Halogenopochodne węglowodorów to związki organiczne, w których cząsteczkach jeden (lub więcej) atom wodoru został zastąpiony atomem (lub atomami) jednego z halogenów, czyli pierwiastków z $17.$ grupy układu okresowego. Taka z pozoru niewinna zmiana w bardzo znaczącym stopniu wpływa na właściwości fizyczne, takie jak: temperatura topnienia i wrzenia, gęstość czy moment dipolowy.

Tabela 1. Właściwości fizyczne wybranych węglowodorów i halogenopochodnych

Indeks górny Źródło: Czerwińska A., Czerwiński A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum ogólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019. Indeks górny koniec^{Źródło: Czerwińska A., Czerwiński A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum ogólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019.}

Fluorowcopochodne węglowodorów mają znacznie wyższe temperatury wrzeniatemperatura wrzeniatemperatury wrzenia od węglowodorów o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Wynika to z obecności fluorowca o stosunkowo dużej masie atomowej, co przekłada się na ich większą masę cząsteczkową. Można również zauważyć, że temperatura wrzenia wzrasta wraz z wydłużaniem się łańcucha alkilowego w cząsteczce halogenopochodnych alkanów. Wynika z tego fakt, iż większość halogenopochodnych alkanów w temperaturze pokojowej to ciecze o dość wysokiej temperaturze wrzenia.

Większość halogenków alkilowych to ciecze o gęstości znacznie większej od gęstości węglowodorów o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Można również zauważyć, że gęstość cieczy maleje wraz z wydłużaniem się łańcucha alkilowego w cząsteczce halogenopochodnych alkanów, ponieważ zmniejsza się udział masy halogenku w masie cząsteczki halogenpochodnego alkanu.

Fluorowcopochodne alkanów mają budowę przestrzenną, zbliżoną do budowy odpowiadających im węglowodorów. Wiązanie pojedyncze sigma węgiel – fluorowiec, utworzone przez orbital zhybrydyzowany atomu węgla oraz orbital atomu fluorowca, różni się jednak dość istotnie od wiązania węgiel – wodór. Atom fluorowca odznacza się dużą elektroujemnością i stanowi biegun ujemny dipolu, przyciągając w swoim kierunku chmurę elektronową (w chemii organicznej mówimy, że wywiera ujemny efekt indukcyjny). W wyniku działania tego efektu powstaje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane, które powoduje pojawienie się na atomie fluorowca cząstkowego ładunku ujemnego (oznaczonego jako -δdelta). Z kolei atom węgla jest obdarzony cząstkowym ładunkiem dodatnim (oznaczonym jako +δdelta).

Tabela 2. Właściwości wiązań węgiel‑wodór i węgiel‑halogen

Indeks górny Źródło: Czerwińska A., Czerwiński A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum ogólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019.. Indeks górny koniec^{Źródło: Czerwińska A., Czerwiński A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum ogólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019..}

Tabela 3. Moment dipolowy monohalogenopochodnych metanu

Indeks górny Źródło: Czerwiński A., Czerwińska A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum pgólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019.. Indeks górny koniec^{Źródło: Czerwiński A., Czerwińska A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum pgólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019..}

Rgx3UtFaV6lnc

Ilustracja przedstawia model kulkowy chlorometanu. Do atomu węgla, reprezentowanego przez czarną kulkę, przyłączone są trzy atomy wodoru (białe kulki) i atom chloru (zielona kulka).

Warto zwrócić uwagę na małe różnice momentów dipolowych, mimo dużej różnicy elektroujemności atomów budujących wiązanie. Dla przykładu, różnica elektroujemności atomów dla wiązania $\text{C}-\text{F}$ wynosi $\mathrm{1,4}$ (w skali Paulinga), zaś dla wiązania $\text{C}-\text{I}$ różnica ta wynosi $\mathrm{0,1}$. Należy jednak zaznaczyć, że mówimy tu o zmianach momentu dipolowego całej cząsteczki, a nie samego wiązania węgiel‑fluorowiec. W przypadku wyznaczania momentu dipolowego dla całej cząsteczki, znaczenie ma także długość wiązań oraz elektroujemność wszystkich atomów tworzących cząsteczkę. Wiązania $\text{C}-\text{H}$ są znacząco krótsze od wiązania $\text{C}-\text{I}$, a także elektroujemność atomów wodoru jest mniejsza niż atomu jodu. Z tego powodu gęstość elektronowa jest większa w okolicy wiązania $\text{C}-\text{I}$ i mniejsza w okolicach wiązań $\text{C}-\text{H}$, co przekłada się na posiadanie przez cząsteczkę jodometanu niezerowego momentu dipolowegomoment dipolowymomentu dipolowego. Należy zatem pamiętać, że polarnościpolarnośćpolarności cząsteczki nie można interpretować tylko na podstawie różnicy elektroujemności poszczególnych atomów tworzących wiązanie.

Przeanalizujmy, jak zmienia się moment dipolowy, a więc polarność związku na przykładzie chloropochodnych metanu.

Tabela 4. Moment dipolowy chloropochodnych metanu.

Widać tu prostą zależność: zwiększenie liczby atomów chloru w cząsteczce metanu powoduje, że moment dipolowy cząsteczki maleje, a tym samym polarność cząsteczki związku zmniejsza się. Wynika to z rosnącej równomierności w rozkładzie gęstości elektronowej wokół cząsteczki. W momencie, gdy wszystkie atomy wodoru są zamienione na atomy halogenu, związek nie jest już dipolem i przestaje być polarny, gdyż cząsteczka tetrachlorometanu, podobnie jak cząsteczka metanu, jest symetryczna i nie występuje w niej niesymetryczny rozkład gęstości elektronowej.

Wszystkie halogenopochodne (choć większość to związki polarne) bardzo słabo rozpuszczają się w wodzie z powodu braku części hydrofilowej oraz faktu, że nie tworzą wiązań wodorowych między swoimi cząsteczkami, jak też z cząsteczkami wody. Dobrze natomiast rozpuszczają się w większości rozpuszczalników organicznych, np. w węglowodorach, alkoholach, acetonie czy benzenie. Warto zwrócić uwagę, że same stanowią dobre rozpuszczalniki dla wielu substancji – między innymi dla tłuszczów.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.