Chapter3 Alkanes

‫אלקנים‪ :‬מבנה‪ ,‬נומנקלטורה‬ ‫פרק ‪ֵ – 3‬‬ ‫והקדמה לתגובות;תרמודינמיקה וקינטיקה‬ ‫בפרק ‪ ,2‬למדנו שאלקאנים הם פחמימנים שמכילים רק קשרי פחמן‪-‬פחמן בודדים‪ .‬פחמימנים שמכילים קשרי פחמן‪-‬פחמן כפולים‬ ‫נקראים אלקֵנים‪.‬‬ ‫‪ .1‬נוסחה מולקולרית ודרגת רוויה‬ ‫למדנו את הנוסחאות המולקולריות הכלליות הבאות‪:‬‬ ‫* אלקאן לא‪-‬ציקלי – ‪CnH2n+2‬‬ ‫* אלקאן ציקלי – ‪] CnH2n‬המבנה הציקלי מקטין ב‪ 2-‬את מספר המימנים בתרכובת‪[.‬‬ ‫הנוסחה המולקולרית הכללית עבור אלקן לא‪-‬ציקלי היא ‪ – CnH2n‬לאלקן חסרים ‪ 2‬מימנים בהשוואה לאלקאן בעל מספר פחמנים זהה‬ ‫בגלל הקשר הכפול‪ .‬אם כן‪ ,‬הנוסחה המולקולרית הכללית עבור אלקן ציקלי היא ‪.CnH2n-2‬‬ ‫כלל‪ :‬הנוסחה המולקולרית הכללית עבור פחמימן היא ‪, CnH2n+2‬‬ ‫מינוס ‪ 2‬מימנים עבור כל קשר ‪ π‬או טבעת במולקולה‪.‬‬ ‫מכאן נובע שמספיק לדעת את הנוסחה המולקולרית של פחמימן ע"מ לקבוע כמה טבעות או קשרי ‪ π‬הוא מכיל‪ ,‬היות ועבור כל ‪2‬‬ ‫מימנים חסרים מהנוסחה המולקולרית הכללית ‪ ,CnH2n+2‬לפחמימן יש קשר ‪ π‬או טבעת‪.‬‬ ‫לדוגמא‪ ,‬התרכובות ‪ C8H14‬זקוקה ל‪ 4-‬מימנים ע"מ להפוך ל‪ .(C8H2*8+2) C8H18 -‬על כן‪ ,‬התרכובת עלולה להכיל‪:‬‬ ‫‪ 2 .1‬קשרים כפולים‬ ‫‪ .2‬טבעת וקשר כפול‬ ‫‪ 2 .3‬טבעות‬ ‫‪ .4‬קשר משולש )קשר משולש מורכב מ‪ 2 -‬קשרי ‪π‬‬ ‫וקשר ‪(σ‬‬ ‫היות ואלקאנים מכילים את המספר המקסימלי האפשרי של קשרי ‪ ,C-H‬הם רוויים במימנים‪ ,‬ולכן נקראים פחמימנים רוויים‪.‬‬ ‫בניגוד לכך‪ ,‬אלקנים נקראים פחמימנים בלתי‪-‬רוויים משום שהם בעלי מספר נמוך מהמספר המקסימלי האפשרי של מימנים‪.‬‬ ‫המספר הכולל של קשרי ‪ π‬או טבעות באלקאן נקרא דרגת רוויה )‪.(degree of unsaturation‬‬ ‫‪ .2‬נומנקלטורה של אלקנים‬ ‫השם הסיסטמתי של אלקן מתקבל ע"י החלפת סיומת "‪ "ane‬בסיומת "‪ ."ene‬דוגמאות‪:‬‬ ‫‪Alkane → Alkene‬‬ ‫‪Ethane → Ethene‬‬ ‫‪Propane → Propene‬‬

‫רוב שמות האלקנים מכילים גם מספר המציין את מיקום הקשר הכפול‪ .‬בעת נתינת השם‪ ,‬מיושמים אותם כללים כמו שלמדנו‪:‬‬ ‫א‪ .‬השרשרת הארוכה ביותר ובה הקבוצה הפונקציונלית )=הקשר הכפול( ממוספרת כך שהקבוצה הפונקציונלית מקבלת את‬ ‫המספר הנמוך ביותר‪.‬‬ ‫‪-1‬בוטֵן‪ :‬הקשר הכפול נמצא בין הפחמן הראשון לפחמן השני‪.‬‬ ‫‪-2‬הקסֵן‪ :‬הקשר הכפול נמצא בין הפחמן השני לפחמן השלישי‪.‬‬ ‫לא לכל האלקנים יש שם רגיל )‪ (common‬משום שלעיתים השם הרגיל יכול לייצג ‪ 2‬מבנים אפשריים או יותר‪ .‬אין‬ ‫‪ butylene‬משום ששם זה יכול לייצג ‪1‬בוטן או ‪-2‬בוטן‪.‬‬ ‫‪1‬‬

‫ב‪ .‬שם המתמיר תמיד נרשם לפני שמה של השרשרת הארוכה ביותר המכילה את הקבוצה הפונקציונלית‪ ,‬ביחד עם מספר‬ ‫המציין את הפחמן אליו הוא קשור‪.‬‬

‫ג‪ .‬אם לשרשרת יותר ממתמיר אחד‪ ,‬המתמירים נרשמים בסדר ‪ ABC‬או עפ"י אותם חוקים שכבר למדנו )מתעלמים‬ ‫מקידומות ‪ di,tri,sec,tert‬אך לא מקידומות ‪ .(iso,neo,cyclo‬לכל מתמיר מוסיפים את המספר שמתאים לו‪.‬‬

‫ד‪ .‬אם הקבוצה הפונקציונלית מקבלת את אותו המספר משני הכיוונים‪ ,‬השם הנכון הוא השם שנותן לאחד המתמירים את המספר‬ ‫הנמוך ביותר‪.‬‬

‫ה‪ .‬באלקנים ציקלים‪ ,‬אין צורך להוסיף מספר לציון מיקום הקבוצה הפונקציונלית‪ ,‬משום שהטבעת תמיד ממוספרת כך שהקשר‬ ‫הכפול נמצא בין פחמנים ‪ 1‬ו‪.2-‬‬

‫בציקלוהקסֵנים‪ ,‬הקשר הכפול תמיד יימצא בין פחמן ‪ 1‬לבין פחמן ‪ ,2‬ללא תלות בכיוון המספור )בכיוון השעון או נגד כיוון‬ ‫השעון(‪ .‬לכן‪ ,‬נמספר את הטבעת כך שהשם ייתן את המספר הנמוך ביותר למיקום המתמיר ולא בכיוון שייתן את הסכום הנמוך‬ ‫ביותר של מספרי מתמירים‪.‬‬

‫ו‪ .‬אם שני הכיוונים נותנים אותו מספר לקבוצה הפונקציונלית ואותו מספר מינימלי עבור אחד או יותר מהמתמירים‪ ,‬אז הכיוון‬ ‫הנבחר הוא זה שייתן את המספר הנמוך ביותר למתמיר הבא‪.‬‬

‫פחמני ‪ sp2‬באלקן קרויים ‪.vinylic carbons‬‬ ‫פחמן ‪ sp3‬שאינו צמוד לפחמן ‪ vinylic‬נקרא ‪.allylic carbon‬‬ ‫שתי הקבוצות שמכילות את קשר פחמן‪-‬פחמן הכפול נמצאות בשם הרגיל‪-‬‬ ‫‪ – vinyl group‬הקבוצה הקטנה ביותר שמכילה ‪.vinylic carbon‬‬ ‫‪ – allyl group‬הקבוצה הקטנה ביותר שמכילה ‪.allylic carbon‬‬

‫‪2‬‬

‫‪ .3‬מבנה אלקֵנים‬ ‫המבנה של האלקן הקטן ביותר‪ ,‬אתֵן‪ ,‬כבר תואר בפרק ‪ .1‬לאלקנים אחרים יש מבנה דומה‪ -‬כל קשר כפול של אלקן מכיל ‪ 3‬אורביטלות‬ ‫‪ sp2‬שנמצאות במישור אחד ומרוחקות זו מזו בזווית של ‪ .120‬כל אורביטלת ‪ sp2‬חופפת לאורביטלה באטום אחר ויוצרת קשר ‪ .σ‬לכן‪,‬‬ ‫אחד מהקשרים בקשר הכפול הוא קשר ‪ ,σ‬הנוצר מחפיפת אורביטלת ‪ sp2‬של פחמן אחד עם אורביטלת ‪ sp2‬של הפחמן השני‪ .‬הקשר‬ ‫השני בקשר הכפול‪ ,‬קשר ‪ ,π‬נוצר כתוצאה מחפיפת צד אל צד של אורביטלות ‪ p‬הנותרות בפחמני ‪.sp2‬‬ ‫מאחר ושלוש נקודות במרחב יוצרות מישור‪ ,‬כל פחמן ‪ sp2‬ושני האטומים המחוברים אליו בקשר בודד‬ ‫נמצאים במישור אחד‪ .‬להשגת חפיפה מקסימלית‪ ,‬שתי אורביטלות ‪ p‬חייבות להיות‬ ‫מקבילות זו לזו‪ .‬לכן‪ ,‬כל ששת האטומים המעורבים בקשר הכפול נמצאים על אותו‬ ‫מישור‪.‬‬ ‫חשוב לזכור שקשרי ‪ π‬מייצגים ענן אלקטרונים שמצוי מעל ומתחת למישור המוגדר‬ ‫ע"י שני פחמני ‪ sp2‬וארבעת האטומים המחוברים אליהם‪.‬‬ ‫‪ .4‬איזומרי ציס‪/‬טרנס‬ ‫היות ושתי האורביטלות ‪ p‬אשר יוצרות את הקשר ‪ π‬חייבות להיות מקבילות )להשגת חפיפה מקסימלית(‪ ,‬רוטציה מסביב לקשר הכפול‬ ‫לא מתרחשת בקלות‪ .‬אם הרוטציה תתרחש‪ ,‬שתי האורביטלות ‪ p‬כבר לא יחפפו זו לזו וקשר ‪ π‬יישבר‪.‬‬ ‫מחסום אנרגטי לרוטציה סביב קשר פחמן‪-‬פחמן כפול‪:‬‬ ‫‪63 kcal/mol‬‬ ‫מחסום אנרגטי לרוטציה סביב קשר פחמן‪-‬פחמן בודד‪:‬‬ ‫‪2.9 kcal/mol‬‬ ‫בעקבות מחסום האנרגיה הגבוה לרוטציה סביב קשר פחמן‪-‬פחמן כפול‪ ,‬אלקן כגון ‪-2‬בוטן יכול להתקיים בשתי צורות ניכרות‪ :‬המימנים‬ ‫הקשורים לפחמני ‪ sp2‬יכולים להופיע באותו צד של הקשר הכפול או בצדדים מנוגדים‪.‬‬ ‫איזומר ציס – איזומר בו המימנים מצויים באותו צד של הקשר הכפול‪.‬‬ ‫איזומר טרנס – איזומר בו המימנים מצויים בצדדים מנוגדים של הקשר‬ ‫הכפול‪.‬‬ ‫זוג איזומרים כגון ציס‪-2-‬בוטן וטרנס‪-2-‬בוטן קרויים איזומרי ציס‪/‬טרנס‬ ‫או איזומרים גיאומטריים‪.‬‬ ‫איזומרי ציס‪/‬טרנס הם תרכובות בעלות אותה נוסחה מולקולרית שנבדלות באופן בו אטומיהן מסודרים במרחב‪.‬‬ ‫אם אחד מפחמני ‪ sp2‬של הקשר הכפול מחובר ל‪ 2-‬מתמירים זהים‪ ,‬יש‬ ‫רק מבנה אפשרי אחד לאלקן‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬איזומרי ציס‪/‬טרנס אינם‬ ‫אפשריים עבור אלקן בו ‪ 2‬מתמירים זהים מחוברים לאחד מפחמני הקשר‬ ‫הכפול‪.‬‬ ‫לאור המחסום האנרגטי לרוטציה סביב הקשר הכפול‪ ,‬איזומרי ציס‪/‬טרנס אינם מחליפים צורתם בקלות )רק תנאים קיצוניים מאפשרים‬ ‫התגברות מעל מחסום האנרגיה ושבירת קשר ‪ .(π‬מכאן נובע שניתן להפריד בין ‪ 2‬האיזומרים‪ .‬כלומר‪ ,‬שני האיזומרים הם שתי‬ ‫תרכובות שונות בעלות תכונות פיזיקליות שונות )כגון נקודת רתיחה או מומנט דיפול(‪.‬‬ ‫שימו לב‪ :‬טרנס‪-2-‬בוטן וטרנס‪-1,2-‬דיכלורואתן בעלי מומנט דיפול אפס משום שדיפולי הקשרים מבטלים זה את זה‪.‬‬

‫איזומרי ציס‪/‬טרנס יכולים להמיר צורתם ללא מגיב נוסף כאשר המולקולה סופגת מספיק אנרגיית חום או אנרגיית אור לשבירת קשר‬ ‫ה‪ ,π -‬מאחר ושבירת קשר ה‪ π -‬מאפשרת את הרוטציה סביב קשר ‪ σ‬שנותר‪.‬‬ ‫המרת איזומר ציס לאיזומר טרנס )או להיפך( אינה אפשרית‪ ,‬אם כן‪ ,‬בתנאי‬ ‫מעבדה רגילים‪.‬‬ ‫‪3‬‬

‫‪ .5‬נומנקלטורה של שיטת ‪Z,E‬‬ ‫כל עוד כל אחד מפחמני ‪ sp2‬של אלקן מחובר למתמיר אחד בלבד‪ ,‬ניתן להשתמש במושגי ציס‪/‬טרנס‬ ‫ע"מ לתאר את מבנה האלקן‪.‬‬ ‫אמנם כיצד מתארים את מבנה התרכובת ‪-1‬ברומו‪-2-‬כלורופרופן ?‬ ‫בתרכובת מסוג זה לא נוכל להשתמש בנומנקלטורה ציס‪/‬טרנס היות ויש ‪ 4‬מתמירים שונים על שני פחמני הקשר הכפול‪.‬‬ ‫לשם כך הומצאה נומנקלטורה ‪.Z,E‬‬ ‫ע"מ לתת לאיזומר שם בשיטת ‪ ,Z,E‬יש לקבוע תחילה את סדר העדיפויות היחסי של שתי הקבוצות המחוברות לאחד מפחמני ה‪,sp2 -‬‬ ‫ואז את סדר העדיפויות של שתי הקבוצות המחוברות לפחמן ‪ sp2‬השני‪.‬‬ ‫אם שתי הקבוצות בעלות העדיפות העליונה מצויות באותו צד של הקשר הכפול‪ -‬האיזומר הוא איזומר ‪.Z‬‬ ‫אם שתי הקבוצות בעלות העדיפות העליונה מצויות בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול‪ -‬האיזומר הוא איזומר ‪.E‬‬

‫כללים לקביעת סדר העדיפויות‪:‬‬ ‫א‪ .‬סדר העדיפויות של שתי הקבוצות תלוי במספרים האטומיים של האטומים המחוברים ישירות‬ ‫לפחמן ‪ .sp2‬ככל שהמספר האטומי גבוה יותר‪ ,‬העדיפות גבוהה יותר‪.‬‬ ‫* בפחמן אחד‪ :‬ל‪ Br -‬מספר אטומי גבוה מאשר ל‪ ,H -‬ולכן הוא בעל עדיפות עליונה‪.‬‬ ‫* בפחמן שני‪ :‬ל‪ Cl -‬מספר אטומי גבוה מאשר ל‪ ,C -‬ולכן הוא בעל עדיפות עליונה‪.‬‬ ‫)שימו לב שהתייחסנו אך ורק לאטום ‪ C‬המחובר לפחמן ‪ sp2‬ולא למסה הכוללת של הקבוצה ‪ ,CH3‬משום שהעדיפות מבוססת על‬ ‫האטום המחובר ישירות לפחמן ולא על מסת הקבוצה‪(.‬‬ ‫האיזומר השמאלי מכיל ‪ 2‬קבוצות בעלות עדיפות עליונה המצויות באותו צד של הקשר הכפול ולכן הוא איזומר ‪Z groups are on ) Z‬‬ ‫‪ .(zee zame zide‬באיזומר הימני הקבוצות בעלות העדיפות העליונה נמצאות בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול ולכן הוא איזומר ‪.E‬‬ ‫ב‪ .‬אם שני המתמירים המחוברים לפחמן ‪ sp2‬מתחילים באותו אטום )"יש תיקו"(‪ ,‬מדלגים לאטום הבא ומתייחסים למספרים האטומיים‬ ‫של כל האטומים המחוברים לו‪.‬‬ ‫* בפחמן אחד‪ :‬ל‪ Cl -‬יש מספר אטומי גבוה מ‪ ,C -‬ולכן הוא בעל עדיפות עליונה‪.‬‬ ‫* בפחמן שני‪ :‬שני המתמירים מחוברים לפחמן הקשר ע"י אטום ‪ -C‬אחד מקבוצת‬ ‫‪ CH2OH‬והשני מקבוצת ‪ ,CH(CH3)2‬כלומר יש תיקו‪.‬‬ ‫‬‫‪-‬‬

‫פחמן ‪ C‬שמקורו בקבוצת ‪ CH2OH‬מחובר ל‪O,H,H -‬‬ ‫פחמן ‪ C‬שמקורו בקבוצת ‪ CH(CH3)2‬מחובר ל‪C,C,H -‬‬

‫מששת אטומים אלו‪ ,‬ל‪ O-‬יש את המספר האטומי הגבוה ביותר ולכן ל‪ CH2OH -‬יש עדיפות עליונה על פני ‪.CH(CH3)2‬‬ ‫)שימו לב‪ ,‬לא מחברים את המספרים האטומיים! בוחרים באטום בודד בעל המספר האטומי הגבוה ביותר‪(.‬‬ ‫ג‪ .‬אם אטום מחובר בקשר כפול לאטום אחר‪ -‬שיטת סדר העדיפויות מתייחסת אליו כאילו היה מחובר בקשר בודד לשני אטומים מאותו‬ ‫סוג‪ .‬אם הוא מחובר בקשר משולש לאטום אחר‪ ,‬שיטת סדר העדיפויות מתייחסת אליו כאילו היה מחובר בקשר בודד לשלושה אטומים‬ ‫מאותו סוג‪.‬‬

‫שני אטומי הקשר מחוברים לפחמנים‪ -‬כלומר יש תיקו‪.‬‬ ‫‪4‬‬

‫בפחמן ‪ sp2‬אחד יש‪:‬‬ ‫ פחמן שמקורו ב‪ CH2CH3 -‬המחובר ל‪H,H,C -‬‬‫ פחמן שמקורו ב‪ CH=CH2 -‬המחובר ל‪] H,C,C -‬עפ"י כלל ‪[3‬‬‫‪ C‬ו‪ C -‬מבטלים זה את זה‪ ,‬כך שנותרת תחרות בין ‪ H,H‬ובין ‪ .H,C‬משום ש‪ C-‬בעל המספר האטומי הגבוה ביותר‪ ,‬ל‪ CH=CH2 -‬יש‬ ‫עדיפות עליונה על פני ‪.CH2CH3‬‬ ‫בפחמן ‪ sp2‬השני יש‪:‬‬ ‫ פחמן שמקורו ב‪ HC≡C -‬המחובר ל‪C,C,C -‬‬‫ פחמן שמקורו ב‪ HOCH2 -‬המחובר ל‪O,H,H -‬‬‫מששת האטומים הנ"ל‪ ,‬ל‪ O-‬יש את המספר האטומי הגבוה ביותר ולכן לקבוצה ‪ CH2OH‬יש עדיפות עליונה על פני ‪.HC≡C‬‬ ‫ד‪ .‬במקרה של איזוטופים )אטומים בעלי מספר אטומי זהה אך מספר מסה שונה( משתמשים במספר המסה ע"מ לקבוע עדיפות יחסית‪.‬‬ ‫בדוגמא‪ :‬ל‪ D-‬ול‪ H-‬יש את אותו המספר האטומי‪ ,‬אך ל‪ D-‬יש מספר מסה גבוה יותר ולכן ל‪ D-‬יש עדיפות עליונה על פני ‪.H‬‬ ‫‬‫‪-‬‬

‫פחמן שמקורו ב‪ CH(CH3)2 -‬מחובר ל‪H,C,C -‬‬ ‫פחמן שמקורו ב‪ CH=CH2 -‬מחובר ל‪H,C,C -‬‬

‫לכן עוברים לאטום הבא‪:‬‬ ‫‬‫‪-‬‬

‫הפחמן השני בקבוצה ‪ CH(CH3)2‬מחובר ל‪H,H,H -‬‬ ‫הפחמן השני בקבוצה ‪ CH=CH2‬מחובר ל‪C,H,H -‬‬

‫מכאן נובע של‪ CH=CH2 -‬יש עדיפות עליונה על פני ‪.CH(CH3)2‬‬ ‫שימו לב‪ :‬בפחמן השני לא התייחסנו לאטום המקורי ממנו התחלנו‪ ,‬המחובר לפחמן השני בקשר ‪ .σ‬למרות זאת‪ ,‬כאשר היה קשר כפול‪,‬‬ ‫כן התייחסנו לאטום המחובר בקשר ‪ π‬לאטום ממנו התחלנו‪ .‬גם במקרה של קשר משולש מתייחסים לאטומים המחוברים בקשרי ‪.π‬‬ ‫‪ .6‬כיצד אלקֵנים מגיבים?‬ ‫תרכובות אורגניות מתחלקות למשפחות‪ ,‬וכל חברי המשפחה מגיבים באופן זהה‪ .‬משפחתה של התרכובת האורגנית נקבעת עפ"י‬ ‫הקבוצה הפונקציונלית‪ -‬היחידה המבנית שמתפקדת כמרכז התגובתיות )‪ (reactivity‬של המולקולה‪.‬‬ ‫אנו כבר מכירים את הקבוצה הפונקציונלית של אלקֵן –‬ ‫קשר פחמן‪-‬פחמן כפול‪.‬‬ ‫כל התרכובות המכילות קשר פחמן‪-‬פחמן כפול מגיבות בדרכים דומות‪,‬‬ ‫בין אם התרכובת היא מולקולה קטנה כגון אתֵן‪ ,‬ובין אם היא מולקולה‬ ‫גדולה כגון כולסטרול‪.‬‬ ‫ע"מ להקל על מלאכת שינון התגובות‪ ,‬רצוי להבין מדוע הקבוצה‬ ‫הפונקציונלית מגיבה באופן שהיא מגיבה‪.‬‬ ‫לא מספיק לדעת שתרכובת בעלת קשר פחמן‪-‬פחמן כפול מגיבה עם ‪ HBr‬ובתוצר הסופי יופיעו אטומי ‪ H‬ו‪ Br-‬במקום קשר ‪.π‬‬ ‫יש להבין מדוע התרכובת מגיבה עם ‪.HBr‬‬ ‫בפרק זה נלמד מדוע טבעה של הקבוצה הפונקציונלית מאפשר לנו לנבא כיצד התרכובת תגיב ואילו ריאקציות יתרחשו‪.‬‬ ‫כך‪ ,‬כאשר נתמודד מול ריאקציה חדשה‪ ,‬נוכל להשתמש בידע שלנו כיצד משפיע המבנה על תגובתיות המולקולה ע"מ לנבא את תוצר‬ ‫הריאקציה‪.‬‬ ‫בתמצית‪ -‬כימיה אורגנית עוסקת באינטראקציות בין אטומים או מולקולות עשירים באלקטרונים לבין אטומים או מולקולות עניים‬ ‫באלקטרונים‪ .‬הודות לכוחות משיכה אלו מתרחשת הריאקציה‪.‬‬ ‫כלל‪ :‬אטומים‪/‬מולקולות עשירים באלקטרונים נמשכים לאטומים‪/‬מולקולות עניים אלקטרונים‪.‬‬ ‫כל פעם שנלמד כיצד קבוצה פונקציונלית חדשה מגיבה‪ ,‬יש לזכור שההסבר לכך נעוץ תמיד בכלל פשוט זה‪.‬‬ ‫‪5‬‬

‫ע"מ להבין כיצד קבוצה פונקציונלית מגיבה‪ ,‬יש ללמוד לזהות תחילה אטומים‪/‬מולקולות עניים באלקטרונים ואטומים‪/‬מולקולות‬ ‫עשירים באלקטרונים‪.‬‬ ‫אלקטרופיל‪ -‬אטום‪/‬מולקולה עניים באלקטרונים‪.‬‬ ‫אלקטרופיל יכול להכיל‪:‬‬ ‫• אטום המסוגל לקלוט זוג אלקטרונים או‬ ‫• אטום בעל אלקטרון בודד שזקוק לאלקטרון נוסף להשלמת האוקטט שלו‪.‬‬ ‫לכן‪ ,‬אלקטרופיל מחפש אלקטרונים‪ ,‬הוא "אוהב אלקטרונים" )"אלקטרו"‪-‬אלקטרון‪" ,‬פיל"‪-‬אוהב(‪.‬‬ ‫נוקליאופיל‪ -‬אטום‪/‬מולקולה עשירים באלקטרונים‪.‬‬ ‫לנוקליאופיל זוג אלקטרונים שהוא יכול לשתף‪ .‬חלק מהנוקליאופילים נייטרלים וחלקם‬ ‫טעונים שלילית‪.‬‬ ‫מאחר והאלקטרופיל מחפש אלקטרונים‪ ,‬ולנוקליאופיל יש אלקטרונים שהוא יכול לשתף‪ ,‬אין זו הפתעה שהם נמשכים אחד לשני‪.‬‬ ‫כעת ניתן לקצר את הכלל‪ :‬נוקליאופיל מגיב עם אלקטרופיל‪.‬‬ ‫משום שאלקטרופיל מקבל זוג אלקטרונים הוא קרוי לעיתים "חומצת לואיס"‪ ,‬ונוקליאופיל לו יש אלקטרונים לשתף קרוי "בסיס‬ ‫לואיס"‪.‬‬ ‫ראינו כבר שקשר ‪ π‬חלש יותר מקשר ‪) σ‬פרק ‪ .(1‬קשר ‪ ,π‬אם כן‪ ,‬הוא הקשר שניתן לשבור בקלות רבה יותר כאשר אלקן משתתף‬ ‫בריאקציה‪ .‬כמוכן ראינו כי קשר ‪ π‬של אלקן מכיל ענן אלקטרונים מעל ומתחת לקשר ‪ .σ‬הודות לענן זה‪ ,‬האלקן הוא מולקולה עשירה‬ ‫באלקטרונים‪ ,‬כלומר נוקליאופיל‪.‬‬ ‫לאור זאת‪ ,‬נוכל לנבא כי אלקן יגיב עם אלקטרופיל‪ ,‬ובתהליך זה ישבר קשר ‪ .π‬לכן‪ ,‬אם נוסיף לאלקן מגיב כגון ‪ HBr‬לדוגמא‪ ,‬האלקן‬ ‫יגיב עם המימן הטעון חיובית חלקית וליצירת קרבוקטיון‪ .‬בשלב השני של הריאקציה‪ ,‬הקרבוקטיון הטעון חיובית )=אלקטרופיל( יגיב‬ ‫עם יון הברומיד הטעון שלילית חלקית )=נוקליאופיל( ליצירת אלקיל הליד‪.‬‬

‫תיאור מדוקדק יותר של התהליך בו המגיבים )האלקן ו‪ (HBr -‬הופכים לתוצרים )אלקיל הליד( נקרא המכניזם של הריאקציה‪.‬‬ ‫ע"מ לעזור לנו להבין את המכניזם‪ ,‬מציירים חצים מעוגלים במטרה להראות כיצד נעים האלקטרונים ובכך יוצרים קשרים קוולנטים‬ ‫חדשים או שוברים קשרים קוולנטים קיימים‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬החצים המעוגלים מראים לנו אלו קשרים נוצרים ולאלו קשרים נשברים‪.‬‬ ‫היות והחצים המעוגלים מייצגים תנועה של אלקטרונים‪ ,‬הם משורטטים מאזור עשיר באלקטרונים )זנב החץ( לאזור עני באלקטרונים‬ ‫)ראש החץ(‪.‬‬ ‫הוא מייצג תנועה בו זמנית של ‪ 2‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫אם לראש החץ ‪ 2‬צ'ופצ'יקים‬ ‫הוא מייצג תנועה של אלקטרון אחד‪.‬‬ ‫אם לראש החץ צ'ופצ'יק אחד‬ ‫החצים הם חצים מעוגלים )‪ (curved‬לשם הבדלה בינם לבין חצים ישרים המחברים בין מגיבים לתוצרים בריאקציות כימיות‪.‬‬ ‫בריאקציה → מצויר חץ המראה כי ‪ 2‬אלקטרונים של קשר ה‪ π -‬באלקן‬ ‫נמשכים למימן הטעון חיובית חלקית ב‪ .HBr -‬המימן‪ ,‬אמנם‪ ,‬אינו חופשי‬ ‫לקבל את זוג האלקטרונים משום שהוא כבר קשור לברום‪ ,‬והרי מימן יכול‬ ‫להתחבר רק לאטום אחד‪ .‬לכן‪ ,‬ככל שאלקטרוני ה‪ π -‬של האלקן מתקדמים לעבר המימן‪ ,‬הקשר ‪ H-Br‬נשבר‪ ,‬כאשר הברום שומר על‬ ‫האלקטרונים שקשרו בינו לבין המימן‪ .‬שימו לב כי אלקטרוני ‪ π‬נמשכים הרחק מפחמן אחד‪ ,‬אך נותרים מחוברים לפחמן השני‪ .‬כך‪,‬‬ ‫שני האלקטרונים שיצרו קודם לכן את קשר ‪ π‬יוצרים כעת קשר ‪ σ‬בין פחמן למימן שמקורו ב‪.HBr -‬‬ ‫התוצר בשלב ראשון זה הוא קרבוקטיון‪ ,‬משום שפחמן ‪ sp2‬שלא יצר קשר חדש עם מימן‪ ,‬אינו קשור יותר לזוג אלקטרוני ה‪π -‬‬ ‫המקוריים‪ ,‬ולכן טעון חיובית‪.‬‬ ‫בשלב השני של הריאקציה‪ ,‬זוג אלקטרונים ביון הברומיד הטעון שלילית יוצר קשר עם הפחמן הטעון חיובית בקרבוקטיון‪.‬‬

‫שימו לב‪ :‬שני שלבי הריאקציה מהווים למעשה תגובה בין אלקטרופיל לנוקליאופיל!‬ ‫‪6‬‬

‫על בסיס הידע שצברנו‪:‬‬ ‫‪ .1‬אלקטרופיל מגיב עם נוקליאופיל‬ ‫‪ π .2‬הוא הקשר החלש ביותר באלקן‬ ‫יכלנו לנבא כי תוצר הריאקציה בין ‪-2‬בוטן לבין ‪ HBr‬יהיה ‪-2‬ברומובטאן‪.‬‬ ‫בכלליות‪ ,‬הריאקציה כוללת סיפוח של ‪ 1‬מול ‪ HBr‬ל‪ 1-‬מול אלקן ועל כן נקראת ריאקצית סיפוח‪.‬‬ ‫היות והשלב הראשון של הריאקציה כולל סיפוח של אלקטרופיל ‪ H+‬לאלקן‪ ,‬השם המדויק יותר של הריאקציה הינו‪:‬‬ ‫ריאקצית סיפוח אלקטרופיל‪ .‬ריאקציות מסוג זה אופייניות לאלקנים‪.‬‬ ‫עוד כמה דברים על חצים מעוגלים‪...‬‬ ‫‪ .1‬חצים מעוגלים מציינים תנועה של אלקטרונים‪ ,‬לא של אטומים‪.‬‬ ‫‪ .2‬יש לוודא כי החצים מצוירים בכיוון תנועת האלקטרונים ולעולם לא בכיוון ההפוך‪.‬‬ ‫החץ תמיד ישורטט הרחק ממטען שלילי‪/‬לכיוון מטען חיובי‪.‬‬ ‫‪ .3‬החץ מתחיל במקור האלקטרונים‪ ,‬ולא באטום‪.‬‬

‫‪ .7‬תרמודינמיקה וקינטיקה‬ ‫לפני שנלמד על שינויי האנרגיה המתרחשים בריאקציה כגון סיפוח ‪ HBr‬לאלקן‪ ,‬עלינו להבין תחילה את עקרונות התרמודינמיקה‬ ‫שעוסקת בתיאור הריאקציה שבשיווי משקל‪ ,‬ועקרונות הקינטיקה שעוסקת בקצב הריאקציות הכימיות‪.‬‬ ‫למה הכוונה? בריאקציה בה ‪ Y‬הופך ל‪ , ,Z -‬התרמודינמיקה של הריאקציה מתארת את הכמויות היחסיות של ‪ Z,Y‬כאשר התגובה‬ ‫הגיעה לשיווי משקל‪ ,‬בעוד שהקינטיקה של הריאקציה מתארת כמה מהר הפך ‪ Y‬ל‪.Z-‬‬ ‫‪Reaction Coordinate Diagrams‬‬ ‫המכניזם של הריאקציה מתאר את השלבים השונים שמתרחשים כאשר מגיבים הופכים לתוצרים‪.‬‬ ‫‪ Reaction coordinate diagrams‬מייצגים את שינויי האנרגיה המתרחשים בכל אחד משלבי המכניזם‪ .‬בדיאגרמה זו‪ ,‬סך האנרגיה‬ ‫של כל המשתתפים בריאקציה מיוצג לאורך התקדמות התגובה‪ .‬ריאקציה מתקדמת משמאל לימין‪ ,‬כמו במשוואה כימית‪ ,‬כלומר‬ ‫האנרגיה של המגיבים מופיעה בצד השמאלי של ציר ה‪ X-‬והאנרגיה של התוצרים מופיע‬ ‫בצד הימיני‪.‬‬ ‫בדוגמא מופיעה דיאגרמה של הריאקציה‪:‬‬ ‫זכרו כי ככל שהחומר יציב יותר‪ ,‬האנרגיה שלו נמוכה יותר‪.‬‬ ‫בזמן שהמגיבים הופכים לתוצרים‪ ,‬הריאקציה עוברת דרך מצב שנקרא "שלב המעבר"‬ ‫)‪ (transition state‬בו סך האנרגיה הנו הגבוה ביותר בתגובה‪ .‬המבנה של המולקולה‬ ‫בשלב המעבר נע בין המבנה של המגיבים לבין המבנה של התוצרים‪ .‬קשרים שישברו וקשרים שיווצרו במהלך הריאקציה נשברים‬ ‫ונוצרים באופן חלקי בשלב זה‪ .‬קווים מקווקווים מייצגים את הקשרים החלקיים הללו‪.‬‬ ‫תרמודינמיקה‬ ‫התחום בכימיה בו מתוארות תכונותיה של מערכת בשיווי משקל נקרא תרמודינמיקה‪ .‬את הריכוזים היחסיים של מגיבים ותוצרים‬ ‫בש"מ מביעים בעזרת קבוע ש"מ – ‪.Keq‬‬ ‫קבוע ש"מ הוא‪:‬‬ ‫להזכירכם בתגובה‪:‬‬ ‫הריכוז היחסי של המגיבים והתוצרים בש"מ תלוי ביציבות היחסית שלהם‪ :‬ככל שהתרכובת יציבה יותר‪ ,‬ריכוזה בש"מ יהיה גבוה יותר‪.‬‬ ‫כך‪ ,‬אם התוצרים יציבים יותר )בעלי אנרגיה חופשית נמוכה יותר( מאשר המגיבים‪ ,‬ריכוז התוצרים בש"מ יהיה גבוה מריכוז המגיבים‪,‬‬ ‫וקבוע ש"מ ‪ Keq‬יהיה גדול מ‪ .1-‬מצד שני‪ ,‬אם המגיבים יציבים יותר מהתוצרים‪ ,‬ריכוז המגיבים בש"מ יהיה גבוה מריכוז התוצרים‪,‬‬ ‫וקבוע ש"מ ‪ Keq‬יהיה קטן מ‪.1-‬‬ ‫ישנם פרמטרים תרמודינמיים שונים לתיאור ריאקציה‪ .‬ההפרש בין האנרגיה החופשית של התוצרים לבין האנרגיה החופשית של‬ ‫המגיבים קרוי )‪ . Gibbs free-energy change (∆G°‬הסימן ‪ °‬מציין תנאים סטנדרטים‪ ,‬כלומר כל החומרים בריכוז ‪,1M‬‬ ‫ובטמפרטורה ‪ 25°C‬ובלחץ של ‪.1 atm‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪) = ∆G°‬אנרגיה חופשית של המגיבים( – )אנרגיה חופשית של התוצרים(‬ ‫ממשוואה זו ניתן לראות כי ‪ ∆G°‬יהיה שלילי אם לתוצרים יש‬ ‫אנרגיה חופשית נמוכה מזו של המגיבים )כלומר התוצרים יציבים‬ ‫יותר מהמגיבים(‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬כמות האנרגיה שהריאקציה‬ ‫תשחרר תהיה גבוהה מכמות האנרגיה שהריאקציה תקלוט‪ .‬זו תהיה‬ ‫תגובה אקסוגנית‪ .‬אם לתוצרים יש אנרגיה חופשית גבוהה מזו של‬ ‫המגיבים )כלומר התוצרים יציבים פחות מהמגיבים( אז ‪ ∆G°‬יהיה‬ ‫חיובי‪ ,‬והריאקציה תקלוט יותר אנרגיה מאשר תשחרר‪ .‬הריאקציה‬ ‫תהיה תגובה אנדוגנית‪] .‬שימו לב‪ ,‬המונחים אקסוגנית ואנדוגנית‬ ‫מסמלים ‪ ∆G°‬שלילי או חיובי בהתאמה‪ .‬נא לא להתבלבל עם‬ ‫אנדותרמי ואקסותרמי‪[.‬‬ ‫לסיכום‪ :‬ניתן לציין האם יועדפו המגיבים בש"מ או שמא התוצרים ע"י קבוע ש"מ ‪ Keq‬או ע"י השינוי באנרגיה החופשית ‪. ∆G°‬‬ ‫)‪-R‬קבוע גזים‪-T ,‬טמפ' בקלווין(‬ ‫הקשר בין שני פרמטרים אלו ניתן במשוואה‪:‬‬ ‫השינוי באנרגיה החופשית ‪ ∆G°‬בעל רכיב אנתלפיה ‪ ∆H°‬ורכיב אנתרופיה ‪.∆S°‬‬

‫‪∆G° = ∆H° – T∆S°‬‬

‫אנתלפיה ‪ ∆H°‬היא כמות החום שנקלט או נפלט במהלך הריאקציה‪ .‬אטומים מוחזקים יחדיו ע"י קשרים‪ .‬חום נפלט כאשר קשרים‬ ‫נוצרים‪ ,‬והוא נקלט כאשר קשרים נשברים‪ .‬לכן‪ ∆H° ,‬הוא מדד לתהליכי היווצרות קשרים או תהליכי שבירת קשרים שמתרחשים‬ ‫כאשר המגיבים הופכים לתוצרים‪.‬‬ ‫‪) = ∆H°‬אנרגיה של הקשרים שנוצרים( – )אנרגיה של הקשרים שנשברים(‬ ‫אם הקשרים שנוצרים בריאקציה חזקים מהקשרים שנשברים‪ ,‬יותר אנרגיה תשוחרר כתוצאה מהיווצרות הקשרים מאשר תיקלט‬ ‫כתוצאה משבירת הקשרים‪ ,‬ו‪ ∆H° -‬יהיה שלילי‪ .‬ריאקציה בעלת ‪ ∆H°‬שלילי נקראת ריאקציה אקסותרמית‪ .‬אם הקשרים שנוצרים‬ ‫חלשים מאלו שנשברו‪ ∆H° ,‬יהיה חיובי‪ ,‬והריאקציה תיקרא ריאקציה אנדותרמית‪.‬‬ ‫אנתרופיה ‪ ∆S°‬מוגדרת כמידת אי הסדר‪ .‬אנתרופיה היא מדד לחופשיות התנועה של המערכת‪ .‬הגבלת חופש התנועה של מולקולה‬ ‫מקטינה את האנתרופיה‪ .‬לדוגמא‪ ,‬בריאקציה בה ‪ 2‬מולקולות מתחברות ליצירת מולקולה אחת‪ ,‬האנתרופיה של התוצר תהיה נמוכה‬ ‫מהאנתרופיה של המגיבים מכיוון ששתי מולקולות בודדות יכולות לנוע בדרכים שאינן אפשריות כאשר הן צמודות יחד במולקולה‬ ‫אחת‪ .‬בריאקציה מסוג זה‪ ∆S° ,‬יהיה שלילי‪ .‬בריאקציה בה מולקולה אחת מתפרקת לשתי מולקולות‪ ,‬לתוצרים יהיה יותר חופש תנועה‬ ‫מאשר למגיב‪ ,‬ו‪ ∆S°-‬יהיה חיובי‪.‬‬ ‫‪) = ∆S°‬חופש תנועה של המגיבים( – )חופש תנועה של התוצרים(‬ ‫ריאקציה עם ‪ ∆G°‬שלילי היא בעלת קבוע ש"מ מועדף )‪ ,(1
‫הביטוי ‪ DH°‬מייצג את אנרגיית שבירת הקשר‪ .‬בפרק ‪ 2‬ראינו כי‬ ‫המחסום לרוטציה סביב קשר ‪ π‬של א ֵתן הוא ‪ .63 kcal/mol‬במילים‬ ‫אחרות‪ ,‬נדרשים ‪ 63 kcal/mol‬לשבור את קשר ‪.π‬‬ ‫הערך ‪ , -20 kcal/mol‬המחושב ע"י חיסור ‪ ∆H°‬עבור הקשרים‬ ‫שנוצרים מ‪ ∆H°-‬עבור הקשרים שמפורקים‪ ,‬מעיד כי הוספה של ‪HBr‬‬ ‫לאתֵן היא תגובה אקסותרמית‪ .‬האם הדבר מעיד על כך ש‪∆G° -‬‬ ‫שלילי גם כן? האם התגובה היא גם אקסותרמית וגם אנדוגנית? מאחר‬ ‫ול‪ ∆H°-‬ערך שלילי משמעותי )‪ ,(-20 kcal/mol‬סביר להניח כי‬ ‫‪ ∆G°‬שלילי אף הוא‪ .‬אם ערכי ‪ ∆H°‬היו קרובים לאפס‪ ,‬הנחה זו לא‬ ‫היתה קבילה‪.‬‬ ‫זכרו כי אנו מניחים ‪ 2‬דברים כאשר אנו משתמשים בערכי ‪ ∆H°‬לנבא ערכי ‪:∆G°‬‬ ‫‪ (1‬שינוי האנתרופיה כ"כ קטן‪ ,‬כך שהביטוי ‪ T∆S°‬שואף לאפס ולכן הערך ‪ ∆H°‬קרוב מאד לערך ‪.∆G°‬‬ ‫‪ (2‬הריאקציה מתרחשת בפאזה גזית‪.‬‬ ‫כאשר ריאקציות מתרחשות בתמיסה‪ ,‬שזהו המקרה השכיח בקרב תגובות אורגניות‪,‬‬ ‫מולקולות הממס יכולות להגיב הן עם המגיבים והן עם התוצרים‪ .‬מולקולות ממס פולריות‬ ‫מתרכזות סביב מטען )בין אם הוא מלא או חלקי( על מגיב או תוצר‪ ,‬כך שהקטבים‬ ‫השליליים של מולקולות הממס מקיפים את המטען החיובי‪ ,‬והקטבים החיוביים של‬ ‫מולקולות הממס מקיפים את המטען השלילי‪ .‬התגובה בין ממס לחומר )מולקולה או יון(‬ ‫בתמיסה נקראת המסה )‪.(solvation‬‬ ‫להמסה יש השפעה אדירה על ה‪ ∆H° -‬ועל ה‪ ∆S° -‬של ריאקציה‪.‬‬ ‫לדוגמא‪ ,‬בריאקציה בה מגיב פולרי מומס‪ ,‬יש לקחת בחשבון את ה‪ ∆H° -‬עבור שבירת הקשרים הבין‪-‬מולקולריים )דיפול‪-‬דיפול( בין‬ ‫הממס למגיב‪ .‬באופן דומה‪ ,‬בריאקציה בה התוצר הפולרי מומס‪ ,‬יש לקחת בחשבון את ה‪ ∆H° -‬עבור היווצרות קשרי דיפול‪-‬דיפול בין‬ ‫התוצר לממס‪ .‬בנוסף‪ ,‬המסה של מגיב פולרי או תוצר פולרי ע"י ממס פולרי יכולה להקטין באופן משמעותי את חופש התנועה של‬ ‫מולקולות הממס‪ ,‬והדבר ישפיע כמובן על ערך ‪. ∆S°‬‬ ‫קינטיקה‬ ‫נתון כגון תגובה אנדוגנית או אקסוגנית אינו מספיק ע"מ לקבוע באיזו מהירות תתרחש הריאקציה‪ ,‬משום ש‪ ∆G° -‬מייצג רק את‬ ‫ההפרש בין יציבות המגיבים לבין יציבות התוצרים‪ .‬הוא אינו מציין דבר על מחסום האנרגיה של הריאקציה‪ ,‬שהוא ה"גבעה" האנרגטית‬ ‫שיש לטפס לשם הפיכת המגיבים לתוצרים‪ .‬ככל שהמחסום גבוה יותר‪ ,‬התגובה איטית יותר‪ .‬קינטיקה היא התחום בכימיה שחוקר את‬ ‫קצב התגובות הכימיות והגורמים שמשפיעים על קצב זה‪.‬‬ ‫מחסום האנרגיה של תגובה‪ ,‬המסומן ע"י ‡‪ ,∆G‬נקרא אנרגיית שפעול או האנרגיה החופשית של אקטיבציה‪ .‬ערך זה הוא ההפרש‬ ‫בין האנרגיה החופשית של שלב המעבר לבין האנרגיה החופשית של המגיבים‪.‬‬ ‫‡‪) = ∆G‬אנרגיה חופשית של מגיבים( – )אנרגיה חופשית בשלב מעבר(‬ ‫ככל ש‪ ∆G‡ -‬קטן יותר‪ ,‬הריאקציה מהירה יותר‪ .‬לכן‪ ,‬כל דבר שיקטין את יציבות המגיב או יגדיל את יציבות שלב המעבר גורם‬ ‫להגברת קצב הריאקציה‪.‬‬ ‫‡‬ ‫בדומה ל‪ ,∆G° -‬ל‪ ∆G‡ -‬יש רכיב אנתלפיה ורכיב אנתרופיה‪ .‬כל גודל שמתייחס לשלב המעבר מיוצג ע"י הסימן ‪.‬‬

‫‡‪∆G‡ = ∆H‡ – T∆S‬‬ ‫‡‪) = ∆H‬אנתלפיה של מגיבים( – )אנתלפיה בשלב מעבר(‬ ‫‡‪) = ∆S‬אנתרופיה של מגיבים( – )אנתרופיה בשלב מעבר(‬ ‫לחלק מהתגובות האקסוגניות יש אנרגיית שפעול נמוכה ולכן הן יכולות‬ ‫להתרחש בטמפרטורת החדר )דוגמא ‪ .(a‬בניגוד לכך‪ ,‬ישנן תגובות‬ ‫אקסוגניות בעלות אנרגיית שפעול כ"כ גבוהה כך שהריאקציה אינה יכולה‬ ‫להתרחש ללא תוספת אנרגיה מעבר לזו שמוענקת בתנאים התרמיים‬ ‫הקיימים )דוגמא ‪ .(b‬תגובות אנדוגניות גם כן יכולות להיות בעלי אנרגיות‬ ‫שפעול נמוכות או גבוהות )דוגמאות ‪ c‬ו‪ d -‬בהתאמה(‪.‬‬

‫‪9‬‬

‫שימו לב כי ‪ ∆G°‬מתייחס לקבוע ש"מ של הריאקציה‪ ,‬בעוד ש‪ ∆G‡ -‬מתייחס לקצב הריאקציה‪.‬‬ ‫היציבות התרמודינמית של תרכובת מצוינת ע"י ‪.∆G°‬‬ ‫• אם ‪ ∆G°‬שלילי‪ ,‬התוצר יציב יותר מבחינה תרמודינמית מאשר המגיב‪.‬‬ ‫• אם ‪ ∆G°‬חיובי‪ ,‬התוצר יציב פחות מבחינה תרמודינמית מאשר המגיב‪.‬‬ ‫היציבות הקינטית של תרכובת מצוינת ע"י ‡‪.∆G‬‬ ‫• אם ‡‪ ∆G‬עבור ריאקציה גבוה‪ ,‬התרכובת יציבה מבחינה קינטית משום שהיא לא מתרחשת באופן מהיר‪.‬‬ ‫• אם ‡‪ ∆G‬עבור ריאקציה נמוך‪ ,‬התרכובת בלתי יציבה מבחינה קינטית‪ ,‬כלומר היא מתרחשת במהירות‪.‬‬ ‫)בד"כ המושג "יציבות" מתייחס ליציבות תרמודינמית(‬ ‫הקצב של ריאקציה כימית הוא המהירות בה המגיבים נעלמים או המהירות בה נוצרים התוצרים‪ .‬קצב הריאקציה תלוי ב‪:‬‬ ‫‪ (1‬מספר ההתנגשויות שמתרחשות בין המולקולות המגיבות לאורך פרק זמן נתון‪ .‬ככל שמספר ההתנגשויות גבוה יותר‪,‬‬ ‫הריאקציה תהיה מהירה יותר‪.‬‬ ‫‪ (2‬כמות ההתנגשויות שמתרחשות עם אנרגיה מספקת ע"מ להעביר את המולקולות המגיבות מעבר למחסום האנרגיה מתוך‬ ‫כלל ההתנגשויות שמתרחשות‪ .‬אם אנרגיית השפעול נמוכה‪ ,‬מס' ההתנגשויות שיובילו לריאקציה גבוה ממס' ההתנגשויות‬ ‫שיובילו לריאקציה אילו אנרגיית השפעול היתה גבוהה‪.‬‬ ‫‪ (3‬כמות ההתנגשויות שמתרחשות באוריינטציה המתאימה מתוך כלל ההתנגשויות שמתרחשות‪ .‬לדוגמא‪-2 ,‬בוטן ו‪HBr -‬‬ ‫יגיבו רק אם המולקולות יתנגשו כך שהמימן ב‪ HBr -‬יתקרב לקשר ‪ π‬באלקן‪ .‬אם ההתנגשות תתרחש כך שהמימן יתקרב‬ ‫לקבוצה המתילית באלקן‪ ,‬לא תהיה תגובה‪ ,‬בלי קשר לאנרגיה של ההתנגשות‪.‬‬

‫הגדלת ריכוז המגיבים תגרום להגברת קצב הריאקציה משום שהיא תגדיל את מספר ההתנגשויות שמתרחשות לאורך פרק זמן נתון‪.‬‬ ‫הגדלת הטמפרטורה בה מתרחשת הריאקציה גם תגרום להגברת קצב הריאקציה מאחר והיא תגדיל הן את תדירות ההתנגשויות‬ ‫)מולקולות שנעות מהר יותר‪ ,‬מתנגשות יותר( והן את מספר ההתנגשויות בעלות אנרגיה מספקת ע"מ להעביר את המולקולות המגיבות‬ ‫מעבר למחסום האנרגיה‪.‬‬ ‫לריאקציה בה מגיב יחיד‪ -‬מולקולה ‪ ,A‬הופך לתוצר‪ -‬מולקולה ‪ ,B‬קצב הריאקציה פרופורציונלי לריכוז‬ ‫המגיב‪ ,‬קרי ‪ .A‬אם ריכוזו של ‪ A‬גדל פי ‪ ,2‬קצב הריאקציה יגדל פי ‪ .2‬אם ריכוזו של ‪ A‬גדל פי ‪ ,3‬קצב‬ ‫הריאקציה יגדל פי ‪ ,3‬וכן הלאה‪ .‬מאחר וקצב הריאקציה פרופורציונלי לריכוזו של מגיב אחד‪ ,‬הריאקציה‬ ‫נקראת ריאקציה מסדר ראשון‪.‬‬ ‫ניתן להחליף את סימן הפרופורציה בסימן שווה )=( אם נשתמש בקבוע פרופורציה ‪ ,k‬הקרוי קבוע הקצב‪.‬‬ ‫קבוע הקצב של ריאקציה מסדר ראשון נקרא קבוע הקצב מסדר ראשון‪.‬‬ ‫ריאקציה שקצבה תלוי בריכוזם של ‪ 2‬מגיבים נקראת ריאקציה מסדר שני‪ .‬אם הריכוז של ‪ A‬או‬ ‫של ‪ B‬מוכפל‪ ,‬קצב הריאקציה יוכפל‪ .‬אם הריכוז של ‪ A‬וגם הריכוז של ‪ B‬מוכפל‪ ,‬קצב הריאקציה‬ ‫יגדל פי ‪ ,4‬וכן הלאה‪ .‬במקרה זה‪ ,‬קבוע הקצב ‪ k‬נקרא קבוע הקצב מסדר שני‪.‬‬ ‫ריאקציה בה שתי מולקולות ‪ A‬מתחברות ליצירת מולקולה ‪ B‬היא גם ריאקציה מסדר שני‪ :‬אם ריכוזו של‬ ‫‪ A‬מוכפל‪ ,‬קצב הריאקציה יגדל פי ‪.4‬‬ ‫אין לבלבל בין קבוע הקצב של הריאקציה ‪ k‬לבין קצב הריאקציה‪ .‬קבוע הקצב מתאר את הקלות שבה ניתן להגיע לשלב מעבר )הקלות‬ ‫בה ניתן לעבור את מחסום האנרגיה(‪ .‬מחסומי אנרגיה נמוכים אופייניים לקבועי קצב גדולים‪ ,‬בעוד שמחסומי אנרגיה גבוהים אופייניים‬ ‫לקבועי קצב קטנים‪ .‬קצב הריאקציה הוא מדד לכמות התוצר שנוצר ביחידת זמן קבועה‪ .‬המשוואה הבאה מראה כי הקצב הוא התוצר‬ ‫של קבוע הקצב וריכוזם של המגיבים‪ .‬כך‪ ,‬קצב הריאקציה תלוי בריכוזים‪ ,‬בעוד שקבוע הקצב אינו‪.‬‬ ‫לכן‪ ,‬כאשר נשווה בין שתי ריאקציות ע"מ לבחון איזו אחת מתרחשת ב"קלות" רבה יותר‪ ,‬נשווה בין קבוע הקצב שלהם ולא בין קצב‬ ‫הריאקציה שלהם מאחר והוא תלוי בריכוזים‪.‬‬ ‫למרות שקבועי קצב עצמאים מריכוזים‪ ,‬הם כן תלויים בטמפרטורה‪ .‬משוואת ‪ Arrhenius‬מקשרת בין קבוע הקצב של ריאקציה‬ ‫לבין אנרגיית השפעול הניסויית ולבין הטמפרטורה בה היא מתרחשת‪ .‬ניתן לומר )בקירוב( שעלייה של ‪ 10°C‬בטמפרטורה תכפיל את‬ ‫קבוע הקצב של הריאקציה ומכאן גם תכפיל את קצב הריאקציה‪.‬‬ ‫משוואת ‪:Arrhenius‬‬

‫‪Ea = ∆H‡ + RT‬‬

‫‪–Ea/RT‬‬

‫‪k = Ae‬‬ ‫‪10‬‬

‫]‪ k‬הוא קבוע הריאקציה‪ Ea ,‬הוא אנרגיית השפעול הניסויית‪ R ,‬הוא קבוע הגזים‪ T ,‬הוא הטמפרטורה ביחידות קלווין‪ A ,‬הוא פקטור‬ ‫התדירות‪[.‬‬ ‫פקטור התדירות מתייחס לכמות ההתנגשויות שמרחשות באוריינטציה המתאימה לתגובה מתוך כלל ההתנגשויות‪.‬‬ ‫הביטוי ‪ e-Ea/RT‬מתייחס לכמות ההתנגשויות שמתרחשות עם האנרגיה המינימלית הדרושה )‪ (Ea‬ע"מ להגיב‪.‬‬ ‫ההבדל בין ‪ Ea‬לבין ‡‪ - ∆G‬אנרגיית שפעול ) ‡‪ (∆G‡ = ∆H‡ - T ∆S‬בעלת רכיב אנתלפיה ורכיב אנתרופיה‪ ,‬בעוד שאנרגיית שפעול‬ ‫ניסויית )‪ (Ea = ∆H‡ + RT‬בעלת רכיב אנתלפיה בלבד מאחר ורכיב האנתרופיה מופיע בביטוי ‪ A‬שבמשוואת ‪ .Arrhenius‬לכן‪,‬‬ ‫‪.‬‬ ‫אנרגיית השפעול הניסויית מייצגת בקרוב את מחסום האנרגיה של הריאקציה‪ ,‬בעוד שערך המחסום האמיתי ניתן ע"י ‡‪∆G‬‬ ‫כיצד מקשרים בין קבועי הקצב לבין קבוע הש"מ ? בש"מ‪ ,‬קצב הריאקציה הישירה חייב להיות שווה‬ ‫לקצב הריאקציה ההפוכה‪ ,‬משום שכמויות המגיבים והתוצרים אינן משתנות‪.‬‬ ‫מכאן → נובע כי‪:‬‬ ‫ממשוואה זו ניתן לראות כי חישוב קבוע הש"מ נעשה עפ"י הריכוזים היחסיים של התוצרים ושל המגיבים בש"מ או עפ"י קבועי הקצב‬ ‫היחסיים עבור הריאקציה הישירה ועבור הריאקציה ההפוכה‪.‬‬ ‫‪ Reaction coordinate diagrams‬עבור סיפוח ‪ HBr‬ל ‪-2‬בוטֵן‬ ‫ראינו כבר כי סיפוח ‪ HBr‬ל ‪-2‬בוטן היא ריאקציה בעלת ‪ 2‬שלבים‪.‬‬ ‫המבנה בשלב המעבר לכל אחד מהשלבים מופיע בסוגריים‪ .‬שימו לב‬ ‫כי הקשרים שנשברים או הקשרים שנוצרים במהלך הריאקציה הם‬ ‫שבורים חלקית או נוצרים חלקית בשלב המעבר‪ ,‬ומיוצגים ע"י‬ ‫קווים מקווקווים‪ .‬באופן זהה‪ ,‬אטומים שהופכים להיות טעונים או‬ ‫עומדים לאבד את מטענם במהלך הריאקציה הם טעונים חלקית‬ ‫בשלב המעבר‪.‬‬ ‫נביט ב‪ reaction coordinate diagram-‬עבור כל אחד משלבי‬ ‫הריאקציה‪ .‬בשלב הראשון של הריאקציה‪ ,‬האלקן הופך לקרבוקטיון‬ ‫שהוא יציב פחות מהמגיבים‪ .‬השלב הראשון‪ ,‬אם כך‪ ,‬הוא אנדוגני‬ ‫)‪ (0 < ∆G°‬בשלב השני של הריאקציה‪ ,‬הקרבוקטיון מגיב עם‬ ‫נוקליאופיל ליצירת תוצר שהוא יציב יותר מהקרבוקטיון‪ .‬לכן שלב‬ ‫זה הוא אקסוגני )‪.(0 > ∆G°‬‬ ‫מאחר והתוצר של השלב הראשון הוא המגיב של השלב השני‪ ,‬ניתן לאחד את שתי‬ ‫הדיאגרמות לדיאגרמה אחת שכוללת את כל הריאקציה‪ .‬ה‪ ∆G° -‬עבור כל הריאקציה הוא‬ ‫ההפרש בין האנרגיה החופשית של התוצרים הסופיים לבין האנרגיה החופשית של המגיבים‬ ‫ההתחלתיים‪ .‬משום ש‪ ∆G° -‬של כל הריאקציה שלילי‪ ,‬התגובה הכוללת היא אקסוגנית‪.‬‬ ‫חומר כימי שהוא התוצר של שלב אחד של ריאקציה וגם המגיב של השלב הבא נקרא תוצר ביניים‪.‬‬ ‫הקרבוקטיון‪ ,‬תוצר הביניים בריאקציה זו‪ ,‬אינו יציב מספיק כך שניתן יהיה לבודדו‪ .‬אולם‪ ,‬בריאקציות אחרות כן ניתן לבודד את תוצר‬ ‫הביניים‪ .‬שלב המעבר‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬מייצג את המבנה במצב העתיר ביותר באנרגיה לאורך הריאקציה‪ .‬הוא מופיע לחלקיק שניה ולכן‬ ‫אינו יכול להיות מבודד‪ .‬אין להתבלבל בין שני מושגים אלו‪ :‬שלבי מעבר בעלי קשרים חלקיים בעוד שתוצרי ביניים בעלי קשרים‬ ‫שלמים!‬ ‫ניתן לראות מהדיאגרמה הסופית כי אנרגיית השפעול בשלב הראשון גבוהה מזו בשלב השני‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬קבוע הקצב עבור השלב‬ ‫הראשון קטן מקבוע הקצב עבור השני השני‪ .‬אין זה מפתיע היות והמולקולות בשלב הראשון חייבות להתנגש עם אנרגיה מספקת‬ ‫לשבור קשרים קוולנטיים בעוד שאין שבירת קשרים בשלב השני‪.‬‬ ‫שלב הריאקציה בו נמצאת הנקודה הגבוהה ביותר בדיאגרמה‪ ,‬כלומר המצב בו סך האנרגיה בכל הריאקציה הוא מקסימלי‪ ,‬נקרא ‪rate-‬‬ ‫‪ .determining step or rate-limiting step‬שלב זה מסדיר את קצב הריאקציה כולה משום שקצב הריאקציה אינו יכול לעלות‬ ‫על קצבו של שלב זה‪ .‬בדוגמא שלנו‪ ,‬ה‪ rate determining step -‬הוא השלב הראשון‪ -‬הוספת האלקטרופיל )הפרוטון( לאלקן‪.‬‬ ‫דיאגרמות ריאקציה מתואמות יכולות להסביר מדוע ריאקציה מסוימת יוצרת תוצר ספציפי ולא אחר‪.‬‬ ‫‪11‬‬