11. tétel
A telített, a telítetlen és az aromás szénhidrogének és legfontosabb képviselőik

A szénhidrogének a legegyszerűbb összetételű szerves vegyületek Csak szén– és hidrogénatomokat tartalmaznak, nevük is erre utal. A legegyszerűbb szénhidrogén a metán, ebben a molekulában a szénatom mind a négy vegyértéke hidrogénatomhoz kapcsolódik. Sztöchiometriai összetételük és szerkezetük igen változatos. A szénhidrogéneket hagyományosan az alapján csoportosítják, hogy a bennük található szénatomok között csak egyszeres kötések találhatók, vagy a molekulák két– vagy háromszoros kötéseket is tartalmaznak. A természetben nagy mennyiségben megtalálhatók a kőolajban és a földgázban. Nagy mennyiségű szénhidrogént égetnek el energiatermelés céljából, emellett a szénhidrogének igen fontos kémiai alapanyagok. A szénhidrogének feldolgozásával és átalakításával a petrolkémia foglalkozik, ami a vegyipar egyik legfontosabb ága.

Csoportosításuk:

A szénhidrogének között megkülönböztetnek telített és telítetlen szénhidrogéneket az alapján, hogy a szénatomok között csak egyszeres kötések találhatók, vagy a molekulák tartalmaznak két– vagy háromszoros kötéseket is. A telített szénhidrogénekben a szénatomok vegyértékének megfelelő maximális számú hidrogénatom található. A szénatomok csak egyszeres kötésekkel kapcsolódnak össze bennük. Az alkánok (vagy paraffinok) nyílt láncú telített szénhidrogének. Általános összegképletük C_nH_2n+2. Alkánok például a metán (a legegyszerűbb alkán) a propán és az izobután.^[5]

Telített szénhidrogének a cikloalkánok vagy cikloparaffinok is. Ezek abban különböznek a nyílt láncú alkánoktól, hogy a szénvázuk egy vagy több gyűrűt tartalmaz. A monocikloalkánokban, tehát az egy gyűrűt tartalmazó képviselőikben kettővel kevesebb hidrogénatom található, mint a velük megegyező szénatomszámú alkánokban. Általános összegképletük ezért C_nH_2n.^[1] Cikloalkánok például a ciklopentán és a dekalin.

A telítetlen szénhidrogének abban különböznek a telítettektől, hogy kevesebb hidrogénatomot tartalmaznak, mint az azonos szénatomszámú, telített szénhidrogének. A telítetlen szénhidrogéneket három csoportra osztják, ezek az alkének, az alkinek és az aromás szénhidrogének. Ezek közül az alkének egy vagy több szén-szén kétszeres kötést tartalmaznak. A legegyszerűbb alkén az etilén vagy etén. Az alkének között is találhatók nyílt és zárt szénláncúak (gyűrűsek). Az egy kettős kötést tartalmazó nyílt láncú alkének, a monoolefinek általános összegképlete C_nH_2n. Alkének például a butadién és a ciklohexén.

Az alkinek (vagy acetilén-szénhidrogének) egy vagy több háromszoros szén-szén kötést tartalmazó szénhidrogének. A legegyszerűbb képviselőjük az acetilén. Léteznek zárt szénláncú (gyűrűs) alkinek is. Az egy háromszoros kötést tartalmazó alkinek általános összegképlete C_nH_2n-2. Alkin az acetilén mellett például a butadiin is.

A telítetlen szénhidrogének közé tartoznak az aromás szénhidrogének is. Ezek a vegyületek mindig tartalmaznak legalább egy gyűrűt. Gyakran több gyűrű is található a molekulájukban. Jellegzetes aromás kötésrendszert tartalmaznak. Az aromás szénhidrogénekre példa a benzol és a naftalin. A nem aromás vegyületeket alifás vegyületeknek nevezik.

Metán (CH₄)

A metán egy telített szénhidrogén, az alkánok (paraffinok) homológ sorának első tagja. Összegképlete C H₄, szerkezete: a központi atom, a C atom körül a ligandumok, a H atomok tetraéderesen helyezkednek el. A C-H kötésszög 109,5 fokos. A molekulában 4 szigma-kötés található.

Fizikai tulajdonságai:

Színtelen, szagtalan gáz. A metán apoláris molekula, mivel a ligandumok azonosak és a központi atomon nincs nemkötő elektronpár. Molekularácsban kristályosodik, halmazában gyenge diszperziós kölcsönhatások lépnek fel. Vízben nem, apoláris oldószerekben jól oldódik, ezért víz alatt fel lehet fogni. Alacsony olvadás-forráspontú anyag a gyenge kötőerők miatt. Levegőnél kisebb sűrűségű, ezért felfelé száll, szájával lefelé fordított kémcsőben lehet felfogni. Levegővel robbanóelegyet alkot (sújtólég).

Kémiai tulajdonságok:

elégethető, égése tökéletes, mivel a C tartalom nem magas:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Nem reakcióképes vegyület, mivel nem tartalmaz kettőst kötést. Szubsztitúciós reakcióba pl.: klórral nehezen vihető:

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl (klórmetán) + HCl

CH₄ + 2Cl₂ = CH₂Cl₂ (diklórmetán) + 2HCl

CH₄ + 3Cl₂ = CHCl₃ (triklórmetán, kloroform) + 3 HCl

CH₄ + 4Cl₂ = CCl₄ (tertaklórmetán, szén-tetraklorid) + 4 HCl

A szubsztitúció során a metán egy hidrogénje egy klóratomra cserélődött ki, metil-klorid keletkezett hidrogén-klorid mellett. A paraffinok jellemző reakciója a hőbontás (krakkolás), mikor magas hőmérsékleten több vegyületre bomlanak:

2CH₄ = C₂H₂ + 3H₂

2CH₄ = C₂H₄ + 2H₂

Ipari szempontból fontos reakciója a vízgőzzel való reakció (Ni katalizátor és magas hőmérséklet):

CH₄ + H₂O(g) = CO + 3H₂

A CO-H₂ bármilyen arányú elegye a szintézisgáz.

Előfordulás, előállítás:

A metán a földgáz fő alkotórésze, előfordul még kisebb mennyiségben a kőolajban is. Keletkezhet állati és növényi részek rothadásakor. A metanogén baktériumok tevékenységének eredményeképpen fejlődő mocsárgáz is jelentős metántartalmú gázelegy. Gyakran öngyulladó foszfor-hidrogén is van benne, így a keletkező metán is meggyullad: ez a lidércfény. Előfordul még a szénbányákban, a metán okozza a sújtólégrobbanást. Általában földgázból állítják elő.

Felhasználás:

Égése erősen exoterm reakció, így fűtésre használják. Vízgőzzel való reakciójakor keletkezik a szintézisgáz (CO és H₂ bármilyen arányú elegye), melyből sok fontos szerves vegyületet pl.: metil-alkoholt vagy metanalt állíthatnak elő. Tehát fontos vegyipari alapanyag.

Etilén (CH₂=CH₂)

Az etilén (IUPAC neve etén) egy C₂H₄ összegképletű szerves vegyület. Az alkének legegyszerűbb képviselője, telítetlen szénhidrogén. Színtelen, kormozó lánggal égő gáz. Molekulája apoláris, vízben rosszul, szerves oldószerekben (például toluolban, éterben) jól oldódik. Jelentősége nagy, etilénből gyártják a polietilént, ami fontos műanyag. Növényi hormon, gyorsítja a gyümölcsök érését és szabályozza a növények virágzását.

Fizikai tulajdonságai:

Színtelen, nem mérgező, édeskés szagú gáz. Levegőnél kisebb sűrűségű. Vízben rosszul oldódik (apoláris). Molekulái között gyenge másodrendű kölcsönhatások lépnek fel, ezért olvadás- (-169 °C) és forráspontja (-104 °C) is alacsony.

Kémiai tulajdonságai:

Az etilén az alkének közé tartozik, az alkének az alkánokkal ellentétben nagyon reakcióképesek. A nagy reakciókészség a telítetlen kötéssel magyarázható.

Égése

Az etilén meggyújtásakor világító, kormozó lánggal ég. A kormozó láng arra utal, hogy az etilén égése magas szén- és alacsony hidrogéntartalma miatt nem tökéletes. A világító láng azzal magyarázható, hogy az el nem égett koromszemcsék izzanak.

Az égés reakcióegyenlete (tökéletes égés esetén):

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + 3 \ O_2 \longrightarrow 2\ H_2O + 2 \ CO_2}$

Az etilén levegővel robbanóelegyet alkot.

Addíciós reakciói

Az etilén kétszeres kötése igen hajlamos addíciós reakciókra. Addíciós reakcióban két vagy több molekula egyesül, melléktermék nem képződik. Az etilén könnyen addícionál halogéneket. A reakció brómmal a következő egyenlet szerint játszódik le:

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \longrightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}$

A folyamatban 1,2-dibrómetán képződik. Hidrogén-halogenidekkel is addíciós reakcióba lép, hidrogén-klorid addíciójakor például klór-etán keletkezik:

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + HCl \longrightarrow CH_3{-}CH_2Cl}$

Katalizátor (például finom eloszlású platina) jelenlétében hidrogénnel addíciós reakcióba vihető, telíthető. Az etilén telítésekor etán keletkezik.

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \longrightarrow CH_3{-}CH_3}$

A hidrogén-halogenidekkel analóg módon addícionál kénsavat is, etil-hidrogénszulfát (savanyú kénsavészter) keletkezése közben.

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2SO_4 \longrightarrow CH_3{-}CH_2{-}OSO_2OH}$

Az etilén vízaddíciója kénsav jelenlétében megy végbe. Az etilén először kénsavat addicionál, majd a keletkező etil-hidrogénszulfát hidrolízise során etanol képződik:

$\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OSO_2OH + H_2O \longrightarrow C_2H_5OH + H_2SO_4}$

Szén-monoxid és hidrogén addíciója etilénre propionaldehidet eredményez.

$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 + CO \longrightarrow CH_3{-}CH_2{-}CHO}$

Oxidációs reakciók

Az etilén enyhe oxidációjakor (H₂O₂ vagy lúgos közegben KMnO₄ hatására) egy epoxid (etilén-oxid) jön létre átmeneti termékként, majd az etilén-oxid etilénglikollá hidrolizál. Az epoxidok háromtagú oxigéntartalmú gyűrűt tartalmazó heterociklusos vegyületek. Az etilén-oxid szerkezete az éterekre hasonlít (gyűrűs éternek tekinthető). Nagyon reakcióképes, könnyen bomlik.

Az etilén enyhe oxidációja

Az etilén erőteljes oxidációjakor (KMnO₄ hatására kénsavas közegben) a telítetlen kötés felhasad és két molekula hangyasav képződik.

Szintén az etilén oxidációs reakciói közé tartozik az ozonidos lebontása is. Az ozonidos lebontás ózongáz hatására játszódik le. A folyamat lánchasadással jár. A lebontás során gyűrűs termék keletkezik. A képződő ozonid robbanékony vegyület. Az ozonidot többféleképpen el lehet bontani, hidrolízise során például aldehid keletkezik.

Etilénből és ecetsavból oxigén és katalizátor jelenlétében vinil-acetát keletkezik. Ez egy több lépésben lejátszódó oxidációs reakció.

$\mathrm{CH_3{-}COOH + CH_2{=}CH_2 \longrightarrow CH_3{-}COO{-}CH{=}CH_2 + H_2O}$

Polimerizáció (poliaddíció)

A poliaddíció a polimerizáció egyik fajtája. Több etilénmolekula kapcsolódik össze makromolekulává, polimerré. A poliaddíció során az addícióhoz hasonlóan nem keletkezik melléktermék. Az etilén polimerizációja katalizátor hatására megy végbe. A polimerizáció során polietilén képződik.

$\mathrm{n \ CH_2{=}CH_2 \longrightarrow [-CH_2{-}CH_2-]_n}$

Előállítása:

Az etilén ipari méretekben kőolaj vagy földgáz krakkolásával állítható elő. A krakkgázok jelentős mennyiségű etilént tartalmaznak. Laboratóriumban előállítható etanolból kénsavval vízelvonással vagy 1,2-dibrómetánból (vagy 1,2-diklóretánból) eliminációval. Az elimináció cink hatására játszódik le a dibrómetán (vagy diklóretán) alkoholos oldatának melegítésekor.

$\mathrm{C_2H_5OH \longrightarrow CH_2{=}CH_2 + H_2O}$

$\mathrm{BrCH_2{-}CH_2Br + Zn \longrightarrow CH_2{=}CH_2 + ZnBr_2}$

Biológiai jelentősége:

Az etilén növényi hormon, a gyümölcsök érését gyorsítja, és a növények virágzására hat. A magvak csírázását, és a hagymák és a gumók kihajtását befolyásolja. Az etilént a kertészetben és a gyümölcstermesztésben is felhasználják hormonhatása miatt, mivel a zölden szedett gyümölcsöknek (például banánnak) segíti az utóérését, és időzíthető vele egyes dísznövények virágzása (bizonyos határok között).

Acetilén

Az acetilén (etin, C₂H₂), gáz halmazállapotú, telítetlen szénhidrogén. Az acetilént Edmund Davy ír kémikus állította elő 1836-ban.

Előállítása:

Kalcium-karbid (CaC₂) és víz reakciójából lehet előállítani, vagyis a kalcium-karbid vízzel érintkezve acetiléngázt fejleszt. A reakció heves hőfejlődéssel jár, miközben karbidmész-iszap keletkezik. 1 kg karbidból elméletileg 347 liter acetilén gáz fejleszthető. A gyakorlatban ez a karbid szemcsenagyságától, tisztaságától függően 200-300 liter gáz.

Mivel a karbidgyártás a nagy energiaigénye miatt nagyon költséges, ezért ipari méretekben (hazánkban is) inkább metánból állítják elő.

2 CH₄ → C₂H₂ + 3 H₂

Jellemzői:

Az acetilén rendkívül labilis, könnyen szétesik alkotóelemeire, intenzív hőfejlődés mellett. Igen érzékeny a nyomásra és a hőre. Nem mérgező, színtelen és szagtalan gáz, de légköri nyomáson oxigénnel keveredve már 160 °C-on vagy 1,5-2 bar nyomás felett, oxigén jelenléte nélkül is, környezeti hőmérsékleten hajlamos a bomlásra és robbanásra!
Az „A” tűzveszélyességi osztályba tartozik, gyulladási hőmérséklete 335 °C, robbanási határértéke igen tág: 1,5-82 (oxigénnel 93) térfogatszázalék között mozog.
Az acetilén 22 bar nyomáson 0 °C-on cseppfolyósodik (légköri nyomáson −83,4 °C a forráspontja), folyékony állapotában rendkívül veszélyes robbanóanyag!
1 kg acetilén bomlási energiája majdnem 2 kg trinitro-toluol (TNT) energiamennyiségével egyenértékű!
Az ipari felhasználásra gyártott gáz kis mértékben más gázokat is tartalmaz (például foszforhidrogént), ami az acetilén édeskés szagát adja.

Felhasználási területei:

Hegesztés és lángvágás

Az acetilénnel történő hegesztés két módon történhet:

gázfejlesztőből nyert gázzal
palackban tárolt gázzal

A gázfejlesztő készülékek két alaptípusba sorolhatók:

a karbid adagolása a vízbe
víz adagolása a karbidhoz

Mindkettőnek azonos a működési elve: a fejlesztett gázt többlépcsős szűrési eljárás után azonnal felhasználják.

A másik mód a palackos felhasználás ez a dissous gáz

Világítás

Két főtípusa van:

a kisebb méretű karbidlámpák, amelyeket a bányászatban, barlangászatban, autókon, hintókon, alkalmaztak és alkalmaznak. Ezeknél a gázfejlesztő tartályból egy rövid cső segítségével azonnal az égőfejhez vezetik a gázt, és ott meggyújtva használják.
közvilágítás célt szolgáló lámpák, ahol központi gázfejlesztő egységből hosszú csővezetéken vezetik a lámpaoszlopokra az acetiléngázt.

A világon elsőként Tatán, 1897. július 24-én este fél kilenckor, 21 helyen, gyulladtak fel utcai acetilénlámpák.

Műanyaggyártás

Az etin savaddíciója sósavval:

C₂H₂ + HCl → CH₂=CH–Cl (vinil-klorid)

A vinil-kloridot katalizátorral polimerizálják, ebből keletkezik a poli-vinil-klorid (PVC).

Műgumit és másfajta műanyagot is előállítanak acetilénből.

Egyéb felhasználások

Az etinből két lépéssel etén, majd etán keletkezik (hidrogénaddíció).

C₂H₂ + H₂,katalizátor → C₂H₄

C₂H₄ + H₂,katalizátor → C₂H₆

Az etin halogénaddíciója is hasonlóan történik, katalizátor nélkül.

Benzol (C₆H₆)

A benzol a legegyszerűbb aromás szénhidrogén. Képlete: C₆H₆. Színtelen, jellegzetes szagú folyadék. Vízben oldhatatlan, de korlátlanul elegyedik a legtöbb szerves oldószerrel. A természetben megtalálható a kőszénkátrányban. A gyártásának a fő alapanyaga a kőolaj. Főként benzin katalitikus reformálásával állítják elő. Számos vegyület gyártása benzolból indul ki. Mérgező, rákkeltő hatású vegyület.

Tulajdonságai:

Színtelen, mozgékony folyadék; szaga kellemetlen, könnyen párolog. Sűrűsége 20 °C -on 0,880 g/cm³; forráspontja 80,5 °C. Az olvadó jég hőmérsékletére lehűtve kristályos tömeggé dermed, amely 6 °C-on megolvad. Vízben alig oldódik; vízmentes borszesszel és éterrel elegyíthető. Gyantákat és zsírokat bőségesen old. A jódot, a ként és a foszfort is feloldja. A brómot is oldja, de azzal nem lép reakcióba - bizonyítja a stabilis szerkezetet. Meggyújtva világító és kormozó lánggal ég. Tömény kénsav szulfonsavvá alakítja, a vörös füstölgő salétromsav pedig nitro-benzollá. Igen nagy számú származékait ismerjük, amelyeket benzolszármazékoknak v. aromás vegyületeknek nevezünk.

Előfordulása:

Számos bonyolultabb összetételű szénvegyület száraz desztillálásakor képződik. Jelentékeny mennyiségben van a kőszénkátrányban.

Reakciói:

A benzolt lehet telíteni, ekkor ciklohexán keletkezik:

C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂

Erős telítetlensége ellenére legjellemzőbbek szubsztitúciós reakciói (aromás elektrofil szubsztitúció).

Nitrálása (tömény kénsav és tömény salétromsav elegyével végezve) során nitrobenzol keletkezik:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O

Elemi brómmal vas(III)-bromid katalizátor jelenlétében brómozható, így brómbenzol állítható elő:

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr

Tömény kénsav vagy óleum hatására szulfonálási reakció játszódik le, és benzolszulfonsav képződik:

C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅–SO₃H + H₂O

Előállítása:

A kőszénkátrány 60 és 200 °C között átdesztilláló részletéből, az ún. könnyű kátrányolajból készül. E könnyű kátrányolajat előbb kevés tömény kénsavval elegyítik, amely az organikus bázisokat kioldja, majd tömény lúggal rázogatják, amely a savtermészetű vegyületeket távolítja el. Majd a folyadékot újból desztillálva a 85 °C-on átmenő részletet külön felfogják. Az így kapott termék az árubeli nyers benzol, amely a benzolon kívül, annak homológjait (toluol, xilol) is tartalmazza. Frakcionált desztillációval is megtisztítható. Még tisztább úgy lesz, ha a nyers benzolt erősen lehűtik, miközben a benzol kifagyva kristályosan leválik. A kristályos tömeget kipréselik, ami által a meg nem fagyott homológjai elválaszthatóak. Igen tiszta benzolt kalcium-hidroxid és benzoesav elegyének száraz desztillálása révén kaphatunk. A benzol dehidroaromatizálással és toluol dezalkilezésével is gyártható. A dehidroaromatizálás során a nyílt szénláncú normál-hexánból indulunk ki, ami katalizátor (például platina) jelenlétében gyűrűzáródás és dehidrogéneződés révén benzollá alakul. A dehidroaromatizálással azonban nem csak a benzol, hanem homológjai is előállíthatóak. Például ha ipari normál-heptánból indulunk ki, ugyanezzel a módszerrel 90%-os hozammal toluolt kapunk. A toluol dezalkilezéssel szintén benzollá alakítható. Az eljárás lényege, hogy hidrogéngáz és toluolgőz keveréke 500-600 °C-on benzollá és metánná alakul:

C₆H₅CH₃ + H₂ = C₆H₆ + CH₄

Másik módszer a hexánból való hidrogénelvonás, és az azutáni aromatizálás (gyűrűvé zárás).

C₆H₁₄ = C₆H₁₂ + H₂

C₆H₁₂ = C₆H₆ + 3H₂

Élettani hatás:

A benzol erősen mérgező, belélegzése eszméletvesztést, nagyobb mennyisége halált okoz.

Felhasználás:

A benzolt nagy mennyiségben használja fel a vegyipar oldószerek, gyógyszerek, festékek, robbanóanyagok és növényvédő szerek előállítására.

Csoportosításuk:

Fizikai tulajdonságai:

Kémiai tulajdonságok:

Előfordulás, előállítás:

Felhasználás:

Etilén (CH2=CH2)

Fizikai tulajdonságai:

Kémiai tulajdonságai:

Égése

Addíciós reakciói

Oxidációs reakciók

Polimerizáció (poliaddíció)

Előállítása:

Biológiai jelentősége:

Acetilén

Előállítása:

Jellemzői:

Felhasználási területei:

Hegesztés és lángvágás

Világítás

Műanyaggyártás

Egyéb felhasználások

Tulajdonságai:

Előfordulása:

Reakciói:

Előállítása:

Élettani hatás:

Felhasználás:

Etilén (CH₂=CH₂)