Telített szénhidrogének

Question 1

az alkánok és cikloalkánok előfordulása

Answer 1

– a paraffinok neve latinból ered, a „parum” kevéssé, míg az „affinis” rekcióképeset jelent
– legfőképp a fosszilis nyersanyagokban találhatók meg
– a földgáz rövid szénláncú (n = 1-4) szénhidrogének keveréke

Question 2

az alkánok homológ sora

Answer 2

– az egymást követő, növekvő szénatomszámú alkánok sorozatában a szomszédos vegyületek minden esetben egy –CH2– csoportban különböznek egymástól.
– általános képletük CnH2n+2, ahol n a szénatomok számát jelenti; az ilyen analóg szerkezetű vegyületek sorát HOMOLÓG SOROZATNAK nevezzük.
– a nyílt láncú alkánok szénlánca lehet egyenes, más néven normál, és lehet elágazó szerkezetű.
– az azonos szénatomszámú normál és elágazó láncú paraffinok egymásnak szerkezeti izomerei

Question 3

az alkánok nevezéktana

Answer 3

– a szerves vegyületek elnevezésére kétféle elnevezést is használhatunk: triviálisat és racionálisat
– a triviális nómenklatúra nem szisztematikusan szervezett, megszokás alapján, a gyakorlatban elterjedt, többnyire rövid elnevezés.
– a racionális nevezéktan a vegyület molekulaszerkezetéről is információt ad (hány C-atom alkotja a szénláncot, illetve hányszorosan telítetlen a vegyület)

Question 4

az alkánok IUPAC elnevezése

Answer 4

– a molekulaszerkezetet az elnevezés segítségével legfőképp a IUPAC nevezéktannal tudjuk megadni
– elágazó láncú szénhidrogént tehát a leghosszabb lánc által képviselt (normál) alkán olyan származékait nevezzük meg, amelyben egy vagy több hidrogénatom helyét kisebb szénatomszámú alkilcsoportok fogalálják el
– a vegyület ALAPNEVÉT tehát a LEGHOSSZABB LÁNC SZÉNATOMSZÁMA adja meg
– előtétként tüntetjük fel a LÁNCBÓL ELÁGAZÓ csoportok nevét, a láncbéli helyzet számszerű megadásával
– ügyelnüni kell, hogy az elágazások sorszámának összege a lehető legkisebb legyen
– gyakran használunk triviális neveket is pl. szek-butil, terc-butil, neopentán, izopropil; ezek mind a vegyületben található legnagyobb rendűséggel rendelkező szénatom számára utalnak

Question 5

az alkánok alapvegyületeiből levezethető csoportok elnevezése

Answer 5

– CH3 metil
–CH2– metilén
≡CH metilidin
CH3–CH2– etil (etán-1-il)
–CH2–CH2– etilén (etán-1,2-diil)

Question 6

cikloalkánok osztályozása

Answer 6

A cikloalkánok szerkezetük alapján öt csoportba sorolhatók:
• monocikloalkánok
• izolált gyűrűs policiokloalkánok
• spiránok
• kondenzált gyűrűs cikloalkánok
• áthidalt gyűrűs szerkezetű cikloalkánok

Question 7

monocikloalkánok

Answer 7

– olyan telített szénhidrogének, amelyek szénláncukban egy gyűrűt tartalmaznak
– homológ soruk CnH2n
– nevüket a megfelelő szénlácú alkán nevéből képezzük egy ciklo- előtag használatával
pl. C4H8 a ciklobután.

Question 8

az izolált gyűrűs policikloalkánok

Answer 8

– nincs közös szénatom
– a gyűrűk közvetlenül is kapcsolódhatnak egymáshoz, de lehet közöttük egy vagy több közös szénatom is
– ha van összekötő szénlánc, akkor a vegyület alapnevét ő fogja jelenteni
pl. 1,3-diciklopentil-propán

Question 9

a spiránok

Answer 9

– szomszédos gyűrűi egy közös ún. SPIROSZÉNATOMON keresztül kapcsolódnak össze
– a számozást a legkisebb szénatomszámú gyűrűtől kezdjük, szögletes zárójelben megadva a gyűrűk nem közös szénatomjainak a számát
pl. egy tíz szénatomos spirán elnevezése, amely egy hattagú és egy öttagú gyűrűből áll, egy közös C-atommal: spiro[4,5]dekán

Question 10

a kondenzált gyűrűs cikloalkánok

Answer 10

– a kondenzált gyűrűs rendszerben két vagy több gyűrű két közös szénatommal kapcsolódik egymáshoz
pl. dekahidronaftalin (dekalin)

Question 11

az áthidalt gyűrűs cikloalkánok

Answer 11

– kettőnél több szénatom köti össze a gyűrűket
– a közös szénatomokat HÍDFŐ szénatomoknak nevezzük
1) a vegyülettípus nevét az azonos szénatomszámú alkán nevéből származtatjuk, biciklo-, triciklo- etc. előtagokkal, amik a gyűrűk számára utalnak
2) elkezdjük megszámozni a szénatomokat: a kiindulási pont az egyik hídfő szénatom, és a leghosszabb úton át elkezdjük növekvő sorrendben számozni a szénatomokat egészen a másik hídfő atomig
(tudom, hogy bonyolultnak tűnik, de no para, nem az)
3) folyatjuk a számozást vissza a másik hidfő atomig, a lehető leghosszabb úton
4) megszámozzuk a legrövidebb hidat alkotó többi szénatomot is
5) kapcsos zárójelmóben jelöljük, növekvő sorrendben, a hidak nem közös szénatomjainak a számát
pl. biciklo[3.2.1]oktán.

Question 12

az alkánok szerkezete

Answer 12

– az összes C–H kötés 108,7 pm hosszú, és 109,5 fok kötésszöget zár be
– a metánmolekula tetraéderes, sp3 hibridizációjú
– az egynél nagyobb szénláncú alkánok voltaképp ezeknek a tetraédereknek az egész számú többszöröse, annyi különbséggel, hogy a C–C egyes kötések 153,4 pm hosszúak.
– az egyszeres szén-szén kötés lehetővé teszi a rotációt, minek köszönhetően különböző konformációk alakulhatnak ki, miknek stabilitása változik

Question 13

az alkánok stabilis konformációi

Answer 13

– az esetek többségében a nyitott állás a stabilabb
– nyitott állásúnak nevezzük azt a konformációt, ahol a hidrogénatomok vagy az elágazások között a lehető legnagyobb a távolság
– ez azzal magyarázható, hogy két hidrogénatom között taszító hatás lép fel, amit sztérikus hatásnak / sztérikus gátlásnak nevezünk
– a metilcsoportok esetén ez a sztérikus gátlás még nagyobb, mint a hidrogénatomok között vagy a metilcsoportok és a hidrogénatomok között, minek köszönhetően a metilcsoportok esetén az ún. anti állás a stabilis (amikor az egyik fent, a másik lent van)
– ezeket az állásokat a Newman-projekcióval vagy molekula fűrészbakk (kecskeláb, amin vágjuk a fát) moldellezésével tudjuk a leginkább szemléltetni

Question 14

a cikloalkánok szerkezete

Answer 14

– a ciklopropánban 60, míg a ciklobutánban 90 fokos kötésszögek találhatók
– mivel a kötésszög torzult (az átlapolás voltaképp banán alakú, nem egyenes), ezért egy feszültség lép fel, amit Baeyer feszültségnek nevezünk
– ezen felül, a hidrogének is fedőállásban vannak, fellép közöttük egy kölcsönös taszítás, minek eredményeként egy torziós feszültség (Pitzer-feszültség) tövább növeli a gyűrű insatbilitását

Question 15

az alkánok fizikai tulajdonságai

Answer 15

– az alkánok molekulai között gyenge van der Waals-féle kölcsönhatás lép fel, így a molekulatömeg növekedésével a szobahőmérsékleten való halmazállapot is változik.
– az n = 1-4 közötti szénláncú alkánok gáz halmazállapotúak, az n = 5-16 között cseppfolyósak, míg n > 16 szánatomszámú alkánok már szilárdak
– az elágazó szénláncú alkánok olvadás- és forráspontja alacsonyabb, mint a szénatomszámnak megfelelő normál szénláncú alkánoknak lenne: a pentánnak nagyobb az olvadás- és forráspontja mint a 2-metil-butánnak

Question 16

metán-hidrát

Answer 16

– instabil elegy, ami a víz alatt képződik, nagyjából egy-másfél kilométeres mélységben, 5 Celsius fok körüli hőmérsékleten
– az anyag vízmolekulákból álló kalitkából áll, amiben a metán gáz bennragad
– meggyújtva vörös lánggal elég

Question 17

alkánok oldhatósága

Answer 17

– a szénhidrogének a szimmetrikus szerkezetük miatt apoláros vegyületek, apoláros oldószerekben jól oldódó, „lipofil” (zsírkedvelő, zsíroldódó) molekulák
– hidrofóbok, mivel képtelenek felszakítani a vízmolekulák között ható hidrogén kötéseket
– jól oldódnak szervetlen oldószerekben (pl. kloroform, széntetraklorid)
– olyan poláros oldószerekkel is elegyednek, amelyek nem képesek hidrogén kötések kialakítására (pl. aceton), esetleg azokban, amelyekben a szénhidrogén jelleg dominál (pl. hosszabb szénláncú alkoholok)
– az alkánok maguk is jó oldószerek, az apoláros vegyületeket jól oldják

Question 18

az alkánok ipari előállítása

Answer 18

– az alkánok a fosszilis nyersanyagokban különböző változatokban, formákban, halmazállapotokban előfordul
– a városokban használt földgáz többnyire metánból áll, nyomokban etánt is tartalmazva
– az ún. nedves földgáz nagyobb szénláncú alkánokban is gazdag (pl. propán és bután), amiket magas nyomáson, cseppfolyósítással választanak el
– a kőolaj is tartalmaz rövid szénláncú alkánokat oldott formában, de inkább hosszabb szélnáncú alkánok, cikloalkánok és arének teszik ki a tömegének a legnagyobb részét
– a kőalajfinomitás frakcionált desztillációval történik: a rövidebb szénláncú alkánoknak kisebb a forrpontja, minek köszönhetően az oszlop tetején lesznek összegyűjtve, míg a nagyobb szénláncúak az alsó részeken
– a legnagyobb forrpontú frakciónak, a pakurának, 350 fok feletti a forrpontja; további finomításokkal nyerik ki belőe a kenőolajat, a vazelint és a paraffinokat
– a tisztítási művelet végső maradéka a bitumenes szénpor

Question 19

az alkánok előállítása telítetlen szénhidrogének hidrogénezésével / reduktív szintézissel

Answer 19

– a szerves vegyületek redukálása történhet hidrogénezéssel, ugyanis az organogén elemek közül a hidrogénnek a legkisebb az elektronegativitása, ennélfogva mindig a másik atomhoz lesz közelebb a kötésben résztvevő elektronpár, minek köszönhetően mindig csökkeni fog az adott atom oxidációs száma
– a telítetlen szénhidrogének hidrogén addíciójával telített szénhidrogénekhez juthatunk
– az alkének (olefinek) hidrogénezése egy exoterm folyamat, viszont az az energiamennyiség, ami beindítja a reakciót (az aktiválási energia) elég nagy; katalizátor hozzáadásával az aktiválási energia csökkenthető
– az olefinek hidrogénezése katalizátorfelületre felvitt platina vagy palládium sóval történik
– lényeges, hogy a katalizátorfelület ne oldódjon a reakcióelegyben (pl. elemi szén)
A katalitikus hidrogénezés folyamata:
1) mind a hidrogén molekula, úgy az olefin molekula adszorbeál az elemi szén felületén
2) a hidrogénmolekula kötése felszakad, a hidrogén atomok az elemi szénnel kezdenek kötést létesíteni. Hasonlóképp történik az alkénnel is, viszont ott csak az alkén pi kötése szakad
3) a hidrogén atomok és az alkén molekula szabadon mozog a katalizátorfelülettel létesített kötés körül, mire összekapcsolódik a hidrogén atommal.
4) egy telített szénhidrogén jön létre, ami leválik a katalizátorfelületről.
R–CH=CH–R’ → R–CH2–CH2–R’

Question 20

alkánok előállítása szénhidrogén származékok katalitikus hidrogénezésével / reduktív szintézissel

Answer 20

A szénhidrogén származékok közé tartoznak az alkil-halogenidek és a ketonok is.
1) az alkil-halogenidek pl. alkil-jodidok katalitikus hidrogénezése hidrogén tartalmú fémkomplexekkel (pl. LiAlH4 lítium-tetrahidro-alumináttal) is.
– a folyamat során a halogén atom távozik az alkil láncról, és a helyébe egy hidrogén atom érkezik
– az egyik termék egy alkán, míg a másik a halogén hidrogén-halogenidje.
R–X → R–H + HX
2) ketonok redukálása hidrogénnel történhet a Clemmensen-féle redukcióval, illetve a Kischner-Wolff-féle redukcióval is.
a) Clemmensen-féle redukálás során a ketont zinkkel vagy higannyal reagáltatjuk, erősen savas közegben, fény jelenlétében. A főtermék egy alkán lesz, illetve egy víz.
R–CO–R’ → R–CH2–R’ + H2O
b) Kischner-Wolff-féle redukálás hidrazinnal történik hidroxil ionokkal (KOH, EtOH), fény jelenlétében. A reakció főterméke egy alkán lesz, illetve egy nitrogén molekula.
R–CO–R’ + H2N–NH2 → R–CH2–R’ + N2

Question 21

alkánok előállítása zsírsavak dekarboxilezésével

Answer 21

– a zsírsavak nátrium sója dekarboxilezhető nátrium-hidroxiddal, fény jelenlétében
– a termék egy alkán lesz, illetve nátrium-karbonát.
R–COONa + NaOH → R–H + Na2CO3

Question 22

alkánok előállítása Wurtz-szintézissel

Answer 22

A Wurtz szintézis során alkil-halogenideket fémnátriummal vagy cinkporral reagáltatunk, és alkán lesz a termék:
R–X + X–R’ + 2 Na → R–R’ + 2 NaX

Question 23

alkánok előállítása Grignard-reagenssel

Answer 23

A Grignard-szintézis során:
1) alkil-halogenidet dietil-éterben oldunk
2) reagáltajuk magnéziummal: a termék egy fém-organikus vegyület lesz, a Grignard reagens
3) a keletkező fémorganikus vegyületet tovább reagáltathatjuk:
a) vízzel, és akkor kilép a fém-halogenid szubsztituens, és a helyére egy hidrogén lép;
b) egy másik alkil-halogeniddel, és ez esetben a szénlánc meghosszabbodik.
R–CH2–X + Mg → R–CH2–Mg–X
R–CH2–Mg–X + H2O → R–CH3 + Mg(OH)X
R–CH2–Mg–X + R’–X → R–CH2–R’ + MgX2

Question 24

alkánok kémiai tulajdonságai

Answer 24

– az alkánok C–H kötései nem vagy rendkívül kicsit polárosak, ezért az alkánoknak nincs olyan részük, amik támadhatók lennének elektrofilek vagy nukleofilek által
– szobahőmérsékleten, sötétben gyakorlatilag nem reagálnak semmivel, kivéve a feszült (Baeyer és Pitzer feszülség) cikloalkán gyűrűk (ciklopropán, esetleg ciklobután)
– termikus vagy fotokémiai aktiválás hatására viszont a C–C és C–H kötések képesek homolitikusan felhasadni, kötő elektronokkal rendelkező gyököket eredményezve, amik készségesen reagálnak: halogénekkel, kénsavval, salétromsavval
– ezzel a termikus kötéshasadással függ össze a krakkolás, amely során nagy mennyiségű hő hatására a hosszabb szénláncú alkánok kisebb szénláncú alkánokká és alkénekké bomlanak

Question 25

alkánok halogénezése

Answer 25

Az alkánok halogénezése egy gyökös szubsztitúciós reakció.
A metán klórozása UV sugárzás jelenlétében, vagy 300 Celsius fok fellett megy végbe. A klórozás során nem egységesen mono-, di-, tri- és tetraklór származékok keletkeznek.
A metánban található C–H kötések bontásához nagyjából kétszer annyi energia szükséges, mint a klórmolekula Cl–Cl kötésének felhasításához, ezért a láncindító reakció (= amivel beindul a reakció sorozat) a klórmolekula homolitikus disszociációja lesz.
Cl2 → Cl• + •Cl
Ezt követően, a láncvivő reakció során (= ezek azok a reakciók, amik fenntartják a reakció sorozatot), a klórgyökök megtámadják a metán molekulát, homolitikusan kiszakítva egy hidrogént belőle. Így létrejön egy alkil gyök, ami megtámad egy klórmolekulát, kiszakítva egy klóratomot belőle.
CH4 + Cl2 → CH3• + HCl
CH3• + Cl2 → CH3Cl + •Cl
Viszont eközben láncletörő reakciók (= amelyek gátolják a hasznos reakció sorozat létrejöttét) is végbemennek:
CH3• + Cl• → CH3Cl
Cl• + •Cl → Cl2
CH3• + •CH3 → CH3–CH3
A metán és az etán klórozása hő vagy fény hatására gázfázisban robbanásszerű hevességgel megy végbe, és nem vezet egységes termékekhez. Megfelelő reakciókörülmények (pl. alkánfelesleg) és reaktorok alkalmazásával elérhető az ún. irányított klórozás.
A fluorozási reakció hevesebben játszódik le, ugyanis a fluor kötési energiája kisebb, mint a klórmolekulájé. Ennek okán, a láncvivő reakcióban felszabaduló hő pedig többszöröse a klórozási reakciónak. Olyannyira sok energia szabadul fel, hogy az etán fluorozása a szénlánc felszakadásával jár.
CH3–CH3 + 7 F2 → 2 CF4 + 6 HF
A metán brómozásának sokkal nagyobb az aktiválási energiája, mint a klórozásnak, és a láncvivő reakció is endoterm. A jódozásnál az aktiválási energia olyannyira endoterm, hogy alkánokból közvetelten jódozással nem is állítható elő.
Irányító hatások
A tercier szénatomokra érkező szubsztituensek stabilabbak, mint a szekunder vagy a primer szénatomokra érkezők. Ez azzal magyarázható, hogy kisebb az aktiválási energia a tercier szénatomnál, mint a primér esetén.
Ennek okán, ha az izobutánt 300 fokon klórozzuk, az tercbutil-klorid sokkal nagyobb arányban (kb. 90%) keletkezik, mint az izobutil-klorid. Azonban, ha a halogénezést nem 300 fokon, hanem 500 fokon végezzük, akkor az izobutil-klorid koncentrációja kb. 25%-kal megnövelhető.

Question 26

alkánok szulfonálása

Answer 26

Az alkánok kénsav és kén-trioxid elegyével (óleummal) melegítve alkánszulfonsavakká alakulnak.
R–H + H2SO4 → R–SO3H + H2O
Gázfázisban kén-dioxid és klór elegyével alkil-szulfonsavakká alakulnak:
R–H + SO2 + Cl2 → R–SO2Cl

Question 27

alkánok nitrálása

Answer 27

– az alkánok nitrálása salétromsavval történik, melegítve
– gyökös láncreakció
R–H + HNO3 → R–NO2 + H2O

Question 28

alkánok oxidációja

Answer 28

– az alkánok tökéletes égése nagy energiafelszabadulással jár
– az alkánok irányított oxidációjával karbonsavakat és ketonokat lehet előállítani:
R–CH2–CH2–R’ → R–CO–CH2–R’ → R–COOH + R’–COOH
– a metán parciális oxidáxiójával ún. szintézisgázt lehet előállítani: szén-monoxid és hidrogén keveréke

Question 29

alkánok krakkolása, hőbontása

Answer 29

– a hosszabb szénláncú alkánok 500-1000 fokos hevítésével a C–H és C–C kötések bontásával rövidebb szénláncú szénhidrogének keletkeznek: főleg etén, propén és metán keverékére bomlanak
pl. A hexán krakkolásából három etén és egy hidrogén molekula keletkezik.
– a metán hőbontásával acetilén képződik

Question 30

cikloalkánok kémiai tulajdonságai

Answer 30

– négy szénatomnál nagyobb gyűrűjű cikloalkánok az alkánokhoz hasonló tulajdonságokat mutatnak
– ciklopropán és ciklobután azonban inkább az alkének kémiai tulajdonságait mutatják: a gyűrű hasonlóképp nyilvánul meg, mint egy kettős kötés - ha hidrogént vagy halogént addícionálunk rá, a gyűrű felbomlik
pl. a ciklopropán hidrogénezése során propán, míg klórozása során 1,3-diklór-propán keletkezik.