Корице уџбеника

4.6. Провери Знање

Лекција 4.6 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 18

Најважније из лекције

Угљоводоници: Садрже само \(\text{C}\) и \(\text{H}\). Деле се на ацикличне/цикличне, засићене/незасићене, алифатичне/ароматичне.
Алкани (\(\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\)): Ациклични, засићени (\(sp^3\)), неполарни, нерастворни у води. Т.к. расте са масом, а опада са гранањем. Стабилнија конформација је степеничаста.
Синтеза алкана: Декарбоксилација соли (\(\text{RCOONa} + \text{NaOH}\)), Вурцова синтеза (\(2\text{RX} + 2\text{Na} \rightarrow \text{R-R}\)), редукција халогеналкана (\(\text{Zn/HCl}\)), хидрогенизација алкена (\(+\text{H}_2/\text{Pt}\)).
Реакције алкана: Сагоревање (потпуно \(\rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)), пиролиза (крековање), радикалска супституција (\(\text{S}_\text{R}\): иницијација, пропагација, терминација).
Циклоалкани (\(\text{C}_n\text{H}_{2n}\)): Мали прстенови (\(\text{C}_3, \text{C}_4\)) имају изражен Бајеров напон и реагују адицијом уз отварање прстена. \(\text{C}_5\) („коверта”) и \(\text{C}_6\) („столица” са аксијалним и екваторијалним везама) су стабилни и подлежу супституцији. Дисупституисани деривати показују cis-trans изомерију.
Примена: Фосилна горива (нафта, земни гас), фракциона дестилација (рафинеријски гас, бензин, керозин, дизел, битумен). Метан је моћан гас стаклене баште.
Угљоводоници су органска једињења чији молекули садрже искључиво атоме угљеника (\(\text{C}\)) и водоника (\(\text{H}\)).
Према структури угљеничног низа и врсти веза, угљоводоници се деле на:
  • Ацикличне (отвореног низа): засићени (алкани) и незасићени (алкени, алкини, диени).
  • Цикличне (прстенасте):
    • Алицикличне: циклоалкани, циклоалкени итд.
    • Ароматичне (арене): садрже најмање један бензенов прстен.
Засићени угљоводоници садрже искључиво једноструке ковалентне везе између атома угљеника (садрже максималан могући број атома водоника). Незасићени угљоводоници садрже бар једну двоструку или троструку везу.
Алифатични угљоводоници обухватају све угљоводонике који немају ароматични прстен (и ацикличне и алицикличне).
Класификујте следећа једињења према структури и засићености: а) пропан (\(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)), б) циклохексен, в) бензен.
а) Пропан: ацикличан, засићен, алифатичан (алкан).
б) Циклохексен: цикличан, незасићен, алицикличан, алифатичан (циклоалкен).
в) Бензен: цикличан, незасићен, ароматичан (арен).
Алкани (парафини) су засићени ациклични угљоводоници. Сви атоми угљеника у њиховим молекулима су \(sp^3\)-хибридизовани и међусобно повезани искључиво \(\sigma\)-једноструким везама под углом од \(109{,}5^\circ\).
\[ \text{C}_n\text{H}_{2n+2} \quad (n \ge 1) \] Општа молекулска формула алкана
Хомологи низ је низ једињења исте опште формуле у којем се сваки суседни члан разликује за једну метиленску групу (\(-\text{CH}_2-\)).
Молекулска формула Назив алкана Молекулска формула Назив алкана
\(\text{CH}_4\) Метан \(\text{C}_6\text{H}_{14}\) Хексан
\(\text{C}_2\text{H}_6\) Етан \(\text{C}_7\text{H}_{16}\) Хептан
\(\text{C}_3\text{H}_8\) Пропан \(\text{C}_8\text{H}_{18}\) Октан
\(\text{C}_4\text{H}_{10}\) Бутан \(\text{C}_9\text{H}_{20}\) Нонан
\(\text{C}_5\text{H}_{12}\) Пентан \(\text{C}_{10}\text{H}_{22}\) Декан
Структурни (конституциони) изомери су једињења која имају исту молекулску формулу, а разликују се по редоследу и начину везивања атома у молекулу (конституцији). Појава се јавља код алкана са четири и више угљеникових атома.
Класификација атома угљеника у молекулу:
  • Примарни (\(1^\circ\)): везан за само један \(\text{C}\)-атом.
  • Секундарни (\(2^\circ\)): директно везан за два \(\text{C}\)-атома.
  • Терцијарни (\(3^\circ\)): директно везан за три \(\text{C}\)-атома.
  • Кватернарни (\(4^\circ\)): директно везан за четири \(\text{C}\)-атома.
Одредити врсту свих атома угљеника у молекулу 2-метилпропана (\(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3\)).
Три спољашња \(\text{C}\)-атома (\(\text{CH}_3\)-групе) везана су за само један суседни \(\text{C}\)-атом и они су примарни (\(1^\circ\)).
Централни \(\text{C}\)-атом (\(\text{CH}\)) везан је за три суседна \(\text{C}\)-атома и он је терцијарни (\(3^\circ\)).
Алкил-групе (\(\text{R}-\)) настају одузимањем једног атома водоника из молекула алкана. Назив се изводи заменом наставка -ан наставком -ил:
  • \(\text{CH}_3-\) : метил
  • \(\text{CH}_3\text{CH}_2-\) : етил
  • \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2-\) : пропил (\(n\)-пропил)
  • \(\text{CH}_3\text{CH}(\text{CH}_3)-\) : изопропил (1-метилетил)
  • \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2-\) : бутил (\(n\)-бутил)
  • \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}(\text{CH}_3)-\) : sec-бутил (1-метилпропил)
  • \((\text{CH}_3)_2\text{CHCH}_2-\) : изобутил (2-метилпропил)
  • \((\text{CH}_3)_3\text{C}-\) : tert-бутил (1,1-диметилетил)
  1. Пронаћи најдужи континуирани угљенични низ (основни низ, наставак -ан). Ако постоје два низа исте дужине, бира се онај са више гранања.
  2. Нумерисати атоме основног низа са оног краја којем је гранање ближе.
  3. Бочне групе се наводе абецедним редоследом испред назива главног низа, уз ознаку броја положаја (локанда).
  4. Вишеструке исте групе означавају се префиксима ди-, три-, тетра- (префикси не утичу на абецедни редослед).
  5. Бројеви се од речи одвајају цртицом, а међусобно запетама. Назив се пише као једна реч.
Конформација је било који од просторних облика молекула који настају слободном ротацијом око једноструке \(\text{C}-\text{C}\) везе.
Код етана постоје два гранична облика:
  • Степеничаста конформација: атоми водоника су максимално удаљени (диједарски угао \(60^\circ\)), одбијање електрона је најмање, па је ово најстабилнији облик.
  • Заклоњена (еклипсна) конформација: везе \(\text{C}-\text{H}\) заклањају једна другу, одбијање је максимално, па је ово енергетски најнеповољнији облик.
Одредити IUPAC назив за једињење формуле: \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}(\text{C}_2\text{H}_5)-\text{CH}_2-\text{CH}_3\).
1. Најдужи низ има 6 атома угљеника (хексан).
2. Нумерисање креће с леве стране: на положају 2 је метил-група, на положају 3 је метил-група (јер се етил група на \(C_3\) рачуна као продужетак главног ланца, чиме главни ланац има 6 C атома).
IUPAC назив: 2,3-диметилхексан.
Индустријски: Алкани се добијају фракционом дестилацијом нафте и из земног гаса.
Лабораторијске методе добијања:
\[ \mathrm{R-COONa + NaOH \xrightarrow{t^\circ} R-H + Na_2CO_3} \] 1. Декарбоксилација натријумових соли карбоксилних киселина (настаје алкан са једним \(\text{C}\)-атомом мање од полазне киселине)
Пример: \(\mathrm{CH_3COONa + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_4 + Na_2CO_3}\)
\[ \mathrm{R-X \xrightarrow{Zn / HCl} R-H} \quad (\text{X} = \text{Cl, Br, I}) \] 2. Редукција халогеналкана цинком у хлороводоничној киселини
\[ \mathrm{2R-X + 2Na \longrightarrow R-R + 2NaX} \] 3. Вурцова синтеза (погодна за добијање симетричних алкана са парним бројем \(\text{C}\)-атома стварањем нове \(\text{C}-\text{C}\) везе)
Пример: \(\mathrm{2CH_3CH_2Cl + 2Na \longrightarrow CH_3CH_2CH_2CH_3 + 2NaCl}\) (добија се бутан)
\[ \mathrm{R-CH=CH-R + H_2 \xrightarrow{Pt / Pd / Ni} R-CH_2-CH_2-R} \] 4. Каталитичка хидрогенизација (адиција водоника на алкене)
Који халогеналкан треба употребити да би се Вурцовом синтезом добио 2,3-диметилбутан? Написати једначину реакције.
2,3-диметилбутан је симетричан молекул настао спајањем две изопропил групе. Потребно је користити 2-халогенпропан (нпр. 2-хлорпропан): \[ 2(\text{CH}_3)_2\text{CH-Cl} + 2\text{Na} \longrightarrow (\text{CH}_3)_2\text{CH-CH}(\text{CH}_3)_2 + 2\text{NaCl} \]
Агрегатно стање на собној температури (\(25^\circ\text{C}\)):
  • \(\text{C}_1 - \text{C}_4\) (метан до бутан): гасови
  • \(\text{C}_5 - \text{C}_{17}\) (пентан до хептадекан): течности
  • \(\text{C}_{18}\) и више: чврсте супстанце (парафини)
Температуре кључања и топљења:
  • Расту са повећањем молекулске масе (већи број електрона \(\rightarrow\) јаче дисперзионе Ван дер Валсове силе).
  • Код изомера исте молекулске масе, неразгранати алкани (\(n\)-алкани) имају више температуре кључања од разгранатих због веће додирне површине међу молекулима.
Растворљивост: Молекули алкана су неполарни. Не растварају се у води (хидрофобни су), а одлично се растварају у неполарним органским растварачима (угљен-тетрахлорид, етар, бензен). Течни алкани се користе као неполарни растварачи. Мање су густине од воде (\(\rho < 1\text{ g/cm}^3\)) и пливају на њеној површини.
Поређајте једињења по растућој температури кључања: 2,2-диметилпропан, пентан, 2-метилбутан, пропан.
Пропан има најмању масу (\(\text{C}_3\)), па најнижу тачку кључања. Преостала три су изомери са 5 угљеникових атома (\(\text{C}_5\text{H}_{12}\)). Што је молекул разгранатији, тачка кључања је нижа:
пропан < 2,2-диметилпропан < 2-метилбутан < пентан.
Алкани су веома слабо реактивна једињења на собној температури (отуда назив парафини – слабог афинитета) због стабилних и неполарних \(\text{C}-\text{C}\) и \(\text{C}-\text{H}\) \(\sigma\)-веза.
1. Сагоревање (оксидација)
\[ 2\text{C}_n\text{H}_{2n+2} + (3n+1)\text{O}_2 \longrightarrow 2n\text{CO}_2 + (2n+2)\text{H}_2\text{O} + Q \] Потпуно сагоревање (у вишку кисеоника; егзотерман процес)
Непотпуно сагоревање (недовољно \(\text{O}_2\)): настају токсични угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)) или чађ (\(\text{C}\)) уз ослобађање воде.
2. Пиролиза (крековање)
Термичко разлагање алкана на високим температурама без присуства кисеоника. Долази до раскидања \(\text{C}-\text{C}\) и \(\text{C}-\text{H}\) веза, при чему настају смеше алкана и алкена мање молекулске масе и водоник (\(\text{H}_2\)).
3. Радикалско халогеновање (\(\text{S}_\text{R}\))
Реакција супституције у којој се водоников атом замењује атомом халогена (\(\text{Cl}_2, \text{Br}_2\)) уз присуство светлости (\(h\nu\)) или повишене температуре.
  1. Иницијација (почетак): Хомолитичко цепање молекула халогена дејством \(h\nu\) на два слободна радикала: \[ \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{Cl}\cdot \]
  2. Пропагација (ширење ланца): Радикал реагује са молекулом стварајући нови радикал и нови молекул: \[ \text{CH}_4 + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \cdot\text{CH}_3 + \text{HCl} \] \[ \cdot\text{CH}_3 + \text{Cl}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}\cdot \]
  3. Терминација (прекид ланца): Спајање два радикала у стабилан молекул чиме се ланац прекида: \[ \cdot\text{CH}_3 + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl} \] \[ \cdot\text{CH}_3 + \cdot\text{CH}_3 \longrightarrow \text{CH}_3-\text{CH}_3 \] \[ \text{Cl}\cdot + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \text{Cl}_2 \]
Колико различитих монохлор-деривата (конституционих изомера) настаје хлоровањем пропана на светлости? Написати њихове називе.
Настају два изомера:
1) Заменом водоника на примарном угљенику: \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Cl}\) (1-хлорпропан).
2) Заменом водоника на секундарном угљенику: \(\text{CH}_3-\text{CH(Cl)}-\text{CH}_3\) (2-хлорпропан).
Циклоалкани су засићени циклични угљоводоници (алициклична једињења). Сви атоми угљеника у прстену су \(sp^3\)-хибридизовани.
\[ \text{C}_n\text{H}_{2n} \quad (n \ge 3) \] Општа молекулска формула моноцикличних циклоалкана (изомерни су са алкенима)
Бајеров (угаони) напон: Настаје због одступања стварног угла између веза у прстену од оптималног тетраедарског угла (\(109{,}5^\circ\)).
  • Циклопропан (\(60^\circ\)): изразито велики угаони напон и торзиони напон (планаран молекул, еклипсни водоници) \(\rightarrow\) врло нестабилан и реактиван.
  • Циклобутан (\(90^\circ\)): знатан напон, благо набран прстен \(\rightarrow\) релативно нестабилан.
  • Циклопентан: нема значајан угаони напон (\(108^\circ\)), заузима конформацију „коверте”.
  • Циклохексан: потпуно ослобођен угаоног и торзионог напона. Најстабилнија је конформација „столице” (постоји и мање стабилна конформација „лађе”).
У конформацији „столице” циклохексана разликују се две врсте \(\text{C}-\text{H}\) веза:
  • Аксијалне (a): 6 веза које су усмерене усправно (нормално) у односу на раван прстена (наизменично горе/доле).
  • Екваторијалне (e): 6 веза које су усмерене бочно, приближно у равни прстена.
Геометријска (\(cis-trans\)) изомерија дисупституисаних циклоалкана:
  • cis-изомер: оба супституента се налазе са исте стране равни прстена (оба изнад или оба испод).
  • trans-изомер: супституенти се налазе са супротних страна равни прстена (један изнад, други испод).
Дати IUPAC назив за циклоалкан који у петочланом прстену на положају 1 има етил-групу, а на положају 3 метил-групу.
Групе се наводе абецедним редом (етил пре метила), а нумерација даје најмање бројеве:
Назив: 1-етил-3-метилциклопентан.
Хемијска реактивност циклоалкана зависи од величине прстена:
  • Мали прстенови (циклопропан и циклобутан): Реагују реакцијама адиције уз отварање прстена како би се ослободио напон:
    • Циклопропан: адира \(\text{H}_2\) (уз \(\text{Ni}, t^\circ\)), \(\text{Br}_2\) и \(\text{Cl}_2\): \[ \text{циклопропан} + \text{Br}_2 \longrightarrow \text{Br-CH}_2\text{-CH}_2\text{-CH}_2\text{-Br} \quad (\text{1,3-дибромпропан}) \] \[ \text{циклопропан} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni}, t^\circ} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_3 \quad (\text{пропан}) \]
    • Циклобутан: адира само \(\text{H}_2\) на вишој температури и притиску (не отвара прстен са халогенима).
  • Нормални прстенови (циклопентан и циклохексан): Изузетно стабилни, не подлежу отварању прстена. Реагују као алкани путем радикалске супституције (\(\text{S}_\text{R}\)) уз светлост: \[ \text{циклохексан} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{хлорциклохексан} + \text{HCl} \]
Фракциона дестилација нафте: Поступак раздвајања сирове нафте на фракције на основу различитих температура кључања:
  • Рафинеријски гас (\(\text{C}_1-\text{C}_4\)): грејање, Бунзенов пламеник, гориво у боцама.
  • Бензин (\(\text{C}_5-\text{C}_{10}\)): моторно гориво.
  • Петролеум и керозин (\(\text{C}_{10}-\text{C}_{15}\)): авионско гориво.
  • Дизел-уље (\(\text{C}_{15}-\text{C}_{20}\)): дизел мотори, лож-уље.
  • Уља за подмазивање, парафински воскови, битумен и асфалт (\(>\text{C}_{20}\)): мазива, свеће, изградња путева.
Еколошки утицај: Метан (\(\text{CH}_4\)) је значајан гас стаклене баште чији је потенцијал глобалног загревања око 22 пута већи од \(\text{CO}_2\). Ослобађа се из вечно залеђеног тла (пермафроста), мочвара и гастроинтестиналног тракта преживара.
Како се хемијским путем може разликовати циклопропан од циклохексана коришћењем бромне воде у мраку?
Циклопропан у мраку реагује са бромом реакцијом отварања прстена (адиција) и обезбојава бромну воду градећи 1,3-дибромпропан. Циклохексан не реагује са бромом у мраку (за његову супституцију је неопходна UV светлост).

Вежбање

Задатак 1 (лак): Написати рационалне структурне формуле и IUPAC називе свих конституционих изомера алкана молекулске формуле \(\text{C}_4\text{H}_{10}\).
Постоје два конституциона изомера:
1. Неразгранати: \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3\) – бутан (\(n\)-бутан).
2. Разгранати: \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3\) – 2-метилпропан (изобутан).
Задатак 2 (средњи): Израчунати запремину кисеоника (при н. у.) која је потребна за потпуно сагоревање \(4{,}4\text{ g}\) пропана (\(\text{C}_3\text{H}_8\)). (\(M(\text{C}_3\text{H}_8) = 44\text{ g/mol}\), \(V_\text{m} = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\)).
1. Једначина реакције: \[ \text{C}_3\text{H}_8 + 5\text{O}_2 \longrightarrow 3\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O} \] 2. Број молова пропана: \[ n(\text{C}_3\text{H}_8) = \frac{m}{M} = \frac{4{,}4\text{ g}}{44\text{ g/mol}} = 0{,}1\text{ mol} \] 3. Из стехиометрије реакције: \(n(\text{O}_2) = 5 \cdot n(\text{C}_3\text{H}_8) = 5 \cdot 0{,}1\text{ mol} = 0{,}5\text{ mol}\).
4. Запремина кисеоника: \[ V(\text{O}_2) = n(\text{O}_2) \cdot V_\text{m} = 0{,}5\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} = 11{,}2\text{ dm}^3 \] Одговор: Потребно је \(11{,}2\text{ dm}^3\) кисеоника.
Задатак 3 (средњи): Написати једначине реакција добијања етана:
а) декарбоксилацијом одговарајуће соли карбоксилне киселине;
б) Вурцовом синтезом.
а) Потребна је со са три \(\text{C}\)-атома (натријум-пропаноат): \[ \mathrm{CH_3CH_2COONa + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3CH_3 + Na_2CO_3} \] б) Потребан је монохалогеналкан са једним \(\text{C}\)-атомом (нпр. хлорометан): \[ \mathrm{2CH_3Cl + 2Na \longrightarrow CH_3-CH_3 + 2NaCl} \]
Задатак 4 (тежак): Моноциклични циклоалкан \(\text{A}\) садржи \(85{,}71\%\) угљеника и \(14{,}29\%\) водоника по маси, а његова релативна молекулска маса износи \(70\).
а) Одредити његову молекулску формулу.
б) Нацртати све његове геометријске (\(cis-trans\)) изомере који садрже трочлани прстен са две метил групе и именовати их.
(\(Ar(\text{C}) = 12\), \(Ar(\text{H}) = 1\)).
а) Општа формула циклоалкана је \(\text{C}_n\text{H}_{2n}\): \[ M_r = 12n + 2n = 14n \implies 14n = 70 \implies n = 5 \] Молекулска формула је \(\text{C}_5\text{H}_{10}\).

б) Трочлани прстен са две метил-групе је 1,2-диметилциклопропан. Његови геометријски изомери су:
  • cis-1,2-диметилциклопропан: обе метил-групе су са исте стране равни прстена (нпр. обе усмерене „горе”).
  • trans-1,2-диметилциклопропан: метил-групе су са супротних страна равни прстена (једна усмерена „горе”, друга „доле”).
(Напомена: 1,1-диметилциклопропан нема геометријске изомере јер су обе групе везане за исти C-атом).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: