Alkeny — budowa, izomeria, reakcje addycji; reguła Markownikowa

🎯 Po co Ci to?

Eten (etylen) to najprostszy alken i jednocześnie jeden z największych wolumenowo produktów przemysłu chemicznego — z niego powstaje polietylen opakowaniowy. Propan jest gazem opałowym, propen — monomerem polipropylenu. Wiązanie podwójne czyni alkeny reaktywne w sposób, którego alkany nie osiągają: przyłączają atomy do siebie bez żadnego inicjatora, a mechanizm tej przyłączenia (addycja elektrofilowa AE) jest wzorcem dla całej chemii organicznej.

✅ Czego się nauczysz

Po tej lekcji potrafisz:

zapisać wzór ogólny alkenów i omówić budowę wiązania π;
opisać izomerię cis-trans jako konsekwencję braku swobody rotacji wokół C=C;
napisać równania addycji HX, H₂, H₂O, X₂ do alkenów;
poprawnie zastosować regułę Markownikowa;
opisać polimeryzację etenu i zapisać ogólny wzór polietylenu (PE);
omówić reakcję eliminacji jako odwrotność addycji.

🔁 Przypomnij sobie

Z chemii ogólnej: orbitale molekularne σ i π; dlaczego wiązanie σ (czołowe nakrywanie) jest mocniejsze od π (boczne nakrywanie). Alkeny mają jedno π w każdym podwójnym wiązaniu — ta „uniesiona" gęstość elektronowa jest punktem ataku elektrofili.

📘 Wyjaśnienie

Wiązanie podwójne i brak rotacji

💭 Pomyśl: W alkanie można obracać wokół wiązania C–C bez jego zerwania. Czy w alkenie możesz tak samo obracać wokół C=C?

Sprawdź odpowiedź

Nie. Wiązanie π to boczne nakrywanie orbitali p — jeśli obrócisz jeden węgiel względem drugiego o 90°, orbitale przestają się nakrywać i wiązanie π pęka. To drogo kosztuje energetycznie. Efekt praktyczny: dwa podstawniki po obu stronach wiązania podwójnego są zamrożone w przestrzeni → istnieje izomeria geometryczna (cis-trans).

📐 DEFINICJA — alken: węglowodór nienasycony zawierający jedno wiązanie podwójne C=C; wzór ogólny $\mathrm{C_nH_{2n}}$.

Po ludzku: jedno podwójne wiązanie = jeden stopień nienasycenia = o dwie jednostki H mniej niż w alkanie.

Wzór strukturalny etenu (etylenu) z podwójnym wiązaniem C=C — najprostszego alkenu. Wiązanie podwójne to miejsce reaktywne, do którego przyłączają się inne cząsteczki. · źródło: McMonster, Wikimedia Commons, domena publiczna

📐 DEFINICJA — wiązanie π (pi): wiązanie kowalencyjne powstałe przez boczne nakrywanie orbitali p; ma mniejszą energię niż σ, jest podatne na rozerwanie przez elektrofile; nie dopuszcza swobodnej rotacji wokół wiązania C=C.

Izomeria cis-trans. Jeśli oba atomy węgla C=C mają dwa różne podstawniki, możliwe są dwa izomery: cis (duże podstawniki po tej samej stronie) i trans (po przeciwnych). To izomery geometryczne — różne związki, różne właściwości.

💭 Pomyśl: But-2-en ($\mathrm{CH_3-CH=CH-CH_3}$) — czy istnieje dla niego izomeria cis-trans? A for prop-1-en ($\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$)?

Sprawdź odpowiedź

But-2-en: tak — każdy węgiel podwójny ma dwa różne podstawniki (H i CH₃), więc istnieje cis-but-2-en i trans-but-2-en. Cis: oba CH₃ po tej samej stronie; trans: po przeciwnych. Prop-1-en: nie — jeden z węgli podwójnych (ten z CH₂=) ma dwa takie same podstawniki (dwa H), więc nie ma izomerii geometrycznej. Warunek: obydwa węgle C=C muszą mieć różne podstawniki.

Addycja elektrofilowa AE

Wiązanie π jest „bogate" w elektrony i przyciąga elektrofile (dąbroszone cząsteczki lub jony szukające elektronów). Mechanizm: elektrofil przyłącza się do jednego węgla, drugi dostaje ładunek dodatni (karbokation), nukleofil zamyka pułapkę.

Addycja bromu (test nienasycenia!): $$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \to CH_2Br{-}CH_2Br}$$ Woda bromowa odbarwia się bez katalizatora — to klasyczny test na nienasycenie.

Addycja HBr (i ogólnie HX): $$\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH_2 + HBr \to ?}$$

💭 Pomyśl: Do którego węgla dołączy H, a do którego Br? Czy produkt jest jeden?

Sprawdź odpowiedź

Dwa możliwe produkty: 1-bromopropan ($\mathrm{CH_3CH_2CH_2Br}$) lub 2-bromopropan ($\mathrm{CH_3CHBrCH_3}$). Markownikow (1869): w praktyce dominuje 2-bromopropan — H przyłącza się do węgla z większą liczbą wodorów, Br do węgla z mniejszą. Innymi słowy: karbokation trzeciorzędowy / drugorzędowy jest bardziej trwały niż pierwszorzędowy — H+ przyłącza się tak, by tworzyć stabilniejszy karbokation.

📐 DEFINICJA — reguła Markownikowa: przy addycji HX do niesymetrycznego alkenu H przyłącza się do tego atomu węgla wiązania C=C, który ma więcej wodorów (a X do tego, który ma ich mniej). Efektywnie: preferuje się bardziej stabilny karbokation pośredni.

Czym to NIE jest: reguła nie dotyczy addycji rodnikowej HBr (z nadtlenkiem — produkt odwrotny, efekt anti-Markownikow).

Addycja wody (hydratacja, kat. $\mathrm{H^+}$) — też rządzi się Markownikowem: $$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3CH_2OH}$$

Addycja wodoru (uwodornienie, kat. Ni/Pt/Pd, temperatura): $$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni,\Delta} CH_3CH_3}$$ Produkt: alkan. Kierunek: zasada Le Chateliera — wydzielanie ciepła faworyzuje produkt.

📐 DEFINICJA — addycja elektrofilowa AE: reakcja, w której elektrofil przyłącza się do elektronowo bogatego wiązania π alkenu, tworząc przejściowy karbokation, który następnie zostaje wychwycony przez nukleofil. Wynik: dwa nowe wiązania σ w miejscu wiązania π.

Polimeryzacja — od etenu do plastiku

💭 Pomyśl: Co by się stało, gdyby tysiące cząsteczek etenu połączyło ze sobą swoje wiązania podwójne w jedną długą nić?

Sprawdź odpowiedź

Każde C=C staje się C–C i "chwyta" sąsiada — rośnie ogromna, nieliniowa cząsteczka. To polimeryzacja addycyjna: długi łańcuch polietylenu (PE). Wzór ogólny: $\mathrm{n,CH_2{=}CH_2 \to (-CH_2-CH_2-)_n}$. Nie ma ubocznych małych cząsteczek — stąd nazwa „addycyjna".

📐 DEFINICJA — polimeryzacja addycyjna: reakcja, w której cząsteczki monomeru (zawierające C=C) łączą się ze sobą bezpośrednio, tworząc polimer, bez wydzielania ubocznych produktów.

Polietylen (PE): $\mathrm{(-CH_2-CH_2-)_n}$; monomer: eten. Stopień polimeryzacji $n$ (zwykle tysiące) decyduje o gęstości i właściwościach (LDPE vs HDPE).

Polimeryzacja addycyjna: wiele cząsteczek etenu (monomer) łączy się przez rozerwanie wiązań podwójnych w długi łańcuch polietylenu. · źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna

Eliminacja — odwrotność addycji

Gdy ogrzewasz alkohol z mocnym kwasem lub zasadą, możliwe jest oderwanie H i OH i utworzenie wiązania podwójnego: $$\mathrm{CH_3CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4,,\Delta} CH_2{=}CH_2 + H_2O}$$ Reguła Zajcewa (dla rozszerzenia): odrywa się H z węgla o mniejszej liczbie wodorów (produkt bardziej podstawiony jest stabilniejszy).

🔬 Zrób to sam

🔬 Masz wodę bromową (pomarańczowożółta). Wkroplij trochę do probówki z nieznanym cieczą — jeśli barwa zanika natychmiast i bez katalizatora, to wskazuje wiązanie podwójne (alken lub alkin). Jeśli barwa nie zanika bez UV — prawdopodobnie alkan lub związek aromatyczny.

⚠️ Uwaga, pułapka

Pułapka z Markownikowem: „H na węgiel z więcej H" — to łatwa reguła, ale zdarza się odwrócić: uczniowie dają X tam, gdzie powinien być H. Sprawdź na przykładzie: $\mathrm{CH_2=CH_2}$ jest symetryczny → tylko jeden produkt. $\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$: węgiel lewy ma 1 H, prawy ma 2 H → H idzie do prawego (2→3 H, ale to węgiel terminaly), Br do lewego. Wynik: 2-bromopropan, NIE 1-bromopropan.

Wskazówka diagnostyczna: karbokation trzeciorzędowy > drugorzędowy > pierwszorzędowy — H idzie tak, by powstał trwalszy karbokation.

📐 Definicje tej lekcji

Alken — węglowodór z jednym wiązaniem podwójnym C=C; wzór ogólny $\mathrm{C_nH_{2n}}$.
Wiązanie π — boczne nakrywanie orbitali p; uniemożliwia rotację wokół C=C.
Reguła Markownikowa — przy addycji HX: H na węgiel z więcej H, X na węgiel z mniej H.
Addycja elektrofilowa AE — elektrofil atakuje wiązanie π; produkt przez karbokation pośredni.
Polimeryzacja addycyjna — łączenie monomerów bez produktów ubocznych; np. PE z etenu.
Polietylen (PE) — $\mathrm{(-CH_2-CH_2-)_n}$; monomer: eten.

📌 Najważniejsze w pigułce

Wzór ogólny alkenów: $\mathrm{C_nH_{2n}}$; wiązanie π blokuje rotację → izomeria cis-trans.
Alkeny reagują addycją AE z Br₂, HX, H₂O, H₂ — bez inicjatora (spontanicznie z elektrofilami).
Reguła Markownikowa: H na bogatszy w H węgiel; X na uboższy.
Polimeryzacja addycyjna → polimery (PE, PP, PS…).
Eliminacja = odwrotność addycji: z alkoholu powstaje alken.

🎒 Zadania

Zadanie 13.2.1. Napisz równanie addycji HCl do propenu. Wskaż produkt główny (reguła Markownikowa).

Podpowiedź

Propen: $\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$. Który węgiel C=C ma więcej H?

Pełne rozwiązanie

$\mathrm{CH_3-CH=CH_2 + HCl \to CH_3-CHCl-CH_3}$ (2-chloropropan — główny produkt).

Alternatywny (mniejszy) produkt: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Cl}$ (1-chloropropan). Markownikow: prawy węgiel C=C ma 2H, lewy 1H → H idzie do prawego, Cl do lewego. Karbokation drugorzędowy (na C2) jest stabilniejszy od pierwszorzędowego (na C1) — stąd produkt główny z Cl na C2. Łatwy błąd: odwrócenie i napisanie 1-chloropropanu jako główny.

Zadanie 13.2.2. Która para substancji reaguje spontanicznie (bez UV): (a) eten + Br₂, (b) metan + Cl₂, (c) eten + H₂O (kat. H⁺)?

Pokaż rozwiązanie

(a) i (c) — tak. Eten ma wiązanie π podatne na AE, więc reaguje z Br₂ i z H₂O (w obecności katalizatora kwasowego). (b) NIE — metan z Cl₂ wymaga UV (rodnikowa SR).

Zadanie 13.2.3. Napisz równanie polimeryzacji propenu do polipropylenu (PP). Podaj wzór meryczny jednostki powtarzalnej.

Pokaż rozwiązanie

$$\mathrm{n,CH_3-CH{=}CH_2 \to (-CH(CH_3)-CH_2-)_n}$$

Jednostka powtarzalna: $\mathrm{-CH(CH_3)-CH_2-}$. PP jest twardszy i bardziej odporny na temperaturę niż LDPE (przez grupę metylową co drugi węgiel, utrudniającą ruch łańcuchów). Łatwy błąd: pisanie $\mathrm{(-CH_3-CH-CH_2-)_n}$ — reguła łączenia jest przez dawne węgle wiązania podwójnego, nie przez CH₃.

🔍 Sprawdź, czy umiesz

[ ] Narysować wzór buta-2-enu i wskazać, które izomery geometryczne są możliwe.
[ ] Napisać mechanizm (słownie) addycji HBr do propenu i uzasadnić produkt Markownikowa.
[ ] Odróżnić polimeryzację addycyjną od kondensacyjnej (definicja).
[ ] Opisać reakcję eliminacji alkoholu do alkenu (reagenty, katalizator, warunki).

Ucz się tej jednostki z asystentem