Ch - Deriváty uhlovodíků Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete na www.dosli.cz.
± Deriváty uhlovodíků Deriváty uhlovodíků Deriváty uhlovodíků jsou organické sloučeniny odvozené od uhlovodíků náhradou atomů vodíku jiným atomem nebo skupinou atomů. Část molekuly uhlovodíku (bez atomu vodíku) nazýváme uhlovodíkový zbytek. Například uhlovodíkový zbytek od methanu CH 4 je methyl CH 3-, od ethanu CH 3-CH 3 je to ethyl CH 3CH 2-. Atomy nebo skupiny atomů, které nahrazují atomy vodíku v příslušném uhlovodíku, se nazývají charakteristické skupiny, např. -OH (hydroxylová) v alkoholech, -COOH (karboxylová) v karboxylových kyselinách. Halogenderiváty uhlovodíků Halogenderiváty jsou deriváty uhlovodíků, ve kterých charakteristickou skupinu tvoří atomy halogenů (F, Cl, Br, I). Jejich název se skládá z názvu halogenu a názvu uhlovodíku. Trichlormethan (chloroform) CHCl 3 a tetrachlormethan CCl 4 se používají jako rozpouštědla. Chlorethen (vinylchlorid) CH 2=CHCl je bezbarvý plyn, významná výchozí látka při výrobě poly(vinylchloridu) PVC. Tetrafluorethen (starší název tetrafluorethylen) CF 2=CF 2 je výchozí látkou pro výrobu poly(tetrafluorethenu) teflonu, který je velmi odolný. Proto se používá v průmyslu i domácnostech (ochranná vrstva pánví, skluznice lyží, tepelně odolné oděvy apod.) Freony jsou halogenové deriváty uhlovodíků, které obsahují alespoň dva vázané halogeny, přičemž jeden z nich je fluor. Například látka označovaná jako freon 12 je dichlordifluormethan CCl 2F 2. Způsobují úbytek ozonu ve vrchních vrstvách atmosféry, a tím vážně ohrožují život na Zemi. Velkým celosvětovým úspěchem byl tzv. Montrealský protokol (podepsaly ho téměř všechny státy světa), který vedl (až na malé výjimky) k zastavení používání těchto látek v chladírenství, ve sprejích (jako hnací plyny), v hasicích přístrojích apod. Dusíkaté deriváty uhlovodíků Dusíkaté deriváty uhlovodíků tvoří rozsáhlou skupinu sloučenin. Uvedeme si jen zástupce nitroderivátů (v molekulách uhlovodíků je vodík nahrazen skupinou NO 2) a aminů (v molekulách uhlovodíků je vodík nahrazen skupinou NH 2). Nitrobenzen C 6H 5NO 2 je jedovatá kapalina s vůní po hořkých mandlích. Používá se k výrobě anilinu a jiných sloučenin. Trinitrotoluen TNT (chemicky 2,4,6-trinitrotoluen) CH 3 C 6H 2(NO 2) 3 se používá jako výbušnina. Na sílu TNT se přepočítává i síla výbuchu jaderných zbraní. Anilin (benzenamin) C 6H 5NH 2 je olejovitá jedovatá kapalina, která se používá k výrobě léčiv a barviv. 1 z 7
Fenylethylamin (2-fenylethylamin), tzv. hormon lásky, zaplavuje mozek v době zamilovanosti, čímž způsobuje libé pocity. Mimo jiné je obsažen v čokoládě. Alkoholy Nejrozšířenějším alkoholem je ethanol (CH 3CH 2 OH), který je obsažen v pivu, vínu a tzv. destilátech. Ethanol (ethylalkohol) CH 3CH 2OH je příjemně vonící, bezbarvá a vysoce hořlavá kapalina. Vzniká ethanolovým kvašením cukrů, např. při získávání alkoholických nápojů (piva, vína). Ze směsi po kvašení se odděluje destilací. Používá se v laboratořích a v průmyslu jako rozpouštědlo, jako palivo (technický líh, součást benzinů, v lékařství jako dezinfekční prostředek a jako výchozí látka pro výrobu řady organických sloučenin). Pro technické účely se ethanol dodává jako denaturovaný" líh, který obsahuje zapáchající nebo jedovaté příměsí, aby nemohl být použit k přípravě alkoholických nápojů. Lidskému organismu však škodí i čistý ethanol, který obsahují alkoholické nápoje. Při požití těchto nápojů se dostává ethanol do krve a zpomaluje schopnost člověka reagovat. Proto je zakázáno požívat alkoholické nápoje v situacích, které vyžadují lidskou pozornost (např. řízení motorového vozidla). Požívání alkoholických nápojů může vést k návyku, který končí obtížně léčitelným onemocněním. Methanol CH 3OH je bezbarvá, kapalná, vysoce hořlavá a toxická látka. Požití již velice malé dávky této látky má u člověka za následek ztrátu zraku (asi jedna polévková lžíce) a smrt (asi tň polévkové lžíce). V průmyslu se používá jako rozpouštědlo, k výrobě surovin, ze kterých se vyrábějí plasty, a k výrobě bionafty. Odvození vzorce methanolu a ethanolu: Pivo se vyrábí v pivovarech ze sladu (nejčastěji ječného), vody a chmele s použitím pivovarských kvasinek. Nejprve se ve sladovnách vyrobí slad ze sladovnického ječmene, ten se rozemele a mísí ve varnách s vodou a směs se řízeně zahřívá. Po určité době se přefiltruje a vaří se s chmelem. Získá se tzv. mladina. Do zchlazené mladiny se v tzv. spilce přidávají pivovarské kvasinky, dochází ke kvašení, při kterém vzniká oxid uhličitý a voda. Následuje dokvašování a zrání piva v ležáckých sklepeních. Vzniklé pivo se filtruje, popř. pasteruje a plní do sudů nebo plechovek. Obsah extraktu (převážně sacharidů) v mladině se uvádí v hmotnostních procentech (přesněji hmotnostním zlomkem). Piva výčepní, která obsahovala 8 % až 10 % extraktu, mají hmotnostní zlomek ethanolu 1,8 % až 2,9 %, ležáky, které obsahovaly 11 % až 13 % extraktu, mají hmotnostní zlomek ethanolu 3,2 % až 4,0 %. Nealkoholická piva (4 % extraktu) mají hmotnostní zlomek ethanolu nepřesahující 0,5 %. (Na etiketách různých piv bývá uveden obsah ethanolu tzv. objemovými procenty přesněji objemovým zlomkem. Uváděné hodnoty objemového zlomku jsou vždy větší než hodnoty po přepočtu na hmotnostní zlomek.) Pivo (v malém množství) doporučují konzumovat i zastánci zdravé výživy. Složky piva mají téměř 100% stravitelnost a podporují trávení i celkovou látkovou výměnu. Pivu se však říká někdy také tekutý chléb, protože je pro organismus značným zdrojem energie (1 400 až 1 900 kj/dm 3 ). Doporučovaná teplota konzumovaného piva je 8 C až 10 C. Víno (révové) je zkvašený a zušlechtěný mošt z hroznů vinné révy. Působením kvasinek se z hroznového cukru 2 z 7
(glukosy) v moštu tvoří ethanol a oxid uhličitý: Vinná réva se pěstuje odnepaměti. První zmínky o pěstování vinné révy v Českých zemích pocházejí z konce 9. století, největší rozkvět jejího pěstování bývá přisuzován vládě Karla IV. (1346 až 1378). Přírodní vína jsou bílá, červená, růžová a tzv. klarety. Dále se vyrábějí např. vína šumivá (sekty), perlivá, dezertní (slazená), alkoholizovaná (16 % až 18 % alkoholu) a kořeněná (vermuty). Přírodní vína obsahují obvykle 10 % až 12 % alkoholu. Výrobní postup začíná rozdrcením bobulí na rmut, který se lisuje na mošt. Výroba bílého vína pokračuje přirozeným kvašením moštu. Při výrobě červeného vína se nechá rmut z modrých hroznů vykvasit a teprve poté se lisuje, aby červené barvivo rozpustné v alkoholu přešlo do roztoku. (Víno mladé je většinou ze sklizně z předešlého roku. Burčák je bouřlivě kvasící vinný mošt.) Šumivá vína se vyrábějí kvašením moštu nebo druhotným kvašením vín v uzavřených nádobách (v lahvích nebo ve velkoobjemových nádržích). Nazývají se sekty, nesprávně též vína šampaňská. (Za šampaňská vína lze označit pouze šumivá vína vyrobená ve Francii v oblasti Champagne.) Vína perlivá jsou uměle sycená oxidem uhličitým za chladu nebo vyrobená kvašením v uzavřených nádobách do přetlaku 0,3 MPa. Destilací zkvašené šťávy z vinných hroznů se získávají brandy a koňaky. Některé alkoholy mají ve své molekule vázáno více hydroxylových skupin OH. K takovým látkám patří ethylenglykol a glycerol. Ethan-1,2-diol CH 2(OH)CH 2OH (známý pod názvem ethylenglykol) je alkohol odvozený od ethanu. Obsahuje v molekule dvě vázané hydroxylové skupiny. Je to bezbarvá olejovitá kapalina sladké chuti neomezeně mísitelná s vodou. Používá se jako složka do nemrznoucích chladících směsí (např. do chladičů motorů) a jako surovina pro výrobu plastů. Je velmi jedovatý a bylo již zaznamenáno několik úmrtí v případě, kdy došlo omylem k jeho požití. Propan-1,2,3-triol CH 2(OH)CH(OH)CH 2OH (známý pod názvem glycerol) je alkohol odvozený od propanu. Obsahuje v molekule tři vázané hydroxylové skupiny (na každém atomu uhlíku v řetězci je vázána jedna). Glycerol je sirupovitá kapalina sladké chuti. Chemicky je vázán v tucích. Používá se jako součást kosmetických přípravků, vyrábí se z něj některé plasty a výbušniny. Deriváty arenů, které obsahují jednu nebo více hydroxylových skupin vázaných na benzenové jádro, se nazývájí fenoly. Svoje označení mají podle derivátu, který vznikne náhradou jednoho atomu vodíku hydroxylovou skupinou v benzenu. Tento derivát se nazývá fenol. Je jedovatý a leptá pokožku. Používá se k dezinfekci, k výrobě plastů, barev, léčiv, prostředků k hubení škůdců aj. Dříve se tato látka nazývala kyselina karbolová karbolka. Byla použita koncem 19. století anglickým lékařem Josephem Listerem jako první antisepse při operacích. Lister si ve vodném roztoku karbolové kyseliny (fenolu) především myl ruce, myl i všechny chirurgické nástroje, přikládal na operační ránu hadry namočené v ní, ba dokonce ji rozprašoval po operačním sále. Dosáhl tím, že byla snížena pooperační úmrtnost po provedených amputacích z 50 % na 5 %. Antisepse, již vynalezl Joseph Lister, způsobila revoluci v chirurgii a zachránila miliony operovaných. Karbonylové sloučeniny Karbonylové sloučeniny jsou deriváty uhlovodíků, které obsahují karbonylovou skupinu Patří mezi ně aldehydy a ketony. Aldehydy Aldehydy jsou deriváty uhlovodíků, ve kterých je ke karbonylové skupině vázán atom vodíku a uhlovodíkový zbytek, v nejjednodušším případě dva atomy vodíku. Mezi aldehydy patří např. formaldehyd a acetaldehyd. Formaldehyd (methanal) HCHO je bezbarvý štiplavý toxický plyn, snadno rozpustný ve vodě. Do obchodu přichází jako 40% vodný roztok (formalin). Používá se jako dezinfekční a konzervační prostředek, je surovinou pro výrobu plastů (např. bakelitu). 3 z 7
Acetaldehyd (ethanal) CH 3CHO je kapalina štiplavého zápachu, dobře rozpustná ve vodě. Používá se k výrobě barviv, léčiv apod. Acetaldehyd lze spojovat do větších molekul (polymerovat). Jedna z takto připravených látek se používá jako tzv. tuhý líh. Ketony Ketony jsou deriváty uhlovodíků, ve kterých jsou ke karbonylové skupině vázány dva uhlovodíkové zbytky. Mezi ketony patří např. aceton. Aceton (propan-2-on) CH 3COCH 3 je bezbarvá těkavá hořlavá ve vodě rozpustná kapalina s typickým zápachem. (Zápach acetonu v dechu a moči upozorňuje na onemocnění cukrovkou.) Používá se k výrobě barviv, léčiv, plastů, je významným rozpouštědlem barev a laků. Aceton je zdraví škodlivý a jeho páry se vzduchem vytvářejí výbušnou směs. Karboxylové kyseliny Karboxylové kyseliny jsou organické sloučeniny, ve kterých je vázána alespoň jedna karboxylová skupina -COOH. Karboxylové kyseliny lze pojmenovat názvy triviálními nebo systematickými. Systematický název se v nejjednodušším případě utvoří připojením rozšířeného zakončení,,-ová kyselina" k názvu necyklického uhlovodíku. Kyselina mravenčí (methanová kyselina) HCOOH je odvozena od methanu. Je to bezbarvá, leptavá, štiplavě páchnoucí kapalina. Je součástí obranného mechanismu některých organismů, např. mravenci ji vylučují při napadení nepřítelem, je obsažena ve včelím jedu a v chloupcích kopřiv. Používá se jako konzervační prostředek, v kožedělném průmyslu ke zpracování kůží a k přípravě esterů. Kyselina octová (ethanová kyselina) CH 3COOH je odvozena od ethanu. Koncentrovaná (98%) kyselina octová je kapalná, štiplavě zapáchající látka, která má leptavé účinky na pokožku. Vzniká z ethanolu působením mikroorganismů (octovým kvašením). Její 8% roztok (ocet) se používá ke konzervování a dochucování potravin. Kyselina octová se využívá při zpracování kůží, výrobě barev a plastů. Podle povahy uhlovodíkových zbytků se karboxylové kyseliny dělí na nasycené, nenasycené, aromatické apod. Podle počtu karboxylových skupin se dělí na jednosytné (monokarboxylové) a vícesytné (di-, trikarboxylové apod.). Kyselina palmitová (hexadekanová kyselina) CH 3(CH 2) 14COOH a kyselina stearová (oktadekanová kyselina) CH 3(CH 2) 16COOH patří mezi nasycené monokarboxylové kyseliny. Protože jsou vázány v tucích, nazývají se také mastné kyseliny. Kyselina olejová (oktadec-9-enová kyselina) CH 3(CH 2) 7CH=CH(CH 2) 7COOH patří mezi nenasycené monokarboxylové kyseliny. Je vázána v tucích (olejích), a proto patří také mezi mastné kyseliny. Kyseliny s více dvojnými vazbami tzv. polynenasycené vyšší mastné kyseliny jsou biologicky nepostradatelné látky. Tělo si je však nedokáže samo vyrobit a musíme je přijímat s potravou. Někdy bývají označovány jako vitamin F. Jejich nedostatek se projevuje změnami na kůži a poruchami organismu v hospodaření s vodou. Zdrojem jsou rostlinné oleje. Kyselina citronová (2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylová kyselina) se vyskytuje v citrusových plodech nebo v nezralém ovoci. Užívá se jako konzervační látka a značí se symbolem E330. Kyselina šťavelová (ethandiová kyselina) HOOC COOH je nejjednodušší dikarboxylová kyselina. Je to 4 z 7
toxická krystalická látka. Najdeme ji a její soli v malém množství v některých rostlinách (šťovík, rebarbora, špenát, červená řepa.) Kyselina benzoová (benzenkarboxylová kyselina) C 6H 5COOH je nejjednodušší aromatickou kyselinou. Je to bílá krystalická látka používaná pod označením E210 ke konzervaci potravin. Aminokyseliny Ve všech organismech jsou chemicky vázané karboxylové kyseliny, které obsahují charakteristickou aminovou skupinu -NH 2. Tyto sloučeniny se nazývají aminokyseliny a nejjednodušší je glycin (kyselina aminooctová NH 2CH 2COOH). Je to bezbarvá krystalická látka, dobře rozpustná ve vodě. Soli některých aminokyselin se používají jako ochucovadla (glutaman sodný). Soli karboxylových kyselin Soli karboxylových kyselin se mohou připravit neutralizací příslušných organických kyselin hydroxidy. Například: Důležitá konzervační látka je benzoan sodný, označovaný jako E211, a glutaman sodný, označovaný jako E621, který zvýrazňuje chuť potravin. Významné jsou sodné a draselné soli kyseliny palmitové a kyseliny stearové. Tvoří podstatu mýdel, přičemž sodné soli jsou především v mýdlech tužších (toaletních) a draselné soli v mýdlech mazlavých, dříve používaných k mytí podlah. Vyrábějí se z rostlinných a živočišných tuků a hydroxidu sodného nebo hydroxidu draselného a dalších přísad. Základní surovinou pro výrobu běžných mýdel je směs tuků a olejů (lůj, sádlo, kokosový a palmový olej, kostní tuk, kafilerní tuk apod.), která se vaří několik hodin s roztokem hydroxidu sodného. Dojde ke zmýdelnění tuků a vytvoří se hustá hmota (mýdlový klih), která se přídavkem chloridu sodného (tzv. vysolením) rozdělí na mýdlovou hmotu (tzv. jádro) a vodný roztok glycerolu (tzv. spodní mydlářský louh). Vyrobená mýdlová hmota se suší a mísí s přísadami (např. kosmetické přísady, barviva, vůně), mechanicky propracuje, stlačí do mýdlových tyčí, ze kterých se jednotlivé kostky odřezávají, tvarují (popř. se na ně ještě současně razí různá označení) a balí se. Estery Estery jsou produkty reakce kyselin a alkoholů, také voda. Například: Ethylester kyseliny octové (ethyl-acetát, octan ethylnatý) je bezbarvá, ve vodě rozpustná, po ovoci vonící kapalina. Používá se jako rozpouštědlo, např. v lacích na nehty a odlakovačích. Estery jsou většinou velmi příjemně vonící látky, vyskytující se v mnoha přírodních esencích. Mají široké uplatnění ve voňavkářském průmyslu a v potravinářství jako vonné a chuťové přísady. Například ethylester kyseliny mravenčí (ethyl-formiát, mravenčan ethaylnatý) se používá jako rumová esence. Estery vyšších (s delším uhlíkatým řetězcem) karboxylových kyselin s glycerolem jsou tuky a rostlinné oleje. Methylestery vyšších mastných kyselin získané z řepkového oleje a methanolu se obchodně nazývají MEŘO. Přidávají se jako tzv. bionafta do motorové nafty pro vznětové motory. Estery se připravují reakcí karboxylových kyselin s alkoholy v přítomnosti kyselého katalyzátoru, nejčastěji 5 z 7
kyseliny sírové. Estery připravené z kyselin a alkoholů s kratším uhlovodíkovým řetězcem jsou kapalné, příjemně vonící látky. Významné jsou estery vyšších mastných kyselin s trojsytným alkoholem glycerolem. Tyto látky se nazývají triacylglyceroly tuky. Pokud obsahují nasycené vyšší mastné kyseliny (např. kyselinu palmitovou nebo stearovou), jedná se o pevné tuky. Pokud obsahují nenasycené vyšší mastné kyseliny (např. kyselinu olejovou), jde o oleje. Vysycováním násobných vazeb nenasycených vyšších mastných kyselin vodíkem (hydrogenací) se z olejů vyrábějí ztužené tuky. V přítomnosti kyselin dochází k hydrolýze esterů (rozkladu vodou) za vzniku původních alkoholů a původních karboxylových kyselin. V přítomnosti hydroxidů zásad rovněž dochází k hydrolýze esterů, za vzniku původních alkoholů a solí karboxylových kyselin. Známou reakcí tohoto typu je zmýdelňování esterů (tuků, olejů), přičemž vznikají soli vyšších mastných kyselin mýdla. Některé estery jsou základem pro výrobu makromolekulárních sloučenin polyesterů (PES). Značka PES se hlavně používá v textilním průmyslu. Jedním z polyesterů je také poly(ethylentereftalát) PET, který se používá pro výrobu plastových lahví. Řada esterů má charakteristickou vůni a používají se jako vonné esence. Estery vznikají také reakcí alkoholů s anorganickými kyselinami. Ester kyseliny dusičné a glycerolu je známý pod názvem nitroglycerin. Používá se v lékařství a tvoří součást dynamitu. Dynamit je výbušnina založená na explozivním potenciálu nitroglycerinu, který v ní je adsorbován na porézním materiálu. Oproti klasickému tekutému nitroglycerinu se vyznačuje mnohonásobně vyšší stabilitou oproti tlaku nebo nárazu. Dynamit vynalezl Alfréd Nobel v roce 1866, patent získal v roce 1867. Slovo pochází z původně Nobelem navrženého názvu Kieselgur-dynamite (Kieselgur je německy křemelina, dynamite řecky plná síly), byl také zpočátku dodáván jako Nobelův výbušný prach. Dynamit se vyráběl ze tří dílů nitroglycerinu, jednoho dílu křemeliny a malého množství jedlé sody. Tato směs byla tvarována obvykle do podoby tyček. Později byla ve směsi nahrazena křemelina (infusoriová hlinka) směsí dusičnanů (KNO 3, NaNO 3) a suchých dřevitých pilin. Základní úlohy: Úloha č. 1: Popište rozdíl ve významu slova alkohol v běžném životě a v chemii. Úloha č. 2: Pekaři někdy používají jako aromatickou přísadu do těsta na pečivo alkoholický nápoj tuzemák, obsahující rumovou esenci. Bude dort připravený tepelnou úpravou těsta s tuzemákem obsahovat alkohol (ethanol)? Odpověď zdůvodněte. Úloha č. 3: Alkoholické nápoje pivo a víno se stáním na vzduchu kazí". Zkažení se projevuje tím, že kapalina chutná kysele. a) Uvedené změny ověřte pokusem, jehož postup sami navrhnete. b) Při kysání uvedených alkoholických nápojů vzniká z látky A látka B. Uveďte názvy a vzorce těchto dvou látek. Úloha č. 3: Reakcí organických kyselin s alkoholy vznikají A. soli, B. uhlovodíky, C. estery, D. aminokyseliny. Úloha č. 4: Na skládkách odpadků, které obsahují organické látky, může vzniknout (mimo jiné látky) i kyselina octová. Ta se potom dále rozkládá a vznikají dva plyny. Jeden je hlavní složkou bioplynu a druhý při větší koncentraci ve vzduchu může způsobovat také skleníkový efekt. 6 z 7
Úloha č. 5: Určete, které dvě látky při rozkladu kyseliny octové vznikají. A. C 2H 2 + CO B. C 2H 6 + S0 2 C. CH 4 + C0 2 D. C 2H 4 + N0 2 Svůj výběr zdůvodněte. Rozšiřující úlohy Úloha č. 1: Kterým postupem můžeme oddělit ethanol ze zkvašené ovocné šťávy? A. filtrací směsi přes husté plátno B. filtrací směsi přes filtrační papír C. destilací směsi v destilačním přístroji D. usazování ve velké nádobě E. odstřeďováním elektrickou odstředivkou Úloha č. 2: K derivátům uhlovodíků nepatří A. propan, B. kyselina octová, C. methanol, D. chlorethen. Úloha č. 3: V některých organismech (rostliny, kvasinky, živočichové) vznikají nejrůznější karboxylové kyseliny. Příklady: a) Kyselina šťavelová je obsažena v rostlině lidově nazývané šťovík. b) Kyselina citronová je v plodech citroníku citronech. c) Kyselina vinná je v alkoholickém nápoji víně a ve vinných hroznech. d) Kyselina mléčná je v kyselém mléce, v kysaném zelí a v siláži používané jako krmivo pro skot. Navrhněte postup, kterým byste přítomnost kyselin ve vzorcích dokázali. Úloha č. 4: K úvaze máte z názvů organických látek základy slov: METH-, ETH-, BUT-, OCT- ; zakončení -A L, -E N, -Y N, -A N, -O N. Které zakončení můžete přidat ke všem základům slov, aby pokaždé vznikl název organické sloučeniny? Úloha č. 5: Aromatickou složkou některých laků na nehty je látka, která se používá i jako rozpouštědlo barviv. Chemický název této látky získáte seřazením skupin písmen ve skrývačce: 7 z 7
Obsah Deriváty uhlovodíků 1 4.6.2011 12:50:21 Vytištěno v programu dosystem - EduBase (www.dosli.cz)