetnisatóms mynda grind σ-tengja í bensensameindinni. Fjórðu gildisrafeind hvers kolefnisatóms er deilt með aðliggjandi kolefnisatómi í óblönduðum p-svigrúmum þeirra til að mynda π-tengin. Bensen sýnir þó ekki þá eiginleika sem eru dæmigerðir fyrir alkena. Hvert af sex tengjum milli kolefnisatóma þess er jafngilt og sýnir eiginleika sem eru mitt á milli C–C-eintengis og C=C-tvítengis. Til að sýna þessi sérstöku tengi eru byggingarformúlur fyrir bensen og afleiður þess venjulega teiknaðar með eintengjum milli kolefnisatómanna og hring inni í hringnum eins og sýnt er á mynd 20.11.

Sýnd er byggingarformúla sex kolefna kolvetnishrings. Hver C-frumeind er aðeins tengd einni H-frumeind. Hringur er í miðjunni.
Mynd 20.11. Þessi þjappaða formúla sýnir hina sérstöku tengjabyggingu bensens.

Til eru margar afleiður bensens. Hægt er að skipta vetnisatómunum út fyrir marga mismunandi tengihópa. Arómatísk efnasambönd ganga frekar í skiptihvörf en samlagningarhvörf; ef einu vetnisatómi er skipt út fyrir annan tengihóp haldast afstaðsettu tvítengin óskert. Eftirfarandi eru dæmigerð dæmi um útskiptar bensenafleiður:

Tólúen, xýlen og stýren eru sýnd sem bensenshringir. Tólúen ber einn CH₃-hóp, xýlen tvo CH₃-hópa á aðliggjandi kolefnum og stýren CH=CH₂-hóp.

Tólúen og xýlen eru mikilvæg leysiefni og hráefni í efnaiðnaði. Stýren er notað til að framleiða fjölliðuna pólýstýren.

Dæmi 20.7

Bygging arómatískra kolvetna

Hér er sýnd ein möguleg hverfa sem verður til við skiptihvarf þar sem vetnisatómi, sem tengt er arómatíska hringnum í tólúeni, er skipt út fyrir klóratóm. Teiknaðu tvær aðrar mögulegar hverfur þar sem klóratómið kemur í stað annars vetnisatóms sem tengt er arómatíska hringnum:

Tvær framsetningar sömu bensenafleiðu eru sýndar. CH₃-hópur tengist efra hægra horni hringsins og Cl-atóm neðra hægra horni; önnur myndin er einfölduð beinagrindarformúla.

Lausn

Þar sem sex kolefna hringur með tvítengjum á víxl er nauðsynlegur til að sameindin flokkist sem arómatísk, er aðeins hægt að mynda viðeigandi hverfur með því að breyta stöðu klórtengihópsins miðað við metýltengihópinn:

Tvö pör formúla sýna tvískipta bensenhringi. Fyrra parið hefur CH₃ og Cl á aðliggjandi kolefnum en síðara parið hefur hópana gegnt hvor öðrum; full og einfölduð formúla eru sýndar.

Prófaðu þig

Teiknaðu þrjár hverfur af sex atóma arómatísku hringefni sem er útskipt með tveimur brómatómum.

Svar:

Þrjú pör formúla sýna stöðuhverfur díbrómbensens. Br-atómin eru á aðliggjandi kolefnum, með eitt kolefni á milli eða gegnt hvort öðru; full og einfölduð formúla eru sýndar.

Námsgögn.is þýðing á efni frá OpenStax. Frítt frumrit: https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/1-introduction Leyfi upprunabókar: CC BY-NC-SA 4.0. Námsgögn er sjálfstætt verkefni; OpenStax styður hvorki né vottar þýðinguna.

FYRRI KAFLI

Inngangur

NÆSTI KAFLI

20.2 Alkóhól og eterar