Skip to content · ⁨דלג לתוכן⁩

Halogen compounds · ⁨תרכובות הלוגן⁩

A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · Topic 15 · ⁨נושא 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩
7:31

תרכובות הלוגן

לוחץ על הכפתור בבקבוק ספריי הקפאה, העור שלך מרגיש רך מקור. בתוכו יש הידרוקארבון הלוגני: אלקאן עם אטום הלוגן במקום אחד…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨הלוגנואלקנים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
  2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
  3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
  4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
  5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
  6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
  7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
עברית
  1. זכור את התגובות (החומרים והתנאים) על ידי הן הלוגנואלקנים יכולים להיוצר: (א) ההצבה ברדיקלים חופשיים של אלקנים על ידי $\text{Cl}_2$ או $\text{Br}_2$ בנוכחות אור אולטרה סגול, כפי שמדגמת תגובות האתאן (ב) תוספת אלקטרופילית של אלקן עם הלוגן, $\text{X}_2$, או חומצה הלוגני, $\text{HX(g)}$, בטמפרטורת החדר (ג) הצבה של אלכוהול, למשל על ידי תגובה עם $\text{HX(g)}$; או עם $\text{KCl}$ וחומצה מרוכזת $\text{H}_2\text{SO}_4$ או חומצה מרוכזת $\text{H}_3\text{PO}_4$; או עם $\text{PCl}_3$ וחום; או עם $\text{PCl}_5$; או עם $\text{SOCl}_2$
  2. סווג הלוגנואלקנים לראשוניים, משניים ומשולשים
  3. תאר את התגובות הבאות של הצבה נוקלئופילית: (א) התגובה עם $\text{NaOH(aq)}$ וחום ליצירת אלכוהול (ב) התגובה עם $\text{KCN}$ באתנול וחום ליצירת ניטריל (ג) התגובה עם $\text{NH}_3$ באתנול מחומם בלחץ ליצירת אמינים (ד) התגובה עם נחושת נitrate במים באתנול כשיטה לזיהוי ההלוגן הנוכחי כפי שמדגמת ברומואתאן
  4. תאר את תגובת האלימינציה עם $\text{NaOH}$ באתנול וחום ליצירת אלקן כפי שמדגמת ברומואתאן
  5. תאר את המנגנונים $\text{S}_\text{N}1$ ו$\text{S}_\text{N}2$ של הצבה נוקלئופילית בהלוגנואלקנים, כולל השפעות אינדוקטיביות של קבוצות אלקיל
  6. זכור שהלוגנואלקנים ראשויים נוטים להגיב לפי המנגנון $\text{S}_\text{N}2$; הלוגנואלקנים משולשים לפי המנגנון $\text{S}_\text{N}1$; והלוגנואלקנים משניים לערבוב של שניהם, תלוי במבנה
  7. תאר והסבר את ההתנהגויות השונות של הלוגנואלקנים (עם התייחסות מיוחדת לחוזק היחסי של הקשרים C–X כפי שמדגמות תגובות הלוגנואלקנים עם נחושת נitrate במים)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

  • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
  • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
  • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

עברית

הלוגנואלקן הוא אלקן שבו אטום או יותר של הלוגן מחליפים מימן (קשר C–X, כאשר X הוא הלוגן).

קופסת ספריי מקפיאה משחררת קיטור של הידרוקרבון הלוגני קר *הלוגנואלקנים נדיפים שימשו בעבר באופן נרחב כמקררים וכדחיפי ספריי

הכנת הלוגנואלקנים

  • החלפת שורש חופשי של אלקאן עם $\text{Cl}_2$ או $\text{Br}_2$ באור אולטרה-סגול.
  • הוספה אלקטרופילית של אלקן עם הלוגן $\text{X}_2$ או חומצה הידרוגנית $\text{HX}$.
  • החלפה של אלכוהול, לדוגמה על ידי $\text{HX}$, על ידי $\text{PCl}_5$, על ידי $\text{PCl}_3$ בחום, או על ידי $\text{SOCl}_2$.

שלושה סוגים

הלוגנואלקן הוא ראשוני, משני או טERTIARY, בהתאם למספר פחמן המחוברים לפחמן הנשאר את ההלוגן (אחד, שניים או שלושה).

שלושה מבנים עם הפחמן הנשאר את הברום מדוגש: ראשוני עם פחמן אחד מחובר, משני עם שניים, טERTIARY עם שלושה
הלוגנואלקנים ראשוניים, משניים וטERTIARY, מסווגים לפי מספר הפחמים המחוברים לפחמן הנשאר את ההלוגן
Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ אלקן הלוגני
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ החלפה ברדיקלים חופשיים
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ תוספת אלקטרופילית
alcohol/ˈælkəhɒl/ אלכוהול
primary/ˈpraɪməri/ ראשוני
secondary/ˈsekəndəri/ שניוני
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ תמינארי
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ החלפת נוקליופילית
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ נוקליופיל
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ ניטריל
amine/ˈæmaɪn/ אמין
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ ניטראט כסף
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ משקע
15.1

Nucleophilic substitution · ⁨החלפה גרעינית⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

עברית

קשר C–X מקוטב, ולכן הפחמן חיובי מעט. מתרחשת החלפה גרעינית כאשר גרעין (מין עם זוג אלקטרונים בודד) תוקף את הפחמן והוחלף את ההלוגן.

בקבוק תחתון עגול עם נוזל רותח ומעבה אנכית מחזירה את הקיטור
רבים מתגובות הלוגנואלקנים מתבצעים בחימום התערובת תחת הרפלקס
חומר מסיס ותנאים תוצר
$\text{NaOH(aq)}$, חימום אלכוהול
$\text{KCN}$ באתנול, חום ניטריל (מוסיף פחמן אחד לשרשרת)
$\text{NH}_3$ באתנול, מחומם בלחץ אמין
אווידור רוטרי: צנחת עגולה של תמיסה מסתובבת בחממת מים חמה, עם קיטור הממס מתקפל לצנחת קליטה נפרדת
אידוי סיבובי מסיר ממס בלחץ מופחת — השלב לאחר התגובה

כדי זיהוי ההלוגן, לחמם את הלוגנואלקן עם ניtrate כסף באתנול. נוצר משקע של ליד כסף, וצבעו מצביע על ההלוגן הקיים (לבן $\text{AgCl}$, קרם $\text{AgBr}$, צהוב $\text{AgI}$).

Explore · ⁨חקור⁩

Nucleophilic substitution · ⁨הצבה גרעינית⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨גרעין גרעיני מחליף את הקבוצה הנעלמת על הלוגנואלקן.⁩

15.1

Elimination · ⁨אילמינציה⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

  • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
  • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
עברית

אותו תרכובת הלוגנואלקאנית יכולה במקום זאת לעבור הימנעות ליצירת אלקן. התנאים קובעים איזו תגובה תגבר:

  • $\text{NaOH}$ במים → החלפה נוקליופילית → אלכוהול.
  • $\text{NaOH}$ באתנול, בחימום → הימנעות → אלקן.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
תרשים ענפי: ברומואת אתיל עם נתרן הידרוקסיד מימי מניב אלכוהול באמצעות החלפה, אך עם נתרן הידרוקסיד באתנול מניב אלקן באמצעות הימנעות
אותה תרכובת הלוגנואלקאנית: NaOH במים מבצע החלפה לאלכוהול, בעוד ש-NaOH באתנול (עם חימום) מבצע הימנעות לאלקן
Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ הסלה
alkene/ˈælkiːn/ אלקן
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ מצב מעבר
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ קרבוקטיניום
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ אפקט אינדוקטיבי
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ אנרגיית קשר
15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨המנגנונים S$_\text{N}$1 ו-S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

  • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

  • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
  • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
  • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
עברית

החלפה נוקליופילית יכולה להתרחש בשתי דרכים:

  • S$_\text{N}$2: שלב אחד. הנוקליופיל תוקף בו-זמנית עם יציאת ההלוגן, עובר דרך מצב מעבר צפוף שבו לשניהם קשורים למחצה. הקצב תלוי גם בתרכובת הלוגנואלקאנית וגם בנוקליופיל.
  • S$_\text{N}$1: שני שלבים. ראשית קורר הקשר C–X כדי לתת קרבוקטיון; לאחר מכן הנוקליופיל תוקף אותו. הקצב תלוי רק בתרכובת הלוגנואלקאנית.
S N 2 מוצג כשלב אחד שבו הנוקליופיל תוקף בזמן שההלוגן יוצא דרך מצב מעבר; S N 1 מוצג כשני שלבים דרך קרבוקטיון
S$_\text{N}$2 הוא שלב אחד דרך מצב מעבר צפוף; S$_\text{N}$1 הם שני שלבים דרך קרבוקטיון

קבוצות אלקיל דוחות אלקטרונים לכיוון הפחמן החיובי (אפקט אינדוקטיבי), ולכן הן מייצבות את הקרבוקטיון. זוהי הסיבה ש:

  • ראשוניים הלוגנואלקאנים מגיבים בעיקר לפי S$_\text{N}$2.
  • משולשים הלוגנואלקאנים מגיבים בעיקר לפי S$_\text{N}$1 (הקרבוקטיון שלהם מיוצב היטב).
  • משני הלוגנואלקאנים משתמשים בשילוב של השתיים.
Explore · ⁨חקור⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨מנגנון ה-SN2, צעד אחר צעד⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨מעבר בהצבה נוקלئופילית. הנוקלئוףיל תוקף מאחור בזמן שהיון הלוגנידי עוזב — הכל בשלב חלק ואחד, הפוך את המולקולה מבפנים החוצה.⁩

15.1

Different reactivities · ⁨ריאקטיביות שונות⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

עברית

מהירות הגיבה של תרכובת הלוגנואלקאנית תלויה בחוזק הקשר C–X, הנמדד על ידי אנרגיית הקשר. הקשר C–I הוא החלש ביותר, ולכן יודואלקאנים מגיבים מהר ביותר; הקשר C–Cl הוא החזק ביותר בין השלושה, ולכן כלורואלקאנים מגיבים האיטית ביותר. כך שכאשר נבדקים עם חנקת ארסן, יודואלקאן נותן משקע ראשון — הריאקטיביות הגבוהה שלו נובעת מקשר C–X החלש יותר.

גרף עמודות של אנרגיית קשר C-X הפורקת מ-C-F ל-C-I, עם חץ המציין שקשר חלש יותר מגיב מהר יותר
ככל שקשר C–X חלש יותר, כך תרכובת הלוגנואלקאנית מגיבה מהר יותר — ולכן יודואלקאנים מגיבים מהר ביותר וכלורואלקאנים האיטית ביותר

דוגמה פתורה. נבא את המנגנון להידרוליזה של 1-ברומובוטאן ועל 2-ברומו-2-מתילפרופאן. סווגו תחילה את תרכובת הלוגנואלקאן. 1-ברומובוטאן הוא ראשוני: הפחמן הנושא את ה$\text{Br}$ מוגן מעט מאוד, כך שהנוקליופיל יכול לתקוף מאחוריו והמנגנון הוא $\text{S}_\text{N}2$ - שלב אחד, עם קצב התלוי בשני תרכובת הלוגנואלקאן והנוקליופיל. 2-ברומו-2-מתילפרופאן הוא משולש: שלוש קבוצות מתיל נפחות חוסמות את ההתקפה הזו, אך הן גם מייצבות את הקרבוקטיון שנוצר לאחר שה$\text{Br}$ יוצא, ולכן הוא עובר $\text{S}_\text{N}1$ - שני שלבים, עם קצב התלוי בתרכובת הלוגנואלקאן רק. החלטו מה-סוג (ראשוני → $\text{S}_\text{N}2$, משולש → $\text{S}_\text{N}1$), ושמו לב שהמשולש מריק חדרוליזה מהר יותר למרות שהוא הכי נפח.

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ רגישות
15.1

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English
  • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
עברית
  • שרטט החלפת נוקלופילית עם חץ מעוגל מהזוג האלקטרוני הבלתי-קושר של הנוקלופיל לקורון $\delta+$ ואחד מקשר $\text{C-X}$.
  • התאם מנגנון לסוג: $S_\text{N}1$ (שלישי, קרבוקציום, שני שלבים) לעומת $S_\text{N}2$ (ראשוני, שלב אחד, מצב מעבר).
  • הרעילות נקבעת על ידי אנתלפיה של קשר: $\text{C-I}$ הוא החלש ביותר, ולכן אלוקאנים יודיים מגיבים מהר ביותר (ולא על בסיס חשמליות שליליות).
  • הסרה (חום, KOH אתנולי) מול החלפה (חום בינוני, KOH מימי) — התנאים קובעים את המוצר; ציין אותם.

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · ⁨נושאים נוספים בA-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨היכנס או צור חשבון⁩

IGCSE, A-Level & AP