Αλκένια - Αιθένιο ή αιθυλένιο 🧪

Τι είναι τα αλκένια

Αλκένια ονομάζονται οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν έναν διπλό δεσμό στο μόριό τους. Ο γενικός τύπος τους είναι $C_\nu H_{2\nu}$ (με $\nu \geq 2$ ), δηλαδή σχηματίζουν μια ομόλογη σειρά όπου κάθε μέλος διαφέρει από το επόμενο κατά μία ομάδα $CH_2$ .

Τα τρία πρώτα μέλη των αλκενίων είναι:

Μοριακός τύπος	Συντακτικός τύπος	Όνομα
$C_2H_4$	$CH_2=CH_2$	αιθένιο ή αιθυλένιο
$C_3H_6$	$CH_3-CH=CH_2$	προπένιο ή προπυλένιο
$C_4H_8$	$CH_3-CH_2-CH=CH_2$	1-βουτένιο
$C_4H_8$	$CH_3-CH=CH-CH_3$	2-βουτένιο
$C_4H_8$	μεθυλοπροπένιο	μεθυλοπροπένιο

Παρατηρούμε ότι από το $C_4H_8$ και πάνω μπορούν να υπάρχουν περισσότερα από ένα αλκένια με τον ίδιο μοριακό τύπο, ανάλογα με τη θέση του διπλού δεσμού ή τη διάταξη των ατόμων άνθρακα στο μόριο.

Γιατί τα αλκένια λέγονται και ολεφίνες

Τα κατώτερα μέλη των αλκενίων είναι αέρια, όμως όταν αντιδρούν με $Cl_2$ ή $Br_2$ δίνουν ελαιώδη υγρά προϊόντα. Από αυτή την ιδιότητα πήραν και το παλιότερο όνομά τους, «ολεφίνες» (από το λατινικό oleum = έλαιο και το ελληνικό fio = δημιουργώ).

Ο διπλός δεσμός και η γεωμετρία του μορίου

Η δραστικότητα των αλκενίων οφείλεται στον διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα, ο οποίος τους προσδίδει διαφορετική δομή και συμπεριφορά σε σχέση με τα κορεσμένα αλκάνια.

Η στερεοχημεία των αλκενίων γύρω από τον διπλό δεσμό είναι επίπεδη: ο άξονας του διπλού δεσμού και οι υποκαταστάτες των δύο ατόμων άνθρακα που τον σχηματίζουν βρίσκονται όλοι στο ίδιο επίπεδο. Αυτή η επίπεδη διάταξη γύρω από τον διπλό δεσμό είναι χαρακτηριστική όλων των αλκενίων και σχετίζεται άμεσα με τον τρόπο που αυτά αντιδρούν.

Προέλευση και παρασκευές

Σε αντίθεση με τα αλκάνια, τα αλκένια δεν είναι τόσο διαδεδομένα στη φύση, ακριβώς επειδή είναι πιο δραστικά. Ορισμένα όμως έχουν σημαντικό βιολογικό ρόλο· χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το αιθυλένιο, μια φυτική ορμόνη που προκαλεί την ωρίμανση των φρούτων.

Καρότα, αλκένια και όραση

Τα καρότα είναι πλούσια σε β-καροτένιο, ένα πορτοκαλόχρωμο αλκένιο. Στο ήπαρ μετατρέπεται ενζυμικά σε μια φωτοευαίσθητη χρωστική, στην οποία βασίζονται τα συστήματα όρασης όλων των έμβιων οργανισμών.

Τα αλκένια παρασκευάζονται με δύο βασικούς τρόπους:

1. Βιομηχανική παρασκευή — πυρόλυση πετρελαίου

Τα αλκένια με μέχρι τέσσερα άτομα άνθρακα παράγονται σε καθαρή μορφή στη βιομηχανία πετρελαίου, με πυρόλυση αλκανίων. Η παραγωγή είναι τεράστια σε κλίμακα: μόνο στις ΗΠΑ παράγονται ετησίως περισσότεροι από 24 εκατομμύρια τόνοι αιθένιο και 14 εκατομμύρια τόνοι προπένιο, τα οποία αποτελούν πρώτες ύλες κυρίως για την παρασκευή πλαστικών.

2. Εργαστηριακή παρασκευή — αντιδράσεις απόσπασης

Για πιο πολύπλοκα αλκένια χρησιμοποιούνται εργαστηριακές μέθοδοι, στις οποίες αποσπάται ένα μικρό μόριο από την αρχική ένωση ώστε να δημιουργηθεί ο διπλός δεσμός.

Αφυδάτωση αλκοολών: αποσπάται ένα μόριο νερού από κορεσμένη μονοσθενή αλκοόλη.

C_\nu H_{2\nu+1}OH \rightarrow C_\nu H_{2\nu} + H_2O

Για παράδειγμα:

CH_3CH_2OH \rightarrow CH_2=CH_2 + H_2O

Αφυδραλογόνωση αλκυλοχλωριδίων: αποσπάται ένα μόριο υδροχλωρίου από αλκυλοχλωρίδιο, με αλκοολικό διάλυμα $NaOH$ ή $KOH$ .

C_\nu H_{2\nu+1}Cl + NaOH \rightarrow C_\nu H_{2\nu} + NaCl + H_2O

Για παράδειγμα:

CH_3CH_2Cl + NaOH \rightarrow CH_2=CH_2 + NaCl + H_2O

Μία γενικότερη χρήση των αντιδράσεων απόσπασης

Η αφυδάτωση και η αφυδραλογόνωση δεν χρησιμοποιούνται μόνο για την παρασκευή αλκενίων· αποτελούν γενικότερα μια μέθοδο για την εισαγωγή διπλού δεσμού άνθρακα-άνθρακα σε οποιοδήποτε μόριο οργανικής ένωσης.

Φυσικές ιδιότητες

Τα αλκένια έχουν ουσιαστικά τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με τα αλκάνια:

Τα πρώτα μέλη ( $C_2-C_4$ ) είναι αέρια.
Τα μεσαία μέλη ( $C_5-C_{14}$ ) είναι υγρά.
Τα ανώτερα μέλη είναι στερεά.
Είναι αδιάλυτα στο νερό, ενώ διαλύονται σε οργανικούς διαλύτες.

Το αιθένιο συγκεκριμένα είναι αέριο, άχρωμο, με ασθενή χαρακτηριστική οσμή.

Χημικές ιδιότητες

Τα αλκένια είναι πολύ πιο δραστικά από τα αλκάνια. Η αυξημένη δραστικότητά τους οφείλεται στον διπλό δεσμό, και οι χημικές τους ιδιότητες είναι στην ουσία ιδιότητες του ίδιου του διπλού δεσμού. Τα αλκένια δίνουν κυρίως αντιδράσεις προσθήκης, πολυμερισμό και καύση.

Αντιδράσεις προσθήκης

Στις αντιδράσεις προσθήκης, ένα μόριο της μορφής Χ-Ψ προστίθεται στον διπλό δεσμό: ο δεσμός ανοίγει και το Χ προσδένεται στο ένα άτομο άνθρακα, το Ψ στο άλλο. Το Χ-Ψ μπορεί να είναι, για παράδειγμα, Η-Η, Br-Br, H-Cl ή H-OH.

Προσθήκη υδρογόνου (υδρογόνωση)

Η αντίδραση γίνεται παρουσία καταλύτη, συνήθως λευκόχρυσου (Pt) ή παλλαδίου (Pd), και ονομάζεται υδρογόνωση.

CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Pt/Pd} CH_3-CH_3

Γενικά:

C_\nu H_{2\nu} + H_2 \xrightarrow{Pt/Pd} C_\nu H_{2\nu+2}

Προσθήκη αλογόνου

CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br

Γενικά:

C_\nu H_{2\nu} + Br_2 \rightarrow C_\nu H_{2\nu}Br_2

Αν προσθέσουμε ένα αλκένιο σε διάλυμα $Br_2$ σε τετραχλωράνθρακα, το διάλυμα αποχρωματίζεται αμέσως, καθώς το κόκκινο χρώμα του $Br_2$ εξαφανίζεται όσο αυτό καταναλώνεται στην αντίδραση. Τα αλκάνια δεν δίνουν αυτή την αντίδραση.

Ο αποχρωματισμός του βρωμίου ως εργαστηριακός έλεγχος

Η άμεση εξαφάνιση του κόκκινου χρώματος του διαλύματος $Br_2$ όταν προστίθεται σε μια οργανική ένωση αποτελεί απλό και χρήσιμο εργαστηριακό τεστ ακορεστότητας: αν το χρώμα εξαφανιστεί, η ένωση είναι ακόρεστη (περιέχει διπλό ή τριπλό δεσμό).

Προσθήκη υδραλογόνου

CH_2=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CH_2Cl

Γενικά:

C_\nu H_{2\nu} + HCl \rightarrow C_\nu H_{2\nu+1}Cl

Όταν το αλκένιο δεν είναι συμμετρικό ως προς τον διπλό δεσμό, όπως το προπένιο $CH_3-CH=CH_2$ , η προσθήκη $HCl$ μπορεί θεωρητικά να δώσει δύο διαφορετικά προϊόντα. Ποιο από τα δύο θα σχηματιστεί κατά κύριο λόγο καθορίζεται από τον κανόνα του Markovnikov.

Ο κανόνας του Markovnikov

Σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov, στις αντιδράσεις προσθήκης μορίων της μορφής ΗΑ σε αλκένια, το άτομο υδρογόνου (Η) προστίθεται κατά προτίμηση στο άτομο άνθρακα του διπλού δεσμού που φέρει ήδη τα περισσότερα άτομα υδρογόνου. Ο κανόνας αυτός καθορίζει την τοποχημεία της προσθήκης και εξηγεί γιατί σε ασύμμετρα αλκένια σχηματίζεται κατά κύριο λόγο το ένα από τα δύο δυνατά προϊόντα και όχι το άλλο. Είναι σημείο που θέλει ιδιαίτερη προσοχή, καθώς η λανθασμένη εφαρμογή του (προσθήκη του Η στο «λάθος» άτομο άνθρακα) οδηγεί σε πρόβλεψη του μη κύριου προϊόντος.

Προσθήκη νερού (ενυδάτωση)

CH_2=CH_2 + HOH \xrightarrow{H_2SO_4} CH_3-CH_2OH

Γενικά:

C_\nu H_{2\nu} + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4} C_\nu H_{2\nu+1}OH

Η αντίδραση αυτή, γνωστή ως ενυδάτωση των αλκενίων, γίνεται παρουσία όξινου καταλύτη, όπως το θειικό οξύ ( $H_2SO_4$ ).

Η προσθήκη ως εργαλείο σύνθεσης

Η προσθήκη σε αλκένια δεν είναι απλώς μια αντίδραση αναγνώρισης· αποτελεί τη βάση για τη σύνθεση πολλών σημαντικών κατηγοριών οργανικών ενώσεων, όπως αλκοόλες, αλκάνια, αλκυλαλογονίδια και διαλογονίδια.

Πολυμερισμός

Πολυμερισμός ονομάζεται η συνένωση μικρών μορίων, που λέγονται μονομερή, προς σχηματισμό ενός πολύ μεγαλύτερου μορίου, που λέγεται πολυμερές.

Η γενική αντίδραση πολυμερισμού μιας ένωσης με τύπο $CH_2=CH-A$ οδηγεί σε μακριές αλυσίδες όπου οι μονάδες $CH_2-CHA$ επαναλαμβάνονται. Αυτός ο τύπος πολυμερισμού ονομάζεται πολυμερισμός προσθήκης, καθώς κάθε νέος δεσμός σχηματίζεται με «άνοιγμα» του διπλού δεσμού του μονομερούς, όπως ακριβώς σε μια αντίδραση προσθήκης.

Χαρακτηριστικά παραδείγματα πολυμερισμού:

Μονομερές	Πολυμερές	Χρήση
Αιθένιο $CH_2=CH_2$	πολυαιθυλένιο (ή πολυαιθένιο)	πλαστικές σακούλες, πλαστικά δοχεία
Προπένιο	πολυπροπυλένιο (ή πολυπροπένιο)	πλαστικά σχοινιά, αδιάβροχα
Βινυλοχλωρίδιο	πολυβινυλοχλωρίδιο	δίσκοι γραμμοφώνου, πλαστικοί σωλήνες
Ακρυλονιτρίλιο	πολυακρυλονιτρίλιο	τεχνητό μαλλί (orlon)
Στυρόλιο	πολυστυρόλιο	διογκωμένα πλαστικά για μόνωση

Η ρίζα του βινυλίου

Η ρίζα $CH_2=CH-$ ονομάζεται βινύλιο και δίνει το όνομά της σε πολλές γνωστές ενώσεις και πολυμερή, όπως το βινυλοχλωρίδιο και το πολυβινυλοχλωρίδιο (γνωστό και ως PVC).

Το πολυαιθυλένιο: δεν σχηματίζει αποκλειστικά ευθείες αλυσίδες, όπως θα περίμενε κανείς, αλλά και διακλαδώσεις. Εξαιτίας αυτού παρουσιάζει μεγάλη πλαστικότητα, γι' αυτό και χρησιμοποιείται στην κατασκευή πλαστικών σακουλών. Όσο μεγαλώνει η σχετική μοριακή του μάζα, τόσο πιο σκληρό γίνεται το πολυαιθυλένιο, ιδιότητα που αξιοποιείται στην κατασκευή πλαστικών δοχείων τροφίμων και ποτών. Μάλιστα, από πολυαιθυλένιο πολύ μεγάλης σχετικής μοριακής μάζας έχουν κατασκευαστεί ίνες ανθεκτικότερες και από τον ίδιο τον χάλυβα.

Καύση

Τα αλκένια, όταν καίγονται πλήρως, δίνουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό, όπως όλοι οι υδρογονάνθρακες.

CH_2=CH_2 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O

Γενικά, για ένα αλκένιο $C_\nu H_{2\nu}$ :

C_\nu H_{2\nu} + \frac{3\nu}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + \nu H_2O

Χρήσεις των αλκενίων και του αιθυλενίου

Το αιθυλένιο χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη για την παρασκευή πλήθους άλλων οργανικών ουσιών, γεγονός που το καθιστά μία από τις σημαντικότερες πρώτες ύλες της χημικής βιομηχανίας. Μέσω αντιδράσεων προσθήκης και πολυμερισμού παράγονται από αυτό αλκοόλες, αλκυλαλογονίδια, καθώς και πολυμερή όπως το πολυαιθυλένιο, που βρίσκουν εφαρμογή σε πλαστικές σακούλες, πλαστικά δοχεία και πολλά ακόμη καθημερινά προϊόντα.