Węglowodory - związki organiczne zbudowane tylko z atomów węgla i wodoru, substancje podstawowe, z których przez wprowadzenie grup funkcyjnych, np. -OH, - NH2, -COOH itd. wprowadza się inne szeregi homologiczne, np. alkohole, aminy, kwasy karboksylowe itd.

Węglowodory dzieli się na:

  • Węglowodory alifatyczne (łańcuchowe) - w których atomy węgla powiązane są w otwarte łańcuchy. Węglowodory alifatyczne mogą być:
    • nasycone (parafiny) - mające pomiędzy atomami węgla tylko pojedyncze wiązania. Nasycone węglowodory bywają nazywane granicznymi, są bowiem maksymalnie nasycone wodorem. Węglowodory nasycone otrzymuje się z ropy naftowej, laboratoryjnie w syntezie Wurtza.

Węglowodory można również podzielić ze względu na typ hybrydyzacji atomów węgla, który decyduje o budowie ich cząsteczek.

Alkany oraz cykloalkany to węglowodory nasycone, w których każdy atom węgla jest w stanie hybrydyzacji sp3 i tworzy cztery równocenne wiązania z innymi atomami węgla lub z atomami wodoru. Kąty pomiędzy wszystkimi wiązaniami wynoszą około 109°. Kąty pomiędzy wiązaniami w trzech pierwszych cykloalkanach: cyklopropanie, cyklobutanie i cyklopentanie z uwagi na duże naprężenia wynikające z małych rozmiarów cząsteczek ulegają znacznym deformacjom.

I-rzędowy atom węgla łączy się z jednym atomem węgla.

II-rzędowy atom węgla łączy się z dwoma atomami węgla.

III-rzędowy atom węgla łączy się z trzema atomami węgla.

IV-rzędowy atom węgla łączy się z czterema atomami węgla.

Atom węgla w cząsteczce metanu nie jest związany z żadnym innym atomem węgla. To atom zerowego rzędu.

Alkany to węglowodory nasycone (parafinowe, alifatyczne), w których atom węgla jest w stanie hybrydyzacji sp3. Wszystkie wiązania w cząsteczkach alkanów to wiązania pojedyncze (σ). Pierwsze cztery węglowodory w temperaturze pokojowej są gazami. Te, które zawierają od 5 do 16 atomów węgla, należą do cieczy, zaś pozostałe - do ciał stałych. Najprostszy alkan, metan to główny składnik gazu ziemnego, stanowiący 80-90% jego zawartości. Metan jest bezbarwnym gazem, trudno rozpuszczalnym w wodzie, lżejszym odpowietrza. Jego gęstość wynosi 0,714 g/dm3 temperatura topnienia -182,6°C, a temperatura wrzenia -161,4°C. Zaobserwowano, że metan tworzy się w okolicach bagien, mokradeł, jezior i stawów. Powstaje więc wszędzie tam, gdzie obumarłe rośliny gniją bez dostępu powietrza. Propan i butan, podobnie jak metan oraz etan, spalają się w powietrzu, tworząc z nim mieszaniny wybuchowe. Produktami spalania są tlenek węgla(IV) i woda. Spalaniu węglowodorów towarzyszy wydzielanie bardzo dużej ilości energii (z tego powodu substancje te wykorzystuje się jako paliwa).

Spalanie propanu:

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

Spalanie butanu:

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 +10H2O

Spalanie ciekłych węglowodorów.

Benzyna, nafta i olej napędowy są mieszaninami ciekłych węglowodorów. Palność węglowodorów zależy od ich lotności, ponieważ w przypadku cieczy palą się ich pary. Nad powierzchnią benzyny w temperaturze pokojowej stężenie par osiąga tak dużą wartość, że pod wpływem źródła ognia jej zapłon jest natychmiastowy. Zapalenie par nafty i oleju napędowego, zawierających węglowodory o dłuższych łańcuchach, wymaga podgrzania tych substancji. Produktami spalania wymienionych węglowodorów są również tlenek węgla(IV) i woda.

Jeżeli podczas spalania ilość tlenu jest ograniczona, zamiast tlenku węgla(IV) powstaje toksyczny tlenek węgla(II) (półspalanie węglowodorów) lub węgiel w postaci sadzy (spalanie niecałkowite węglowodorów). Drugim produktem jest zawsze woda.

2CH4 + 3O2 → 2CO +4H2O

CH4 + O2 → C +2H2O

Etapy reakcji chlorowania, bromowania i fluorowania.

Reakcje chlorowania, bromowania i fluorowania mogą przebiegać wieloetapowo aż do chwili podstawienia wszystkich atomów wodoru obecnych w cząsteczce węglowodoru. Wszystkie alkany pod wpływem światła reagują z bromem i chlorem. Jest to reakcja substytucji o mechanizmie rodnikowym.

CH4 +Cl2 → CH3Cl +HCl

CH4 +Br2 → CH3Br +HBr

Podobna reakcja z fluorem zachodzi wybuchowo.

CH4 +F2 → CH3F +HF

Jod natomiast w ogóle nie ulega takiej reakcji. Produktami reakcji chlorowania, bromowania i fluorowania są odpowiednio chloro-, bromo- i fluoropochodne alkanów.

Szkielet węglowy w cząsteczkach alkanów może mieć budowę liniową lub rozgałęzioną. Izomeria konstytucyjna to zjawisko występowania związków chemicznych o jednakowym składzie, lecz różnej budowie, a ściślej - zróżnicowanej konstytucji (kolejności powiązania atomów w cząsteczce), mających odrębne właściwości. Liczba izomerów konstytucyjnych rośnie wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce węglowodoru. Ogromna liczba związków organicznych wynikająca ze zjawiska izomerii pociąga za sobą konieczność posługiwania się spójnym, jednoznacznym systemem nazewnictwa. Został on stworzony oraz

wprowadzony przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC).

Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy systematyczne alkanów tworzy się według następujących zasad:

1. Należy ustalić możliwie najdłuższy łańcuch węglowy i nazwę alkanu odpowiadającego temu łańcuchowi przyjąć jako podstawę tworzonej nazwy.

2. Atomy węgla w najdłuższym łańcuchu trzeba ponumerować, zaczynając od atomów skrajnych. Położenie podstawników określają numery atomów węgla, czyli tzw. lokanty. Podstawniki to atomy lub grupy atomów związane z łańcuchem głównym.

3. Kierunek numeracji powinien być taki, aby lokanty - liczby wskazujące położenie podstawników - były jak najmniejsze.

4. Nazwy grup alkilowych, będących podstawnikami przy atomach węgla w najdłuższym łańcuchu, należy wymieniać w porządku alfabetycznym, a nie w kolejności wynikającej z numeracji. Grupa alkilowa jest to jednowartościowa grupa utworzona formalnie przez oderwanie jednego atomu wodoru od cząsteczki alkanu. Oznacza się ją ogólnie literą R. Może to być grupa metylowa -CH3. Liczbę identycznych podstawników oznacza się przedrostkami: di-, tri-, tetra-, penta- itd. . Zapisując nazwę, należy na jej początku podać numery, liczbę i rodzaj podstawników w kolejności alfabetycznej i po ich wyczerpaniu dopisać nazwę alkanu, któremu odpowiada ustalony łańcuch węglowy.

    • nienasycone (acetyleny) - mające jedno lub więcej wiązań podwójnych lub potrójnych pomiędzy atomami węgla. Węglowodory nienasycone z podwójnymi wiązaniami nazywa się olefinami (alkenami, węglowodorami nienasyconymi etylenowymi), z potrójnymi wiązaniami - acetylenami (alkinami)

Alkeny to węglowodory nienasycone, których cząsteczki zawierają oprócz pojedynczych wiązań σ jedno wiązanie podwójne pomiędzy atomami węgla. Alkeny tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n. Alkeny i cykloalkeny to węglowodory nienasycone, w których nienasycony atom węgla jest w stanie hybrydyzacji sp2. Tworzy on trzy równocenne wiązania z innymi atomami węgla lub z przynajmniej jednym atomem węgla i atomami wodoru. Kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 120°. Niezhybrydyzowane orbitale p atomów węgla, nakładając się bocznie, tworzą dodatkowe wiązanie π.

Najprostszym przedstawicielem alkenów jest eten, znany również jako etylen.

Spalanie przy ograniczonym dostępie powietrza Alkeny, tak jak alkany, przy ograniczonym dostępie powietrza ulegają

- półspalaniu: C2H4 + 2O2 → 2CO + 2H2O

- spalaniu niecałkowitemu: C2H4 + O2 → 2C +2H2O

Mechanizm reakcji przyłączania Reakcja przyłączania do wiązania podwójnego przebiega etapami. Elektrony wiązania podwójnego powodują polaryzację wiązania kowalencyjnego cząsteczki, która przyłącza się do alkenu. Powstają anion i kation. Następnie do jednego z atomów węgla (połączonych wiązaniem podwójnym) przyłącza się kation. Kolejny etap to przyłączenie się do drugiego atomu węgla anionu lub cząsteczki z wolną parą elektronową. Kation biorący udział w reakcji jest nazywany czynnikiem elektrofilowym, zaś anion lub cząsteczkę z wolną parą elektronową określa się jako czynnik nukleofilowy. Z uwagi na to, że w początkowym etapie reakcji bierze udział czynnik elektrofilowy, tego typu reakcję addycji (przyłączania) nazywamy addycją elektrofilową. Eten i inne alkeny przyłączają, oprócz cząsteczek bromu, cząsteczki innych fluorowców, wodoru, halogenowodorów oraz wody. W reakcji addycji elektrofilowej odczynnika o wzorze ogólnym HX (X = Cl, Br, OH) do niesymetrycznego alkenu otrzymuje się głównie produkt powstały w wyniku przyłączenia się kationu (wodoru) do atomu węgla związanego z większą liczbą atomów wodoru.

Nazwa reguły pochodzi od nazwiska rosyjskiego chemika Władimira Markownikowa, który ją sformułował.

Polimeryzacja jest procesem łączenia się pojedynczych cząsteczek związku chemicznego, monomerów w wielkocząsteczkowy produkt, polimer. Zastosowanie do produkcji kauczuku syntetycznego znalazł węglowodór nienasycony but-1,3-dien, nie należący do alkenów.

CH2 = CH - CH = CH2

W jego cząsteczce znajdują się dwa podwójne wiązania między atomami węgla. W wyniku reakcji polimeryzacji but-1,3-dienu powstaje kauczuk syntetyczny, tzw. kauczuk butadienowy.

Kauczuk jest substancją elastyczną i rozciągliwą, dlatego można go stosować do produkcji rękawic chirurgicznych i gospodarczych, taśm bieliźnianych itp. Z kauczuku w procesie wulkanizacji - ogrzewania z siarką - otrzymuje się gumę, która znalazła zastosowanie w przemyśle samochodowym, chemicznym, obuwniczym i tekstylnym.

Polichlorek winylu

W wyniku polimeryzacji pochodnych etenu, na przykład chlorku winylu (chloroetenu H2C=CHCl) powstaje polichlorek winylu PVC. Skrót PVC pochodzi od angielskiej nazwy tego tworzywa, polivinylchloride. W Polsce często stosuje się skróty PCV lub PCW, pochodzące od nazwy polskiej.

1. Nazwy alkenów tworzy się, zamieniając końcówkę -an odpowiedniego alkanu na końcówkę -en.

2. W rozgałęzionych alkenach jako strukturę podstawową wybiera się najdłuższy ciągły łańcuch, który zawiera wiązanie podwójne.

3. Położenie wiązania podwójnego w łańcuchu głównym oznacza się odpowiednią cyfrą (lokantem) umieszczoną przed końcówką -en, wskazującą jego atom węgla o niższej numeracji. Atomy węgla w wybranym łańcuchu głównym numeruje się tak, aby pierwszy atom biorący udział w wiązaniu podwójnym miał możliwie najniższy numer.

4. Położenie grup alkilowych oraz wszystkich innych podstawników przyłączonych do łańcucha głównego oznacza się odpowiednimi cyframi (lokantami) i wymienia w nazwie w porządku alfabetycznym.

Alkiny to węglowodory nienasycone, których cząsteczki zawierają jedno wiązanie potrójne pomiędzy atomami węgla. Alkiny tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n-2. Alkiny to węglowodory nienasycone, w których nienasycony atom węgla w stanie hybrydyzacji sp tworzy dwa równocenne wiązania z atomami węgla lub z jednym atomem węgla i jednym atomem wodoru. Cząsteczka ma budowę liniową, kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 180°. Orbitale niezhybrydyzowane p atomów węgla w wyniku bocznego nakładania tworzą dwa wiązania π. Rzędowość atomu węgla określa się za pomocą liczby atomów węgla związanych bezpośrednio z rozpatrywanym atomem.

Najprostszym przedstawicielem alkinów jest etyn, znany również jako acetylen. Będąc węglowodorem nienasyconym, etyn, tak jak eten, odbarwia roztwór manganianu(VII) potasu i wodę bromową. Badanie zachowania się etynu wobec wody bromowej i roztworu manganianu(VII) potasu.

Zastosowanie acetylenu

Etyn jest surowcem do produkcji wielu tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych, rozpuszczalników organicznych, sadzy, kwasu octowego oraz alkoholu etylowego. Alkiny, podobnie jak alkeny, ulegają reakcjom addycji elektrofilowej. Reakcje te mogą zachodzić z wodorem, halogenowodorami, fluorowcami oraz wodą.

H2C = CH - CH3 + H2O → CH3 CHOH - CH3

Z uwagi na obecność dwóch reaktywnych wiązań przebiegają dwuetapowo i prowadzą do powstania pochodnych alkanów. Reakcja Kuczerowa ma bardzo duże znaczenie.

HC≡CH + H-OH → CH3CHO

Jej produkt, aldehyd octowy, jest ważnym półproduktem w syntezie organicznej.

1. Nazwy alkinów tworzy się od nazw odpowiednich alkanów, zastępując końcówkę -an końcówką -yn (po spółgłoskach ch, f, g, k, l -in).

2. Położenie wiązania potrójnego oraz podstawników przy głównym łańcuchu określa się w sposób zaprezentowany przy omawianiu alkenów.

3. W wypadku cząsteczek węglowodorów nienasyconych zawierających jednocześnie wiązanie podwójne i potrójne pierwszeństwo w numeracji atomów węgla ma wiązanie podwójne.

Mieszaniny węglowodorów występują obficie w różnych produktach naturalnych, skąd wyodrębnia się je w postaci pewnych frakcji, tj. mieszanin bardziej jednorodnych, o bardziej zbliżonych właściwościach chemicznych i fizycznych. Najobfitszym źródłem węglowodorów jest ropa naftowa, zawiera ona wszystkie zasadnicze typy węglowodorów, a więc alifatyczne, cykloalifatyczne i aromatyczne w stosunku zmiennym, zależnym od pochodzenia ropy naftowej. Gaz ziemny jest źródłem najprostszego węglowodoru metanu i niewielkich ilości etanu, propanu, butanów i pentanów. Ponadto węglowodory znajdują się również w produktach suchej destylacji węgla i drewna, a sporadycznie występują jako charakterystyczne produkty naturalne, np. terpeny, ozokeryt.

  • Węglowodory cykliczne (pierścieniowe) - węglowodory, w których atomy węgla powiązane są ze sobą w pierścień
    • Cykloalifatyczne - o własnościach zbliżonych do węglowodorów alifatycznych, nasycone węglowodory cykloalifatyczne to cykloparafiny, nienasycone zaś węglowodory cykloalifatyczne to cykloolefiny
    • Aromatyczne - o własnościach związków aromatycznych. Najważniejszymi węglowodorami aromatycznymi są benzen i jego pochodne (toluen, ksyleny), naftalen, antracen i inne. Areny to pierścieniowe węglowodory, w których wszystkie atomy węgla w pierścieniu ulegają hybrydyzacji sp2. Cząsteczki arenów mają płaską budowę. Niezhybrydyzowane orbitale p atomów węgla tworzą chmurę elektronową lub układ zdelokalizowanych wiązań podwójnych π (benzen, naftalen).

Węglowodory aromatyczne - budowa, charakter aromatyczny.

Najbardziej znanym węglowodorem aromatycznym jest benzen, C6H6. Związki aromatyczne spełniają następujące warunki:

1. Mają płaskie, cykliczne cząsteczki (atomy C oraz - ewentualnie - O, N, S muszą tworzyć zamknięty pierścień).

2. Każdy atom tworzący pierścień ma niezhybrydyzowany orbital p.

3. Suma elektronów obsadzających orbitale typu p (elektronów typu π ) musi być równa 4n + 2, gdzie n = 0, 1, 2, 3... (czyli charakter aromatyczny mogą mieć tylko cząsteczki zawierające 2, 6, 10, 14, 18... elektronów π).

Węglowodory aromatyczne mają wspólną cechę, nazywaną aromatycznością. Benzen jest bezbarwną, nierozpuszczalną w wodzie cieczą. Stanowi doskonały rozpuszczalnik substancji hydrofobowych. Wykazuje właściwości toksyczne - niebezpieczeństwo stwarza zarówno wdychanie par tej substancji, jak i jej kontakt ze skórą. Związek ten otrzymuje się głównie ze smoły węglowej oraz w wyniku reakcji trimeryzacji acetylenu:

3H - C ≡ C - H → C6H6

Benzen spala się kopcącym płomieniem, co świadczy o wysokiej zawartości węgla w jego cząsteczce. Benzen znacznie łatwiej ulega reakcjom substytucji niż addycji. Najważniejsze reakcje tej substancji to: nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie, alkilowanie i acylowanie metodą Friedela-Craftsa.

Nazewnictwo węglowodorów aromatycznych Tworząc nazwy węglowodorów aromatycznych (arenów), nie stosuje się reguł przyjętych dla innych węglowodorów. Wszystkie areny mają końcówkę -en. Nazwy pochodnych benzenu lub innych arenów tworzy się od ich nazw zwyczajowych. Określając położenie podstawników w węglowodorach aromatycznych, możemy stosować numerację, oznaczenia literowe α i β lub przedrostki orto-, meta- i para.

Węglowodory aromatyczne:

  • wielopierścieniowe
  • jednopierścieniowe

Obecność podstawnika w pierścieniu benzenowym ma wpływ na przebieg kolejnej reakcji substytucji elektrofilowej. Podstawnik może zwiększać lub zmniejszać aktywność związku aromatycznego; kieruje także kolejny podstawnik w określone położenie w pierścieniu.

Naturalne źródła węglowodorów to ropa naftowa, gaz ziemny oraz węgiel kamienny. Ropa naftowa stanowi mieszaninę węglowodorów różniących się wielkością i budową cząsteczek, a tym samym - właściwościami. Cząsteczki niektórych węglowodorów wchodzących w jej skład są małe, zbudowane z kilku atomów węgla; cząsteczki innych mogą zawierać nawet 50 lub więcej atomów węgla. Aby najlepiej wykorzystać węglowodory znajdujące się w ropie naftowej, należy je rozdzielić. Dlatego poddaje się ją obróbce, zwanej destylacją frakcyjną (frakcjonowaną). Węgiel kamienny przerabia się w procesie koksowania, zwanego również pirogenizacją lub suchą destylacją. Proces ten polega na ogrzewaniu węgla w tzw. bateriach koksowniczych do temperatury około 1000°C bez dostępu powietrza.