ΒΛ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ. Τεύχος 5ο: Χημεία Γενικής Παιδείας: Αλκίνια

Transcript

1 ΒΛ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ Τεύχος 5ο: Χημεία Γενικής Παιδείας: Αλκίνια

2 ΕΚΔΟΤΙΚΕΣ ΤΟΜΕΣ ΟΡΟΣΗΜΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΕΚΔΟΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΛΥΚΕΙΟ Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Χημεία Γενικής Παιδείας για την Β' Τάξη του Λυκείου 1. Αλκίνια σελ Αλκοόλες Σ ΤΟ ΕΠΟΜΕ ΝΟ ΤΕΥΧΟΣ

3 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 11 Αλκίνια Αλκίνια ΓΕΝΙΚΑ Αλκίνια ονομάζονται οι άκυκλοι υδρογονάνθρακες, οι οποίοι στο μόριό τους περιέχουν έναν τριπλό δεσμό. Ο Γενικός τύπος των αλκινίων είναι CνH ν με ν. Στον επόμενο πίνακα γράφουμε τους μοριακούς και συτακτικούς τύπους των πρώτων μελών των αλκινίων. Μοριακοί Τύποι Συντακτικοί τύποι CH HC CH αιθίνιο ή ακετυλένιο C3H4 CH C CH3 C4H6 προπίνιο CH C CH CH3 1 βουτίνιο CH3C C CH3 βουτίνιο Τα αλκίνια εμφανίζουν ισομέρεια αλυσίδας, ισομέρεια θέσης και ισομέρεια ομόλογης σειράς με τα αλκαδιένια ( διπλούς δεσμούς). Προέλευση Τα αλκίνια λόγω δραστικότητας απαντούν σε μικρές ποσότητες στη φύση. Το μέλος της ομόλογης σειράς που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το ακετυλένιο ΗC CH, το οποίο και θα εξετάσουμε αναλυτικότερα.

4 1 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Γενικές παρασκευές - Παρασκευές ακετυλενίου α. Τα αλκίνια παρασκευάζονται με αφυδραλογόνωση (απόσταση ΗΧ) κορεσμένων διαλογονιδίων με αλκοολικό διάλυμα NaOH ή ΚΟΗ και θέρμανση. C Η Cl NaOH C H ΝaCl H O αλοολικό ν ν δ/μα ν ν Παραδείγματα: αλκοόλη RCH CH KOH RC CH KX HO θ X X X CH C CH NaOH CH C CH NaX H O αλκοόλη 3 3 θ 3 X όπου x: Cl ή Βr. Τα διαλογονίδια που χρησιμοποιούνται πρέπει να έχουν τα δύο άτομα αλογόνου X στο ίσιο ή σε δύο γειτονικά άτομα άνθρακα δηλ. να είναι της μορφής RCHCH X ή RCH CH. X X

5 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 13 β. Το ακετυλένιο, με τη γενική μέθοδο παρασκευής των αλκινίων, παρασκευάζεται ως εξής: αλκοολικό CH CH NaOH CH CH NaCl H δ/ μα O Cl Cl X CH CH NaOH CH CH NaX H O αλκοολικό 3 δ /μα X Το ακετυλένιο μπορεί επίσης να παρασκευαστεί και με ειδικές μεθόδους. 1. Βιομηχανικά με πυρόλυση του μεθανίου (CH 4 ) στους 100 ο C. o 100 C 4 CH CH CH 3H. Με υδρόλυση του ανθρακασβεστίου (CaC ) CaC H O Ca OH HC CH Φυσικές ιδιότητες αλκινίων - ακετυλενίου ή Τα κατώτερα μέλη ( C C4 ) της ομόλογης σειράς των αλκινίων είναι αέρια, τα μεσαία μέλη είναι υγρά και τα ανώτερα είναι στερεά. Οι φυσικές ιδιοτητές των αλκινίων (σημείο ζέσης, σημείο πήξης, ειδικό βάρος) έχουν τιμές λίγο μεγαλύτερες από εκείνες των αντίστοιχων αλκανίων ή αλκενίων. Τα αλκίνια είναι αδιάλυτα στο νερό και διαλύονται μόνο σε οργανικούς διαλύτες. Το ακετυλένιο είναι αέριο, άχρωμο και άοσμο. Είναι ελάχιστα διαλυτό στο νερό αλλά διαλύεται σε οργανικούς διαλύτες και ιδιαίτερα στην προπανόνη CH3C CH3 ακετόνη. O

6 14 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Χημικές ιδιότητες αλκινίων - ακετυλενίου 1. Αντιδράσεις προσθήκης Τα αλκίνια είναι δραστικές ενώσεις, λόγω του τριπλού δεσμού C C που περιέχουν στο μόριό τους. Δίνουν λοιπόν αντιδράσεις προσθήκης οι οποίες γίνονται σε δύο στάδια. Αρχικά ο τριπλός δεσμός μετατρέπεται σε διπλό και στη συνέχεια ο διπλός σε απλό. A B C C AB A B C C C C A B A B όπου Α-Β: H, X, HX, HCN, HO Η προσθήκη στον τριπλό δεσμό ακολουθεί τον κανόνα του Μarkovnikov. α. Προσθήκη H Αυτή γίνεται παρουσία καταλύτη Pt, Pd, ή Νi. CH C CH H CH CH CH CH CH CH Ni H 3 3 Ni 3 3 Γενικά: C Η Η C H C Η Ni H ν ν ν ν Ni ν ν Παρατήρηση Τελικό προϊόν, μετά την προσθήκη του Η, είναι ένα αλκάνιο. Για το ακετυλένιο: CΗ CH H CH CH CH CH Ni H Ni 3 3

7 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 15 β. Προσθήκη X ( Cl ή Br ) Cl Cl Cl CH 3C CH Cl CH3C CH CH3C CH Cl Cl Cl Cl Γενικά: C H Χ C H Χ C Η Χ Χ ν ν ν ν ν ν 4 Για το ακετυλένιο: Cl Cl ΗC CH Cl Cl CH CH CH CH Cl Cl Cl Cl Παρατήρηση Τα αλκίνια αποχρωματίζουν το δ/μα Br σε CCl 4, αφού δίνουν αντιδράσεις προσθήκης με Br Br Br RC CH Br RC CH Br Br

8 16 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια γ. Προσθήκη HX HCl,HBr,HI H προσθήκη ΗΧ γίνεται σύμφωνα με τον κανόνα Μarkovnikov. Cl C C CH HCl CH C CH CH C CH Cl Cl HCl Γενικά: C C C HX 1 Για το ακετυλένιο: HCl C CH HCl CH CH Cl CH3 CH Cl έ ή ί Cl 1,1ά Παρατήρηση Το ενδιάμεσο προϊόν (βινυλοχλωρίδιο CH CH Cl ) μπορεί να απομονωθεί και να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή του πολυμερούς PVC. CH CH CH CH Cl Cl ί ή PVC

9 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 17 δ. Προσθήκη HCN Για το ακετυλένιο: CH CH HCN CH CH CN Παρατήρηση ί ή ί Ο πολυμερισμός του ακρυλονιτριλίου δίνει προϊόν που χρησιμοποιείται ως τεχνητή υφάνσιμη ύλη (Οrlon). C CH CH CH CN CN ί ε. Προσθήκη. Η αντίδραση αυτή γίνεται παρουσία gso4 και HSO 4 και σχηματίζονται καρβονυλικές ενώσεις. CH C CH H O CH C CH CΗ CCH O ασταθής ενόλη HSO4 3 HgSO ΟΗ Η ακόρεστη αλκοόλη (ενόλη) η οποία σχηματίζεται ως ενδιάμεσο προϊόν, μετατρέπεται σε καρβονυλική ένωση. Για το ακετυλένιο: CH HSO4 CH H O HgSO CH CH CH CH O 4 3 ΟΗ ακεταλδεΰδη ασταθής ενόλη ή ή αιθανάλη βινυλική αλκοόλη

10 18 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Παρατήρηση Γενικά τα αλκίνια με προσθήκη ΗΟ σχηματίζουν κετόνες. Μόνο το ακετυλένιο σχηματίζει αλδεΰδη. Η γενική αντίδραση προσθήκης νερού σε αλκίνια είναι: HSO4 RC CH H OH HgSO R C CH R C CH3 4 ΟΗ O ασταθής ενόλη/καρβονυλική ένωση. Καύση CΗ3C CH 4O 3CO HO Η γενική εξίσωση πλήρους καύσης των αλκινίων είναι: 3ν 1 C vhν Ο νco ν 1 ΗΟ Για το ακετυλένιο: 5 CH CH O CO HO Η τέλεια καύση του CH CH δημιουργεί γαλάζια φλόγα υψηλής θερμοκρασίας (3000 ο C), η οποία ονομάζεται οξυακετυλενική φλόγα και χρησιμοποιείται για την κόλληση και κόψιμο των μετάλλων. 3. Πολυμερισμός Το CH CH μπορεί να πολυμεριστεί σε κατάλληλες συνθήκες σε βενζόλιο (τριμερισμός) ή σε βινυλο-ακετυλένιο (διμερισμός). α. Tριμερισμός 3HC CH C H Fe o 500 C 6 6 βενζόλιο

11 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 19 β. Διμερισμός CH CH CH CH CH CH C CH CuCl NH4Cl βινυλοακετυλένιο Το βινυλοακετυλένιο χρησιμοποιείται για την παρασκευή καουτσούκ. 4. Αντιδράσεις αντικατάστασης ή όξινου υδρογόνου. Τα υδρογόνα του HC CH και γενικά τα υδρογόνα που συνδεδεμένα με τον C του τριπλού δεσμού καλούνται όξινα υδρογόνα και μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν από άτομα μετάλλων. Δηλαδή το ακετυλένιο CH CH και τα αλκίνια που έχουν τον τριπλό δεσμό στην άκρη, είναι δηλαδή της μορφής RC CH, δίνουν αντιδράσεις αντικατάστασης του υδρογόνου του τριπλού από μέταλλο. Οι ενώσεις που σχηματίζονται ονομάζονται ακετυλενίδια. Η αντικατάσταση μπορεί να γίνει ως εξής: α. Με επίδραση δραστικού μετάλλου (Na ή Κ). 1 RC CH Na RC CNa H Για το ακετυλένιο: 1 HC CH Na HC CNa H μονονάτριοακετυλενίδιο 1 HC CNa Na NaC CNa H δινάτριο ακετυλενίδιο β. Με αμμωνιακά διαλύματα αλάτων (π.χ. AgNO 3 ή CuCl ) Αντικαθίσταται το Η από Cu ή Αq. Oι χημικές εξισώσεις για το ακετυλένιο είναι: CH CH AgNO NH AgC CAg NH NO λευκό ίζημα CH CH CuCl NH CuC CCu NH Cl 3 χαλκοακετυλενίδιο 4 (καστανέρυθρο ίζημα)

12 130 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Παρατήρηση Ο σχηματισμός του χαλκοακετυλενίδιου χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ακετυλενίου ή γενικότερα των αλκινίων με όξινο υδρογόνο. RC CH CuCl NH3 RC CCu NH4Cl Χρήσεις Το ακετυλένιο χρησιμοποιείται στη συγκόλληση των μετάλλων (οξυακετυλενική φλόγα). Παλαιότερα το ακετυλένιο αποτελούσε τη βάση για τη βιομηχανική παρασκευή πολλών οργανικών ενώσεων με μεγάλες πρακτικές εφαρμογές. Μετά το 1970 και μέχρι σήμερα, ο ρόλος του έχει περιοριστεί, αφού στις περισσότερες περιπτώσεις έχει αντικατασταθεί από το φθηνότερο αιθυλένιο (ή αιθένιο). Έτσι το ακετυλένιο χρησιμοποιείται: - Για την παραγωγή της οξυακετυλενικής φλόγας, η οποία χρησιμοποιείται για την κοπή και τη συγκόλληση μετάλλων. - Για την παρασκευή του χλωροαιθενίου ( CH CHCl), με πολυμερισμό του οποίου σχηματίζεται το πλαστικό PVC. - Για την παρασκευή του προπενονιτριλίου ( CH CH CN ), με πολυμερισμό του οποίου σχηματίζεται η συνθετική ίνα με τα εμπορικά ονόματα Οrlon και Acrilan.

13 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 131 Λυμένες ασκήσεις: 1. Οι παρακάτω ενώσεις μπορούν να παρασεκυαστούν από αλκένιο ή αλκίνιο με βάση μια αντίδραση προσθήκης. Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων προσθήκης που πραγματοποιούνται κάθε φορά. α. CH3CH CHCH3 β. CH3CHCH3 OH Br Br γ. CH3CH CHCH3 δ. CH3CHCH3 Cl ε. CH3C CH3 Λύση O στ. CH3CH Οι χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων προσθήκης που πραγματοποιούνται είναι οι εξής: O α. CH3CH CH CH3 Br CH3CH CH CH3 βουτένιο Βr Br 1, διβρωμοβουτάνιο CH CH CH H O CH CH CH ΟΗ HSO4 β προπένιο προπανόλη γ. CH C C CH H CH CH CH CH Pd 3 3 CaCO βουτίνιο βουτένιο

14 13 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια CH CH CH HCl CH CH CH Cl δ προπένιο χλωρoπροπάνιο HSO4 ε. CΗ C CH H O CH C CH CH C CH OH O 3 HgSO προπίνιο προπανόνη H στ. SO4 CH CH HO CH HgSO CH CH3CH O αιθίνιο 4 αιθανάλη ΟΗ. Πώς μπορούμε να διακρίνουμε αν ένας υδρογονάνθρακας είναι: α. το προπένιο ή το προπίνιο; β. το -βουτίνιο ή το βουτάνιο; Λύση α. Για να διακρίνουμε αν ένας υδρογονάνθρακας είναι το προπένιο ή το προπίνιο, διοχετεύουμε ένα μέρος από τον υδρογονάνθρακα αυτό σε αμμωνιακό διάλυμα CuCl. Αν σχηματιστεί καστανέρυθρο ίζημα, συμπεραίνουμε ότι ο υδρογονάνθρακας αυτός είναι το προπίνιο, αφού μόνο αυτό αντιδρά με CuCl NH3. CH C CH CuCl NH CH C CCu NH Cl ίζημα Αν δεν σχηματιστεί ίζημα, ο υδρογονάνθρακας είναι το προπένιο, αφού δεν αντιδρά με CuCl NH3. β. Για να διαπιστώσουμε αν ένας υδρογονάνθρακας είναι το -βουτίνιο ή το βουτάνιο, διαβιβάζουμε σε ένα μέρος από τον υδρογονάνθρακα αυτό, δ/μα Br σε CCl 4.

15 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 133 Αν παρατηρηθεί αποχρωματισμός του δ/τος Βr, συμπεραίνουμε ότι ο υδρογονάνθρακας αυτός είναι το -βουτίνιο, αφού μόνο αυτό αντιδρά με δ/μα Br σε CCl 4. Br Br CH C C CH Br CH C C CH Br Br CCl \ Αν δεν παρατηρηθεί αποχρωματισμός του δ/τος Br, (δηλαδή επικρατήσει το καστανέρυθρο χρώμα του δ/τος Br ), ο H/C είναι το βουτάνιο. 3. 3,9 gr ενός αλκινίου αντιδρούν πλήρως με 6,7 L υδργόνου σε STP. Ποιος είναι ο συντακτικός τύπος και η ονομασία του αλκινίου; Λύση Υπολογίζουμε αρχικά την ποσότητα του Η που αντιδρά πλήρως με το αλκίνιο. n H VL 6,7 0,3mol,4,4 Η χημική εξίσωση της αντίδρασης που πραγματοποιείται είναι η εξής: C Η Η C Η ν ν ν ν 0,15mol 0,3mol Τα mol του αλκινίου που απαιτούνται για να αντιδράσουν πλήρως με το Η είναι n CvHn n H όπως προκύπτει από την στοιχειομετρία της αντίδρασης. n Άρα: CvHn 0,3 0,15mol Η μάζα του CvHv είναι 3,9 gr.

16 134 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Από την σχέση m 3,9 Mr Mr 6 n 0,15 m n υπολογίζουμε το Mr του αλκινίου Mr Mr 1ν ν Μr 14v 6 14v v Άρα ο συντακτικός τύπος του αλκινίου είναι CH CH (ακετυλένιο ή αιθίνιο). 4. Ορισμένος όγκος αιθινίου καίγεται πλήρως O, οπότε παράγονται 100 ml υδρατμών. Να υπολογιστεί ο όγκος του αιθινίου που κάηκε και ο όγκος του CO που παράγεται. Όλοι οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Λύση Η χημική εξίσωση της πλήρης καύσης του αιθινίου είναι: CH 5 O CO HO Επειδή όλα τα δεδομένα και τα ζητούμενα αναφέρονται σε όγκους, οι στοιχειομετρικοί υπολογισμοί θα γίνουν με όγκους. Έτσι έχουμε: To 1 mol CH, όταν καίγεται, παράγει mol CO και 1 mol HO x x; y; 100 mol HO 100ml y 00ml Οι όγκοι που ζητούνται είναι: VC H VCO 100 ml 00 ml

17 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 135 Ασκήσεις για λύση: 1. Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις των παρακάτω αντιδράσεων. α. Προσθήκη περίσσειας H σε ακετυλένιο παρουσία Ni. β. Προσθήκη περίσσειας Cl σε προπίνιο. γ. Προσθήκη HCl στο -βουτίνιο. δ. Προσθήκη HO στο ακετυλένιο.. Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις των παρακάτω αντιδράσεων: α. Επίδραση Νa στο ακετυλένιο. β. Θέρμανση αλκοολικού δ/τος ΝaOH με 1,-διχλωροπροπάνιο. γ. Θέρμανση αλκοολικού δ/τος ΚΟΗ με,3-διβρωμο-βουτάνιο. δ. Θέρμανση αλκοολικού δ/τος ΝaΟΗ με 1,-διχλωρο-προπάνιο. 3. Πώς μπορούμε να διαπιστώσουμε αν ένας υδρογονάνθρακας είναι: α. το αιθένιο ή το ακετυλένιο β. το 1-βουτίνιο ή το -βουτίνιο. 4. Καθεμιά από τις παρακάτω ενώσεις μπορεί να παρασκευαστεί από ένα αλκίνιο ή αλκένιο με βάση μια αντίδραση προσθήκης. Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων προσθήκης που πραγματοποιούνται κάθε φορά. α. προπανόνη β.,-διχλωροπροπάνιο γ. 1, διχλωροπροπάνιο δ. αιθανάλη 5. 4 gr αλκινίου για πλήρη υδρογόνωσή του παρουσία Pt, χρειάζονται 4,48 L H σε STP. Να βρεθεί ο Σ.Τ. του αλκινίου. Απ. προπίνιο 6. Ποσότητα 10,8 gr αλκινίου διαβιβάζεται σε 800 ml δ/ματος Br 10% w / v όπου και αποχρωματίζεται πλήρως. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του αλκινίου. Απ. C4H6

18 136 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια 7. 37,6 gr ενός κορεσμένου διβρωμοπαραγώγου Α αντιδρούν με περίσσεια αλκοολικού διαλύματος ΚΟΗ, οπότε σχηματίζονται 4,48 L ενός υδρογονάνθρακα Β, μετρημένο σε STP συνθήκες. ΝΑ προσδιοριστούν οι συντακτικοί τύποι των ενώσεων Α και Β. Br Απ. Α: CH CH ή CH3CH Br Β: CH CH Br Br ml ενός υδρογονάνθρακα Α καίγονται πλήρως με O, οπότε σχηματίζονται 00 mlco και 150ml HO. Όλοι οι όγκοι είναι μετρημένοι στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. α. Ποιος είναι ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα Α; β. Να βρεθούν όλα τα συντακτικά του ισομερή. γ. Αν γνωρίζουμε ότι ο υδρογονάνθρακας Α αντιδρά με CuCl NH3, να βρεθεί ο συντακτικός του τύπος. δ. Να γραφεί η χημική εξίσωση της αντίδρασης του Η/C Α με το HO. Απ. α) C4H6 9. Αλκένιο Α αντιδρά με διάλυμα Cl. Η ένωση Β που παράγεται, θερμαίνεται με αλκοολοκό δ/μα ΝaOH και σχηματίζεται η ένωση Γ, της οποίας το Mr είναι 6. α. Ποιος είναι ο συντακτικός τύπος της ένωσης Γ; β. Να γίνει η αντίδραση της ένωσης Γ με CuCl NH3 και με HO. Απ. α) CH gr αιθενίου αντιδρούν πλήρως με διάλυμα Br. Η ένωση Α που προκύπτει αντιδρά πλήρως με αλκοολικό δ/μα ΚΟΗ και έτσι σχηματίζεται η ένωση Β, η οποία είναι αέρια. α. Να βρεθεί ο όγκος της Β σε STP. β. Το άεριο Β αντιδρά με H O παρουσία 4 H SO και 4 HgSO. Ποια είναι η μάζα της ένωσης Γ που σχηματίζεται;

19 ΧΗΜΕΙΑ: Αλκίνια Μια ποσότητα ακετυλενίου (αιθίνιο) αντιδρά με H παρουσία Νi οπότε προκύπτουν 5,9 gr αερίου μίγματος (Α). Διαπιστώνουμε ότι: α. το αέριο μίγμα (Α) δεν αντιδρά με αμμωνιακό δ/μα CuCl β. το αέριο μίγμα (Α) αποχρωματίζει πλήρως 00ml δ / τος Br 4% w / v. Να βρεθούν: i. Η % v / v σύσταση του αερίου μίγματος (Α). ii. Η μάζα του CH CH που υδρογωνήθηκε. iii. Η σύσταση του αρχικού μίγματος CH CH και H σε mol που αντέδρασε. Απ. i. 5% v / v CH 4, 75% v / v CH 6 ii. 5, gr iii. 0, mol CH 1. Για τον υδρογονάνθρακα Α υπάρχουν τα εξής δεδομένα: CH, 0,35 mol H ) α. 0,15 mol του Α αποχρωματίζουν 400ml δ / τος Βr 10% w / v. Σε ποια ομόλογη σειρά ανήκει ο υδρογονάνθρακας Α; β. 5,4 gr του υδρογονάνθρακας Α καίγεται πλήρως με αέρα ( 0% O και 80% N v / v ). Τα προϊόντα της καύσης μετά την ψύξη τους, διέρχονται από δ/μα Ca OH. Αν γνωρίζουμε ότι η μάζα του αερίου που δεσμεύτηκε από το Ca OH είναι 17,6 gr, να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα Α και ο όγκος του αέρα που απαιτείται για την καύση του Α σε STP συνθήκες. γ. Αν το (Α) αντιδρά με Νa και εκλύει αέριο H, να βρεθεί ο συντακτικός τύπος του υδρογονάνθρακα Α. Απ. β. C4H 6, 61,6 L αέρα

20