두 가지 투명한 액체, 모두 오직 탄소를 포함하고 있습니다. 그리고 주황색 브롬수 용액이 담긴 두 개의 시험관입니다. 첫 번째 액체를 한试管中 shake, 두 번째를另一试管中…
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14.1
Alkanes · 알케인
Syllabus
English
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 $\text{Al}_2\text{O}_3$
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
describe the mechanism of free-radical substitution with reference to the initiation, propagation and termination steps
suggest how cracking can be used to obtain more useful alkanes and alkenes of lower $M_r$ from heavier crude oil fractions
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
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
한국어
알케인을 생성할 수 있는 반응(시약 및 조건)을 기억한다: (a) 수소화 반응에서 알케인への 수소 첨가, $\text{H}_2\text{(g)}$ 및 $\text{Pt/Ni}$ 촉매 및 열 (b) 더 긴 사슬의 알칸의 크랙링, $\text{Al}_2\text{O}_3$과 함께 가열
다음을 묘사한다: (a) 알케인의 완전 연소 및 불완전 연소 (b) 자외선 하에서 $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$에 의한 알케인의 자유 라디칼 치환(에테인의 반응 예시).
개시, 전파, 종결 단계를 참고하여 자유 라디칼 치환의 기전을 묘사한다.
더 무거운 원유 분획으로부터 더 유용한 저$M_r$ 알케인과 알켄을 얻기 위해 분해를 어떻게 활용할 수 있는지 제안한다.
$\text{C–H}$ 결합의 강도와 상대적인 극성 부재를 근거로 알케인의 일반적인 비활성성, 특히 극성 시약에 대한 비활성성을 이해한다.
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
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:
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:
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.
6개의 탄소가 $6\,\text{CO}_2$을 고정하고, 14개의 수소가 $7\,\text{H}_2\text{O}$을 고정하며, 오른쪽의 산소 수를 세면 $12 + 7 = 19$이 되므로 왼쪽은 $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$이 필요합니다. 이 반응식에서 $\text{O}_2$의 반도 완전히 허용되며, 문제가 정수를 요구한다면 모든 것을 단순히 두 배로 하십시오 ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).
자유 라디칼 치환
알케인은 염소 또는 브롬과 자유 라디칼 치환 반응을 일으키며, 자외선 아래에서 이루어집니다. 에탄과 염소의 경우 메커니즘은 세 단계로 구성됩니다:
시작 — 자외선이 할로젠을 두 개의 자유 라디칼로 분열: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$
이类型的 분리는 동형裂解: 결합이 균등하게 분리되어 각 원자에 하나씩 전자가 Going, 이것이 두 개의 라디칼을 만드는 이유입니다. (반대인 이형裂解는 양쪽 전자를 하나의 원자로 보내 이온 쌍을 만듭니다 — 이는 친전자성 첨가와 같은 극성 메커니즘에서 일어나는 현상입니다.) 시험관은 이 용어를 이름으로 묻는 경우가 있으므로 반드시 사용하십시오.
종결 — 두 라디칼이 결합하여 사슬이 끝남: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$
자유 라디칼 치환은 세 단계로 이루어집니다: 초기화가 라디칼을 생성하고, 전파가 사슬을 전달하며, 종결이 이를 멈춥니다.
크래킹이 유용한 이유와 알카নের 비활성성
크래킹은 원유의 무거운 fractions를 더 유용하고 낮은-$M_r$ 알케인과 알kanes로 전환합니다. (fraction은 유사한 끓는점 범위를 가진 분자의 집합입니다.)
알카인은 일반적으로 비활성이며, 특히 극성 시약에 대해 그렇습니다. 이는 C–H 및 C–C 결합이 강하고 극성이 적어 공격하는 종을 끌어당길 전하가 없기 때문입니다.
환경 영향
내연 기관에서 알카인을 연소하면 일산화탄소, 질소 산化物 및 미연소 탄화수소가 배출됩니다. 촉매 변환기는 이를 무해한 기체로 전환하여 제거합니다.
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The tetrahedral carbon · 사면체 탄소(tetrahedral carbon)
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°). · 알케인의 각 탄소는 네 개의 결합쌍과 비공유전자쌍이 없으며, 가능한 한 멀리 떨어져 사면체(tetrahedron) 형태로 배치되어 109.5°의 결합각을 가짐.
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
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
describe the use of aqueous bromine to show the presence of a C=C bond
describe the mechanism of electrophilic addition in alkenes, using bromine/ethene and hydrogen bromide/propene as examples
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)
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
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:
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:
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.
한국어
정제소에서 무거운 fraction을 크래킹하여 플라스틱과 연료용 알켄을 생산합니다.
알켄은 C=C 이중 결합을 가집니다 (일반식 $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). 이중 결합이 기능기이므로 알켄은 반응성이 높습니다.
알켄 제조
할로젠알칸으로부터 $\text{HX}$의 탈출, 에탄올에 용해된 $\text{NaOH}$과 열을 사용하여.
알코올의 탈수, 뜨거운 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 촉매 또는 농황산을 사용하여.
차갑고 희석된$\text{KMnO}_4$은 두 개의 $\text{–OH}$ 기를 추가하여 다이올을 만듭니다.
뜨겁고 농축된$\text{KMnO}_4$은 C=C 결합을 완전히 끊으며, 각 부분이 어떻게 변하는지를 통해 이중 결합이Previously 있었던 위치를 정확히 알 수 있습니다.
두 번째 반응은 시험에서 큰 분자 내의 이중 결합 위치를 특정하는 방식으로 출제되므로 잘 학습할 가치가 있습니다. 산화는 $[\text{O}]$로 표기되며, 이는 "산화제로부터 산소 원자"를 의미합니다. 분자를 C=C에서 자른 후 각 탄소 원자가 originally 가지고 있던 것을 확인하세요:
C=C 탄소가 가져온 것
转变为
두 개의 알킬 그룹($\text{=CR}_2$)
케톤, $\text{R}_2\text{C=O}$
하나의 알킬과 하나의 $\text{H}$($\text{=CHR}$)
카복실산, $\text{RCOOH}$
두 개의 수소($\text{=CH}_2$)
$\text{CO}_2$과 물
이 패턴은 단순히 해당 탄소에 있던 수소의 개수에 불과합니다: 수소가 없으면 케톤에서 멈추고, 하나 있으면 카복실산으로oxidized되며, 두 개이면 모두 $\text{CO}_2$까지 산화됩니다.
풀이 예제.$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$을 뜨겁고 농축된 산화된 $\text{KMnO}_4$과 함께 가열했을 때의 생성물을 구하십시오. C=C에서 자르고 각 탄소 원자를 개별적으로 고려합니다. 왼쪽 탄소 원자는 두 메틸 그룹과 수소 원자가 없으므로 케톤에서 멈춥니다: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, 즉 프로판온. 오른쪽 탄소 원자는 하나의 메틸과 하나의 H를 가지고 있으므로 카복실산으로延伸됩니다: $\text{CH}_3\text{COOH}$, 아세트산. 따라서:
이제 반대로 진행하여, 이것이 보통 문제 설정 방식입니다. 생성물이 주어졌을 때, 두 카보닐 탄소 원자를 다시 C=C로 합쳐 알켄을 재구성합니다: 케톤은 해당 탄소가 두 개의 알킬 그룹을 가졌음을, 카복실산은 하나의 알킬과 하나의 H를 가졌음을 의미하며, $\text{CO}_2$은 사슬이 $\text{=CH}_2$에서 끝났음을 의미합니다. $\text{CO}_2$를 얻는 것이 가장 강력한 단서입니다 - 이는 오직 말단 이중 결합에서 유래할 수 있습니다.
C=C 결합 검증
-compound를 오렌지색 브롬수와 흔들어 섞으십시오. 알켄은 전자공여 첨가 반응을 통해 이를 무색화시킵니다(무색으로 변함). 알카인은这样做하지 않습니다.
브롬수 테스트: 알켄은 오렌지 브롬수를 무색화시키지만, 알카인은 오렌지색을 유지함
첨가 중합
첨가 중합에서 많은 알켄 분자들이 다른 생성물 없이 하나의 긴 사슬로 결합합니다. 에텐은 폴리에테인을 만듭니다. 긴 사슬 생성물은 폴리머입니다.
첨가 중합: 많은 에텐 분자가 이중 결합을 열고 폴리에테인의 긴 사슬로 결합함
기전과 마르코프니코프 규칙
전자공여 첨가(예: 에텐에 브롬 첨가)에서 전자풍부한 C=C는 전자공여체를 끌어당깁니다. 이로 양이온 중간체인 카르본양이온이 형성되고, 이후 음이온 부분이 이를 공격합니다.
에텐에 브롬의 전자공여 첨가: C=C가 Br$^{\delta+}$을 공격하고, 카르본양이온이 형성된 후 Br$^-$이 이를 공격함
알킬 그룹은 양이온 탄소를 향해 전자를 밀어내는 경향이 있으며, 이를 유도 효과라고 합니다. 따라서 알킬 그룹이 더 많은 카르본양이온이 더 안정적입니다: 삼차(tertiary)가 이차(secondary)보다 안정적이고, 이차가 일차(primary)보다 안정적입니다. $\text{HBr}$이 프로필렌에 첨가될 때, 더 안정적인 카르본양이온이 형성되므로 수소는 이미 더 많은 수소를 가진 탄소에 첨가됩니다. 이 패턴을 마르코프니코프 규칙이라고 합니다.
알킬 기가 더 많은 것을 밀어 넣음에 따라 primary에서 tertiary로 갈수록 카ربocation 안정성이 증가하는데, 이것이 Markovnikov 규칙의 근거입니다
작업 예제.$\text{HBr}$이 프로펜 $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$에 첨가될 때 주생성물을 예측하십시오. $\text{H}^{+}$이 먼저 첨가되며, 이는 더 안정적인 카ربocation을 만드는 방향으로 첨가됩니다. $\text{H}$을 끝 탄소에 첨가하면 양전하가 중간 탄소에 위치하여 secondary 카ربocation을 만들게 되는데, 이는 두 쪽의 전자 방출성 알킬 기에 의해 안정화됩니다.中間탄소에 첨가하면 덜 안정적인 primary 카ربocation이 남습니다. 그 후 브로마이드 이온이 secondary 카ربocation을 공격하므로 주생성물은 2-브로모프로판입니다. 이것이 Markovnikov 규칙이지만, 규칙 자체만 인용해서는 안 되며 이유(카ربocation 안정성: tertiary > secondary > primary)를 명시해야 합니다. 규칙만으로는 설명이 되기 때문입니다.