Uhlík a izomerie
– Elektronová konfigurace: C [He] 2s2 2p2
- Výskyt – vyskytuje se volný (diamant, grafit) i ve sloučeninách
– vázaný uhlík – významný biogenní prvek
– v atmosféře se jako oxid uhličitý vyskytuje v množství asi 3% složení vzduchu
– dále tvoří fosilní paliva a sloučeniny – nejčastěji uhličitany
> kalcit (= vápenec): CaCO3 – využití jako stavební kámen, výroba cementu a vápna
> magnezit: MgCO3 – častý výskyt, využití jako přísada do hnojiv
> dolomit: CaMg(CO3)2 – tvoří většinu hornin v Dolomitech
– technické druhy uhlíku
> saze – získávají se průmyslově štěpením methanu, využití v gumárenském průmyslu
CH4→ 1400°C→ C+ 2H2
> aktivní uhlí – vzniká karbonizací dřevěných pilin napuštěných roztokem ZnCl2., který
podporuje dehydrataci
– používá se k absorpci plynných látek v plynových maskách nebo v lékařství jako živočišné uhlí
> koks – vyrábí se tepelným rozkladem uhlí za nepřístupu vzduchu
– oxidací koksu lze vyredukovat některé kovy, např. Fe ve vysokých pecích
Fe2O3 + 3 C→ 3 CO + 2 Fe
- Alotropické modifikace
1) grafit (tuha) – je tvořena uhlíkem krystalizujícím v šesterečné soustavě
– vrstevnatá struktura, tvořená šestiúhelníky
– každý atom uhlíku je velmi pevně vázán se třemi sousedními atomy ležícími s ním v jedné rovině, zbylé elektrony se volně pohybují a jsou společné všem = delokalizované (delokalizovaný π systém), vytvořený systém je příčinou černošedého zbarvení, neprůsvitnosti, kovového lesku a elektrické vodivosti
– jednotlivé vrstvy jsou vzájemně poutány van der Waalsovými silami, a proto se mohou po sobě posouvat
2) diamant – je tvořen uhlím krystalizujícím v krychlové struktuře
– atomová struktura
– atomy uhlíku se vzájemně vážou čtyřmi pevnými kolenními vazbami, proto je diamant nejtvrdší přírodní látka
– má nejvyšší známou tepelnou vodivost- dobře rozkládá teplo (nepřehřívá se- teplo rozkládá rovnoměrně)
– velmi stálý, nevodivý, bezbarvý
3) fullereny – uměle připravené modifikace
– C60,C70
– příprava: odpařováním grafitu v elektrickém oblouku nebo působením laserové paprsku a atmosféře helia za nízkého tlaku
– C60 – struktura fotbalového míče, každý pětiúhelník je obklopený pěti šestiúhelníky a každý šestiúhelník je obklopen 3 pětiúhelníky a 3 šestiúhelníky
– C70 – struktura ragbyové šišky
– zkoumá se jejich použití jako nosičů léku, protože jsou uvnitř dutý
– dovnitř lze uzavřít atomy, ionty i molekuly, zevně lze napojit další struktury nebo nahradit některé atomy uhlíku jinými(např. B,Si,Nb)
– sloučeniny K3C60 a další podobné jsou supravodivé
- Vlastnosti – má schopnost řetězit se a tvořit násobné vazby
– poměrně málo reaktivní, s jinými prvky reaguje až při zvýšených teplotách
– netvoří vodíkové můstky, protože má nízkou elektronegativitu
– k reakcím se používají technické formy uhlíku, např. koks nebo uhlí
– ve sloučeninách pouze excitovaný -> je čtyřvazný
– izotopy – nejvíce 12C (99%)
– 14C radiouhlíková metoda (určování staří paleontologických nálezů do stáří 50.tis.)
- Chemické a reakce – nereaktivní
– s s-prvky až za vyšších teplot
T T
C + O2 → CO2 ; Si + C → SiC
– za vysokých teplot se chová jako redukční činidlo
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO – přímá redukce
- Výroba – rozkladem organických sloučenin bez přístupu vzduchu
– uměle se vyrábí i diamant a grafit
- Použití – koks a uhlí se používají jako palivo
– diamanty slouží k opracování tvrdých materiálů, do vrtných hlavic, ve šperkařství (po vybroušení brilianty)
– grafit – výroba elektrod, tužek, tavných kelímků, moderátorů pro jaderné reaktory, mazadla ložisek
– aktivní uhlí (uhlík s velkým povrchem) – k adsorpci plynných látek (filtry ochranných masek), v lékařství jako živočišné uhlí při chorobách trávicího ústrojí
– saze (technický uhlík) – rozptýlený uhlík vznikající při nedokonalém spalování organických látek, využívá se jako plnidlo při výrobě pneumatik a plastů
- Sloučeniny
- bezkyslíkaté
- sirouhlík – CS2
– bezbarvá jedovatá kapalina, nerozpustná ve vodě
– nepolární rozpouštědlo
– vzniká z prvků za zvýšené teploty
2 S + C → CS2
- karbidy – C-IV
– sloučeniny uhlíku s prvky s nižší elektronegativitou
– jsou tvrdé, pevné, mají vysokou teplotu tání
– iontové karbidy – s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin
– s vodou tvoří acetylen
– acetylidy (kyselý charakter vodíku)
CaC2 + H2O → Ca(OH)2 + CH = CH
– kovalentní karbidy – např. SiC – karborundum (brusný papír)
- kyanovodík – HCN
– bezbarvá kapalina, rozpustná ve vodě
– prudce jedovatý, způsobuje ochrnutí dýchacího centra
– jeho roztok – kyselina kyanovodíková se chová jako velmi slabá kyselina
– soli kyanidy – CN–
– prudce jedovaté
– KCN neboli cyankáli (KCN + NaCN se používají při získávání zlata a stříbra)
– kyanidový anion CN – může být ligandem v komplexních sloučeninách
K3[Fe(CN)6] – haxakyanoželezitan draselný neboli červená krevní sůl
SCN – rhodanidy
- halogenidy – např. od methanu CCl4 – tetrachlormethan
- kyslíkaté sloučeniny
- oxid uhelnatý – CO
– bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, ve vodě málo rozpustný
– vzniká při hoření uhlíku za nedostatku kyslíku
C + O2 → CO2 , C + CO2 → 2CO
– velmi reaktivní, silné redukční činidlo
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 – nepřímá redukce
H2O + C2H2 + CO → CH2=CH-COOH – kyselina akrylová
– v laboratoři se připravuje dehydratací kyseliny mravenčí kyselinou sírovou
H2SO4
HCOOH → CO + H2O
– jedovatost – jeho jedovatost je způsobena afinitou k hemoglobinu, s nímž vytváří karboxyhemoglobin, čímž znemožňuje přenos kyslíku v podobě oxyhemoglobinu z plic do tkání
– vazba CO na hemoglobin je přibližně dvousetkrát silnější než na kyslík, oxid uhelnatý se na rozdíl od kyslíku v tkáních neuvolňuje
– při větším zasažení hrozí smrt vnitřním udušením
– je součástí průmyslově významných plynů: VODNÍ PLYN (H2, CO), GENERÁTOROVÉHO PLYNU (N2, CO)
- oxid uhličitý – CO2
– bezbarvý, lehce zkapalnitelný plyn, bez chuti a zápachu
– vzniká při dokonalém spalování uhlíku za dostatečného přístupu vzduchu, při dýchání
C + O2 → CO2
– přepravuje se ocelových lahvích s černým pruhem
– je lehčí než vzduch, ve vzduchu ho je 0,034%
– je konečným produktem spalování všech organických látek, jeho zvýšené množství v atmosféře způsobuje skleníkový efekt
– jeho ochlazením vzniká pevný oxid uhličitý známý jako suchý led
– připravuje se reakcí uhličitanů se silnými kyselinami nebo jejich tepelným rozkladem
CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
T
CaCO3 → CaO + CO2
– používá se při výrobě nápojů, cukru, sody, kapalný se používá jako náplň do sněhových hasicích přístrojů
– jeho rozpuštěním ve vodě vzniká slabá kyselina uhličitá
- kyselina uhličitá – H2CO3
– dvojsytná, slabá, velmi nestálá kyselina
– vzniká rozpuštěním oxidu uhličitého ve vodě, vzniklý roztok má slabě kyselou reakci, ale většina CO2 je přítomná pouze ve volně hydratované formě: CO2.nH2O
– vytváří dvě řady solí – uhličitany M2CO3 – jsou ve vodě nerozpustné, kromě uhličitanů alkalických kovů a (NH4)2CO3
– významné jsou K2CO3 (potaš) a Na2CO3(soda) používané k výrobě skla
– hydrogenuhličitany MHCO3 – jsou ve vodě rozpustné
– nejvýznamnější je jedlá soda NaHCO3 používaná v potravinářství a lékařství jako užívací soda (při zvýšené kyselosti žaludečních šťáv – neutralizuje HCl)
– vzájemná přeměna mezi uhličitanem vápenatým a hydrogenuhličitanem vápenatým je podstatou krasových jevů
> vápenec je vodu obohacenou oxidem uhličitým
přeměňován na rozpustný hydrogenuhličitan
CaCO3 + CO2 +H2O <→ Ca(HCO3)2, při opačné reakci vznikají krápníky( nerozpustný CaCO3)
– deriváty kyseliny uhličité: močovina a fosgen
- močovina – CO(NH2)2
– vyrábí se reakcí oxidu uhličitého s amoniakem za zvýšeného tlaku a teploty, meziproduktem je karbaminan amonný
CO2 + 2NH3 → NH2CO2NH4 → CO(NH2)2
– je surovinou pro výrobu močovinoformaldehydových plastů a pryskyřic
– je dobře rozpustná ve vodě a velmi pomalu hydrolyzuje přes karbamina amonný až na uhličitan amonný, právě tato reakce je příčinou stále většího využití močoviny jako průmyslového dusíkatého hnojiva
– odpadní produkt u živočichů
- fosgen – COCl2
– jedovatý, dusivý, bezbarvý plyn bez zápachu,vzniká při hašení tetrachlorovými hasicími přístroji
– vyrábí se z CO a Cl2 za katalytického působení aktivního uhlí, nebo rozkladem chloroformu
Struktura organických sloučenin
– pojem struktura organických sloučenin byl do chemie zaveden v roce 1861 Butlerovem, který vyšel z tehdy již známé představy o čtyřvaznosti uhlíku a správně usoudil, že pro určitou sloučeninu není rozhodující jen druh a počet atomů přítomný v jejich molekulách, ale i to, jak jsou v nich atomy vzájemně pospojovány
– další zjištění, úhly vazeb v molekule methanu jsou 109 º 28´, tento poznatek položil základ stereometrie (nauky o prostorovém uspořádání atomů v molekulách)
- uhlík v organické chemii
– organické sloučeniny – skládají se z molekul, v nichž jsou atomy uhlíku spojeny kovalentními vazbami
– všechny uhlíkové vazby jsou rovnocenné (je jedno, který H se nahradí v molekule CH4 při substituci chlorem)
– atomy uhlíku mohou tvořit různé řetězce – otevřené, uzavřené nebo cyklické
– vlastnosti organických sloučenin jsou závislé na struktuře
> na jejím základě můžeme předpovídat vlastnosti látek
- vazby v molekulách organických sloučenin
– typy vazeb – jednoduché – v nasycených sloučeninách
– násobné – v nenasycených sloučeninách
– kumulované: dvě a více násobných vazeb vedle sebe C≡C≡C
– konjugované: násobné vazby se střídají s jednoduchou C≡C-C≡C
– izolované: násobná vazba je od jiné násobné oddělena dvěma nebo více jednoduchými C≡C-C-C-C≡C
– polarita – v organických sloučeninách se vyskytují většinou nepolární vazby (C-H, C-C)
– polární vazby jsou například mezi atomy uhlíku a halogenů, popřípadě dusíku a kyslíku
– polarizovatelnost – má větší vliv na reaktivitu než polarita vazeb
– vyjadřuje neformovatelnost vazby v průběhu reakce – posun elektronového páru Π nebo δ směrem k elektronegativnějšímu prvku
– stoupá v opačném směru než EN:
C-I > C-Br > C-Cl > C-F
– čím větší je polarizovatelnost, tím snadněji dochází k iontovému = hetrolytickému štěpení vazby
– vazby Π jsou víc polarizovatelné než vazby δ
Izomerie
– jev, kdy se sloučeniny o stejných souhrnných vzorcích liší povahou vazeb, jejich pořadím nebo jen prostorovým uspořádáním atomů v molekulách
– přehled rozdělení izomerie
– konstituční: polohová
skupinová
řetězová
tautomerie
– konfigurační: geometrická – cis/trans
optická
a) konstituční izomery – mají stejný souhrnný vzorec, ale liší se konstitucí, tzn. povahou a pořadím atomů a
vazeb v molekulách (způsobem a pořadím, jak jsou atomy vzájemně spojeny)
– dělí se na řetězové, polohové, skupinovém a tautomery izomery
- řetězové – liší se tvarem uhlíkatého řetězce
CH3- CH2- CH2- CH2-CH3 CH3- CH- CH2-CH3
|
pentan CH3
2-methylbutan
- polohové – izomery se liší polohou substituentu nebo násobné vazby na uhlíkovém řetězci
Cl- CH2-CH2-CH3 CH3- CH-CH3
|
Cl
- chlorbutan 2- chlorbutan
- skupinové -liší se funkční skupinou
CH3- CH2- CH2- CH2- OH CH3- CH2- O- CH2-CH3
butanol ethoxyethan
- tautomery – liší se druhem dvojné vazby a polohou jednoho z vodíkových atomů
OH O
| ||
CH2=C-CH3 CH3- C-CH3
Propen-ol(enolforma) propanol(ketoforma)
b) konfigurační izomery – mají stejný souhrnný vzorec a konstituci, ale liší se konfigurací, tj. prostorovým
uspořádáním atomů v molekulách, (také se nazývají stereoizomery)
– dělíme je na cis-trans (neboli geometrické izomery) a na optické antipody
– cis-trans izomery se liší polohou substituentů na dvojných vazbách nebo na cyklech, mají rozdílné fyzikální i chemické vlastnost
Optické izomery (enantiomery)
– optická aktivita = schopnost látek otáčet rovinu polarizovaného světla
– jsou svými zrcadlovými obrazy (otáčejí rovinu polarizovaného světla o stejný úhel, ale na opačnou stranu)
– chovají se jako pravá a levá ruka
– racemát – směs levotočivého a pravotočivého izomeru v poměru 1:1
– inaktivní (optická aktivita se vyruší)
– příčinou toho je přítomnost asymetrického neboli chirálního uhlíkového atomu, tj.atomu, který má vázaný 4 různé ligandy
– druhou podmínkou je, že látka nesmí obsahovat střed ani rovinu symetrie
– L-izomer většinou otáčí světlo doleva
– D-izomer doprava
– počet izomerů závisí na počtu chirálních uhlíků
> n počet chirárních uhlíků – 2n itomerů
– např. kyselina vinná
COOH
|
H2C
| L-vinná, OH skupina na posledním chir. uhlíku směřuje doleva
HO-CH
|
COOH
COOH
|
H2C
| D-vinná, OH skupina na posledním chir. uhlíku směřuje doprava
HC- OH
|
COOH
Konformace
– představuje různá prostorová uspořádání molekul téže sloučeniny, která je umožněna vnitřní rotací částí molekul kolem jednoduchých vazeb
– mezi konformacemi se ustavuje rovnováha, vznikají směsi, v nichž převládají molekuly s takovými konformacemi, které jsou za dané teploty nejstálejší, mají nejmenší potenciální energii
> tato energie je tím menší, čím menší jsou jejich nevazebné interakce
- zákrytová konformace ethanu – konformace s nejvyšší potencionální energií
- nezákrytová konfirmace ethanu – konfirmace s nejmenší potenciální energií
- židličková konformace cyklohexanu – energeticky nejchudší
– axiální – vazby, které jsou rovnoběžné s osou
– ostatní jsou ekvatoriální
- vaničková konformace cyklohexanu – energeticky nejbohatší
– axiální vazby – jsou kolmé k rovinám tvořenými uhlíky, jsou energeticky bohatší
– ekvatoriální vazby – nejsou rovnoběžné se svislou osou, vazby jsou reaktivnější