tutor chemia organiczna-ćwiczenia dla licealistów zdzisław głowacki.pdf
TRANSCRIPT
Zdzis³aw G³owacki
Chemia 2b. Æwiczenia z chemii dla licealistów. Chemia organiczna.Zakres podstawowy i rozszerzony
Konsultacje i korekta merytoryczna:
dr Aleksander Kazubski
Pracownia Dydaktyki Chemii, Wydzia³ Chemii, Uniwersytet Miko³aja Kopernika w Toruniu
Redakcja techniczna, opracowanie graficzne, ³amanie i przygotowanie do druku:
Robert Ciechanowski, RC PRO [email protected]
Ilustracja na ok³adce:
Katarzyna Danielewska
Projekt ok³adki:
Miros³aw G³odkowski, Zdzis³aw G³owacki
Korekta:
Iwona Cieœlak
Zeszyty Chemia. Æwiczenia dla licealistów zosta³y opracowane zgodnie z podstaw¹ kszta³cenia
ogólnego dla liceów ogólnokszta³c¹cych i liceów profilowanych w oparciu o standardy wymagañ
egzaminacyjnych. Zeszyty æwiczeñ mog¹ byæ pomocne podczas realizacji dowolnego programu
nauczania chemii dopuszczonego przez MENiS do u¿ytku szkolnego. Forma i zró¿nicowanie za-
dañ dostosowane s¹ do wymogów nowej matury z chemii. Treœci zadañ tak zosta³y opracowane,
¿eby jednoczeœnie rozszerzyæ i uzupe³niæ zakres wiedzy, który zawarty jest w podrêcznikach. Sto-
pieñ trudnoœci æwiczeñ jest zró¿nicowany — nauczyciel bêdzie móg³ je wykorzystywaæ zarówno
w pracy z uczniami œrednimi, jak i uzdolnionymi.
Do ka¿dego zeszytu æwiczeñ zosta³y opracowane poradniki metodyczne dla nauczycieli i uczniów
— zawieraj¹ uwagi metodyczne dotycz¹ce rozwi¹zywania zadañ, bibliografiê wskazan¹
do pog³êbienia danego zagadnienia, Ÿród³a informacji wykorzystywanych w zadaniach. Dla
uczniów samodzielnie przygotowuj¹cych siê do egzaminów poradniki bêd¹ nieocenion¹ pomoc¹.
Seria tych æwiczeñ dedykowana jest zw³aszcza uczniom ambitnym — zamierzaj¹cym zdawaæ eg-
zamin maturalny na poziomie rozszerzonym oraz przygotowuj¹cym siê do studiów na wydzia³ach
medycznych, farmaceutycznych i przyrodniczych.
© Copyright by Oficyna Wydawnicza „Tutor”
Wydanie I. Toruñ 2004
Oficyna Wydawnicza „Tutor”
ul. Piskorskiej 7L, 87-100 Toruñ
tel./fax (0-56) 65-999-55, 65-737-14
ISBN 83-86007-82-6
www.szkolna.pl
Spis treœci
Wstêp 5
Dzia³ I Wêglowodory
Rozdzia³ 71Alkany
Rozdzia³ 412Wêglowodory nienasycone (alkeny, alkiny, dieny i cykloalkeny)
Rozdzia³ 713Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne
Dzia³ II Jednofunkcyjne i wielofunkcyjne pochodne wêglowodorów
Rozdzia³ 984Fluorowcopochodne (halogenopochodne) wêglowodorów
Rozdzia³ 1065Alkohole i fenole
Rozdzia³ 1446Aldehydy i ketony
Rozdzia³ 1637Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze
Rozdzia³ 2188Zwi¹zki organiczne zawieraj¹ce azot
Rozdzia³ 2479Cukry
Dzia³ III Chemia na co dzieñ
Rozdzia³ 273Chemia na co dzieñ
www.szkolna.pl
10
Treœci poszczególnych zeszytów
Chemia. Æwiczenia dla licealistów
Zeszyt 1a — zakres podstawowy i rozszerzony
1. Budowa atomu
2. Uk³ad okresowy pierwiastków chemicznych
3. Mol, masa molowa i objêtoœæ molowa gazów
Zeszyt 1b — zakres podstawowy i rozszerzony
4. Wi¹zania chemiczne
5. W³aœciwoœci wybranych metali i niemetali
6. Systematyka zwi¹zków nieorganicznych
Zeszyt 2a — zakres podstawowy i rozszerzony
1. Reakcje chemiczne
2. Podstawy obliczeñ chemicznych
3. Roztwory i mieszaniny
4. Reakcje w roztworach wodnych elektrolitów
Zeszyt 2b — zakres podstawowy i rozszerzony
5. Wêglowodory
6. Jednofunkcyjne i wielofunkcyjne pochodne wêglowodorów
7. Chemia na co dzieñ
Zeszyt 3a — zakres rozszerzony
1. Energetyka chemiczna
2. Kinetyka i równowaga chemiczna
3. Kwasy, zasady i zwi¹zki kompleksowe
4. Elektrochemia
Zeszyt 3b — zakres rozszerzony
5. Mechanizmy reakcji chemicznych
6. Chemia zwi¹zków naturalnych
7. Elementy biochemii
8. Metody badania struktury materii
Chemia.Zestawy zadañ egzaminacyjnych przygotowuj¹cych do nowej matury
Ksi¹¿ka zawiera propozycje próbnych arkuszy egzaminacyjnych do egzaminu matu-
ralnego z chemii wraz z rozwi¹zaniami i modelami oceniania.
www.szkolna.pl
Wstêp
Reforma systemu edukacji stworzy³a nauczycielom i szko³om mo¿liwoœci reali-
zowania ró¿norodnych programów nauczania. Wspólnym punktem odniesienia dla
wszystkich programów nauczania, na bazie których powstaj¹ zestawy podrêczni-
ków szkolnych, s¹ centralnie opracowywane podstawy programowe kszta³cenia
ogólnego dla liceów ogólnokszta³c¹cych, liceów profilowanych i techników oraz
standardy wymagañ egzaminacyjnych. Na tej wspólnej bazie programowej opraco-
wany zosta³ zestaw zeszytów æwiczeñ Chemia. Æwiczenia dla licealistów.
Zeszyt 2b poœwiêcony jest tematyce zwi¹zanej z szeroko pojêt¹ chemi¹ orga-
niczn¹. Treœci te s¹ szczególnie wa¿ne dla uczniów zamierzaj¹cych podj¹æ studia
przyrodnicze, a w szczególnoœci studia medyczne, farmaceutyczne, rolnicze lub kie-
runki z zakresu biologii, biotechnologii albo biochemii. Wiedza z zakresu chemii or-
ganicznej — chemii zwi¹zków naturalnych jest baz¹ tych dyscyplin.
Celem autora by³o przygotowanie takiej pomocy dydaktycznej, która u³atwi³aby
uczniowi przyswojenie i utrwalenie wiedzy oraz problematyki chemicznej w trak-
cie wykonywania zró¿nicowanych zadañ i æwiczeñ oraz mog³aby zast¹piæ tradycyj-
ny zeszyt do chemii. Wielokrotnie ju¿ wskazywano na fakt, ¿e uczeñ najwiêcej wia-
domoœci przyswaja sobie w trakcie wykonywania konkretnych zadañ.
Wa¿n¹ zalet¹ korzystania z zeszytów æwiczeñ jest oszczêdnoœæ czasu, zarówno
tego, który by³by potrzebny nauczycielowi na lekcjach do przedstawienia treœci æwi-
czeñ, jak i tego poœwiêconego na ich opracowanie w domu. Zeszyt æwiczeñ mo¿e
byæ tak¿e wykorzystywany jako zeszyt do przedmiotu chemia. W tym celu czêœæ
miejsca poœwiêcono na Notatki z lekcji. Miejsca tego nie jest za wiele, ale w obec-
nych czasach, kiedy podrêczniki s¹ zape³nione aktualn¹ wiedz¹, dostêp do informa-
cji poprzez Internet i œrodki masowego przekazu jest nieograniczony — tworzenie
d³ugich notatek lekcyjnych jest trwonieniem cennego czasu.
Prezentowane zeszyty æwiczeñ mog¹ byæ pomocne podczas realizacji dowolne-
go programu nauczania chemii dopuszczonego przez MENiS do u¿ytku szkolnego.
Zadania form¹ i treœci¹ dostosowane s¹ do wymogów nowej matury z chemii. Za-
mieszczone ró¿norodne æwiczenia maj¹ uczyæ rozwi¹zywania problemów chemicz-
www.szkolna.pl
nych, krótkiego definiowania stosowanych pojêæ, wyszukiwania informacji, opraco-
wywania i graficznego przedstawiania danych, wyci¹gania wniosków z opisów
przemian chemicznych, analizowania tekstów popularnonaukowych itp. Stopieñ
trudnoœci æwiczeñ jest zró¿nicowany — nauczyciel bêdzie móg³ je wykorzystywaæ
tak¿e w pracy z uczniami uzdolnionymi. Niektóre zadania wymagaj¹ce szerszej
wiedzy oznaczono symbolem J.
Zestaw sk³ada siê z czterech modu³ów. Dwa pierwsze przeznaczone s¹ dla
uczniów realizuj¹cych program kszta³cenia podstawowego. Trzeci zawiera tematy-
kê programu rozszerzonego, niemniej niektóre tematy powinny byæ, zdaniem auto-
ra, omawiane tak¿e w trakcie realizacji zakresu podstawowego. Czwarty modu³ to
Zestawy zadañ egzaminacyjnych przygotowuj¹cych do nowej matury.Do ka¿dego zeszytu æwiczeñ zosta³y opracowane poradniki metodyczne dla na-
uczycieli i uczniów — zawieraj¹ one odpowiedzi oraz uwagi dotycz¹ce rozwi¹zy-
wania zadañ, bibliografiê wskazan¹ do pog³êbienia danego zagadnienia oraz Ÿród³a
informacji wykorzystywanych w zadaniach. Dla uczniów samodzielnie przygoto-
wuj¹cych siê do egzaminu maturalnego na poziomie podstawowym lub rozszerzo-
nym bêdzie to nieoceniona pomoc.
Informacja o autorze
Zdzis³aw G³owacki — jest doktorem nauk chemicznych, absolwentem Politechniki
Gdañskiej. Studiowa³ fizykê i chemiê, w latach 1982–1993 pracowa³ w Katedrze Che-
mii Organicznej PG. By³ nauczycielem i wyk³adowc¹ w Medycznym Studium Zawo-
dowym oraz adiunktem na Wydziale Chemii UMK w Toruniu. Jest autorem kilkunastu
prac naukowych z zakresu zastosowañ NMR do oznaczania sk³adu enancjomeryczne-
go zwi¹zków organicznych. Wyda³ dwie ksi¹¿ki Po naszej stronie lustra. Z³amana sy-metria wszechœwiata oraz Chemiczna dialektyka. Testy egzaminacyjne z chemii dlagimnazjalistów. Od 1991 roku jest dyrektorem, nauczycielem i wydawc¹ w Studium
Oœwiatowym „Tutor” w Toruniu — m.in. prowadzi zajêcia dla licealistów przygoto-
wuj¹cych siê do egzaminów na studia medyczne.
www.szkolna.pl
6 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
Rozdzia³
Alkany
Zadanie 1.1.
W drugiej po³owie XIX wieku chemicy poznali sk³ad metanu (CH4). Wiedzieli, ¿e ist-
nieje zawsze tylko jedna pochodna o wzorze CH3X oraz tylko jedna pochodna o wzo-
rze CH2X2. Na podstawie tych informacji Jakub Henryk van’t Hoff (przysz³y pierw-
szy laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii) opisa³ przestrzenn¹ budowê tych
zwi¹zków. Wska¿ na podstawie tych informacji, która z ni¿ej przedstawionych figur
opisuje budowê pochodnych metanu oraz wyka¿, ¿e w przypadku dwóch innych
struktur musia³oby istnieæ wiêcej pochodnych (narysuj je).
www.szkolna.pl
1
Dzi
a³
I
Rozdzia³
Wêglowodory aromatycznei zwi¹zki heterocykliczne
Struktura benzenu, charakter aromatyczny i teoria rezonansu
Benzen jest znany ju¿ od 1825 roku. Zosta³ odkryty przez Faradaya w cylindrach,
w których przechowywa³ on acetylen, lub jak twierdz¹ inni, w przewodach londyñ-
skiej gazowej sieci oœwietleniowej. Od tego czasu jego w³aœciwoœci chemiczne i fi-
zyczne by³y przedmiotem bardzo wielu badañ. Dopiero jednak w latach trzydzie-
stych XX wieku ugruntowa³a siê teoria opisuj¹ca strukturê tego zwi¹zku.
Benzen ma wzór sumaryczny C6H6, w wyniku podstawienia jednego z atomów wê-
gla mo¿na otrzymaæ zawsze tylko jeden produkt C6H5Y. Oznacza to, ¿e wszystkie ato-
my wodoru musz¹ byæ równocenne. Za odkrywcê, wspó³czeœnie znanej i akceptowa-
nej, pierœcieniowej struktury benzenu uwa¿any jest niemiecki chemik August
Kekulé. Istotnym i nowatorskim podejœciem Kekulégo by³o zaproponowanie struktu-
ry dynamicznej, w której nastêpowa³o ci¹g³e przemieszczanie siê podwójnych
wi¹zañ. Pozwoli³o to wyjaœniæ m.in., dlaczego nie istniej¹ dwa izomeryczne 1,2-di-
bromobenzeny (por. rys. 3.1.). Zak³adaj¹c równocenoœæ wszystkich wi¹zañ i wszyst-
kich atomów wêgla w benzenie, Kekulé, w podrêczniku wydanym w roku 1867, prze-
widywa³ istnienie trzech izomerów benzenu podstawionych w pozycjach 1,2; 1,3
oraz 1,4. Potwierdzi³ to przypuszczenie, w latach 1869–1874, Wilhelm Körner, jego
uczeñ, który nazwa³ te izomery odpowiednio orto, meta i para.
Friedrich August Kekulé von Stradonitz w roku 1858 wysun¹³ hipotezê ³añcuchowej
budowy zwi¹zków organicznych oraz czterowi¹zalnoœci atomów wêgla. Teoria ta
równolegle zosta³a przedstawiona przez A.S. Coupera. W roku 1865 Kekulé zapro-
ponowa³ pierœcieniow¹ strukturê benzenu, która to mia³a mu siê przyœniæ. Drzemi¹c
w omnibusie lub — w innej wersji — w fotelu nad podrêcznikiem, mia³ widzieæ
www.szkolna.pl
3
Dzi
a³
I
Pełną ofertę znajdziesz na www.tutor.edu.pl
CHEMIA. Ćwiczenia dla licealistówZdzisław Głowacki
Ćwiczenia i zadania z chemii zawarte w kolejnych częściach tejserii wydawniczej zostały opracowane zgodnie z podstawąkształcenia ogólnego dla szkół ponadgimnazjalnych. Mogąbyć one pomocne podczas realizacji dowolnego programunauczania chemii dopuszczonego do użytku szkolnego.Niektóre zadania zawierają treści interdyscyplinarne – pro-blemy typowo chemiczne połączone są z fizyką, biologią czyz matematyką. Ma to na celu rozszerzenie i uzupełnienie wie-dzy, która jest przedstawiana w podręcznikach szkolnych.Zróżnicowane, w formie i w treści, ćwiczenia uczą rozwią
Chemia. Ćwiczenia dla licealistów zywania problemów chemicznych, krótkiego definiowaniastosowanych pojęć, wyszukiwania informacji, opracowywaniai graficznego przedstawiania danych, wyciągania wnioskówz opisów przemian chemicznych, analizowania tekstów popu-larnonaukowych itp. Stopień trudności ćwiczeń jest zróżni-cowany – nauczyciel będzie mógł je wykorzystywać w pracyz uczniami liceum a także przygotowując gimnazjalistów doudziału w konkursach chemicznych.
Do każdej części ćwiczeń został opracowany poradnik dla nau-czyciela, który zawiera rozwiązania zadań i problemów orazkomentarze do zagadnień będących treścią pytań.
Wszystkie części ćwiczeńwraz z poradnikami sądoskonałą pomocą dlauczniów samodzielnieprzygotowujących się dozmagań konkursowychw gimnazjum i dla licea-listów powtarzającychzagadnienia z chemiiprzed sprawdzianami i doegzaminu maturalnego.
Część 1
1. Budowa atomu2. Układ okresowy pierwiastków chemicznych3. Mol, masa molowa i objętość molowa gazów4. Wiązania chemiczne5. Właściwości wybranych metali i niemetali6. Systematyka związków nieorganicznych7. Chemia w Internecie
Część 2b – Chemia organiczna
1. Alkany
2. Węglowodory nienasycone (alkeny, alkiny,dieny i cykloalkeny)
3. Węglowodory aromatyczne i związkiheterocykliczne
4. Fluorowcopochodne (halogenopochodne)węglowodorów
5. Alkohole i fenole
6. Aldehydy i ketony
7. Kwasy karboksylowe, estry i tłuszcze
8. Związki organiczne zawierające azot
9. Cukry
10. Chemia na co dzień
Część 2a – zakres podstawowy i rozszerzony
1. Reakcje chemiczne
2. Podstawy obliczeń chemicznych
3. Roztwory i mieszaniny
4. Reakcje w roztworach wodnych elektrolitów
Treści zestawów ćwiczeń
Zdzisław Głowacki
! ! !
ucz
nió
w a
mbitnyc
hka
ndyd
atów
na
studia
med
yczn
eucz
estn
ików
konku
rsów
chem
iczn
ych
Ćw
icze
nia
z c
hem
ii r
eko
mendow
ane d
la:
skacz¹ce atomy, wyobra¿a³ je sobie jako ruchliwe ma³pki, które w pewnym momen-
cie chwyci³y siê za rêce i nogi, tworz¹c zamkniêty pierœcieñ. Inni znawcy snów
twierdz¹, ¿e Kekulé mia³ œniæ wê¿a zjadaj¹cego swój ogon. Uroboros, w¹¿ po¿e-
raj¹cy w³asny ogon, by³ znany ju¿ w pismach sumeryjskich, œredniowieczni alchemi-
cy traktowali go jako symbol rtêci; uwa¿ano go tak¿e za symbol wszystkich proce-
sów cyklicznych. Skrupulatni historycy stwierdzili jednak, ¿e rzeczywistoœæ by³a
bardziej prozaiczna. Cztery lata wczeœniej, w roku 1861, ma³o znany chemik wiede-
ñski, Johann Loschmidt, zaproponowa³ szeœcioatomowy pierœcieñ wêglowy jako
strukturê benzenu. Zosta³o to opublikowane w ma³o dostêpnym prywatnym wydaw-
nictwie i niektórzy historycy twierdz¹, ¿e Kekulé wiedzia³ o strukturze proponowa-
nej przez Loschmidta. Ka¿de prze³omowe odkrycie ma wielu ojców, do b³êdnych teo-
rii nikt siê nie przyznaje.
Powa¿n¹ wad¹ struktury zaproponowanej przez Kekulégo by³o to, ¿e nie potrafi³a
wyjaœniæ chemicznego zachowania benzenu. Benzen, mimo niew¹tpliwie nienasyco-
nego charakteru, nie ulega typowym dla zwi¹zków nienasyconych reakcjom addycji
do podwójnego wi¹zania. Zamiast tego ³atwo ulega licznym reakcjom substytucji
elektrofilowej: nitrowaniu, sulfonowaniu, halogenowaniu w obecnoœci ¿elaza.
Pomys³ Kekulégo, zapisywania zmiennego po³o¿enia podwójnych wi¹zañ w struktu-
rze benzenu, zosta³ rozwiniêty na pocz¹tku lat trzydziestych XX wieku przez angiel-
skiego chemika Christophera Ingolda. Wprowadzi³ on pojêcie mezomerii (z greckie-
go mesos — miêdzy i meros — czêœæ), jako okreœlenie zjawiska wystêpowania
www.szkolna.pl
72 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
X
Y
X
Y
J. Dewar, 1867 A. Claus, 1867 A. Landenburg, 1869
HH
H H
HH
d
a
b
c
f
ed
a b c
f
e
A. Kekulé, 1865 A. Kekulé, 1866
A. Kekulé, 1872
Rys. 3.1. Proponowane struktury cz¹steczki benzenu
cz¹steczki w formie poœredniej pomiêdzy wzorami granicznymi. Równowagê pomiê-
dzy strukturami granicznymi zwyk³o siê zapisywaæ z wykorzystaniem pojedynczej
strza³ki z dwoma grotami (symbol ten wprowadzi³ do zapisu chemicznego Eistert
w 1936 roku).
Pojêcie mezomerii zosta³o rozszerzone przez Linusa C. Paulinga w teoriê rezonansu che-
micznego. By³o to konsekwencj¹ wprowadzenia do opisu wi¹zañ chemicznych funkcji
falowych. W rezultacie struktury mezomeryczne mo¿na zast¹piæ ich superpozycj¹, czyli
hybryd¹, która powstanie w przypadku na³o¿enia na siebie form granicznych.
Ukoronowaniem teoretycznych opisów benzenu by³a regu³a Ericha Hückela z Insty-
tutu Fizyki Teoretycznej w Stuttgarcie, opublikowana w 1931 roku. W myœl tej
regu³y, wywiedzionej z obliczeñ kwantowomechanicznych, w uk³adach cyklicznych
zawieraj¹cych 4n+2 zdelokalizowanych elektronów ð nastêpuje podwy¿szenie
trwa³oœci cz¹steczki. Benzen posiadaj¹cy szeœæ takich elektronów (n = 1) nale¿y do
najwa¿niejszych przedstawicieli tych zwi¹zków, okreœlanych mianem zwi¹zków aro-
matycznych.
Trwa³oœæ pierœcienia benzenowegoWyj¹tkowej trwa³oœci pierœcienia benzenowego mo¿emy dowieœæ na podstawie po-
równania energii hydrogenacji w szeregu cykloheksen, cykloheksadien i „cyklohek-
satrien” oraz benzen.
Mo¿na by³oby oczekiwaæ, dodaj¹c œrednie energie hydrogenacji przypadaj¹ce na jed-
no wi¹zanie podwójne w cykloheksenie i cykloheksadienie, ¿e w wyniku uwodornie-
nia 1 mola cykloheksatrienu wydzieli siê ok. 360 kJ na sposób ciep³a. Wartoœæ ekspe-
rymentalnie wyznaczona jest znacznie ni¿sza i wynosi ok. 208 kJ. Oznacza to, ¿e
benzen jest o 152 kJ/mol trwalszy od hipotetycznego cykloheksatrienu. Energia na-
zywana jest energi¹ rezonansu, jest ona przyczyn¹ szczególnych w³aœciwoœci cz¹ste-
czek benzenu, charakteryzuj¹cych cz¹steczki aromatyczne. Przede wszystkim
wszystkie przemiany, które niszczy³yby sekstet elektronowy, prowadzi³yby do po-
wstania mniej trwa³ego, niearomatycznego produktu. St¹d wynika biernoœæ benzenu
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 73
Rys. 3.2. Mezomeryczne struktury benzenu
w reakcjach addycji, które prowadzi³yby do utraty aromatycznego charakteru pro-
duktu. W reakcjach substytucji sekstet elektronowy pozostaje nienaruszony.
Pojêcie „aromatycznoœci” zosta³o wprowadzone przez Kekulégo i mia³o okreœlaæ po-
chodne benzenu. Erlenmeyer okreœla³ jako aromatyczne te zwi¹zki, które w³aœciwo-
œciami by³y podobne do pochodnych benzenu. Niezwyk³e w³aœciwoœci zwi¹zków
www.szkolna.pl
74 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
benzen
naftalen
Rys. 3.3. Formy mezomeryczne i struktury rezonansowe
120
120
240
120
360
120
cykloheksan
cykloheksen
cykloheksadien
cykloheksatrien
208 kJ/mol
69 kJ/mol
ener
gia
[kJ/
mol]
energia na jednowi¹zanie
energia ca³kowita
Rys. 3.4. Zmiany ca³kowitej energii hydrogenacji w szeregu cykloheksen, cykloheksadien,
„cykloheksatrien” i benzen oraz w przeliczeniu na jedno podwójne wi¹zanie
aromatycznych by³y bodŸcem do szerokich badañ. Stwierdzono, ¿e nie wszystkie cy-
kliczne, nienasycone zwi¹zki wykazuj¹ w³aœciwoœci aromatyczne.
Regu³a przedstawiona przez Hückela by³a dalszym stymulatorem do poszukiwañ
zwi¹zków o charakterze aromatycznym. Zgodnie z t¹ regu³¹ p³askie, cykliczne
uk³ady zawieraj¹ce 2, 6, 10, 14, 18, 22, ... (4n+2) ð elektronów s¹ aromatyczne. Do
zwi¹zków aromatycznych mo¿na wiêc zaliczyæ uk³ady wielopierœcieniowe: naftalen
i antracen, aniony i kationy (anion cyklopentadienylowy i kation cykloheptatrienylo-
wy) oraz cykliczne zwi¹zki zawieraj¹ce heteroatomy: piran, furan, pirymidynê i pu-
rynê. Najwiêkszym uk³adem aromatycznym (22 zdelokalizowane w pierœcieniu elek-
trony ð) wystêpuj¹cym w przyrodzie jest ugrupowanie porfirynowe, bêd¹ce
zasadnicz¹ czêœci¹ chlorofilu i hemu. „Dziura” w œrodku pierœcienia jest na tyle
du¿a, ¿e mo¿e pomieœciæ kation magnezu w przypadku chlorofilu lub kation ¿elaza
w przypadku hemu. To s¹ tylko nieliczne przyk³ady z olbrzymiej rzeszy znanych
zwi¹zków aromatycznych.
Zadanie 3.1.
a) Uzupe³nij tekst.
Co w takim razie odró¿nia benzen i zwi¹zki aromatyczne od zwi¹zków niearoma-
tycznych?
Cz¹steczka benzenu jest , p³askim szeœciok¹tem. D³ugoœci
wi¹zañ C-C s¹ i wynosz¹ 0,139 nm. Dla porównania typowe
wi¹zanie podwójne ma d³ugoœæ 0,134 nm, a pojedyncze 0,153 nm. Jest to wiêc
d³ugoœæ poœrednia pomiêdzy wi¹zaniem pojedynczym a podwójnym. Poniewa¿
na jedno wi¹zanie przypada œrednio 1,5 , mo¿na w tym
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 75
cyklooktatetraen
Rys. 3.5. Ju¿ w 1911 roku Willstätter wykaza³ silnie
nienasycony charakter cyklooktatetraenu
przypadku mówiæ o wi¹zaniu pó³torakrotnym. Wszystkie atomy wêgla w pierœ-
cieniu maj¹ jednakow¹ hybrydyzacjê sp2. eletronowy znajduje siê na
nak³adaj¹cych siê wzajemnie orbitalach atomowych typu p. Delokalizacja elek-
tronów ð nad i pod p³aszczyzn¹ pierœcienia powoduje zwiêkszenie
cz¹steczki. Jednoczeœnie du¿a gêstoœæ elektronowa w tych miejscach zwiêksza
podatnoœæ cz¹steczki na przy³¹czenie reagenta,
st¹d zwi¹zki ³atwo ulegaj¹ substytucji elektrofilowej. Natomiast nie tworz¹ produk-
tów z uwagi na koniecznoœæ zniszczenia struktury sekstetu.
Zgodnie z regu³¹ Hückla sekstet elektronowy jest wyró¿nionym uk³adem, na-
daj¹cym zwi¹zkowi charakter aromatyczny. Dla „magicznych” liczb elektronów
2, 6, 10, ... (4n+2), zysk energetyczny wynikaj¹cy z ich jest
najwiêkszy.
Benzen jest dodatkowo uprzywilejowan¹ cz¹steczk¹ — k¹ty w szeœciok¹cie s¹
równe 120°; jest to wiêc k¹t, jaki wystêpuje pomiêdzy wi¹zaniami atomów o hy-
brydyzacji . W innych uk³adach cyklicznych: czworok¹tach, piê-
ciok¹tach, siedmiok¹tach i dalszych k¹ty pomiêdzy wi¹zaniami musz¹ byæ inne,
co dodatkowo zmniejsza trwa³oœæ tych zwi¹zków.
Jak zatem mo¿na najproœciej i najw³aœciwiej opisaæ zwi¹zki aromatyczne?
Zwi¹zki aromatyczne, pomimo ¿e maj¹ charakter zwi¹zków nienasyconych, nie
ulegaj¹ reakcjom , natomiast ³atwo ulegaj¹ reakcjom substytu-
cji elektrofilowej.
S¹ to zwi¹zki o i cyklicznej strukturze posiadaj¹ce 4n+2 ð
elektronów na zdelokalizowanych orbitalach. Cz¹steczkê tak¹ mó¿na zapisaæ za
www.szkolna.pl
76 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
www.szkolna.pl www.tutor.torun.pl
Magiczna chemia. Zagadnienia z chemii nie tylko
dla olimpijczyków – gimnazjalistów
i licealistów – to obszerny wybór zagad-
nień i zadań dla uczniów zamierzających
szerzej poznać chemię. Intencją autora
było wypełnienie luki występującej po-
między chemią szkolną a wiedzą chemi-
czną niezbędną do udziału w konkursach
i w olimpiadzie chemicznej oraz do podjęcia
studiów obejmujących przedmioty przy-
rodnicze, takie jak: chemia, biochemia, far-
macja czy medycyna.
W kolejnych rozdziałach można znaleźć
zagadnienia i zadania obejmujące takie tematy,
jak: powstawanie pierwiastków we Wszech-
świecie, izomeria i analiza konformacyjna,
aktywność optyczna związków chemicznych i ich
biomolekularna homochiralność czy aromaty-
czność węglowodorów. W odrębnym rozdziale
przedstawiono osiągnięcia chemików uhonoro-
wane nagrodami Nobla. Są tu też zadania, których
treść jest oparta na historycznie ważnych odkry-
ciach chemicznych. Uczeń znajdzie tu różne teorie
budowy i działania kwasów i zasad oraz soli i roztwo-
rów buforowych. Całość książki zamyka kilka anegdot
o chemikach. Do większości pytań, zadań i problemów
dołączono odpowiedzi i komentarze. Na końcu autor
zamieścił zestawienie książek, po które powinien sięg-
nąć każdy ciekawy otaczającego go świata uczeń, nie
tylko ten interesujący się chemią.
Autor książek – – jest doktorem nauk chemicznych,
absolwentem Politechniki Gdańskiej. Studiował fizykę i chemię. W la-
tach 1982-93 pracował w Katedrze Chemii Organicznej PG. Był
nauczycielem i wykładowcą w Medycznym Studium Zawodowym
w Toruniu oraz adiunktem na Wydziale Chemii UMK. Od 1991 roku jest
dyrektorem Studium Oświatowego „Tutor” w Toruniu – m.in. prowadzi
zajęcia dla licealistów przygotowujących się do egzaminów na studia
medyczne. W 1993 roku założył Oficynę Wydawniczą „Tutor” –
wydawnictwo o profilu edukacyjnym, nakładem którego ukazało się
kilkadziesiąt tytułów.
Zdzisław Głowacki
OficynaWydawnicza
Jest autorem kilkunastu prac
naukowych z zakresu zastosowań NMR do
oznaczania składu enancjomerycznego związków organicznych
oraz książek, m.in.
oraz
i cyklu zbiorów zadań
. Jest współautorem książek:
i .
Interesuje się szeroko pojętymi dyscyplinami matematyczno-
-przyrodniczymi. Wypoczywa w wiejskim domku – pracując w ogro-
dzie. Jego hobby to geograficzne i historyczne wędrówki śladami
przodków.
Po naszej stronie lustra. Złamana symetria Wszech-świata Chemiczna dialektyka. Testy egzaminacyjne z chemii dlagimnazjalistów Chemia. Ćwiczenia dla licealis-tów Odlotowa matematyka. Zadania dlanajmłodszych olimpijczyków – uczniów szkół podstawowych i gim-nazjów Pewniaki. Próbne egzaminy gimnazjalne
ul. Warszawska 14/2, 87-100 Toruń, tel./fax 56 65-999-55, tel. kom. 603-929-227
pomoc¹ struktur . D³ugoœci wi¹zañ w uk³adzie aroma-
tycznym s¹ uœrednione. Energie tworzenia, spalania czy hydrogenacji cz¹steczki
aromatycznej s¹ znacznie w porównaniu do wartoœci przewidy-
wanych dla jej klasycznego odpowiednika. Jeszcze jedna w³aœciwoœæ jest charak-
terystyczna dla uk³adu aromatycznego. Otó¿ w pierœcieniu ð-elektronowym zew-
nêtrzne pole mo¿e wzbudzaæ ruch elektronów (pr¹d ko³owy). Chemicy widz¹ ten
efekt na widmach magnetycznego rezonansu j¹drowego.
b) W tekœcie wymieniono zwi¹zki aromatyczne, które mo¿na zakwalifikowaæ do ró¿-nych grup, np. do zwi¹zków pierœcieniowych, jonów, zwi¹zków heterocyklicz-nych. Wybierz z ka¿dej z tych grup po dwóch przedstawicieli i opisz ich w tabeliwg wzoru:
Zwi¹zek Nazwa Wzór
aromatycznywielopierœcieniowy
naftalen
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 77
Zadanie 3.2.
Uzupe³nij tabelê:
Cz¹steczka/wi¹zanie
wêgiel–wêgiel
KrotnoϾ
wi¹zania
Energia
dysocjacji
D³ugoœæ wi¹zania
[nm]
etan pojedyncze
benzen pó³torakrotne
eten
etyn
Zadanie 3.3.
a) Pierœcieñ benzenu ma nastêpuj¹c¹ strukturê przestrzenn¹:
A. strukturê krzes³a z wi¹zaniami na przemian pojedynczymi i podwójnymi
B. strukturê koperty z uœrednionymi pó³torakrotnymi wi¹zaniami
C. p³aski pierœcieñ szeœciok¹tny, w którym wystêpuj¹ zdelokalizowane wi¹za-nia ð
D. p³aski pierœcieñ szeœciok¹tny tylko z pojedynczymi wi¹zaniami miêdzy ato-mami wêgla
b) Budowê dwóch struktur granicznych benzenu wed³ug Kekulégo mo¿na wyjaœniæza pomoc¹:
A. mezomerii B. metamerii
C. izomerii optycznej D. tautomerii
c) Homologiem benzenu jest:
A. naftalen B. fenantren
C. etylobenzen D. antracen
www.szkolna.pl
78 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
d) Moment dipolowy cz¹steczki benzenu jest równy zeru, poniewa¿:
A. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ atomowe, a ich moment dipolo-wy jest równy zeru
B. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ równej d³ugoœci
C. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ wi¹zaniami ó, a elektrony ð ule-gaj¹ delokalizacji
D. dziêki symetrii cz¹steczki benzenu suma momentów dipolowych bardzos³abo spolaryzowanych wi¹zañ wêgiel–wodór wynosi zero
Zadanie 3.4.
a) Otocz pojedynczym ko³em wêglowodory aromatyczne. Natomiast podwójnymko³em wêglowodory aromatyczne posiadaj¹ce moment dipolowy ró¿ny od zera.
b) Spoœród przedstawionych poni¿ej wzorów strukturalnych cz¹steczek, zwi¹zkamiaromatycznymi s¹:
A. IV, V i VI B. II i IV C. III, V i VI D. III, IV i V
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 79
Cl
Cl Cl
ClCl
NH2H2N
OHCH CH2 3
CH3
I
IV
II
V
III
VI
c) Narysuj wzory strukturalne czterech homologów benzenu o wzorze sumarycz-nym C8H10.
d) Podaj 5 kolejnych liczb wynikaj¹cych z regu³y Hückela. Narysuj wzory przyk³ad-owych zwi¹zków aromatycznych, które posiadaj¹ takie liczby sprzê¿onychz sob¹ elektronów.
Zadanie 3.5.
a) Podaj, jakie w³aœciwoœci fizyczne posiada benzen. Porównaj je z w³aœciwoœciamiwody i heksanu.
www.szkolna.pl
80 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
b) Jakie reakcje chemiczne pozwol¹ odró¿niæ benzen od cykloheksanu i cykloheksenu?
c) Zapisz równania reakcji spalania cykloheksanu i benzenu.J Odszukaj w tablicach chemicznych entalpie tworzenia substratów i produktówi na tej podstawie oblicz, jaki jest efekt energetyczny obu tych procesów.
Substytucja elektrofilowa w pierœcieniu aromatycznym
Chemiczn¹ w³aœciwoœci¹ wyró¿niaj¹c¹ zwi¹zki aromatyczne z grupy zwi¹zków nie-nasyconych jest ³atwoœæ, z jak¹ te zwi¹zki ulegaj¹ reakcjom substytucji elektrofilo-wej. P³aszczyzna pierœcienia benzenowego otoczona z obu stron chmur¹ elektronówð stanowi dobr¹ tarczê dla odczynników elektrofilowych, tzn. takich, które maj¹ zama³o elektronów.
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 81
C CC H
H H
CH
Rys. 3.1. Chmura elektronów ð nad i pod p³aszczyzn¹ jest do-godnym celem dla czynników elektrofilowych
Do typowych reakcji substytucji elektrofilowej nale¿¹ reakcje zachodz¹ce w uk³a-dach aromatycznych i nale¿y tu przede wszystkim wymieniæ:
a) nitrowanie
elektrofilowym czynnikiem w tej reakcji jest kation nitroniowy powstaj¹cy w re-akcji kwasu azotowego(V) z siarkowym(VI)
b) sulfonowanie
czynnikiem elektrofilowym w reakcji sulfonowania jest trójtlenek siarki SO3, po-siadaj¹cy deficyt elektronów — a wiêc mimo braku ³adunku jest elektrofilem
c) halogenowanie
zachodzi w obecnoœci ¿elaza lub trójchlorku ¿elaza (kwasu Lewisa), czynnikiemelektrofilowym jest dodatni jon halogenkowy
www.szkolna.pl
82 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
H O NO
OH SO2 4 HSO4 + H O2O ON
+-
NO2 H+
+ +
++ +
NO2
SO3+
SO H3
SO3 S OO
Odeficyt elektronów
(brak oktetu wokól siarki)
+ ++ -
+ H (FeCl H4 + FeCl HCl)3 +Cl+
Cl
+-
Cl2 FeCl Cl4 +Fe
Cl
Cl
Cl+
deficyt elektronów
d) alkilowanie i acylowanie metod¹ Friedla-Craftsa
czynnikiem elektrofilowym jest karbokation powstaj¹cy w wyniku reakcji kwasuLewisa — np. AlCl3 z halogenkiem alkilu
W reakcjach substytucji elektrofilowej zachodz¹cych dla benzenu i jego pochod-nych interesuj¹ chemika zawsze dwa aspekty. Po pierwsze, jaka jest wzglêdna reak-tywnoœæ pierœcienia w danej reakcji w odniesieniu do innych pochodnych lub dobenzenu. Po drugie, w którym miejscu nast¹pi substytucja w przypadku ju¿ podstawio-nego pierœcienia: w pozycji orto, meta czy para do obecnego ju¿ podstawnika.
Tabela 3.1.
Klasyfikacja podstawników ze wzglêdu na reaktywnoœæ i efekt kieruj¹cy
w reakcjach substytucji elektrofilowej w uk³adach aromatycznych
Podstawniki aktywuj¹ce
kieruj¹ce w pozycje orto, para
Podstawniki dezaktywuj¹ce
kieruj¹ce w pozycje meta
Silnie aktywuj¹ce -NO2
-NH2 (-NHR, -NHR2) -COOH (-COOR)
-OH -SO3H
-CHO, -COR
Œrednio aktywuj¹ce
-OCH3 (-OC2H5 itd.)
S³abo aktywuj¹ce
-C6H5Podstawniki dezaktywuj¹ce
kieruj¹ce w pozycje orto, para
-CH3 (-C2H5 itd.) -F, -Cl, -Br, -I
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 83
++ -+R + + H
R
(AlCl + H4 AlCl + HCl)3
+-
RCl + AlCl3 AlCl + R4
W ponad stuletniej historii badañ uk³adów aromatycznych dok³adnie poznano me-chanizmy rz¹dz¹ce substytucj¹ elektrofilow¹. W przypadku monopodstawionychpochodnych benzenu efekty podstawnika mo¿na sklasyfikowaæ w dwóch wymienio-nych kategoriach. Poprzez okreœlenie ich wp³ywu na reaktywnoœæ uk³adu aromatyczne-go i okreœlenie wp³ywu na pozycje i selektywnoœæ podstawienia. W tych kategoriachpodstawniki mo¿na zaliczyæ do podstawników aktywuj¹cych i dezaktywuj¹cych orazdo kieruj¹cych w pozycjê orto i para lub w pozycjê meta. Klasyfikacjê niektórych pod-stawników przedstawiono w tabeli 3.1.
Efekt kieruj¹cy podstawnika oznacza, ¿e w wyniku reakcji powstaj¹ produkty o wiêk-szej zawartoœci preferowanych izomerów. Rzadko kiedy jest to ca³kowicie selektyw-ne podstawienie. Przyk³adowe dane doœwiadczalne dla reakcji substytucji w toluenieprzedstawia tabela 3.2.
Tabela 3.2.
Orientacja reakcji substytucji w toluenie
ReakcjaWydajnoϾ produktu [%]
orto meta para
Nitrowanie 58 4 38
Sulfonowanie 32 6 62
Bromowanie 33 — 67
Zadanie 3.6.
a) Podkreœl te reakcje, które s¹ charakterystyczne dla zwi¹zków aromatycznych.
nitrowanie bromowanie wobec FeBr3
reakcja z wod¹ bromow¹ reakcja z wod¹ wapienn¹
alkilowanie sulfonowanie
odbarwianie KMnO4 reakcja z FeCl3
b) Produktami chlorowania chlorobenzenu w obecnoœci opi³ków ¿elaza g³ównie s¹nastêpuj¹ce izomery dichlorobenzenu:
A. tylko izomery meta B. mieszanina izomerów orto i para
C. mieszanina izomerów orto i meta D. mieszanina izomerów meta i para
www.szkolna.pl
84 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
c) Otocz kó³kiem g³ówne produkty mononitrowania bromobenzenu.
d) W wyniku chlorowania jednego z izomerów C8H10 (homologu benzenu) wobecsoli ¿elaza powsta³ tylko jeden izomer o wzorze C8H9Cl. Który to by³ izomer? Na-rysuj jego wzór oraz podaj nazwê.
e) Podaj wzór strukturalny i nazwê izomeru o wzorze C8H10 (homologu benzenu),dla którego istnieje najwiêcej monochloropochodnych o wzorze C8H9Cl.
Zadanie 3.7.
a) Obecnoœæ wi¹zañ zdelokalizowanych w cz¹steczce benzenu, zawieraj¹cych sek-stet elektronowy, sprzyja reakcjom przebiegaj¹cym wed³ug mechanizmu:
A. substytucji elektrofilowej B. substytucji nukleofilowej
C. addycji elektrofilowej D. addycji nukleofilowej
www.szkolna.pl
Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne 85
Br
NO2
Br
O N2
BrO N2
b) Mechanizm nitrowania benzenu najlepiej przedstawia równanie:
A. C6H6 + HNO3H SO2 4
¾ ®¾¾ C6H5NO2 + H2O
B. C6H6 + NO2+
¾ ®¾ C6H5NO2 + H+
C. C6H6 + H++ NO3
-¾ ®¾ C6H5NO2 + H2O
D. C6H6 + HNO3 + H2SO4 ¾ ®¾ C6H5NO2 + H2O + H++ HSO4
-
c) Wska¿ równanie reakcji, która nie przebiega wed³ug mechanizmu substytucjielektrofilowej:
A. C6H6 + Br2FeBr3
¾ ®¾¾ C6H5Br + HBr
B. C6H6 + CH3Cl AlCl3¾ ®¾¾ C6H5CH3 + HCl
C. C6H6 + 3Cl2UV
¾ ®¾ C6H6Cl6
D. C6H6 + HNO3H SO2 4
¾ ®¾¾ C6H5NO2 + H2O
Zadanie 3.8.
Uzupe³nij tabelê, wpisuj¹c odpowiednio g³ówne produkty reakcji substytucji elektro-filowej zachodz¹cej w pierœcieniu aromatycznym substratu.
Substrat Reakcja Produkty
toluen nitrowanie
nitrobenzen chlorowanie
kwas benzoesowy nitrowanie
www.szkolna.pl
86 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
Zadanie 7.40.
a) Narysuj fragment ³añcucha, jaki mo¿na otrzymaæ w wyniku polikondensacjicz¹steczek kwasu mlekowego.
b) Jak¹ nazw¹ okreœla siê polimery, które tworz¹ produkty polikondensacji hydroksy-kwasów (lub kwasów dikarboksylowych z alkoholami dihydroksylowymi)?
c) Narysuj wzory pó³strukturalne laktonów, które mog¹ powstaæ w wynikuwewn¹trzcz¹steczkowej estryfikacji w przypadku kwasu 4-hydroksybutanowegoi kwasu 5-hydroksypentanowego.
Zadanie 7.41.J
a) Wpisz do tabeli wzory pó³strukturalne oraz wartoœci sta³ych kwasowoœci dla poda-nych kwasów. Napisz, w jaki sposób budowa tych kwasów wp³ywa na ich moc.
www.szkolna.pl
Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze 203
Kwas Wzory pó³strukturalne Wartoœæ Ka
octowy
mlekowy
benzoesowy
para-hydroksybenzoesowy
meta-hydroksybenzoesowy
orto-hydroksybenzoesowy
Wnioski:
b) Zaznacz (:) zdania prawdziwe, dotycz¹ce wp³ywu grupy hydroksylowej na mochydroksykwasu aromatycznego:
9 grupa -OH w po³o¿eniu meta „wyci¹ga” elektrony z pierœcienia i na skutekefektu indukcyjnego powoduje zwiêkszenie kwasowoœci
9 grupa -OH w po³o¿eniu para uwalnia elektrony i na skutek efektu rezonan-sowego powoduje zmniejszenie kwasowoœci
www.szkolna.pl
204 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
9 grupa -OH w po³o¿eniu orto wp³ywa na zwiêkszenie kwasowoœci hydroksy-kwasu, niezale¿nie od sk³onnoœci do przyci¹gania lub uwalniania elektronów
9 grupa -OH w po³o¿eniu para „wyci¹ga” elektrony i na skutek efektu induk-cyjnego powoduje zwiêkszenie kwasowoœci
c) Najwiêksz¹ moc wykazuje kwas:
A. para-hydroksybenzoesowy
B. meta-hydroksybenzoesowy
C. orto-hydroksybenzoesowy
D. kwasy orto- i para-hydroksybenzoesowe, poniewa¿ maj¹ zbli¿on¹ wartoœæsta³ej dysocjacji
E. kwasy meta- i para-hydroksybenzoesowe, poniewa¿ maj¹ zbli¿on¹ wartoœæsta³ej dysocjacji
ChiralnoϾ
Zadanie 7.42.
a) Chiralnoœæ to zjawisko polegaj¹ce na:
A. identycznoœci przedmiotu z jego odbiciem lustrzanym
B. tworzeniu zwi¹zków bêd¹cych odbiciem lustrzanym innych zwi¹zków
C. nieidentycznoœci przedmiotu z jego odbiciem lustrzanym
D. wystêpowaniu osi i p³aszczyzny symetrii w badanym przedmiocie
b) Izomeria optyczna polega na:
A. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków chemicznych w dwóch nieidentycz-nych odmianach bêd¹cych odbiciami lustrzanymi
www.szkolna.pl
Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze 205
B. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w dwóch identycznych odmianachbêd¹cych odbiciami lustrzanymi
C. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w dwóch lub wiêcej nieidentycznychodmianach niebêd¹cych odbiciami lustrzanymi
D. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w czterech odmianach posiadaj¹cychoœ symetrii
c) Cz¹steczka jest optycznie czynna, je¿eli:
A. posiada co najmniej jeden atom wêgla o hybrydyzacji sp3
B. atom wêgla tworzy cztery pojedyncze wi¹zania
C. atom wêgla tworzy cztery wi¹zania ó z czterema ró¿nymi podstawnikami
D. w cz¹steczce nie wystêpuje centrum symetrii i p³aszczyzna symetrii
d) Parê zwi¹zków optycznie czynnych, bêd¹cych wzglêdem siebie odbiciem lustrza-nym, nazywamy:
A. epimerami
B. racematami
C. enancjomerami
D. diastereoizomerami
e) Czynnoœæ optyczna zwi¹zków chiralnych polega na:
A. skrêcaniu p³aszczyzny polaryzacji œwiat³a liniowo spolaryzowanego
B. przemianie œwiat³a bia³ego w œwiat³o monochromatyczne
C. rozszczepieniu œwiat³a bia³ego na promieniowanie o ró¿nej d³ugoœci fali iró¿nej barwie
D. polaryzacji œwiat³a monochromatycznego
www.szkolna.pl
206 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
Zadanie 7.43.
Otocz kó³kiem te obiekty, które s¹ chiralne.
Zadanie 7.44.
Narysuj z prawej strony „cz¹steczki” model jej izomeru optycznego.
Zadanie 7.45.
a) Przestrzenne rozmieszczenie podstawników wokó³ tetraedrycznego atomu wêglanazywamy:
A. koordynacj¹ B. konfiguracj¹ C. konstytucj¹ D. konformacj¹
www.szkolna.pl
Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze 207
NAPIS
piramida szeœcian
korkoci¹gzegarek
but
kieliszek
kula
b) Atom wêgla po³¹czony z czterema ró¿nymi podstawnikami, decyduj¹cy o czynno-œci optycznej zwi¹zku, nazywamy:
A. asymetrycznym atomem wêgla B. centrum chiralnoœci
C. tetraedrycznym atomem wêgla D. stereochemicznym atomem wêgla
c) Na podanych ni¿ej wzorach pó³strukturalnych zaznacz na czerwono asymetrycz-ne atomy wêgla.
Zadanie 7.46.
a) Podaj zasady, zgodnie z jakimi nale¿y narysowaæ wzór rzutowy Fischera cz¹stecz-ki chiralnej.
www.szkolna.pl
208 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
CH3 CH3
CH3 ClC CH H
C H2 5 C H2 5 CH3CH3
CH3 ClCC
C H2 5C H2 5
CH3CH3
Br Br
CC
C H2 5C H2 5H2C
H2C
CH3
C
H
CH3 C
OH
H
COOH
b) Dla podanych przestrzennych wzorów cz¹steczek narysuj obok ich p³askie wzoryrzutowe Fischera.
c) Na podstawie wzorów rzutowych Fischera narysuj wzory przestrzenne podanychcz¹steczek.
d) Czy otrzymamy wzór zwi¹zku o takiej samej konfiguracji, je¿eli jednokrotnie do-konamy zamiany miejscami podstawników we wzorze rzutowym Fischera — takjak to zrobiono na rysunku?
www.szkolna.pl
Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze 209
CH3
CH3CH2
HO
COOH
CH3
CH3CH2
H
CHO
CH3
CH3
CH3
CH2
H
HHO
C
C
COOH
HOOC
CH3 CH3
H HHO
COOH
HOOC
OH
e) Czy otrzymamy wzór zwi¹zku o takiej samej konfiguracji, je¿eli dwukrotnie doko-namy zamiany miejscami dowolnych podstawników we wzorze rzutowym Fische-ra — tak jak np. to zrobiono na rysunku?
f) Czy wzór otrzymany w wyniku obrotu wzoru rzutowego Fischera danej cz¹stecz-ki chiralnej o k¹t 90° nadal bêdzie przedstawia³ tê sam¹ cz¹steczkê?
Zadanie 7.47.
Kwas winowy, C4O6H6, nale¿y do grupy hydroksykwasów dikarboksylowych. Zewzoru cz¹steczki przedstawionej poni¿ej wynika, ¿e ma ona dwa asymetryczne ato-my wêgla. S¹ to atomy wêgla o hybrydyzacji sp3, zwi¹zane z czterema ró¿nymi pod-stawnikami.
Obecnoœæ dwóch asymetrycznych atomów wêgla powoduje, ¿e kwas winowy mo¿eposiadaæ maksymalnie cztery ró¿ne stereoizomery, czyli dwie pary enancjomerów.Przedstawione s¹ one na rysunku 7.2.
W przypadku kwasu winowego, z uwagi na powtarzaj¹ce siê podstawniki na obu ato-mach wêgla, mo¿emy powróciæ do analogii z d³oñmi. Stereoizomer I to dwie d³onielewe, jego lustrzane odbicie II to dwie d³onie prawe. Stereoizomer III to d³onie: pra-wa i lewa — jego lustrzany obraz IV to tak¿e d³oñ lewa i prawa, tyle tylko, ¿e odwró-
www.szkolna.pl
210 Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów
CH3
HHO
COOH
CH3
HHOOC
OH CH3
HHOOC
OH
CH
CH
HO
HO
COOH
COOH
Rys. 7.1. Kwas winowy
www.szkolna.pl
Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze 211
C C
C C
COOH COOH
COOH COOH
HO H
H HO
H OH
OH H
C C
C C
COOH COOH
COOH COOH
HO
HO
H
H
H
H
OH
OH
C C
C C
HOOC HOOC
HOOC HOOC
OH OH
OH
OH
H
S
S – S S – RR – R R – S
S R S
R
R
SR
H
H
H
C C
C C
COOH COOH
COOH COOH
HO HO
HO
HO
H H
H
H
S
I
I
II
II
Slewa
lewa
prawa
prawa
R
R
III
III
IV
IV
R
Slewa
lewa
forma mezo
prawa
prawa
R
S
Rys. 7.2. Kwasy winowe. Stereoizomery optycznie aktywne (S, S) i (R, R) oraz forma mezoi ich dwurêczne odpowiedniki. S i R s¹ symbolami oznaczaj¹cymi w sposób systema-tyczny konfiguracjê danego atomu wêgla.