Alkének és alkinek

A) Áttekintés

Áttekintés: a telítetlen szénhidrogének

A szénhidrogének közül azokat nevezzük telítetlennek, amelyekben a szénatomok között többszörös (kettős vagy hármas) kötés van. Két nagy csoportjuk az alkének (egy C=C kettős kötéssel) és az alkinek (egy C≡C hármas kötéssel). A telítetlenség azt jelenti, hogy a molekula a maximálisnál kevesebb hidrogént tartalmaz — a többszörös kötés „helyén" még további atomok kapcsolódhatnak.

Vegyületcsoport	Általános képlet	Jellemző kötés	Hibridállapot	Legegyszerűbb tag
Alkánok (telített)	CₙH₂ₙ₊₂	csak C–C egyszeres (σ)	sp³ (tetraéderes)	metán, CH₄
Alkének (olefinek)	CₙH₂ₙ	egy C=C kettős (1 σ + 1 π)	sp² (sík, 120°)	etén, C₂H₄
Alkinek	CₙH₂ₙ₋₂	egy C≡C hármas (1 σ + 2 π)	sp (lineáris, 180°)	etin, C₂H₂

🔑

A π-kötés a telítetlen szénhidrogének viselkedésének kulcsa. Lazább és reakcióképesebb a σ-kötésnél, ezért könnyen felszakad: ez teszi lehetővé az addíciós reakciókat és a polimerizációt, amelyek a telített alkánoknál (ahol csak σ-kötés van, és a jellemző reakció a szubsztitúció) nem mennek végbe.

B) Szerkezet

Az alkének szerkezete — a C=C kettős kötés

Az alkének (régi nevükön olefinek) általános képlete CₙH₂ₙ. Jellemzőjük az egyetlen szén–szén kettős kötés. A kettős kötés nem két egyforma kötés: egy σ- és egy π-kötésből áll.

A C=C kettős kötés felépítése

A kettős kötés 1 σ-kötés + 1 π-kötés. A σ-kötés a két szénatom közötti tengely mentén, az atomtörzsek között jön létre (hibridpályák átfedése). A π-kötés a tengelyre merőleges p-pályák oldalirányú átfedéséből keletkezik, és a molekula síkja fölött-alatt helyezkedik el.

A kettős kötésű szénatomok sp² hibridállapotúak: a három sp² hibridpálya egy síkban, egymással 120°-os szöget bezárva helyezkedik el. Ezért a kettős kötés körüli atomok egy síkban vannak (a molekula e része lapos). A π-kötés gátolja a kettős kötés körüli szabad forgást — ez vezet majd a cisz-transz izomériához.

A C=C kettős kötés: 1 σ + 1 π, sp² hibridállapot, 120°

Az etén (etilén): a két sp² szénatomot egy σ-kötés köti össze, fölötte-alatta a π-elektronfelhő. A 6 atom egy síkban van, a kötésszögek 120°. A szimmetria miatt a molekula apoláris.

Az etén (etilén) — a legegyszerűbb alkén

Képlete CH₂=CH₂ (összegképlet C₂H₄).
Sík, szimmetrikus felépítésű, ezért apoláris molekula.
Színtelen gáz; a szerves vegyipar egyik legfontosabb alapanyaga (lásd a 12. szakaszt).

Az alkinek szerkezete — a C≡C hármas kötés

Az alkinek általános képlete CₙH₂ₙ₋₂. Jellemzőjük a szén–szén hármas kötés, amely 1 σ- és 2 π-kötésből áll. A két π-kötés síkja egymásra merőleges, így a hármas kötés körül henger alakú elektronfelhő veszi körül a kötéstengelyt.

A C≡C hármas kötés felépítése

1 σ + 2 π. A két szénatom sp hibridállapotú: a két sp hibridpálya 180°-os szöget zár be, ezért a hármas kötésű szénatomok és a hozzájuk kapcsolódó atomok egy egyenesben, lineárisan helyezkednek el. A megmaradó két-két p-pálya alkotja a két, egymásra merőleges síkú π-kötést.

A C≡C hármas kötés: 1 σ + 2 π (merőleges síkban), sp, lineáris, 180°

Az etin (acetilén) lineáris: a H–C≡C–H mind a négy atomja egy egyenesen fekszik. Az sp hibridszénatom nagy „s-jellege" miatt a C–H kötés polarizált, ezért az acetilén (és a terminális alkinek) gyenge savas jelleget mutatnak.

⚡

A savas C–H. Az sp szénatomon a kötő elektronpár közelebb van a maghoz (nagyobb s-jelleg), ezért a hármas kötésű szénhez kapcsolódó hidrogén gyengén savas. Erős bázissal/fémmel az acetilén ún. acetilideket képez (a hidrogénje fémre cserélődik). Ez a savas jelleg azonban nagyon gyenge — a víznél is gyengébb sav.

Nómenklatúra és a cisz-transz izoméria

Az alkének és alkinek elnevezése

A nevet a megfelelő alkán nevéből képezzük, a végződés cseréjével és a többszörös kötés helyzetének megadásával:

Alkének: az -án/-én végződés helyett -én (pl. etén, propén, butén).
Alkinek: a végződés -in (pl. etin, propin, butin).
A többszörös kötés helyét helyzetszámmal jelöljük: a főláncot úgy számozzuk, hogy a kettős/hármas kötés a lehető legkisebb sorszámot kapja.

CH₃–CH₂–CH=CH₂ → but-1-én · CH₃–CH=CH–CH₃ → but-2-én

Geometriai (cisz-transz) izoméria

Mivel a π-kötés gátolja a kettős kötés körüli forgást, a kettős kötés két oldalán álló helyettesítők térbeli elrendeződése „befagy". Ha mindkét kettős kötésű szénatomon két különböző helyettesítő van, akkor két, egymásba át nem alakuló térszerkezet, azaz geometriai izomer létezik.

A cisz-transz izoméria feltétele

A kettős kötés mindkét szénatomján két különböző helyettesítőnek kell lennie. (Ha az egyik szénatomon két azonos atom/csoport van, nincs cisz-transz izoméria.) Cisz: az azonos csoportok a kettős kötés azonos oldalán; transz: ellentétes oldalon.

A but-2-én cisz- és transz-izomerje

A but-2-én (CH₃–CH=CH–CH₃) mindkét kettős kötésű szénatomján egy CH₃ és egy H van — két különböző helyettesítő —, ezért létezik cisz- és transz-izomere. A π-kötés tartja meg a két formát egymástól elkülönítve.

⚠️

A but-1-én (CH₃–CH₂–CH=CH₂) NEM mutat cisz-transz izomériát: a végső (=CH₂) szénatomon két azonos hidrogén van, így a feltétel nem teljesül. A geometriai izomériához mindkét kettős kötésű szénen két különböző helyettesítő kell.

C) Tulajdonságok és reakciók

Fizikai tulajdonságok

A telítetlen szénhidrogének fizikai tulajdonságai nagyon hasonlóak a megfelelő alkánokéhoz: apolárisak vagy gyengén polárisak, ezért vízben rosszul, apoláris oldószerekben jól oldódnak. A halmazállapotot a lánchossz (a molekulatömeg, és így a diszperziós kötések erőssége) szabja meg.

Szénatomszám	Halmazállapot (25 °C)	Példa
kb. 2–4 C	gáz	etén, propén, etin
kb. 5–16 C	folyadék	pentén, hexin …
17 C-tól	szilárd	hosszú láncú telítetlenek

A két legfontosabb tag

Etén (etilén): színtelen gáz, apoláris, vízben rosszul oldódik.
Etin (acetilén): színtelen gáz, vízben rosszul, acetonban viszont jól oldódik. A vegytiszta acetilén gyakorlatilag szagtalan; a technikai (ipari) acetilén azonban a benne lévő szennyezők (pl. foszfin, kén-hidrogén) miatt jellegzetes, kellemetlen szagú.

🧴

Az acetilén jó acetonos oldhatósága teszi lehetővé a biztonságos tárolását: az acetilént tiszta formában nem lehet nyomás alatt palackozni (robbanásveszély), ezért acetonba oldva, kovafölddel itatott palackban tárolják — ez a „disszugáz" (lásd a 10. szakaszt).

Addíciós reakciók — interaktív

A telítetlen szénhidrogének jellemző reakciója az addíció (egyesülés): a könnyen felszakadó π-kötés helyén a kettős kötésű szénatomokhoz új atomok kapcsolódnak, és a kettős kötésből egyszeres kötés lesz. Az alábbi böngészőben az etén négy fontos addíciós reakcióját nézheted meg — kattints egy reagensre!

A telítetlenség kimutatása — a brómos víz elszíntelenedése

A halogénaddíció a telítetlenség egyik klasszikus kimutatási reakciója. A sárgásbarna brómos vizet a telítetlen szénhidrogén elszínteleníti, mert a bróm a kettős kötésre addícionálódik (és így már nem szabad Br₂):

CH₂=CH₂ + Br₂ = CH₂Br–CH₂Br (1,2-dibróm-etán)

A brómos víz elszíntelenedése = telítetlenség (animált)

A brómos víz elszíntelenedése a szén–szén többszörös kötés (telítetlenség) kimutatása. Telített alkánnal ez nem következik be (azoknál csak fény hatású szubsztitúció lenne).

A Markovnyikov-szabály

Amikor egy aszimmetrikus alkénre (pl. propénre) hidrogén-halogenidet (HX) vagy vizet addícionálunk, eldől, melyik szénhez kerül a hidrogén és melyikhez a halogén. Ezt írja le a Markovnyikov-szabály.

Markovnyikov-szabály

HX (vagy H₂O) addíciójakor a hidrogén ahhoz a szénatomhoz kapcsolódik, amelyikhez eredetileg is több hidrogén tartozott („a gazdag még gazdagabb lesz"). A halogén (vagy az OH-csoport) így a kevesebb hidrogént viselő szénhez kerül.

A propén + hidrogén-klorid reakcióban tehát a fő termék a 2-klór-propán (a Cl a középső, kevesebb H-t viselő szénre kerül), nem pedig az 1-klór-propán:

CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃ (2-klór-propán, Markovnyikov-termék)

Markovnyikov: a H a több H-t viselő szénhez megy

A propén végső szénatomján (=CH₂) 2 H van, a középsőn (=CH–) csak 1. A Markovnyikov-szabály szerint a H a több H-t viselő (végső) szénre, a Cl a középső szénre kerül → a fő termék a 2-klór-propán.

Polimerizáció — interaktív

A polimerizáció az addíció különleges, ismétlődő esete: a kettős kötésű monomer molekulák a π-kötés felszakadásával sok ezer egységgé kapcsolódnak össze egyetlen óriásmolekulává (polimerré), melléktermék keletkezése nélkül. Ez a műanyagok előállításának alapja. Válassz egy monomert!

A két legfontosabb példa egyenlete

n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)_n polietilén (PE)

n CH₂=CHCl → (–CH₂–CHCl–)_n poli(vinil-klorid), PVC

♻️

A polietilén (fólia, zacskó, flakon), a PVC (csövek, padló, ablakprofil) és a polisztirol (hungarocell, eldobható poharak) a mindennapok legelterjedtebb műanyagai — mind egy-egy telítetlen monomer polimerizációjával készülnek.

Égés és oxidáció

Égés

A telítetlen szénhidrogének levegőn kormozó, világító lánggal égnek (a magas széntartalom miatt a tökéletlen égésnél korom válik ki). Tökéletes égéskor szén-dioxid és víz keletkezik. Az etén égése:

C₂H₄ + 3 O₂ = 2 CO₂ + 2 H₂O

Az alkének általános égési egyenlete:

2 C_nH_2n + 3n O₂ = 2n CO₂ + 2n H₂O

🔑

Az oxigénigény az alkéneknél 3n/2 (egy molekulára). Az általános egyenletet kettővel felszorozva írjuk fel egész együtthatókkal: 2 CₙH₂ₙ + 3n O₂ = 2n CO₂ + 2n H₂O. Vigyázz: NEM „(2n+2)/2" — az az alkánok oxigénigénye lenne. Ellenőrzés n = 2-re (etén): 3·2 = 6 O-atom párban, azaz 3 O₂ molekula → stimmel a C₂H₄ + 3 O₂ egyenlettel.

Oxidáció — a Baeyer-próba

A telítetlen szénhidrogének az enyhe oxidálószereket is elszíntelenítik. A kálium-permanganát (KMnO₄) lila oldatát a kettős kötés elszínteleníti (a permanganát a kettős kötést oxidálja, miközben barnás MnO₂ válik le). Ez a Baeyer-próba — a brómos víz mellett a telítetlenség másik klasszikus kimutatása.

Baeyer-próba: a telítetlen szénhidrogén elszínteleníti a KMnO₄ lila oldatát

A Baeyer-próba: a telítetlen kötés redukálja a permanganátot, így a lila szín eltűnik. Pozitív próba = a mintában szén–szén többszörös kötés (telítetlenség) van.

D) Az acetilén

Az acetilén (etin) részletesen

Az etin (köznapi nevén acetilén), CH≡CH, a legegyszerűbb és iparilag legfontosabb alkin. Színtelen gáz, vízben rosszul, acetonban jól oldódik.

Előállítás

A klasszikus laboratóriumi előállítás kalcium-karbidból (CaC₂) vízzel:

CaC₂ + 2 H₂O = C₂H₂↑ + Ca(OH)₂

Magát a kalcium-karbidot égetett mészből (CaO) és kokszból állítják elő, elektromos kemencében, igen magas hőmérsékleten (~2000 °C):

CaO + 3 C = CaC₂ + CO (~2000 °C)

Iparilag az acetilén metánból is előállítható, magas hőmérsékleten történő pirolízissel:

2 CH₄ = C₂H₂ + 3 H₂ (~1200 °C)

Acetilén előállítása karbidból + a hegesztőláng

A karbidra csepegtetett víz acetiléngázt fejleszt; az acetilén oxigénnel égetve ~3000 °C-os lángot ad, amellyel fémeket lehet hegeszteni és vágni (autogén hegesztés / lángvágás).

Égés és a hegesztés

Az acetilén tiszta oxigénben égve adja a legforróbb hétköznapi lángot (~3000 °C):

2 C₂H₂ + 5 O₂ = 4 CO₂ + 2 H₂O

Ezt használja az autogén (lánghegesztés) és a lángvágás. Levegőn égve viszont erősen kormozó, korántsem olyan forró a láng (kevesebb az oxigén).

Tárolás — a „disszugáz"

Disszugáz

A tiszta acetilént nyomás alatt palackozni veszélyes (robbanékony). Ezért a palackot kovafölddel (porózus anyaggal) töltik meg, és az acetilént acetonban oldva tárolják — ez a disszugáz. Az acetonban sok acetilén oldódik, így biztonságosan, nagy mennyiségben szállítható.

💥

A tiszta, sűrített acetilén nyomásra vagy ütésre robbanásszerűen elbomolhat a saját elemeire. Ezért tilos tiszta gázként, nagy nyomáson palackozni — kizárólag acetonban oldva, kovafölddel kitöltött palackban (disszugáz) tárolják.

Az acetilén reakciói — interaktív

A hármas kötés két π-kötése miatt az acetilén kétszeres addícióra is képes: az addíció lépcsőzetesen játszódik le (előbb hármas → kettős, majd kettős → egyszeres kötés). Kattints egy reagensre, hogy lásd a terméket és a magyarázatot!

A legfontosabb acetilén-addíciók egyenletei

CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (majd tovább) → CH₃–CH₃

CH≡CH + HCl → CH₂=CHCl (vinil-klorid — a PVC alapanyaga)

CH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-dibróm-etén)

CH≡CH + H₂O → CH₃CHO (acetaldehid; kat. Hg²⁺)

🔁

Keto-enol tautoméria. Az acetilén vízaddíciójakor először egy nem stabilis enol (CH₂=CH–OH, vinil-alkohol) keletkezik, amely azonnal átrendeződik a stabilabb acetaldehiddé (CH₃–CHO). Ez a keto-enol tautoméria — a katalizátor itt a higany(II)-ion (Hg²⁺).

Alkének előállítása és jelentőség — összefoglalás

Az alkének előállítása

Két fő ipari/laboratóriumi út:

Etanol eliminációja (vízelvonás): tömény kénsavval, melegítve a etanolból víz lép ki, és etén keletkezik.
C₂H₅OH = C₂H₄ + H₂O (kénsav, hő)
A kőolaj krakkolása: a nagy szénatomszámú szénhidrogének hőbontásakor (krakkolás) sok kis molekulájú alkén — elsősorban etén és propén — keletkezik. Ez az alkének fő ipari forrása.

Jelentőség

Vegyület	Jelentőség / felhasználás
Etén (etilén)	a vegyipar kulcs-alapanyaga: polietilén, etanol, etilén-glikol, PVC (vinil-kloridon át) stb. kiindulási anyaga
Etén mint hormon	az etén növényi hormon is: érésgyorsító hatású (ezért érleli egy érett gyümölcs a mellé tett éretlent)
Propén	a polipropilén (PP) műanyag alapanyaga
Acetilén	autogén hegesztés és lángvágás (oxigénnel); szerves szintézisek (vinil-klorid, acetaldehid) kiinduló anyaga
Műanyagok	PE, PVC, polisztirol, PP — mind telítetlen monomerek polimerizációjával

🎯

A nagy összefüggés. Az alkének és alkinek minden tulajdonsága a π-kötés(ek)re vezethető vissza: a lazább π-elektronok teszik lehetővé az addíciós reakciókat (hidrogénezés, halogén- és HX-addíció Markovnyikov szerint, vízaddíció), a polimerizációt (műanyagok) és az enyhe oxidálószerekkel (brómos víz, KMnO₄) való elszíntelenítést — ami egyúttal a telítetlenség kimutatása. A geometria (sp², sík, 120° az alkéneknél; sp, lineáris, 180° az alkineknél) pedig a π-kötésből következő forgásgátlással a cisz-transz izomériát és az acetilén savas C–H kötését magyarázza.