هیدروکربنها

ساختار متان

 

هر یک از چهار اتم هیدروژن بوسیله پیوند کووالانسی ، یعنی با یک جفت الکترون اشتراکی به اتم کربن متصل شده است. وقتی کربن به چهار اتم دیگر متصل باشد، اوربیتالهای پیوندی آن (اوربیتالهای sp³ که از اختلاط یک اوربیتال s و سه اوربیتال p تشکیل شده‌اند) ، به سوی گوشه‌های چهار وجهی جهت گیری کرده‌اند.

این آرایش چهار وجهی ، آرایشی است که به اوربیتالها اجازه می‌دهد تا سر حد امکان از یکدیگر فاصله بگیرند. برای اینکه همپوشانی این اوربیتالها با اوربیتال کروی اتم هیدروژن به گونه ای موثر صورت پذیرد و در نتیجه ، پیوند محکم‌تری تشکیل شود، هر هسته هیدروژن باید در یک گوشه این چهار وجهی قرار بگیرد.

ساختار چهار وجهی متان بوسیله پراش الکترونی که آرایش اتمها را در این نوع مولکولهای ساده به روشنی نشان می‌دهد، تایید شده است. بعد شواهدی که شیمیدانها را خیلی پیش از پیدایش مکانیک کوانتومی REDIRECT (نام صفحه) یا پراش الکترونی d ، به پذیرش این ساختار چهار وجهی رهنمون شد، بررسی خواهیم کرد.

ما به طور معمول ، متان را با یک خط کوتاه برای نمایش هر جفت الکترون مشترک بین کربن و هیدروژن نشان خواهیم داد. برای آنکه توجه خود را بر روی الکترونها بطور انفرادی متمرکز کنیم، گاهی ممکن است یک جفت الکترون را بوسیله یک جفت نقطه نشان دهیم. سرانجام ، وقتی بخواهیم شکل واقعی مولکول را نمایش دهیم، از فرمولهای سه بعدی استفاده می‌کنیم.
برای دریافت اطلاعات بیشتر به ادامه مطلب مراجعه فرمایید

خواص فیزیکی متان

 

واحد ساختار این ترکیب غیر یونی ، مولکول است، چه جامد باشد، چه مایع و چه گاز. به علت اینکه مولکول متان بسیار متقارن است، قطبیتهای انفرادی پیوندهای کربن – هیدروژن ، یکدیگر را خنثی می‌کنند، در نتیجه کل مولکول غیر قطبی است. نیروهای جاذبه موجود میان این مولکولها غیر قطبی، به نیروهای واندروالسی محدود می‌شوند؛

این نیروهای جاذبه ، در مورد این مولکولهای کوچک ، باید در مقایه با نیروهای قدرتمند موجود بین مثلا یونهای سدیم و کلرید ضعیف باشند. بنابراین ، از اینکه به آسانی می‌توان بوسیله انرژی گرمایی ، بر این نیروهای جاذبه فایق آمد، بطوری‌که ذوب شدن و جوشیدن در دمای پایین صورت بگیرد، تعجب نخواهیم کرد: دمای ذوب در 183- درجه سانتی‌گراد و دمای جوش در 161,5- درجه سانتی‌گراد قرار دارد. (این مقادیر را با مقادیر مربوط در مورد سدیم کلرید: یعنی دمای ذوب 801 درجه سانتی‌گراد و دمای جوش 1413درجه سانتی‌گراد مقایسه کنید.) در نتیجه ، متان در دماهای معمولی یک گاز است.

متان ، بی‌رنگ است و وقتی مایع شود، سبکتر از آب است (چگالی نسبی آن 0,4 است). موافق با قاعده تجربی که می‌گوید: «هم‌جنس در هم‌جنس حل می‌شود» ، متان فقط کمی در آب انحلال پذیر است، ولی در مایعات آلی مانند بنزین ، اتر و الکل بسیار حل می‌شود. از نظر خواص فیزیکی ، متان الگویی برای سایر اعضا خانواده آلکانهاست.

 

منبع متان

 

متان ، فرآورده پایانی تجزیه غیر هوازی (بدون هوا) گیاهان ، یعنی شکستن بعضی از مولکولهای بسیار پیچیده است. همچنین یکی از اجزاء اصلی (بیش از 97%) گاز طبیعی است. متان همان گاز قابل احتراق و منفجر شونده معادن زغال سنگ است و می‌توان خروج حبابهای آن را به عنوان گاز مرداب در سطح مردابها مشاهده کرد. اگر متان بسیار خالص لازم داشته باشیم، می‌توان آن را بوسیله تقطیر جزء به جزء از سایر اجزاء تشکیل دهنده گاز طبیعی (که بیشتر آلکانها هستند) جدا کرد.

البته بیشتر گاز طبیعی ، بدون خالص سازی ، به عنوان سوخت مصرف می‌شود.

 

ساختار اتان

 

از نظر اندازه C₂H₆ بعد از متان قرار می‌گیرد. اگر اتمهای این مولکول را با رعایت قاعده ای که می‌گوید برای هیدروژن یک پیوند (یک جفت الکترون) و برای کربن ، چهار پیوند (چهاز جفت الکترون) ، بوسیله پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل کنیم، به ساختار زیر دست می‌یابیم: CH₃-CH₃.

هر کربن به سه هیدروژن و یک کربن دیگر متصل است و چون هر اتم به چهار اتم دیگر متصل است، اوربیتالهای پیوندی ان (اوربیتالهای sp³) بهسوی گوشه‌های چهار وجهی جهت گرفته‌اند. در اینجا نیز مانند مورد متان ، پیوندهای کربن- هیدروژن از همپوشانی این اوربیتالهای sp³ با اوربیتالهای s هیدروژنها بوجود آمده‌اند. پیوند کربن- کربن از همپوشانی دو اوربیتال sp₃ نتیجه شده است.

توزیع الکترونها در پیوندهای کربن- هیدروژن و کربن- کربن بطور کلی یکسان است، یعنی در حول خط متصل‌کننده هسته‌ها به هم ، حالتی استوانه‌ای و متقارن دارد: این پیوندها را به علت شکل مشابهی که دارند، پیوند σ (پیوند سیگما) می‌نامند.
بنابراین ، زوایای پیوندی و طول پیوندهای کربن- هیدروژن باید خیلی شبیه به متان ، یعنی به ترتیب در حدود 109,5درجه و 1,1 آنگستروم باشند.

پراش الکترونی و بررسی‌های طیف‌بینی از هر نظر این ساختار را تایید کرده و برای مولکول اتان این اندازه‌ها را بدست داده‌اند. زوایای پیوندی 109,5 ، طول 1,1 برای C-H ، طول 1,53 برای C-C . بررسیهای مشابه نشان داده‌اند که این مقادیر ، با کمی انحراف ، از ویژگیهلی اختصاصی پیوندهای کربن- هیدروژن و کربن- کربن و زوایای پیوندی در آلکانها بشمار می‌روند.

 

ساختمان پروپان

 

 

خواص فیزیکی آلکانها

 

خواص فیزیکی آلکانها از همان الگوی خواص فیزیکی متان پیروی می‌کند و با ساختار آلکانها سازگار است. یک مولکول آلکان فقط بوسیله پیوندهای کووالانسی برپا نگه داشته شده است. این پیوندها یا دو اتم از یک نوع را بهم متصل می‌کنند و در نتیجه ، غیر قطبی‌اند، یا دو اتم را که تفاوت الکترونگاتیوی آنها بسیار کم است، به یکدیگر ربط می‌دهند و در نتیجه قطبیت آنها کم است. به علاوه ، این پیوندها به طریقی بسیار متقارن جهت گرفته‌اند، بطوری که این قطبیهای پیوندی نیز یکدیگر را خنثی می‌کنند.

در نتیجه یک مولکول آلکان یا غیر قطبی است یا قطبیت بسیار ضعیفی دارد. نیروهایی که مولکولهای غیر قطبی را گرد هم نگه می‌دارند (نیروهای واندروالسی) ضعیف هستند و گستره بسیار محدودی دارند. این نیروها فقط بین بخشهایی از مولکولهای مختلف که با یکدیگر در تماس نزدیک باشند، یعنی بین سطوح مولکولها ، عمل می‌کنند. بنابراین در یک خانوده معین ، انتظار داریم که هر اندازه مولکول بزرگتر باشد و در نتیجه سطح تماس آنها بیشتر باشد، نیروهای بین مولکولی نیز قوی‌تر باشند.

دمای جوش و ذوب با افزایش شمار اتمهای کربن ، زیاد می‌شود. فرایند جوشیدن و ذوب شدن ، مستلزم فایق آمدن بر نیروهای بین مولکولی در یک مایع و یک جامد است. دمای جوش و دمای ذوب بالا می‌رود، زیرا این نیروهای بین مولکولی با بزرگ شدن مولکولها افزایش می‌یابند.

 

منبع صنعتی آلکانها

 

منبع صنعتی آلکانها ، نفت و گاز طبیعی همراه آن است. ترکیبهای آلی پیچیده که روزگاری سیستمهای زنده گیاهان و جانوران را تشکیل می‌دادند، در اثر فضارهای زمین شناختی ، طی میلیونها سال ، به مخلوطی از آلکانها که از نظر اندازه ، شامل یک کربن تا 30 تا 40 کربن هستند، تبدیل شده‌اند. سیکلوآلکانها نیز که در صنعت نفت به نفتنها شهرت دارند و به ویژه در نفت کالیفرنیا فراوان یافت می‌شوند، همراه با آلکانها بوجود آمده‌اند.

سوخت فسیلی دیگر ، یعنی زغال سنگ ، منبع بالقوه دیگر آلکانهاست. روشهایی برای تبدیل زغال سنگ از راه هیدروژن دار کردن به بنزین و سوخت کوره و همچنین تبدیل به گاز سنتز به منظور جبران کمبود گاز طبیعی ابداع شده است.

 

آلکنها ، دسته بزرگی از هیدروکربنها را شامل می شوند که به هیدروکربنهای غیر اشباع (unsaturated) موسومند. تعداد هیدروژنهای این ترکیبات ، کمتر از آلکنهای هم کربن است. آلکنها ممکن است یک یا چند پیوند دوگانه مجزا و دور از هم و یا    مزدوج داشته باشند                                                                               .

 

استیلن‌های حقیقی یا انتهایی (terminal acetylenes)

 

به ترکیباتی از این گروه اطلاق می‌شود که حداقل یک اتم هیدروژن متصل به کربن sp در آنها وجود داشته باشد. مثلا پروپن (متیل استیلن) یک استیلن حقیقی است. به همین ترتیب ، فنیل استیلن و ترسیوبوتیل استیلن از استیلن‌های حقیقی می‌باشند.

 

استیلن‌های داخلی (internal acetylenes)

 

هرگاه پیوند سه گانه کربن به کربن درجایی از مولکول قرار گرفته باشد که کربنهای با هیبرید sp به استخلاف متصل باشند، استیلنی را داخلی می‌نامند، مثل دی‌متیل استیلن ، دی‌فنیل استیلن و دی‌ترسیوبوتیل استیلن.

 

نامگذاری آلکینها

 

آلکینها با چند روش نامگذاری می‌شوند:

در نامگذاری معمولی ، آلکینها به عنوان مشتقات استیلنی نامگذاری می‌شوند. معمولا برای نامگذاری استیلن‌های کوچک از این روش استفاده می‌شود. روش جامع برای نامگذاری آلکین‌ها روش (IUPAC) است و اصول آن ، مشابه نامگذاری آلکنهاست و با رعایت نکات زیر انجام می‌شود:

 

1. طولانی ترین زنجیری را که پیوند سه گانه در آن قرار دارد، مشخص و کربنهای زنجیر اصلی را از طرفی شماره گذاری می‌کنیم که اولین کربن پیوند سه‌گانه شماره کوچکتری را داشته باشد.
2. نام گروهها و شماره کربن محل آنها را معین و به ترتیب الفبای انگلیسی مرتب می‌کنیم.
3. با ذکر شماره کربن محل پیوند سه‌گانه و تغییر نام آخر زنجیر از ane به yne نامگذاری به پایان می‌رسد.

 

ساختمان استیلن

 

اتین یا استیلن ، کوچکترین عضو خانوده بزرگ آلکینها (استیلنی‌ها) می‌باشد. به طریق کوانتوم مکانیکی ، اگر بخواهیم با دو اتم هیدروژن ، مولکولی را ایجاد کنیم، لازم است کربن‌ها با یک پیوند سه‌گانه به یکدیگر متصل شوند. برای ایجاد مولکولی اتمهای کربن باید هیبرید sp داشته باشند. یکی از این اوربیتالهای هیبریدی به کربن و دیگری به هیدروژن متصل و اوربیتالهای p_y و P_z نیز دو پیوند π را ایجاد می‌کنند.

با شناختی که از دو پیوند دوگانه کربن به کربن و کربن به هیدروژن آلکنها داریم، انتظار می‌رود که طول پیوند سه گانه کربن- کربن و کربن- هیدروژن در استیلنی‌ها کوتاهتر باشد. طول پیوند سه گانه کربن- کربن 1,20 آنگستروم و کربن- هیدروژن 1,60 آنگستروم اندازه گیری شده است.

 

خواص فیزیکی آلکینها

 

خواص فیزیکی آلکینها ، مشابه آلکنهای هم کربن است. آلکینها ، ترکیباتی با قطبیت کمتر می‌باشند که در حلالهای با قطبیت کمتر مثل تتراکلرید کربن ، بنزن و اترها بخوبی حل می‌شوند، ولی در آب نامحلولند. همانند سایر هیدروکربنها سبکتر از آب هستند. بررسی و مقایسه نقطه ذوب و جوش این مواد نشان می‌دهد که با افزایش تعداد کربن نقطه جوش افزایش می‌یابد و با شاخه‌دار شدن کاهش می‌یابد.

 

ساختمان بوتین

 

 

روشهای آزمایشگاهی تهیه آلکینها

 

دو روش کلی برای تهیه آلکینها وجود دارد:

 

1. تبدیل یک آلکین به آلکینهای دیگر است که با تغییر و بزرگ کردن آلکینهای کوچک امکان‌پذیر می‌باشد.
2. ایجاد پیوند سه گانه کربن- کربن در مولکول می‌باشد که با انجام واکنشهای شیمیایی مناسب انجام پذیر می‌باشد.

 

روشهای صنعتی تهیه استیلن

 

استیلن ، کوچکترین عضو خانوده استیلنی‌هاست و در صنعت از اهمیت ویژه‌ ای برخوردار است. به عنوان ماده اولیه و پیش ماده در سنتز و تهیه مواد شیمیایی مختلف مورد نیاز می‌باشد. از این رو ، روشهای صنعتی زیادی برای تولید انبوه این ماده ابداع شده است.

 

• کاربید کلسیم از واکنش آهک و زغال کک و در دمای بالا (با استفاده از کوره های الکتریکی) تهیه می‌شود. حسن این ماده در این است که قابل نگهداری و به سهولت قابل حمل می‌باشد و لذا در هر جا و مکانی تهیه استیلن امکان‌پذیر می‌باشد.

CaO + 3C → C₂Ca + H₂O → H-C≡C-H

 

• از اکسید شدن جزئی و محدود متان در دمای بالا نیز استیلن در اشل صنعتی تولید می‌شود. با این روش صنعتی ، ضمن این که استیلن سنتز می‌شود، گازهای با ارزش هیدروژن و منوکسید کربن نیز تولید می‌شود که اهمیت سنتزی فراوان دارد (به عنوان مثال در سنتز متانول مورد استفاده قرار می‌گیرند).

6CH₄ + O₂ → 2CO + 10H₂ + 2H-C≡C-H

 

• از اکسید شدن متان در دمای حدود 1500 درجه سانتی‌گراد و در مدت زمان بسیار کوتاه 0.1 ثانیه نیز استیلن و هیدرژن تولید می‌گردد.

2CH₄ → H-C≡C-H + 3H₂ 

 

_مرجع