مراقبة تطور جملة كيميائية
الأسترة: الكحولات، الأحماض الكربوكسيلية، الإسترات و خصائص التحول
- أن تتعرّف على الكحول والحمض الكربوكسيلي والأستر من صيغته النصف مفصّلة وتسمّيه
- أن تصنّف كحولا إلى أوّلي أو ثانوي أو ثالثي انطلاقا من صيغته النصف مفصّلة
- أن تكتب معادلة تفاعل الأسترة انطلاقا من الحمض والكحول المستعملين
- أن تحسب نسبة التقدّم النهائي وثابت التوازن لتحوّل الأسترة
- الصيغة النصف مفصّلة لجزيء عضوي وتسمية الألكانات
- جدول التقدّم ونسبة التقدّم النهائي لتحوّل محدود
- ثابت التوازن المرفق بمعادلة تفاعل
❓إشكالية: سنتعرّف أوّلا على الأفراد الثلاثة — الكحول والحمض الكربوكسيلي والأستر — ثمّ نكتب التفاعل الذي يربطها، وأخيرا نقيس إلى أيّ حدّ يتقدّم هذا التفاعل.
الكحولات
الكحول جزيء عضوي يحمل المجموعة الوظيفية هيدروكسيل مرتبطة بذرّة كربون. وصيغة الكحولات الأحادية الوظيفة المشبعة هي:
ويُشتقّ اسم الكحول من اسم الألكان الموافق بإضافة اللاحقة « ول »، ويُعطى أصغر رقم ممكن لذرّة الكربون الحاملة للمجموعة الوظيفية.
| الصيغة النصف مفصّلة | التسمية | الصنف |
|---|---|---|
| CH₃-CH₂-CH₂-OH | بروبان-1-ول | أوّلي |
| CH₃-CH(OH)-CH₃ | بروبان-2-ول | ثانوي |
| CH₃-C(CH₃)(OH)-CH₃ | 2-مثيل بروبان-2-ول | ثالثي |
وتصنّف الكحولات حسب عدد السلاسل الكربونية المرتبطة بالكربون الحامل للمجموعة الوظيفية. وهذا التصنيف لا يُقرأ في الصيغة المجملة، بل في الصيغة النصف مفصّلة وحدها:
نبحث عن كحول أحادي الوظيفة مشبع، سلسلته الكربونية تحمل أربع ذرّات كربون.
🎯المطلوب: اكتب الصيغ النصف مفصّلة الممكنة، مع التسمية وتحديد الصنف في كلّ حالة
نبدأ بالسلسلة المستقيمة ونضع المجموعة الوظيفية على أحد طرفيها؛ الكربون الوظيفي يحمل سلسلة واحدة، فالكحول أوّلي، واسمه بيوتان-1-ول
نبقي السلسلة المستقيمة ونزحزح المجموعة الوظيفية إلى الكربون الثاني؛ صار الكربون الوظيفي يحمل سلسلتين، فالكحول ثانوي، واسمه بيوتان-2-ول
ننتقل إلى السلسلة المتفرّعة ذات الكربونات الثلاثة مع تفرّع مثيل، ونضع الوظيفة على الطرف؛ الكربون الوظيفي يحمل سلسلة واحدة، فالكحول أوّلي، واسمه 2-مثيل بروبان-1-ول
نبقي التفرّع ونضع الوظيفة على الكربون المركزي؛ هذا الكربون يحمل ثلاث سلاسل ولا يحمل أيّ هيدروجين، فالكحول ثالثي، واسمه 2-مثيل بروبان-2-ول
لأنّ أيّ ترتيب آخر يعيد إحدى هذه الصيغ الأربع بعد قلب السلسلة: لا يوجد خامس، والصيغ الأربع كلّها تعطي التركيب الذرّي نفسه، اثنتان منها أوّليتان وواحدة ثانوية وواحدة ثالثية
الأحماض الكربوكسيلية
الحمض الكربوكسيلي يحمل مجموعة الكربوكسيل: ذرّة كربون مرتبطة بذرّة أكسجين برابطة مضاعفة، وبمجموعة هيدروكسيل. وهذه الرابطة المضاعفة هي التي تميّزه عن الكحول، ولا تظهر في الصيغة المجملة.
ويُشتقّ اسم الحمض من اسم الألكان الموافق متبوعا باللاحقة « ويك »، ويبدأ ترقيم السلسلة من كربون مجموعة الكربوكسيل نفسه.
| الصيغة النصف مفصّلة | اسم الحمض |
|---|---|
| HCOOH | حمض الميثانويك |
| CH₃-COOH | حمض الإيثانويك، ويسمّى كذلك حمض الخلّ |
| CH₃-CH(CH₃)-COOH | 2-مثيل حمض البروبانويك |
| CH₃-CH(CH₃)-CH₂-COOH | 3-مثيل حمض البيوتانويك |
الإسترات
ينتج الأستر عن تفاعل حمض كربوكسيلي مع كحول. وهو يحمل ذرّتي أكسجين مختلفتين: واحدة مرتبطة بالكربون برابطة مضاعفة، وأخرى تصل بين الكربون والسلسلة الآتية من الكحول. وهذا الجسر هو ما يميّز الأستر عن الحمض.
ويتكوّن اسم الأستر من جزأين: الأوّل ألكانوات ويأتي من الحمض، والثاني اسم الجذر الألكيلي الآتي من الكحول.
| الصيغة النصف مفصّلة | التسمية |
|---|---|
| H-COO-CH(CH₃)-CH₃ | ميثانوات 1-مثيل الإيثيل |
| CH₃-CH(CH₃)-COO-C₂H₅ | 2-مثيل بروبانوات الإيثيل |
| CH₃-CH(CH₃)-COO-CH(CH₃)-CH₃ | 2-مثيل بروبانوات 1-مثيل الإيثيل |
تفاعل الأسترة
تفاعل الأسترة هو تفاعل حمض كربوكسيلي مع كحول، ينتج عنه أستر وماء.
نخلط حمض الميثانويك مع البروبان-1-ول ونتركهما يتفاعلان.
🎯المطلوب: اكتب معادلة تفاعل الأسترة بين هذين الفردين، وسمّ الأستر الناتج
نبني الأستر بربط الجزء الآتي من الحمض بالسلسلة الآتية من الكحول، ويكون الوصل بينهما بجسر من ذرّة أكسجين
لأنّ الأسترة تعطي دائما ناتجين لا ناتجا واحدا: الأستر أوّلا، ثمّ الماء
نجمع المتفاعلين والناتجين في معادلة واحدة بسهم مزدوج، لأنّ التحوّل عكوس. والأستر يُسمّى ميثانوات البروبيل: الجزء الأوّل من الاسم يأتي من حمض الميثانويك، والثاني من جذر البروبيل الآتي من البروبان-1-ول
خصائص تحوّل الأسترة
ننجز التجربة بمزيج ابتدائي متساوي كمّية المادة: مول من الحمض ومول من الكحول، ونتابع كمّية مادة الأستر المتشكّل بدلالة الزمن. ونبدأ بجدول التقدّم:
| حالة الجملة | الماء | الأستر | الكحول | الحمض الكربوكسيلي |
|---|---|---|---|---|
| الحالة الابتدائية | 0 | 0 | n₀ | n₀ |
| حالة التقدّم | x | x | n₀ − x | n₀ − x |
نقرأ على البيان أنّ كمّية مادة الأستر تستقرّ عند قيمة أصغر من كمّية المادة الابتدائية للحمض. فالتحوّل إذن غير تامّ: توقّف قبل استهلاك المتفاعلين.
والمردود هو نسبة التقدّم النهائي معبّرا عنها بالمائة. وفي مزيج ابتدائي متساوي كمّية المادة، يتعلّق هذا المردود بصنف الكحول المستعمل، ولا يتعلّق بشيء آخر:
| صنف الكحول | نسبة التقدّم النهائي | المردود | ثابت التوازن |
|---|---|---|---|
| أوّلي | 0,67 | 67 % | 4,12 |
| ثانوي | 0,60 | 60 % | 2,25 |
| ثالثي | 0,05 | 5 % | 2,77 × 10⁻³ |
ولأنّ حجم المزيج التفاعلي واحد وثابت، تتبسّط الحجوم في عبارة ثابت التوازن فيُكتب بكمّيات المادة مباشرة:
ننطلق من مول واحد من الحمض ومول واحد من كحول أوّلي، والتقدّم النهائي مقروء على البيان أعلاه.
🎯المطلوب: احسب ثابت التوازن المرفق بمعادلة الأسترة انطلاقا من كمّيات المادة في التوازن
نقرأ في جدول التقدّم كمّيتي مادة الناتجين في حالة التوازن: كلتاهما تساوي التقدّم النهائي، لأنّ معاملهما في المعادلة يساوي الواحد
ونقرأ في السطر نفسه كمّيتي مادة المتفاعلين: ما تبقّى منهما هو الفرق بين الكمّية الابتدائية والتقدّم النهائي
نعوّض الكمّيات الأربع في عبارة ثابت التوازن، فنحصل على عدد بلا وحدة يميّز هذه الأسترة
تفاعل إماهة الأستر
بما أنّ الأسترة تفاعل عكوس يتمّ في اتّجاهين متعاكسين، فللتفاعل المعاكس اسم خاصّ هو إماهة الأستر: تفاعل ماء مع أستر يعطي حمضا كربوكسيليا وكحولا.
ننطلق من ثابت توازن الأسترة المحسوب في المثال السابق.
🎯المطلوب: احسب ثابت توازن الإماهة، وتحقّق من انسجامه مع نسبة التقدّم النهائي
لأنّ الإماهة هي الأسترة مقروءة في الجهة المعاكسة: يتبادل البسط والمقام مكانيهما في العبارة، فيصير الثابت مقلوب الأوّل
نتحقّق بطريق ثان مستقلّ: نعوّض كمّيات المادة في التوازن مباشرة في عبارة ثابت الإماهة، فيجب أن نجد العدد نفسه
الطريقان يعطيان القيمة نفسها، وهذا يثبت أنّ التوازن واحد في الجهتين ولا يتعلّق بالجهة التي انطلقنا منها
سرعة التفاعل، ولماذا تنعدم دون أن يتوقّف التحوّل
سرعة التفاعل هي تغيّر التقدّم بالنسبة للزمن، وتُقرأ على البيان بميل المماس عند اللحظة المدروسة:
وبما أنّ كمّية مادة الأستر تساوي التقدّم نفسه، فإنّ السرعة تُقرأ مباشرة على منحنى الأستر:
ويكون ميل المماس كبيرا في البداية ثمّ يتناقص تدريجيا إلى أن ينعدم. لكن انعدام السرعة لا يعني أنّ التفاعل توقّف: هناك توازن ديناميكي، أي أنّ سرعة ظهور الأفراد في جهة تساوي سرعة اختفائها في الجهة المعاكسة.
الصفحة 1/12
© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net