ملخص الوحدة التاسعة: الهيدروكربونات والهالوجينوألكانات لمادة الكيمياء للصف الحادي عشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

نقدم لكم ملخص الوحدة التاسعة: الهيدروكربونات والهالوجينوألكانات لمادة الكيمياء للصف الحادي عشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

مقدمة: النفط الخام والهالوجينوألكانات

النفط الخام هو المصدر الرئيسي للوقود الأحفوري، ويُستخرج من طبقات الصخور المسامية في القشرة الأرضية. يتكون من مخلوط معقد من الهيدروكربونات (ألكانات خطية، متفرعة، وحلقية). وتُنتج سلطنة عُمان نحو مليون برميل يوميًا.

تُعالَج النفط في المصافي بعملية التقطير التجزيئي التي تفصل المخلوط إلى مشتقات بحسب درجات الغليان. ومن أهم المشتقات: الجازولين (بنزين السيارات) والنفثا (مادة خام صناعية).

الهالوجينوألكانات مركبات مستخدمة في العمليات الصناعية، بعضها خامل كالكلوروفلوروكربونات (CFCs) التي كانت تُستخدم في مستحضرات التبريد والبخّاخات، إلا أنها دمّرت طبقة الأوزون وباتت محظورة دوليًا. ذلك لأن جذور الكلور الناتجة منها قادرة على تدمير ملايين جزيئات الأوزون.

1-9: الألكانات وتفاعلاتها

خصائص الألكانات وضعف نشاطها الكيميائي

الألكانات أبسط الهيدروكربونات وأكثرها شيوعًا، صيغتها العامة CₙH₂ₙ₊₂. كل ذرات كربونها من التهجين sp³ وكل روابطها أحادية، لذا تُسمى هيدروكربونات مشبعة.

ضعف نشاطها الكيميائي يعود إلى:

• الفرق الضئيل في السالبية الكهربائية بين C وH → روابط شبه غير قطبية.
• عدم وجود شحنة جزئية موجبة (δ+) على C → لا يُهاجَم من النيوكليوفيلات.
• عدم وجود مناطق كثافة إلكترونية عالية → لا يُهاجَم من الإلكتروفيلات.

الألكانات لا تمتزج مع الماء، وتُكوّن معه طبقتين منفصلتين.

احتراق الألكانات

الاحتراق الكامل (في وفرة من الأكسجين): CₙH₂ₙ₊₂ + O₂ → CO₂ + H₂O مثال: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

الاحتراق غير الكامل (في نقص الأكسجين): ينتج عنه: CO (أحادي أكسيد الكربون السام) + جسيمات كربونية (سخام) + ماء.

الآثار البيئية لاحتراق الوقود في المركبات

1. أحادي أكسيد الكربون (CO): غاز سام، يرتبط بالهيموجلوبين أكثر من O₂ فيُسبب اختناقًا.
2. أكاسيد النيتروجين (NOₓ): تتكون عند درجات حرارة محركات المرتفعة بسبب تفاعل N₂ وO₂ في الهواء، وتُسبب الأمطار الحمضية ومشاكل تنفسية.
3. الهيدروكربونات غير المحترقة: تساهم في تكوين الضباب الدخاني الكيميائي.

تحويل الملوثات: تُستخدم المحوّلات الحفازة في عوادم السيارات لتحويل الملوثات إلى غازات غير ضارة:

• CO + ½O₂ → CO₂
• 2NO → N₂ + O₂

2-9 و3-9: الاستبدال بالجذور الحرة في الألكانات

آلية التفاعل

تتفاعل الألكانات مع الكلور (Cl₂) أو البروم (Br₂) بتأثير الأشعة فوق البنفسجية (UV) عبر آلية الجذور الحرة بثلاث مراحل:

1. مرحلة الابتداء (Initiation): تمتص جزيئة Cl₂ طاقة الأشعة فوق البنفسجية فتنشطر انشطارًا متجانسًا إلى جذرين حرين: Cl₂ → 2Cl•

2. مرحلة الانتشار (Propagation): تسلسل من التفاعلات لاستمرار الجذور الحرة وتكوين الناتج:

• Cl• + CH₄ → HCl + CH₃•
• CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•

3. مرحلة الإيقاف (Termination): عند تحد جذرين حرين وتكوين جزيء مستقر:

• Cl• + Cl• → Cl₂
• CH₃• + Cl• → CH₃Cl
• CH₃• + CH₃• → C₂H₆

ملاحظة: تنتج خليطًا من مشتقات الكلور المتعددة (كلورة متعددة) بسبب تفاعلات الانتشار المتتالية.

4-9 و5-9: الألكينات وتفاعلات الإضافة الإلكتروفيلية

خصائص الألكينات

الألكينات هيدروكربونات غير مشبعة تحتوي على رابطة C=C، صيغتها العامة CₙH₂ₙ. كثافة إلكترونية الرابطة π تجعلها قابلة للهجوم من الإلكتروفيلات.

تفاعلات الإضافة

أ) إضافة الهيدروجين (الهدرجة): CₙH₂ₙ + H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ — بوجود عامل حفاز Pt أو Ni والحرارة.

ب) إضافة الهالوجين: إيثين + Br₂ → 1,2-ثنائي بروموإيثان — يحدث عند درجة حرارة الغرفة. يُستخدم كاختبار للألكينات: تُخفّف المحلول البرتقالي-البني لبروم الماء فيصبح عديم اللون.

ج) إضافة هاليد الهيدروجين (HX): إيثين + HBr → بروموإيثان — عند درجة حرارة الغرفة. لألكينات غير المتماثلة تُطبَّق قاعدة ماركوفنيكوف: يرتبط H بذرة الكربون الأكثر ارتباطًا بـ H، ويرتبط X بذرة الكربون الأقل ارتباطًا بـ H.

آلية الإضافة الإلكتروفيلية:

1. تقترب جزيئة HBr من الرابطة π الغنية بالإلكترونات.
2. ترتبط H بذرة كربون مُكوِّنةً كاتيون كربوني (كربوكاتيون).
3. Br⁻ يُهاجم الكاتيون الكربوني بوصفه نيوكليوفيلًا. استقرار الكاتيون الكربوني: ثالثي > ثانوي > أولي (بسبب التأثير الحثي للمجموعات الألكيلية).

د) إضافة الماء (الترطيب): إيثين + H₂O(g) → إيثانول — بوجود H₃PO₄ كعامل حفاز.

هـ) أكسدة الألكينات: في وجود محلول KMnO₄ مخفف وبارد، ينتج ثنائي الكحول (الديول): إيثين + KMnO₄ + H₂O → إيثان-1,2-ديول

6-9 و7-9: الهالوجينوألكانات — تحضيرها وتصنيفها

تصنيف الهالوجينوألكانات

بحسب موضع ذرة الهالوجين:

• أولية: ذرة C المرتبطة بالهالوجين ترتبط بكربون واحد آخر فقط.
• ثانوية: ذرة C المرتبطة بالهالوجين ترتبط بكربونين آخرين.
• ثالثية: ذرة C المرتبطة بالهالوجين ترتبط بثلاثة كربونات أخرى.

طرق تحضير الهالوجينوألكانات

1. من الألكانات: تفاعل استبدال بالجذور الحرة مع Cl₂ أو Br₂ بتأثير الأشعة فوق البنفسجية.
2. من الألكينات: تفاعل إضافة إلكتروفيلية مع X₂ أو HX.
3. من الكحولات: استبدال مجموعة OH بـ X باستخدام:
   • HX
   • KBr + H₂SO₄
   • PCl₅ أو SOCl₂

8-9 و9-9: تفاعلات الهالوجينوألكانات

الاستبدال النيوكليوفيلي (SN)

مع محلول NaOH(aq) مع التسخين: يُنتج الكحول. CH₃CH₂Br + NaOH(aq) → CH₃CH₂OH + NaBr

آلية الاستبدال النيوكليوفيلي في الهالوجينوألكانات الأولية: يُهاجم OH⁻ (نيوكليوفيل) ذرة الكربون المرتبطة بالهالوجين حاملًا الشحنة الجزئية الموجبة (δ+) من الجهة الخلفية، فيتشكل حالة انتقالية متحللة بعدها لينطلق X⁻.

مع نترات الفضة في الإيثانول: لتحديد نوع الهالوجين:

• Cl⁻ → راسب أبيض من AgCl
• Br⁻ → راسب أصفر شاحب من AgBr
• I⁻ → راسب أصفر من AgI

10-9 و11-9: تفاعلات الإزالة والنشاط الكيميائي

تفاعل الإزالة للهالوجينوألكانات

مع NaOH في الإيثانول مع التسخين: يُنتج الألكين. CH₃CH₂Br + NaOH (إيثانول) → CH₂=CH₂ + NaBr + H₂O

الفرق بين ظروف الاستبدال والإزالة:

• المحلول المائي (NaOH في الماء) يُفضل الاستبدال.
• المحلول الكحولي (NaOH في الإيثانول) يُفضل الإزالة.

النشاط الكيميائي للهالوجينوألكانات وأثر طبيعة الهالوجين

قوة الرابطة C-X تتناقص في الاتجاه: C-F > C-Cl > C-Br > C-I رغم أن رابطة C-F هي الأقطب، إلا أن سهولة التفاعل تزداد من F إلى I بسبب ضعف طاقة الرابطة.

• الهالوجينوألكانات الكلورية تتفاعل ببطء.
• الهالوجينوألكانات البرومية تتفاعل بسرعة معتدلة.
• الهالوجينوألكانات اليودية تتفاعل بسرعة أكبر.