ΚΟΡΕΣΜΕΝΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ (ΑΛΚΑΝΙΑ & ΚΥΚΛΟΑΛΚΑΝΙΑ)

ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ (CxHy) Η χημική τάξη των υδρογονανθράκων περιλαμβάνει τις οργανικές ενώσεις που αποτελούνται μόνο από άνθρακα και υδρογόνο. Οι υδρογονάνθρακες διακρίνονται σε άκυκλους ή αλειφατικούς και σε κυκλικούς (αλεικυκλικοί, αρωματικοί) οι οποιοι περιέχουν έναν τουλάχιστον δακτύλιο στην ανθρακική αλυσίδα από την οποία αποτελούνται. Οι άκυκλοι περιλαμβάνουν τις ομόλογες σειρές : Αλκάνια ή κορεσμένοι υδρογονάνθρακες Αλκένια ή ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με ένα διπλό δεσμό Αλκίνια ή ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με ένα τριπλό δεσμό Αλκαδιένια ή ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με δύο διπλούς δεσμούς Από τους κυκλικούς υδρογονάνθρακες ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες που περιέχουν βενζολικό δακτύλιο.

Τα αλκάνια είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, δηλαδή περιέχουν μόνο άνθρακα (C) και υδρογόνο (H) ενωμένα μεταξύ τους με απλούς δεσμούς (οι δεσμοί C-C είναι απλοί) και παρουσιάζουν τετραεδρική δομή. Τα αλκάνια ονομάζονται επίσης παραφίνες λόγω της χημικής τους αδράνειας. Η ομόλογη σειρά των αλκανίων έχει γενικό μοριακό τύπο C v H 2v+2 και όλα τα μέλη προκύπτουν με αύξηση κατά μια μονάδα του v. Τα πρώτα μέλη των αλκανίων: Μεθάνιο αιθάνιο προπάνιο βουτάνιο CH 4 CH 3 -CH 3 CH 3 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3

Εάν αφαιρεθεί ένα υδρογόνο από ένα αλκάνιο προκύπτει το αντίστοιχο αλκύλιο. Δηλαδή από το μεθάνιο (CH 4 ) προκύπτει το μεθύλιο (CH 3 -) κ.ο.κ. Τα αλκύλια έχουν γενικό μοριακό τύπο CvH2v+1 και συμβολίζονται ως (R-). Γενικά όλες οι οργανικές ενώσεις μπορεί να θεωρηθεί ότι προκύπτουν από τα αλκύλια εάν προσθέσουμε την αντίστοιχη χαρακτηριστική ομάδα π.χ οι αλκοόλες συμβολίζονται R-ΟΗ ή C v H 2v+1 OH. Τα κυριότερα αλκύλια είναι:

Για την ονοματολογία των αλκυλομάδων πολύ συχνά χρησιμοποιούνται τα προθέματα sec (για τις δευτεροταγείς) και tert (για τις τριτοταγείς) ομάδες. Ο χαρακτηρισμός πρωτοταγής, δευτεροταγής τριτοταγής και τεταρτοταγής άνθρακας προκύπτει από τον αριθμό των ανθράκων με τους οποίους συνδέεται ο συγκεκριμένος άνθρακας.

Φυσικές Ιδιότητες Αλκανίων Τα αλκάνια όπως και όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι μη πολικές ενώσεις (άπολες) για αυτό και δεν διαλύονται στο νερό αλλά σε οργανικούς διαλύτες (βενζόλιο, αιθέρα, εξάνιο κλπ). Τα κατώτερα μέλη είναι αέρια, τα μεσαία υγρά (5-17 άτομα άνθρακα) και τα ανώτερα στερεά στις συνηθισμένες θερμοκρασίες. Έχουν σχετικά χαμηλό σημείο τήξεως και ζέσεως και γενικά έχουν μικρότερη πυκνότητα από το νερό. Γενικά, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της αλυσίδας του H/C (δηλ μεγαλύτερο Μ.Β) τόσο υψηλότερο το σ.τ., το σ.ζ. και η πυκνότητα. Αναλύεται παρακάτω (Σημεία ζέσεως Αλκανίων) Τα αλκάνια χρησιμοποιούνται κυρίως ως καύσιμα με τη μορφή φυσικού αερίου (μεθάνιο), υγραερίου (μίγμα προπανίου-βουτανίου), βενζίνης (μίγμα εξανίου-επτανίου-οκτανίου -κ.λ.π )

Τα Σημεία ζέσεως των Αλκανίων καθορίζονται από την ισχύ των διαμοριακών ελκτικών δυνάμεων. Τα αλκάνια είναι άπολα, με συνέπεια να απουσιάζουν δυνάμεις διπόλου-διπόλου και δυνάμεις επαγόμενου διπόλου, οι δυνάμεις της διαμοριακής έλξης είναι οι δυνάμεις επαγόμενου διπόλου-επαγόμενου διπόλου. Επιπλέον αυξάνονται με την αύξηση του αριθμού των ανθράκων, περισσότερα άτομα, περισσότερα ηλεκτρόνια, περισσότερες ευκαιρίες για δυνάμεις επαγομένου διπόλου- επαγομένου διπόλου, ενώ μειώνονται με τη διακλάδωση της αλυσίδας. Τα διακλαδισμένα μόρια είναι περισσότερο συμπαγή με μικρότερες επιφάνειες-λιγότερα σημεία επαφής με άλλα μόρια. Παρακάτω, δίνονται μερικά παραδείγματα.

Ονοματολογία αλκανίων Βήμα 1: Βρίσκουμε την μακρύτερη συνεχή ανθρακική αλυσίδα και χρησιμοποιούμε την ονομασία IUPAC του μη διακλαδισμένου αλκανίου ως βάση. Βήμα 2: Προσθέτουμε το όνομα του υποκαταστάτη ως πρόθεμα. Βήμα 3: Αριθμούμε την αλυσίδα από το εγγύτερο άκρο προς τον υποκα- ταστάτη, και προσδιορίστε με αριθμό τον άνθρακα στον οποίον συνδέεται. Παραδείγματα βιβλίου σελ 336, 11.2 β,γ σελ 337

Συντακτικά ισομερή Μόρια που έχουν τον ίδιο Μοριακό Τύπο αλλά διαφορετικό Συντακτικό (διαφορετική διευθέτηση των ατόμων στο επίπεδο) καλούνται συντακτικά ισομερή. Π.χ. υπάρχουν 2 συντακτικά ισομερή που έχουν μοριακό τύπο C 4 H 10, το βουτάνιο και το μεθυλο-προπάνιο. Αυτά τα ισομερή έχουν αυθύπαρκες ενώσεις, λόγω της διαφοράς στη δομή τους και παρουσιάζουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Αμφότερες οι ενώσεις έχουν μοριακό βάρος 58.1 αλλά διαφέρουν στα σημεία τήξεώς τους. Βουτάνιο: σ.ζ ο C σ.τ ο C Μεθυλο-προπάνιο: σ.ζ. -12 ο C σ.τ ο C Παράδειγμα βιβλίου11.2 σελ 338.

Τα κυκλοαλκάνια είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες με μορφή δακτυλίου. Δηλαδή οι δεσμοί C-C είναι απλοί και σχηματίζουν κυκλική αλυσίδα. Τα κυκλοαλκάνια ονομάζονται επίσης και κυκλοπαραφίνες Έχουν γενικό μοριακό τύπο C v H 2v και ως εκ τουτου έχουν 2 υδρογόνα λιγότερα από τα αντίστοιχα αλκάνια C v H 2v+2. όλα τα μέλη προκύπτουν με αύξηση κατά μια μονάδα του v. Τα πρώτα μέλη των αλκανίων: αλκάνιο κυκλοαλκάνιο Εξάνιο κυκλοεξάνιο

Ονοματολογία κυκλοαλκανίων Ακολουθούμε τους κανόνες για τα αλκάνια μόνο που βάζουμε μπροστά από το κύριο όνομα το πρόθεμα κύκλο. Παραδείγματα:

Διαμορφώσεις Αλκανίων-κυκλοαλκανίων

Οι διαμορφώσεις είναι διαφορετικές διατάξεις στο χώρο ενός μορίου, οι οποίες παράγονται με περιστροφή γύρω από απλούς δεσμούς Αιθάνιο

Χημικές Ιδιότητες Αλκανίων-Κυκλοαλκανίων (Αντιδράσεις) 1. Καύση Τα αλκάνια, τα κυκλοαλκάνια και γενικά οι υδρογονάνθρακες μπορούν να οξειδωθούν (καύση) παρουσία περίσσειας μοριακού οξυγόνου. Στην αντίδραση αυτή, ονομαζόμενη καύση, οι υδρογονάνθρακες καίγονται σε υψηλή θερμοκρασία παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό, με απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας υπό τη μορφή θερμότητας. Για παράδειγμα η καύση του μεθανίου: CH 4 + 2O 2 →CO 2 + 2H 2 O + Q Όλα τα αλκάνια πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, με περίσσεια οξυγόνου οξειδώνονται τόσο γρήγορα προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό, ώστε να λέμε ότι καίγονται (με τον όρο καύση χαρακτηρίζεται οποιαδήποτε χημική αντίδραση συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και φωτός).καίγονται

Η γενική εξίσωση της πλήρους καύσης των αλκανίων έχει την παρακάτω μορφή Ερώτηση: Ποια είναι η γενική εξίσωση της πλήρους καύσης των υδρογοναθράκων γενικά; Ποια των κυκλοαλκανίων? Ερώτηση: Κατά την καύση 1 mol υδρογονάνθρακα σχηματίζονται 8 mol CO 2 και 8 mol H 2 O. Προσδιορίστε τον μοριακό τύπο του υδρογονάνθρακα και δώστε την πλήρη αντίδραση καύσεως.

2. Αλογόνωση Τα αλκάνια και κυκλοαλκάνια μπορούν να αντιδράσουν με αλογόνα (συνήθως χλώριο και βρώμιο). Η αντίδραση λέγεται αλογόνωση και είναι μια αντίδραση υποκατάστασης. Τα προϊόντα της αντίδρασης αυτής είναι αλκυλαλογονίδια ή αλογονοαλκάνια και ένα υδραλογονίδιο. Τα αλκάνια δεν είναι δραστικά μόρια, ενώ τα λακυλαλογονίδια είναι πολύ χρήσιμα αντιδραστήρια για τη σύνθεση άλλων οργανικών ενώσεων. Έτσι, η αντίδραση αλογόνωσης είναι πολύ χρήσιμη, διότι μετατρέπει τα σχετικά αδρανή αλκάνια σε δραστικές ενώσεις για τη σύνθεση διαφόρων οργανικών ενώσεων. Αυτό βρίσκει εφαρμογή κυρίως στη φαρμακευτική βιομηχανία για τη σύνθεση φαρμάκων. Η δραστικότητα των αλογόνων ακολουθεί την εξής σειρά: φθόριο >> χλώριο > βρώμιο >> ιώδιο. Έτσι, η απευθείας φθορίωση των αλκανίων γίνεται συνήθως βίαια και συχνά με έκρηξη.αλογόνωνφθόριοχλώριο βρώμιοιώδιο

Γι' αυτό τον λόγο συνήθως εφαρμόζονται ειδικές μέθοδοι για την παρασκευή φθοροπαραγώγων. Η αντίδραση με χλώριο είναι σχετικά γρήγορη, με βρώμιο πιο αργή, απαιτεί σημαντική ποσότητα υπεριώδους ακτινοβολίας και είναι πιο εκλεκτική, ενώ με ιώδιο είναι εξαιρετικα βραδεία και ενεργοβόρα. Η αλογόνωση λαμβάνει χώρα μόνο με θέρμανση και/ή φως, όπως δείχνεται από τις συνθήκες αντίδρασης πάνω στο βέλος. Ακολουθεί η γενική αντίδραση της αλογόνωσης ενός αλκανίου: Αλκάνιο Αλογόνο Αλκυλαλογονίδιο Υδραλογόνίδιο Ερώτηση: κυκλοεξάνιο + χλώριο παρουσία φωτός ή θέρμανση  προϊόν? Στα σύνθετα αλκάνια η αλογόνωση μπορεί να λάβει χώρα σε όλες τις θέσεις και να ληφθεί μίγμα μονοϋποκατεστημένων Η/C. Π.χ. η βρωμίωση του προπανίου

Ερωτήσεις κεφαλαίου:  Σχεδιάστε τους συνοπτικούς τύπους των παρακάτω ενώσεων: a) 1,2-διβρωμο-διμεθυλο-προπάνιο β) 3-αιθυλο-2-μεθυλο-εξάνιο  Χρησιμοποιώντας την ονοματολογία κατά IUPAC, ονομάστε τις παρακάτω ενώσεις: a) CH 3 CH 3 CH 2 (CH 3 )CH 2 (CH 3 )CH 3 b) c)  Να συμπληρωθούν οι ακόλουθες αντιδράσεις. Να γραφούν τα προϊόντα και οι συντελεστές της αντίδρασης, όπου χρειάζεται: 1.Κυκλοπροπάνιο + χλώριο (παρουσία φωτός) 2.Πεντάνιο + Ο 2 3.Κυκλοβουτάνιο + Ο 2  Ποια ένωση από τα παρακάτω ζεύγη έχει το μεγαλύτερο σημείο ζέσεως: Α) επτάνιο ή 2,3-διμεθυλο πεντάνιοΒ) επτάνιο ή δεκάνιο