Skip to content · ⁨דלג לתוכן⁩

Hydrocarbons · ⁨הידרוקרבונים⁩

A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · Topic 14 · ⁨נושא 14⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩
9:54

הידרוקרבונים

שני נוזלים שקופים, שניהם רק פחמן והידרוגן. ושני כלי מבחן של מים ברומיים כתומים. מערבבים את הנוזל הראשון לתוך אחד, את השני לתוך ה…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון⁩

14.1

Alkanes · ⁨אלקאנים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which alkanes can be produced: (a) addition of hydrogen to an alkene in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (b) cracking of a longer chain alkane, heat with $\text{Al}_2\text{O}_3$
  2. describe: (a) the complete and incomplete combustion of alkanes (b) 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
  3. describe the mechanism of free-radical substitution with reference to the initiation, propagation and termination steps
  4. suggest how cracking can be used to obtain more useful alkanes and alkenes of lower $M_r$ from heavier crude oil fractions
  5. understand the general unreactivity of alkanes, including towards polar reagents in terms of the strength of the $\text{C–H}$ bonds and their relative lack of polarity
  6. recognise the environmental consequences of carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons arising from the combustion of alkanes in the internal combustion engine and of their catalytic removal
עברית
  1. זכור את התגובות (חומרי המראה ותנאים) בהן ניתן לייצר אלקאנים: (א) הוספת מימן לאלקן בתגובת הידרוגנציה, $\text{H}_2\text{(g)}$ וקטליזטור $\text{Pt/Ni}$ וחום (ב) פיצוק של אלקאן בעל שרשרת ארוכה יותר, חום עם $\text{Al}_2\text{O}_3$
  2. תאר: (א) הבעירה המלאה והחלקית של אלקאנים (ב) ההצבה ברדיקלים חופשיים של אלקאנים על ידי $\text{Cl}_2$ או $\text{Br}_2$ בנוכחות אור סוללה, כפי שמודגם בתגובות האתאן
  3. תאר את המנגנון של הצבה ברדיקלים חופשיים בהתייחס לשלבי התחלה, המשך וסיום
  4. הצע כיצד ניתן להשתמש בפיצוק כדי לקבל יותר אלקאנים ואלקנים שימושיים בעלי $M_r$ נמוכים יותר מתוך חלקות נפט גס כבדות
  5. הבן את החסר-תגובתיות הכללית של אלקאנים, כולל כלפי חומרי מראה פולריים, בהתבסס על חוזק ה$\text{C–H}$ הקשרים ועל העדר הפולריות היחסי שלהם
  6. זיהוי ההשלכות הסביבתיות של חמצן חד-פלטיני, תחמוצות חנקן והידרוקربونים לא-בעורים הנובעים מבעירת אלקאנים במנוע בעירה פנימית ומהסרתם הקטליטית

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English

Alkanes 烷烃 are saturated hydrocarbons (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

Making alkanes

  • hydrogenation 氢化: add hydrogen to an alkene 烯烃, using a $\text{Pt}$ or $\text{Ni}$ catalyst and heat.
  • cracking 裂化: break a long-chain alkane into shorter ones by heating with $\text{Al}_2\text{O}_3$.

Combustion

In combustion 燃烧 an alkane burns in oxygen:

  • complete combustion 完全燃烧 (plenty of oxygen) gives carbon dioxide and water.
  • incomplete combustion 不完全燃烧 (not enough oxygen) gives water plus toxic carbon monoxide 一氧化碳 ($\text{CO}$) and soot (carbon).

You are often asked to write the balanced equation. Balance it in a fixed order - carbon first, then hydrogen, and oxygen last - because oxygen is the only element left on just one side:

$$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

The 6 carbons fix $6\,\text{CO}_2$; the 14 hydrogens fix $7\,\text{H}_2\text{O}$; counting the oxygens on the right gives $12 + 7 = 19$, so the left needs $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. A half of $\text{O}_2$ is perfectly acceptable in this equation - and if the question asks for whole numbers, simply double everything ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

Free-radical substitution

Alkanes react with chlorine or bromine by free-radical substitution 自由基取代, in ultraviolet light 紫外线. For ethane and chlorine the mechanism has three steps:

  • initiation 引发 — UV light splits the halogen into two free radicals 自由基: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ This kind of break is homolytic fission 均裂: the bond splits evenly, one electron going to each atom, which is what makes two radicals. (The opposite, heterolytic fission 异裂, sends both electrons to one atom and makes a pair of ions - that is what happens in the polar mechanisms such as electrophilic addition.) Examiners ask for this word by name, so use it.
  • propagation 增长 — radicals react and make new radicals:
    $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
  • termination 终止 — two radicals join, ending the chain: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$

Why cracking is useful, and why alkanes are unreactive

Cracking turns heavy fractions of crude oil 原油 into more useful, lower-$M_r$ alkanes and alkenes. (A fraction 馏分 is a group of molecules with a similar boiling-point range.)

Alkanes are generally unreactive, especially towards polar reagents. This is because the C–H and C–C bonds are strong and have little polarity 极性, so there is no charge to attract an attacking species.

Environmental effects

Burning alkanes in an internal combustion engine gives off carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons. A catalytic converter removes these by turning them into harmless gases.

עברית
להבות כחולות על כיור גז
גז טבעי – בעיקר מתאן, האלקאן הפשוט ביותר – נשרף על כיור.

אלקאנים הם הידרוקاربונים רוויים (נוסחה כללית $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

הכנת אלקאנים

  • הידרוגנציה: הוספת מימן ל-אלקן, בעזרת קטליזטור $\text{Pt}$ או $\text{Ni}$ וחום.
  • פיצוח: שבירת אלקאן בעל שרשרת ארוכה לאלקאנים קצרים יותר על ידי חימום עם $\text{Al}_2\text{O}_3$.

בעירה

ב-בעירה אלקאן נשרף בחמצן:

בעירה מלאה נותנת CO2 ומים; בעירה לא מלאה נותנת גם CO ופחם
שריפה מלאה נותנת CO2 ומים; חלקית גם נותנת CO ופחם
  • בעירה מלאה (חמצן בשפע) נותנת פחמן די-אוקסיד ומים.
  • בעירה לא מלאה (חמצן לא מספיק) נותנת מים onClick רעיל פחמן חד-אוקסיד ($\text{CO}$) ופחם (פחמן).

לעיתים מבוקש ממך ל-כתוב את המשוואה המאוזנת. איזן אותה בסדר קבוע - פחמן תחילה, לאחר מכן מימן, וחמצן לבסוף - כי חמצן הוא היסוד היחיד שנותר בצד אחד בלבד:

$$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

ה-6 פחמנים קובעים $6\,\text{CO}_2$; ה-14 המימנים קובעים $7\,\text{H}_2\text{O}$; ספירת החמצן בצד ימין נותנת $12 + 7 = 19$, ולכן הצד שמאלי זקוק ל-$19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. חצי של $\text{O}_2$ הוא מקובל לחלוטין במשוואה זו - ואם השאלה מבקשת מספרים שלמים, פשוט הכפל הכל ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

הצבה של רדיקלים חופשיים

אלקנים מגיבים עם כלור או ברום באמצעות הצבה של רדיקלים חופשיים, באור אולטרה סגול. עבור אתן וכלור, המנגנון כולל שלושה שלבים:

  • התחלה — אור UV מפצל את ההלוגן לשני רדיקלים חופשיים: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ סוג זה של שבירה הוא שבירה הומוליתית: הקשר נשבר באופן שווה, אלקטרון אחד עובר לכל אטום, מה שמייצר שני רדיקלים. (העומד לו, שבירה הטרואוליתית, שולחת שתי אלקטרונים לאטום אחד ומייצרת זוג של יונים - כך קורה במנגנונים מקוטבים כמו תוספת אלקטרופילית). בוחנים דורשים את המילה בשמה, לכן השתמש בה.
  • המשכה — רדיקלים מגיבים ויוצרים רדיקלים חדשים:
    $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
  • סיכון — שני רדיקלים מתחברים, ומסתיים הרצף: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$
שלושת שלבי ההצבה של רדיקלים חופשיים: התחלה המפצלת כלור לרדיקלים, היקשרות המשאירה את הרצף, וסיכון המתחברת לשני רדיקלים
הצבה של רדיקלים חופשיים בשלושה שלבים: התחלה יוצרת רדיקלים, היקשרות משאירה את הרצף, וסיכון מסתיים.

למה פיצוח מועיל ולמה אלקנים לא מגיבים

פיצוח ממיר חלקים כבדים של נפט גולמי למזוקנים ואלקנים נמוכי-$M_r$ יותר שימושיים. (חלק הוא קבוצת מולקולות עם טווח נקודת רתיחה דומה.)

אלקנים אינם מגיבים ברובם, במיוחד כלפי מגיבים מקוטבים. הדבר נובע מכך שקשרי C–H ו-C–C הם חזקים ויש להם מעט מקוטבות, ולכן אין מטען המושך מין תקיף.

השפעות סביבתיות

שריפת אלקנים במנוע בעירה פנימית משחררת פחמן חד-חמצני, תחמוצות חנקן והידרופקארבונים לא נשרפו. ממיר קטליטי מסיר אותם על ידי המרתם לגזים חסרי סיכון.

Explore · ⁨חקור⁩

The tetrahedral carbon · ⁨הפחמן הטהדרי⁩

Each carbon in an alkane has four bonding pairs and no lone pairs — they spread as far apart as possible into a tetrahedron (109.5°). · ⁨לכל פחמן באלקאן יש ארבע זוגות קשר ואין להם זוגות בודדים — הם מתפשטים ככל האפשר זה מזה בתוך טטרהדרון (109.5°).⁩

Explore · ⁨חקור⁩

Free-radical substitution · ⁨הצבה ברדיקלים חופשיים⁩

Methane reacts with chlorine in UV light by a chain of radical steps. · ⁨מתאן מגיב עם כלור באור UV באמצעות סדרת שלבים רדיקליים.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
alkane/ˈælkeɪn/ אלקאן
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ מיצוק
alkene/ˈælkiːn/ אלקן
cracking/ˈkrækɪŋ/ סדיקה
combustion/kəmˈbʌstʃn/ בעירה
complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ בעירה מלאה
incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ בעירה חסרה
carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ חמצן חד-פחמני
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ החלפה ברדיקלים חופשיים
ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/ אור אולטרה-סגול
initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ התחלה
free radical/friː ˈrædɪkl/ ראדיקל חופשי
propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ המשכה
termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ סימון
crude oil/kruːd ɔɪl/ נפט גס
fraction/ˈfrækʃn/ שבר (חלקיק)
polarity/pəʊˈlærɪti/ קוטביות
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ הסלה
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ אלקן הלוגני
dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ דחיפה (הסרת מים)
alcohol/ˈælkəhɒl/ אלכוהול
14.2

Alkenes · ⁨אלקנים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. recall the reactions (including reagents and conditions) by which alkenes can be produced: (a) elimination of $\text{HX}$ from a halogenoalkane by ethanolic $\text{NaOH}$ and heat (b) dehydration of an alcohol, by using a heated catalyst (e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$) or a concentrated acid (e.g. concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) cracking of a longer chain alkane
  2. describe the following reactions of alkenes: (a) the electrophilic addition of (i) hydrogen in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (ii) steam, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (iii) a hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (iv) a halogen, $\text{X}_2$ (b) the oxidation by cold dilute acidified $\text{KMnO}_4$ to form the diol (c) the oxidation by hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$ leading to the rupture of the carbon–carbon double bond and the identities of the subsequent products to determine the position of alkene linkages in larger molecules (d) addition polymerisation exemplified by the reactions of ethene and propene
  3. describe the use of aqueous bromine to show the presence of a C=C bond
  4. describe the mechanism of electrophilic addition in alkenes, using bromine/ethene and hydrogen bromide/propene as examples
  5. describe and explain the inductive effects of alkyl groups on the stability of primary, secondary and tertiary cations formed during electrophilic addition (this should be used to explain Markovnikov addition)
עברית
  1. זכור את התגובות (כולל חומרי מראה ותנאים) בהן ניתן לייצר אלקנים: (א) איילון $\text{HX}$ מאלקיל הלוגני על ידי $\text{NaOH}$ אתנולי וחום (ב) דהידרציה של אלכוהול, על ידי שימוש בקטליזטור מחומם (למשל: $\text{Al}_2\text{O}_3$) או חומצה רכוזה (למשל: רכוזה $\text{H}_2\text{SO}_4$) (ג) פיצוק של אלקאן בעל שרשרת ארוכה יותר
  2. תאר את התגובות הבאות של אלקנים: (א) ההוספה אלקטרופילית של (i) מימן בתגובת הידרוגנציה, $\text{H}_2\text{(g)}$ וקטליזטור $\text{Pt/Ni}$ וחום (ii) אדים, $\text{H}_2\text{O(g)}$ וקטליזטור $\text{H}_3\text{PO}_4$ (iii) חומצה הידרוגני, $\text{HX(g)}$, בטמפרטורת החדר (iv) הלוגן, $\text{X}_2$ (ב) החמצון על ידי חומצה מעורבת קרה ומדוללת $\text{KMnO}_4$ ליצירת הדיול (ג) החמצון על ידי חומצה מעורבת רכוזה וחמה $\text{KMnO}_4$ המובילה לקריעת קשר הכפול קרבון-קרבון ולזהות המוצרים הבאים כדי לקבוע את מיקום קשרי האלקן בתרכובות גדולות יותר (ד) פולימריזציה הוספתית המודגמת על ידי תגובות האתן והפרופן
  3. תאר את השימוש בברומן מימי כדי להראות נוכחות קשר C=C
  4. תאר את מנגנון ההוספה האלקטרופילית באלקנים, כשהדוגמאות הן ברומן/אתן והידרוגן ברומיד/פרופן
  5. תאר והסבר את האפקטים האינדוקטיביים של קבוצות אלקיל על יציבות קטיונים ראשוניים, שניוניים ומשולשים שנוצרים במהלך הוספה אלקטרופילית (דבר זה ישמש להסבר הוספת מרקובניקוב)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English

Alkenes have a C=C double bond (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). The double bond is the functional group, so alkenes are reactive.

Making alkenes

  • elimination 消去 of $\text{HX}$ from a halogenoalkane 卤代烷, using $\text{NaOH}$ dissolved in ethanol, with heat.
  • dehydration 脱水 of an alcohol 醇, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated sulfuric acid.
  • cracking of a longer-chain alkane.

Reactions of alkenes

Most reactions are electrophilic addition 亲电加成 across the double bond:

Reagent and conditions Product
$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat alkane
steam 水蒸气 ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst alcohol
a hydrogen halide 卤化氢 ($\text{HX}$), room temperature halogenoalkane
a halogen $\text{X}_2$ a di-substituted alkane

There are also two oxidation reactions with acidified $\text{KMnO}_4$:

  • cold, dilute $\text{KMnO}_4$ adds two $\text{–OH}$ groups to give a diol 二醇.
  • hot, concentrated $\text{KMnO}_4$ breaks the C=C bond right apart, and what each half turns into tells you exactly where the double bond used to be.

That second reaction is worth learning properly, because it is how the exam asks you to locate a double bond in a large molecule. Oxidation is written with $[\text{O}]$, meaning "an oxygen atom from the oxidising agent". Cut the molecule at the C=C, then look at what each of the two carbons was carrying:

The C=C carbon carries It becomes
two alkyl groups ($\text{=CR}_2$) a ketone 酮, $\text{R}_2\text{C=O}$
one alkyl and one $\text{H}$ ($\text{=CHR}$) a carboxylic acid 羧酸, $\text{RCOOH}$
two hydrogens ($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$ and water

The pattern is simply how many hydrogens that carbon had: none stops at a ketone, one is pushed on to an acid, and two are oxidised all the way to $\text{CO}_2$.

Worked example. Give the products when $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ is heated with hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$. Cut at the C=C and take each carbon separately. The left carbon carries two methyl groups and no hydrogen, so it stops at a ketone: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, which is propanone. The right carbon carries one methyl and one H, so it goes on to a carboxylic acid: $\text{CH}_3\text{COOH}$, ethanoic acid. So:

$$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

Now run it backwards, which is the way the question is usually set. Given the products, rebuild the alkene by putting the two carbonyl carbons back together as a C=C: a ketone means that carbon had two alkyl groups, an acid means one alkyl and one H, and $\text{CO}_2$ means the chain ended in $\text{=CH}_2$. Getting $\text{CO}_2$ is the strongest clue of all - it can only come from a terminal double bond.

Test for a C=C bond

Shake the compound with orange bromine water 溴水. An alkene decolourises it (turns it colourless) by electrophilic addition. An alkane does not.

Addition polymerisation

In addition polymerisation 加成聚合, many alkene molecules join into one long chain, with no other product. Ethene gives poly(ethene). The long-chain product is a polymer 聚合物.

The mechanism and Markovnikov's rule

In electrophilic addition (for example bromine with ethene), the electron-rich C=C attracts the electrophile. This forms a positive intermediate called a carbocation 碳正离子, which the negative part then attacks.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon — this is the inductive effect 诱导效应. So a carbocation with more alkyl groups is more stable: tertiary is more stable than secondary, which is more stable than primary. When $\text{HBr}$ adds to propene, the more stable carbocation forms, so hydrogen adds to the carbon that already has more hydrogens. This pattern is Markovnikov's rule 马氏规则.

Worked example. Predict the major product when $\text{HBr}$ adds to propene, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. The $\text{H}^{+}$ adds first, and it adds in whichever way makes the more stable carbocation. Adding the $\text{H}$ to the end carbon puts the positive charge on the middle carbon, giving a secondary carbocation, which is stabilised by electron-releasing alkyl groups on two sides. Adding it to the middle carbon would leave a less stable primary carbocation. The bromide ion then attacks the secondary carbocation, so the major product is 2-bromopropane. That is Markovnikov's rule - but quote the reason (carbocation stability: tertiary > secondary > primary), because the rule on its own is not the explanation.

עברית
מפעל זיקוק
פיצוח חלקים כבדים במפעל זיקוק מייצר אלקנים לפלסטיק ולדלקים.

אלקנים יש להם קשר כפול C=C (נוסחה כללית $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). הקשר הכפול הוא הקבוצה הפונקציונלית, ולכן אלקנים מגיבים.

יצירת אלקנים

  • הסרה של $\text{HX}$ מ-הלוגנו-אלקן, באמצעות $\text{NaOH}$ מומס באתנול, בחום.
  • הסרת מים של אלכוהול, באמצעות מ催化剂 חם $\text{Al}_2\text{O}_3$ או חומצה גופריתית מרוכזת.
  • פיצוח של אלקן עם שרשרת ארוכה יותר.

תגובות של אלקנים

רוב התגובות הן הוספה אלקטרופילית על פני קשר הכפול:

חומר מסיס ותנאים תוצר
$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ קטלייזר, חימום אלקאן
קרי ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ קטלייזר אלכוהול
הידרוגן הלוגניד ($\text{HX}$), טמפרטורת חדר הלוגנו-אלקאן
הלוגן $\text{X}_2$ די-אלקאן מוחלף

ישנם גם שתי תגובות חמצון עם $\text{KMnO}_4$ מחומצת:

  • קר, דלול $\text{KMnO}_4$ מוסיף שני קבוצות $\text{–OH}$ כדי לתת דיול.
  • חם, מרוכז $\text{KMnO}_4$ שובר את הקשר C=C לחלוטין, ומה שכל חצי הופך לזה מצביע בדיוק על איפה היה בעבר הקשר הכפול.

התגובה השנייה הזו שווה להסתדר בה היטב, כי זו הדרך שהמבחן שואל אותך לאתר קשר כפול במולקולה גדולה. החמצון נכתב עם $[\text{O}]$, שפירושו "אטום חמצן מהחמצן". חתוך את המולקולה ב-C=C, ואז צפה מה כל אחד משני הפחמינים נשא:

הפחמן ב-C=C נושא הוא הופך ל
שני קבוצות אלקיל ($\text{=CR}_2$) קטון, $\text{R}_2\text{C=O}$
קבוצת אלקיל אחת ו-$\text{H}$ אחת ($\text{=CHR}$) חומצה קרבוקסילית, $\text{RCOOH}$
שני מימנים ($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$ ומים

התבנית היא פשוט כמה מימנים ששם הפחמן: אפס עצור בקטון, אחד נדחק לחומצה, ושניים מחומצנים עד הסוף ל-$\text{CO}_2$.

דוגמה עבודה. נתן את התוצרים כאשר $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ מתחמם עם $\text{KMnO}_4$ מחומצת חם ומרוכז. חתוך ב-C=C וקח כל פחמן בנפרד. הפחמן שמאלי נושא שתי קבוצות מתיל וללא מימן, אז הוא עצור ב-קטון: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, שהוא פרופאנון. הפחמן ימני נושא מתיל אחד ו-H אחד, אז הוא ממשיך ל-חומצה קרבוקסילית: $\text{CH}_3\text{COOH}$, חומצה אתנויק. אז:

$$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

עכשיו עשה זאת להפך, שזו הדרך שהשאלה בדרך כלל מוגדרת. נתוני התוצרים, בנה את האלקן על ידי חיבור שני פחמיני הקרבוניל יחד כ-C=C: קטון אומר ששם הפחמן היו שתי קבוצות אלקיל, חומצה אומרת קבוצת אלקיל אחת ו-H אחד, ו-$\text{CO}_2$ אומר שהשרשרת נגמרה ב-$\text{=CH}_2$. קבלת $\text{CO}_2$ היא העדה החזקה ביותר מכולן - היא יכולה לבוא רק מקשר כפול טर्मinal.

מבחן לקשר C=C

ערבב את התרכובת עם מים ברום כתומים. אלקן מבהיר אותו (הופך אותו לצבע) באמצעות הוספה אלקטרופילית. אלקאן לא עושה זאת.

שני צינורות מבחן עם מים ברומיניים כתומים: הצינור שבו אלקן הפך לצבע חסר, והצינור שבו אלקן נותר כתום
מבחן המים הברומיניים: אלקן מדכא את המים הברומיניים הכתומים, בעוד שאלקן משאיר אותם כתומים

פולימריזציה תוספת

בפולימריזציית תוספת, מספר רב של מולקולות אלקן מתחברים לשרשרת ארוכה אחת, ללא תוצר נוסף. אתילן נותן פולי(אתילן). התוצר בעל השרשרת הארוכה הוא פולימר.

n מולקולות אתילן עם קשר כפול בצד שמאל הופכות ליחידה החוזרת בפולי(אתילן) בסוגריים בצד ימין
פולימריזציית תוספת: מספר רב של מולקולות אתילן פותחות את הקשר הכפול ומתחברות לשרשרת הארוכה של פולי(אתילן)

המנגנון וחוק מרקובניקוב

בתוספת אלקטרופילית (למשל ברומין עם אתילן), הזוג C=C העשיר באלקטרונים מושך את האלקטרופיל. זהו יוצר ביניים חיובי הנקרא קרבוקטיון, עליו תקוף בהמשך החלק השלילי.

מנגנון הוספת ברומין לאתילן: חצים מעוגלים מראים את C=C תקוף בברומין אחד, היווצרות קרבוקטיון, ולאחר מכן ברומיד תקוף אותו כדי לתת 1,2-דיברומואתילן
תוספת אלקטרופילית של ברומין לאתילן: C=C תקוף בBr$^{\delta+}$, נוצר קרבוקטיון, ולאחר מכן Br$^-$ תקוף אותו

קבוצות אלקיל דוחפות אלקטרונים לעבר פחמן חיובי — זוהי השפעה אינדוקטיבית. לכן קרבוקטיון עם יותר קבוצות אלקיל יציב יותר: טריריארי הוא יציב יותר משניוני, שהוא יציב יותר מראשוני. כאשר $\text{HBr}$ מתווסף לפרופן, נוצר הקרבוקטיון היציב יותר, ולכן מימן נוסף לפחמן שכבר יש לו יותר מימנים. דגם זה נקרא חוק מרקובניקוב.

קרבוקטיונים ראשוניים, שניוניים וטריריאריים עם חצים המראים קבוצות אלקיל דוחפות אלקטרונים לעבר הפחמן החיובי, עם עליית יציבות משמאל לימין
יציבות הקרבוקטיון עולה מראשוני לטריריארי כאשר יותר קבוצות אלקיל דוחפות אלקטרונים פנימה — זו הבסיס לחוק מרקובניקוב

דוגמה פתורה. נבא את התוצר הראשי כאשר $\text{HBr}$ מתווסף לפרופן, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. ה$\text{H}^{+}$ מתווסף תחילה, והוא נוסף בדרך שהופכת את הקרבוקטיון היציב יותר. הוספת ה$\text{H}$ לפחמן בקצה מכניסה את המטען החיובי לפחמן האמצעי, ויוצרת קרבוקטיון שניוני, שמייצב על ידי קבוצות אלקיל הדוחפות אלקטרונים משתי צדדים. הוספתו לפחמן האמצעי תשאיר קרבוקטיון ראשוני פחות יציב. יון הברומיד יתקוף לאחר מכן את הקרבוקטיון השניוני, ולכן התוצר הראשי הוא 2-ברומרופרופן. זהו חוק מרקובניקוב - אך יש להציטט את הסיבה (יציבות קרבוקטיון: טריריארי > שניוני > ראשוני), מכיוון שהחוק לבדו אינו ההסבר.

Explore · ⁨חקור⁩

Alkene addition route · ⁨דרך חיבור אלקן⁩

Follow how the C=C bond opens and new atoms add. · ⁨עקבו כיצד קשר ה-C=C נפתח ואתומים חדשים מתווספים.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ תוספת אלקטרופילית
steam/stiːm/ קיטור
hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ חומצה הידרוגנית הלוגנית
diol/dɪˈɒl/ דיאול
bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/ מים ברוםיים
addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ פולימריזציית תוסף
polymer/ˈpɒlɪmə/ פולימר
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ קרבוקטיניום
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ אפקט אינדוקטיבי
Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/ חוק מרקובניקוב
homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ סדיקה הומוגנית
heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ סדיקה הטרוגנית
ketone/ˈketəʊn/ קרבונית
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ חומצה קרבוקסילית
Watch lesson · ⁨צפה בשיעור⁩
14.2

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English
  • Alkanes: free-radical substitution needs UV light — show initiation, propagation and termination with the radical dots.
  • Alkenes: electrophilic addition via a carbocation; draw curly arrows from the $\text{C}=\text{C}$.
  • Markovnikov: H adds to the carbon with more H's, via the more stable carbocation (alkyl groups are electron-releasing).
  • Test for $\text{C}=\text{C}$: bromine water decolourises (orange → colourless) — state the observation.
עברית
  • אלקנים: החלפה ברדיקל חופשי דורשת אור UV — יש להראות יזום, הרצה והפסקה עם נקודות הרדיקל.
  • אלקנים: תוספת אלקטרופילית דרך קרבוקטיון; יש לצייר חצים מעוגלים מה$\text{C}=\text{C}$.
  • מרקובניקוב: H נוסף לפחמן עם יותר H, דרך הקרבוקטיון היציב יותר (קבוצות אלקיל הן הדוחפות אלקטרונים).
  • מבחן ל$\text{C}=\text{C}$: מים ברומיניים מדכאים (כתום → חסר צבע) - יש לציין את התצפית.

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · ⁨נושאים נוספים בA-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨היכנס או צור חשבון⁩

IGCSE, A-Level & AP