Skip to content · ⁨الانتقال إلى المحتوى⁩

Halogen compounds · ⁨مركبات الهالوجين⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · Topic 15 · ⁨الموضوع 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨درس فيديو لهذا الموضوع⁩ Open the video page · ⁨افتح صفحة الفيديو⁩
7:31

مركبات الهالوجين

اضغط على زر علبة بخاخ الثلاجة، وستصبح بشرتك مخدرتين بالبرد. بداخلها هالوألكان: ألكان تم استبدال أحد ذراته بذرة هالوجين…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨هالوجينو ألكانات⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
  2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
  3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
  4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
  5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
  6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
  7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
العربية
  1. استذكر التفاعلات (الكواشف والشروط) التي يمكن من خلالها إنتاج هالوجينوألكانات: (أ) الاستبدال الجذري الحر للألكانات بواسطة $\text{Cl}_2$ أو $\text{Br}_2$ في وجود الضوء فوق البنفسجي، كما هو موضح بتفاعلات الإيثان (ب) الإضافة الكهربية لألكين مع هالوجين، $\text{X}_2$، أو هاليد الهيدروجين، $\text{HX(g)}$، عند درجة حرارة الغرفة (ج) استبدال كحول، على سبيل المثال عن طريق تفاعله مع $\text{HX(g)}$؛ أو مع $\text{KCl}$ وحمض concentré $\text{H}_2\text{SO}_4$ أو حمض concentré $\text{H}_3\text{PO}_4$؛ أو مع $\text{PCl}_3$ وحرارة؛ أو مع $\text{PCl}_5$؛ أو مع $\text{SOCl}_2$
  2. صنف هالوجينوألكانات إلى أولية، ثانوية وثلاثية
  3. صف التفاعلات التالية لـالاستبدال النوكليوفيلي: (أ) التفاعل مع $\text{NaOH(aq)}$ والحرارة لإنتاج كحول (ب) التفاعل مع $\text{KCN}$ في الإيثانول والحرارة لإنتاج نتريل (ج) التفاعل مع $\text{NH}_3$ في الإيثانول المُسخّن تحت الضغط لإنتاج أمين (د) التفاعل مع نترات الفضة المائية في الإيثانول كطريقة لتحديد نوع الهالوجين الموجود كمثال على ذلك بروموإيثان
  4. صف تفاعل الإزالة مع $\text{NaOH}$ في الإيثانول والحرارة لإنتاج ألكين كمثال على ذلك بروموإيثان
  5. صف آليات $\text{S}_\text{N}1$ و$\text{S}_\text{N}2$ للاستبدال النوكليوفيلي في هالوجينوألكانات بما في ذلك التأثيرات التحريضية للمجموعات الألكيلية
  6. استذكر أن هالوجينوألكانات أولية تميل للتفاعل عبر آلية $\text{S}_\text{N}2$؛ وهالوجينوألكانات ثلاثية عبر آلية $\text{S}_\text{N}1$؛ وهالوجينوألكانات ثانوية عبر مزيج من الاثنين، اعتماداً على البنية
  7. صف واشرح الاختلافات في النشاط الكيميائي لهالوجينوألكانات (مع الإشارة بشكل خاص إلى قوة الروابط C–X النسبية كما هو موضح بتفاعلات هالوجينوألكانات مع نترات الفضة المائية)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨المصدر: منهج كامبريدج الدولي⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

  • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
  • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
  • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

العربية

الهالوجينو ألكان هو ألكان يحتوي على ذرة واحدة أو أكثر من الهالوجين بدلاً من الهيدروجين (رابطة C–X، حيث X هو الهالوجين).

علبة بخاخ الثلاجة تطلق بخار هالوجينو ألكان بارد
استُخدمت الهالوجينو ألكانات المتطايرة سابقاً على نطاق واسع كمبردات ومواد دفع للأيروسول

تحضير الهالوجينو ألكانات

  • استبدال الجذر الحر للألكان مع $\text{Cl}_2$ أو $\text{Br}_2$ في ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
  • الإضافة الإلكتروفيلية للألكين مع هالوجين $\text{X}_2$ أو هاليد هيدروجين $\text{HX}$.
  • استبدال الكحول، على سبيل المثال بواسطة $\text{HX}$، بواسطة $\text{PCl}_5$، بواسطة $\text{PCl}_3$ مع التسخين، أو بواسطة $\text{SOCl}_2$.

ثلاث فئات

الهالوجينو ألكان يكون أولياً أو ثانياً أو ثالثياً، اعتماداً على عدد ذرات الكربون المرتبطة بالكربون الحامل للهالوجين (واحد، اثنان، أو ثلاثة).

ثلاث هياكل تم فيها تظليل الكربون الحامل للبروم: أولي برابطة كربون واحد، ثانِ برابطتين، ثالثٍ بثلاث روابط
هالوجينو ألكانات أولية وثانية وثالثة، تصنف حسب عدد ذرات الكربون المرتبطة بالكربون الحامل للهالوجين
Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ هالوجينو ألكان
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ استبدال بالجذور الحرة
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ إضافة إلكتروفيلية
alcohol/ˈælkəhɒl/ كحول
primary/ˈpraɪməri/ أولي
secondary/ˈsekəndəri/ ثانوي
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ ثالثي
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ استبدال نيوكليوفيلي
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ نوكليوفيل
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ نيتریل
amine/ˈæmaɪn/ أمين
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ نترات الفضة
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ راسب
15.1

Nucleophilic substitution · ⁨الاستبدال النووي⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

العربية

رابطة C–X قطبية، لذا يكون الكربون موجباً جزئياً. يحدث استبدال نووي عندما يهاجم نواة (نوع يحمل زوجاً حراً من الإلكترونات) هذا الكربون ويستبدل الهالوجين.

قارورة ذات قاع دائري تحتوي على سائل مغلي مع مكثف عمودي يعيد تكثيف البخار
تُجرى العديد من تفاعلات الهالوجينو ألكانات بتسخين الخليط تحت التقطير العكسي
الكاشف والشروط المنتج
$\text{NaOH(aq)}$، حرارة كحول
$\text{KCN}$ في الإيثانول، تسخين نايترايل (يضيف ذرة كربون للسلسلة)
$\text{NH}_3$ في الإيثانول، تسخين تحت الضغط أمين
مبخّر دوراني: زجاجة دائرية محلول تدور في حمام مائي دافئ، يتكثف بخار المذيب في زجاجة استقبال منفصلة
المبخّر الدوراني يزيل المذيب تحت ضغط منخفض — وهو الخطوة التالية بعد التفاعل

لتحديد الهالوجين، سخّن الهالوجينو ألكان مع نترات الفضة في الإيثانول. يتكون راسب من هاليد الفضة، ولونه يدل على نوع الهالوجين الموجود (أبيض $\text{AgCl}$، كريمي $\text{AgBr}$، أصفر $\text{AgI}$).

Explore · ⁨استكشف⁩

Nucleophilic substitution · ⁨الاستبدال النيوكليوفيلي⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨يحل نيوكليوفيل محل مجموعة المغادرة في هالوجينو ألكان.⁩

15.1

Elimination · ⁨الإزالة⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

  • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
  • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
العربية

يمكن لهالوجينو ألكان أن يخضع بدلاً من ذلك لـ إزالة لتكوين ألكين. تحدد الظروف أي تفاعل ينتصر:

  • $\text{NaOH}$ في الماء → استبدال نووي → كحول.
  • $\text{NaOH}$ في الإيثانول، تسخين → إزالة → ألكين.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
مخطط تفرعي: برومو إيثان مع هيدروكسيد الصوديوم المائي يعطي كحول بالاستبدال، بينما مع هيدروكسيد الصوديوم في الإيثانول يعطي ألكين بالإزالة
نفس الهالوجينو ألكان: NaOH في الماء يستبدل لتكوين كحول، بينما NaOH في الإيثانول (مع التسخين) يزيل لتكوين ألكين
Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ إزالة
alkene/ˈælkiːn/ ألكين
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ الحالة الانتقالية
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ كاربوكاتيون
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ التأثير الحثي
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ طاقة الرابطة
15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨آليات S$_\text{N}$1 وS$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

  • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

  • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
  • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
  • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
العربية

يمكن للاستبدال النووي أن يسلك طريقين:

  • S$_\text{N}$2: خطوة واحدة. تهاجم النواة في نفس الوقت الذي يغادر فيه الهالوجين، مرتحباً بحالة انتقالية مزدحمة تكون فيها الرابطة بينهما نصفية. تعتمد السرعة على كل من الهالوجينو ألكان والنواة.
  • S$_\text{N}$1: خطوتان. أولاً تنكسر رابطة C–X لتكوين كربوكاتيون؛ ثم تهاجم النواة الكربوكاتيون. تعتمد السرعة فقط على الهالوجينو ألكان.
S N 2 مُصوَّرة كخطوة واحدة حيث تهاجم النواة أثناء خروج الهالوجين عبر حالة انتقالية؛ S N 1 مُصوَّرة كخطوتين عبر كربوكاتيون
S$_\text{N}$2 هي خطوة واحدة عبر حالة انتقالية مزدحمة؛ S$_\text{N}$1 هي خطوتان عبر كربوكاتيون

مجموعات الألكيل تدفع الإلكترونات نحو الكربون الموجب (التأثير الحثي)، مما يُثبت الكربوكاتيون. ولهذا السبب:

  • هالوجينو ألكانات أولية تتفاعل في الغالب عبر S$_\text{N}$2.
  • هالوجينو ألكانات ثالثية تتفاعل في الغالب عبر S$_\text{N}$1 (كربوكاتيوناتها مستقرة جيداً).
  • هالوجينو ألكانات ثانوية تستخدم مزيجاً من الاثنين.
Explore · ⁨استكشف⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨ميكانيكية SN2، خطوة بخطوة⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨مرور بالاستبدال النيوكليوفيلي. يهاجم النيوكليوفيل من الخلف أثناء مغادرة الهاليد — كل ذلك في خطوة واحدة سلسة، مما يقلب الجزيء من الداخل إلى الخارج.⁩

15.1

Different reactivities · ⁨اختلالات التفاعلية المختلفة⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

العربية

تعتمد سرعة تفاعل الهالوجينو ألكان على قوة رابطة C–X، المقاسة بـ طاقة الرابطة. رابطة C–I هي الأضعف، لذا تتفاعل اليودو ألكانات أسرع؛ رابطة C–Cl هي الأقوى بين الثلاث، لذا تتفاعل الكلورو ألكانات أبطأ. لذلك عند الاختبار بنترات الفضة، يعطي اليودو ألكان راسبه أولاً — وعالي تفاعليته ناتجة عن ضعف رابطة C–X.

رسم بياني شريطي لطاقة رابطة C-X تنخفض من C-F إلى C-I، مع سهم يشير إلى أن الرابطة الأضعف تتفاعل أسرع
كلما كانت رابطة C–X أضعف، كان التفاعل أسرع — لذا فإن اليودوألكنات تتفاعل بأسرع ما يمكن والكلوروألكنات ببطء

مثال محلول. توقّع آلية تحلل مائي لـ 1-بروموبيوتان و2-برومو-2-ميثيلبروبان. صنّف الهالوجينوألكنة أولاً. 1-بروموبيوتان أولي: الكربون الحامل للـ $\text{Br}$ محمي بشكل طفيف جداً، مما يسمح للنوكليوفيل بمهاجمته من الخلف، وآلية التفاعل هي $\text{S}_\text{N}2$ - خطوة واحدة، تعتمد السرعة على كلا الهالوجينوألكنة والنوكليوفيل. أما 2-برومو-2-ميثيلبروبان فهو ثالثي: ثلاث مجموعات ميثيل ضخمة تمنع هذا الهجوم، لكنها أيضاً تستقر الكاربونيوم المتكون بمجرد مغادرة $\text{Br}$، لذلك يسير عبر $\text{S}_\text{N}1$ - خطوتين، تعتمد السرعة على الهالوجينوألكنة فقط. حدد ذلك بناءً على التصنيف (أولي → $\text{S}_\text{N}2$، ثالثي → $\text{S}_\text{N}1$)، ولاحظ أن الثالثي يتحلل مائياً أسرع رغم كونه الأكثر ازدحاماً.

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ النشاط الكيميائي
15.1

Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

English
  • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
العربية
  • ارسم استبدال نوكليوفيلي بسهم منحني يبدأ من الزوج الحر للنوكليوفيل نحو كربون $\delta+$ وآخر من رابطة $\text{C-X}$.
  • مطابقة الآلية بالتصنيف: $S_\text{N}1$ (ثلاثي، كاربونيوم، خطوتان) مقابل $S_\text{N}2$ (أولي، خطوة واحدة، حالة انتقالية).
  • التحديد يعتمد على إنثالبي الرابطة: $\text{C-I}$ هو الأضعف، لذا تتفاعل اليودوألكنات بأسرع (وليس حسب الكهروسالبية).
  • إزالة (KOH كحولي ساخن) مقابل استبدال (KOH مائي دافئ) — الظروف تحدد النواتج؛ اذكرها.

Interactive lessons on this topic · ⁨دروس تفاعلية حول هذا الموضوع⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.⁩

Past Papers · ⁨أوراق الامتحانات السابقة⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · ⁨المزيد من المواضيع في A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩⁩

Log in or create account · ⁨تسجيل الدخول أو إنشاء حساب⁩

IGCSE, A-Level & AP