مدونة التربية و التعليم في الجزائر – دروس، فروض، نتائج امتحانات مدونة التربية والتعليم في الجزائر | تحضير الدروس، فروض واختبارات، نتائج البكالوريا وBEM، مسابقات التوظيف، والتوجيه المدرسي للطلاب وأولياء الأمور.
الكيمياء العضوية: الألكانات (سلسلة الألكانات) – العلوم الفيزيائية – الثانية ثانوي – المنهاج الجزائري
🎯 الأهداف التعليمية:
- التعرف على مفهوم الكيمياء العضوية والألكانات كأبسط الهيدروكربونات
- فهم الصيغ العامة والبنائية للألكانات
- إتقان تسمية الألكانات وفق نظام IUPAC
- دراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية للألكانات
- التعرف على الألكانات المهمة (الميثان، الإيثان، البروبان، البوتان) واستخداماتها
1. مقدمة في الكيمياء العضوية
تُعرف الكيمياء العضوية بأنها فرع الكيمياء الذي يدرس المركبات المحتوية على عنصر الكربون (باستثناء أكاسيد الكربون البسيطة والكربونات). يتميز الكربون بقدرته الفريدة على تكوين سلاسل طويلة و روابط متعددة، مما ينتج عنه ملايين المركبات العضوية المختلفة. أبسط هذه المركبات هي الهيدروكربونات التي تحتوي فقط على الكربون والهيدروجين.
2. تعريف الألكانات
الألكانات هي هيدروكربونات مشبعة تتكون من روابط أحادية فقط (روابط σ) بين ذرات الكربون. الصيغة العامة للألكانات هي:
CnH2n+2
حيث n هو عدد ذرات الكربون في الجزيء. كل ذرة كربون في الألكان تهجينها sp³ وزوايا الروابط حوالي 109.5° (شكل رباعي الأوجه).
3. سلسلة الألكانات المتجانسة (Homologous Series)
تشكل الألكانات سلسلة متجانسة حيث يختلف كل مركب عن الذي يليه بمجموعة CH₂. إليك الألكانات الأولى في السلسلة:
| n | الاسم (IUPAC) | الصيغة الجزيئية | الصيغة البنائية المبسطة | درجة الغليان (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | الميثان (Methane) | CH₄ | CH₄ | -162 |
| 2 | الإيثان (Ethane) | C₂H₆ | CH₃–CH₃ | -89 |
| 3 | البروبان (Propane) | C₃H₈ | CH₃–CH₂–CH₃ | -42 |
| 4 | البوتان (Butane) | C₄H₁₀ | CH₃–(CH₂)₂–CH₃ | -0.5 |
| 5 | البنتان (Pentane) | C₅H₁₂ | CH₃–(CH₂)₃–CH₃ | 36 |
| 6 | الهكسان (Hexane) | C₆H₁₄ | CH₃–(CH₂)₄–CH₃ | 69 |
4. تسمية الألكانات (IUPAC Nomenclature)
لتسمية الألكانات تبعاً لنظام IUPAC (الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية)، نتبع القواعد التالية:
- اختيار أطول سلسلة كربونية مستمرة — هذا هو الاسم الأساسي.
- ترقيم ذرات الكربون من الطرف الأقرب لأي فرع (مجموعة ألكيل) — أضف البادئة المناسبة (ميثيل، إيثيل، بروبيل…).
- استخدام البادئات العددية: ميث- (1)، إيث- (2)، بروب- (3)، بوت- (4)، بنت- (5)، هكس- (6)…
- اللواحق: “-ان” للدلالة على الألكان (ميثان، إيثان، بروبان…).
- عند وجود أكثر من فرع، ترتب أسماؤها حسب الترتيب الأبجدي (في اللغة الإنجليزية: ethyl قبل methyl).
5. الخواص الفيزيائية للألكانات
- القطبية: الألكانات مركبات غير قطبية (روابط C–H و C–C غير قطبية تقريباً) — تذوب في المذيبات العضوية (الأثير، البنزين، CCl₄) ولا تذوب في الماء (قاعدة: “المتشابه يذيب المتشابه”).
- درجات الغليان والانصهار: تزداد بارتفاع عدد ذرات الكربون (لأن قوى التشتت (London forces) تزداد مع كتلة الجزيء وحجمه).
- الحالة الفيزيائية: غازات (C₁–C₄)، سوائل (C₅–C₁₇)، مواد صلبة (C₁₈ فما فوق) في درجة حرارة الغرفة.
- الكثافة: أقل من كثافة الماء (تطفو على سطح الماء).
6. الخواص الكيميائية للألكانات
الألكانات مركبات خاملة نسبياً (لأن روابط C–C و C–H أحادية قوية). لكنها تتفاعل في ظروف خاصة:
- الاحتراق (الأكسدة الكاملة): مع الأكسجين، يتكون CO₂ + H₂O مع انطلاق طاقة حرارية كبيرة — هذا هو أساس استخدامها كوقود.
مثال: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + طاقة - الأكسدة غير الكاملة: في وجود أكسجين غير كافٍ، يتكون CO أو C (السخام) بالإضافة إلى الماء.
- تفاعل الهالوجنة (Halogenation): مع الهالوجينات (Cl₂, Br₂) في وجود ضوء أو حرارة — يحل الهالوجين محل ذرة هيدروجين (تفاعل استبدال جذري). مثال: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (تحت تأثير الضوء).
- التكسير (Cracking): تكسير الألكانات الطويلة إلى ألكانات وألكينات أقصر بتسخينها عند درجات حرارة عالية (400-700°C).
7. الأيزومرية (Isomerism) في الألكانات
الأيزومرات هي مركبات لها نفس الصيغة الجزيئية لكن ترتيب ذراتها مختلف. يبدأ ظهور الأيزومرية في الألكانات من البوتان (C₄H₁₀):
- ن-بوتان: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (سلسلة خطية، درجة غليان: -0.5°C)
- أيزوبوتان (ميثيل بروبان): CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (سلسلة متفرعة، درجة غليان: -11.7°C)
- يزداد عدد الأيزومرات بسرعة مع زيادة n: البنتان (C₅H₁₂) له 3 أيزومرات، والهكسان (C₆H₁₄) له 5 أيزومرات.
8. تطبيق محلول
التمرين: اكتب الصيغ البنائية لجميع أيزومرات الهكسان (C₆H₁₄) وسمها وفق نظام IUPAC.
الحل: للهكسان 5 أيزومرات:
- ن-هكسان: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃
- 2-ميثيل بنتان: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃
- 3-ميثيل بنتان: CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃
- 2,2-ثنائي ميثيل بوتان: CH₃–C(CH₃)₂–CH₂–CH₃
- 2,3-ثنائي ميثيل بوتان: CH₃–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₃
9. أهمية الألكانات في الحياة اليومية
- الوقود: الميثان (الغاز الطبيعي)، البروبان والبوتان (غاز البوتان للتدفئة والطبخ)، البنزين والديزل (مزيج من الألكانات C₅–C₁₂ و C₁₂–C₂₀).
- الشموع: البارافين — خليط من الألكانات الصلبة (C₂₀–C₄₀) يُستخدم في صناعة الشموع.
- مواد التشحيم: زيوت المحركات تتكون من ألكانات طويلة السلسلة (C₂₀–C₅₀).
- مواد أولية للصناعات البتروكيماوية: التكسير ينتج ألكينات (مثل الإيثين والبروبين) المستخدمة في صناعة البلاستيك.
- المذيبات العضوية: الهكسان يستخدم كمذيب لاستخلاص الزيوت النباتية.
10. الخلاصة:
- الألكانات هي أبسط الهيدروكربونات المشبعة بصيغة عامة CₙH₂ₙ₊₂ وتهجين sp³.
- تشكل سلسلة متجانسة يزيد كل عضو فيها بمجموعة CH₂ عن سابقه.
- الألكانات غير قطبية — تذوب في المذيبات العضوية فقط ودرجات غليانها تزداد مع n.
- خاملة كيميائياً لكنها تحترق وتتفاعل مع الهالوجينات تحت الضوء.
- الأيزومرية (التفرع) تبدأ من البوتان وتزداد مع طول السلسلة الكربونية.
- للألكانات أهمية اقتصادية كبيرة كوقود ومواد أولية للصناعة.
📍 دروس مشابهة:
- قوانين نيوتن للحركة: شرح وتطبيقات محلولة – الثانية ثانوي
- Les transformations chimiques: oxydoréduction et réactions acide-base – 2ème Année Secondaire