الباب الخامس: الكيمياء العضوية
الألكانات والميثان
Alkanes — OCR + builder + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
Alkanes — OCR + builder + SVG.
- ✓يُعرّف الألكانات CₙH₂ₙ₊₂ والسلسلة المتجانسة
- ✓يُسمّي الألكانات والمجموعات الألكيلية R−
- ✓يشرح تحضير الميثان في المختبر
- ✓يكتب الاحتراق والHalogenation والتكسير
| الاسم | الصيغة | C_{n}H_{2n+1} |
|---|---|---|
| ميثان | CH_{4} | CH_{4} |
| ايثان | CH_{3}-CH_{3} | C_{2}H_{6} |
| بروبان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{3} | C_{3}H_{8} |
| بيوتان | C H_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{4}H_{10} |
| بنتان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{5}H_{12} |
| هكسان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{6}H_{14} |
| هبتان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{7}H_{16} |
| أوكتان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{8}H_{18} |
| نونان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{9}H_{20} |
| ديكان | CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{2}-CH_{3} | C_{10}H_{22} |
| R-H ألكان C₈H₂₀+2 | أمثلة | |
|---|---|---|
| CH₄ ميثان C₂H₆ C₃H₈ بروبان C₄H₁₀ | - CH₃ ميثيل - C₂H₅ - C₃H₇ بروبيل - C₄H₉Cl | كَلوريد ميثيل CH₃Cl بروميد ايثيل C₂H₅Br بريديد البروبيل C₃H₇I كلوريد بيوتيل |
لماذا يُعبّأ البروبان والبيوتان في أسطوانات بينما يُستخدم الميثان مباشرة من شبكة الغاز الطبيعي؟ ما علاقة عدد ذرات الكربون بدرجة الغليان؟
الصيغة العامة للألكانات:
حيث n = عدد ذرات الكربون · جميع الروابط C−C و C−H أحادية (مشبعة)
مجموعة مركبات يجمعها قانون جزيئي عام وتشترك في خواصها الكيميائية وتتدرج في خواصها الفيزيائية (مثل درجة الغليان).
تلعب الألكانات دوراً هاماً كوقود ومواد أولية؛ توجد بكميات كبيرة في النفط الخام ويُفصل بينها التقطير التجزيئي.
ميثان 50–90%
وقود منازل
بروبان + بيوتان
وقود مناطق باردة/دافئة
كيروسين · ديزل
زيوت تشحيم
شمع بارافين
ألكانات طويلة
أمثلة: CH₃Cl كلورو ميثان · C₂H₅Br بروميد إيثيل · C₃H₇I يوديد بروبيل · C₄H₉Cl كلوريد بيوتيل
تدريب: 3,2−ثنائي ميثيل بنتان · 6,3−ثنائي ميثيل أوكتان · 5,4,4,3−رباعي ميثيل أوكتان · 2−chloro−4,4−dimethyl hexane · 2−bromo−3−methyl butane
تحضير الميثان في المختبر: التقطير الجاف لملح أسيتات الصوديوم اللامائية مع جير الصوديوم (NaOH + CaO). CaO لا يدخل التفاعل — يخفض درجة انصهار الخليط.
C1–C4 غازات
C5–C17 سوائل
>17 صلبة
غير قطبية · لا تذوب في الماء
↑ درجة الغليان مع ↑ الكتلة
روابط σ قوية
خاملة نسبياً
تتفاعل تحت ظروف خاصة
احتراق · halogenation · تكسير
الميثان وقود منازل · البروبان/البيوتان في أسطوانات (نسبة البروبان ↑ في المناطق الباردة) · الألكانات الثقيلة تُغطى بالشحم لحماية المعادن من التآكل.
تفاعل استبدال Substitution — بالتسخين ~400°C أو أشعة UV. يتوقف الناتج على نسبة CH₄ : Cl₂.
CH₄ + Cl₂ →
CH₃Cl + HCl
كلورو ميثان
CH₃Cl + Cl₂ →
CH₂Cl₂ + HCl
ثنائي كلورو ميثان
CH₂Cl₂ + Cl₂ →
CHCl₃ + HCl
الكلوروفورم
CHCl₃ + Cl₂ →
CCl₄ + HCl
رباعي كلورو ميثان
تدريب: ما نواتج تفاعل الإيثان مع الكلور؟ اكتب الصيغ البنائية.
CHCl₃ (الكلوروفورم) كان مخدراً — توقف لعدم دقة الجرعة · يُستخدم Halothane CHBrClCF₃ (2−برومo−2−كلورo−1,1,1−ثلاثي فلورoإيثان) بأمان أكثر.
1,1,1−ثلاثي كلورoإيثان — التنظيف الجاف.
الفريونات (مثل CF₂Cl₂ ثنائي كلورo−ثنائي فلورoميثان) — تكييف · ثلاجات · دافعات · غير سامة — لكنها تآكل طبقة الأوزون التي تحمي من UV. اتفاق دولي يحد استخدامها من 2020.
ترتبط كلُّ ذرة كربون في الألكان تساهُميًّا مع أربع ذرات أخرى. يُمكننا ملاحَظة ذلك في الشكل الآتي. ترتبط بعض ذرات الكربون مع ذرتَيْ كربون وذرتَيْ هيدروجين أخريَيْن. وترتبط ذرات الكربون الأخرى ب ذرة كربون واحدة وثلاث ذرات هيدروجين. ولكنْ ترتبط جميع ذرات الكربون والهيدروجين دائمًا برابطة تساهُمية أحادية. توضِّح الصورة الآتية ثلاث جزيئات ممثَّلة من الألكانات. يمثِّل الصفُّ العُلوي الجزيئات باستخدام نموذج الكرة والعصا، ويمثِّل الصفان الثاني والثالث الجزيئات باستخدام الصيغة الجزيئية والصيغة التوضيحية.
تتكوَّن الروابط التساهُمية من إلكترونات سالبة الشحنة، الأمر الذي يفسِّر وجودًا دائمًا لتنافر كهروستاتيكي بين جميع الروابط التساهُمية الأربع حول أيِّ ذرة كربون مركزية. تُدفَع الروابط التساهُمية بعيدًا بعضها عن بعض، ثم تأخذ في النهاية شكلًا يقلِّل من شدَّة قُوى التنافر الكهروستاتيكية. وفي النهاية، توزَّع الذرات الأربع المرتبطة تساهُميًّا كأنها أركان رباعي الأوجه، وتنشأ زاوية قياسها 1 0 9. 5 ∘ بين كلِّ رابطة من الروابط التساهُمية الأربع.
تتكوَّن الروابط التساهُمية من إلكترونات سالبة الشحنة، الأمر الذي يفسِّر وجودًا دائمًا لتنافر كهروستاتيكي بين جميع الروابط التساهُمية الأربع حول أيِّ ذرة كربون مركزية. تُدفَع الروابط التساهُمية بعيدًا بعضها عن بعض، ثم تأخذ في النهاية شكلًا يقلِّل من شدَّة قُوى التنافر الكهروستاتيكية. وفي النهاية، توزَّع الذرات الأربع المرتبطة تساهُميًّا كأنها أركان رباعي الأوجه، وتنشأ زاوية قياسها 1 0 9. 5 ∘ بين كلِّ رابطة من الروابط التساهُمية الأربع.
الميثان ( C H 4 ) هو أبسط الألكانات. فهو يحتوي على ذرة كربون واحدة فقط مرتبطة تساهُميًّا مع أربع ذرات هيدروجين. أمَّا الإيثان ( C H 2 6 )، فهو جزيء أكثر تعقيدًا إلى حدٍّ ما من الناحية البنائية، ويحتوي على ذرتَيْ كربون وستِّ ذرات هيدروجين. الميثان والإيثان هما العضوان الأوَّلان في سلسلة الألكانات المتجانِسة المستقيمة السلسلة، والبروبان ( C H 3 8 ) هو العضو الثالث.
ثمَّة عدد لا نهائي تقريبًا من الألكانات المختلفة، ولكنْ من المُثير للاهتمام أن نذكر أن هناك اتجاهات عامَّة تربط بين أحجام الألكانات وخواصِّها الفيزيائية. فقد وُجِد أن الألكانات الأطول لها بوجه عامٍّ درجات غليان وانصهار أعلى. يُمكننا فهْم هذا الاتجاه، إذا تناولنا اختلاف قُوى التشتُّت بين سلاسل الألكانات ذات السلسلة القصيرة وذات السلسلة الأطول.
تعتمد قُوى التشتُّت على أحجام جزيئات الألكانات المتفاعِلة وأشكالها. وتكون قُوى التشتُّت أشدَّ عندما تكون هناك مساحة سطح أكبر للتلامُس بين الجزيئات المتجاوِرة. بوجهٍ عامٍّ، ثمَّة مساحة سطح أكبر للتلامُس بين الجزيئات المتجاوِرة التي تكون أطول والتي تحتوي على المزيد من ذرات الكربون؛ إلَّا أن هذه العلاقة البسيطة يُمكن أن تكون معقَّدة بسبب زيادة تفرُّع سلسلة الألكان. عادة ما تكون هناك مسافة أكبر بين جزيئات الألكانات التي تحتوي على الكثير من التفرُّعات؛ لأن هذه الجزيئات لا يُمكنها أن تتراصَّ بعضها فوق بعض بشكل فعَّال.
تُستخدَم الألكانات بعد ذلك مصدرَ طاقةٍ للطائرات، والشاحنات، والسيارات، والسفن. نحصل على الطاقة عن طريق تسخين الألكانات باللَّهب، والسماح لها بالتفاعل مع وجود كمية وفيرة من الأكسجين. يُسمَّى هذا التفاعل الكيميائي الاحتراق الكامل، ودائمًا ما يكون طاردًا للحرارة. تَصِف الصيغة الجبرية الآتية عملية الاحتراق الكامل لأنواع مختلفة من الألكانات: C H O C O H O + 𝑥 + 𝑦 4 ⟶ 𝑥 + 𝑦 2
من المُهِمِّ إدراك أن الألكانات لا تحترق بالكامل إلَّا عندما يتوفر لها قدر كافٍ من الأكسجين لتتفاعَل معه. وستحترق الألكانات احتراقًا غير كامل إذا لم تتمكَّن من التفاعُل مع قدرٍ كافٍ من جزيئات الأكسجين. يُمكن التمييز بين الاحتراق الكامل وغير الكامل بسهولة؛ لأن تفاعل الاحتراق الكامل يُنتِج ثاني أكسيد الكربون ( C O 2 )، بينما يُنتِج تفاعل الاحتراق غير الكامل أول أكسيد الكربون ( C O ) أو السناج ( C ). معادلات تفاعُل الاحتراق الكامل وغير الكامل للهيبتان تكون على النحو الآتي: ا ﺣ ﺘ ﺮ ا ق ﻛ ﺎ ﻣ ﻞ ا ﺣ ﺘ ﺮ ا ق ﻏ ﻴ ﺮ ﻛ ﺎ ﻣ ﻞ ﻣ ﻊ ﻛ ﻤ ﻴ ﺔ ﻣ ﺤ ﺪ و د ة ﻣ ﻦ ا ﻷ ﻛ ﺴ ﺠ ﻴ ﻦ ا ﺣ ﺘ ﺮ ا ق ﻏ ﻴ ﺮ ﻛ ﺎ ﻣ ﻞ ﻣ ﻊ ﻛ ﻤ ﻴ ﺔ أ ﻗ ﻞ ﻣ ﻦ ا ﻷ ﻛ ﺴ ﺠ ﻴ ﻦ C H ( ) + 1 1 O ( ) 7 C O ( ) + 8 H O ( ) C H ( ) + O ( ) 7 C O ( ) + 8 H O ( ) C H ( ) + 4 O ( ) 7 C ( ) + 8 H O ( ) 7 1 6 2 2 2 7 1 6 2 2 7 1 6 2 2 l g g l l g g l l g g l 9 2
دعونا نتناول السلسلة الآتية من المركَّبات في الجدول، والتي تنتمي إلى عائلة الألكانات، لمعرفة أوجُه التشابه والاختلاف.
يحتوي الميثان على ذرة كربون واحدة وأربع ذرات من الهيدروجين. وصيغته هي C H 4. المركَّب الثاني في هذه العائلة هو الإيثان، الذي يحتوي على ذرتَي كربون وست ذرات من الهيدروجين. وصيغة الإيثان هي C H 2 6. إذن، إذا أخذنا الميثان وأضفنا ذرة C واحدة وذرتَي H، نحصل على الإيثان C H 2 6. ويختلف الإيثان عن الميثان بوحدة C H 2 واحدة.
يحتوي الميثان على ذرة كربون واحدة وأربع ذرات من الهيدروجين. وصيغته هي C H 4. المركَّب الثاني في هذه العائلة هو الإيثان، الذي يحتوي على ذرتَي كربون وست ذرات من الهيدروجين. وصيغة الإيثان هي C H 2 6. إذن، إذا أخذنا الميثان وأضفنا ذرة C واحدة وذرتَي H، نحصل على الإيثان C H 2 6. ويختلف الإيثان عن الميثان بوحدة C H 2 واحدة.
إذا قارنَّا الآن الإيثان بالمركَّب التالي في عائلة الألكانات، وهو البروبان، فسنحصل على النتيجة نفسها. يحتوي الإيثان على ذرتَي كربون وست ذرات هيدروجين. وصيغته هي C H 2 6. المركَّب التالي في سلسلة عائلة الألكانات هو البروبان. يحتوي البروبان على ذرة كربون إضافية وذرتين إضافيتين من الهيدروجين. صيغة البروبان هي C H 3 8.
إذن بالانتقال من الإيثان إلى البروبان، نكون أضفنا بالأساس ذرة C واحدة، وذرتَي H.
لاحظ أن كل مركَّب تالٍ يختلف عن المركَّب السابق له بوحدة C H 2 واحدة. بعبارة أخرى، كل مركَّب يشبه المركَّب السابق له، باستثناء أنه يحتوي على وحدة C H 2 إضافية. وهذا نمط في هذه السلسلة أو المجموعة من المركَّبات. نقول إن الميثان والإيثان والبروبان متجانِسات.
لنلقِ نظرة على سلسلة متجانِسة أخرى. يوضِّح الجدول الآتي معلومات عن سلسلة الألكينات المتجانِسة. جميع الألكينات لها المجموعة الوظيفية C C نفسها.
يحتوي الإيثين على ذرتين من الكربون وأربع ذرات من الهيدروجين. وصيغته هي C H 2 4. المركَّب التالي في سلسلة الألكينات المتجانِسة هو البروبين. ويحتوي البروبين على ذرة كربون إضافية، وذرتَي هيدروجين إضافيتين، وصيغته هي C H 3 6. للحصول على البروبين، نضيف الوحدة البنائية C H 2 إلى الإيثين. وبالطريقة نفسها، للحصول على 1-بيوتين، نضيف الوحدة البنائية C H 2 إلى البروبين. قد تلاحظ الآن أن كل مركَّب في سلسلة الألكينات المتجانِسة يختلف عن المركَّب السابق له بوحدة C H 2 بسيطة. لكن الصيغة العامة للألكينات تختلف عن تلك التي للألكانات. الصيغة العامة لسلسلة الألكينات المتجانِسة هي C H .
تتفاعل الألكانات مع الهالوجينات في وجود الأشعة فوق البنفسجية لتخضع لتفاعلات الاستبدال. توضِّح المعادلة الآتية كيف يكون الناتج الرئيسي للتفاعل بين الإيثان وغاز الكلور هو إيثان أحادي الاستبدال بإدخال ذرة كلور:
وتتفاعل الألكانات الأخرى بطريقة مماثلة.
لكنَّ الألكينات تخضع لتفاعلات الإضافة مع الهالوجينات. وتوضِّح المعادلة الآتية كيف تتفاعل الألكينات بطريقة مختلفة عن الألكانات. فهي تحتوي على رابطة C C التي تُفتَح لاستقبال ذرتَي هالوجين.
تميل الألكينات إلى التفاعل بطريقة مماثلة لأن لها المجموعة الوظيفية نفسها وتنتمي إلى السلسلة المتجانِسة نفسها.
ومع ذلك، تختلف الخواص الفيزيائية للمركَّبات التي تنتمي إلى السلسلة المتجانِسة نفسها، لكنها تختلف وفقًا لنمط يمكن التعرف عليه. على سبيل المثال، تزيد درجات غليان الألكانات ذات السلسلة المستقيمة زيادة مطردة، مع زيادة طول السلسلة (عدد ذرات الكربون). يوضِّح التمثيل البياني الآتي هذا النمط.
الألكانات هي جزيئات تساهُمية وتحتوي على قوى جذب فان دير فالس ضعيفة بين جزيئاتها. وفي حالة الألكانات ذات السلسلة القصيرة، لا يتطلب الأمر سوى القليل من الطاقة للتغلب على قوى الجذب بين الجزيئات، وهو ما ينتج عنه درجة غليان منخفضة جدًّا. ولكن كلما ازداد طول السلسلة (أيْ كلما زاد عدد ذرات الكربون في السلسلة)، زادت قوى جذب فان دير فالس وارتفعت درجة الغليان.
تُعَدُّ اللزوجة، وهي مقاوَمة التدفق، مثالًا آخر على الخواص الفيزيائية التي تتغير تدريجيًّا داخل سلسلة متجانِسة. ويوضِّح التمثيل البياني الآتي تغيُّر النمط في اللزوجة (بوحدة mPa⋅s ) مقابل عدد ذرات الكربون في سلسلة الألكانات المتجانِسة. في حالة الألكانات ذات السلسلة المستقيمة الموجودة عند 2 5 ∘ C، كلما زاد عدد ذرات الكربون، زادت لزوجة السائل. بعبارة أخرى، كلما ازداد طول السلسلة الكربونية، زادت سماكة سائل الألكان، وبَطُؤ تدفُّقه. والألكانات ذات السلسلة الطويلة تكون شديدة اللزوجة. إنها تقاوم التدفق. وتتدفق ببطء شديد، لأنها سميكة و«متماسكة».
تتغير قابلية الاشتعال أيضًا ببطء في السلسلة المتجانِسة. وتميل قابلية الاشتعال إلى الانخفاض مع ازدياد عدد ذرات الكربون. بعبارة أخرى، كلما زاد حجم الجزيء، انخفضت قابلية اشتعاله. ونظرًا أيضًا لوجود عدد أكبر من ذرات الكربون، يكون احتراق الجزيئات الكبيرة غير تام، ما يؤدي إلى انطلاق لهب مدخِّن عند احتراق المركَّب.
إليك هذا المثال:
نلاحظ هنا أن ذرة فلور تُستبدَل بذرة الهيدروجين.
يمكن أن يؤدِّي استخدام نظام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) إلى إعطاء أسماء فريدة للهالو ألكانات. هذه الأسماء مستقاة من اسم الألكان المكافئ. يشكِّل اسم الألكان لاحقة الاسم الجديد (مثل الميثان)، وتُضاف بادئة أي هالوجين قبل اللاحقة (على سبيل المثال، الفلورو ميثان).
في حال وجود هالوجينات متعدِّدة من النوع نفسه، يمكننا استخدام البادئات المعتادة (ثنائي، وثلاثي، ورباعي، وهكذا) للإشارة إلى ذلك:
في حال وجود هالوجينات متعدِّدة من النوع نفسه، يمكننا استخدام البادئات المعتادة (ثنائي، وثلاثي، ورباعي، وهكذا) للإشارة إلى ذلك:
ندمج هذه الأسماء مع ما نُسمِّيه المؤشرات أو الدلائل، التي تُشير إلى ذرات الكربون في الجزيء التي ترتبط بها الهالوجينات.
ندمج هذه الأسماء مع ما نُسمِّيه المؤشرات أو الدلائل، التي تُشير إلى ذرات الكربون في الجزيء التي ترتبط بها الهالوجينات.
نتعامل مع أطول سلسلة من ذرات الكربون باعتبارها السلسلة الرئيسية، ونُعطي ذرات الكربون ترقيمًا (1، 2، 3، إلخ). نظرًا لوجود طرفين في السلسلة، يتعيَّن علينا أحيانًا تحديد بدء التسمية من أحد الاتجاهين باتجاه الطرف الآخر، واختيار الاسم الذي له أقل ترقيم.
نتعامل مع أطول سلسلة من ذرات الكربون باعتبارها السلسلة الرئيسية، ونُعطي ذرات الكربون ترقيمًا (1، 2، 3، إلخ). نظرًا لوجود طرفين في السلسلة، يتعيَّن علينا أحيانًا تحديد بدء التسمية من أحد الاتجاهين باتجاه الطرف الآخر، واختيار الاسم الذي له أقل ترقيم.
في حال وجود أنواع متعددة من الهالوجينات في المركب، نرتِّب الأسماء حسب ترتيب الأبجدية الإنجليزية. (البادئات، مثل ثنائي، وثلاثي، وهكذا، لا تؤثِّر على الترتيب.)
في حال وجود أنواع متعددة من الهالوجينات في المركب، نرتِّب الأسماء حسب ترتيب الأبجدية الإنجليزية. (البادئات، مثل ثنائي، وثلاثي، وهكذا، لا تؤثِّر على الترتيب.)
أخيرًا، إذا كان من المنطقي وجود مكان واحد فقط للهالوجين، فيمكننا حذف الترقيم (كما في الفلورو ميثان على سبيل المثال).
ها هي معادلة إضافة الكلور إلى الميثان (الكَلْوَرَة):
وها هي معادلة إضافة البروم إلى الميثان (البَرْوَمَة):
وها هي معادلة إضافة البروم إلى الميثان (البَرْوَمَة):
مثال ٢: التنبؤ بنواتج تفاعل الاستبدال
إذا أردنا إجراء عمليات استبدال متعدِّدة، فيمكننا استخدام المزيد من الهالوجين:
هذه هي العملية بالكامل:
هذه هي العملية بالكامل:
مثال ٣: تحديد الهالوجين الأكثر تفاعلًا في تفاعل الاستبدال مع الميثان
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦صيغة الألكان العامة:
تحضير CH₄:
أول ناتج CH₄ + Cl₂:
CH₄ في الطبيعة:
ألكان vs ألكين:
احتراق CH₄ → غاز: