شارح الدرس: الألكاينات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نسمِّي تفاعُلات الألكاينات، ونَصِفها.

سنُلقي نظرةً على سلسلة الألكاينات المُتجانِسة، وكيف يُمكن تصنيع بعضها (في المعمل وفي المجالات الصناعية)، ودراسة تفاعُلات إضافة الهيدروجين، والبروَمة، والبروَمة الهيدروجينية، والإماهة.

الألكاين نوعٌ من أنواع المواد الكيميائية العضوية. والألكاينات هيدروكربونات غير مُشبَّعة صيغتها العامَّة .

تتكوَّن الألكاينات في الأساس من سلسلة كربونية مستقيمة أو متفرِّعة.

تحتوي الألكاينات على المجموعة الوظيفية رابطة كربون-كربون ثلاثية:

تتكوَّن رابطة الكربون-كربون الثلاثية من رابطة (2sp–2sp)، ورابطتَيْ (2p–2p).

يُمكننا أن نرى تقدُّمًا عندما نقارن البِنَى والصِّيَغ العامَّة للألكانات والألكينات والألكاينات:

تحتوي الألكاينات على رابطة كربون-كربون ثلاثية فقط، مع تشبُّع جميع روابط الكربون-كربون الأخرى. ويُمكنها أن تكوِّن سلسلة مُتجانِسة.

الإيثاين هو أكثر الألكاينات شيوعًا. والاسم الشائع للإيثاين (والاسم المفضَّل وفقًا للاتِّحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية أو الأيوباك) هو الأسيتيلين. لكن الإيثاين هو الاسم النظامي لـ طبقًا للأيوباك، الذي يتوافق مع أسماء الألكاينات الأخرى التي سنتناولها في هذا الشارح.

سنستعرض تحضير الإيثاين واستخداماته بعد قليل. في هذه الأثناء، فيما يأتي بعض الأمثلة لمجموعة الألكاينات الخطِّية.

ويُمكننا أيضًا تضمين السلاسل المتفرِّعة مثل 3-ميثيل-1-بيوتاين ():

لنلقِ نظرةً على سلسلة 1-الألكاينات المتجانسة الخطِّية (الألكاينات؛ حيث تبدأ الرابطة الثلاثية كربون-كربون بذرة الكربون رقم 1).

يُمكننا إدراك معنى هذه المعلومات إذا نظرنا إلى تمثيل بياني.

درجات انصهار مركَّبات هذه السلسلة المُتجانِسة غير متناسِقة، وعلينا التركيز أكثر لاكتشاف نمط. ولكن درجات الغليان لها نمط واضح: فكلما ازداد حجم جزيء الألكاين زادت درجة الغليان. وهذا يوضِّح أن القوى بين الجزيئية تزداد كلما زاد طول السلسلة (بالطريقة نفسها المُتَّبَعة مع الألكانات والألكينات المكافئة). وبما أن الألكاينات لها عزم ثنائي القطب ضعيف أو منعدم، فإن قوى تشتُّت لندن هي النوع المُهيمِن من القوة بين الجزيئية المؤثِّرة.

تتكوَّن الألكاينات بشكلٍ كاملٍ من روابط كربون-كربون غير قطبية وروابط كربون-هيدروجين قطبية ضعيفة للغاية. وبشكلٍ عامٍّ، نعتبر الألكاينات غير قطبية.

عند تسمية الألكاين، يكون ترقيم مجموعة «ـاين» هو ترقيم أول ذرة كربون في الرابطة الثلاثية كربون-كربون. وتكون الأولوية للاسم الذي يحتوي على أصغر ترقيم لمجموعة «ـاين»:

وفي حالة الألكاينات المتفرِّعة، نختار الاسم الذي يحتوي على أقلِّ مجموع للأرقام:

نطبِّق القواعد نفسها على الهالو ألكاينات (المواد التي تحتوي على مجموعات الهالوجين الوظيفية، ورابطة الكربون-كربون الثلاثية):

يُمكن تحضير الإيثاين بسهولة في المعامل باستخدام كربيد الكالسيوم والماء. صيغة أيون الكربيد في كربيد الكالسيوم هي ؛ ومن ثَمَّ فإن صيغة كربيد الكالسيوم هي .

يُصنَّع كربيد الكالسيوم بكميات كبيرة بتسخين الكربون (على صورة فحم الكوك) مع الخامات الغنية بالكالسيوم.

عند خلْط كربيد الكالسيوم بالماء، يَحدُث تفاعُل تلقائي يَنطلِق منه الإيثاين:

تُنتِج هذه الطريقة الكثير من النواتج الثانوية (لكلِّ جرام من الإيثاين الناتج بهذه الطريقة، يَنتُج 2.8 جرام تقريبًا من هيدروكسيد الكالسيوم). على الرغم من أنه يُمكن إنتاج الكميات الصناعية من الإيثاين باستخدام هذه الطريقة، فإن هناك طريقة بديلة أكثر شيوعًا.

في المجال الصناعي، غالبًا ما يَنتُج الإيثاين عن طريق الاحتراق الجزئي للميثان. عند درجات الحرارة المرتفعة، يُمكن للميثان أن يتفاعَل لإنتاج مجموعة متنوِّعة من المركَّبات الأخرى، منها الإيثاين.

ويُفصَل الإيثاين عن هذا الخليط قبل استخدامه.

سنُلقي نظرةً على عدد من تفاعُلات الألكاينات. وبعض هذه التفاعُلات تكون أكثر تعقيدًا مع الألكاينات الكُبرى. لكن لا يجب علينا تحرِّي كلِّ هذه التفاصيل؛ لذا سنَستخدِم الإيثاين (أسيتيلين) في جميع الأمثلة.

إلى جانب الاحتراق، جميع التفاعُلات التي سنتناولها تفاعُلات إضافة.

الألكاينات بطبيعتها غير مُشبَّعة. ومن ثَمَّ، يجب أن نكون قادرين على إضافة ذرات الهيدروجين، وهو ما يكوِّن الألكين والألكان المكافئَيْن. عمليًّا، يَصعُب إيقاف تفاعُل إضافة الهيدروجين عند الألكين؛ لذا فإن هدرجة الألكاينات بالكامل، باستخدام عامل حفَّاز مثل النيكل أو البالاديوم أو البلاتين هو الأكثر شيوعًا:

مثال ٢: تسمية التفاعُل الذي يحوِّل الألكاينات إلى ألكانات

ما اسم التفاعُل الذي يحوِّل الألكاينات إلى الألكانات؟

1. إضافة الهالوجينات (الهلجنة)
2. إضافة الهيدروجين
3. الهلجنة الهيدروجينية
4. الألكلة
5. الإماهة

الحل

الألكانات هيدروكربونات مُشبَّعة (وهي موادُّ تتكوَّن فقط من كربون وهيدروجين، بها روابط أحادية فقط)، صيغة الألكانات العامَّة هي .

الألكاينات هيدروكربونات تحتوي جزيئاتها على روابط كربون-كربون ثلاثية؛ وصيغتها العامَّة هي .

ودون معرفة الألكاينات التي نبدأ بها، يُمكننا أن نلاحِظ أن الصيغة العامَّة للألكان المكافئ بها أربع ذرات هيدروجين إضافية:

هذا يعني أن أبسط طريقة لتحويل ألكاين إلى الألكان المكافئ هي إضافة 4 ذرات هيدروجين (أو جزيئَيْ هيدروجين ()). تُسمَّى إضافة الهيدروجين إلى رابطة غير مُشبَّعة بالهدرجة (إضافة الهيدروجين). ويُمكن تحقيق ذلك عادةً باستخدام عامل حفَّاز مثل حبيبات النيكل الناعمة:

إذن الإجابة هي الخيار (ب).

وبالطبع يُمكن أن تَخضَع الألكاينات لتفاعُلات إضافة مع عناصر كيميائية أخرى غير الهيدروجين. يُستخدَم البروم (في صورة ماء البروم () للكشْف عن وجود الهيدروكربونات غير المُشبَّعة. وإذا خُلِط ماء البروم بمادة كيميائية بها روابط كربون-كربون ثنائية أو ثلاثية، فسيتفاعَل البروم؛ وإذا استُهلِك البروم بالكامل، فسيَفقد ماءُ البروم لونَه.

تتفاعَل الألكاينات مع البروم لإنتاج الهالو ألكانات:

أمَّا البروَمة الهيدروجينية فهي، كما كانت، بين إضافة الهيدروجين والبروَمة. إضافة إلى الروابط الثلاثية لها تأثير غريب على ما يبدو:

قد يبدو من المنطقي أن تحصل كلُّ ذرة كربون على ذرة بروم واحدة، لكن الأمر ليس كذلك في الناتج الرئيسي. بدلًا من ذلك، يتكوَّن 1،1-ثنائي برومو إيثان، وهو ما يَتبع قاعدة ماركوفنيكوف.

عند إضافة جزيء الأول، بما أن الإيثاين متماثِل، لا نرى فرقًا أيًّا كانت الطريقة التي نُضيف بها :

عند إضافة جزيء الثاني، يكون لدينا ألكين غير متماثِل، وهو البرومو إيثين. يُضاف الهيدروجين الموجود في بروميد الهيدروجين إلى ذرة الكربون المرتبطة بأكبر قدْر من الهيدروجين، ثم يُضاف البروم إلى ذرة الكربون الأخرى:

السبب في ذلك خارج نطاق هذا الشارح. علينا فقط أن نتذكَّر قاعدة ماركوفنيكوف.

مثال ٣: فهْم المواد الوَسِيطة والنواتج في البروَمة الهيدروجينية للإيثاين

عندما يتفاعَل الإيثاين مع غاز بروميد الهيدروجين، يَنتُج مركَّب وَسِيط من ألكين غير متماثِل، وهو 1-برومو إيثين:

1. أيُّ ذرات الكربون لها الشحنة الموجبة الجزئية ؟
2. ما الناتج النهائي لتفاعُل الإضافة هذا؟
   1. 2،1-ثنائي برومو إيثان
   2. 2،1-ثنائي برومو إيثين
   3. 3،1،1-ثلاثي برومو إيثان
   4. 1،1-ثنائي برومو إيثان
   5. برومو إيثان

الحل

يُمكن إضافة بروميد الهيدروجين، ، إلى روابط الكربون-كربون غير المُشبَّعة في عملية تُسمَّى البروَمة الهيدروجينية. الإيثاين به رابطة كربون-كربون ثلاثية، ويُمكن إجراء بروَمة هيدروجينية له مرَّتين. وإذا أجرينا بروَمة هيدروجينية للإيثاين مرَّة واحدة فقط، نحصل على 1-برومو إيثين.

الجزء الأول

لتحديد الكربون الذي له الشحنة الموجبة الجزئية ، نحن بحاجة إلى معرفة السالبية الكهربية للكربون وللمُستبدَلات ( و). الكربون له سالبية كهربية أكبر من الهيدروجين (2.6 :، 2.2 :)؛ لذا نتوقَّع أن تكون روابط الكربون-هيدروجين مُستقطَبة؛ حيث يكون الكربون والهيدروجين .

لدى الكربون سالبية كهربية أقلُّ من البروم (2.6 :، 3.0 :)، إذن نتوقَّع أن تكون روابط الكربون-بروم مُستقطَبة بطريقة عكسية فيكون الكربون والبروم .

وبما أن ذرة الكربون B في شكل 1-برومو إيثين مرتبطة بذرة بروم، نتوقَّع أن تكون هي التي لها الشحنة الموجبة الجزئية الكُبرى.

إذن الإجابة هي B.

الجزء الثاني

يُوصَف 1-برومو إيثين باعتباره مادة وَسِيطة في السؤال. وهذا يعني أن 1-برومو إيثين يتفاعَل مع بروميد الهيدروجين لتكوين الناتج.

تَتبَع عملية البروَمة الهيدروجينية قاعدة ماركوفنيكوف: «عند إضافة حمض HA إلى رابطة كربون-كربون غير مُشبَّعة، يكون الناتج الرئيسي هو الناتج الذي فيه يُضاف الهيدروجين إلى الكربون الذي يحتوي على أكبر عدد من مُستبدَلات الهيدروجين (وتُضاف المجموعة A إلى الكربون الآخَر).

الكربون A يحتوي على ذرات هيدروجين أكثر من الكربون B (2 مقابل 1)؛ لذا تتوقَّع قاعدة ماركوفنيكوف أن الناتج الرئيسي هو 1،1-ثنائي برومو إيثان:

إذن الإجابة هي الخيار (د).

يُمكن التعامُل مع الماء () باعتباره حمضًا في صورة . لكن الماء بمفرده غير متفاعِل بما يكفي ليتفاعَل مع الرابطة الثلاثية كربون-كربون. علينا بدلًا من ذلك إضافة عامل حفَّاز حمضي. عادةً ما يُستخدَم مزيجٌ من كبريتات الزئبق وحمض الكبريتيك.

إذا أجرَيْنا إماهةً للإيثاين، فبدلًا من تكوين إيثان-1،1-ديول، فسيَحدُث شيءٌ آخَر قبل حدوث عملية الإماهة الثانية. هذه هي الإماهة المحفَّزة بالحمض للإيثاين إلى الإيثينول:

في وجود العامل الحفَّاز الحمضي نفسه، يُمكن أن يَخضَع الإيثينول لتفاعُل آخَر يُنتِج مادةً كيميائية دون رابطة كربون-كربون مزدوجة (ألدهيد: إيثانال). وهذا ما يؤدِّي إلى عدم حدوث عملية الإماهة الثانية. وهذا عبارة عن تحويل محفَّز بالحمض للإيثينول إلى إيثانال:

بصفة عامَّة، الإماهة المحفَّزة بالحمض للإيثين تكون على النحو الآتي:

إذا كانت رابطة الكربون-كربون الثلاثية لألكاين غير موجودة في نهاية السلسلة الكربونية (إذا لم نتعامل مع 1-ألكاين)، فسنَحصُل على الكيتون بدلًا من الألدهيد.

يُمكن أن تكون الألدهيدات والكيتونات المتكوِّنة من إماهة الألكاينات موادَّ مولِّدة مُفيدة في عملية إنتاج المواد الكيميائية الأخرى. على سبيل المثال، يُمكن اختزال الإيثانال إلى الإيثانول، أو أكسدته لتكوين حمض الإيثانويك.

كما هو الحال مع المواد الهيدروكربونية الأخرى، تحترق الألكاينات في الأكسجين لإنتاج الكربون وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والماء، حسب درجة الحرارة والكمية النسبية للأكسجين.

والاحتراق التامُّ للألكاينات يَتبع نفس المبادئ التي يَتبعها الاحتراق التامُّ للألكينات أو الألكانات. وتكون النواتج هي ثاني أكسيد الكربون والماء:

يحترق الإيثاين جيدًا، ويتسبَّب في لهب ساخن للغاية إذا خُلِط أولًا مع الأكسجين النقي ( تقريبًا). وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل مشاعل لحام الأكسي أسيتيلين (المشاعل التي تَستخدِم الأكسجين والأسيتيلين معًا) فعَّالة جدًّا في صهْر الفلزات وقطْعها.

يَحدُث الاحتراق غير التامِّ للإيثاين بسهولة إذا سُمِح له بالاشتعال في الهواء بحُرِّية. ويَشتعِل الإيثاين مُنتِجًا لهبًا سُخاميًّا، وهو ما يُشير إلى إنتاج الكربون.

فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضِّح كيف يُحرَق الإيثاين بطريقة غير كاملة، ويُنتِج إمَّا كربونًا نقيًّا (سُخامًا) وإمَّا أول أكسيد الكربون:

لكن يظلُّ لدينا السؤال: «لماذا لا يتفاعَل العامل الحفَّاز الحمضي مع الألكاين؟» وهذا خارج نطاق هذا الشارح، لكن علينا أن ننتبه إليه.

النقاط الرئيسية

• الألكاينات هيدروكربونات غير مُشبَّعة، وصيغتها العامَّة ، بالإضافة إلى رابطة الكربون-كربون الثلاثية، تتكوَّن الألكاينات من روابط كربون مُشبَّعة مع هيدروجين.
• الألكاين الأكثر شيوعًا هو الإيثاين (الأسيتيلين) ()، الذي يُستخدَم في مشاعل لحام الأكسي أسيتيلين وفي الصناعات الكيميائية.
• يُحضَّر الإيثاين، بكميات صغيرة، عادةً بإضافة الماء إلى كربيد الكالسيوم.
• يُصنَّع الإيثاين، بكميات كبيرة، عادةً عن طريق احتراق الميثان جزئيًّا.
• كلما زاد طول سلسلة الكربون في الألكاين، زادت درجة غليانه؛ وهذا يرجع إلى زيادة قوى تشتُّت لندن بين الجزيئات.
• وتَخضَع الألكاينات، مثل الهيدروكربونات الأخرى، إلى الاحتراق، وتُنتِج ثاني أكسيد الكربون والماء (مع الاحتراق التامِّ)، أو خليطًا من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والكربون والماء (مع الاحتراق غير التامِّ).
• تَخضَع الألكاينات لعدد من تفاعُلات الإضافة، كما هو موضَّح في الجدول الآتي.