ELTE TTK Hallgatói Alapítvány KÉMIA LEVELEZŐ ÉRETTSÉGI ELŐKÉSZÍTŐ. 6. Oktatócsomag

ELTE TTK Hallgatói Alapítvány – KÉMIA LEVELEZŐ ÉRETTSÉGI ELŐKÉSZÍTŐ Székhely: 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C; Telefon: 381-2101; Fax: 381-2102; E-mail: [email protected] ; Felnőttképzési Nyilvántartási Szám: 01-1016-04

6. Oktatócsomag

Szerves kémia Számolás: Villányi: Szerves vegyületek képlete: 88-103. oldalig 107-108. oldalig 112-121. oldalig Berzelius: 1806-ban az anyagokat két kategóriában csoportosította eredetük szerint: Szerves anyag: az élő szervezetekből elkülöníthető anyag. Szervetlen anyag: az élettelen természetből származó anyag. Lavoisier: Megállapítása szerint a szerves vegyületeket (főként) négy elem építi fel, ezek az organogén elemek. Organogén elemek: szén (C), hidrogén (H), oxigén (O), nitrogén (N). Megszületett a „vis vitalis”-elv: a szerves vegyületeket nem lehet mesterségesen előállítani. Ezek csak az élő sejtekben képződhetnek az úgynevezett „életerő” segítségével. Wöhler: (1828) szervetlen vegyületekből (ammónium-kloridból és kálium-cianátból) szerves vegyületet (karbamidot) szintetizált. Ezzel a felfedezéssel megdőlt a „vis vitalis”-elv. NH4++ OCN-

H2N-CO-NH2

- Szerves kémia: a szénvegyületek kémiája. Ma már számos olyan szénvegyület ismert, melyet mesterségesen állítottak elő. - Szerves vegyületek: olyan vegyületek, melyek molekuláinak fő vázát kovalens kötéssel egymáshoz kapcsolódó szénatomok lánca vagy gyűrűje alkotja. Általában főként a négy organogén elem építi fel őket, de felépítésükben más elemek is szerepet játszhatnak (pl.: kén, klór.). Több millió szerves vegyületet ismerünk, jóval többet, mint szervetlent. A szénatomot tartalmazó lehetséges vegyületek száma korlátlan.

A szénatom tulajdonságai: − Kisméretű, nagy pozitív töltésű atomtörzs. − A kovalens kötéseket kialakító elektronpárok nagy magvonzás alá esnek. − A legegyszerűbb olyan atom, amely négy másik atommal képes erős kovalens kötést létesíteni (négy vegyértékű), stabilis, elektromosan semleges molekulák képzése közben. (Lásd: tetrahidro-borát-anion: BH4-, metán: CH4, ammónium-ion: NH4+) − A ligandumok szénatom körüli elhelyezkedése a térben: − Tetraéderes: sp3 hibridizáció, kötésszög: 109, 5º, 4 ligandum − Síkháromszög: sp2 hibridizáció, kötésszög: 120º, 3 ligandum (1 π kötés) − Lineáris: sp hibridizáció, kötésszög: 180º, 2 ligandum (2 π kötés)

Készítette: Fischer Mónika

1

www.biokem.hu


− Korlátlan számú szénatom kapcsolódhat egymással, miközben a létrejövő molekula stabilitása nem csökken. − A kapcsolódó szénatomok hosszú láncokat (pl.: polietilén), gyűrűket (pl.: ciklopentán), gyűrűrendszereket alkothatnak. A láncok elágazhatnak, és gyűrűkkel kapcsolódhatnak.

ciklopentán

Izoméria: (izosz = azonos, merosz = rész) az azonos összegképletű, de eltérő molekulaszerkezetű vegyületeket izomereknek nevezzük. Az izomériának két formája van: konstitúciós izoméria és sztereoizoméria (térizoméria). Konstitúció: a molekulát felépítő atomok kapcsolódási sorrendje. Konstitúciós (szerkezeti) képlet: olyan képlet, amelyből látszik, hogy a molekula mely atomjai között van kötés. Konstitúciós izoméria: a konstitúciós izomerekben az atomok kapcsolódásának rendje különböző. Példa:

Összegképlet: C3H8O Szerkezeti képletek:

Propanol

Izopropanol

Etil-metil-éter

Ezeknek, a vegyületeknek a kémiai és fizikai tulajdonságai eltérőek! Általában minél több atomból áll egy szerves vegyület, annál többféle izomer változata képzelhető el.

A széntartalmú vegyületek csoportosítása: 1. Az elemi összetétel alapján: − Szénhidrogének: csak szénből és hidrogénből álló vegyületek (pl.: ciklopentán).


2

www.biokem.hu


− Heteroatomot tartalmazó szénvegyületek: szénen és hidrogénen kívül más atomot (pl.: nitrogén, oxigén, kén, klór,...) is tartalmaznak. (pl.: propanol). 2. A szénváz alapján: − Nyílt láncú szénvegyületek (pl: bután: C4H10). − Gyűrűs szénvegyületek (pl.: ciklopentán). 3. Funkciós csoportok alapján: Csoport: egy általunk tetszőlegesen kijelölt atomcsoport egy molekulában.(Az alábbi táblázatban az „R” betűk szénből és hidrogénből felépülő, úgynevezett alkil csoportokat jelölnek.) Funkciós csoport: a molekulának az a kis részlete, atomcsoportja, amely a vegyület sajátságait döntő módon meghatározza. Vegyületcsoport

Funkciós csoport

Halogénezett szénhidrogének

-F, -Cl, -Br, -I -F, -Cl, -Br, -I

Alkoholok, fenolok

hidroxil

Éterek

éter

Ketonok

karbonil

Aldehidek

aldehid

Karbonsavak

karboxil

Észterek

észter

Aminok

amino

Amidok

amid

Tiolok

szulfhidril


Szerkezeti képlet Előtag

Utótag

Példa

pl.: klór-

pl.: -klorid

klór-metán, széntetraklorid

hidroxi-

-ol

metanol, hidroxibenzol

-éter

dietil-éter

-on

dimetil-keton (aceton)

-al

etanal (acetaldehid)

-sav

etánsav (ecetsav)

-oát

etil-etanoát (etilacetát)

-amin

etil-amin, aminometán

-amid

Acetamid

oxo-

karboxi-

amino-

merkapto- -tiol

3

etántiol (merkaptoetanol)

www.biokem.hu


Funkciós csoportnak tekinthetjük még a kettős vagy hármas kötéssel egymáshoz kapcsolódó szénatomokat. Előbbi az alkénekre (olefinek), utóbbi az alkinekre jellemző.

Izoméria Alapfogalmak Molekulák képlete ÖSSZEGKÉPLET

SZERKEZETI KÉPLET

A molekulában lévő különböző atomok A molekula szerkezetét is leírja valamilyen számát adja meg. kiemelt szempont szerint. A molekula szerkezetének leírására szolgáló fogalmak: - Konstitúció Kapcsolódási sorrend a molekulában. - Konstitúciós képlet pl.: a C3H6 egyik konstitúciója. - Félkonstitúciós (gyökcsoportos) képlet: csak a szénatomok közötti kötéseket tünteti fel. CH2═CH—CH3 - Vonalképlet: csak a szénvázat tünteti fel. - Konformáció A molekulában különböző, egymással nem kapcsolódó atomok egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződése. - Konfiguráció A molekulában a kovalens kötéssel kapcsolódó atomok térbeli elrendeződése egy központi atom körül (a királis szénatom körül a ligandumok térbeli elrendeződése). - Paraffinok konformációja Amíg egy molekula konstitúcióját vagy konformációját csak a kovalens kötés felszakításával lehet megváltoztatni, addig egy molekula konformációja már közönséges hőmérsékleten a hőmozgás energiájának hatására megváltozhat úgy, hogy az atomcsoportok rotálnak (forognak) a σ-kötések körül! - Cikloalkánok konformációja A gyűrűben fellépő erők lehetnek: •

torziós feszültség

•

szögfeszültség

•

kötési feszültség

•

non bonded interaction

Ezen különböző erők eredőjének, összegének kell minimumnak lennie. A ciklohexán gyűrűje (Sachse, 1890) a szén tetraéderes kötésirányainak torzulása nélkül kétféleképpen is felépülhet, egyrészt székalkatú, másrészt kádalkatú gyűrű formájában!


4

www.biokem.hu


A székalkatú ciklohexánban a szénatomok nemcsak strukturálisan, hanem térbeli elhelyezkedés szempontjából is teljesen egyenértékűek! A hidrogénatomok azonban térbeli helyzetük alapján kétfélék lehetnek. Az axiális helyzetű hidrogénatomok kötésiránya merőleges a gyűrű oldalait felező síkra, és váltakozva a sík egyik és másik oldalán helyezkednek el! Az equatoriális hidrogénatomok kötésiránya a gyűrű általános síkjától csak alig (19°-al) tér el. Ezen kötésirányok is váltakozva a sík egyik, majd a másik oldala felé mutatnak. A kádalakú ciklohexánban már sem a szénatomok, sem a hidrogénatomok nem egyenértékűek térbeli elhelyezkedésük szempontjából kétféle szénatom és négyféle hidrogénatom különböztethető meg. A székforma 33 kJ/mol-lal alacsonyabb energiatartalmú, mint a kádforma. Ez azért van így, mert a székformában körös-körül az energiatartalom szempontjából kedvező nyitott (szinklinális) állás fordul elő, a kádakban a nyitott állások mellett kedvezőtlen fedőállások (szinperiplanáris) is vannak. A kádak energiatartalmát tovább növeli az, hogy két hidrogénatom közelebb kerül egymáshoz, mint a van der Waals-rádiuszának a kétszerese. A különböző konformációk között ún. gyűrűátfordulás (Mohr, 1918) lehetséges! A C—C kötések körüli összehangolt elcsavarodások révén alakulhatnak át egymásba a különböző konformációk, amit pszeudorotációs konformációváltozásnak nevezünk. A ciklohexán 99%-ban valamelyik szék konformációban van.

Geometriai izoméria (Cisz-transz izoméria) Oka: • nincs szabad rotáció két szénatom között (pl. a kettős kötés π-kötése gátolja a szabad rotációt a σ-kötés körül). Feltétel: •

eltérő ligandumok kapcsolódjanak a szénatomokhoz

A geometriai izomerek fizikai tulajdonságai eltérőek lehetnek: •

olvadás- és forráspont (oka az eltérő kristályszerkezet)

•

eltérő stabilitás (termodinamikai stabilitás)

•

eltérő dipólusmomentum


5

www.biokem.hu


•

eltérő reaktivitás is lehetséges

Optikai izoméria A természetes kristályok a síkban polározott fény (csak egyféle rezgési síkja van) síkját képesek elforgatni. Egyes vegyületek oldata is képes erre a jelenségre, ezeket optikailag aktív vegyületeknek nevezzük. A jelenség polariméterrel mérhető. A forgatás irányát pozitívnak tekintjük és a vegyületet jobbra forgatónak nevezzük, ha a forgatás az óramutató járásával megegyező irányú. Ellenkező esetben a vegyület balra forgató. Jelölés (+) és (–). Az elforgatás szöge (α α) arányos az átsugárzott réteg vastagságával (l) és a minta koncentrációjával (d): α= [α]·l·d [α] az adott vegyületre jellemző fajlagos forgatóképesség, amely függhet az adott fény hullámhosszától, az adott hőmérséklettől valamint a minta koncentrációjától. 100α [α]20 D = l⋅d {D= 589nm, a Nap színképében a Na+ színképvonalának (D-vonal) hullámhossza; 20=hőmérséklet (°C); α= mért forgatás; l= rétegvastagság (dm); d= koncentráció (g/100ml)}. Optikai forgatóképesség és a molekula szerkezetének összefüggése Optikai aktivitást mutatnak azok a vegyületek, melyek molekulái tükörképükkel fedésbe nem hozhatók! Ezek a k i r á l i s (aszimmetrikus) molekulák. Azokat az izomereket, melyek tulajdonságai csak a forgatóképesség irányában térnek el, e n a n t i o m e r e k n e k nevezzük. A szerves molekulák egy részének van kiralitása, egy vagy több kiralitáscentrummal (aszimmetriacentrum) rendelkeznek. A szénatom királis, ha mind a négy vegyértékéhez más ligandum kapcsolódik! Az enantiomerek minden fizikai, kémiai tulajdonságban megegyeznek, csak a fény síkját ellentétesen forgatják. Az enantiomerpároknak ellentétes konfigurációja van! A forgatás irányából a térbeli elhelyezkedésre NEM lehet következtetni! Abszolút konfiguráció: a térbeli elrendeződés pontos meghatározása (röntgendiffrakciós [diffrakció= hullámok terjedési irányának elhajlása az útjukban lévő akadály következtében] vizsgálatok). Így lehet S és R konfiguráció (az S konfiguráció nem biztos, hogy balra forgat!). Relatív konfiguráció (Emil Fischer): a konfigurációt egy kiválasztott molekulára (vonatkoztatási alap) vonatkoztatják! Az alap a jobbra forgató glicerin-aldehid (+), amelyet így Dkonfigurációjúnak neveztek. A balra forgató (–) glicerin-aldehid az L-konfigurációjú molekula. Ezekhez viszonyítva próbálták meghatározni egyéb enantiomereknél is a konfigurációt. Molekuláknál más-más a konfigurációhoz tartozó forgatás, de ha egy molekulának a D konfigurációja (–) balra forgat, akkor L konfigurációja (+) jobbra forgat. Az abszolút konfigurációkat meghatározták és igazolták, hogy D → R, illetve L→ S. Az aminosavaknál megmaradt a D, L jelölés!

Racém elegy: A két enantiomer elegyét kapjuk, körülbelül 50-50%-ban található meg az elegyben a két enantiomer. Az ilyen elegy nem forgatja a poláros fény síkját, ún. intermolekuláris kioltás jelensége lép fel. Rezolválás: a racém elegy elválasztása enantiomerpárokra (nehéz folyamat, hisz tulajdonságaik megegyeznek).


6

www.biokem.hu


Több királis szénatomot tartalmazó molekulák Kiralitáscentrumuk nem azonos telítettségűek (más-más ligandumokat tartalmaznak a két királis szénatomon). Kiralitáscentrumuk azonos telítettségű. Diasztereomerek Mindazokat a sztereoizomereket, amelyek nem enantiomerek, tehát nem tükörképei egymásnak és fedésbe sem hozhatók diasztereomereknek nevezzük! Amíg az enantiomerek fizikai és kémiai tulajdonságai – a kivételektől eltekintve – azonosak, addig a diasztereomerek fizikai és kémiai tulajdonságai eltérőek (kémiai tulajdonságaik hasonlóak, fizikai tulajdonságaik eltérőek [op., fp., oldhatóság, sűrűség eltérhet]). Az eltérés sokszor nem nagy, hiszen mindegyik diasztereomerben ugyanaz a szénváz található és a funkcióscsoportok is azonosak. A természetben az enantiomerek általában szelektíven jelennek meg, pl.: •

az L-aminosavak a fontosabbak

•

a kínafában a balra forgató kinin található meg.

ÖSSZEFOGLALÓ TÁBLÁZAT IZOMÉRIA

konstitúciós izoméria

SZTEREOIZOMÉRIA

azonos konstitúció eltérő (kovalens) eltérő konfiguráció kapcsolódási sorrend geometriai izoméria optikai izoméria pl. az olefineknél: a C═C kötés mindkét szénatomjához különböző ligandumok kapcsolódnak. cisz-transz

királis molekula: az, amelyiknek tükörképe nem azonos önmagával, optikailag aktív. enantiomerpár: melyek egymásnak tükörképei, de nem azonosak; ezek a síkban polározott fényt ellenkező irányba forgatják, és más királis molekulákkal különböző módon reagálhatnak. diasztereomerpár: melyek egymásnak − hőmérséklet minem tükörképi párjai, és nem is azonosak; att gátolt rotáció közönséges fizikai és kémiai tulajdonsá- − ligandumok migaik is különböznek; optikailag lehetnek att gátolt rotáció aktívak vagy inaktívak. − sajátos lánckonformáció


7

www.biokem.hu


Alkánok (paraffinok és származékaik) A paraffin szénhidrogének nevüket stabilitásukról kapták. Ugyan is nehezen képeznek vegyületeket.

Homológ sor képzése: A legegyszerűbb paraffin szénhidrogén a CH4 (metán), neve a metilalkoholból származik, ha egy hidrogént elvonnak belőle, egy vegyértékű - CH3 metilgyök keletkezik; ez gáz állapotban, rövid ideig szabadon is létezhet. Ha a metán egy hidrogénjét metilgyökkel helyettesítjük, H3C-CH3 (etán) keletkezik, ebből egy hidrogént elvonva tovább helyettesíthető, ekkor H3C-CH2-CH3 (propán) keletkezik. A következő helyettesítésnél már két lehetőség lenne, vagy valamelyik szélső vagy a középső szénatomhoz kapcsolódhatna egy újabb metilgyök, az előbbi esetben n-bután, az utóbbiban izo-bután, vagy más néven 2-metil-propán keletkezik. Látható, hogy ha egy hidrogén helyébe - CH3 metilgyök kerül, akkor a képlet CH2-vel nő, vagyis a paraffin sorozat általános képlete: CnH2n+2 Valamennyi paraffin szénhidrogénből egy hidrogén atom elvonásával alkilgyök keletkezik , az etánból etil (-C2H5), stb. Az alkilgyököt a latin radix=gyök szó kezdőbetűje után R-rel jelölik. •

A homológ sor első kilenc tagja:

•

metán: CH4

•

etán: CH3 — CH3 (C2H6)

•

propán: CH3 — CH2 — CH3 (C3H8)

•

bután: CH3 — CH2 — CH2 — CH3 (C4H10)

•

pentán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C5H12)

•

hexán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C6H14)

•

heptán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C7H16)

•

oktán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C8H18)

•

nonán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C9H20)

•

dekán: CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (C10H22)

Az el nem ágazó szénláncú tagot normál szénhidrogénnek nevezzük, jele n-, pl. n-bután. A lehetséges izomerek száma a szénatomok számával rohamosan nő. Magát a szénláncot vegyértékvonalakkal az alábbi módon jelölhetjük: -C-C-C-C-C-C-


8

www.biokem.hu


A valóságban a szénlánc nem egyenes, hanem a vegyértékirányok között mindig 109°28' szög van, amint azt már a klasszikus sztereokémia előjelezte, a röntgenszerkezet kutatás pedig igazolta.

Bebizonyítható, hogy az izomerek száma pentán esetén 3 hexán esetén 5 a heptán esetén 9 oktán esetén 18 nonán esetén, 38 dekán esetén 75 stb. Egy húsz szénatomos alkán C20H42 (eikozán) esetén az izomerek száma már 366.319. Ezeket, az izomereket a genfi nómenklatúra szerint úgy nevezik el, hogy kiválasztják a vegyületben a leghosszabb szénláncot, és ennek atomjait megszámozzák, majd a megfelelő helyettesítő gyököket számokkal ellátva a leghosszabb el nem ágazó lánc neve elé írják

Fizikai tulajdonságok - A kisebb szénatom számú n-paraffinok közönséges hőmérsékleten gázok. A pentántól kezdve folyadékok. A heptadekántól már szilárd, színtelen, kristályos anyagok. - Olvadás- és forráspontjuk a szénatom számmal szabályosan nő, de egyre kisebb mértékben. Az elágazó láncú vegyületek forráspontja mindig alacsonyabb a normál változaténál, annál inkább, minél nagyobb mértékű az elágazás. - A legegyszerűbb gáznemű n-paraffinok szagtalanok, a folyadékok benzin szagúak, a szilárdak szagtalanok, puha, viaszhoz hasonló anyagok. - Fajsúlyuk a víznél kisebb és a szénatomszámmal lassan nő. - Apolárisak Kémiai sajátságok - Mint nevük is mutatja általában kevéssé reakcióképesek. - Klór és bróm azonban már közönséges hőmérsékleten szubsztituálja egy hidrogénatomjaikat. A metán klórral egymás után mono-, di-, tri- és tetraklór-metánt ad. Ezek a klórozott vegyületek egymás mellett keletkeznek. Napfény hatására a reakció olyan hevessé válik, hogy sósav keletkezésén kívül korom marad hátra.

- Füstölgő kénsav, a kisebb szénatomszámú paraffinok kivételével szulfonsavat alkot velük. - Tömény salétromsav a harmadrendű (három másik szénhez kapcsolódó) szénatomot tartalmazó paraffinokat zsírsavakká, sőt szén-dioxiddá oxidálja. A n-paraffinok nitrovegyületekké alakulhatnak. - Oxidáló szerek hatása különböző lehet; 20-24 szénatomszámú közönséges paraffinok keveréke 100-160 °C-on levegő átfúvatásával zsírsavakká oxidálódik; katalizátorok, pl. egyes fémsók, ezt a folyamatot elősegítik.


9

www.biokem.hu


Így a közönséges zsírokban található karbonsavak keletkeznek. A kapott terméket szappangyártásra használják. De szobahőmérsékleten csak azok oxidálhatók, amelyekben a hidrogénatom harmadrendű szénatomhoz kapcsolódik. Jellemző reakciói szubsztitúciósak. Éghetők, de nem kormozó lánggal égnek. 2CnH2n+2 + (3n+1)O2 → 2nCO2 + (2n+2)H2O Hőbontásuk 1000- 1200C°- on történik mely a hosszú szénlánc miatt krakkolásban fog megnyilvánulni. Krakkolódásuk: Olyan hőbontási eljárások, amelyek segítségével a nagyobb molekulájú szénhidrogéneket kisebb molekulájú szénhidrogénekké alakítják át. 1000°C CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3  → CH3 — CH2 — CH3 + CH2 ═ CH2

Előállítás: - Metán előállítható elemeiből is magas hőmérsékletű ívben, hidrogénben szénelektródák között, megfordítható folyamat során: C + 2 H2 = CH4 - Szén-monoxid, vagy szén-dioxid nikkel katalizátor jelenlétében könnyen redukálódik metánná: CO + 3 H2 = CH4 + H2O; CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2O - Telítetlen szénhidrogének platinakorom, vagy finom eloszlású nikkel katalizátor jelenlétében paraffinszénhidrogénekké redukálhatók, pl.: C2H4 (etilén) + 2 H2 = C2H6 (etán).

- Reduktív dehalogénezés: R — I + 2H’ → R — H + H — I

Előfordulás: Metán keletkezik cellulóz korhadása során a természetben, mocsarakban (mocsárgáz), a kérődzők bélgázában, széntelepeken, stb.

Fontosabb képviselők jellemzése:


10

www.biokem.hu


Metán A paraffin csoport legegyszerűbb tagja. A földgáz legnagyobb részét alkotja. Szerves anyagok bomlásakor is keletkezik (mocsárgáz). Kőolajban és kőszéntelepekben (sújtólég) is előfordul. Apoláris, tetraéderes molekulák, köztük csak gyenge diszperziós kölcsönhatás lép fel.

Fizikai tulajdonságok: − − − − − − −

Színtelen, szagtalan Szobahőmérsékleten és légköri nyomáson gáz Oldhatóság: benzinben, benzolban (apoláris) jól oldódik, vízben (poláris) alig Olvadáspont: −182.5 °C Forráspont: −161.6 °C Víz alig oldja Lángja, alig világít

Kémiai tulajdonságok: Szabályos, kiegyensúlyozott elektronszerkezet, az elektronok kis energiájú molekulapályákon vannak, ezért szobahőmérsékleten nem reaktív.

- Hőbomlás: (1200 ºC) Termékek: acetilén, hidrogén 2CH4

C2H2 + 3H2

- Reakció vízgőzzel: (1000 ºC, nikkel katalizátor) Termékek: szén-monoxid, hidrogén CH4 + H2O

CO + 3H2

- Reakció halogénekkel: (UV-fény, X= fluor, klór, bróm, jód) Termékek: metil-halogenidek CH4 + X2

CH3X + HX

Szubsztitúció: olyan kémiai átalakulás, ahol a kiindulási molekula egyik atomja vagy atomcsoportja más atomra vagy atomcsoportra cserélődik. Azaz helyettesítődik. Szabadgyök: párosítatlan elektronnal rendelkező atom vagy molekula. Rendkívül reakcióképes anyagok, melyek általában instabilak és csak rövid ideig léteznek. A fenti szubsztitúciós reakció valójában több


11

www.biokem.hu


lépésben megy végbe, melyekben szabadgyökök játszanak szerepet („gyökös mechanizmus”). Ilyen szabadgyök például a metilgyök: H3C· Számos egyéb kémiai és biokémiai reakció játszódik le gyökös mechanizmussal.

- Égés: (reakció oxigénnel) Termékek: szén-dioxid, víz. (Valójában ez is gyökös mechanizmussal megy végbe!) CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

Levegővel alkotott elegye meggyújtva hevesen robban. (Ez okozza a szénbányákban a veszélyes sújtólégrobbanást.)

Felhasználás: Ipari és energiatermelési célokra sok milliárd köbmétert használnak belőle évente. (A "vezetékes gáz" legnagyobb részét is ez alkotja.)

Etán A metántól egy metiléncsoportban (–CH2–) különbözik.

Mindkét szénatom körül tetraéderes elrendeződésben négy másik atom helyezkedik el, ennél több nem lehetne, ezért ezek telített szénatomok. A telített szénatomok négy ligandummal (atom vagy atomcsoport a molekulában) rendelkeznek.

Propán Felhasználása a butánnal együtt palackozva (PB gáz), tartályokban használják fűtésre, gépkocsi üzemanyagként, illetve ipari célokra Fűtőértéke nagyobb az etánénál. Könnyen cseppfolyósítható.


12

www.biokem.hu


Cikloalkánok A szénatomok gyűrűvé kapcsolódása természetesen merevíti a molekulát, a vázalkotó szénatomok mozgási lehetősége kisebb, mint a nyílt szénláncban. A cikloalkánokban a molekula vázát alkotó sp3 szénlánc (vagy annak egy része) gyűrűt, "ciklust" alkot. Az atomok erősebb rendezettségének megfelelően a cikloalkánok molekulái szorosabban illeszkednek egymáshoz (vagyis olvadás- és forráspontjuk magasabb, sűrűségük nagyobb), mint az analóg nyíltláncú szénhidrogéneké:

Mint látni, az egyszerű (egy-gyűrűs) cikloalkánok elnevezésének alapelvei azonosak a nyíltláncú szénhidrogéneknél tárgyaltakkal, azzal a különbséggel, hogy a gyűrűs jelleget az alapnév elé tett "ciklo" szóval jelezzük és csak a gyűrűt alkotó szénatomok láncát tekintjük alapszénhidrogénnek. A gyűrűhöz kapcsolódó szénlánc(ok) ("oldalláncok") helyzetét számozással adjuk meg: a gyűrű szénatomjait úgy számozzuk meg, hogy mindig a rövidebb oldallánc helyét jelölő szám legyen a kisebb. Általános képlet: CnH2n

Előfordulás: Fő csoportjaik a naftének (bizonyos kőolajokban) és a terpének (növényekben, illóolajokban).

Előállítás: A cikloalkánok előállítása általában az alifás vegyületekhez hasonló módszerekkel történik, pl.:

a) Nem vicinális dihalogenidek (nem szomszédos szénatomon halogént tartalmazó szénhidrogének) nátriummal kezelve gyűrűs vegyületté alakulnak:

b) Bizonyos diketonok alkoholos kálium-hidroxiddal hevítve gyűrűs vegyületet adnak, (főleg 1, 5-, 1, 6és 1, 7-diketonok):


13

www.biokem.hu


c) Dikarbonsavak kalciumsói hevítve gyűrűs ketonokká alakulnak, itt is az öt- és hattagú gyűrűk képződnek a legkönnyebben:

A cikloalkánok jellemző reakciói: - Hidrogénezéssel, megfelelő körülmények között (nikkelpor felett magasabb hőmérsékleten átvezetve a cikloalkánok gőze alifás telített szénhidrogénekké alakul. Ezek a vegyületek, melyeket cikloparaffinoknak vagy naftén-szénhidrogéneknek is szokás nevezni, lényegében a nyíltláncú alkánokhoz hasonló természetű vegyületek. Legegyszerűbb cikloalkán: •

ciklopropán (C3H6):

•

További cikloalkánok:

Ciklopentán,


Ciklohexán,

14

Ciklobután

www.biokem.hu


Alkének (Telítetlen szénhidrogének, olefinek) Homológ sor: Etén (etilén), propén (propilén), 1-butén, 1-pentén, 1-hexén, 1-heptén, ... Elnevezésük: A megfelelő alkán nevében az „-án” végződést „-én” végződésre cseréljük. Kiválasztjuk a leghosszabb olyan szénláncot, amely a kettős kötést is tartalmazza, majd úgy számozzuk a szénatomokat, hogy a telítetlenek a lehető legkisebb számot kapják. A vegyület nevében a kettős kötés helyét az első telítettlen szénatom sorszáma jelöli. Elágazó lánc esetén az alkánoknál tanult módon járunk el. CH3 6

5

2

3

1

CH3-CH2-CH-CH2-CH=CH2 4

2-etil-4-metil-1-hexén

CH2CH3

Fizikai tulajdonságok: Apoláris molekulák, mint az alkánok. Fizikai tulajdonságaik ezért az alkánokhoz hasonlóak. Az első tagok gázok, meggyújtva kormozó lánggal égnek. A következő tagok folyadékok. Kémiai tulajdonságok: Az eténhez hasonló reakciók. Jellemző az addíció és a polimerizáció. (Műanyagok!) - Savaddíció: Irányított folyamat! Pl.: propén hidrogén-klorid addíciója CH3-CH=CH2

+

HCl

CH3-CHCl-CH3 (2-klór-propán) CH3-CH2-CH2Cl (1-klór-propán)

2-klór-propán képződik, 1-klór-propán nem (illetve csak kevés)! Az irányítási Markovnyikov-szabály: A hidrogénatom az addíció során mindig ahhoz a szénatomhoz kapcsolódik, amelyikhez már eleve több hidrogén kapcsolódott. Az alkének telítetlen volta nagy reakcióképességet eredményez. - Hidrogén, halogén-hidrid, vagy halogén könnyen addicionálódik a kettős kötéshez és telített vegyület keletkezik (pl. halogénezett-paraffin). - A kettős kötéshez savak is asszociálhatók, ekkor észterek keletkeznek, majd belőlük alkohol.


15

www.biokem.hu


- Oxidálószerek víz jelenlétében két hidroxilgyököt visznek a kettős kötésre, tehát kétértékű alkohol keletkezik. - Halogén-hidrogén-savakkal alkil-halogenidek keletkeznek. - És a polimerizációs reakciók.

Előállítás: a) Alkoholokból vízelvonással, pl. etilalkoholból (etanolból):

Katalizátorként aluminium-oxid használható. Tömény kénsavval vagy cink-kloriddal hevítve hasonló eredményt kapunk. Ez a reakció kisebb szénatomszámú alkoholok esetén alkalmazható.

b) Az úgynevezett vicinális dihalogenidek (vagyis a két szomszédos szénatomon halogénnel hellyettesített paraffinok) esetén halogénelvonással:

Halogénelvonásra cink vagy rézzel bevont cink használható.

c) Hidrogén halogenid elvonással.

d) Iparilag benzinből pirolízissel állítják elő. Előfordulás: Az alkének megtalálhatók egyes kőolajokban, továbbá szénvegyületek száraz desztillációs termékeiben. Bizonyos fém-karbidok vízzel való reakciójakor is keletkeznek


16

www.biokem.hu


Geometriai („cisz-transz”) izoméria Ha a molekulában kettős kötéssel összekötött szénatompár van, akkor a kötés, mint tengely mentén történő rotáció (elfordulás) csak a π-kötés felszakadásával lehetséges, amihez viszonylag nagy energiára van szükség. Ekkora energia csak magasabb hőmérsékleten áll a molekulák rendelkezésére. Normál körülmények között tehát a kettős kötéssel összekötött szénatompárhoz kapcsolódó négy ligandum viszonylagos térbeli helyzete rögzített. Minden olyan alkénből, amelynek molekulájában mindkét kettős kötésű szénatomhoz két különböző ligandum kapcsolódik, két geometriai izomer létezik („cisz” és „transz” izomerek). A geometriai izoméria a sztereoizoméria egyik fajtája.

cisz-2-butén

transz-2-butén

Cisz-izomer: az az izomer, ahol a nagyobb csoportok egymáshoz közelebb, a molekula azonos oldalán vannak. Transz-izomer: az az izomer, ahol a nagyobb csoportok egymástól távolabb, a molekula ellentétes oldalain vannak. Az etén (etilén) Jelentősége: Vegyipari alapanyag, műanyaggyártás, növényi hormon, stb.

Háromligandumos, telítetlen szénatomok. Mind a hat atom egy síkban van. A két szénatom között található π-kötés e sík felett és alatt helyezkedik el (csomósík). A π-elektronok megtalálási valószínűsége a csomósíkban nulla. A szén-szén kötés körüli elfordulás csak a π-kötés felszakadásával lehetséges, amihez viszonylag nagy energiára van szükség. Az etén elektronrendszere szimmetrikus, molekulái apolárisak. A molekulák között gyenge diszperziós kölcsönhatás lép fel.

Fizikai tulajdonságok: - Színtelen, jellegzetes szagú gáz - Oldhatóság: apoláris oldószerekben jól oldódik, vízben (poláris) rosszul Készítette: Fischer Mónika

17

www.biokem.hu


- Olvadáspont: -169, 1 °C, Forráspont: -103, 7 °C

Kémiai tulajdonságok: A molekulában a σ-kötésekhez képest gyenge π-kötés található. Ez viszonylag könnyen felhasad, ezért az etén már szobahőmérsékleten is jóval reakcióképesebb, mint pl. az etán. - Égés: (kormozó láng, termékek: szén-dioxid, víz) C2H4 + 3O2

2CO2 + 2H2O

Reakció típusa: 1. Addíció: az olyan reakciót, ahol két molekula melléktermék képződése nélkül egyesül egymással, addíciónak nevezzük. A telítetlen szénhidrogénekre általában jellemző az addíció. - Hidrogénnel: (Pt-katalizátor) C2H4 + H2

C2H6 (etán)

- Halogénnel: C2H4 + Cl2 Br2 C2H4 +

C2H4Cl2 (1,2-diklór-etán) C2H4Br2 (1,2-dibróm-etán)

- Erős savval: C2H4 + HCl

C2H5Cl (klór-etán v. etil-klorid)

- Vízzel: (kénsav katalizátor jelenlétében) H2O C2H5OH (etil-alkohol) C2H4 + 2. Polimerizáció: (poliaddíció) olyan kémiai reakció, ahol egy telítettlen vegyület sok azonos molekulája egyesül egymással melléktermék képződése nélkül. nC2H4

( CH2

CH2 )n

(polietilén)

Polimerizáció (olvasmány) Az alkének polimerizációja a kiindulási alkén (a monomer) sorozatos önaddíciója: a monomerből megfelelő iniciátorral kialakított instabilis származék a kettős kötések felszakadása révén sorozatosan reagál további monomermolekulákkal, miközben a növekvő molekula instabilis (tehát növekedésre képes) marad mindaddig, amíg valamilyen lánczáró lépésben nem stabilizálódik. Az így képződött nagy molekulatömegű polimer szerkezetileg sok azonos kisebb részből álló molekulának tekinthető. A láncnövekedés fokozatosan megy végbe: két monomer-molekulából előbb dimer, majd ebből egy harmadik monomermolekulával trimer keletkezik és a folyamat elvben addig folytatódik, míg a monomer el nem fogy. Adott monomerből láncreakcióban keletkező polimer szerkezetét egyszerűen jelölhetjük a következő módon:

A polimer lánc egyik végéhez a láncot indító iniciátor (helytelenül: katalizátor) kapcsolódik, másik végén pedig a lánczáró lépés jellegétől függően C,C kettős kötést, telitett szénatomot, vagy más, az iniciátorból származó funkciós csoportot találunk. Az alkének polimerizációjának különböző típusait, a láncot indító iniciátor (illetve a láncnövekedési reakció mechanizmusának) jellege szerint a következőképpen csoportosíthatjuk:


18

www.biokem.hu


Az alkének polimerizációja az addíciós, vagy láncpolimerizáció tipikus példája. Az ilyen típusú polimerizációk közös jellemzője, hogy egy aktiválási (iniciálási) lépés után kialakult aktív centrumon megy végbe a láncnövekedés. A polimerizáció sebessége az iniciátor (és a monomer) koncentrációjától függ és a polimerizációs fok (a polimer molekulatömege) az iniciátor koncentrációjával szabályozható. Könnyen belátható, hogy minél nagyobb az iniciátor koncentrációja, annál több lánc indul növekedésnek és a monomer elfogyása után annál kisebb lesz a polimer molekulák átlagos molekulatömege. A polimerizációk másik típusával, a lépcsős polimerizációval, a tereftálsav kapcsán, a 19.9.4. fejezetben fogunk megismerkedni. -- Gyökös polimerizáció Ez az alkének polimerizálásának legáltalánosabban alkalmazott formája. A reakciót valamilyen gyök indítja el néhány alkénmolekula kötésének homolitikus felbontásával. Az így keletkezett alkilgyök reagál egy másik alkénmolekulával, mivel pedig az ennek során kialakuló dimer hasonlóan gyökös természetű, a reakciósorozat mindaddig folytatódik, amíg valamilyen lánczáró lépés (vagy a monomer elfogyása) le nem állítja a folyamatot:

Lánczárás bekövetkezhet:

vagy valamilyen R' gyökkel való kapcsolódás révén: (Az R' lehet egy másik növekvő polimergyök is; ez esetben dimerizációval záródik a láncnövekedés.) A gyökös polimerizációt inditó iniciátorok lehetnek: Könnyen bomló, gyököt szolgáltató szerves molekulák, többnyire peroxidok, pl. dibenzoil-peroxid:

vagy azo-bisz(izobutiro-nitril):

Kis mennyiségben hozzáadott molekuláris oxigén indítja például az etén polimerizálását a nagynyomású polietén (polietilén, PE) előállításakor: (Az etén polimerjét a IUPAC nevezéktan szerint természetesen polieténnek kell nevezni, a szakmai közbeszédben azonban többnyire ma is az alkén polimerek eredeti, régi nevét - polietilén, polipropilén, poli(izobutilén), általánosságban poliolefinek használják.) Ezt figyelembe véve a továbbiakban ezeket a nem-szisztematikus elnevezéseket is megemlítjük. Esetenként kívánatos, hogy a polimerizáció alacsony hőmérsékleten (kb. 0 °C) menjen végbe (így keletkezhetnek nagyon hosszú szénláncú polimer molekulák). Ilyen esetben iniciátorként redox-rendszerek használatosak. Pl. hidrogén-peroxid vas(II)sóval bontva hidroxilgyököt szolgáltat (ún. Fenton reagens, műkaucsuk előállításában használatos iniciátor): Magas hőmérsékleten (500-800 °C) külön hozzáadott iniciátorok nélkül is lejátszódik az alkének polimerizációja.


19

www.biokem.hu


Magas hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódási folyamatai szolgáltatnak iniciátorként ható gyököket). Ez a spontán polimerizáció (és az azt követő további dehidrogéneződési, aromatizálódási folyamatok) okozzák például a szénhidrogénkrakkolásnál és pirolizisnél fellépő kokszképződést is. -- Kationos polimerizáció A láncnövekedési reakciót az iniciátor (pl. protont szolgáltató sav, bór-trifluorid, alumínium-klorid, stb.), hatására keletkezett karbokation indítja el és ennek a karbokationnak a szénlánca növekedik a pozitív töltés lépésenkénti átrendeződésével mindaddig, míg be nem következik valamilyen lánczáró lépés. Kationos mechanizmussal polimerizálható például az izobutén. Bór-trifluoridos iniciálás esetén a reakció megindításához nyomnyi mennyiségű víz szükséges, mely a bór-trifluoriddal reagálva protont szolgáltat: Mivel a komplex sav anionja kovalens kötés kialakítására nem képes, az izobuténből protonaddicióval keletkezett monomer karbokation nem a sav anionjával, hanem a nagy feleslegben jelenlévő alkénnel reagál, dimer karbokation képződése közben. Ezen reakció ismétlődésével makromolekulához vezető láncreakció indul meg. Lánczáró lépés protonledobással következhet be:

A képződött poli(izobutén) [poli(izobutilén)] átlagos molekulatömege elérheti a 200.000-et, vagyis polimerizációs foka (az egy makromolekulában átlagosan egymáshoz kapcsolódott monomermolekulák száma) maximálisan 3500. Ez a gumiszerű műanyag telített lévén nem vulkanizálható az izobutént 2 % izoprénnel együtt polimerizálva (kopolimerizálva) azonban kiváló tulajdonságú butilkaucsuk nyerhető, melynek vulkanizált terméke kémiailag nagyon ellenálló és gyakorlatilag nem öregszik. A fenti kationos mechanizmus szerint játszódik le sok más alkén savval iniciált (sokszor nem kívánatos) polimerizálódása is. -- Anionos polimerizáció Anionosan azok a C,C kettős kötést tartalmazó monomerek polimerizálhatók, melyek a kettős kötés mellett valamilyen erősen elektronszívó (vagy az elektronokat delokalizálni képes) "Z" csoportot (pl. -CN, -Cl, -fenil) tartalmaznak. Az iniciáló anion (A-) lehet szervetlen, pl. NH2- a kálium-amid disszociációjából, vagy karbanion, pl. butil-lítium disszociációjából:

A folyamat vázlatos mechanizmusa:

-- A vinil típusú alkének polimerjeinek sztereokémiája A vinilcsoportot tartalmazó alkén monomerek polimerizációjával előállított makromolekulák általában ún. fej-láb polimerek, azaz a polimerizáció regioszelektív:

A fej-fej és láb-lábkapcsolódás ritka:

A makromolekulás anyagok kristályszerkezetét (és ezen keresztül mechanikai tulajdonságaikat) azonban a polimerizáció (általában kedvező) regioszelektivitásán kívül döntő módon befolyásolja annak sztereoszelektivitása is, azaz az R-csoportok térbeli helyzete a polimer láncban. A makromolekulát láncalakban, a térben kihúzva szembetűnik, hogy az R szubsztituensek a láncot alkotó szénatomok által meghatározott sík egyik vagy másik oldalára kerülhetnek:


20

www.biokem.hu


Amennyiben a polimerizációt sztereospecifitással nem rendelkező katalizátorral (pl. valamilyen gyökös iniciátor segitségével) hajtják végre, az R csoportok térbeli elhelyezkedését csupán statisztikai törvények határozzák meg és a makromolekulás lánc térbeli felépítése a fenti ábrán láthatóhoz lesz hasonló. Az ilyen polimereket nevezik ataktikusnak, utalva arra, hogy az R csoportot hordozó és azonos térbeli felépítésű szénatomok a láncban, szabálytalan térközökben követik egymást. Az ilyen polimer - mivel annak minden egyes molekulája más térbeli felépítésű - nem kristályos, amorf (az ataktikus polipropén (polipropilén) pl. alacsony olvadáspontú, gyakorlatilag nem hasznosítható anyag). Figyeljük meg, hogy az R csoportot hordozó szénatomok tulajdonképpen aszimmetrikus, királis szénatomok, mivel a hozzájuk kapcsolódó két hosszú szénlánc gyakorlatilag nem lehet azonos. Ennek a kiralitásnak azonban ezeknél az anyagoknál, mivel az aszimmetria igen kisfokú és nem is egységes, nincs jelentősége. Speciális (elsősorban fémorganikus vegyületeken alapuló) katalizátorokkal azonban olyan polimerek is előállíthatók, amelyekben az R csoportok térbeli elhelyezkedése szabályszerűséget mutat. Az ilyen polimerizációt nevezik sztereospecifikusnak. A sztereospecifikus polimerek két legfontosabb típusát az alábbi ábrák szemléltetik. -- Alkén polimerek (poliolefinek) A poliolefinek jelentőségét mutatja, hogy a világ műanyagtermelésének kb. 1/3-át teszik ki. Valamennyi hőre lágyuló, ún. termoplasztikus műanyag. Legnagyobb mennyiségben polietént gyártanak, jelentős részét a kisnyomású (fémorganikuskatalizátoros) eljárásokkal. A polietén (polietilén) két legfontosabb változatának tulajdonságai között elég jelentős különbségek vannak, ami felhasználási területüket is többé-kevésbé meghatározza. Kémiai ellenálló képességük nagyjából azonos: halogének- és erős oxidálószerek megtámadják, szénhidrogének és klórozott szénhidrogének csak duzzasztják a polietént. Az oxigénes iniciálással, nagy nyomáson és magas hőmérsékleten előállított ún. nagynyomású polietén átlagos molekulatömege 20.000-35.000, szénlánca 1000 szénatomonként mintegy 20-30 elágazást tartalmaz. Emiatt a makromolekulák rendezettsége és az anyag mechanikai szilárdsága kisebb, mint a fémorganikus katalizátorokkal, kis nyomáson és alacsony hőmérsékleten gyártott ún. kisnyomású polieténé. Ez utóbbinak molekulatömege nagyobb (70.000-350.000) és szénlánca 1000 szénatomonként átlagosan kevesebb, mint egy elágazást tartalmaz. A nagyobb rendezettség ("kristályosabb" szerkezet) következtében tehát nagyobb szilárdságú és nagyobb sűrűségű, de egyben ridegebb, mint a nagynyomású polietén. A polimerben visszamaradó katalizátorfém-nyomok miatt ugyanakkor elektromos szigetelőképessége is rosszabb. A kis- és a nagynyomású polietén jellemzőit a. TÁBLÁZATBAN hasonlítottuk össze. Csomagoló fóliák gyártására inkább a nagynyomású, szerkezeti anyagként (pl. vízvezeték csövekben) inkább a kisnyomású polietént használják.

Az izotaktikus polipropén (polipropilén, PP) igen sokoldalúan használható, a polieténnél olcsóbb műanyag. Egyre több célra alkalmazzák szerkezeti anyagként nagy (3000-3400 N/cm2 szakító-) szilárdsága és magas lágyuláspontja (160-170 °C) miatt. Alkalmas fóliának és szál is húzható belőle (zsákok, szőnyegek). A poli(izobutén) nagy részét butilkaucsukká dolgozzák fel, de használják saválló és szigetelő burkolások készítésére is. A polisztirollal a Részlet a www.hik.hu/tankonyvtar című honlapról

Diének (diolefinek, alkadiének) Két kettős kötést tartalmazó szénvegyületek. A kettős kötések helyzete szerint beszélhetünk: Kumulált diének -CH=C=CHKonjugált diének -CH=CH-CH=CHIzolált diének -CH=CH-(CH2)n-CH=CHA butadién (1, 3-butadién, C4H6)


21

www.biokem.hu


A legegyszerűbb konjugált dién. Melyben négy szénatom kapcsolódik (sp2 hibridizáció!).

A szénatomok négy p-atom pályáján található 4 elektron a π1 és π2 molekulapályákon helyezkedik el. Ezek delokalizált elektronok, tehát mind a négy szénatomhoz tartoznak. A π1 pályának egy csomósíkja van, ez a négy szénatom síkja. A π2 pályának két csomósíkja van: a négy szénatom síkja és a 2.és 3. szénatom közötti, a molekula „tengelyére” merőleges sík. A π2 pálya esetén nagyobb a pályaenergia, mint a π1 pálya esetén.

Jellemző reakciók: addíció, polimerizáció CH2=CH-CH=CH2 + Br2

CH2Br-CHBr-CH=CH2 (1,2-addíció) CH2Br-CH=CH-CH2Br (1,4-addíció)

Polimerizáció: nCH2=CH-CH=CH2

( CH2-CH=CH-CH2 )n

Izoprén (2-metil-1, 3-butadién) Izoprén

→

Poliizoprén (gumi)

Vulkanizált gumi (térhálós polimer)

Polimerizációval: cisz-1, 4-poliizoprén képződik (mesterséges és természetes gumi) Izoprén-váz: számos biológiai anyag izoprén-egységekből épül föl. Pl.: Terpének: növények illat- és ízanyagai: limonén (citrom), mircén (babér), stb.. Likopin (paradicsom színanyaga), karotin (sárgarépa színanyaga), kaucsuk (gumi)


22

www.biokem.hu


Likopin

Terpenoidok (módosított terpének): mentol (menta), kámfor (kámforfa), szteroidok Mentol

Kámfor

Szterán-váz (szteroidok)

Alkinek Olyan szénhidrogének, melyek molekulái legalább egy háromszoros kovalens kötést tartalmaznak két szénatom között (-C≡C-). Térszerkezetük, összehasonlítva a diénekével:

Homológ sor: etin(acetilén), propin, 1-butin, 1-pentin, 1-hexin, 1-heptin, Általános képlet: CnH2n–2 Elnevezésük: a megfelelő alkán nevében az „-án” végződést „-in” végződésre cseréljük. Kiválasztjuk a leghosszabb olyan szénláncot, amely a hármas kötést is tartalmazza, majd úgy számozzuk a szénatomokat, hogy a telítetlenek a lehető legkisebb számot kapják. A vegyület nevében a hármas kötés helyét az első telítettlen szénatom sorszáma jelöli. Elágazó lánc esetén az alkánoknál tanult módon járunk el. Fizikai és kémiai tulajdonságok - A sorozat első tagjai gázok. Készítette: Fischer Mónika

23

www.biokem.hu


- Világító és kormozó lánggal égnek. - Az acetilének, ipari szempontból egyik legjelentősebb addíciós reakciója a Kucserov reakció. Lényege, hogy az acetilén-származékok kénsav és higanysó jelenlétében felveszik a hármas kötésre a víz elemeit. Így az acetilénből acetaldehid, az acetilén-homológokból ketonok (pl. a lenti reakcióban aceton) keletkeznek. A zárójelben látható vegyületek átmeneti termékek.

- Telítési reakciója:

Előállítás: - Alkének halogénnel telítve két molekula halogén-hidrid elvonással a megfelelő alkin szénhidrogénné alakul: H3C-CH=CH + Br2 = H3C-CHBr-CH2Br H3C-CHBr-CH2Br + 2 KOH = H3C-C≡CH + 2 KBr + 2 H2O - Ma az acetilén ipari előállitási módszerei közül a metán parciális oxidációja a legelterjedtebb. Ennek energiatermelő reakciója: 2 CH4 + O2 =2 CO + 4 H2 A teljes elégéshez szükségesnél kevesebb oxigénnel kevert metán tartózkodási ideje az 1500-1600 °C-os reaktortérben (lángban) kb. 0,01 sec. A kilépő gázt, amely 8-9% acetilént tartalmaz, víz befecskendezésével hűtik le 150 °C-ra. Az acetilént nyomás alatt oldószerrel mossák ki a gázelegyből. Melléktermékként értékes szintézisgáz (CO + 2 H2) keletkezik. - Kalcium-karbidból: ez a klasszikus megoldás. Ennél az eljárásnál égetett meszet és kokszot olvasztanak össze az ívfény hőmérsékletén (2500-3000°C), majd az így kapott kalcium-karbidból (helyesebben: kalcium-acetilidből) állítják elő vízzel az acetilént: CaO + 3 C= CaC2 + CO CaC2 + 2 H2O= C2H2 + Ca(OH)2


24

www.biokem.hu


Az így nyert (egyébként szagtalan) acetilén arzin, foszfin és kén-hidrogén szennyezései miatt fokhagymaszagú gáz.

Felhasználás Az acetilént lánghegesztésnél használják magas égéshője miatt. Különböző kémiai folyamatokban használatosak kiindulási vegyületként.

Acetilén Két szénatom (sp-hibridizáció), lineáris molekula. Két π-kötés (azonos pályaenergia), melyek csomósíkjai egymásra merőlegesek.

Fizikai tulajdonságok: - Színtelen, szagtalan gáz - Oldhatóság: acetonban jól oldódik, vízben rosszul - Olvadáspont: -84 °C, Forráspont: -80,8 °C - Nagy nyomás hatására robban (elemeire bomlik hőfejlődés közben)

Kémiai tulajdonságok: Két relatív gyenge π-kötés, viszonylag polározott C-H kötések. Az eténnél is reakcióképesebb vegyület. • Égés: 2 C2H2 + 5O2 4CO2 + 2H2O • Addíció: - Hidrogénnel: C2H2 + H2 C2H2 (etén) C2H4 + H2 C2H6 (etán) - Halogénnel: C2H2 + C2H2Cl2 +

Cl2 Cl2

C2H2Cl2 (1,2-diklór-etén) C2H2Cl4 (1,1,2,2-tetraklór-etán)

- Erős savval: (HgCl2 katalizátor) C2H2 + HCl H2C=CHCl (klór-etén v. vinil-klorid) nH2C=CHCl ( H2C-CHCl )n (poli- vinil-klorid), PVC, műanyag)


25

www.biokem.hu


- Vízzel: (kénsav és HgSO4 katalizátor, instabil átmeneti termék) C2H2 + H2O [H2C=CH-OH] (vinil-alkohol)

H3C-CH=O(acetaldehid)

- Gyenge savként viselkedik, sói az acetilidek vagy karbidok (gyengébb sav,mint a víz, ezért sói vízben protont vesznek fel a víztől) CaC2 (kalcium-karbid) + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2 - Reakció nátriummal (cseppfolyós ammóniában) C2H2 + 2Na Na2C2 (nátrium-karbid) + H2 - Polimerizáció: poliacetilén képződik (biokémiai jelentősége: melanin nevű pigment egyik formája)

Aromás szénhidrogének (Arének) • HOMOLÓG SOR A homológsor képlete az alapgyűrűtől (benzol; naftalin [kétgyűrűs]) és az oldallánctól is függ

•

• ELNEVEZÉS Az alapgyűrűtől függően: …–benzol; …–naftalin stb.

triviális név

IUPAC-NÉV

toluol

metil-benzol

sztirol

vinil-benzol

xilol

dimetil-benzol

IZOMÉRIA • Konstitúciós izoméria - A szubsztituensek helyzete szerint: • orto–… (1, 2-helyzetben) • meta–… (1,3) • para–… (1,4) • Cisz-transz izoméria - Megléte az oldallánctól függ • vicinális–… (1,2,3 helyzetben) • aszimmetrikus–… (1,2,4) • szimmetrikus–… (1,3,5) • Optikai izoméria • Megléte az oldallánctól függ

A benzol elemi összetételét Faraday 1825-ben CH-nak határozta meg. Az 1800-as évek közepére vált egyértelművé, hogy a benzol molekulájában hat szénatom kapcsolódik egymáshoz, mindegyik szénatom egy-egy hidrogénatommal van kapcsolatban, és hogy a szénatomok, valamint a hidrogénatomok egymással - külön-külön - egyenértékűek. A hat szénatom egymáshoz kapcsolódása azonban - az egyenértékűség megtartásával is - többféle módon képzelhető el. Így Kekulé (1865) szabályos hatszögű gyűrűt feltételezett, és a szén Készítette: Fischer Mónika

26

www.biokem.hu


négyvegyértékűségének fenntartása érdekében a gyűrűben egymást váltogató egyes és kettős C-C-kötésekkel formulázta a benzol szerkezetét. Ez a "ciklohexatrién" szerkezet azonban nem áll összhangban a benzol kémiai tulajdonságaival (pl. azzal, hogy a benzol brómot nem addicionál), és a rögzített helyzetű telítetlen kötések esetén várható kétféle orto-diszubsztituált benzolszármazékok létezését sem támasztotta alá a tapasztalat. Kekulé ezért azt is feltételezte, hogy a benzolgyűrű kötésrendszere a valóságban két határszerkezet között oszcillál (vagy a VB-megközelítés modernebb fogalmazásában: a két mezomer határszerkezet "rezonanciahibridje" ):

Kekulé javaslatát csak fokozatosan fogadta el a tudományos közösség és ezért még más javaslatok is születtek a benzol szerkezetére. Így Dewar (1867) a benzol szerkezetét keresztkötéseket tartalmazó hattagú gyűrűs határszerkezetek eredőjeként képzelte el: Mai felfogásunk szerint a benzolmolekula szénváza hat sp2 szénatom által feszültségmentesen kialakított szabályos hatszögű gyűrű, melynek minden szénatomjához radiális irányban, a gyűrű síkjában kapcsolódik egy-egy hidrogénatom. A hat egyenértékű, egymáshoz páronként egyenletes távolságban kapcsolódó trigonális szénatom mindegyike egy-egy - a gyűrű síkjára merőlegesen orientált - egy elektronnal feltöltött p-orbitállal rendelkezik. Ezek a p-orbitálok egymással átfedésben vannak, vagyis a 6 elektronnak a teljes gyűrűre kiterjedt (a gyűrűben "záródó") delokalizációjára van lehetőség.. Stabilis a rendszer egyrészt azért, mert nincs elektromos töltése, másrészt mert a szabályos hatszög belső szöge és a trigonális szénatomok vegyértékszöge közötti egyezés (mindkettő 120°) következtében a gyűrű feszültségmentes. A planáris szénvázat tehát mindkét oldalán egyenletes eloszlású π -elektronfelhő borítja, melyben az elektronok tartózkodási valószínűsége minden szénatomon azonos:

Részlet a www.hik.hu/tankonyvtar című honlapról Aromás gyűrű: (Hückel-szabály) − A gyűrűt felépítő atomok azonos síkban helyezkednek el. − Minden atomnak van egy, a gyűrű síkjára merőleges tengelyű, szabad p-pályája (amely részt vehet a delokalizált π-molekulapályák felépítésében). − A π-elektronok száma 4n+2, ahol n nem negatív egész szám (0,1,2,...) Benzol Fizikai tulajdonságok: Készítette: Fischer Mónika

27

www.biokem.hu


- Színtelen, jellegzetes szagú, folyadék - Vízzel nem elegyedik - Olvadáspont: 5 °C, Forráspont: 80 °C

Kémiai tulajdonságok: Meglepő módon nem viselkedik a telítetlen szénhidrogénekhez hasonlóan! Nem addíciós, hanem szubsztitúciós reakciókra hajlamos! A benzolmolekula tökéletes hatszöges szimmetriát mutat. Minden C-C kötés ugyanolyan hosszú és azonos erősségű. A molekula összes atomja egy síkban van. A kötésszögek 120ºosak (sp2 hibridizáció). Hat darab π-elektron, delokalizálódik a hat szénatomra kiterjedően (πelektronszextett). Ezek három darab kötő π-molekulapályán helyezkednek el (π1,π2,π3).

π1

π2

π3

1 csomósík (σ-váz síkja)

2 csomósík (σ-váz síkja és egy arra merőleges sík)

2 csomósík (σ-váz síkja és egy arra merőleges sík)

A π-elektronszextett tökéletesen egyenletes elektroneloszlást eredményez a gyűrű síkja alatt és felett! Ezt jelképezi a szerkezeti képletben a hatszögbe rajzolt kör.

Reakciók: - Szubsztitúció: (FeBr3 katalizátorral és a melléktermék hidrogén- bromid)


28

www.biokem.hu


- Nitrálás: (60ºC, kénsav katalizátor) C6H6 + HNO3 C6H5NO2 (nitro-benzol)

+

H2O

NO2 +HNO3

- Szulfonálás

HSO 2 4

+ HO 2

60°C nitro-benzol

- Katalitikus oxidáció oxigénnel Katalitikusan aktivált levegő-oxigénnel benzolból maleinsav-anhidridet, naftalinból ftálsavanhidridet állítanak elő ipari méretekben. A katalizátor mindkét esetben vanádium-pentoxid; az alkalmazott hőmérséklet összhangban van a két gyűrűrendszer reakciókészségével:

- Addíció Nehezen addícionálhatók az aromás gyűrű nagy stabilitása miatt! 3H

2 → C H (ciklohexán) C6H6  6 12


29

www.biokem.hu


Csoportok képzése benzolból: Fenil-csoport H

Benzil-csoport H

H

H CH2

H

H H

H

H

H

Irányítási szabályok:

Egyéb aromás szénhidrogének Toluol (metil-benzol)

Előfordulás: A kőszénkátrányban és a nyers kőszéngázban található. Fizikai és kémiai tulajdonságok: Színtelen folyadék Vízben rosszul oldódik (0,5 g/l) Sűrűség: 0, 865


30

www.biokem.hu


- Klórozása:

Előállítás: Kőszénkátrányból a benzollal együtt vonják ki és desztillációval választják széjjel. Szintetikusan a Friedel-Krafts-szintézissel vízmentes alumínium-klorid jelenlétében benzolból és metil-kloridból állítják elő: C6H6 + ClCH3= C6H5CH3 + HCl Ez a módszer általánosan felhasználható az alkil-benzolok előállítására.

Felhasználás: Nagy mennyiségben használják a TNT (trinitro-toluol), a legáltalánosabban használt robbanóanyag előállításához. Izolált többgyűrűs aromás szénhidrogének A benzolgyűrű egy vagy több hidrogénatomját helyettesítheti aromás jellegű (aril-) csoport, valamint nyíltláncú szénhidrogénhez is kapcsolódhat kettő vagy több arilcsoport. A vegyületek szerkezetére mindkét esetben az jellemző, hogy az aromás gyűrűk egymástól izoláltak; nem "kondenzálódnak" két közös szénatomon keresztül. E vegyületek két fő típusát a (poli)fenil-benzolok illetve a polifenil-alkánok képviselik (példaként közöljük a bifenil és egy terfenil izomer, valamint a trifenilmetán szerkezeti képletét):


31

www.biokem.hu


Kondenzált aromás szénhidrogének Ha két gyűrűben két egymás melletti szénatom közös, kondenzált gyűrűs vegyületről beszélünk. Funkciós csoportot nem tartalmazó aromás gyűrűk kondenzálódásával többgyűrűs kondenzált aromás szénhidrogének alakulnak ki. Két benzolgyűrű kondenzálódása ("anellálódása") még csak egyféle módon lehetséges: így vezethető le a naftalin (naphthalene) (C10H8) szerkezete. Három vagy több gyűrű kondenzálódása esetén azonban már más-más vegyületről van szó aszerint, hogy az anelláció lineáris (a gyűrűk központjait összekötő vonal egyenes), vagy anguláris (a központok egymással szöget bezáró egyenesekkel köthetők össze). Három benzolgyűrű lineáris kondenzálódása az antracén, anguláris kondenzálódása pedig a fenantrén szerkezetéhez vezet.

Ha a kondenzált gyűrűs aromás szénhidrogénekből képezünk arilcsoportokat, már egy hidrogénatom elvétele esetén is kettő vagy több izomer csoport keletkezhet: az aromás gyűrűk egyes szénatomjainak strukturális helyzete ugyanis a kondenzáció következtében már nem egységes. A naftalinból kettő, az antracénből három, a fenantrénből pedig öt különböző egyértékű arilcsoport vezethető le. Az így kapott arilcsoportok megnevezésekor, vagy a kapcsolódó szubsztituens(ek) helyzetének megjelölésekor számozást használunk, vagy - az egyszerűbb molekuláknál - görög betűkkel jelöljük a szénvázon a szénatomokat (pl. 1-, vagy α-naftil és 2-, vagy ß-naftil). Természetesen háromnál több gyűrű is kondenzálódhat egymással: négy gyűrűt tartalmaz például a pirén, ötöt a benzpirén (pontosabban: benz[a]pirén), hat benzolgyűrű centrális anellációjával pedig a koronén szimmetrikus szerkezete alakul ki. Az ilyen sokgyűrűs kondenzált aromás szénhidrogének között számos karcinogén (rákkeltő) hatású vegyület ismeretes, a benz[a]pirén ezek közül az egyik legveszélyesebb (az [a] jelzés arra utal, hogy az ötödik benzol gyűrű a pirén "a" jelű oldalához anellálódik.


32

www.biokem.hu


Ajánlott irodalom és internetes források az 6. oktatócsomag feldolgozásához • http://www.matud.iif.hu/01nov/magyari.html MAGYARI DÁNIEL-TIHANYI LÁSZLÓ:

A szénhidrogénhelyzet Hogyan változott a szénhidrogén felhasználása az utóbbi 100 év során és miért a 20. század utolsó harmadában ugrott meg leginkább a felhasználása. A szénhidrogén növekvő felhasznlása milyen hatással lehet ránk, a középpontban a Kelet-európai és hazai helyzetképet helyezi. A földgáz hasznosítása és nélkülözése. Fenntartható e a fejlődés vele és nélküle? Végül a szerző a jövőt elemzi, hogy mennyire szükségesek a szénhidrogének a jövő(nk)ben. • http://www.mindentudas.hu/szantay/20041017szantay.html SZÁNTAY CSABA:

Gyógyszereink és a szimmetria A biológiailag hatékony molekulák jelentős része királis szerkezetű, vagyis egymással fedésbe nem hozható kép és tükörkép szerkeszthető belőlük. Ezeknek a molekuláknak biológiai hatása nagymértékben függ attól, hogy az elő szervezetekkel melyik térszerkezetű anyag kerül kölcsönhatásba. A kémiai kutatások egyik fő célja olyan eljárások kidolgozása, amelyek a kívánatos térszerkezetű anyagot szelektíven szolgáltatják. • http://origo.hu/tudomany/elet/20040930egyfustos.html DOHÁNYFÜST ÉS KIPUFOGÓGÁZOK: MEGLEPŐ

EREDMÉNYEK

A füstös bárok, szórakozóhelyek levegője akár 50-szer annyi rákkeltő részecskét is tartalmazhat, mint a csúcsforgalom idején teherautókkal teli autópályáké vagy városi utaké. A szabad levegővel ellentétben azonban a beltéri levegőszennyezés gyakorlatilag azonnal eltűnik, mihelyst a dohányzást betiltják az adott helyen - állítja egy nemrégiben megjelent tanulmány. • http://www.origo.hu/tudomany/vilagur/20051114ametan.html A METÁN ÉS AZ ÉLET NYOMÁBAN A MARSON

A Mars légkörében lévő metánnal kapcsolatos legfontosabb kérdés, hogy biogén vagy abiogén úton keletkezett. Az új földi vizsgálatok sivatagi talajokban mutattak ki olyan metántermelő baktériumokat, amelyek talán a vörös bolygón is megélnének. • http://www.kfki.hu/~cheminfo/TermVil/szamok/tv2005/tv0512/inzelt.html INZELT GYÖRGY: IL L A T O S U T A K O N E G Y K É M I K U S O R R A U T Á N


33

www.biokem.hu


Miért illatosak a szerves vegyületek? Az ELTE tanára elemzi ezt a kérdést egy rövid cikkben, minden tekinteben, kitérve az érzelmi hatásokra, vonzalomra, csábításra is.

Gyakorlás 1.a. feladat 1. Az alábbi, C7H14 összegképletű vegyületek közül az egyiknél nincs cisz-transz izoméria. Melyik az? A. 2-heptén B. 3-heptén C. 2-metil-2-hexén D. 3-metil-2-hexén E .3-metil-3-hexén 2. Hány olyan konstitúció létezik a C7H16 összegképletű vegyületek között, amelyik királis? A, egy sincs B, egy C, kettő D, három E , négy 3. Mi a benzil-csoport összegképlete? A, C6H5 B, C7H7 C, C6H11 D, C2H3 E, C2H5 4. Az olefinek cisz-transz izomériájának feltétele? A, Legalább egy szénatom körül négy különböző ligandum megléte. B , A kettős kötést hordozó szénatomokon azonos ligandumok. C, A kettő kötést hordozó szénatomok egyikén csak hidrogén, a másikon szénhidrogéncsoportok. D, A kettő kötést hordozó szénatomokon feltétlenül négy különböző ligandumnak kell lennie. E A kettős kötést hordozó szénatomok mindegyikén két különböző ligandumnak kell lennie. 5. A vinilcsoport összegképlete: A, C2H4 B, C2H5 C ,C2H3 D, C2H6 E, C2H2


34

www.biokem.hu


6. Az alábbiak közül melyik a dimetil-benzol konstitúciós izomerje? A, a toluol B ,az etil-benzol C, a vinil-benzol D, az izopropil-benzol E, a felsoroltak közül egyik sem 7. Hány különböző konstitúciójú C4H8 összegképletű molekula van? A, 2 B, 3 C, 4 D, 5 E, 6 8. Hányféle konstitúciójú C5H12 összegképletű molekula létezik? A, 2 B, 3 C, 4 D, 5 E, 6 9. Melyik az a C5H12 összegképletű molekula, amelyiknek bármelyik hidrogénatomját cseréljük ki klóratomra, mindig ugyanahhoz a molekulához jutunk? A, n-pentán B, 2-metil-bután C, 2,2-dimetil-propán D mindhárom E, nincs ilyen 10. Hányféle különböző dimetil-naftalin létezik? A, 2 B ,8 C ,9 D, 10 E, 10-nél több 11. Melyik elnevezés NEM szabályos? A, klór-etán B, 4-klór-2-metil-bután C, 2-propén-1-ol D, 1,1-diklór-etán E, 2-metil-1-propanol 12. Melyik vegyület NEM izomerje a 2-metil-1, 3-butadiénnek? A, 1-pentin B, 2-pentin C, 1,3-pentadién D, ciklopentén E, 2-metil-1,2-butadién


35

www.biokem.hu


13. Hány szénatomot tartalmaz a legkisebb királis, nyílt láncú szénhidrogén? A, Nincs ilyen szénhidrogén. B, 6 C, 5 D, 7 E, 8 1.b. Relációanalízis 14. A klór-ciklohexánnak kétféle konfigurációjú molekulája létezik, mert a szék konformációjú gyűrűhöz a klóratom axiális vagy ekvatoriális helyzetben kapcsolódhat. 15. Az enantiomerpár két tagjának konstitúciója és konformációja is megegyezik, mert enantiomerpár két tagjának konfigurációja eltérő. 16. Egy szerves vegyület molekulája mindig enantiomerpárt képez saját tükörképével, mert minden enantiomerpár egyik tagja a másik molekula tükörképével megegyező konfigurációjú. 17.Egy királis molekula diasztereomer- és enantiomerpárjával is azonos konstitúciójú, mert a diasztereomer- és az enantiomerpárok is konfigurációjukban is különböznek. 2. Asszociáció A. benzin B. petróleum C. gázolaj D. kenőolaj E. pakura

1. Jellemzően C16–C28 paraffinok keveréke. 2. Mozdonyok és teherautók üzemeltetésére használják. 3. Tisztított formája a kerozin. 4. Minőségét alkohol hozzáadásával is javíthatják. 5. Belőle csökkentett nyomáson gázolajat is előállítanak. 6. 50–150°C között desztillált párlat. 7. Régebben világításra használt folyadék.


36

www.biokem.hu


8. 350°C feletti hőmérsékleten vákuumdesztillált párlat.

A. alkánok B. alkének C. mindkettő D. egyik sem

9. Molekuláik csak négyligandumos szénatomokat tartalmaznak. 10. Molekuláik csak háromligandumos szénatomokat tartalmaznak. 11. Molekuláik mindig tartalmaznak négyligandumos szénatomokat. 12. Molekuláik mindig tartalmaznak háromligandumos szénatomokat. 13. Molekuláik mindig tartalmaznak kétligandumos szénatomot. 14. Legkisebb molekulájú képviselőjük két szénatomot tartalmaz. 15. Kormozó lánggal égnek. 16. A brómos vizet minden tagjuk könnyen elszínteleníti. 17. Általános összegképletük lehet CnH2n 18. Konstitúciós és optikai izoméria is előfordul közöttük. A. xilol B. toluol C. mindkettő D. egyik sem

19. Minden szénatomja egy síkban van. 20. Molekulájában minden atom egy síkban van. 21. Kormozó lánggal ég. 22. Háromkonstitúciós izomer elegye. 23. Kitűnő apoláris oldószer. 24. Az etil-benzol konstitúciós izomerje.


37

www.biokem.hu


25. A brómos vizet elszínteleníti, mert kémiai reakcióba lép vele. 26. A sztirollal közös homológsorba tartozik. 27. Forráspontja magasabb, mint a benzolé. 28. Gyűrűje a benzolénál könnyebben brómozható. 3.A. változat (Ez a fel adat el őrem ut at az an yagban , próbáld m egcsi nál ni de s emmi baj nincs ha most még elakadsz benne.) Az állítások, mellé írja a megfelelő molekulák betűjelét! (Egyes esetekben két vegyületet is meg kell nevezni!) a) glicerinaldehid b) benzol c) butánsav d) izopropil-alkohol e) etil-metil-éter

1. A legalacsonyabb forráspontú: ……………… 2. A legtöbb C-atomot tartalmazza: ……………… 3. Monoszacharid: ……………… 4. Reakcióba lép NaOH-oldattal: ……………… 5. Formilcsoportot tartalmaz: ……………… 6. Szénhidrogén: ……………… 7. Vizes oldata savas kémhatású: ……………… 8. Oldata adja az ezüsttükörpróbát: ……………… 9. Egymással konstitúciós izomerek: ……………… 10. Ecetsavval észteresíthető: ……………… 11. Rendkívül kormozó lánggal ég: ……………… 12. CuO-dal oxidálva aceton keletkezik: ……………… 4. Egyszerű választás 1. Kitől származik a szerves és szervetlen kémiai elnevezés? A) Wöhler B) Dalton C) Berzelius D) Avogadro E) Butlerov Készítette: Fischer Mónika

38

www.biokem.hu


2) Ásványi eredetű anyagból 1828-ban szerves vegyületet állított elő… A) Dalton B) Berzelius C) Davy D) Wöhler E) Fischer

3) A szerves és szervetlen vegyületek különválasztásának oka… A) a szervetlen vegyületek nagy száma. B) a szénvegyületek nagy száma. C) a szerves vegyületek főként az élő szervezetben fordulnak elő. D) a szénvegyületek erélyes behatásokkal szemben nem ellenállók. E) a szerves vegyületekre más kémiai törvények érvényesek, mint a szervetlen vegyületekre.

4) A szénvegyületekhez hasonló, több egymással kapcsolódó szilíciumot tartalmazó szilíciumvegyületek… A) nem léteznek. B) a megfelelő szénvegyületeknél kevésbé stabilisak. C) száma meghaladja a szénvegyületek számát. D) sok száz szilíciumatomot tartalmazhatnak. E) kötései a szilíciumatomok nagyobb mérete miatt erősebbek.

5) Izomériáról beszélünk, ha… A) szénen és hidrogénen kívül más atomok is találhatók a molekulában. B) két molekula eltérő funkciós csoportot tartalmaz. C) a vegyületek szénatomjainak száma megegyező, de összegképlete eltérő. D) a vegyületek összegképlete megegyező, de szerkezete eltérő. E) két vegyület elemi összetétele különböző.

6) A konstitúció kifejezi a molekula… A) térbeli szerkezetét.


39

www.biokem.hu


B) összegképletét. C) atomjainak kapcsolódási sorrendjét. D) szénatomjai közötti kötés erősségét. E) szénatomjainak távolságát.

7) Az alábbi vegyületek közül melyiknek legmagasabb a forráspontja (azonos körülmények között)? A) n-pentán B) 2-metil-pentán C) valamennyié azonos D) 2, 2-dimetil-bután

8) A metánmolekula stabilis, mert… A) a szénatom és a négy hidrogénatom összes energiája együttesen kisebb, mint a metánmolekula összes energiája. B) a metánmolekula összes energiája kisebb, mint a szénatom és a négy hidrogénatom összes energiája együttesen. C) a metánmolekula ugyanannyi protonból és elektronból épül fel, mint egy szénatom és négy hidrogénatom együtt. D) a molekula a magoknak és elektronoknak más rendszere, mint a különálló atomok. E) a szén és a hidrogén eredeti tulajdonságait nem lehet benne felismerni.

9) Mi az oka annak, hogy a metán csak nagyon alacsony hőmérsékleten cseppfolyósítható? (forráspontja: –162°C) A) Molekulái szimmetrikus felépítésűek. B) A metánmolekula apoláris. C) Molekulái között nagyon gyenge másodrendű kölcsönhatások működnek. D) Az előbb felsoroltak (A, B, C) együtt. E) Egyik indoklás sem helyes.

10) Melyik felsorolásban szerepel olyan megállapítás, amely NEM jellemző a metánra? A) Alkán, telített vegyület, robbanásveszély.


40

www.biokem.hu


B) Szénhidrogén, tetraéderes szerkezetű. C) Színtelen, jellemző szagú gáz. D) Vízgőzzel reagál, alacsony az olvadás- és a forráspontja. E) Szagtalan gáz, a földgáznak alkotója.

11) A metán hőbontása ipari szempontból nagyon fontos folyamat, mert… A) szintézisgázt szolgáltat. B) a hagyományos energiatermelés egyik módja. C) etén, acetilén, hidrogén, elemi szén képződésére vezethet, amelyek vegyipari alapanyagok. D) termékeiből műbenzin állítható elő. E) tüzelőanyagokat szolgáltat.

12) Melyik megállapítás NEM igaz? “A homológsor tagjaira jellemző, hogy…” A) a szomszédos tagok molekulája csak egy metiléncsoportban különbözik. B) molekuláik összegképlete megegyezik, de konstitúciója eltérő. C) a szénatomszám növekedésével nő a forráspontjuk. D) kémiai tulajdonságaik hasonlóak. E) azonos szerkezeti elv szerint épülnek fel.

13) Mi az oka annak, hogy a kőolaj magasabb forráspontú párlataiból nehezebb az egyes alkotórészeket különválasztani, mint az alacsonyabb forráspontú párlatokból? A) A magasabb forráspontú párlatokban nagyobb az alkotórészek molekuláinak tömege. B) Nagyobb az alkotórészek sűrűsége. C) Nagyobb a forráspontkülönbség az alkotórészek között. D) Kisebb a forráspontkülönbség az alkotórészek között. E) A szénláncok a lepárlás során elszakadnak.

5. Szövegértelmezés A MŰANYAGOK ADALÉKANYAGAI A műanyagok vázát alkotó polimerlánc tulajdonságai adalékanyagokkal a célnak megfelelően módosíthatók. A legnagyobb mennyiségben felhasznált adalékanyagok a lágyítók. Ezek általában ftálsavészterek. Sok lágyítót a pévécéfóliák gyártásában használnak fel. Készítette: Fischer Mónika

41

www.biokem.hu


Hő, fény vagy mechanikai igénybevétel hatására a polimerekben szabad gyökök (R·) keletkeznek. A levegő oxigénjével könnyen reagáló szabad gyökök felgyorsuló oxidációs folyamatokat indíthatnak el. Az oxigén káros hatását antioxidánsokkal csökkentik. Ezek vagy az oxidáció közben képződő szabad gyököket kötik meg, vagy az oxidációs láncreakció elágazását (felgyorsulását) akadályozzák meg. Néhány aromás szekunder aminnak vannak ilyen tulajdonságai. A látható fény legrövidebb hullámhosszú komponensei és az ultraibolya fény elegendő energiát szolgáltathatnak a polimerek elsődleges kötéseinek felbontásához. Az UVfényelnyelők olyan szerves vegyületek, amelyek az elnyelt fény energiáját szabad gyököt nem termelő kémiai átalakulásukra használják fel. Így viselkednek egyes szalicilsav-származékok. A gumiknál megfelelő szerkezetű korom szolgál fényelnyelőként. A műanyagok éghetősége nagyban csökkenthető szervetlen vegyületek, például alumíniumoxid adagolásával. Amennyiben szálas anyaggal (üvegszál, szénszál) erősítik a műanyagot, akkor kompozitról beszélünk. Ezekből a nagy szakítószilárdságú, rugalmas anyagokból hajótestek, teniszütők, tetőszerkezetek, golyóálló mellények készülnek. Nyergesújfaluban épül a világ egyik legnagyobb szénszálüzeme, ahol egy év alatt 15 ezer tonna szénszálat állítanak majd elő pirolízissel az ott gyártott poli(akril-nitril)-ből. Ha adalékanyagokat használunk, a műanyagok alkalmazási területe és élettartama nő, így kevesebb műanyag is elegendő. Máthé Árpád (ELTE, kémiai technológiai és környezetkémiai tanszék) Válaszolj az alábbi kérdésekre az idézet alapján: 1. Mi a ftálsav képlete? 2. Mi az antioxidánsok szerepe? 3. A látható fény milyen nanométeres tartományba esik?

A kőolaj A felszínre hozott kőolaj elsősorban különböző szénhidrogének elegye. Összetétele változó, nagymértékben függ a lelőhelytől. Ahhoz, hogy alapanyagot, félkész és készterméket lehessen előállítani belőle, számos fizikai és kémiai műveletnek kell alávetni. A kőolaj tömegszázalékos elemösszetétele:


Elem

w (%)

C

81-88

H

10-14

S

<5

O

<2

N

<2

Fémek

<0,15%

42

www.biokem.hu


A kőolajat a kőolaj-finomítóban a komponensek forráspontjainak különbsége alapján desztillációval választják szét. A kőolajat alkotó vegyületek közül azoknak a forráspontja áll közel egymáshoz, amelyek molekulája csupán egy-két szénatomban különbözik. Ezért egy-egy párlat (ún. frakció ) több, hasonló szénatom számú szénhidrogén elegyéből áll. Tekintsük át a különböző kőolajpárlatok összetételét és jelentőségét! A legkisebb szénatom számú folyékony szénhidrogénekből, álló motorbenzinből további finomítás, szétválasztás során különböző minőségű benzint (sebbenzint, petrolétert, stb.) állítanak elő. A petróleumlámpákat ma már legfeljebb nosztalgiából használják, a petróleumból előállított kerozin azonban a repülőgépek üzemanyaga Az előző párlatokénál is hosszabb szénláncú molekulákból álló dízelolaj a Diesel-motorok üzemanyaga. A pakura további feldolgozása csökkentett nyomáson, ún. vákuum desztillációval történik. A kenő- és paraffinolajok nagyobb viszkozitású folyadékok. Ezek is kisebb sűrűségűek a víznél, de hosszú molekuláik összegabalyodnak, s ez magyarázza "sűrűn folyósságukat", amellyel gépalkatrészek működése közben bekövetkező kopását csökkentik. Ma már csak kisebb részüket használják kenőanyagként, a többiből - további feldolgozás (hőbontás) során - a sokkal keresettebb benzint állítják elő. A nagy szénatom számú, fehér, szilárd paraffinból gyertyát, gyógyszert, tartalmazó kúpokat gyártanak. Pakurából is előállíthatnak benzint. A desztilláció végén visszamaradó sötét anyagot, az aszfaltot útépítésnél használják fel. A különféleképpen előállított benzinből fontos szénhidrogéneket választanak el, amelyeket azután a vegyipar különböző szerves vegyületek (pl. műanyag, gyógyszer, stb.) szintézisére használ fel. Az elmúlt évszázadban nagymértékben felgyorsult a Föld - hosszú évmilliók alatt felhalmozott - energiaraktárainak kiürítése. Ez többféle veszélyt is magában rejt: - a szénhidrogének eltüzelésével elfogyasztjuk azt az alapanyagot, amiből az ipar rengeteg egyéb vegyületet állíthat elő, - az égés során képződő nagy mennyiségű szén-dioxid megbontja bolygónk légkörének természetes egyensúlyát, általános felmelegedést okoz (ún. üvegházhatást), ami sok állat- és növényfaj fennmaradását veszélyezteti, a Föld több területén elsivatagosodást okoz. Az emberiség egyik legfontosabb feladata megtalálni az optimális arányt az energiatermelés különböző formái között. A kémiai, illetve az atomenergia különböző módon szennyezi a környezetünket, s bármelyiknek túlzott mértékű alkalmazása jövőnket fenyegeti. A nagy moláris tömegű gázmolekulák, mint amilyen a szén-dioxid is, gátolják a hő kisugárzódását a Földről. A Nap melegítő hatása így egyre nagyobb mértékben érvényesül. A jelenséget üvegházhatásnak nevezik. Ez már jelenleg is megfigyelhető az évi átlaghőmérséklet lassú emelkedésében. Kőolaj desztillálása: A feldolgozás (finomítás) első lépésben a víz és a kőzettörmelék elkülönítése ülepítéssel és a gáztalanítás (nagy mennyiségű propán-bután gázt nyernek). A folytatás a frakcionált desztillációval történik. Ennek során egy csőkemencében néhány száz fokos hőmérsékletre hevítik (a benne levő szénhidrogének hőbomlása még nem kezdődik meg), majd a felmelegített kőolajat bevezetik a frakcionáló oszlopba (kolonnába). A gőzhalmazállapotú termékek a torony frakcionáló részében felfelé haladnak.


43

www.biokem.hu


Válaszolj az alábbi kérdésekre az idézet alapján: 1. Mi a forráspont definíciója? 2. Min alapszik a desztilláció. Milyen fizikai tulajdonságon? 3. Mi a sűrűség definíciója? 4. Kőolajfeldolgozás utolsó termékének neve?

Gyakorlás megoldása 1 feladatok

1

0.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

—

C

C

B

E

C

B

D

B

C

D

B

E

C

D

D

D

A


44

www.biokem.hu


2. Asszociáció

0.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

—

D

C

B

A

E

A

B

D

A

1

D

A

B

D

B

B

B

C

A

C

2

D

C

A

C

A

D

D

C

C

-

3 A) változat 1. e 2. b 3. a 4. c 5. a 6. b

7. c 8. a 9. d és e 10. d a 11. b 12. d

4. Egyszerű választás

1

0.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

—

C

D

B

B

D

C

D

B

D

C

C

B

D

-

-

-

-

5. szövegértelmezés A kőolaj: 1. Az a hőmérséklet melyhez tartozó tensióérték eléri a külső nyomást. 2. A folyadékok eltérő forráspontján 3. Térfogat egységben lévő tömeg. 4. pakura A műanyagok: 1.

2. Megakadályozzák az oxidációt. Az oxidáció káros hatását. 3. 400-800 nm- ig (kéktől a vörös színig)


45

www.biokem.hu

ELTE TTK Hallgatói Alapítvány KÉMIA LEVELEZŐ ÉRETTSÉGI ELŐKÉSZÍTŐ. 6. Oktatócsomag

Recommend Documents