פרק 2. פחמימנים (hydrocarbons)

2.1. פחמימנים רוויים (alkanes)

פחמימנים הם התרכובות האורגניות הפשוטות ביותר, המורכבות משני יסודות: פחמן ומימן. פחמימנים רוויים, או אלקאנים (alkanes), הם תרכובות שהרכבן מתואר בנוסחה הכללית CₙH₂ₙ₊₂, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן. במולקולות הפחמימנים הרוויים אטומי הפחמן מחוברים ביניהם בקשר יחיד (פשוט), וכל שאר הערכיות רוויות באטומי מימן. אלקאנים מכונים גם פחמימנים רוויים, או פרפינים (paraffins) (מלטינית — “בעלי זיקוּת מעטה”).

החבר הראשון בטור ההומולוגי של האלקאנים הוא מתאן (methane) CH₄. הסיומת ‎-אן אופיינית לשמות הפחמימנים הרוויים. לאחריו: אתאן (ethane) C₂H₆, פרופאן (propane) C₃H₈, בוטאן (butane) C₄H₁₀. החל מהפחמימן החמישי נבנה השם מהמספר היווני המציין את מספר אטומי הפחמן במולקולה, בתוספת הסיומת ‎-אן: פנטאן (pentane) C₅H₁₂, הקסאן (hexane) C₆H₁₄, הפטאן (heptane) C₇H₁₆, אוקטאן (octane) C₈H₁₈, נונאן (nonane) C₉H₂₀, דקאן (decane) C₁₀H₂₂ וכן הלאה.

בטור ההומולוגי נצפה שינוי הדרגתי בתכונות הפיזיקליות של הפחמימנים: טמפרטורות הרתיחה וההיתוך עולות, והצפיפות גדלה. בתנאים רגילים (כ־22°C) ארבעת החברים הראשונים בטור (מתאן, אתאן, פרופאן, בוטאן) הם גזים, מ־C₅H₁₂ עד C₁₆H₃₄ — נוזלים, ומ־C₁₇H₃₆ ואילך — מוצקים.

לאלקאנים, החל מהחבר הרביעי בטור (בוטאן), יש איזומרים (ראו 1.3).

כל האלקאנים רוויים במימן עד למקסימום. אטומי הפחמן שלהם נמצאים במצב היברידיזציה (hybridization) מסוג sp³, ולכן הקשרים שלהם הם קשרים יחידים (פשוטים).

2.2. נומנקלטורה (nomenclature) של אלקאנים ונגזרותיהם

שמותיהם של עשרת החברים הראשונים בטור הפחמימנים הרוויים כבר ניתנו לעיל. כדי להדגיש כי לאלקאן שרשרת פחמן בלתי־מסתעפת, נהוג להוסיף לשם את הקידומת n- (נורמלי), למשל: n-בוטאן, n-הפטאן.

בהוצאת אטום מימן ממולקולת אלקאן נוצרים חלקיקים חד־ערכיים הקרויים רדיקלים (radicals) פחמימניים (מסומנים בקיצור באות R). שמות הרדיקלים החד־ערכיים נגזרים משמות הפחמימנים המקבילים, בהחלפת הסיומת ‎-אן בסיומת ‎-יל.

פחמימן	רדיקל
מתאן CH₄	מתיל (methyl) CH₃—
אתאן C₂H₆	אתיל (ethyl) C₂H₅—
פרופאן C₃H₈	פרופיל (propyl) C₃H₇—
בוטאן C₄H₁₀	בוטיל (butyl) C₄H₉—
פנטאן C₅H₁₂	פנטיל (amyl), pentyl C₅H₁₁—
הקסאן C₆H₁₄	הקסיל (hexyl) C₆H₁₃—
הפטאן C₇H₁₆	הפטיל (heptyl) C₇H₁₅—
אוקטאן C₈H₁₈	אוקטיל (octyl) C₈H₁₇—
נונאן C₉H₂₀	נוניל (nonyl) C₉H₁₉—
דקאן C₁₀H₂₂	דציל (decyl) C₁₀H₂₁—

רדיקלים נוצרים לא רק מתרכובות אורגניות, אלא גם מאי־אורגניות. כך, למשל, אם מוציאים מחומצה חנקתית קבוצה הידרוקסילית —OH, מתקבל רדיקל חד־ערכי —NO₂, הקרוי קבוצת ניטרו (nitro group), וכן הלאה.

בהוצאת שני אטומי מימן ממולקולת פחמימן מתקבלים רדיקלים דו־ערכיים. שמם אף הוא נגזר משמות הפחמימנים הרוויים המקבילים, בהחלפת הסיומת ‎-אן בסיומת ‎-ילידן (אם שני אטומי המימן הוצאו מאותו אטום פחמן) או ‎-ילן (אם הוצאו משני אטומי פחמן שכנים). הרדיקל CH₂= נקרא מתילן (methylene).

שמות הרדיקלים משמשים בנומנקלטורה של נגזרות רבות של פחמימנים. למשל: CH₃I — יודומתאן (iodomethane), C₄H₉Cl — כלורובוטאן (chlorobutane), CH₂Cl₂ — דיכלורומתאן (dichloromethane).

לשמות איזומרים נהוג להשתמש בשתי שיטות נומנקלטורה: הישנה — הרציונלית (rational nomenclature), וזו המקובלת כיום — הנומנקלטורה ההחלופית (substitutive nomenclature), המכונה גם הנומנקלטורה השיטתית או הבין־לאומית (הנקבעת על ידי האיחוד הבין־לאומי לכימיה טהורה ויישומית, International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC).

בנומנקלטורה הרציונלית מתייחסים לפחמימנים כאל נגזרות של מתאן, שבו אטום מימן אחד או יותר הוחלפו ברדיקלים. אם באותה נוסחה חוזר אותו רדיקל מספר פעמים, מציינים זאת במספר יווני: דִי — שתיים, טְרִי — שלוש, טֶטְרָה — ארבע, פֶּנְטָה — חמש, הֶקְסָה — שש וכן הלאה. נוסחה זו נוחה עבור תרכובות שאינן מורכבות במיוחד, אך בשימוש כיום רק לצרכים היסטוריים.

בנומנקלטורה ההחלופית (הנומנקלטורה התקנית של IUPAC) הבסיס לשם הוא שרשרת הפחמן הארוכה ביותר, וכל שאר חלקי המולקולה נחשבים לתחליפים (substituents). בוחרים את שרשרת אטומי הפחמן הארוכה ביותר, וממספרים אותה כך שהתחליפים יקבלו את המספרים (הלוקנטים) הנמוכים ביותר. אם יש בנוסחה כמה תחליפים זהים, מציינים זאת במספר בכתיב מלא (דִי־, טְרִי־, טֶטְרָה־ וכו’) לפני שמם, ומפרידים בין מספרי המיקום בפסיקים. שמות התחליפים מסודרים על פי סדר אלפביתי. חשוב: על פי כללי IUPAC העדכניים, מספר המיקום (הלוקנט) נכתב צמוד ישירות לחלק בשם שאליו הוא מתייחס.

איזומרים של הקסאן על פי הנומנקלטורה ההחלופית:

n-הקסאן: CH₃—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—CH₃
2-מתילפנטאן
3-מתילפנטאן
2,3-דימתילבוטאן
2,2-דימתילבוטאן

דוגמה מורכבת יותר: 3-איזופרופיל-2,5-דימתיל-5-אתילהפטאן (שם היסטורי מהמקור המקורי; על פי כללי IUPAC העדכניים — כולל כלל המרווחים בין תחליפים באותיות שונות וסדר האלפבית — יש לרשום: 5-אתיל-3-איזופרופיל-2,5-דימתילהפטאן).

הן הנומנקלטורה ההחלופית והן הרציונלית משמשות לא רק עבור פחמימנים, אלא גם עבור מחלקות אחרות של תרכובות אורגניות. עבור תרכובות מסוימות משתמשים בשמות מסורתיים (אמפיריים), הקרויים גם שמות טריוויאליים (חומצה פורמית, אתר גופרתי, אוריאה ועוד).

בכתיבת נוסחאות איזומרים קל לשים לב שאטומי הפחמן תופסים בהם מיקומים שונים. אטום פחמן המחובר לאטום פחמן אחד בלבד בשרשרת נקרא ראשוני (primary), המחובר לשניים — שניוני (secondary), המחובר לשלושה — שלישוני (tertiary), והמחובר לארבעה — רביעוני (quaternary). תכונות אטומי המימן, אטומים אחרים וקבוצות פונקציונליות תלויות באיזה אטום פחמן הם מחוברים: ראשוני, שניוני או שלישוני. יש לקחת זאת בחשבון תמיד.

2.3. תכונות כימיות של מתאן והומולוגיו

לחברי הטור ההומולוגי של האלקאנים תכונות כימיות משותפות. אלו חומרים בעלי רֵאקטיביות נמוכה. את כל התגובות בהשתתפותם ניתן לחלק לשני סוגים: תגובות עם ניתוק קשרי C—H (למשל, תגובות תחלופה) ותגובות עם ניתוק קשרי C—C, שבהן מתפצלת המולקולה לשברים נפרדים (קרקינג, cracking).

רדיקלים מתקיימים חלקיקי שנייה זעירים בלבד, ורֵאקטיביים מאוד ברגע היווצרותם. כך, הם מגיבים בקלות זה עם זה, ומהאלקטרונים הבלתי מזווגים נוצר קשר קוולנטי חדש:

$H \cdot + \cdot H \to H : H$

הם מגיבים בקלות גם עם מולקולות של חומרים אורגניים, מתחברים אליהן או חוטפים מהן אטום בעל אלקטרון בלתי מזווג. כתוצאה מכך נוצרים רדיקלים חדשים, שיכולים להגיב עם מולקולות נוספות. דוגמה לכך היא פולימריזציה רדיקלית של תרכובות בלתי רוויות:

$R \cdot + C H_{2} = C H_{2} \to R - C H_{2} - C H_{2} \cdot$ $R - C H_{2} - C H_{2} \cdot + C H_{2} = C H_{2} \to R - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} \cdot$

בתגובת שרשרת כזו נוצרות מקרומולקולות (ראו 2.7), שגדילתן נמשכת עד שהשרשרת נקטעת, למשל עם התחברות שני רדיקלים.

תגובות של רדיקלים חופשיים מסבירות תהליכים כימיים חשובים רבים — חמצון, פיצוצים, פולימריזציה של תרכובות בלתי רוויות, קרקינג של נפט ועוד.

תכונותיהם הכימיות של האלקאנים נבחנות ביתר פירוט על דוגמת המתאן.

מבנה המולקולה ותכונות המתאן. אטום הפחמן במולקולת המתאן נמצא במצב היברידיזציה sp³. כתוצאה מחפיפה בין ארבעת האורביטלים ההיברידיים של אטום הפחמן לבין אורביטלי s של אטומי המימן נוצרת מולקולת מתאן חזקה למדי.

מתאן הוא גז חסר צבע וריח, קל יותר מאוויר, מעט מסיס במים. פחמימנים רוויים מסוגלים לבעור, ותוצריהם הם פחמן דו־חמצני ומים. מתאן בוער בלהבה כחלחלה חיוורת:

$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$

בתערובת עם אוויר (או עם חמצן, במיוחד ביחס נפחי של 1:2, כפי שעולה מהמשוואה) מתאן יוצר תערובות נפיצות. לכן הוא מסוכן הן בבית (דליפת גז מברזים) והן במכרות. בשריפה חלקית של מתאן נוצר פיח — כך מפיקים אותו בתעשייה. בנוכחות זרזים, בחמצון מתאן, מתקבלים כוהל מתילי (methanol) ופורמלדהיד (formaldehyde) (ראו 3.2 ו־3.6).

בחימום חזק מתפרק מתאן על פי המשוואה:

$C H_{4} \to C + 2 H_{2}$

בכבשנים בעלי מבנה מיוחד ניתן להוביל את פירוק המתאן עד לתוצר ביניים — אצטילן (acetylene):

$2 C H_{4} \to C_{2} H_{2} + 3 H_{2}$

עלות ייצור אצטילן בדרך זו נמוכה כמעט פי שניים מזו של אצטילן המופק מקרביד סידן.

בקונברסיה של מתאן עם קיטור מים מתקבל מימן (ראו 8.2).

עבור מתאן אופייניות תגובות תחלופה (substitution reactions). לאור, בטמפרטורה רגילה, הלוגנים — כלור וברום — מחליפים בהדרגה (בשלבים) את המימן ממולקולת המתאן, ונוצרות תרכובות הלוגניות. אטומי הכלור מחליפים אטומי מימן בשרשרת, ונוצרת תערובת של תרכובות שונות: CH₃Cl — כלורומתאן, CH₂Cl₂ — דיכלורומתאן, CHCl₃ — טריכלורומתאן (chloroform), CCl₄ — טטרהכלורומתאן (carbon tetrachloride). מתערובת זו ניתן להפריד כל תרכובת בנפרד. לכלורופורם ולטטרהכלורומתאן חשיבות רבה כממיסים לשרפים, שומנים, גומי וחומרים אורגניים נוספים.

היווצרות נגזרות ההלוגן של מתאן מתרחשת במנגנון רדיקלים חופשיים בתגובת שרשרת. תחת פעולת אור מתפרקות מולקולות הכלור לרדיקלים אי־אורגניים:

$C l_{2} \to 2 C l \cdot$

הרדיקל האי־אורגני ‎·Cl חוטף ממולקולת המתאן אטום מימן עם אלקטרון בודד, ונוצרים HCl ורדיקל חופשי ‎·CH₃:

$C H_{4} + C l \cdot \to \cdot C H_{3} + H C l$

הרדיקל החופשי מגיב עם מולקולת כלור Cl₂, ונוצרים תרכובת הלוגנית ורדיקל כלור:

$\cdot C H_{3} + C l_{2} \to C H_{3} C l + C l \cdot$

רדיקל הכלור ממשיך את שרשרת ההפיכות וכן הלאה.

מתאן בטמפרטורה רגילה בעל עמידות רבה לחומצות, בסיסים וחומרי חמצון רבים. עם זאת, הוא נכנס לתגובה עם חומצה חנקתית (תגובת קונובלוב, Konovalov reaction, על שם הכימאי הרוסי מ”י קונובלוב, שגילה תגובת ניטור זו לפחמימנים רוויים):

$C H_{4} + H N O_{3} \to C H_{3} N O_{2} + H_{2} O$

(ניטרומתאן, nitromethane)

מתאן אינו מסוגל לתגובות תוספת, מכיוון שבמולקולתו כל הערכיות רוויות.

תגובות התחלופה שתוארו מלוות בניתוק קשרי C—H. עם זאת, ידועים תהליכים שבהם מתרחש לא רק ניתוק קשרי C—H, אלא גם ניתוק שרשרת אטומי הפחמן (אצל הומולוגים של מתאן). תגובות אלו מתרחשות בטמפרטורות גבוהות ובנוכחות זרזים. למשל:

$C_{4} H_{10} \to C_{4} H_{8} + H_{2} (dehydrogenation)$ $C_{4} H_{10} \to C_{2} H_{6} + C_{2} H_{4} (cracking)$

בחמצון פחמימנים רוויים מתקבלות חומצות: חומצה אצטית (acetic acid) מבוטאן (ראו 3.12) וחומצות שומן במסה מולקולרית גבוהה מפרפין (ראו 3.15).

הכנת אלקאנים. מתאן נפוץ מאוד בטבע. הוא המרכיב העיקרי של גזים דליקים רבים, הן טבעיים (90–98%) והן מלאכותיים, המשתחררים בזיקוק יבש של עץ, כבול וכמן, וכן בקרקינג של נפט. גזים טבעיים, ובעיקר גזים נלווים משדות נפט, מכילים לצד מתאן גם אתאן, פרופאן, בוטאן ופנטאן.

מתאן משתחרר מקרקעית ביצות ומשכבות פחמן במכרות, שם הוא נוצר בפירוק איטי של שאריות צמחים ללא גישת אוויר. לכן מתאן מכונה לעיתים גז ביצות או גז מכרות.

בתנאי מעבדה מתאן מתקבל בחימום תערובת של אצטט נתרן עם הידרוקסיד נתרן:

$C H_{3} C O O N a + N a O H t N a_{2} C O_{3} + C H_{4} ↑$

או באמצעות תגובת קרביד אלומיניום עם מים:

$A l_{4} C_{3} + 12 H_{2} O \to 4 A l (O H)_{3} + 3 C H_{4} ↑$

בדרך האחרונה מתקבל מתאן טהור למדי.

ניתן להכין מתאן מחומרים פשוטים בחימום בנוכחות זרז:

$C + 2 H_{2} N i C H_{4}$

וכן בסינתזה מבוססת גז מים:

$C O + 3 H_{2} N i C H_{4} + H_{2} O$

לשיטה זו חשיבות תעשייתית, אולם בפועל משתמשים בדרך כלל במתאן ממקורות טבעיים או מגזים המתקבלים בקוקסון פחם וזיקוק נפט.

הומולוגים של מתאן, כמוהו, מתקבלים בתנאי מעבדה בקלצינציה (calcination) של מלחי החומצות האורגניות המקבילות עם בסיסים. דרך נוספת היא תגובת וורץ (Wurtz reaction), כלומר חימום נגזרות הלוגניות בודדות עם נתרן מתכתי, למשל:

$C_{2} H_{5} B r + 2 N a + B r C_{2} H_{5} \to C_{2} H_{5} - C_{2} H_{5} + 2 N a B r$

בתעשייה, לצורך הכנת בנזין סינתטי (תערובת פחמימנים המכילים 6–10 אטומי פחמן), משתמשים בסינתזה מפחמן חד־חמצני ומימן בנוכחות זרז (תרכובות קובלט) ולחץ מוגבר:

$n C O + (2 n + 1) H_{2} 200° C C_{n} H_{2 n + 2} + n H_{2} O$

שימושי אלקאנים. הודות ליכולת ההסקה הגבוהה, מתאן נצרך בכמויות גדולות כדלק (בבית — כ”גז ביתי”, ובתעשייה). מהחומרים המופקים ממנו נעשה שימוש נרחב: מימן, אצטילן, פיח. הוא משמש חומר גלם להכנת פורמלדהיד, כוהל מתילי, וכן מוצרים סינתטיים שונים.

חשיבות תעשייתית רבה יש לחמצון פחמימנים רוויים גבוהים — פרפינים בעלי 20–25 אטומי פחמן. בדרך זו מתקבלות חומצות שומן סינתטיות באורכי שרשרת שונים, המשמשות לייצור סבונים, חומרי ניקוי שונים, חומרי סיכה, לכות ואמייל.

פחמימנים נוזליים משמשים כדלק (הם מרכיבים את הבנזין והנפט הלבן). אלקאנים נמצאים בשימוש נרחב בסינתזה אורגנית.

2.4. ציקלואלקאנים (cycloalkanes)

מלבד פחמימנים רוויים בעלי שרשרת פתוחה, קיימים פחמימנים רוויים בעלי שרשרת סגורה (ציקלית). יש להם כמה שמות: ציקלואלקאנים, ציקלופרפינים (cycloparaffins), נפתנים (naphthenes), ציקלנים (cyclanes), פולימתילנים (polymethylenes). דוגמאות: ציקלופרופאן (cyclopropane), ציקלופנטאן (cyclopentane), מתילציקלופנטאן (methylcyclopentane).

מולקולות הציקלואלקאנים מכילות שני אטומי מימן פחות מהאלקאנים המקבילים (בגלל שחרור שני אטומי מימן בעת סגירת טבעת הפחמן). לכן הנוסחה הכללית של הציקלואלקאנים היא CₙH₂ₙ. ציקלואלקאנים בודדו לראשונה מנפט ונחקרו ביסודיות. בתכונותיהם הכימיים הם קרובים לאלקאנים: דליקים, בעלי רֵאקטיביות נמוכה, אטומי המימן שלהם מוחלפים בהלוגנים. ציקלואלקאנים בני שלוש וארבע טבעות פחות יציבים מאלה בני חמש ושש. מבין תכונותיהם הכימיות של הציקלואלקאנים נציין תגובה חשובה מאוד — דהידרוגנציה של ציקלוהקסאן (הוצאת מימן) והיווצרות בנזן (ראו 2.12):

$C_{6} H_{12} 300° C N i C_{6} H_{6} + 3 H_{2}$

ציקלואלקאנים והומולוגיהם משתייכים לתרכובות הקרבוציקליות (carbocyclic).

2.5. פחמימנים בלתי־רוויים (unsaturated hydrocarbons)

בלתי־רוויים נקראים פחמימנים שבמולקולותיהם קיימים אטומי פחמן המחוברים ביניהם בקשר כפול או קשר משולש. הם מכונים גם פחמימנים בלתי־רוויים, שכן מולקולותיהם מכילות מספר קטן יותר של אטומי מימן בהשוואה לרוויים.

הנציגים הראשונים של הטורים ההומולוגיים של הפחמימנים הבלתי־רוויים הם אתן (ethene) (בעל קשר כפול) CH₂=CH₂ ואצטילן (בעל קשר משולש) HC≡CH.

הקשר הכפול מורכב מקשר σ אחד וקשר π אחד. במהותו, קשר π שונה מאוד מקשר σ — הוא חלש יותר, בשל חפיפת ענני האלקטרונים מחוץ למישור המולקולה. אף על פי שהקשר הכפול מסומן בשני קווים זהים, יש תמיד לזכור שאינם שווי ערך. הקשר המשולש מורכב מקשר σ אחד ושני קשרי π. זהו הגורם לכמה מתכונותיו הייחודיות של האצטילן והומולוגיו. קשרים מרובים (כפולים ומשולשים) נשברים ביתר קלות (בהשוואה לקשרים יחידים) בעת אינטראקציה כימית.

טורים הומולוגיים של פחמימנים בלתי־רוויים. תרכובות הטור ההומולוגי של האתן מתוארות בנוסחה הכללית CₙH₂ₙ. שמות ההומולוגים על פי הנומנקלטורה הרציונלית נגזרים משמות הפחמימנים הרוויים המקבילים, בהחלפת הסיומת ‎-אן בסיומת ‎-ילן. למשל: אתאן C₂H₆ — אתילן (ethylene) C₂H₄, פרופאן C₃H₈ — פרופילן (propylene) C₃H₆ וכן הלאה. בנומנקלטורה ההחלופית העדכנית (IUPAC) שמות הפחמימנים האתניים נגזרים משמות הפחמימנים הרוויים, בהחלפת הסיומת ‎-אן בסיומת ‎-ן (מציינת קשר כפול), עם ציון מספר אטום הפחמן שבו נמצא הקשר הכפול, כשהמספר צמוד ישירות לסיומת: אתן CH₂=CH₂, פרופן (propene) CH₂=CH—CH₃, בוט-1-ן CH₂=CH—CH₂—CH₃, בוט-2-ן CH₃—CH=CH—CH₃, 2-מתילפרופ-1-ן CH₂=C(CH₃)—CH₃.

השם הבין־לאומי הכללי לפחמימנים אתניים הוא אלקנים (alkenes). פחמימנים בלתי־רוויים מטור האתן, המכילים קשר כפול אחד, נקראים אולפינים (olefins).

הרדיקל של האתן CH₂=CH—, הנקרא ויניל (vinyl), הוא חלק ממספר מולקולות. למשל: כלוריד ויניל (vinyl chloride) CH₂=CH—Cl, דיוויניל (בוטה-1,3-דיאן, buta-1,3-diene) CH₂=CH—CH=CH₂, איזופרן (isoprene) (2-מתילבוטה-1,3-דיאן) CH₂=C(CH₃)—CH=CH₂, כלורופרן (chloroprene) CH₂=C(Cl)—CH=CH₂.

הטור ההומולוגי של האצטילן מתואר בנוסחה CₙH₂ₙ₋₂. את ההומולוגים רואים כנגזרות של אצטילן, וקוראים להם מתילאצטילן (methylacetylene, C₃H₄), אתילאצטילן (ethylacetylene, C₄H₆) וכן הלאה.

שמות הפחמימנים האצטיליניים על פי הנומנקלטורה ההחלופית נגזרים משמות הפחמימנים הרוויים, בהחלפת הסיומת ‎-אן בסיומת ‎-ין, עם ציון מספר אטום הפחמן שבו נמצא הקשר המשולש. למשל: אתין HC≡CH, פרופין HC≡C—CH₃, בוט-1-ין HC≡C—CH₂—CH₃, בוט-2-ין CH₃—C≡C—CH₃, 4-מתילפנט-1-ין.

השם הבין־לאומי הכללי לפחמימנים אצטיליניים על פי הנומנקלטורה ההחלופית הוא אלקינים (alkynes).

2.6. אתן (ethene) והומולוגיו

תכונות. אתן — החבר הראשון בטור ההומולוגי — גז חסר צבע בעל ריח מתקתק חלש מאוד, קל מעט מאוויר, מעט מסיס במים.

בתכונותיו הכימיות אתן שונה בתכלית ממתאן, בשל מבנהו האלקטרוני של המולקולה. בהיות במולקולתו קשר כפול, המורכב מקשרי σ ו־π, מסוגל האתן לצרף שני אטומים או רדיקלים חד־ערכיים בזכות ניתוק קשר ה־π.

יכולת התגובה בתוספת אופיינית לכל האלקנים. נבחן את הנפוצות שבהן.

1. תוספת מימן. התגובה מתרחשת בנוכחות זרז — ניקל, פלטינה או פלדיום מפוררים דק — בטמפרטורת החדר:

$C H_{2} = C H_{2} + H_{2} P t C H_{3} - C H_{3}$

תוספת מימן לחומר נקראת תגובת הידרוגנציה (hydrogenation). בהידרוגנציה מומרים אולפינים לפחמימנים רוויים.

2. תוספת הלוגנים. התגובה מתרחשת בתנאים רגילים:

$C H_{2} = C H_{2} + C l_{2} \to C H_{2} C l - C H_{2} C l (1,2-dichloroethane)$ $C H_{2} = C H_{2} + B r_{2} \to C H_{2} B r - C H_{2} B r (1,2-dibromoethane)$

תגובת תוספת ברום משמשת תגובה איכותית לזיהוי פחמימנים בלתי־רוויים. על נוכחותם ניתן ללמוד מהיעלמות הצבע האדמדם־חום של מי ברום.

3. תוספת הלוגני מימן, למשל:

$C H_{2} = C H_{2} + H C l \to C H_{3} - C H_{2} C l$

ניתן להסיק בקלות כי נגזרות הלוגניות של פחמימנים, למשל כלוראתאן CH₃—CH₂Cl, ניתן להכין בשתי דרכים: הן בתוספת הלוגן מימן לאתן, והן בתחלופת מימן באתאן בהלוגן.

תוספת הלוגני מימן להומולוגים של אתן מתרחשת לפי כלל מרקובניקוב (Markovnikov’s rule): אטום המימן מתחבר לאטום הפחמן ההידרוגן מרבי (העשיר יותר במימן), ואטום ההלוגן — לאטום הפחמן ההידרוגן מיעוט. למשל:

$C H_{3} - C H = C H_{2} + H B r \to C H_{3} - C H B r - C H_{3}$

4. תוספת מים (תגובת הידרטציה, hydration). התגובה מתרחשת בנוכחות זרז — חומצה גופרתית:

$C H_{2} = C H_{2} + H_{2} O H_{2} S O_{4} C H_{3} - C H_{2} O H$

זוהי המשוואה הכוללת. למעשה מתרחשת התגובה בשני שלבים. תחילה מצטרפת החומצה הגופרתית לאתן במקום ניתוק הקשר הכפול, ונוצרת חומצה אתיל־גופרתית:

$C H_{2} = C H_{2} + H - O - S O_{2} - O H \to C H_{3} - C H_{2} - O - S O_{2} - O H$

לאחר מכן החומצה האתיל־גופרתית מגיבה עם מים, ונוצרים כוהל וחומצה:

$C H_{3} - C H_{2} - O - S O_{2} - O H + H - O H \to C H_{3} - C H_{2} O H + H O - S O_{2} - O H$

כיום נעשה שימוש בתגובת תוספת המים לאתן בנוכחות זרזים מוצקים לצורך ייצור תעשייתי של אתנול מפחמימנים בלתי־רוויים הכלולים בגזי קרקינג של נפט (גזים נלווים), וכן בגזי קוקס.

תכונה כימית חשובה של אתן והומולוגיו היא יכולתם לעבור חמצון בקלות כבר בטמפרטורה רגילה. בכך מתחמצנים שני אטומי הפחמן המחוברים בקשר הכפול. אם מעבירים אתן דרך תמיסה מימית של אשלגן פרמנגנט KMnO₄, הצבע הסגול האופייני נעלם, ומתרחש חמצון האתן על ידי אשלגן פרמנגנט:

$3 C H_{2} = C H_{2} + 2 K M n O_{4} + 4 H_{2} O \to 3 H O C H_{2} - C H_{2} O H + 2 M n O_{2} + 2 K O H$

(אתילן גליקול, ethylene glycol)

תגובה זו משמשת לקביעת אי־רוויה של חומר אורגני — כלומר, לגילוי נוכחות של קשרים כפולים או משולשים בו.

אתן בוער בלהבה מוארת, ונוצרים פחמן דו־חמצני ומים:

$C_{2} H_{4} + 3 O_{2} \to 2 C O_{2} + 2 H_{2} O$

עבור אתן, כמו עבור כל הפחמימנים הבלתי־רוויים, אופייניות תגובות פולימריזציה (ראו 2.7).

הכנה. בתנאי מעבדה מקבלים אתן בחימום אתנול עם חומרים מוציאי מים (חומצה גופרתית מרוכזת, תחמוצת זרחן (V) ועוד):

$C_{2} H_{5} O H H_{2} S O_{4} חימום C H_{2} = C H_{2} + H_{2} O$

זהו תהליך הפוך להכנת כוהל מאתן. תחילה מגיב הכוהל עם חומצה גופרתית, ונוצרת חומצה אתיל־גופרתית ומים, ולאחר מכן, בטמפרטורה של 180–200°C, מתפרקת החומצה האתיל־גופרתית לחומצה גופרתית ואתן.

אולפינים מתקבלים גם בחימום נגזרות הלוגניות עם תמיסה כוהלית מרוכזת של בסיס:

$C H_{2} B r - C H_{2} B r + 2 K O H חימום C H_{2} = C H_{2} + 2 K B r + 2 H_{2} O$

בתנאים תעשייתיים מבודדים אתן והומולוגיו מגזי קרקינג של נפט. דרך חשובה מאוד להכנתם היא דהידרוגנציה של הפחמימנים הרוויים המקבילים מעל זרז ניקל:

$C H_{3} - C H_{3} N i C H_{2} = C H_{2} + H_{2}$ $C H_{3} - C H_{2} - C H_{3} N i C H_{3} - C H = C H_{2} + H_{2}$

שימושים. אתן משמש להכנת אתנול ופוליאתילן. הוא מזרז את הבשלת פירות (עגבניות, פירות הדר ועוד) בהחדרתו בכמות קטנה לאוויר חממות. אתן והומולוגיו משמשים חומר גלם כימי לסינתזה של חומרים אורגניים רבים.

2.7. תגובת פולימריזציה (polymerization). פוליאתילן (polyethylene)

פולימריזציה היא חיבור רציף של מולקולות זהות למולקולות גדולות יותר.

תגובות פולימריזציה אופייניות במיוחד לתרכובות בלתי רוויות. כך, למשל, מאתן נוצר חומר בעל מסה מולקולרית גבוהה — פוליאתילן. חיבור מולקולות האתן מתרחש במקום ניתוק הקשר הכפול:

$n C H_{2} = C H_{2} \to (- C H_{2} - C H_{2} -)_{n}$

לקצוות מולקולות אלה (המקרומולקולות) מצטרפים אטומים או רדיקלים חופשיים כלשהם (למשל, אטומי מימן). תוצר תגובת הפולימריזציה נקרא פולימר (polymer) (מיוונית — “רב חלקים”), והחומר המקורי המשתתף בתגובת הפולימריזציה נקרא מונומר (monomer).

פולימר הוא חומר בעל מסה מולקולרית גבוהה מאוד, שמולקולתו מורכבת ממספר רב של יחידות חוזרות בעלות מבנה זהה. יחידות אלה מכונות יחידות מבנה או יחידות מונומריות. למשל, יחידת המבנה של פוליאתילן היא קבוצת האטומים —CH₂—CH₂—.

מספר יחידות המבנה החוזרות במקרומולקולה נקרא דרגת הפולימריזציה (degree of polymerization) (מסומנת n). בהתאם לדרגת הפולימריזציה, ניתן להפיק מאותם מונומרים חומרים בעלי תכונות שונות. כך, פוליאתילן בעל שרשראות קצרות (n = 20) הוא נוזל בעל תכונות סיכה. פוליאתילן בעל שרשרת באורך 1500–2000 יחידות הוא חומר פלסטי מוצק אך גמיש, שממנו ניתן להכין סרטים, לייצר בקבוקים וכלים אחרים, צינורות אלסטיים וכו’. ולבסוף, פוליאתילן בעל שרשרת באורך 5000–6000 יחידות הוא חומר קשיח, שממנו ניתן להכין מוצרים יצוקים, צינורות קשיחים, חוטים חזקים.

אם בתגובת הפולימריזציה משתתף מספר קטן של מולקולות, נוצרים חומרים בעלי מסה מולקולרית נמוכה, כגון דימרים, טרימרים וכן הלאה. תנאי התרחשות תגובות הפולימריזציה משתנים מאוד. במקרים מסוימים דרושים זרזים ולחץ גבוה. אך הגורם העיקרי הוא מבנה מולקולת המונומר. לתגובת הפולימריזציה נכנסות תרכובות בלתי־רוויות (בלתי־מרוּות) בזכות ניתוק קשרים מרובים.

נוסחאות המבנה של פולימרים נכתבות בקיצור כך: נוסחת יחידת המבנה מוקפת בסוגריים, ומצד ימין למטה מסמנים את האות n. למשל, נוסחת המבנה של פוליאתילן היא (—CH₂—CH₂—)ₙ. שם הפולימר מורכב משם המונומר עם הקידומת פולי־, למשל: פוליאתילן, פוליוויניל כלוריד, פוליסטירן וכן הלאה.

באמצעות תגובות פולימריזציה מתקבלים חומרים סינתטיים בעלי מסה מולקולרית גבוהה, למשל פוליאתילן, פוליטטרהפלואורואתילן (polytetrafluoroethylene, טפלון — Teflon), פוליסטירן, גומי סינתטי ועוד. לחומרים אלה חשיבות כלכלית עצומה.

פוליוויניל כלוריד (polyvinyl chloride, PVC) — תוצר פולימריזציה של כלוריד ויניל (וינילכלוריד) CH₂=CHCl. נוסחת המבנה: (—CH₂—CHCl—)ₙ. לפולימר זה תכונות רבות ערך: אינו דליק, עמיד בפני חומרים כימיים, ניתן לצביעה בקלות. מפלסטיק על בסיסו מייצרים ניירות שעם, מעילי גשם, תיקים, עור מלאכותי לנעליים ועוד. נמצא בשימוש נרחב לבידוד חוטים וכבלים.

טפלון (Teflon) — תוצר פולימריזציה של טטרהפלואורואתילן (tetrafluoroethylene):

$n C F_{2} = C F_{2} \to (- C F_{2} - C F_{2} -)_{n}$

זהו החומר האורגני האינרטי ביותר (רק אשלגן ונתרן מותכים משפיעים עליו). בעל יציבות גבוהה לקור ולחום.

פוליסטירן (polystyrene) — חומר מוצק, שקוף וגמיש. מתקבל בפולימריזציה של סטירן (ראו 2.11). נוסחת המבנה: (—CH₂—CH(C₆H₅)—)ₙ. פוליסטירן נמצא בשימוש נרחב כדיאלקטריק (dielectric) באלקטרוטכניקה וברדיוטכניקה. משמש לייצור צינורות עמידים לחומצה, כלי אריזה, וכן מוצרים ביתיים — מסרקים, צעצועים ועוד. ממנו מכינים פלסטיק נקבובי קל — קלקר (פוליסטירן מוקצף, expanded polystyrene).

לצד תגובות פולימריזציה, נעשה שימוש נרחב בתגובות פוליקונדנסציה (polycondensation) (ראו 3.8) לצורך הכנת תרכובות בעלות מסה מולקולרית גבוהה.

2.8. אצטילן (acetylene) והומולוגיו

תכונות. אצטילן — החבר הראשון בטור ההומולוגי של הפחמימנים האצטיליניים — גז חסר צבע, קל מאוויר, מעט מסיס במים. אטומי הפחמן שלו, המחוברים בקשר משולש, נמצאים במצב היברידיזציה sp. למולקולת האצטילן מבנה לינארי, ואטומי הפחמן שבה מחוברים בקשר σ אחד ושני קשרי π, כאשר קשרי ה־π ממוקמים בשני מישורים המאונכים זה לזה.

בתכונותיו הכימיות אצטילן דומה מאוד לאתן. אופייניות לו תגובות תוספת, חמצון ופולימריזציה.

תגובות תוספת מתרחשות בדומה לתגובות המקבילות של האולפינים. הן מתרחשות בשני שלבים: תחילה מתרחשת תוספת במקום קשר π אחד, ונוצרות נגזרות אולפינים, ולאחר מכן במקום קשר ה־π השני, ונוצרות נגזרות אלקאנים.

1. תוספת מימן מתרחשת בחימום בנוכחות זרז ניקל. התגובה מתרחשת בשני שלבים: תחילה נוצר אתן, ולאחר מכן אתאן:

$H C \equiv C H + H_{2} N i Δ C H_{2} = C H_{2}$ $C H_{2} = C H_{2} + H_{2} N i Δ C H_{3} - C H_{3}$

2. תוספת הלוגנים מתרחשת בקלות רבה (גם היא בשני שלבים):

$H C \equiv C H + B r_{2} \to C H B r = C H B r$ $C H B r = C H B r + B r_{2} \to C H B r_{2} - C H B r_{2}$

מי הברום מאבדים את צבעם בתגובה זו. אובדן צבע מי הברום משמש תגובה איכותית לזיהוי אצטילן, כמו גם עבור כל הפחמימנים הבלתי־רוויים.

3. תוספת הלוגני מימן. חשיבות רבה יש לתגובת תוספת כלור מימן:

$H C \equiv C H + H C l \to C H_{2} = C H C l$

התוצר המתקבל — כלוריד ויניל (וינילכלוריד) — דומה לאתן ומתפלמר בקלות, ולכן נמצא בשימוש נרחב בייצור שרפי פוליוויניל כלוריד. תוספת הלוגני מימן להומולוגים של אצטילן מתרחשת בהתאם לכלל מרקובניקוב:

$C H_{3} - C \equiv C H H B r C H_{3} - C (B r) = C H_{2} H B r C H_{3} - C B r_{2} - C H_{3}$

4. תוספת מים מתרחשת בנוכחות מלחי כספית (II) — H₂SO₄, ‏Hg(NO₃)₂ — ומתקבל אצטלדהיד (acetaldehyde) (בתנאים רגילים אצטילן אינו מגיב עם מים):

$H C \equiv C H + H_{2} O H g^{2 +} Δ [C H_{2} = C H - O H] \to C H_{3} - C H O$

(כוהל וינילי → אצטלדהיד)

תוצר הביניים הוא כוהל בלתי־רווי. כוהלים שבהם קבוצת ה־OH נמצאת על אטום פחמן בעל קשר כפול (אנולים, enols) אינם יציבים; מימן הקבוצה ההידרוקסילית עובר לאטום הפחמן השכן, ובתהליך איזומריזציה (isomerization) (שינוי ספונטני של המבנה) נוצרת תרכובת יציבה — אלדהיד. תגובה זו קרויה תגובת קוצ’רוב (Kucherov reaction), על שם הכימאי הרוסי מ”ג קוצ’רוב, שגילה אותה ב־1881. בעזרת תגובה זו מכינים בתעשייה אצטלדהיד מאצטילן, וממנו בחיזור — אתנול, ובחמצון — חומצה אצטית.

אצטילן רגיש מאוד לחומרי חמצון. בהעברתו דרך תמיסת אשלגן פרמנגנט הוא מתחמצן בקלות, ותמיסת ה־KMnO₄ מאבדת את צבעה:

$H C \equiv C H [O] H O O C - C O O H (oxalic acid)$

אובדן צבע הפרמנגנט יכול לשמש תגובה איכותית לזיהוי קשר משולש.

תחת השפעת הקשר המשולש, המימן במולקולת האצטילן הופך נייד מאוד ומסוגל להתחלף במתכות. כך, אם מעבירים אצטילן דרך תמיסות של מלחי כסף או נחושת (I), נוצרים אצטילנידים (acetylides) — נגזרות מתכתיות של אצטילן:

$H C \equiv C H + 2 A g O H \to A g C \equiv C A g + 2 H_{2} O$ $H C \equiv C H + 2 C u O H \to C u C \equiv C C u + 2 H_{2} O$

אצטילנידים של כסף ונחושת מתפוצצים ממכה בהיותם יבשים. לעומת זאת, קרביד הסידן, שאף הוא נחשב אצטילניד, עמיד מאוד למכה, ולכן נמצא בשימוש נרחב להכנת אצטילן.

אצטילן בוער באוויר בלהבה מפיחה מאוד, ובחמצן — בלהבה לבנה מסנוורת, תוך שחרור כמות גדולה של אנרגיה תרמית. בעת שריפת אצטילן בתערובת עם חמצן מגיעה הטמפרטורה עד ל־3500°C. תערובות אצטילן עם אוויר וחמצן נפיצות מאוד (מתפוצצות מניצוץ).

הכנה. בתעשייה ובמעבדה מכינים אצטילן מקרביד סידן, על ידי תגובתו עם מים:

$C a C_{2} + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + C_{2} H_{2}$

בכמויות גדולות מכינים אותו ממתאן:

$2 C H_{4} \to H C \equiv C H + 3 H_{2}$

שימושים. אצטילן משמש חומר גלם התחלתי לסינתזות כימיות תעשייתיות רבות. ממנו מכינים חומצה אצטית, גומי סינתטי, שרפי פוליוויניל כלוריד. טטרהכלוראתאן (tetrachloroethane) CHCl₂—CHCl₂ — תוצר תוספת כלור לאצטילן — משמש ממיס טוב לשומנים ולחומרים אורגניים רבים, ומה שחשוב מאוד — בטוח מבחינת שרֵפה. אצטילן משמש בריתוך אוטוגני (autogenous welding) של מתכות.

2.9. פחמימנים דיאניים (dienes)

פחמימנים המכילים בשרשרת הפחמן שני קשרים כפולים נקראים דיאנים (dienes). הרכבם מתואר בנוסחה הכללית CₙH₂ₙ₋₂. הם איזומרים של הפחמימנים האצטיליניים.

שמות הפחמימנים הדיאניים נגזרים מהפחמימנים הרוויים, כשהאות האחרונה מוחלפת בסיומת ‎-דיאן. המספרים מציינים את מיקום הקשרים הכפולים בשרשרת. למשל: בוטה-1,3-דיאן (דיוויניל) CH₂=CH—CH=CH₂, 2-מתילבוטה-1,3-דיאן (איזופרן) CH₂=C(CH₃)—CH=CH₂.

השם הבין־לאומי הכללי לפחמימנים דיאניים הוא אלקדיאנים (alkadienes). עבור אלקדיאנים אפשרית איזומריה של שרשרת הפחמן ושל מיקום הקשרים הכפולים.

שימוש נרחב יש לאלקדיאנים שבמולקולותיהם הקשרים הכפולים מופרדים בקשר יחיד — דיוויניל (בוטה-1,3-דיאן, גז המתנזל בקלות) ואיזופרן (2-מתילבוטה-1,3-דיאן, נוזל בעל טמפרטורת רתיחה נמוכה).

בתכונותיהם הכימיות דומים בוטדיאן ואיזופרן לפחמימנים בלתי־רוויים — אופייניות להם תגובות תוספת. בדרך כלל התוספת מתרחשת בקצוות מולקולות דיאנים אלה. כך, בתגובה עם ברום מתנתקים הקשרים הכפולים, לאטומי הפחמן הקיצוניים מצטרפים אטומי ברום, והערכיות הפנויות יוצרות קשר כפול — כלומר, כתוצאה מהתוספת מתרחשת תזוזת הקשר הכפול:

$C H_{2} = C H - C H = C H_{2} + B r_{2} \to C H_{2} B r - C H = C H - C H_{2} B r$

בעודף ברום ניתן לצרף מולקולה נוספת של ברום במקום הקשר הכפול שנותר.

בוטדיאן ניתן להכנה בהעברת אדי אתנול מעל זרז מתאים. הדרך התעשייתית המבטיחה ביותר להכנת בוטדיאן היא דהידרוגנציה קטליטית של בוטאן, הכלול בגזי עיבוד נפט ובגזים נלווים:

$C H_{3} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{3} \to C H_{2} = C H - C H = C H_{2} + 2 H_{2}$

בדהידרוגנציה קטליטית של איזופנטאן (2-מתילבוטאן) מתקבל איזופרן:

$C H_{3} - C H (C H_{3}) - C H_{2} - C H_{3} \to C H_{2} = C (C H_{3}) - C H = C H_{2} + 2 H_{2}$

בוטדיאן ואיזופרן מתפלמרים בקלות, וכן משתתפים בקו־פולימריזציה — כלומר, מתפלמרים יחד עם תרכובות בלתי־רוויות אחרות, ומהם נוצר גומי.

2.10. גומי (rubber) טבעי וסינתטי

גומי (קאוצ’וק, caoutchouc/rubber) הם חומרים אלסטיים, שמהם, בשיטת ולקניזציה (vulcanization) (חימום עם גופרית), מכינים גומי מעובד (רֶזינה, vulcanized rubber). מגומי מייצרים צמיגים ופנימיות לגלגלי מטוסים, מכוניות ואופניים. הם משמשים לבידוד חשמלי, ולייצור מוצרים תעשייתיים ורפואיים.

גומי טבעי, בהרכבו הכימי, הוא פחמימן בלתי־רווי בעל מסה מולקולרית גבוהה בהרכב (C₅H₈)ₙ, כאשר n נע בין 1000 ל־3000. גומי טבעי הוא פולימר של איזופרן (פוליאיזופרן, polyisoprene). הוא מופק ממיץ החלב של צמחי גומי, בעיקר מעץ ההוואה הברזילאית.

גומי סינתטי הוכן לראשונה בקנה מידה תעשייתי בשנת 1932 בברית המועצות, בשיטתו של הכימאי הרוסי ס”ו לבדב (Sergei Lebedev). הוא מתקבל בפולימריזציה של דיוויניל. תהליך הפולימריזציה, המתרחש בנוכחות זרז (נתרן מתכתי), ניתן לתאר בתרשים:

$n C H_{2} = C H - C H = C H_{2} \to (- C H_{2} - C H = C H - C H_{2} -)_{n}$

(בוטה-1,3-דיאן → גומי סינתטי, פוליבוטדיאן)

חומר הגלם להכנת גומי סינתטי בשיטת לבדב הוא אתנול. כיום מפותחת גם הכנת בוטדיאן מבוטאן בדרך של דהידרוגנציה קטליטית.

עם זאת, הגומי הבוטדייני נחות מהטבעי הן ביכולת האלסטיות והן בעמידותו לשחיקה. כיום ידוע ייצור גומי איזופרני בעל מבנה סטראורגולרי (stereoregular) (שבו קבוצות המתיל מסודרות בסדר מוגדר בקפדנות), הדומה במבנהו לגומי הטבעי. הוכן גם גומי בוטדייני בעל מבנה סטראורגולרי — הידוע כגומי דיוויניל. גומי בעלי מבנה סטראורגולרי — האיזופרני והדיוויניל — קרובים בתכונותיהם לגומי הטבעי, והדיוויניל אף עולה עליו בעמידות לשחיקה.

לשיפור איכותם, גומי טבעי וסינתטי מעובדים לרזינה. רזינה היא גומי לאחר ולקניזציה. מהות הוולקניזציה היא בכך שאטומי גופרית מצטרפים למולקולות הגומי הליניאריות (חוטיות) במקום הקשרים הכפולים, וכביכול “תופרים” את המולקולות זו לזו. כתוצאה מכך, הגומי הדביק והלא־חזק הופך לגומי אלסטי וחזק. רזינה חזקה יותר מגומי, ועמידה יותר לשינויי טמפרטורה.

2.11. פחמימנים ארומטיים (aromatic hydrocarbons, ארֵנים — arenes)

ארומטיות נקראות תרכובות שבמולקולתן קיימת קבוצת אטומים ציקלית בעלת אופי קשר מיוחד — טבעת הבנזן. השם הבין־לאומי לפחמימנים ארומטיים הוא ארֵנים (arenes).

הנציג הפשוט ביותר של הארֵנים הוא בנזן (benzene) C₆H₆. הנוסחה המשקפת את מבנה מולקולת הבנזן הוצעה לראשונה על ידי הכימאי הגרמני פרידריך קֶקוּלֶה (Friedrich Kekulé, 1865).

אטומי הפחמן במולקולת הבנזן יוצרים משושה שטוח וסדיר, אף שנהוג לרשמו כמאורך.

מבנה מולקולת הבנזן אושר סופית באמצעות תגובת היווצרותו מאצטילן (ראו 2.12). בנוסחת המבנה מסמנים לסירוגין שלושה קשרים יחידים ושלושה קשרים כפולים בין אטומי פחמן־פחמן. אולם ייצוג זה אינו מבטא את המבנה האמיתי של המולקולה. למעשה, קשרי הפחמן־פחמן בבנזן שווי ערך, ותכונותיהם אינן דומות לא לקשר יחיד ולא לקשר כפול. תכונות אלה מוסברות במבנה האלקטרוני של מולקולת הבנזן.

מבנה אלקטרוני של בנזן. כל אטום פחמן במולקולת הבנזן נמצא במצב היברידיזציה sp². הוא מחובר לשני אטומי הפחמן השכנים ולאטום מימן בשלושה קשרי σ. כתוצאה מכך נוצר משושה שטוח, שבו כל ששת אטומי הפחמן וכל קשרי ה־σ (C—C ו־C—H) נמצאים באותו מישור. ענן האלקטרון של האלקטרון הרביעי (אלקטרון p), שאינו משתתף בהיברידיזציה, בעל צורת גֶּנֶּל ומכוון בניצב למישור טבעת הבנזן. ענני p אלה של אטומי הפחמן השכנים חופפים מעל ומתחת למישור הטבעת. כתוצאה מכך, ששת אלקטרוני ה־p יוצרים ענן אלקטרוני משותף וקשר כימי אחיד לכל אטומי הפחמן. שני אזורי צפיפות אלקטרונית גבוהה ממוקמים משני צידי מישור קשרי ה־σ.

ענן האלקטרונים π מביא לצמצום המרחק בין אטומי הפחמן. במולקולת הבנזן המרחקים זהים ושווים ל־0.14 nm. במקרה של קשר יחיד וקשר כפול היו מרחקים אלה 0.154 ו־0.134 nm בהתאמה. כלומר, במולקולת הבנזן אין קשרים יחידים או כפולים “רגילים”. מולקולת הבנזן היא טבעת שישית יציבה של קבוצות CH זהות, הנמצאות באותו מישור. כל הקשרים בין אטומי הפחמן בבנזן שווי ערך, ומכאן נובעות התכונות האופייניות לטבעת הבנזן. הייצוג המדויק ביותר לכך הוא נוסחת המבנה של הבנזן כמשושה סדיר עם מעגל בתוכו (המעגל מסמל את שוויון הערך של הקשרים בין אטומי הפחמן). עם זאת, בשימוש נפוץ גם נוסחת קקולה, המציגה קשרים כפולים לסירוגין.

הטור ההומולוגי של הבנזן מתואר בנוסחה הכללית CₙH₂ₙ₋₆. את ההומולוגים ניתן לראות כנגזרות של בנזן, שבו אטום מימן אחד או יותר הוחלפו ברדיקלים פחמימניים שונים. למשל, C₆H₅—CH₃ — מתילבנזן (טולואן, toluene), C₆H₄(CH₃)₂ — דימתילבנזן (קסילן, xylene), C₆H₅—C₂H₅ — אתילבנזן (ethylbenzene) וכן הלאה.

מכיוון שבבנזן כל אטומי הפחמן שווי ערך, להומולוג הראשון שלו — הטולואן — אין איזומרים. להומולוג השני — דימתילבנזן — יש שלושה איזומרים, הנבדלים במיקום ההדדי של קבוצות המתיל (התחליפים). זהו אורתו- (ortho-) (בקיצור o-), או האיזומר 1,2-, שבו התחליפים נמצאים על אטומי פחמן שכנים. אם התחליפים מופרדים באטום פחמן אחד, זהו מטא- (meta-) (בקיצור m-), או האיזומר 1,3-, ואם הם מופרדים בשני אטומי פחמן, זהו פארא- (para-) (בקיצור p-), או האיזומר 1,4-.

o-דימתילבנזן (אורתו-קסילן, 1,2-דימתילבנזן)
m-דימתילבנזן (מטא-קסילן, 1,3-דימתילבנזן)
p-דימתילבנזן (פארא-קסילן, 1,4-דימתילבנזן)

סטירן (styrene). בהחלפת אטום מימן אחד במולקולת הבנזן ברדיקל ויניל נוצר ויניל בנזן, או סטירן: C₆H₅—CH=CH₂.

סטירן הוא נוזל חסר צבע בעל ריח נעים, קל מים, רותח ב־145°C. שומר על תכונות הפחמימנים הבלתי־רוויים: מאבד את צבע מי הברום ותמיסת אשלגן פרמנגנט (בזכות הקשר הכפול ברדיקל הוויניל).

סטירן מתפלמר בקלות רבה, ונוצר פוליסטירן (2.7). חשובה במיוחד יכולתו לקו־פולימריזציה עם בוטדיאן, שממנה מתקבלים סוגים שונים של גומי בוטדיין־סטירן (עמידים לחום ולקור, עמידים לשחיקה, אלסטיים מאוד, עמידים לשמנים). מהם מייצרים צמיגים, רצועות למסועים ולדרגנועים, סוליות מיקרונקבוביות ועוד.

2.12. בנזן (benzene) והומולוגיו

תכונות. בנזן הוא נוזל חסר צבע, נדיף, דליק, בעל ריח אופייני. כמעט בלתי מסיס במים. בוער בלהבה מפיחה מאוד. אדי בנזן עם אוויר יוצרים תערובת נפיצה. בנזן נוזלי ואדיו רעילים.

בתנאים רגילים, רוב הפחמימנים הארומטיים הם אף הם נוזלים חסרי צבע, בלתי מסיסים במים, בעלי ריח אופייני.

בתכונותיהם הכימיות נבדלים בנזן ופחמימנים ארומטיים אחרים מהפחמימנים הרוויים והבלתי־רוויים. האופייניות ביותר עבורם הן תגובות תחלופה של אטומי המימן בטבעת הבנזן. הן מתרחשות בקלות רבה יותר מאשר בפחמימנים רוויים. בדרך זו מתקבלות תרכובות אורגניות רבות. כך, בתגובת בנזן עם ברום (בנוכחות זרז FeBr₃) מוחלף אטום מימן באטום ברום:

$C_{6} H_{6} + B r_{2} F e B r_{3} C_{6} H_{5} B r + H B r (bromobenzene)$

ברומובנזן הוא נוזל חסר צבע, בלתי מסיס במים.

בנוכחות זרז אחר ניתן להחליף את כל אטומי המימן בבנזן בהלוגן. זה קורה, למשל, בהעברת כלור לתוך בנזן בנוכחות כלוריד אלומיניום:

$C_{6} H_{6} + 6 C l_{2} A l C l_{3} C_{6} C l_{6} + 6 H C l (hexachlorobenzene)$

הקסכלורובנזן הוא חומר גבישי חסר צבע, המשמש להדברת זרעים ולשימור עץ.

אם משפיעים על בנזן בתערובת של חומצות חנקתית וגופרתית מרוכזות (תערובת מנטרת, nitrating mixture), מוחלף אטום מימן בקבוצת ניטרו —NO₂. זוהי תגובת ניטור (nitration) הבנזן:

$C_{6} H_{6} + H N O_{3} H_{2} S O_{4} C_{6} H_{5} N O_{2} + H_{2} O (nitrobenzene)$

ניטרובנזן הוא נוזל שמנוני צהוב־בהיר בעל ריח שקדים מרים, בלתי מסיס במים, משמש כממיס וכן להכנת אנילין (aniline).

במולקולת הבנזן ניתן להחליף אטום מימן ברדיקל אלקילי בפעולת נגזרות הלוגניות של פחמימנים בנוכחות כלוריד אלומיניום:

$C_{6} H_{6} + C_{2} H_{5} C l A l C l_{3} C_{6} H_{5} - C_{2} H_{5} + H C l (ethylbenzene)$

תגובות תוספת לבנזן מתרחשות בקושי רב. להתרחשותן נדרשים תנאים מיוחדים: העלאת טמפרטורה ולחץ, בחירת זרז, הארה ועוד. כך, בנוכחות זרז — ניקל או פלטינה — עובר הבנזן הידרוגנציה, כלומר מצרף מימן, ונוצר ציקלוהקסאן (cyclohexane):

$C_{6} H_{6} + 3 H_{2} N i Δ C_{6} H_{12} (cyclohexane)$

ציקלוהקסאן הוא נוזל נדיף חסר צבע בעל ריח בנזין, בלתי מסיס במים. תחת קרינה על־סגולה מצרף הבנזן כלור:

$C_{6} H_{6} + 3 C l_{2} \to C_{6} H_{6} C l_{6} (הקסכלורוציקלוהקסאן, hexachlorocyclohexane)$

הקסכלורוציקלוהקסאן, המכונה גם הקסכלורן (lindane), הוא חומר גבישי המשמש חומר הדברה חזק לחרקים. בנזן אינו מצרף הלוגני מימן או מים. הוא עמיד מאוד לחומרי חמצון. בשונה מהפחמימנים הבלתי־רוויים, הוא אינו מאבד את צבע מי הברום או תמיסת KMnO₄. בתנאים רגילים טבעת הבנזן אינה נהרסת גם בפעולת חומרי חמצון רבים אחרים. עם זאת, הומולוגי הבנזן עוברים חמצון בקלות רבה יותר מהפחמימנים הרוויים. בתהליך זה מתחמצנים רק הרדיקלים המחוברים לטבעת הבנזן:

$C_{6} H_{5} - C H_{3} K M n O_{4} Δ C_{6} H_{5} - C O O H (benzoic acid)$

אם כן, פחמימנים ארומטיים מסוגלים להיכנס הן לתגובות תחלופה והן לתגובות תוספת, אולם תנאי ההתרחשות שונים במידה ניכרת מאלה של פחמימנים רוויים ובלתי־רוויים דומים.

הכנה. בנזן והומולוגיו מופקים בכמויות גדולות מנפט ומזפת פחם, המתקבלת בזיקוק יבש של פחם אבן (קוקסון, coking). הזיקוק היבש מתבצע במפעלי קוקסוכימיה וגז.

תגובת המרת ציקלוהקסאן לבנזן (דהידרוגנציה) מתרחשת בהעברתו מעל זרז (שחור פלטינה) בטמפרטורה של 300°C (ראו 2.4). פחמימנים רוויים ניתנים אף הם להמרה לפחמימנים ארומטיים בתגובת דהידרוגנציה, למשל:

$C H_{3} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{3} C r_{2} O_{3} C_{6} H_{6} + 4 H_{2}$

תגובות דהידרוגנציה מאפשרות שימוש בפחמימני נפט לצורך הכנת פחמימנים מטור הבנזן. הן מצביעות על הקשר בין קבוצות שונות של פחמימנים ועל האפשרות להמיר אותם זה בזה.

דרך נוספת להכנת בנזן היא ציקלוטרימריזציה (cyclotrimerization) של אצטילן — העברתו מעל פחם פעיל מחומם ל־600°C, שבה שלוש מולקולות אצטילן מתחברות ליצירת מולקולת בנזן אחת.

שימושים. בנזן והומולוגיו משמשים חומר גלם כימי לייצור תרופות, פלסטיק, צבעים, חומרי הדברה וחומרים אורגניים רבים נוספים. נמצאים בשימוש נרחב כממיסים. בנזן כתוסף משפר את איכות דלק המנועים.

2.13. נפט (petroleum, crude oil) ועיבודו

נפט הוא נוזל שמנוני בצבע חום כהה עד כמעט שחור, בעל ריח אופייני. הוא קל ממים (צפיפות 0.73–0.97 g/cm³), כמעט בלתי מסיס במים.

בהרכבו, נפט הוא תערובת מורכבת של פחמימנים במסות מולקולריות שונות, בעיקר נוזליים (בהם מומסים פחמימנים מוצקים וגזיים). בדרך כלל אלה פחמימנים פרפיניים, ציקלואלקאניים וארומטיים, כאשר היחס ביניהם משתנה מאוד בין שדות נפט שונים בעולם — למשל, נפט מסוים עשיר יותר בציקלואלקאנים (בעלי טבעות חמישיות ושישיות), אחר עשיר יותר בפרפינים, ואחר עשיר יותר בפחמימנים ארומטיים. מלבד פחמימנים, נפט מכיל תרכובות אורגניות המכילות חמצן, גופרית וחנקן.

נפט גולמי אינו נמצא בדרך כלל בשימוש ישיר. כדי להפיק ממנו מוצרים בעלי ערך טכני, מעבדים אותו.

עיבוד ראשוני של נפט מורכב מזיקוקו. הזיקוק מתבצע בבתי זיקוק, לאחר הפרדת הגזים הנלווים. בזיקוק הנפט מתקבלים מוצרי נפט בהירים: בנזין (gasoline) (טמפ’ רתיחה 40–150/200°C), נפט לבן (ligroin, 120–240°C), קרוסין (kerosene, 150–300°C), גזואיל — שמן דיזל (gas oil, מעל 300°C), ובשארית — נוזל שחור צמיג — מזוט (fuel oil). המזוט מעובד הלאה. הוא מזוקק בלחץ מוקטן (כדי למנוע פירוק) ומופקים ממנו שמני סיכה שונים. מכמה סוגי מזוט מפיקים וזלין ופרפין. השארית לאחר הזיקוק נקראת זפת נפט, או גודרון (petroleum pitch).

למוצרי זיקוק הנפט שימושים שונים. בנזין משמש בכמויות גדולות כדלק לתעופה ולרכב. הוא מורכב בדרך כלל מפחמימנים בעלי 5 עד 9 אטומי פחמן במולקולה בממוצע.

נפט לבן משמש דלק למנועי דיזל, וכן כממיס בתעשיית הצבעים. כמויות גדולות ממנו מעובדות לבנזין.

קרוסין משמש כדלק למנועי סילון וטרקטורים, וכן לצרכים ביתיים. הוא מורכב מפחמימנים בעלי 9 עד 16 אטומי פחמן במולקולה בממוצע.

שמן דיזל משמש כדלק למנועים, ושמני סיכה — לסיכת מנגנונים.

וזלין (petrolatum, vaseline) משמש ברפואה. הוא מורכב מתערובת פחמימנים נוזליים ומוצקים.

פרפין (paraffin wax) משמש להכנת חומצות קרבוקסיליות גבוהות (ראו 3.15), להספגת עץ בייצור גפרורים ועפרונות, להכנת נרות, משחות נעליים וכו’. הוא מורכב מתערובת פחמימנים מוצקים.

גודרון (זפת נפט) הוא מסה כהה בלתי־נדיפה, המשמשת לאחר חמצון חלקי להכנת אספלט.

מזוט, מלבד עיבודו לשמני סיכה ובנזין, משמש כדלק נוזלי לדוודים.

בשיטות משניות לעיבוד נפט מתרחש שינוי במבנה הפחמימנים המרכיבים אותו. בין שיטות אלה חשוב במיוחד קרקינג (פיצוח) של פחמימני הנפט, המתבצע במטרה להעלות את תפוקת הבנזין.

קרקינג תרמי (thermal cracking) מתבצע בחימום חומר הגלם (מזוט וכדומה) בטמפרטורה של 450–550°C ולחץ של 2–7 MPa. אגב כך, מולקולות פחמימנים בעלי מספר גדול של אטומי פחמן מתפצלות למולקולות בעלות מספר קטן יותר של אטומים, הן רוויות והן בלתי־רוויות. למשל:

$C_{16} H_{34} \to C_{8} H_{18} + C_{8} H_{16}$ $C_{8} H_{18} \to C_{4} H_{10} + C_{4} H_{8} etc.$

בדרך זו מתקבל בעיקר בנזין לרכב. תפוקתו מהנפט מגיעה ל־70%. שיטת הקרקינג התרמי פותחה בסוף המאה ה־19 והחלה בתעשייה בראשית המאה ה־20 (רשום פטנט על תהליך קרקינג תרמי כבר ב־1891 בידי המהנדס הרוסי ו”ג שוחוב (Vladimir Shukhov), וייצור תעשייתי הורחב בארה”ב בעשור השני של המאה ה־20).

קרקינג קטליטי (catalytic cracking) מתבצע בנוכחות זרזים (בדרך כלל אלומוסיליקטים) בטמפרטורה של 450°C ולחץ אטמוספרי. בשיטה זו מתקבל בנזין תעופה בתפוקה של עד 80%. סוג קרקינג זה מופעל בעיקר על שברי קרוסין וגזואיל של הנפט. בקרקינג קטליטי, לצד תגובות פיצוח, מתרחשות גם תגובות איזומריזציה. כתוצאה מכך נוצרים פחמימנים רוויים בעלי שלד פחמן מסתעף, המשפרים את איכות הבנזין.

תהליך קטליטי חשוב נוסף הוא ארומטיזציה (aromatization) של פחמימנים, כלומר המרת פרפינים וציקלופרפינים לפחמימנים ארומטיים. בחימום שברים כבדים של מוצרי נפט בנוכחות זרז (פלטינה או מוליבדן), פחמימנים בעלי 6–8 אטומי פחמן במולקולה מומרים לפחמימנים ארומטיים. תהליכים אלה מתרחשים בריפורמינג (reforming) (שיפור איכות בנזינים).

בתהליכי קרקינג נוצרת כמות גדולה של גזים (גזי קרקינג), המכילים בעיקר פחמימנים רוויים ובלתי־רוויים. גזים אלה משמשים חומר גלם לתעשייה הכימית.

בשנים האחרונות, לצד הגידול בייצור דלק ושמנים, פחמימני הנפט נמצאים בשימוש נרחב כמקור לחומר גלם כימי. בדרכים שונות מתקבלים מהם חומרים הדרושים לייצור פלסטיק, סיבים טקסטיליים סינתטיים, גומי סינתטי, כוהלים, חומצות, חומרי ניקוי סינתטיים, חומרי נפץ, חומרי הדברה, שומנים סינתטיים ועוד.

2.14. גזים טבעיים ושימושיהם

גזים טבעיים, נפט ופחם אבן הם מקורות עיקריים לפחמימנים.

בגז הטבעי נמצאים פחמימנים במסה מולקולרית נמוכה. הרכבו המקורב (בנפח): 80–98% מתאן, 2–3% הומולוגים קרובים אליו — אתאן, פרופאן, בוטאן, וכמות קטנה של זיהומים — מימן גופרתי, חנקן, גזים אצילים, פחמן דו־חמצני ואדי מים. בישראל, לדוגמה, מרבצי הגז הטבעי בים התיכון — תמר (Tamar) ולוויתן (Leviathan) — מכילים גז “רזה” עם ריכוז מתאן גבוה מאוד, המגיע עד כ־99%.

לגזים הטבעיים משתייכים גם מה שמכונה גזים נלווים (associated gas), המומסים בדרך כלל בנפט ומשתחררים בעת הפקתו. בגזים הנלווים נמצאת כמות קטנה יותר של מתאן, אך כמות גדולה יותר של אתאן, פרופאן, בוטאן ופחמימנים גבוהים. מלבד זאת, נוכחים בהם בעיקר אותם זיהומים כמו בגזים טבעיים אחרים שאינם קשורים למרבצי נפט: מימן גופרתי, חנקן, גזים אצילים, אדי מים, גז פחמן דו־חמצני.

בעבר לא נמצא שימוש לגזים הנלווים, ובעת הפקת נפט הם נשרפו בשיטת לפיד. כיום שואפים ללכוד ולנצל אותם, הן כדלק והן, בעיקר, כחומר גלם כימי בעל ערך. מהגזים הנלווים, וכן מגזי קרקינג הנפט, מפיקים בזיקוק בטמפרטורות נמוכות פחמימנים בודדים. מפרופאן ובוטאן מפיקים, בדרך של דהידרוגנציה, פחמימנים בלתי־רוויים — פרופילן, בוטילן ובוטדיאן, שמהם מסנתזים גומי ופלסטיק.

הגז הטבעי נמצא בשימוש נרחב כדלק זול בעל יכולת הסקה גבוהה (בשריפת 1 m³ משתחררים עד 54,400 kJ). זהו אחד מסוגי הדלק הטובים ביותר לצרכים ביתיים ותעשייתיים. מלבד זאת, הגז הטבעי משמש חומר גלם רב ערך לתעשייה הכימית.

פותחו שיטות רבות לעיבוד גזים טבעיים. המשימה העיקרית של עיבוד זה היא המרת פחמימנים רוויים לפעילים יותר — בלתי־רוויים, המומרים לאחר מכן לפולימרים סינתטיים (גומי, פלסטיק). מלבד זאת, בחמצון פחמימנים מתקבלות חומצות אורגניות, כוהלים ומוצרים נוספים.

בשנים האחרונות גדל משמעותית ייצור גזים בעיבוד פחם אבן, כבול (טוּרף) ופצלי שמן. פחם, כמו גזים טבעיים ונפט, הוא מקור אנרגיה וחומר גלם כימי בעל ערך.

השיטה העיקרית לעיבוד פחם אבן היא קוקסון (coking) (זיקוק יבש). בקוקסון (חימום עד 1000–1200°C ללא גישת אוויר) מתקבלים מוצרים שונים: קוקס, זפת פחם, מי אמוניה וגז קוקס. הרכבו המקורב של גז הקוקס: 60% מימן, 25% מתאן, 5% פחמן חד־חמצני, 4% חנקן, 2% תחמוצת חנקן (IV), 2% אתילן ו־2% גזים נוספים.

גז הקוקס משמש לחימום כבשני קוקס (בשריפת 1 m³ משתחררים כ־18,000 kJ), אך בעיקרו הוא עובר עיבוד כימי. כך, ממנו מפיקים מימן לסינתזת אמוניה, המשמש בהמשך להכנת דשנים חנקניים.

זפת פחם (coal tar) משמשת מקור לפחמימנים ארומטיים. היא עוברת זיקוק רקטיפיקציה, ומתקבלים ממנה בנזן, טולואן, קסילן, נפתלן, וכן פנולים, תרכובות מכילות חנקן ועוד. פֶּק (pitch) — מסה שחורה סמיכה הנותרת לאחר זיקוק הזפת — משמש להכנת אלקטרודות ולציפוי גגות.

2.15. פתרון בעיות לדוגמה

בעיה 1. תערובת של אתאן ואתן בנפח 200 mL (בתנאים נורמליים) הסירה את צבעם של 25 g מי ברום. חשבו את החלק הנפחי של האתן בתערובת, אם החלק המסי של הברום במי הברום שווה ל־3.2%.

פתרון. עם מי הברום מגיב בקלות רק האתן, ונוצר 1,2-דיברומואתאן:

$C_{2} H_{4} + B r_{2} \to C_{2} H_{4} B r_{2}$

מחשבים את מסת וכמות החומר של הברום המולקולרי שהיה במי הברום:

$m (B r_{2}) = \frac{25 \cdot 3.2}{100} g = 0.8 g;$

$n (B r_{2}) = \frac{0.8}{160} mol = 0.005 mol .$

ממשוואת התגובה נובע: n(C₂H₄) = n(Br₂) = 0.005 mol.

מחשבים את נפח האתן בתנאים נורמליים:

$V (C_{2} H_{4}) = 0.005 \cdot 22.4 L = 0.112 L = 112 mL .$

מחשבים את החלק הנפחי של האתן בתערובת הגזים המקורית:

$φ (C_{2} H_{4}) = \frac{112}{200} = 0.56 \equiv 56%.$

בעיה 2. תערובת של בנזן וציקלוהקסן בעלת מסה של 5 g מסירה את צבעם של 125 g מי ברום (חלק מסי של ברום 3.2%). קבעו את מסת המים המתקבלת בשריפת אותה תערובת בחמצן, בעלת מסה של 20 g.

פתרון. עם מי הברום מגיב רק אחד ממרכיבי התערובת — ציקלוהקסן (הבלתי־רווי):

$C_{6} H_{10} + B r_{2} \to C_{6} H_{10} B r_{2} (א)$

מחשבים את מסת וכמות החומר של הברום שהשתתף בתגובה:

$m (B r_{2}) = \frac{125 \cdot 3.2}{100} g = 4 g; n (B r_{2}) = \frac{4}{160} mol = 0.025 mol .$

מחשבים את כמות החומר של הציקלוהקסן (cyh) שהשתתף בתגובה עם הברום. ממשוואה (א): n(cyh) = n(Br₂) = 0.025 mol.

מחשבים את מסת וחלק המסה של הציקלוהקסן בתערובת:

$m (צ) = 0.025 \cdot 82 g = 2.05 g; w (cy h) = \frac{2.05}{5} = 0.41.$

חלק המסה של הבנזן (benz) בתערובת שני החומרים:

$w (b e n z) = 1 - w (cy h) = 1 - 0.41 = 0.59.$

קובעים את מסת וכמות החומר של הבנזן בדגימת התערובת בעלת המסה m′ = 20 g:

$m^{'} (b e n z) = 20 \cdot 0.59 g = 11.8 g; n^{'} (b e n z) = \frac{11.8}{78} mol = 0.15 mol .$

באופן דומה עבור הציקלוהקסן: m′(cyh) = 8.2 g, n′(cyh) = 0.1 mol.

כותבים את משוואות תגובות השריפה של בנזן וציקלוהקסן:

$C_{6} H_{6} + 7.5 O_{2} \to 6 C O_{2} + 3 H_{2} O (ב)$ $C_{6} H_{10} + 8.5 O_{2} \to 6 C O_{2} + 5 H_{2} O (ג)$

לפי (ב): n_ב(H₂O) = 3n′(benz) = 3 · 0.15 mol = 0.45 mol.

לפי (ג): n_ג(H₂O) = 5n′(cyh) = 5 · 0.1 mol = 0.5 mol.

כמות החומר הכוללת של המים שהשתחררו בשריפת התערובת בעלת המסה 20 g:

$n (H_{2} O) = (0.45 + 0.5) mol = 0.95 mol .$

מחשבים את מסת המים המתקבלת:

$m (H_{2} O) = 0.95 \cdot 18 g = 17.1 g .$

בעיה 3. בשריפת פחמימן, שכמות החומר שלו שווה ל־0.1 mol, התקבלו פחמן דו־חמצני בנפח 6.72 L (בתנאים נורמליים) ומים במסה של 7.2 g. קבעו את נוסחת הפחמימן.

פתרון. מחשבים את כמות החומר של CO₂:

$n (C O_{2}) = \frac{6.72}{22.4} mol = 0.3 mol .$

כמות החומר של הפחמן בדגימת הפחמימן ששרפה: n(C) = n(CO₂) = 0.3 mol.

מחשבים את כמות החומר של המים: n(H₂O) = 7.2/18 mol = 0.4 mol.

קובעים את כמות החומר של המימן: n(H) = 2 · 0.4 mol = 0.8 mol.

כלומר, דגימת הפחמימן בכמות חומר 0.1 mol מכילה 0.3 mol פחמן ו־0.8 mol מימן. לכן, ב־1 mol פחמימן יש 3 mol C ו־8 mol H, כלומר נוסחת הפחמימן היא C₃H₈. זהו פרופאן.

בעיה 4. לחומר אורגני צפיפות יחסית של אדים ביחס למימן השווה ל־46. דגימה של חומר זה בעלת מסה 13.8 g נשרפה, והתקבלו פחמן דו־חמצני בנפח 23.52 L (בתנאים נורמליים) ומים במסה של 10.8 g. קבעו את נוסחת החומר האורגני, בהתחשב בכך שהוא ארומטי.

פתרון. מחשבים את המסה המולרית של החומר האורגני (X):

$M (X) = 2 D_{H_{2}} = 2 \cdot 46 g/mol = 92 g/mol .$

קובעים את כמות החומר של X שנשרפה:

$n (X) = \frac{13.8}{92} mol = 0.15 mol .$

מחשבים את כמות החומר של ה־CO₂ שנוצר:

$n (C O_{2}) = \frac{23.52}{22.4} mol = 1.05 mol .$

כמות החומר של הפחמן בחומר שנשרף: n(C) = n(CO₂) = 1.05 mol.

מחשבים את כמות החומר של המים ואת כמות החומר של המימן האטומי:

$n (H_{2} O) = \frac{10.8}{18} mol = 0.6 mol; n (H) = 2 \cdot 0.6 mol = 1.2 mol .$

קובעים את מסות הפחמן והמימן האטומיים:

$m (C) = 1.05 \cdot 12 g = 12.6 g; m (H) = 1.2 \cdot 1 g = 1.2 g .$

$m (C) + m (H) = (12.6 + 1.2) g = 13.8 g .$

סכום מסות הפחמן והמימן שווה למסת החומר שנשרף, ולכן אין בו יסודות נוספים. אם כן, X הוא פחמימן ארומטי, שנוסחתו ניתן לרשום כ־CₓHᵧ.

קבענו כי דגימת CₓHᵧ, שכמות החומר שלה שווה 0.15 mol, מכילה 1.05 mol C ו־1.2 mol H. מחשבים את המקדמים x ו־y:

$x = \frac{n ( C )}{n ( X )} = \frac{1.05}{0.15} = 7; y = \frac{n ( H )}{n ( X )} = \frac{1.2}{0.15} = 8.$

נוסחת הפחמימן הארומטי היא C₇H₈, כלומר C₆H₅—CH₃. זהו טולואן (toluene).

alugovskoy.net

Explorer