9.1 : מבנה ומאפיינים פיזיים של אלקינים

מבוא:

בטבע, תרכובות המכילות פחמן ומימן ידועות כ"פחמימנים". פחמימנים אליפטיים הם תרכובות שהמולקולות שלהן מכילות קשרים בודדים רוויים (כלומר, אלקנים) או קשרים כפולים או משולשים בלתי רוויים. אלקנים מכילים קשרים כפולים פחמן-פחמן ויש להם נוסחה מבנית C_nH_2n. פחמימנים בלתי רוויים המכילים קשרים משולשים בין פחמן לפחמן נקראים "אלקינים" ומיוצגים מבנית על ידי הנוסחה C_nH_2n-2.

האלקין הפשוט ביותר הוא אתין, או אצטילן, גז חסר צבע, שעובר בעירה בטמפרטורות גבוהות ומשמש כדלק לריתוך. אלקינים נמצאים במגוון חומרים ממקור טבעי וסינטטי כאחד. לדוגמה, ניתן למצוא אלקנים טבעיים ברעל המתקבל מצפרדעי עצים בדרום אמריקה. מצד שני, תרכובות סינתטיות המכילות אלקין ממלאות תפקיד חשוב בתרופות כמו אמצעי מניעה אוראליים כמו אתינילסטרדיול. תרופות אחרות המבוססות על אלקין, כמו סלגילין, משמשות בשילוב עם דופמין סינתטי או L-dopa לטיפול במחלת פרקינסון.

הכלאה של אלקינים:

הקשר המשולש באלקנים מתרחש עקב החפיפה של אורביטלי ה-sp של קשר הפחמן-פחמן (C-C) היוצרים קשר סיגמא (σ), והחפיפה הרוחבית של האורביטלים 2p_y ו-2p_z היוצרים את שני הקשרים pi (π), בהתאמה. החפיפה של אורביטל הפחמן sp עם אורביטל ה-1s של אטום המימן גורמת לקשר הסיגמא פחמן-מימן (C-H) sp-1s של האלקין. אלקינים מציגים הכלאה של sp עם תו של 50% s. מכיוון שהאלקטרונים באורביטל ה-s מראים אנרגיות נמוכות יותר מהאורביטלי p, עלייה באופיו של האטום מגבירה את האלקטרושליליות שלו.

גיאומטריה מולקולרית: אורך קשר, זוויות קשר וחוזק קשר

בשל הכלאת sp הכרוכה בחפיפה לרוחב של האורביטלים, לאלקינים יש גיאומטריה ליניארית כאשר זווית הקשר היא 180°. אורך הקשר המשולש C-C באצטילן נמדד כ-121 pm או 1.21 Å, וזה פחות מזה של אלקנים (134 pm או 1.34 Å) ואלקנים (153 pm או 1.53 Å) בשל המספר המוגדל של קשרים המחזיקים את שני הפחמנים יחד.

הקשר C-H ​​באלקנים (1.06 Å באצטילן) גם הוא קצר יותר בהשוואה לזה שבאלקאנים ואלקנים עקב התכונה המוגברת של אורביטל הפחמן המוכלא sp היוצר את הקשר sp-1s σ עם המימן. בנוסף לאנרגיות נמוכות יותר, אלקטרונים בs-אורביטל קרובים יותר לגרעין האטום וקשורים בצורה הדוקה יותר מאלה שבאורביטלי p. כתוצאה מכך, מאפיין s גדול יותר מגביר את חוזק הקשר. לפיכך, קשרי C-C משולשים וקשרי C-H באלקנים קצרים וחזקים יותר מאלה של אלקאנים ואלקנים, בעיקר בשל האופי המוגבר שלהם. אנרגיית ניתוק הקשר של אלקינים היא 966 קילו-ג'יי או 231 קק"ל/מול, שהוא גבוה יותר מזה של אלקאנים ואלקנים בשל נוכחותם של קשרים קצרים וחזקים יותר אלה.

מאפיינים פיזיים של אלקינים:

אלקינים מראים תכונות פיזיקליות דומות לאלקן או האלקאן המרכזי המקביל. הם תרכובות לא קוטביות בעלות צפיפות נמוכה יותר ממים ואינן מסיסות במים ובממיסים קוטביים. עם זאת, הם מראים מסיסות טובה בממיסים אורגניים לא קוטביים. האלקינים בעלי משקל מולקולרי נמוך יותר כגון אתין ופרופן קיימים כגזים בטמפרטורת החדר, בעוד אלקינים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר כגון 1-אוקטין ו-1-דצין הם נוזלים.