Samenvatting koolstofchemie 1A Homologe reeksen: Alkanen Alkenen Alkynen CnHn2+2 CnHn2 CnHn2-2 Substitutiereacties Substitutiereactie van halogenen (Cl2, F2, Br2, I2) aan alkanen verlopen alleen als er bestraald wordt met UV-licht. Voorbeeld: ethaan + chloor C2H6 + Cl2 ==> C2H5Cl1 + H1Cl1 verdieping: o.i.v. licht ontstaat uit Chloor Cl2 de zeer reactieve radicaalstof chloryl Cl1 Beschrijf deze initiatiestap met een reactie vergelijking: Cl2 ==> 2 Cl1 Het ontstaan van chloryl kunnen beschrijven met het volgende energie-diagram: Je kunt zien dat deze initiatiestap endotherm is, want het energieniveau van chloryl ligt hoger. Additiereacties Additereacties van halogenen, waterstof (H2) of water (H2O) aan alkenen of alkynen verlopen zonder dat activeringsenergie hoeft te worden toegevoegd, Reactievergelijkingen wanneer etheengas door broomwater wordt geleid: C2H4 + Br2 ==> C2H4Br2 (broom aan alkeen) ( rationele naam vd ontstane stof: 1,2-dibroomethaan) C2H4 + H2O ==> C2H6O1 (water aan alkeen) (rationele naam vd ontstane stof: ethanol) PAGINA 1
Heb ik te maken met een alkaan of alkeen/alkyn? Als je broomwater (in het donker) toevoegt en het wordt niet kleurloos dan had je te maken met een alkaan. (Er vindt geen reactie plaats ) Wordt het wel kleurloos dan heeft er wel reactie plaastgevonden en was de stof een alkeen of alkyn) Verbranding Volledige verbranding van ethaan: 2 C2H6 + 7 O2 ==> 4 CO2 + 6 H2O Hoeveel gram kooldioxide ontstaat er als er 10 liter ethaan volledig verbrand. C2H6 weegt 30g/mol en de dichtheid is 1,36 g/cm 3 (10 10 3 x 1,36 =) 13600 g : 30 = 453 mol ethaan wordt verbrand Dus 453 : 2 x 4 = 906 mol kooldioxide 906 x 44 = 4,0 x 10 4 g kooldioxide Veel verbrandingen van koolwaterstoffen zijn exotherm, daarom kunnen ze worden gebruikt als brandstof: de chemische energie wordt daarbij omgezet in een andere soorten energie Bekendste koolwaterstof is methaan, deze fossiele brandstof zit in aardgas. Ander bekende fossiele brandstoffen steenkool, bruinkool, turf en ook aardolie. Hout is geen fossiele brandstof, want het is nog niet gefossiliseerd. De industriële revolutie begon rond 1840 (stoomtreinen) vanaf toen nam het gebruik van fossiele brandstoffen in een snel tempo toe. Vooral door de makkelijke beschikbaarheid van de brandstoffen. Een gevolg hiervan is de toenemende koolstofdioxideconcentratie in de aardatmosfeer. Volumepercentage CO2 in de aardatmosfeer op dit moment 0,04 % (één significant cijfer) Aanhangers van de broeikastheorie willen maatregelen om de CO2 emissie te beperken. Klimaatsceptici denken dat de gevolgen wel meevallen. Een verondersteld nadelig gevolgd van de toenemende koolstofdioxideconcentratie: opwarming van de aarde. Samenvatting koolstofchemie 1B Ook voor klimaatsceptici is het verstandig om het gebruik van fossiele brandstoffen te beperken, omdat deze er niet zijn in oneindige voorraden. Bovendien zijn koolwaterstoffen grondstof voor veel andere stoffen. Een stof, materiaal of product waarvoor aardolie de grondstof is: (auto)brandstof, kerosine, plastic en cosmetica PAGINA 2
Isomeren Bij de studie naar toepassingen van koolwaterstoffen, -maar ook als je zuiver wetenschappelijk onderzoekt-, kom je erachter dat er verschillende stoffen bestaan waaraan dezelfde chemische formule moet worden toegekend. We noemen dit: isomeren. Isomeren zijn stoffen met dezelfde molecuulformule, maar met een andere structuurformule Zo bestaan er drie stoffen met de chemische formule C4H8 1-buteen 2-buteen 2-methyl-1-propeen Ook voor andere niet-metaal-verbindingen kunnen structuurformules getekend worden. Water Waterstofperoxide H-O-H H-O-O-H Ethanol Methoxymethaan Ethanol en methoxymethaan zijn isomeren van elkaar! 3 van de 4 bovenstaande stoffen reageren met natrium waarbij o.a. waterstof (H2) In de structuur formule is die eigenschap verwerkt met een O-H binding (Alle stoffen met een -O-H groep reageren met natrium) Het aantal bindingen wat een niet-metaal-element kan maken noemen we de covalentie (= het aantal streepjes). Op basis van het aantal te tekenen structuurformules kun je voorspellen hoeveel structuurisomeren (isomere stoffen) er met een zelfde chemische formule bestaan. PAGINA 3
Zo zijn er bijvoorbeeld drie isomere pentanen: Element Covalentie Koolstof ( C ) 4 Waterstof ( H ) 1 Stikstof (N) 3 Fluor (F) 1 Chloor (Cl) 1 Broom (Br) 1 Jood (I) 1 Zuurstof (O) 2 Systematische naam van de drie isomere pentanen: n-pentaan 2-methylbutaan 2,2-dimethylpropaan Vanderwaalskracht en waterstofbruggen Met structuurformules kun je voorspellingen doen over chémische eigenschappen maar ook over twee fýsische eigenschappen van stoffen: kookpunt en oplosbaarheid in water. Als in een structuurformule van een stof een covalente O-H binding, een covalente N-H binding of een covalente F-H binding voorkomt mag je er verwachten dat de betreffende stof een hoger kookpunt heeft dan je op grond van de molmassa zou verwachten én ook dat de stof goed in water oplost. formule C3H8 C2H6O1 Molmassa (g/mol) 44 46 Kookpunt (K) 231 351 Oplosbaarheid in water Niet in alle verhoudingen mengbaar Ter verklaring van het onverwacht hoge kookpunt en het hydrofiele karakter van stoffen met een hydroxygroep OH of een aminogroep NH2 in de structuurformule is door chemici het concept H-brug (waterstofbrug) bedacht. Om dat concept te visualiseren stellen chemici stoffen (met een kookpunt lager dan ongeveer 450 K) voor met bolletjes die ze moleculen noemen. Bij een vaste stof tekenen ze de moleculen netjes gerangschikt in een rooster, stevig aan elkaar vast. Bij een vloeistof bewegen de moleculen los van elkaar maar wel dicht bij elkaar. Bij een gas bewegen de moleculen los van elkaar en ook ver van elkaar. PAGINA 4
De kracht die je moet veronderstellen om te kunnen begrijpen dat moleculen in een rooster dicht bij en aan elkaar blijven zitten hebben chemici Vanderwaalskracht genoemd. Het onverwacht hoge kookpunt van water (en andere stoffen met een OH, -NH en/of F-H in de structuurformule) kan op microniveau verklaard worden als je aanneemt dat er tussen de moleculen een extra aantrekkende kracht werkzaam is, H-bruggen (de gestippelde lijnen): Stoffen die waterstofbruggen kunnen vormen lossen goed op in water. Je mag dus verwachten dat ethanol goed oplost in water. Reacties in structuurformules Omdat er van veel stoffen isomeren bestaan zijn molecuulformules dus niet zo handig voor het gebruik in de koolstofchemie. Daarom worden chemische reacties in de koolstofchemie meestal weergegeven in structuurformules. Additiereactie: Een alkeen kan reageren met bijvoorbeeld een halogeen (F2, Cl2, Br2, I2). Hierbij 'klapt de dubbele binding open en aan weerszijde van deze opengeklapte binding zal een halogeenatoom zich binden. Bijvoorbeeld: Broom en Etheen. Er ontstaat 1,2-dibroomethaan. De additiereactie gaan ook gemakkelijk met waterstof, waterstoffluoride, waterstofchloride, waterstofbromide en water. Substitutiereactie: Onder invloed van licht kun je een alkaan laten reageren met een halogeen (F2, Cl2, Br2). Waterstofatomen uit het alkaanmolecuul worden dan vervangen. Bijvoorbeeld: Broom en Ethaan. Er ontstaat broomethaan en waterstofbromide. Wanneer broom in overmaat wordt toegevoegd zal in opeenvolgende reacties steeds een H-atoom worden vervangen door een broomatoom. Hierbij ontstaat ook steeds weer HBr. PAGINA 5
Bereken hoeveel mol monobroomethaan er kan ontstaan als er 45 gram ethaan volledig reageert zoals beschreven in bovenstaande reactie: Molmassa van ethaan is 30 g/mol 1 : 1 : 1 : 1 is de molverhouding Dus 45 : 30 = 1,5 mol ethaan verdwijnt er, dus ook 1,5 mol monobroomethaan ontstaat er. PAGINA 6
Verdieping: Bij de beantwoording van bovenstaande vraag heb je de reactievergelijking geïnterpreteerd op macroniveau, omdat je rekent in mol en gram (= macro, kun je zien) en niet per molecuul ( = micro). In BINAS-tabel 58 kun je opzoeken hoeveel energie het kost per mol om een covalente binding te verbreken: die energie wordt de bindingsenergie genoemd. Energiediagram voor de reactie waarbij uit broom bromyl ontstaat. De hoeveelheid energie die nodig is om uit 1 mol chloor chloryl te maken is 2,43 10 5 J Voor het laten ontstaan van bromyl uit broom hoeft de kwaliteit van de ingestraalde lichtenergie niet zo hoog te zijn als bij de reactie waarbij chloryl ontstaat uit chloor. Ook dit kun je afleiden uit de bindinsenergie, maar daarvoor is wel een redenering op microniveau nodig. Met bindingsenergieën zoals vermeld in BINAS-tabel 58 kun je berekenen hoeveel energie bij een reactie vrijkomt of nodig is. Bromering van methaan: methaan + broom à monobroommethaan + broomwaterstof Verbreken C-H-binding 4,1 10 5 J Verbrken Cl-Cl-binding 1,93 10 5 J + Totaal nodig: 6,03 10 5 J Ontstaan C-Br-binding 2,8 10 5 J Ontstaan H-Br-binding 3,66 10 5 J + Totaal ontstaan 6,46 10 5 J Dus in totaal komt er vrij : 6,46 10 5 J 6,03 10 5 J = 0,43 10 5 J Een beschrijving op microniveau ziet er op basis van deze vergelijking als volgt uit: in een methaanmolecuul wordt een covalente C-H-binding verbroken, in een broommolecuul wordt een covalente Br-Br-binding verbroken, er wordt een covalente C-Br-binding gevormd en er wordt een covalente H-Br-binding gevormd PAGINA 7
Samenvatting koolstofchemie 1C Condensatiereacties Een O-H-binding in de structuurformule betekent niet alleen dat de betreffende stof met natrium kan reageren maar ook dat er door reactie met een (ander) alcohol een ether en water kan ontstaan. reactie 1 Methanol + ethanol een ether + water Wat gebeurt en dan dus: Zo ontstaat een ester en water wanneer een alcohol reageert met een carbonzuur reactie 2 2-propanol + ethaanzuur een ester + water Wat gebeurt en dan dus: PAGINA 8
Wanneer een amine reageert met een carbonzuur ontstaat een amide en water reactie 3 Ethaanamine + propaanzuur een amide + water Wat gebeurt en dan dus: Bij esters en amiden is de stam van de systematische naam niet afgeleid van de langste onvertakte keten van C s in de structuurformule maar van de naam van het carbonzuur waaruit ester of amide kunnen ontstaan. Stof ontstaan bij reactie: reactie 2 Ester Structuurformule Rationele naam reactie 3 Amide reactie 1 Ether Polymerisatie Bij condensatiepolymerisatie wordt uitgegaan van moleculen die twee functionele groepen hebben, bijvoorbeeld een combinatie van carbonzuurgroepen (-COOH), aminegroepen (-NH2) en alcoholgroepen (-OH). Polymeren die door condensatiepolymerisatie worden gevormd zijn: Polyamide: door reactie van carbonzuurgroepen met aminegroepen. Polyester: door reactie van carbonzuurgroepenen met alcoholgroepen (zie reactievergelijking) PAGINA 9
Polycondensatie komt voor bij maken van eiwitten uit losse aminozuren (zie onderstaande vergelijking) en het maken van vetten uit vetzuren en een alcohol. Het omgekeerde van polycondensatie is hydrolyse. Hydrolyse: ester +water ==> alcohol + carbonzuur Reacties waarbij een ester met water reageert tot een alcohol en een carbonzuur noemen we een hydrolyse (hydro=water, lyse=kapot maken) Zoals je kunt zien is deze hydrolyse de omgekeerde reactie van een verestering (=vorming van een ester) Niet-aflopende reactie, evenwichtstoestand, evenwichtsverschuiving Een reactie die niet doorgaat totdat één van de beginstoffen helemaal verdwenen is, wordt een niet-aflopende reactie genoemd. We geven een niet aflopende reactie aan met een dubbele pijl (zie onder) Een voorbeeld van een niet aflopende reactie is de vorming van een ester. Als een alcohol en een carbonzuur onder de juiste omstandigheden worden samengevoegd zal er een verestering PAGINA 10
plaatsvinden. Er ontstaat een ester en water. Echter een ester en water kunnen ook samen weer een alcohol en een carbonzuur vormen (hydrolyse). Hierdoor zullen de beginstoffen nooit helemaal verdwijnen. De concentratie van de stoffen in het mengsel van stoffen zal na verloop van tijd niet meer veranderen. Die samenstelling noemen we de evenwichtstoestand. In het mengsel zal deze evenwichtstoestand zoveel mogelijk worden gehandhaafd. Wanneer men de concentratie van een stof in het mengsel verandert zal het evenwicht gaan verschuiven. Bijvoorbeeld: - Als er wat ester verdwijnt doordat het verdampt zal er ester bij geproduceerd moeten worden om de evenwichtstoestand te herstellen. We zeggen dan 'het evenwicht verschuift naar rechts'. - Als er wat extra water wordt toegevoegd aan het mengsel zal er wat water moeten verdwijnen. Het 'evenwicht verschuift naar links' PAGINA 11
Bijlage: Systematische naamgeving in de koolstofchemie Als we in de koolstofchemie stoffen via de systematische naamgeving gaan benoemen stellen we ons de volgende vragen: 1. Wat is de langste keten (hoofdketen)? 2. Welke zijgroep en/of karakteristieke groep is hieraan gebonden? 3. Hoeveel zijgroepen en/of karakteristieke groepen zijn aanwezig? 4. Welke groep heeft de hoogste prioriteit (voorrangsregels)? 5. Op welke plaats bevinden de groepen zich? De langste onvertakte koolstofketen vormt de hoofdketen. De naam van de hoofdketen is de stamnaam. Aantal C atomen in hoofdketen stamnaam 1 methaan 2 ethaan 3 propaan 4 butaan 5 pentaan 6 hexaan 7 heptaan 8 octaan 9 nonaan 10 decaan Alle koolstofatomen/-ketens die niet tot de hoofdketen behoren zijn zijgroepen. We noemen deze ook wel akylgroepen. Alkylgroep -CH3 -CH2-CH3 -CH2-CH2-CH3 Naam methyl ethyl propyl (1-methylethyl) of isopropyl Zijgroepen kunnen ook iets anders zijn dan een alkylgroep. Deze zijgroepen noemen we karakteristieke (of functionele) groepen. Dit zijn bijvoorbeeld de halogeenatomen (-F, -Cl, -Br, - I). PAGINA 12
In de systematische naamgeving gelden een aantal regels met betrekking tot zijgroepen: De plaats van de zijgroepen worden aangegeven met een plaatsnummer. De plaatsnummers moeten zo klein mogelijk zijn. Als er geen verwarring mogelijk is mag je het plaatsnummer weglaten. Als er van een zijgroep meer dan één in de structuurformule voorkomt krijgt de naam van die zijgroep een numeriek voorvoegsel (di, tri, tetra, enzovoorts). Iedere zijgroep moet wel zijn eigen plaatsnummer krijgen. Het numeriek voorvoegsel mono wordt meestal weggelaten. Bij verschillende zijgroepen in een structuurformule houden we een alfabetische volgorde aan. Hierbij let je niet op de numerieke voorvoegsels. Een dubbele of drievoudige binding tussen de koolstofatomen is ook een karakteristieke groep. Bij aanwezigheid van een dubbele binding verandert de -aan in de stamnaam in -een. Dit zijn de alkenen. Bij aanwezigheid van een drievoudige binding verandert de -aan in de stamnaam in -yn. Dit zijn de alkynen. Bij meerdere dubbele of drievoudige bindingen in een structuurformule wordt het aantal aangegeven met een numeriek voorvoegsel (bv. bij twee dubbele bindingen -dieen). Iedere dubbele of drievoudige binding krijgt een plaatsnummer (het nummer waar de binding begint). Alcoholen Het kenmerk van alcohol is de -OH groep (hydroxylgroep). Als in een alkaanmolecuul één H atoom wordt verwisselt voor een OH groep, is het een alkanol. 1-propanol is een primaire alkanol. 2-propanol is een secundair alkanolen. Het aantal C atomen dat aan het C atoom zit gebonden, waaraan ook de hydroxylgroep zit bepaald of het een primaire, secundaire of tertiaire alcohol is. Aldehyden en ketonen: Aldehyden zijn stoffen met aan een primair koolstofatoom een zuurstofatoom gebonden met een dubbele binding. Deze stoffen hebben het achtervoegsel "al": alkanal. Een bekend voorbeeld is methanaloplossing: formaline, beter bekend als sterk water. Ketonen zijn stoffen met aan een secundair koolstofatoom een zuurstofatoom gebonden met een dubbele binding. Deze stoffen hebben het achtervoegsel "on": alkanon. Een bekend voorbeeld is propanon: aceton. Ethers (Alkoxyalkanen): Ethers zijn isomeren van alcoholen, maar zij hebben een R-O-R groep als karakteristieke groep (waarbij R een willekeurige koolwaterstofketen voorstelt). Deze stoffen zijn voorbeelden van ethers, stoffen die amper reageren en heel erg brandbaar zijn. PAGINA 13
Aminen en alkaanzuren Aminen zijn alkanen met een -NH2 groep. Deze stoffen krijgen het achtervoegsel "amine" of het voorvoegsel "amino". Alkaanzuren zijn alkanen die een een -COOH groep hebben. Aan het C atoom zit dan een OH groep vast en een O groep met dubbele binding. Zulke stoffen krijgen het achtervoegsel "zuur". Voorrangsregels: Let op: In namen wordt maar 1 achtervoegsel gebruikt (bijv: -ol, -al, -on) Het achtervoegsel dat het hoogst vermeld staat in BiNaS tabel 66D heeft daarbij 'voorrang'. De andere karakteristieke groep(en) vind je als voorvoegsel terug. Bijvoorbeeld: de hier afgebeelde stof heeft een primaire =O groep en -OH groep. Volgens tabel 66D heeft de =O groep de hoogste prioriteit en krijgt deze groep het achtervoegsel. De naam zal dus eindigen op -al. De -OH groep krijgt het voorvoegsel (=hydroxy). De naam wordt dus 3-hydroxy-butanal. PAGINA 14