CHÉMIA Pracovný list 16 -1- ATÓMY UHLÍKA V MOLEKULÁCH ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN Otázky a úlohy Pracovný list 16 CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Prekrytie orbitalov pri vzniku väzby σ b a z pri vzniku väzby π c 1. Aký je rozdiel medzi väzbou σ a väzbou π ? 2. Pomocou uvedenej rámčekovej schémy určte: a) či je väzba medzi atómami v danej molekule, jednoduchá alebo násobná, b) koľko neväzbových elektrónových párov sa nachádza v molekule, c) napíšte jej elektrónový štruktúrny vzorec . 7N [2He] 2s22p3 ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↓ 1H 1s1 NH3 Väzby v molekule NH3 sú ....................................; Počet neväzbových párov je ..................... ; Elektrónový štruktúrny vzorec je: 8O [2He] 2s22p4 ↑↓ ↑ ↑ Väzby v molekule H2O sú ....................................; H2O 6C * [2He] 2s22p2 ↑ Väzby v molekule CH4 sú ....................................; CH4 17Cl [10Ne] 3s23p5 ↑↓ ↑↓ ↑ 1H 1s1 HCl Väzby v molekule HCl sú ....................................; H Cl Model molekuly HCl V šesťdesiatych rokoch minulého storočia zaviedol ruský vedec A. M. Butlerov do organickej chémie pojem chemická štruktúra, čo dnes znamená KONŠTITÚCIA. 3. Racionálne vzorce a, b, c , d , e prepíšte tak, že vyznačíte uhlíky, vodíky a väzby medzi nimi. b) a) c) CH3 / e) d) CH3CHCHCH3 | CH2CH3 4. Zatrieďte podľa príslušnej schémy rozdelenia uhľovodíkov a tabuľky 1 nasledujúce látky: CH3Cl, C4H10, CH3–NH2, C6H5–OH , C6H5–NO2, CH3CHO, RCOOH, R–O–R, CH3–OH , R–NH–R , H3C C=O ROZDELENIE UHĽOVODÍKOV acyklické − (alifatické) nasýtené – alkány nenasýtené – alkény; – diény, triény až polyény – alkíny cyklické − (cykloalkány) nasýtené nenasýtené (cykloalkény) alicyklické − aromatické Uhľovodíky − Halogénderiváty -F, -Cl, -Br, -I Nitroderiváty -NO2 Amíny primárne -NH2 sekundárne >NH terciárne >N– alkoholy a fenoly -OH (Hydroxyderiváty) Étery R–O– Karbonylové zlúčeniny Aldehydy Ketóny PREHĽAD CHARAKTERISTICKÝCH SKUPÍN derivátov uhľovodíkov Tabuľka 1 Deriváty uhľovodíkov Charakteristické skupiny Karboxylové -COOH kyseliny Deriváty karboxylových kyselín Halogenidy kyselín –CO-X Anhydridy R-CO-O-CO-R Estery R-CO-O-R C O Model molekuly H2O Model molekuly CH4 Model molekuly NH3 N Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.)

indikátorový papierik -2- Atómy uhlíka v molekulách organických zlúčenín Otázky a úlohy 5. Doplňte chýbajúce pojmy. Pracovný list 16 CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Uveďte, ktoré z nasledujúcich uhľovodíkov patria medzi alifatické uhľovodíky a) alkány b) alkény, c)alkadiény, d) alkíny ? ................... .................... ......................... ........................ CH3–CH–CH2–CH3 CH3 CH2=C=CH2 , CH2=CH2 , CH2=CH–CH2–CH3 , CH3–CC–CH3 , HCCH , CH3–CH2–CH3 , 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 1) 2) 3) Uveďte, ktoré z nasledujúcich uhľovodíkov patria medzi: a) alicyklické b) aromatické ? H3C CH=CH2 CH2CH3 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 1) 2) ........................................ .......................................... Rozhodnite, ktoré z častíc patria medzi radikálové, nukleofilné alebo elektrofilné: CH3, OH–, NH3, Cl+, SO3H+, Br, CH3O–, CH3OH, NO2+ , H2O CH3 NH2 -I efekt δ+ δ− −M -I NO2 +M NH2 +I CH3 Cl Doplňte schémy : a) adície CH2=CH2 + H2O  ... b) adície CH2=CH2 + Br2  ... c) eliminácie CH3-CH2-CH2–Cl  ... + HCl d) substitúcie CH3-CH2 -CH2- CH2–I + CH3O– Na+  ... + ... e) substitúcie CH3CH2CH2CH2CH2CH3 + Br2  ... + ... f) prešmyku CH2 = CH – OH  ... Hexán po zohriatí reaguje s brómom. Uvoľnený bromovodík sfarbí mokrý indikátorový papierik na červeno. Etén Etén reaguje s brómom. Po zavedení eténu (vľavo) sa bróm hneď odfarbuje (vpravo) C O H -I efekt δ- CH3 OI Elektronegatívnejší atóm kyslíka priťahuje k sebe obidva väzbové elektrónové páry. Spôsobuje –I efekt. efekt CH3 C O─ H Metylová skupina poskytuje väzbový elektrónový pár, ide o +I efekt Väzbovosť, ako už viete, vyplýva z elektrónovej konfigurácie atómov prvkov. ─N─, ─ C─ , ׀ ─O─, ─H ─ S─, ─Cl , Rozhodnite, medzi ktoré typy základných reakcií patria : a) HCCH + H2O  H2C=CH-OH CH3CHO → ← b) (CH3)3C-OH + HCl  (CH3)3C-Cl + H2O c) -H2 kat. d) CH3CH=CHCH3 + Br2  Br CH3CH─CH CH3 ..................... ..................... ..................... Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.)

Modely stereoizomérov Acetylénový zvárací agregát CH ≡ CH -1- ALIFATICKÉ A ALICYKLICKÉ UHĽOVODÍKY Otázky a úlohy Pracovný list 17 ROZDELENIE UHĽOVODÍKOV acyklické − (alifatické) nasýtené – alkány nenasýtené – alkény; – diény, triény až polyény – alkíny cyklické − alicyklické − aromatické (cykloalkány) nasýtené nenasýtené (cykloalkény) Uhľovodíky − 1. Doplňte chýbajúce pojmy. Uveďte názvy a vzorce týchto uhľovodíkov. e) .................... f) .......................... g) ............................... h) ..................... ch) ...................... CH3 / CH3–CH2–CH2–CH–C–CH3 CH2=CH–CH2–CH2–CH2–CH3 1 2 3 4 5 6 CH3–CH2–CH2–C≡C–CH3 6 5 4 3 2 1 CH3–CH2–C –––C–CH2–CH3 || CH2 a) ........................................... b) ................................ c) ............................... d) ..................................................... CH2CH3 ―CH=CH2 buta-1,3-dién 4-etyl-2,2,3-trimetylheptán but-1-ín vinylcyklopropán i) ............................................. j) ................................ k) ............................... l) ................................... Pre alkány a cykloalkány sú charakteristické radikálové substitučné reakcie. Na uvedenom príklade charakterizujte príslušný reakčný mechanizmus (iniciácie, propagácie a terminácie). a) Cl – Cl  2 Cl b) Cl + CH4  CH3 + HCl , CH3 + Cl2  CH3-Cl + Cl c) CH3 + Cl  CH3-Cl Iniciácia je vznik .............................. ; propagácia je vznik ...................... a ........................... ; terminácia je ........................... . (pokračovanie deja; ukončenie deja) (iónov, produktov, radikálov) Doplňte produkt reakcie propénu s chlorovodíkom . Uplatňuje sa tu * Markovnikovovo pravidlo? (Pozn.: * Pri nesymetrických alkénoch v dôsledku + I –efektu sa kladná časť činidla naviaže na uhlík s väčším počtom vodíkov.) +I efekt CH3 CH = CH2 δ+ δ- CH3 CH – CH2 – +  CH3–CH=CH2 + H–Cl  ............................. δ− Modely stereoizomérov but-2-énu cis-izomér trans-izomér Vysvetlite, či existujú cis-, trans- izoméry but-1-énu a pent-2-énu. H C = C CH2–CH3 H3C ................... (áno, nie) CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Metán je hlavnou zložkou paliva – zemného plynu Napíšte vzorec a názov produktu, ktorý vznikne pri adícii brómu na etén. CH2=CH2 + Br2  … Napíšte vzorec produktu, ktorý vznikne pri katalytickej hydrogenácii but-2-énu: ................................... Acetylidy kovov napr. HCCAg, HCCCu sú výbušné. (CC)Ca sa používa na prípravu acetylénu rozkladom s vodou. Doplňte produkty reakcie: (CC)Ca +  2 H2O  ....................... + ....................... Etén Etén reaguje s brómom. Po zavedení eténu (vľavo) sa bróm hneď odfarbuje (vpravo) Acetylén odfarbí roztok KMnO4 Etén vzniká pri dozrievaní ovocia a používa sa na urýchlenie jeho dozrievania Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.) Propán-butánový turistický varič Nádrž na autogas v automobile

CHÉMIA Horenie sviečky z parafínu: C23H48 + 35 O2 → 23 CO2 +24 H2O -2- Pozorovanie plameňa (zľava: metán, bután, benzín, parafín) metán bután benzín parafín -2- Alifatické a alicyklické uhľovodíky Otázky a úlohy 2. Doplňte chýbajúce pojmy. Pracovný list 17 CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Alkány do troch uhlíkových atómov v molekule neprejavujú (reťazovú) izomériu. Uhľovodíky C4H10 existujú už dva. Obidve zlúčeniny sa odlišujú svojimi vlastnosťami. Počet konštitučných izomérov alkánov rýchlo stúpa so vzrastajúcim počtom uhlíkových atómov v ich molekulách. Alkány s C5 sú 3, alkánov C10 už 75 a alkánov C20 dokonca 366 319. CH3–CH–CH3 CH3 metylpropán (izobután) t.t. -159°C ; t.v. -12°C CH3–CH2–CH2–CH3 t.t. -135°C; t.v. 0°C Model izomérov butánu C4H10 Pri štúdiu fyzikálnych vlastností etánu sa zistilo, že v jeho molekulách môže nastať okolo väzby C–C rotácia, a tým vznikne rozdielne priestorové usporiadanie jeho molekúl – konformácia ........................................ (obr. a) a konformácia ................................................ (obr. b, str. 83 v učeb.). Podobné úvahy ako pre etán platia i pre ďalšie alkány. a b Modely konformácií molekúl etánu c d molekuly cyklohexánu Konformácie cyklohexánu – .....................................(obr. c) a .............................................(obr. d). O priestorovom usporiadaní atómov v molekulách metánu sme už hovorili. Pripomeňme si ho obrázkom 12, str. 54 v učeb. Všetky väzby C–H uzatvárajú navzájom ten istý uhol, a to 109°28´. Alkány a cykloalkány, podobne ako ostatné uhľovodíky a mnohé ďalšie organické zlúčeniny v nadbytku vzdušného kyslíka sa oxidujú na oxid uhličitý a vodu, pričom sa uvoľňuje energia. Oxidácia uhľovodíkov (horenie) má veľký význam ako zdroj energie (vykurovanie, pohon motorov). Pri nedostatku kyslíka nastáva len čiastočná oxidácia a medzi produktmi horenia je aj jedovatý oxid uhoľnatý, prípadne i sadze. Kontrolovanou katalytickou oxidáciou uhľovodíkov vzdušným kyslíkom sa pripravuje viacero dôležitých organických zlúčenín, ako sú alkoholy, karbonylové zlúčeniny a karboxylové kyseliny. Metán je bezfarebný plyn. Je hlavnou súčasťou zemného plynu. Využíva sa ako chemická surovina na výrobu syntézneho plynu (t.j. zmesi CO + H2), vodíka, acetylénu, sadzí a chlorovaných derivátov metánu. Zmes metánu so vzduchom po zapálení vybuchuje – nebezpečenstvo v baniach. V prírode vzniká rozkladom celulózy (bahenný plyn), nachádza sa v bioplyne, kde vzniká enzymatickým rozkladom z poľnohospodárskych a mestských odpadov. Etán , propán a bután sú plyny, ktoré sprevádzajú metán v zemnom plyne. Zmes propánu a butánu sa používa ako palivo do varičov. Zmes pentánov a hexánov je podstatou petroléteru, ktorý sa v laboratóriu používa ako rozpúšťadlo. Cyklohexán je kvapalina, ktorá sa získava z ropných frakcií. Je surovinou na výrobu plastov. Dehydrogenáciou vzniká benzén. Dôkaz vodíka, ktorý je v produkte horenia ako .................................. je zarosenie stien nádoby. Dôkaz uhlíka, ktorý je v produkte horenia ako ............................... .............................. je v zmene číreho roztoku hydroxidu vápenatého, ktorý reakciou s oxidom uhličitým utvára bielu zrazeninu uhličitanu vápenatého. Reakciu zapíšte chemickou rovnicou: ............................ + Ca(OH)2  ............................. + H2O . Vysvetlite princíp horenia sviečky. Horenie sviečky z parafínu: C23H48 + 35 O2 → 23 CO2 +24 H2O Uveďte názvy izomérov pentánu. Model izomérov pentánu C5H12 CH3CH2CH2CH2 CH3 CH3–CH2–CH2–CH–C–CH2–CH3 CH3–C–CH3 CH3–CH–CH2–CH3 Uveďte sumárny vzorec a názov uhľovodíka, ktorého konštitučný vzorec je: ............................................. .......................................................................... ............................ ...................................... ............................. Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.) CH3CH2CH2CH2CH2CH2Br CHCl3 Beilsteinova skúška ako dôkaz organických halogénderivátov Cu (meď)

CHÉMIA Pracovný list 18 -1- AROMATICKÉ UHĽOVODÍKY – ARÉNY Otázky a úlohy 1. Doplňte chýbajúce pojmy. CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Aromatické uhľovodíky - arény – sú cyklické uhľovodíky s konjugovaným systémom väzieb π. V molekulách arénov, ktoré sú rovinné, v skutočnosti sa nestriedajú jednoduché a dvojité väzby, ale elektróny π dvojitých väzieb sú rovnomerne rozložené nad a pod rovinou, v ktorej sa nachádzajú atómy tvoriace kruh. Rozloženie elektrónov π alebo ich delokalizácia spôsobuje aromatickým uhľovodíkom mimoriadnu stálosť. Zlúčeniny, ktoré majú delokalizované elektróny π , sú energeticky chudobnejšie, ako by boli zlúčeniny s molekulami, ktoré majú elektróny lokalizované v jednoduchých a dvojitých väzbách. Rozdiel energií týchto zlúčenín sa volá delokalizačná energia. 20. Rozloženie šiestich elektrónov π v molekule benzénu (6 elektrónov π utvára prstence nad a pod rovinou kruhu) π elektróny Medzi elektrofilné substitúcie arénov, okrem nitrácie, patrí halogenácia, napr. chlorácia alebo bromácia, ďalej sulfonácia, alkylácia a acylácia. Niekoľko príkladov substitučných reakcií na benzéne znázorňuje schéma: Doplňte v schéme názov príslušného deja. benzénsulfónová kyselina (Dej:....................) benzén H2SO4 Br2 FeBr3 CH3CH2Cl AlCl3 CH3COCl brómbenzén (Dej:..........................) SO3H + H2O Br + HBr etylbenzén CH2CH3 + HCl CO–CH3 + HCl acetylbenzén (Dej:.......................) Pre arény sú charakteristické substitučné reakcie, pri ktorých sa zachováva ich aromatický charakter. Označujú sa ako elektrofilné substitúcie (SE) a umožňuje ich elektrónový π systém. HNO3 , H2SO4 – H2O .................... ......................... NO2 Príkladom substitúcie je nitrácia benzénu. Uskutočňuje sa nitračnou zmesou, je to zmes kyseliny dusičnej a sírovej. Pri reakcii sa nahrádza vodík (protón H+ ) v molekule benzénu nitroskupinou (nitróniovým katiónom NO2+ ) a vzniká nitrobenzén. Pri substitúciách benzénu do prvého stupňa je jedno, ktorý z vodíkov molekuly benzénu sa substituuje, lebo vzniká ten istý produkt. Keď reakcia prebieha ďalej a vzniká disubstituovaný produkt, potom môže druhý substituent voči prvému sa viazať na tri rozličné polohy. To, kde tento druhý substituent vstupuje, nie je náhodné, ale závisí od charakteru prvého substituenta (substituenta, ktorý sa nachádza na benzénovom jadre). Tak skupiny ako –NO2, –SO3H alebo –COOH, orientujú vstup druhého substituenta do polohy m- (preto ich nazývame m-orientujúce), skupiny, ako sú alkyly, –OH, –NH2 alebo halogény, orientujú vstup druhého substituenta do polohy o- a p- (preto sa nazývajú o-, p- orientujúce). ........... ........................ O2N 3-nitrotoluén (10%) 4-nitrotoluén (40%) CH3 HNO3 + 2-nitrotoluén (50%) Už sme spomenuli, že arény sa nesprávajú ako nenasýtené uhľovodíky a bežne neposkytujú adičné reakcie. Výnimku však možno vynútiť účinkom katalyzátorov, tepla alebo ultrafialového žiarenia. Tak benzén sa môže kataly- ticky hydrogenovať na cyklohexán, alebo môže adovať chlór pri zvýšenej teplote a ultrafialovom žiarení na 1,2,3,4,5,6-hexachlórcyklohexán. ................. 3 H2 Pt .............. 1,2,3,4,5,6-hexachlórcyklohexán Cl 3 Cl2 UV žiarenie V obidvoch prípadoch sú to radikálové adície. Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.) Uhlie Ropa

CHÉMIA -2- Aromatické uhľovodíky – arény Pracovný list 18 Naftalén je .............................. látka (t.t. 80,4°C, t.v. 218°C), prítomná v hojnom množstve v čiernouhoľnom dechte. Naftalén je surovina, ktorá sa používa pri výrobe najrôznejších organických zlúčenín, kyseliny ftalovej a rozličných farbív. -2- Aromatické uhľovodíky – arény Otázky a úlohy 2. Doplňte chýbajúce pojmy. Pracovný list 18 CHÉMIA ZLÚČENÍN UHLÍKA Organická chémia I CHÉMIA PRE 2.ROČNÍK GYMNÁZIÍ Významné sú aj oxidácie arénov, najmä ich postranných reťazcov, ktoré sa pritom menia zvyčajne na karboxylové kyseliny. Tak z toluénu vzniká kyselina benzoová. ............ CH3 COOH ( O ) kyselina benzoová Nitrácia aromatických uhľovodíkov je (SE ) ................................. ............................. . Vodík na aromatickom kruhu sa nahradí elektrofilnou časticou ...................... . Xylény poznáme tri; o-xylén (t.v. 144°C) sa používa na výrobu ftalanhydridu, p-xylén (t.v. 138°C) sa používa na výrobu kyseliny tereftalovej. V obidvoch prípadoch je to ......................... metylových skupín na skupiny karboxylové. NO2 HNO3 , H2SO4 o-xylén ............................ 1- nitronaftalén (plynná, kvapalná, pevná) (oxidácia, redukcia) 3. Doplňte chýbajúce údaje: CH=CH2 HCl b) Vzorec: ............................ c) Dej: ............................ 6 H a) KMnO4 (ox.) Priemyselná výroba arénov pyrolýzou uhlia sa v súčasnosti nahrádza výrobou z ropy. Čiernouhoľný decht (obsahuje viac ako 300 dôležitých zlúčenín – benzén, naftalén,…) Uhlie ako surovina – premena na koks, decht, amoniak a koksárenský plyn (svietiplyn) Koksárenský plyn „Suchá destilácia“ čierneho uhlia Uhlie Koksárenský plyn Studená voda Roztok amoniaku Decht C H Seminár z CH 21 (41. , 42. vyuč. hod.) Ropa Zemný plyn