Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Hydrocarbons · ⁨ไฮโดรคาร์บอน⁩

A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩ · Topic 14 · ⁨หัวข้อ 14⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
9:54

ไฮโดรคาร์บอน

ของเหลวใสสองชนิด เป็นเพียงคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้น และมีน้ำบโรมีนสีส้มสองหลอด เขย่าของเหลวแรกลงในหลอดหนึ่ง ของเหลวที่สองลงใน…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

14.1

Alkanes · ⁨อัลเคน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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
ไทย
  1. จำปฏิกิริยา (สารตั้งต้นและสภาวะ) ที่อัลเคนสามารถผลิตได้: (a) การเติมไฮโดรเจนเข้ากับอัลkeen ในปฏิกิริยาไฮโดรเจเนชัน, $\text{H}_2\text{(g)}$ และ $\text{Pt/Ni}$ ตัวเร่งปฏิกิริยาและความร้อน (b) การแตกตัวของอัลเคนที่มีสายยาวกว่า, ความร้อนร่วมกับ $\text{Al}_2\text{O}_3$
  2. อธิบาย: (ก) การเผาไหม้สมบูรณ์และไม่สมบูรณ์ของอัลเคน (ข) การแทนที่ด้วย radikalอิสระของอัลเคนโดย $\text{Cl}_2$ หรือ $\text{Br}_2$ ในสภาวะที่มีแสงยูวี ตามตัวอย่างจากปฏิกิริยาของเอทาน
  3. อธิบายกลไก การแทนที่ด้วยรากอิสระ โดยอ้างอิงถึงขั้นตอน การเริ่มต้น, การแพร่กระจาย และ การสิ้นสุด
  4. เสนอวิธีที่ใช้การแตกตัวเพื่อรับอัลเคนและอัลkeen ที่有用กว่าที่มี $M_r$ ต่ำกว่าจากส่วนประกอบน้ำมันดิบหนัก
  5. เข้าใจความไม่ทำปฏิกิริยาโดยทั่วไปของอัลเคน รวมถึงต่อสารตั้งต้นขั้วใน terms of ความแข็งแรงของ $\text{C–H}$ พันธะและการขาดขั้วสัมพัทธ์ของพวกเขา
  6. รับรู้ผลกระทบสิ่งแวดล้อมของ คาร์บอนมอนอกไซด์, ออกไซด์ของไนโตรเจน และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เผาไหม้ arising from การเผาไหม้ของอัลเคนในเครื่องยนต์สันดาปภายในและการกำจัดด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของพวกมัน

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

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.

ไทย
เปลวไฟสีฟ้าบนเตาแก๊ส
แก๊สธรรมชาติ — ส่วนใหญ่คือเมเทน ซึ่งเป็นอัลเคนที่เรียบง่ายที่สุด —燃烧บนเตา

อัลเคน เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว (สูตรทั่วไป $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$)

การสร้างอัลเคน

  • การเติมไฮโดรเจน: เติมไฮโดรเจนเข้าไปใน อัลเคน, ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา $\text{Pt}$ หรือ $\text{Ni}$ และความร้อน
  • การแตกตัว: ทำให้อัลเคนสายยาวแตกเป็นสายสั้นๆ โดยการให้ความร้อนร่วมกับ $\text{Al}_2\text{O}_3$

การเผาไหม้

ใน การเผาไหม้ อัลเคนจะเผาไหม้ในออกซิเจน:

การเผาไหม้สมบูรณ์ให้ CO2 และน้ำ; การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ยังให้ CO และถ่านดำ *การเผาไหม้สมบูรณ์ให้ CO2 และน้ำ; การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ยังให้ CO และเขม่า

  • การเผาไหม้สมบูรณ์ (ออกซิเจนเพียงพอ) ให้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
  • การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ (ออกซิเจนไม่เพียงพอ) ให้น้ำพร้อมกับ คาร์บอนมอนออกไซด์ ที่เป็นพิษ ($\text{CO}$) และถ่านดำ (คาร์บอน)

คุณมักจะถูกถามให้ เขียนสมการที่สมดุล สมการนั้นตามลำดับที่กำหนด固定的 — คาร์บอนก่อน แล้วไฮโดรเจน และออกซิเจนหลังสุด — เพราะออกซิเจนเป็นธาตุเดียวที่เหลืออยู่เพียงด้านเดียวของสมการ:

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

คาร์บอน 6 ตัวกำหนด $6\,\text{CO}_2$; ไฮโดรเจน 14 ตัวกำหนด $7\,\text{H}_2\text{O}$; นับออกซิเจนทางด้านขวาจะได้ $12 + 7 = 19$, ดังนั้นด้านซ้ายจึงต้องการ $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. ค่า ครึ่ง ของ $\text{O}_2$ ก็ยอมรับได้ในสมการนี้ — และหากโจทย์ถามเป็นจำนวนเต็ม ให้คูณทุกค่าด้วยสอง ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

การแทนที่โดย radikal อิสระ

อัลเคนทำปฏิกิริยากับคลอรีนหรือเบรมีน bằng การแทนที่โดย radikal อิสระ ใน แสงยูวี สำหรับเอทานและคลอรีน กลไกนี้มีสามขั้นตอน:

  • การเริ่มต้น — แสงยูวีทำให้_halogen_แตกเป็น radical อิสระ สองตัว: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ การแตกแบบนี้เรียกว่า การแตกแบบโฮโมลิติก: พันธะแตก เท่าๆ กัน อิเล็กตรอนหนึ่งตัวไปแต่ละอะตอม ซึ่งนี่คือสิ่งที่ทำให้เกิด radical สองตัว (ตรงกันข้ามคือ การแตกแบบเฮเทโรลิติก ส่ง อิเล็กตรอนทั้งสอง ไปที่อะตอมเดียวและสร้างคู่ของ ไอออน — นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นในกลไกที่มีขั้ว เช่น การเพิ่มอิเล็กโทรฟิล) ผู้ตั้งข้อสอบถามคำนี้โดยตรง จึงควรใช้คำนี้
  • propagation — radicals ทำปฏิกิริยากันและสร้าง radicals ใหม่:
    $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
  • การสิ้นสุด — radical สองตัวมารวมกัน จบห่วงโซ่: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$
ขั้นตอนที่ 3 ของการแทนที่ด้วยอนุมูลอิสระ: การเริ่มต้นโดยแตกคลอรีนเป็นอนุมูล, การขยายสายโซ่, และการสิ้นสุดโดยการรวมอนุมูลเข้าด้วยกัน
การแทนที่ด้วยอนุมูลอิสระใน 3 ขั้นตอน: การเริ่มต้นสร้างอนุมูล, การขยายสายโซ่, และการสิ้นสุดปฏิกิริยา

ทำไมการแตกตัวจึงมีประโยชน์ และทำไมอัลเคนถึงไม่เกิดปฏิกิริยาง่าย

การแตกตัวเปลี่ยนส่วนประกอบหนักของ น้ำมันดิบ ให้เป็นอัลเคนและอัลคีนที่มีประโยชน์มากขึ้น และมี $M_r$ ต่ำกว่า. (A fraction คือกลุ่มโมเลกุลที่มีช่วงจุดเดือดใกล้เคียงกัน.)

อัลเคนโดยทั่วไปแล้วไม่เกิดปฏิกิริยาง่าย โดยเฉพาะต่อสารตั้งต้นที่มีขั้ว เนื่องจาก C–H และ C–C พันธะมีความแข็งแรงและมี ขั้ว น้อย จึงไม่มีประจุเพื่อดึงดูดสปีชีส์ที่โจมตีเข้ามา.

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การเผาไหม้อัลเคนในเครื่องยนต์สันดาปภายในปล่อยคาร์บอนมอนอกไซด์ ออกไซด์ของไนโตรเจน และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ไหม้หมด กาว xúcromatic ช่วยกำจัดสิ่งเหล่านี้โดยเปลี่ยนให้เป็นแก๊สที่ไม่เป็นอันตราย.

Explore · ⁨สำรวจ⁩

The tetrahedral carbon · ⁨คาร์บอนแบบสี่หน้า⁩

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°). · ⁨คาร์บอนแต่ละตัวในอัลเคนมีคู่พันธะ 4 คู่และไม่คู่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว — จะกระจายตัวออกจากกันให้ไกลที่สุดเป็นรูปทรง สี่หน้า (109.5°)⁩

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Free-radical substitution · ⁨การแทนที่แบบ radikalอิสระ⁩

Methane reacts with chlorine in UV light by a chain of radical steps. · ⁨เมทาน reacts กับคลอรีนภายใต้แสง UV ผ่านขั้นตอนของ radikalแบบต่อเนื่อง⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
alkane/ˈælkeɪn/ อัลเคน
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ hydrogenation
alkene/ˈælkiːn/ อัลคีน
cracking/ˈkrækɪŋ/ cracking
combustion/kəmˈbʌstʃn/ การเผาไหม้
complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์
incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์
carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ คาร์บอนมอนอกไซด์
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ การแทนที่แบบ radikal อิสระ
ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/ แสงยูวี
initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ การเริ่มต้น (initiation)
free radical/friː ˈrædɪkl/ free radical
propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ การ propagated (propagation)
termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ การสิ้นสุด (termination)
crude oil/kruːd ɔɪl/ น้ำมันดิบ (crude oil)
fraction/ˈfrækʃn/ fraction
polarity/pəʊˈlærɪti/ ขั้วไฟฟ้า
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ elimination
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ ฮาโลเจนอัลเคน
dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ การกำจัดน้ำ
alcohol/ˈælkəhɒl/ แอลกอฮอล์
14.2

Alkenes · ⁨อัลคีน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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)
ไทย
  1. จำปฏิกิริยา (รวมถึงสารตั้งต้นและสภาวะ) ที่อัลkeen สามารถผลิตได้: (a) การกำจัด $\text{HX}$ จากฮาโลเจนอลคาซีนโดย $\text{NaOH}$ ในเอทานอลและความร้อน (b) การdehydration ของแอลกอฮอล์, โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุ่น (เช่น $\text{Al}_2\text{O}_3$) หรือกรดเข้มข้น (เช่น集中的 $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) การแตกตัวของอัลเคนที่มีสายยาวกว่า
  2. อธิบายปฏิกิริยาต่อไปนี้ของอัลคีน: (ก) การเติมอิเล็กโทรฟิลิ克的 (i) ไฮโดรเจนในปฏิกิริยาไฮโดรเจเนชัน, $\text{H}_2\text{(g)}$ และ $\text{Pt/Ni}$ ตัวเร่งปฏิกิริยาและความร้อน (ii) ไอน้ำ, $\text{H}_2\text{O(g)}$ และ $\text{H}_3\text{PO}_4$ ตัวเร่งปฏิกิริยา (iii) ไฮโดรเจนฮาไลด์, $\text{HX(g)}$ ที่อุณหภูมิห้อง (iv) ฮาลอเจน, $\text{X}_2$ (ข) การออกซิเดชันด้วยกรดเจือจางเย็น $\text{KMnO}_4$ เพื่อสร้างไดอล (ค) การออกซิเดชันด้วยกรดเข้มข้นร้อน $\text{KMnO}_4$ นำไปสู่การแตกหักของพันธะคู่คาร์บอน–คาร์บอนและระบุผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นเพื่อหาตำแหน่งของพันธะคู่ในอัลคีนในโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น (ง) การพอลิเมอไรเซชันแบบเติม ซึ่งยกตัวอย่างจากปฏิกิริยาของเอทีนและโพรพีน
  3. อธิบายการใช้บโรมีนน้ำเพื่อแสดง presence ของพันธะ C=C
  4. อธิบายกลไก การเติมอิเล็กโทรฟิล ในอัลkeen โดยใช้บโรมีน/เอทีนและไฮโดรเจนบโรมายด์/โพรพีนเป็นตัวอย่าง
  5. อธิบายและอธิบายผลของ inductive ของหมู่アルキルต่อเสถียรภาพของ แคทไอออนปฐมภูมิ, ทุติยภูมิ และ ** tertiar** เกิดขึ้นระหว่าง addition อิเล็กโทรฟิล (นี่ควรจะถูกใช้เพื่ออธิบาย การเติม_markovnikov)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

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.

ไทย
โรงงานกลั่นน้ำมัน
การแตกตัวส่วนประกอบหนักในโรงงานผลิตอัลคีนเพื่อใช้ในพลาสติกและเชื้อเพลิง.

อัลคีน มีพันธะคู่ C=C (สูตรทั่วไป $\text{C}_n\text{H}_{2n}$) พันธะคู่เป็นหมู่ฟังก์ชัน ดังนั้นอัลคีนจึงมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง

การสังเคราะห์อัลคีน

  • การกำจัด $\text{HX}$ ออกจาก ฮาโลเจนแอลเคน โดยใช้ $\text{NaOH}$ ที่ละลายในเอทานอล พร้อมให้ความร้อน
  • การ脱水 ของ แอลกอฮอล์ โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสารตั้งต้น $\text{Al}_2\text{O}_3$ ที่ร้อน หรือกรดซัลฟิวริกเข้มข้น
  • การแตกตัวของแอลเคนที่มีโซ่คาร์บอนยาวกว่า

ปฏิกิริยาของอัลคีน

ปฏิกิริยาส่วนใหญ่คือ การเติมอิเล็กโทรฟิล ข้ามพันธะคู่:

สารตั้งต้นและเงื่อนไข ผลิตภัณฑ์
$\text{H}_2$, ตัวเร่ง $\text{Pt/Ni}$, ความร้อน แอลเคน
ไอน้ำ ($\text{H}_2\text{O}$), ตัวเร่ง $\text{H}_3\text{PO}_4$ แอลกอฮอล์
ไฮโดรเจนฮาไลด์ ($\text{HX}$), อุณหภูมิห้อง ฮาโลเจนแอลเคน
ฮาลอเจน $\text{X}_2$ แอลเคนที่แทนที่ด้วยอะตอมสองตำแหน่ง

ยังมีปฏิกิริยาออกซิเดชันอีกสองชนิดกับ $\text{KMnO}_4$ ที่มีกรดผสมอยู่ด้วย:

  • $\text{KMnO}_4$ ที่ เย็น และเจือจาง จะเติมหมู่ $\text{–OH}$ สองหมู่เพื่อเกิด ไดอล
  • $\text{KMnO}_4$ ที่ ร้อน และเข้มข้น จะทำให้พันธะ C=C แตกขาดอย่างสมบูรณ์ ซึ่งสิ่งที่แต่ละครึ่งโมเลกุลเปลี่ยนไปจะบอกตำแหน่งเดิมของพันธะคู่ได้อย่างชัดเจน

ปฏิกิริยาล่าสุดนี้ควรเรียนรู้ให้ละเอียด เพราะเป็นการทดสอบในข้อสอบเกี่ยวกับวิธี ระบุตำแหน่งพันธะคู่ในโมเลกุลขนาดใหญ่ การออกซิเดชันเขียนด้วย $[\text{O}]$ ซึ่งหมายถึง "อะตอมออกซิเจนหนึ่งจากสารออกซิไดซ์" ตัดโมเลกุลที่พันธะ C=C แล้วดูว่า คาร์บอนทั้งสองตัวเคยยึดติดกับอะไรไว้:

คาร์บอนใน C=C ยึดติดกับ จะกลายเป็น
หมู่แอลคิลสองหมู่ ($\text{=CR}_2$) คีโตน, $\text{R}_2\text{C=O}$
หมู่แอลคิลหนึ่งและ $\text{H}$ หนึ่ง ($\text{=CHR}$) กรดคาร์บ็อกซิลิก, $\text{RCOOH}$
ไฮโดรเจนสองอะตอม ($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$ และน้ำ

รูปแบบนี้คือจำนวนไฮโดรเจนที่คาร์บอนนั้นเคยมี: ไม่มีหยุดอยู่ที่คีโทน, มีหนึ่งตัวจะถูกดันไปเป็นกรด, และมีสองตัวจะถูกออกซิไดซ์จนจบ $\text{CO}_2$

ตัวอย่างวิธีทำ ระบุผลิตภัณฑ์เมื่อ $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ ถูกให้ความร้อนกับกรดเข้มข้นที่มีสารออกซิไดซ์ $\text{KMnO}_4$ ตัดที่ C=C และพิจารณาแต่ละคาร์บอนแยกกัน คาร์บอนด้าน ซ้าย มี กลุ่มเมทิลสองกลุ่ม และไม่มีไฮโดรเจน ดังนั้นจึงหยุดอยู่ที่ คีโทน: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$ ซึ่งเป็นโปรพานोन คาร์บอนด้าน ขวา มี เมทิลหนึ่งกลุ่มและ H หนึ่งตัว ดังนั้นจึงต่อไปถึง กรดคาร์บอกซิลิก: $\text{CH}_3\text{COOH}$ คือเอทานอยิกแอซิด ดังนั้น:

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

ตอนนี้ให้ทำงาน ย้อนกลับ ซึ่งเป็นวิธีการตั้งคำถามทั่วไป ให้สร้างอัลkeen จากผลิตภัณฑ์โดยการนำคาร์บอนของหมู่คาร์บอนิลกลับมาเชื่อมต่อกันเป็น C=C: คีโทนหมายความว่าคาร์บอนนั้นมี กลุ่มอัลคิลสองกลุ่ม, กรดหมายถึง อัลคิลหนึ่งกลุ่มและ H หนึ่งตัว, และ $\text{CO}_2$ หมายถึงสายโซ่ สิ้นสุด ที่ $\text{=CH}_2$ การได้มาซึ่ง $\text{CO}_2$ เป็นหลักฐานที่ชัดเจนที่สุด - มันสามารถเกิดได้จากพันธะคู่ที่ ปลายสาย เท่านั้น

การทดสอบพันธะ C=C

เขย่าสารประกอบกับน้ำ บรอมีนสีส้ม อัลkeen จะทำให้ สลายสี (เปลี่ยนเป็นสีใส) ผ่านการเพิ่มแบบอิเล็กโทรฟิลิก ส่วนอัลเคนจะไม่ทำ如此

两支装有橙色溴水的试管:含有烯烃的试管变为无色,含有烷烃的试管仍为橙色
การทดสอบด้วยน้ำบรอมีน: อัลkeen ทำให้สีส้มของน้ำบรอมีนจางลง ในขณะที่อัลเคนทำให้สีส้มคงอยู่

การพอลิเมอไรเซชันแบบเพิ่มเข้า

ใน การพอลิเมอไรเซชันแบบเพิ่มเข้า โมเลกุลอัลkeen จำนวนมากจะเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวเพียงชิ้นเดียว โดยไม่มีผลิตภัณฑ์อื่น เอทีนให้โพลี(เอทีน) ผลิตภัณฑ์ที่เป็นสายยาวนี้เรียกว่า พอลิเมอร์

n โมเลกุลของเอทีนที่มีพันธะคู่ทางซ้ายกลายเป็นหน่วยซ้ำของโพลี(เอทีน)ในวงเล็บทางขวา
การพอลิเมอไรเซชันแบบเพิ่มเข้า: เอทีนจำนวนมากเปิดพันธะคู่และเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวของโพลี(เอทีน)

กลไกและกฎของมาร์คอฟนิคอฟ

ในการเพิ่มแบบอิเล็กโทรฟิลิก (เช่น บรอมีนกับเอทีน) พันธะ C=C ที่มีอิเล็กตรอนหนาจะดึงดูดอิเล็กโทรฟิล儿 เกิดสารกลางที่มีประจุบวกเรียกว่า คาร์โบแคตไอออน ซึ่งส่วนที่มีประจุลบจะโจมตีต่อไป

กลไกของการเพิ่มบรอมีนลงในเอทีน: ลูกศรโค้งแสดงว่า C=C โจมตีบรอมีนตัวหนึ่ง, การเกิดคาร์โบแคตไอออน, แล้วเบรไมด์โจมตีเพื่อให้เกิด 1,2-ไดบรโมเอทเทน
การเพิ่มอิเล็กโทรฟิลิกของบรอมีนลงในเอทีน: C=C โจมตี Br$^{\delta+}$, เกิดคาร์โบแคตไอออน, แล้ว Br$^-$ โจมตีมัน

กลุ่มอัลคิลผลักอิเล็กตรอนเข้าสู่คาร์บอนที่มีประจุบวก - นี่คือ ผลอินดักทีฟ ดังนั้นคาร์โบแคตไอออนที่มีกลุ่มอัลคิล越多ยิ่งเสถียร: เทอร์เชียรีเสถียรกว่าSECONDARY, ซึ่งเสถียรกว่าPRIMARY เมื่อ $\text{HBr}$ เพิ่มเข้าไปในโพรพีน จะเกิดคาร์โบแคตไอออนที่เสถียรกว่า ดังนั้นไฮโดรเจนจึงเพิ่ม vào คาร์บอนที่มีไฮโดรเจนอยู่แล้วมากกว่า รูปแบบนี้เป็น กฎของมาร์คอฟนิคอฟ

คาร์โบแคตไอออนระดับ PRIMARY, SECONDARY และ TERTIARY พร้อมลูกศรแสดงว่ากลุ่มอัลคิลผลักอิเล็กตรอนเข้าสู่คาร์บอนที่มีประจุบวก, ความเสถียรเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา
ความเสถียรของคาร์โบแคทไอออนเพิ่มขึ้นจากพรีเมียร์ไปยังเทอร์เชียรี เมื่อมีหมู่แอลคิลมากขึ้นกดดันอิเล็กตรอนเข้าไป — ซึ่งเป็นพื้นฐานของกฎมาร์ควินικοฟ

ตัวอย่างการคำนวณ. ทำนายผลิตภัณฑ์หลักเมื่อ $\text{HBr}$ ทำปฏิกิริยากับโพรพีน, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. $\text{H}^{+}$ จะเข้าทำปฏิกิริยาก่อน และจะเข้าในทิศทางที่ทำให้เกิด คาร์โบแคทไอออนที่เสถียรมากขึ้น การเพิ่ม $\text{H}$ ที่ ปลาย คาร์บอนจะทำให้ประจุบวกอยู่ที่คาร์บอนตรงกลาง ให้เป็น คาร์โบแคทไอออนแบบ secondary ซึ่งถูกทำให้เสถียรโดยหมู่แอลคิลที่ปล่อยอิเล็กตรอนอยู่ สอง ด้าน การเพิ่มมันที่คาร์บอนตรงกลางจะทำให้เกิดคาร์โบแคทไอออนแบบ primary ที่ไม่เสถียรกว่า ไอออนโบรมাইด์จึงโจมตีคาร์โบแคทไอออนแบบ secondary ดังนั้นผลิตภัณฑ์หลักคือ 2-บ्रोโมโพรเพน นั่นคือกฎมาร์ควินικοฟ - แต่ให้ระบุ เหตุผล (ความเสถียรของคาร์โบแคทไอออน: เทอร์เชียรี > เซกอนดารี > พรีเมียร์) เพราะกฎเพียงอย่างเดียวไม่ใช่คำอธิบาย

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Alkene addition route · ⁨เส้นทางเติมเข้าอัลคีน⁩

Follow how the C=C bond opens and new atoms add. · ⁨ติดตามการเปิดพันธะ C=C และการเพิ่มอะตอมใหม่⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ การเติมแบบอิเล็กโทรฟิลิก
steam/stiːm/ ไอน้ำ
hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ ไฮโดรเจนฮาไลด์
diol/dɪˈɒl/ diol
bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/ น้ำเบรรม
addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ การพอลิเมอไรเซชันแบบเพิ่ม
polymer/ˈpɒlɪmə/ พอลิเมอร์
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ carbocation
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ อิทธิพลอินดักทีฟ
Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/ กฎของมาร์คอฟนิคอฟ
homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ การแตกตัวแบบโฮโมไลติก
heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ การแตกตัวแบบเฮเทโรไลติก
ketone/ˈketəʊn/ คีตอน
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ กรดคาร์บอกซิลิก
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
14.2

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

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.
ไทย
  • อัลเคน: การแทนที่ด้วย radikalอิสระต้องใช้ แสง UV — แสดงการเริ่มต้น การแพร่กระจาย และการหยุดยั้งพร้อมจุด radikal
  • อัลเคน: การเติมอิเล็กโทรฟิลผ่าน คาร์โบแคทไอออน; วาดลูกศรโค้งจาก $\text{C}=\text{C}$
  • มาร์ควินικοฟ: H เข้ากับคาร์บอนที่มี H มากกว่า ผ่าน คาร์โบแคทไอออนที่เสถียรมากขึ้น (หมู่แอลคิลเป็นหมู่ที่ปล่อยอิเล็กตรอน)
  • ทดสอบสำหรับ $\text{C}=\text{C}$: น้ำโบรมีนจางสีลง (ส้ม → ไร้สี) — ระบุผลการสังเกต

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩ · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP