Opgaver til A4.3

Opgaverne hører til afsnit A4.3 Dobbelt- og tripelbindinger. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave A4.3.1: σ-binding eller π-binding

Figuren viser fire overlap mellem orbitaler: A, B, C og D. En kugle er en s-orbital. To ens lapper er en p-orbital. En stor lap med en lille lap bagved er en hybridorbital. De sorte prikker er atomkerner.

Figur 1: Fire overlap mellem orbitaler.
  1. Angiv for hvert af de fire overlap A, B, C og D, om det er en σ-binding eller en π-binding.
  2. Skriv for hvert af de fire overlap, hvilke to slags orbitaler der overlapper.
  3. En π-binding har to overlap: ét over og ét under linjen mellem atomkernerne. Hvor mange elektroner er der i en π-binding?
  4. Hvad består en enkeltbinding, en dobbeltbinding og en tripelbinding af?

Find linjen mellem de to atomkerner i hvert af de fire overlap A, B, C og D. Ligger overlappet på linjen, eller ligger det over og under linjen?

I en σ-binding peger de to orbitaler mod hinanden, og overlappet ligger på linjen mellem atomkernerne. I en π-binding ligger to p-orbitaler side om side. Kun ét af de fire overlap A, B, C og D er en π-binding.

Til spørgsmål c: en binding er ét elektronpar, uanset hvor mange steder de to orbitaler overlapper.

  1. og b. De fire overlap:
Overlap Orbitaler, der overlapper Binding Begrundelse
A to s-orbitaler σ-binding overlappet ligger på linjen mellem de to atomkerner
B en hybridorbital og en s-orbital σ-binding hybridorbitalen peger mod s-orbitalen, så overlappet ligger på linjen mellem atomkernerne
C to p-orbitaler π-binding de to p-orbitaler ligger side om side og overlapper over og under linjen mellem atomkernerne
D to hybridorbitaler σ-binding de to hybridorbitaler peger mod hinanden, så overlappet ligger på linjen mellem atomkernerne

Overlap A er bindingen i dihydrogen, H2. Overlap B er en C−H-binding, fx i methan. Overlap D er σ-bindingen mellem to carbonatomer, fx i ethan.

  1. Der er 2 elektroner i en π-binding. De to overlap over og under linjen mellem atomkernerne er tilsammen én binding med ét elektronpar. Der er også 2 elektroner i en σ-binding.

  2. En enkeltbinding er én σ-binding. En dobbeltbinding er én σ-binding og én π-binding. En tripelbinding er én σ-binding og to π-bindinger.

Opgave A4.3.2: Tæl bindingerne i seks molekyler

Tabellen viser seks små molekyler. I ethanal er −CHO en aldehydgruppe med en C=O. I ethansyre er −COOH en carboxylgruppe med en C=O og en O−H. Kolonnerne Enkelt, Dobbelt og Tripel er antallet af enkeltbindinger, dobbeltbindinger og tripelbindinger i molekylet. Kolonnerne σ og π er antallet af σ-bindinger og π-bindinger.

Stof Formel Enkelt Dobbelt Tripel σ π
propen CH2=CH−CH3
propyn HC≡C−CH3
ethanal CH3−CHO
ethansyre CH3−COOH
hydrogencyanid H−C≡N
carbondioxid O=C=O
  1. Udfyld tabellen for de seks molekyler.
  2. Tæl atomerne i hvert af de seks molekyler, og sammenlign med antallet af σ-bindinger. Hvilken sammenhæng finder du?
  3. I propyn, hydrogencyanid og carbondioxid er der carbonatomer, som er med i to π-bindinger. Angiv hybridiseringen af de carbonatomer.

Tegn hvert af de seks molekyler med alle atomer og alle bindinger, også bindingerne til hydrogenatomerne. I propen, CH2=CH−CH3, er der fx 6 C−H-bindinger, 1 dobbeltbinding mellem to carbonatomer og 1 enkeltbinding mellem to carbonatomer.

Tæl bindingerne i hvert molekyle sådan:

  • Antallet af σ-bindinger er antallet af enkeltbindinger plus antallet af dobbeltbindinger plus antallet af tripelbindinger. Hver binding har nemlig præcis én σ-binding.
  • Antallet af π-bindinger er antallet af dobbeltbindinger plus to gange antallet af tripelbindinger.

Til spørgsmål c: et carbonatom, der er med i to π-bindinger, har brugt to p-orbitaler til π-bindingerne. Tæl carbonatomets naboer.

  1. Den udfyldte tabel for de seks molekyler:
Stof Formel Enkelt Dobbelt Tripel σ π
propen CH2=CH−CH3 7 1 0 8 1
propyn HC≡C−CH3 5 0 1 6 2
ethanal CH3−CHO 5 1 0 6 1
ethansyre CH3−COOH 6 1 0 7 1
hydrogencyanid H−C≡N 1 0 1 2 2
carbondioxid O=C=O 0 2 0 2 2

Enkeltbindingerne i propen er 6 C−H og 1 C−C. I propyn er de 4 C−H og 1 C−C. I ethanal er de 4 C−H og 1 C−C. I ethansyre er de 3 C−H, 1 C−C, 1 C−O og 1 O−H.

  1. Antallet af atomer og antallet af σ-bindinger:
Stof Atomer σ-bindinger
propen, C3H6 9 8
propyn, C3H4 7 6
ethanal, C2H4O 7 6
ethansyre, C2H4O2 8 7
hydrogencyanid, HCN 3 2
carbondioxid, CO2 3 2

I alle seks molekyler er antallet af σ-bindinger én mindre end antallet af atomer. Det gælder for alle molekyler uden ringe: σ-bindingerne holder atomerne sammen i en kæde, og der skal én σ-binding til for hvert atom, der sættes på. Reglen er en hurtig kontrol, når du har talt σ-bindinger.

  1. Carbonatomerne er sp-hybridiserede. De to carbonatomer i tripelbindingen i propyn, carbonatomet i hydrogencyanid og carbonatomet i carbondioxid har hver kun 2 naboer. Et sp-hybridiseret carbonatom har to p-orbitaler tilbage, og de bruges til de to π-bindinger. I propyn og hydrogencyanid sidder de to π-bindinger i samme tripelbinding. I carbondioxid sidder de i hver sin dobbeltbinding.

Opgave A4.3.3: Orbitalerne i ethen og ethyn

Ethen, CH2=CH2, er det mindste alken. Ethyn, HC≡CH, er det mindste alkyn og er den gas, der brænder i en svejseflamme.

Molekyle Binding Slags Orbital fra det ene atom Orbital fra det andet atom
ethen C−H σ
ethen C=C, den ene binding σ
ethen C=C, den anden binding π
ethyn C−H σ
ethyn C≡C, den ene binding σ
ethyn C≡C, de to andre bindinger π
  1. Angiv hybridiseringen af carbonatomerne i ethen og af carbonatomerne i ethyn.
  2. Udfyld tabellens to tomme kolonner med de orbitaler, der overlapper i hver binding i ethen og ethyn.
  3. Forklar, hvorfor alle seks atomer i ethen ligger i samme plan, og hvorfor de fire atomer i ethyn ligger på en ret linje.
  4. Propen har formlen CH2=CH−CH3. Hvilke to orbitaler overlapper i enkeltbindingen mellem det midterste carbonatom og carbonatomet i methylgruppen i propen?

Tæl naboerne til et carbonatom i ethen og til et carbonatom i ethyn. 3 naboer giver sp2, og 2 naboer giver sp. Et hydrogenatom har kun én orbital at binde med: 1s.

Hybridorbitalerne bruges til σ-bindinger. De p-orbitaler, der er tilbage, bruges til π-bindinger. Et sp2-hybridiseret carbonatom har tre sp2-orbitaler og én 2p-orbital. Et sp-hybridiseret carbonatom har to sp-orbitaler og to 2p-orbitaler.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål c sådan: “De tre sp2-orbitaler på et carbonatom i ethen ligger i … med vinklen …” og “De to sp-orbitaler på et carbonatom i ethyn peger …”

Til spørgsmål d: find hybridiseringen af hvert af de to carbonatomer i propen for sig.

  1. I ethen har hvert carbonatom 3 naboer: ét carbonatom og to hydrogenatomer. Begge carbonatomer i ethen er sp2-hybridiserede. I ethyn har hvert carbonatom 2 naboer: ét carbonatom og ét hydrogenatom. Begge carbonatomer i ethyn er sp-hybridiserede.

  2. Orbitalerne i bindingerne i ethen og ethyn:

Molekyle Binding Slags Orbital fra det ene atom Orbital fra det andet atom
ethen C−H σ sp2-orbital fra carbon 1s-orbital fra hydrogen
ethen C=C, den ene binding σ sp2-orbital fra carbon sp2-orbital fra carbon
ethen C=C, den anden binding π 2p-orbital fra carbon 2p-orbital fra carbon
ethyn C−H σ sp-orbital fra carbon 1s-orbital fra hydrogen
ethyn C≡C, den ene binding σ sp-orbital fra carbon sp-orbital fra carbon
ethyn C≡C, de to andre bindinger π 2p-orbital fra carbon 2p-orbital fra carbon
  1. De tre sp2-orbitaler på et carbonatom i ethen ligger i samme plan med vinklen 120° imellem. De danner σ-bindingerne til de to hydrogenatomer og til det andet carbonatom. π-bindingen kræver, at de to 2p-orbitaler står parallelt, og det gør de kun, når de to carbonatomers planer falder sammen. Derfor ligger alle seks atomer i ethen i samme plan.

De to sp-orbitaler på et carbonatom i ethyn peger hver sin vej med vinklen 180° imellem. Den ene danner σ-bindingen til hydrogenatomet, og den anden danner σ-bindingen til det andet carbonatom. Derfor ligger de fire atomer i ethyn på en ret linje.

  1. Det midterste carbonatom i propen har 3 naboer og er sp2-hybridiseret. Carbonatomet i methylgruppen har 4 naboer og er sp3-hybridiseret. Enkeltbindingen mellem de to carbonatomer er en σ-binding, hvor en sp2-orbital fra det midterste carbonatom overlapper med en sp3-orbital fra carbonatomet i methylgruppen.

Opgave A4.3.4: Længde og energi

Tabellen viser længden og energien for de tre slags bindinger mellem to carbonatomer. Tallene er gennemsnit for mange stoffer.

Binding Længde Energi
enkeltbinding, C−C 154 pm 348 kJ/mol
dobbeltbinding, C=C 134 pm 614 kJ/mol
tripelbinding, C≡C 120 pm 839 kJ/mol
  1. Beskriv, hvordan bindingens længde og bindingens energi ændrer sig fra enkeltbinding over dobbeltbinding til tripelbinding.
  2. Beregn, hvor meget π-bindingen bidrager med til energien af dobbeltbindingen, og hvor meget den anden π-binding bidrager med til energien af tripelbindingen.
  3. En elev siger: “En dobbeltbinding er to bindinger, så den er dobbelt så stærk som en enkeltbinding.” Vis med en beregning, at eleven tager fejl.
  4. Forklar ud fra orbitalernes overlap, hvorfor en π-binding er svagere end en σ-binding.

Alle tre bindinger mellem carbonatomerne har én σ-binding. Regn med, at σ-bindingen bidrager med 348 kJ/mol i både enkeltbindingen, dobbeltbindingen og tripelbindingen. Resten af energien kommer fra π-bindingerne.

π-bindingens bidrag i dobbeltbindingen er forskellen mellem energien af C=C og energien af C−C. Den anden π-bindings bidrag i tripelbindingen er forskellen mellem energien af C≡C og energien af C=C.

Til spørgsmål c: beregn, hvad energien ville være, hvis dobbeltbindingen var to σ-bindinger.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål d sådan: “I en σ-binding peger de to orbitaler … I en π-binding ligger de to p-orbitaler …”

  1. Jo flere bindinger der er mellem de to carbonatomer, jo kortere og stærkere er bindingen. Længden falder fra 154 pm for C−C over 134 pm for C=C til 120 pm for C≡C. Energien stiger fra 348 kJ/mol over 614 kJ/mol til 839 kJ/mol.

  2. π-bindingens bidrag til dobbeltbindingen er forskellen mellem energien af C=C og energien af C−C:

\[ \text{bidrag fra π-bindingen} = 614\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} - 348\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} = 266\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} \]

Den anden π-bindings bidrag til tripelbindingen er forskellen mellem energien af C≡C og energien af C=C:

\[ \text{bidrag fra den anden π-binding} = 839\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} - 614\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} = 225\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} \]

π-bindingen i dobbeltbindingen bidrager med 266 kJ/mol, og den anden π-binding i tripelbindingen bidrager med 225 kJ/mol. Begge tal er mindre end σ-bindingens 348 kJ/mol.

  1. Hvis dobbeltbindingen var dobbelt så stærk som enkeltbindingen, ville energien være

\[ \text{energi} = 2 \cdot 348\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} = 696\ \dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}} \]

Den målte energi for C=C er kun 614 kJ/mol. En dobbeltbinding er altså stærkere end en enkeltbinding, men ikke dobbelt så stærk. Grunden er, at de to bindinger i dobbeltbindingen ikke er ens: den ene er en σ-binding, og den anden er en svagere π-binding.

  1. I en σ-binding peger de to orbitaler mod hinanden, og de overlapper godt på linjen mellem de to atomkerner. I en π-binding ligger de to p-orbitaler side om side, og de overlapper kun med siderne over og under linjen mellem atomkernerne. Overlappet side om side er ikke så godt som overlappet, hvor orbitalerne peger mod hinanden. Derfor er π-bindingen svagere end σ-bindingen.

Opgave A4.3.5: Kan molekylet dreje?

1,2-dichlorethan har formlen CH2Cl−CH2Cl. 1,2-dichlorethen har formlen CHCl=CHCl.

  1. Forklar, hvorfor de to ender af molekylet 1,2-dichlorethan kan dreje i forhold til hinanden, mens de to ender af molekylet 1,2-dichlorethen ikke kan.
  2. Tegn de to former af 1,2-dichlorethen, og giv dem navne med cis og trans.
  3. Hvor meget energi skal der omtrent til for at lave 1 mol cis-1,2-dichlorethen om til trans-1,2-dichlorethen ved at dreje den ene ende af molekylet? Begrund svaret.
  4. Hvilke af de fire stoffer propen, but-2-en, 1,1-dichlorethen og hex-3-en findes som cis-form og trans-form? Begrund svaret for hvert stof.

Se på bindingen mellem de to carbonatomer. I 1,2-dichlorethan er den en enkeltbinding, altså én σ-binding. I 1,2-dichlorethen er den en dobbeltbinding, altså én σ-binding og én π-binding. Hvad sker der med hver af de to slags bindinger, når den ene ende af molekylet drejes?

Du kan begynde forklaringen sådan: “En σ-binding er rund omkring linjen mellem atomkernerne, så … En π-binding kræver, at de to p-orbitaler står …”

Til spørgsmål c: drejes den ene ende af 1,2-dichlorethen, bliver π-bindingen brudt. Find π-bindingens bidrag til energien af en dobbeltbinding i afsnit A4.3.

Til spørgsmål d: et alken findes kun som cis-form og trans-form, når begge carbonatomer i dobbeltbindingen har to forskellige grupper på sig. Skriv de fire stoffers formler op: CH2=CH−CH3, CH3−CH=CH−CH3, CCl2=CH2 og CH3−CH2−CH=CH−CH2−CH3.

  1. I 1,2-dichlorethan er de to carbonatomer bundet sammen med en enkeltbinding, som er en σ-binding. En σ-binding er rund omkring linjen mellem atomkernerne. Overlappet er det samme, uanset hvordan den ene ende af molekylet drejes, så 1,2-dichlorethan kan dreje frit om bindingen.

I 1,2-dichlorethen er de to carbonatomer bundet sammen med en dobbeltbinding: én σ-binding og én π-binding. π-bindingen kræver, at de to p-orbitaler står parallelt. Drejes den ene ende af molekylet, overlapper p-orbitalerne ikke længere, og π-bindingen brydes. Det er der ikke energi nok til ved stuetemperatur, så 1,2-dichlorethen kan ikke dreje om dobbeltbindingen.

  1. I cis-1,2-dichlorethen sidder de to chloratomer på samme side af dobbeltbindingen. I trans-1,2-dichlorethen sidder de på hver sin side.
Figur 2: De to former af 1,2-dichlorethen.

Fordi molekylet ikke kan dreje om dobbeltbindingen, er cis-1,2-dichlorethen og trans-1,2-dichlorethen to forskellige stoffer. Cis-formen koger ved 60 °C og trans-formen ved 48 °C.

  1. Der skal omkring 266 kJ til. For at dreje den ene ende af molekylet skal π-bindingen i dobbeltbindingen brydes, mens σ-bindingen bliver. π-bindingen bidrager med 614 kJ/mol − 348 kJ/mol = 266 kJ/mol til energien af en dobbeltbinding. Tallet er et gennemsnit for mange stoffer, så for 1,2-dichlorethen er det kun omtrentligt.

  2. But-2-en og hex-3-en findes som cis-form og trans-form. Propen og 1,1-dichlorethen gør ikke.

Stof Formel Cis og trans? Begrundelse
propen CH2=CH−CH3 nej det ene carbonatom i dobbeltbindingen har to ens grupper: to hydrogenatomer
but-2-en CH3−CH=CH−CH3 ja begge carbonatomer i dobbeltbindingen har to forskellige grupper: et hydrogenatom og en methylgruppe
1,1-dichlorethen CCl2=CH2 nej det ene carbonatom har to chloratomer, og det andet har to hydrogenatomer
hex-3-en CH3−CH2−CH=CH−CH2−CH3 ja begge carbonatomer i dobbeltbindingen har to forskellige grupper: et hydrogenatom og en ethylgruppe

Ingen af de fire stoffer kan dreje om dobbeltbindingen. Men kun i but-2-en og hex-3-en giver det to forskellige stoffer.

Opgave A4.3.6: Propen adderer dibrom

Propen, CH2=CH−CH3, affarver dibromvand. Reaktionen er en addition.

Carbonatom I propen før reaktionen I produktet efter reaktionen
carbonatom 1, CH2=
carbonatom 2, =CH−
carbonatom 3, −CH3
  1. Opskriv reaktionsskemaet for additionen af dibrom til propen, og navngiv produktet.
  2. Angiv de bindinger, der brydes, og de bindinger, der dannes, ved additionen af dibrom til propen. Brug ordene σ-binding og π-binding.
  3. Udfyld tabellen med antal naboer, hybridisering og vinkel for hvert af de tre carbonatomer før og efter reaktionen.
  4. Forklar, hvorfor det er π-bindingen og ikke σ-bindingen i dobbeltbindingen i propen, der reagerer med dibrom.

Ved en addition til en dobbeltbinding sætter de to bromatomer sig på hvert sit carbonatom i dobbeltbindingen, og dobbeltbindingen bliver til en enkeltbinding. Se reaktionen mellem ethen og dibrom i afsnit A4.3, og gør det samme med propen.

Produktet er CH2Br−CHBr−CH3. Tæl naboerne til hvert af de tre carbonatomer i propen og i produktet: 3 naboer giver sp2 og 120°, og 4 naboer giver sp3 og 109,5°.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål d sådan: “π-bindingen er den … af de to bindinger i dobbeltbindingen, og dens elektroner ligger …”

  1. Dibrom adderer til dobbeltbindingen i propen:

CH2=CH−CH3 + Br2 → CH2Br−CHBr−CH3

Produktet er 1,2-dibrompropan.

  1. Der brydes to bindinger: π-bindingen i dobbeltbindingen mellem carbonatom 1 og carbonatom 2 i propen og σ-bindingen mellem de to bromatomer i Br2. Der dannes to nye σ-bindinger: en C−Br-binding på carbonatom 1 og en C−Br-binding på carbonatom 2. σ-bindingen mellem carbonatom 1 og carbonatom 2 bliver, så de to carbonatomer er stadig bundet sammen med en enkeltbinding.

  2. Den udfyldte tabel for propen og 1,2-dibrompropan:

Carbonatom I propen før reaktionen I 1,2-dibrompropan efter reaktionen
carbonatom 1, CH2= 3 naboer, sp2, 120° 4 naboer, sp3, 109,5°
carbonatom 2, =CH− 3 naboer, sp2, 120° 4 naboer, sp3, 109,5°
carbonatom 3, −CH3 4 naboer, sp3, 109,5° 4 naboer, sp3, 109,5°

De to carbonatomer i dobbeltbindingen skifter fra sp2 til sp3, og vinklerne omkring dem ændres fra 120° til 109,5°. Carbonatomet i methylgruppen er ikke med i reaktionen og er sp3-hybridiseret hele tiden.

  1. π-bindingen er den svageste af de to bindinger i dobbeltbindingen i propen. Den bidrager kun med omkring 266 kJ/mol, mens σ-bindingen bidrager med omkring 348 kJ/mol. π-bindingens elektroner ligger desuden over og under molekylets plan, hvor dibrommolekylet let kan komme til dem. σ-bindingens elektroner ligger gemt på linjen mellem de to atomkerner. Derfor er det π-bindingen, der brydes, mens σ-bindingen bliver.

Opgave A4.3.7: Benzen

Benzen har formlen C6H6. Molekylet er en ring af seks carbonatomer med ét hydrogenatom på hvert carbonatom.

  1. Angiv hybridiseringen af de seks carbonatomer i benzen og vinklerne omkring dem.
  2. Hvor mange σ-bindinger er der i benzen?
  3. Hvor mange elektroner er delokaliserede i benzenringen, og hvilke orbitaler sidder de i?
  4. Benzen tegnes tit som en sekskant med tre dobbeltbindinger og tre enkeltbindinger. Hvilke bindingslængder skulle man måle i ringen, hvis den tegning var hele sandheden? Hvad måler man i virkeligheden? Forklar forskellen.
  5. Cyclohexen, C6H10, har en ring af seks carbonatomer med én dobbeltbinding. Cyclohexen affarver dibromvand, men det gør benzen ikke. Forklar forskellen.

Hvert carbonatom i benzen er bundet til tre atomer: to carbonatomer i ringen og ét hydrogenatom. Find hybridiseringen ud fra antallet af naboer. Hvor mange p-orbitaler har et carbonatom med den hybridisering tilbage?

Til spørgsmål b: tæl σ-bindingerne mellem carbonatomerne i benzenringen og σ-bindingerne fra carbonatomerne til hydrogenatomerne hver for sig.

Til spørgsmål d: en enkeltbinding mellem to carbonatomer er 154 pm, og en dobbeltbinding mellem to carbonatomer er 134 pm. Sammenlign med de bindingslængder, man måler i benzenringen.

Du kan begynde forklaringerne sådan: “Hver p-orbital i benzenringen overlapper lige godt med … De seks elektroner er derfor …” og “I cyclohexen sidder de to elektroner i π-bindingen mellem to bestemte carbonatomer, så …”

  1. Hvert carbonatom i benzen har 3 naboer: to carbonatomer og ét hydrogenatom. Alle seks carbonatomer er sp2-hybridiserede, og vinklerne omkring dem er 120°. Derfor er benzenringen en plan, regelmæssig sekskant.

  2. Der er 12 σ-bindinger i benzen: 6 mellem carbonatomerne i ringen og 6 fra carbonatomerne til hydrogenatomerne.

  3. Der er 6 delokaliserede elektroner i benzenringen. Hvert af de seks sp2-hybridiserede carbonatomer har én 2p-orbital med én elektron, og 2p-orbitalen står vinkelret på ringen. De seks 2p-orbitaler overlapper hele vejen rundt og danner én sammenhængende elektronsky over og under ringen.

  4. Hvis tegningen med tre dobbeltbindinger og tre enkeltbindinger var hele sandheden, skulle man måle tre korte bindinger på 134 pm og tre lange bindinger på 154 pm i ringen. I virkeligheden måler man, at alle seks bindinger i benzenringen er lige lange: 139 pm. Det ligger mellem længden af en dobbeltbinding og længden af en enkeltbinding.

Forklaringen er, at hver p-orbital i benzenringen overlapper lige godt med naboen på begge sider. De seks elektroner danner derfor ikke tre adskilte π-bindinger. De er delokaliserede og deles ligeligt af alle seks carbonatomer, så alle seks bindinger i ringen bliver ens.

  1. I cyclohexen sidder de to elektroner i π-bindingen mellem to bestemte carbonatomer. π-bindingen er svag, og dibrom adderer til dobbeltbindingen, så den gule farve forsvinder:

C6H10 + Br2 → C6H10Br2

I benzen er de seks elektroner delokaliserede over hele ringen, og det gør benzenringen meget stabil. En addition af dibrom ville bryde den sammenhængende elektronsky. Derfor adderer benzen ikke dibrom, og dibromvandet beholder sin gule farve.

Opgave A4.3.8: Bindinger i zigzagformler

Figuren viser zigzagformler for tre stoffer: A, B og C. Carbonatomerne har numre. Husk, at hydrogenatomerne på carbonatomerne ikke er tegnet i en zigzagformel.

Figur 3: Zigzagformler for de tre stoffer A, B og C.
  1. Bestem molekylformlen for hvert af de tre stoffer A, B og C.
  2. Angiv antallet af σ-bindinger og antallet af π-bindinger i hvert af de tre stoffer A, B og C.
  3. Angiv hybridiseringen af hvert carbonatom i de tre stoffer A, B og C.

Hvert hjørne og hver ende af en streg i en zigzagformel er et carbonatom, og hvert carbonatom har fire bindinger. De bindinger, der ikke er tegnet, går til hydrogenatomer. Skriv antallet af hydrogenatomer ved hvert carbonatom i de tre stoffer A, B og C, før du tæller bindinger.

Stof A har 6 hydrogenatomer: 2 på carbonatom 1, 1 på carbonatom 2, 1 på carbonatom 3 og 2 på carbonatom 4. Stof B har 3 hydrogenatomer på carbonatom 1 og 1 hydrogenatom på carbonatom 4. Stof C har 1 hydrogenatom på hvert af de to carbonatomer i dobbeltbindingen og 2 hydrogenatomer på hvert af de fire andre carbonatomer.

Husk C−H-bindingerne, når du tæller σ-bindinger i de tre stoffer. Kontrol: i et molekyle uden ringe er antallet af σ-bindinger én mindre end antallet af atomer. I et molekyle med én ring er antallet af σ-bindinger det samme som antallet af atomer.

  1. Stof A, buta-1,3-dien, har molekylformlen C4H6. Stof B, but-3-yn-2-on, har molekylformlen C4H4O. Stof C, cyclohexen, har molekylformlen C6H10.

  2. Bindingerne i de tre stoffer:

Stof C−H Bindinger mellem carbonatomer C=O σ-bindinger π-bindinger
A, buta-1,3-dien 6 2 dobbeltbindinger og 1 enkeltbinding 0 9 2
B, but-3-yn-2-on 4 2 enkeltbindinger og 1 tripelbinding 1 8 3
C, cyclohexen 10 5 enkeltbindinger og 1 dobbeltbinding 0 16 1

Kontrol: buta-1,3-dien har 10 atomer og 9 σ-bindinger, og but-3-yn-2-on har 9 atomer og 8 σ-bindinger. Cyclohexen har 16 atomer og 16 σ-bindinger, fordi ringen lukkes med én ekstra σ-binding.

  1. Hybridiseringen findes ved at tælle hvert carbonatoms naboer:
Stof Carbonatomer Naboer Hybridisering
A, buta-1,3-dien carbonatom 1, 2, 3 og 4 3 sp2
B, but-3-yn-2-on carbonatom 1 4 sp3
B, but-3-yn-2-on carbonatom 2 3 sp2
B, but-3-yn-2-on carbonatom 3 og 4 2 sp
C, cyclohexen carbonatom 1 og 2 3 sp2
C, cyclohexen carbonatom 3, 4, 5 og 6 4 sp3

I buta-1,3-dien er alle fire carbonatomer sp2-hybridiserede, og dobbeltbindinger og enkeltbindinger skifter. But-3-yn-2-on har alle tre slags hybridisering i samme molekyle.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner delopgaverne i den skriftlige prøve i kemi A. Skriv svarene, som du ville gøre til prøven: med de konkrete atomer, bindinger og grupper, med beregninger med enheder og med en konklusion.

Opgave A4.3.eks.1: Oliesyre og elaidinsyre

Oliesyre er den fedtsyre, der er mest af i olivenolie. Når planteolie hærdes delvist, bliver nogle af molekylerne lavet om til elaidinsyre, som er en transfedtsyre. De to fedtsyrer har samme formel, C17H33COOH, men oliesyre smelter ved 13 °C og elaidinsyre ved 45 °C. Figuren viser de to stoffer med numre på tre af carbonatomerne.

Figur 4: Oliesyre og elaidinsyre.
  1. Angiv antallet af π-bindinger i oliesyre, og angiv, hvilke atomer π-bindingerne sidder imellem.
  2. Angiv hybridiseringen af carbonatom 1, 9 og 10 i oliesyre og vinklerne omkring de tre carbonatomer.
  3. Forklar ud fra bindingerne, hvorfor oliesyre og elaidinsyre er to forskellige stoffer, som ikke bliver til hinanden ved stuetemperatur.
  4. Ved en fuldstændig hærdning adderer både oliesyre og elaidinsyre dihydrogen. Opskriv reaktionsskemaet for oliesyre, og forklar, hvorfor oliesyre og elaidinsyre giver det samme produkt.

Find dobbeltbindingerne i oliesyre: der er én mellem to carbonatomer midt i kæden og én i carboxylgruppen. Hver dobbeltbinding har én π-binding. Tæl derefter naboerne til carbonatom 1, 9 og 10.

Oliesyre er cis-formen, og elaidinsyre er trans-formen. Forskellen ligger ved dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål c sådan: “Dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10 består af … Skal cis-formen blive til trans-formen, skal den ene ende af molekylet drejes, og så …”

Til spørgsmål d: efter additionen af dihydrogen er bindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10 en enkeltbinding. Kan molekylet dreje om en enkeltbinding?

  1. Oliesyre har 2 π-bindinger. Den ene sidder i dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10. Den anden sidder i dobbeltbindingen mellem carbonatom 1 og oxygenatomet i carboxylgruppen. Alle andre bindinger i oliesyre er enkeltbindinger og dermed σ-bindinger.

  2. Carbonatom 9 og carbonatom 10 har hver 3 naboer: to carbonatomer og ét hydrogenatom. Carbonatom 1 har også 3 naboer: ét carbonatom og to oxygenatomer. Carbonatom 1, 9 og 10 i oliesyre er derfor alle sp2-hybridiserede, og vinklerne omkring dem er omkring 120°. De øvrige 15 carbonatomer i oliesyre har 4 naboer og er sp3-hybridiserede.

  3. Oliesyre er cis-formen: kæden fortsætter på samme side af dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10, så molekylet får et knæk. Elaidinsyre er trans-formen: kæden fortsætter på hver sin side, så molekylet er næsten lige.

Dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10 består af én σ-binding og én π-binding. π-bindingen kræver, at de to p-orbitaler på carbonatom 9 og carbonatom 10 står parallelt. Skal cis-formen blive til trans-formen, skal den ene ende af molekylet drejes en halv omgang om dobbeltbindingen. Undervejs overlapper p-orbitalerne ikke, så π-bindingen skal brydes. Det koster omkring 266 kJ/mol, og så meget energi er der ikke til rådighed ved stuetemperatur.

Oliesyre og elaidinsyre kan derfor ikke blive til hinanden ved at dreje. De er cis-trans-isomerer og dermed to forskellige stoffer med hvert sit smeltepunkt.

  1. Dihydrogen adderer til dobbeltbindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10 i oliesyre:

C17H33COOH + H2 → C17H35COOH

Produktet er den mættede fedtsyre stearinsyre. Ved additionen brydes π-bindingen mellem carbonatom 9 og carbonatom 10, og de to carbonatomer får hver et hydrogenatom mere. De har nu 4 naboer og er sp3-hybridiserede, og bindingen mellem dem er en enkeltbinding, altså kun en σ-binding.

Molekylet kan dreje frit om en σ-binding. Der er derfor ikke længere nogen cis-form og trans-form. Oliesyre og elaidinsyre har samme kæde af 18 carbonatomer og adskiller sig kun ved dobbeltbindingen, så begge giver stearinsyre, når dobbeltbindingen er væk.

Opgave A4.3.eks.2: Synet begynder med en π-binding

I øjets nethinde sidder stoffet retinal, som kroppen danner ud fra A-vitamin. I mørke har retinal formen 11-cis-retinal. Når lys rammer molekylet, skifter det form til trans-retinal, og formændringen sender et signal gennem synsnerven til hjernen. Figuren viser de to former med numre på carbonatom 11 og carbonatom 12.

Figur 5: 11-cis-retinal og trans-retinal.
  1. Angiv antallet af π-bindinger i 11-cis-retinal.
  2. Angiv hybridiseringen af carbonatom 11 og carbonatom 12 i 11-cis-retinal, og forklar, hvorfor 11-cis-retinal ikke bliver til trans-retinal af sig selv i mørke.
  3. Forklar, hvad lyset må gøre ved bindingerne mellem carbonatom 11 og carbonatom 12, for at molekylet kan skifte form fra 11-cis-retinal til trans-retinal. Brug ordene σ-binding og π-binding.
  4. Retinal har molekylformlen C20H28O. Beregn antallet af dobbeltbindingsækvivalenter, og vis, at tallet passer med strukturen af retinal.

Tæl dobbeltbindingerne i 11-cis-retinal: dem mellem carbonatomer i ringen og i kæden og den i aldehydgruppen for enden af kæden. Hver dobbeltbinding har én π-binding.

Sammenlign de to former af retinal ved dobbeltbindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12. I 11-cis-retinal bøjer kæden samme vej på begge sider af dobbeltbindingen. I trans-retinal fortsætter kæden i zigzag.

Du kan begynde forklaringerne sådan: “For at skifte form skal den ene ende af molekylet drejes om dobbeltbindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12. Det kræver, at …” og “Lyset har energi nok til at …”

Til spørgsmål d: DBE = (2 · C + 2 + N − H) / 2. Hver π-binding og hver ring tæller som én dobbeltbindingsækvivalent.

  1. 11-cis-retinal har 6 π-bindinger. Der er 5 dobbeltbindinger mellem carbonatomer: én i ringen og fire i kæden. Desuden er der en dobbeltbinding mellem carbon og oxygen i aldehydgruppen for enden af kæden. Hver af de 6 dobbeltbindinger har én π-binding.

  2. Carbonatom 11 og carbonatom 12 har hver 3 naboer: to carbonatomer og ét hydrogenatom. Begge er sp2-hybridiserede.

Dobbeltbindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12 består af én σ-binding og én π-binding. For at 11-cis-retinal kan blive til trans-retinal, skal den ene ende af molekylet drejes en halv omgang om dobbeltbindingen. Undervejs står de to p-orbitaler på carbonatom 11 og carbonatom 12 ikke parallelt, så π-bindingen skal brydes. Det koster omkring 266 kJ/mol, og så meget energi er der ikke til rådighed ved kroppens temperatur. Derfor beholder 11-cis-retinal sin form i mørke.

  1. Lyset skal bryde π-bindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12. Når molekylet absorberer lyset, flytter en af elektronerne i π-bindingen til en orbital med højere energi, og så længe elektronen er dér, er π-bindingen brudt. Nu er carbonatom 11 og carbonatom 12 kun bundet sammen af σ-bindingen, og om en σ-binding kan molekylet dreje frit. Den ene ende af molekylet drejer en halv omgang, og π-bindingen dannes igen. Molekylet er nu trans-retinal, hvor kæden fortsætter i zigzag hen over dobbeltbindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12.

σ-bindingen mellem carbonatom 11 og carbonatom 12 bliver hele tiden. Det er kun π-bindingen, der brydes og dannes igen.

  1. Antallet af dobbeltbindingsækvivalenter for C20H28O:

\[ \mathrm{DBE} = \frac{2 \cdot 20 + 2 + 0 - 28}{2} = 7 \]

Strukturen af retinal har 6 π-bindinger: 5 i dobbeltbindinger mellem carbonatomer og 1 i aldehydgruppen. Desuden har retinal én ring. Hver π-binding og hver ring tæller 1, så strukturen har 7 dobbeltbindingsækvivalenter, og beregningen passer med strukturen.

Opgave A4.3.eks.3: Kanelaldehyd

Kanelaldehyd giver kanel sin smag og duft. Molekylet har en benzenring og en sidekæde med tre carbonatomer. Figuren viser kanelaldehyd med numre på de tre carbonatomer i sidekæden.

Figur 6: Kanelaldehyd.
  1. Angiv hybridiseringen af carbonatom 1, 2 og 3 i sidekæden og af de seks carbonatomer i benzenringen i kanelaldehyd.
  2. Angiv antallet af σ-bindinger i kanelaldehyd og antallet af π-bindinger uden for benzenringen.
  3. Kanelaldehyd affarver dibromvand. Forklar, hvorfor dibrom reagerer med dobbeltbindingen i sidekæden, men ikke med benzenringen.
  4. Opskriv reaktionsskemaet med strukturformler for reaktionen mellem kanelaldehyd og dibrom, og angiv, hvordan hybridiseringen og vinklerne omkring carbonatom 2 og carbonatom 3 ændres.

Tæl naboerne til hvert carbonatom i kanelaldehyd, og husk de hydrogenatomer, der ikke er tegnet. Carbonatom 1 er bundet til et oxygenatom, et hydrogenatom og carbonatom 2. Hvert carbonatom i benzenringen har to carbonatomer i ringen som naboer og desuden ét atom uden for ringen.

Til spørgsmål b: kanelaldehyd har molekylformlen C9H8O. Tæl C−H-bindingerne, bindingerne mellem carbonatomer og bindingen mellem carbon og oxygen hver for sig. Hver af dem har præcis én σ-binding, også dobbeltbindingerne.

Du kan begynde forklaringen i spørgsmål c sådan: “I dobbeltbindingen mellem carbonatom 2 og carbonatom 3 sidder de to elektroner i π-bindingen mellem … I benzenringen er de seks elektroner …”

Til spørgsmål d: de to bromatomer sætter sig på carbonatom 2 og carbonatom 3.

  1. Alle ni carbonatomer i kanelaldehyd er sp2-hybridiserede, fordi de alle har 3 naboer:
Carbonatom Naboer Hybridisering
carbonatom 1 i aldehydgruppen et oxygenatom, et hydrogenatom og carbonatom 2 sp2
carbonatom 2 carbonatom 1, carbonatom 3 og et hydrogenatom sp2
carbonatom 3 carbonatom 2, et carbonatom i benzenringen og et hydrogenatom sp2
de seks carbonatomer i benzenringen to carbonatomer i ringen og ét atom uden for ringen sp2

Vinklerne omkring alle ni carbonatomer er omkring 120°.

  1. Kanelaldehyd har 18 σ-bindinger:
Bindinger i kanelaldehyd Antal σ-bindinger
C−H: 5 på benzenringen og 3 i sidekæden 8
mellem carbonatomerne i benzenringen 6
fra benzenringen til carbonatom 3 1
mellem carbonatom 3 og carbonatom 2 1
mellem carbonatom 2 og carbonatom 1 1
mellem carbonatom 1 og oxygenatomet 1

Uden for benzenringen er der 2 π-bindinger: én i dobbeltbindingen mellem carbonatom 2 og carbonatom 3 og én i dobbeltbindingen mellem carbonatom 1 og oxygenatomet. I benzenringen er der desuden 6 delokaliserede elektroner, som tegnes som tre dobbeltbindinger.

  1. I dobbeltbindingen mellem carbonatom 2 og carbonatom 3 sidder de to elektroner i π-bindingen mellem netop de to carbonatomer. π-bindingen er svagere end σ-bindingen, og dens elektroner ligger frit over og under molekylets plan. Dibrom adderer derfor til dobbeltbindingen i sidekæden: π-bindingen brydes, og carbonatom 2 og carbonatom 3 får hvert sit bromatom. Det er den reaktion, der affarver dibromvandet.

I benzenringen er de seks elektroner delokaliserede. De danner ikke tre adskilte π-bindinger, men deles af alle seks carbonatomer i én sammenhængende elektronsky. Det gør benzenringen meget stabil, og en addition ville bryde elektronskyen. Derfor adderer benzenringen i kanelaldehyd ikke dibrom.

  1. Dibrom adderer til dobbeltbindingen mellem carbonatom 2 og carbonatom 3 i kanelaldehyd:
Figur 7: Kanelaldehyd adderer dibrom til dobbeltbindingen i sidekæden.

Før reaktionen har carbonatom 2 og carbonatom 3 hver 3 naboer. De er sp2-hybridiserede, og vinklerne omkring dem er omkring 120°. Efter reaktionen har carbonatom 2 og carbonatom 3 hver 4 naboer, fordi de har fået et bromatom hver. De er nu sp3-hybridiserede, og vinklerne omkring dem er omkring 109,5°. Benzenringen og aldehydgruppen er uændrede, så de syv andre carbonatomer er stadig sp2-hybridiserede.