أهداف التعلم

• تقارن بين المركبات العضوية وغير العضوية وتميز بين الصيغة الجزيئية والبنائية والمتشكلات.
• تصنف الهيدروكربونات وتسميها بنظام الأيوباك وتكتب طرق تحضيرها وتفاعلاتها.
• تفسر بنية البنزين وتكتب تفاعلات الإحلال فيه.
• تصف الكحولات والفينولات والأحماض الكربوكسيلية والإسترات وتحضيرها وتفاعلاتها.

شرح الدرس

المركبات العضوية وغير العضوية

الصيغة الجزيئية تبين نوع وعدد ذرات كل عنصر فقط، والصيغة البنائية تبين أيضًا طريقة ارتباط الذرات بالروابط التساهمية (التكافؤ: الكربون $4$ والهيدروجين $1$ والأكسجين $2$ والنيتروجين $3$). والمتشكلات (الأيزومرات) مركبات تشترك في صيغة جزيئية واحدة وتختلف في الصيغة البنائية والخواص، كالإيثانول $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ (يتفاعل مع الصوديوم) وإيثر ثنائي الميثيل $\text{CH}_3\text{OCH}_3$ (لا يتفاعل). و$\text{C}_5\text{H}_{12}$ له ثلاثة متشكلات.

الكشف عن الكربون والهيدروجين: تسخين المادة العضوية مع أكسيد النحاس ($\text{II}$): يتكون $\text{CO}_2$ يعكر ماء الجير (من الكربون) وماء يزرق كبريتات النحاس اللامائية البيضاء (من الهيدروجين): $\text{C} + 2\text{CuO} \to 2\text{Cu} + \text{CO}_2$ و$2\text{H} + \text{CuO} \to \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$.

الهيدروكربونات

مركبات من الكربون والهيدروجين فقط، وتنقسم إلى أليفاتية (مفتوحة السلسلة: مشبعة هي الألكانات، وغير مشبعة هي الألكينات والألكاينات)، وحلقية مشبعة (ألكانات حلقية)، وأروماتية (البنزين ومشتقاته).

الألكانات $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$

روابط أحادية سيجما قوية فهي خاملة نسبيًا. السلسلة المتجانسة (ميثان $\text{CH}_4$، إيثان $\text{C}_2\text{H}_6$، بروبان $\text{C}_3\text{H}_8$، بيوتان $\text{C}_4\text{H}_{10}$، بنتان، هكسان، هبتان، أوكتان، نونان، ديكان) كل عضو يزيد عن سابقه بـ $\text{CH}_2$. وتنتهي أسماؤها بالمقطع «ان». وشق الألكيل $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}-$ ناتج من نزع ذرة هيدروجين (ميثيل، إيثيل، بروبيل).

التسمية (الأيوباك): (1) اختيار أطول سلسلة متصلة تعطي اسم الألكان. (2) ترقيم من الطرف الأقرب للتفرع (أو للرابطة الأكثر أهمية في غير المشبعة). (3) ذكر رقم الفرع واسمه قبل اسم الألكان، وفاصلة بين رقمين وشرطة بين الرقم والاسم. (4) المقدمات ثنائي وثلاثي ورباعي للتكرار. (5) الهالوجين: كلورو وبرومو، والنيترو. (6) ترتب الفروع أبجديًا. أمثلة: $\text{CH}_3\text{CH}(\text{CH}_3)\text{CH}_2\text{CH}_3$ هو 2-ميثيل بيوتان، و2-برومو-3-ميثيل بيوتان.

التحضير: الميثان في المعمل بالتقطير الجاف لأسيتات الصوديوم اللامائية مع الجير الصودي ($\text{NaOH} + \text{CaO}$، والأخير يخفض درجة الانصهار): $\text{CH}_3\text{COONa} + \text{NaOH} \xrightarrow{\Delta} \text{CH}_4 + \text{Na}_2\text{CO}_3$. ويوجد الميثان في الغاز الطبيعي (أكثر من $90\%$ أحيانًا) وغاز المستنقعات.

الخواص: من $\text{C}_1$ إلى $\text{C}_4$ غازات (خليط البروبان والبيوتان في أسطوانات الغاز)، ومن $\text{C}_5$ إلى $\text{C}_{17}$ سوائل (جازولين وكيروسين)، وفوق ذلك صلبة (شمع البارافين)، وتزداد درجة الغليان بزيادة الكتلة. غير قطبية لا تذوب في الماء. التفاعلات:

• الاحتراق (طارد للحرارة): $\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$.
• الاستبدال مع الهالوجينات بالحرارة (نحو $400^\circ\text{C}$) أو الأشعة فوق البنفسجية: $\text{CH}_4 + \text{Cl}_2 \to \text{CH}_3\text{Cl} + \text{HCl}$ ثم ثنائي وثلاثي (كلوروفورم) ورباعي كلورو ميثان. وللكلوروفورم استخدام قديم كمخدر (توقف لخطورة الجرعة، ويستخدم الهالوثان الآن)، وللفريونات (مشتقات هالوجينية) استخدام في التبريد والدفع.
• التكسير الحراري الحفزي: يحول مكونات البترول الثقيلة إلى ألكانات قصيرة (وقود) وألكينات قصيرة (إيثين وبروبين للبوليمرات): $\text{C}_{12}\text{H}_{26} \to \text{C}_4\text{H}_8 + \text{C}_8\text{H}_{18}$ تقريبًا.
• الكربون المجزأ (أسود الكربون للإطارات والأحبار): $\text{CH}_4 \xrightarrow{1000^\circ\text{C}} \text{C} + 2\text{H}_2$. والغاز المائي: $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \to \text{CO} + 3\text{H}_2$.

الألكينات $\text{C}_n\text{H}_{2n}$

رابطة مزدوجة واحدة (سيجما وباي الضعيفة)، فهي أنشط من الألكانات. تُسمى بإبدال «ان» بـ «ين» مع رقم الرابطة المزدوجة (أقل رقم) ويبدأ الترقيم من الطرف الأقرب لها: 2-بنتين، وبروبين.

تحضير الإيثين (الإيثيلين) في المعمل بنزع الماء من الإيثانول بحمض الكبريتيك المركز عند $180^\circ\text{C}$ على خطوتين: $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{C}_2\text{H}_5\text{OSO}_3\text{H} + \text{H}_2\text{O}$ (كبريتات إيثيل هيدروجينية) ثم $\text{C}_2\text{H}_5\text{OSO}_3\text{H} \xrightarrow{\Delta} \text{CH}_2{=}\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4$.

التفاعلات: احتراق ($\text{C}_2\text{H}_4 + 3\text{O}_2 \to 2\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$)، وتفاعلات إضافة بكسر الرابطة باي:

1. الهدرجة (بالنيكل أو البلاتين): $\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 + \text{H}_2 \to \text{CH}_3\text{CH}_3$.
2. الهلجنة: يزول لون البروم الأحمر في $\text{CCl}_4$ ويتكون 1،2-ثنائي برومو إيثان عديم اللون (كشف عن عدم التشبع).
3. إضافة هاليد الهيدروجين: $\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 + \text{HBr} \to \text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br}$. وفي الألكين غير المتماثل قاعدة ماركوفنيكوف: يضاف الجزء الموجب (H) إلى ذرة الكربون الحاملة لعدد أكبر من الهيدروجين والجزء السالب إلى الأقل: بروبين + HBr يعطي 2-برومو بروبان.
4. الهيدرة الحفزية (بالحمض): الإيثين يعطي الإيثانول ($\text{C}_2\text{H}_4 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$)، وهو الألكين الوحيد الذي يعطي كحولًا أوليًا؛ وغيره يعطي ثانويًا أو ثالثيًا.
5. الأكسدة (تفاعل باير): بمحلول برمنجنات البوتاسيوم القلوية يزول لونها البنفسجي ويتكون الإيثيلين جليكول $\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ (مانع تجمد). وهو كشف عن الرابطة المزدوجة.
6. البلمرة بالإضافة: اتحاد أعداد كبيرة من المونومر غير المشبع لتكوين بوليمر مشبع: $n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \to (-\text{CH}_2\text{CH}_2-)_n$ (بولي إيثيلين: أكياس وزجاجات). وبولي بروبيلين (حاويات وسجاد) وبولي كلوريد الفينيل PVC (مواسير) والتفلون (بولي رباعي فلورو إيثين: مقلاة غير ملتصقة).

وهناك البلمرة بالتكاثف بين مونومرين مختلفين مع فقد جزيء صغير كالماء.

الألكاينات $\text{C}_n\text{H}_{2n-2}$

رابطة ثلاثية (سيجما وبايان) فهي نشطة. أولها الإيثاين (الأسيتيلين): تسمية بـ «اين».

• التحضير: معمليًا بتنقيط الماء على كربيد الكالسيوم $\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \to \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2$ (ويُمرر الغاز على كبريتات النحاس المحمضة لإزالة $\text{PH}_3$ و$\text{H}_2\text{S}$). وصناعيًا من الميثان بالتسخين فوق $1400^\circ\text{C}$ والتبريد السريع: $2\text{CH}_4 \to \text{C}_2\text{H}_2 + 3\text{H}_2$.
• الاحتراق: بلهب مدخن في الهواء المحدود لتكون كربون، وتام عند وفرة الأكسجين ($2\text{C}_2\text{H}_2 + 5\text{O}_2 \to 4\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$ بحرارة شديدة للحام وقطع المعادن: الأكسي أسيتيلين).
• الإضافة على مرحلتين: هدرجة لإيثين ثم إيثان؛ وهلجنة (يزول لون البروم: كشف عن الرابطة الثلاثية)؛ وإضافة $\text{HBr}$ (1-برومو إيثين ثم 1،1-ثنائي بروموإيثان طبقًا لماركوفنيكوف)؛ والهيدرة بحمض الكبريتيك وكبريتات الزئبق ($\text{II}$) عند $60^\circ\text{C}$ لتعطي الأسيتالدهيد $\text{CH}_3\text{CHO}$ (عبر كحول فينيل غير ثابت) الذي يُؤكسد إلى حمض الأسيتيك ويُختزل إلى الإيثانول.

الألكانات الحلقية $\text{C}_n\text{H}_{2n}$

كالبروبان الحلقي والبيوتان الحلقي والبنتان الحلقي والهكسان الحلقي (سيكلو). الأولان نشطان لصغر الزوايا بين الروابط ($60^\circ$ في البروبان الحلقي) فيضعف التداخل، أما السيكلو بنتان والسيكلو هكسان فمستقران.

البنزين $\text{C}_6\text{H}_6$

أبسط المركبات الأروماتية (العطرية)، حلقة سداسية بروابط مزدوجة وأحادية متبادلة (كيكولي) وإلكترونات غير متمركزة، وطول الرابطة بين ذرات كربونها وسط بين طول الأحادية والمزدوجة. يُحضّر من قطران الفحم الحجري (تقطير جزيئي)، ومن الهكسان بإعادة التشكيل الحفزية على البلاتين ($\text{C}_6\text{H}_{14} \to \text{C}_6\text{H}_6 + 4\text{H}_2$)، ومن بلمرة الإيثاين ($3\text{C}_2\text{H}_2 \to \text{C}_6\text{H}_6$ عبر أنبوبة نيكل مسخنة)، ومن الفينول بالتسخين مع الزنك، ومعمليًا بالتقطير الجاف لبنزوات الصوديوم مع الجير الصودي. وهو سائل شفاف لا يمتزج بالماء يشتعل بدخان أسود (لارتفاع نسبة الكربون).

التسمية: مشتق أحادي الإحلال يُسمى باسم الذرة أو المجموعة قبل «بنزين» (كلوروبنزين، ميثيل بنزين = طولوين). وثنائي الإحلال يوجد أرثو (1،2) وميتا (1،3) وبارا (1،4). والمجموعات $-\text{OH}$ و$-\text{NH}_2$ و$-\text{CH}_3$ والهالوجينات توجه إلى أرثو وبارا، و$-\text{CHO}$ و$-\text{COOH}$ و$-\text{NO}_2$ توجه إلى ميتا.

التفاعلات: تفاعلات الإضافة صعبة (هدرجة إلى سيكلو هكسان، وهلجنة بالضوء تعطي سداسي كلورو هكسان حلقي «جامكسان» مبيد)، أما المهم فتفاعلات الإحلال:

• الهلجنة: $\text{C}_6\text{H}_6 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{FeCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{Cl} + \text{HCl}$.
• الألكلة (فريدل–كرافت): مع هاليد الألكيل بكلوريد الألومنيوم اللامائي: $\text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{Cl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{HCl}$.
• النيترة: بحمض النيتريك المركز وحمض الكبريتيك المركز تعطي نيتروبنزين، وبتكرار مع الطولوين نحصل على T.N.T (ثلاثي نيترو الطولوين) المتفجر.
• السلفنة: بحمض الكبريتيك المركز تعطي حمض بنزين السلفونيك الذي يُحول إلى أملاح تُستخدم منظفات صناعية.

الكحولات والفينولات

المجموعة الوظيفية ذرة أو مجموعة ذرات تتغلب فاعليتها على خواص الجزيء كله (كحول $-\text{OH}$، ألدهيد $-\text{CHO}$، كيتون $\text{C=O}$، حمض $-\text{COOH}$، إستر $-\text{COOR}$، أمين $-\text{NH}_2$، إيثر $-\text{O}-$). فإذا ارتبطت $-\text{OH}$ بمجموعة ألكيل فالمركب كحول وإذا ارتبطت بمجموعة أريل فهو فينول.

التسمية: شائعة (كحول إيثيلي) وأيوباك بإضافة «ول» لاسم الألكان مع ترقيم من الطرف الأقرب للهيدروكسيل (بنتانول-1، بنتانول-2). التصنيف: حسب عدد مجموعات الهيدروكسيل: أحادي (إيثانول)، ثنائي (إيثيلين جليكول)، ثلاثي (الجليسرول)، عديد. وأحادي الهيدروكسيل أولي (الكاربينول متصل بذرة كربون واحدة)، ثانوي (بذرتين) وثالثي (بثلاث ذرات).

تحضير الإيثانول: بالتخمر الكحولي لمحاليل السكر (المولاس في مصر) بالخميرة (إنزيم الزيميز): $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11} + \text{H}_2\text{O} \to \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ ثم $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \to 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$؛ وبهيدرة الإيثين. والطريقة العامة لتحضير الكحولات بتسخين هاليد الألكيل مع قلوي قوي مائي: $\text{R-X} + \text{KOH} \to \text{R-OH} + \text{KX}$ (يوديدات الألكيل أسهلها تحللًا). والكحول المحوَّل (الإيثانول المضاف إليه ميثانول وصبغات) للوقود المنزلي.

الخواص الفيزيائية: الأوائل سوائل خفيفة تمتزج بالماء، ودرجات غليانها مرتفعة نسبيًا لتكوّن روابط هيدروجينية بين الجزيئات وبينها وبين الماء، وتزداد الذوبانية بزيادة مجموعات الهيدروكسيل.

الخواص الكيميائية:

1. حمضية ضعيفة: مع الصوديوم $2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{Na} \to 2\text{C}_2\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2$ (يشتعل بفرقعة).
2. الأسترة مع الحمض: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$ (بحمض الكبريتيك المركز لسحب الماء، ويفقد الكحول $\text{H}$ والحمض $\text{OH}$).
3. مع هاليدات الهيدروجين: $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + \text{HCl} \xrightarrow{\text{ZnCl}_2} \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{H}_2\text{O}$.
4. الأكسدة: بثاني كرومات البوتاسيوم أو البرمنجنات المحمضة: الأولي يتأكسد إلى ألدهيد ثم إلى حمض (يتغير اللون البرتقالي إلى الأخضر وتظهر رائحة الخل، وهو كشف السائقين المخمورين)؛ والثانوي إلى كيتون (الأيزوبروبانول إلى الأسيتون)؛ والثالثي لا يتأكسد.
5. مع حمض الكبريتيك المركز: عند $180^\circ\text{C}$ ينتزع جزيء ماء من كل جزيء كحول (إيثين)، وعند $140^\circ\text{C}$ ينتزع جزيء ماء من كل جزيئين (إيثر ثنائي الإيثيل).

الاستخدامات: مذيب وتعقيم ومطهر وعطور ووقود (مخلوط مع الجازولين) وفي الترمومترات (لانخفاض تجمده). ولتناول المشروبات الكحولية أضرار (تليف الكبد وسرطان المعدة). الإيثيلين جليكول (1،2-إيثان ديول): مانع تجمد في مبردات السيارات وسوائل الفرامل وأحبار الطباعة وأفلام التصوير. الجليسرول (1،2،3-بروبان ترايول): مرطب للجلد ومرن للنسيج، وبالنيترة تحضر ثلاثي نترات الجليسرول المفرقعة (التي تُستخدم دواءً لتوسيع الشرايين).

الفينول ($\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$ حمض الكربوليك): مادة صلبة كاوية تنصهر عند $43^\circ\text{C}$، يُحضّر من قطران الفحم أو من كلوروبنزين مع $\text{NaOH}$ عند $300^\circ\text{C}$ وضغط $300\ \text{atm}$. أقوى حمضية من الكحول: يتفاعل مع الصوديوم ومع $\text{NaOH}$ (بخلاف الكحول)، ولا تتفاعل $\text{OH}$ فيه مع $\text{HX}$ لقوة رابطة C–O. ويعطي بالنيترة حمض البكريك (ثلاثي نيترو الفينول: مفجر ومطهر للحروق)، ومع الفورمالدهيد بلمرة بالتكاثف تعطي الباكليت (عازل كهربي للأدوات الكهربية). الكشف: يعطي $\text{FeCl}_3$ لونًا بنفسجيًا، وماء البروم راسبًا أبيض.

الأحماض الكربوكسيلية والإسترات

الأحماض الكربوكسيلية ($\text{R-COOH}$) أقوى الأحماض العضوية (ضعيفة نسبيًا مقارنة بالمعدنية). المجموعة مركبة من كربونيل ($\text{C=O}$) وهيدروكسيل. تُصنف إلى أحادية القاعدية (فورميك $\text{HCOOH}$، بنزويك) وثنائية (أكساليك، فثاليك)، وإلى أليفاتية وأروماتية. تسمى شائعًا (فورميك من النمل، أسيتيك من الخل، بيوتيريك من الزبدة) وأيوباك بإضافة «ويك» لاسم الألكان: ميثانويك، إيثانويك (الخل)، بيوتانويك.

تحضير حمض الأسيتيك: حيويًا بأكسدة المحاليل الكحولية بالهواء وبكتيريا الخل، وصناعيًا من الأسيتيلين: هيدرة إلى أسيتالدهيد ثم أكسدة $\text{CH}_3\text{CHO} \xrightarrow{[O]} \text{CH}_3\text{COOH}$.

الخواص: الأربعة الأولى سوائل كاوية نفاذة تامة الذوبان، وتزداد درجة غليانها عن الكحولات المماثلة في الكتلة لأن جزيئي الحمض يرتبطان برابطتين هيدروجينيتين (أزواج). التفاعلات: حمضية: تتفاعل مع الفلزات النشطة ($2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \to (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$) والأكاسيد والهيدروكسيدات والكربونات والبيكربونات ($\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaHCO}_3 \to \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$ كشف بتعكير ماء الجير)، والأسترة مع الكحولات، والاختزال بالهيدروجين إلى الإيثانول (عكس أكسدة الكحول). حمض البنزويك يُحضر بأكسدة الطولوين (بالهواء وخامس أكسيد الفاناديوم)، وأملاحه (بنزوات الصوديوم) حافظة للأغذية. ومن الأحماض في حياتنا: الفورميك (النمل)، والأسيتيك (الخل، والحرير الصناعي)، والستريك (الموالح، يمنع نمو البكتيريا بخفض الأس الهيدروجيني)، واللاكتيك (اللبن)، والأسكوربيك (فيتامين C، نقصه الإسقربوط)، والساليسيليك (الأسبرين). الأحماض الأمينية مشتقات أمينية للأحماض العضوية مثل الجلايسين $\text{NH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$، والبروتينات بوليمرات لها.

الإسترات ($\text{R-COO-R'}$) نواتج تفاعل الأحماض مع الكحولات وتسمى باسم الشق الحمضي ثم الألكيل: $\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$ إيثانوات الإيثيل (أسيتات الإيثيل)، $\text{HCOOCH}_3$ ميثانوات الميثيل. كثير منها ذو رائحة زكية (روائح الفواكه والأزهار والنكهات)، وتتحول من سوائل إلى مواد شمعية بزيادة الكتلة (شمع النحل)، والزيوت والدهون إسترات للجليسرول مع أحماض دهنية عالية.

أسئلة للتدريب

1. اكتب الصيغ البنائية والأسماء لجميع متشكلات $\text{C}_5\text{H}_{12}$.
2. كيف يُحضَّر الميثان معمليًا؟ ولماذا يُضاف الجير الحي؟
3. اشرح تأثير غاز الإيثين على ماء البروم وعلى برمنجنات البوتاسيوم القلوية.
4. قارن بين الإيثانول والفينول في الخواص الحمضية.
5. اكتب معادلة أكسدة الإيثانول إلى حمض الإيثانويك مع الخطوات.