РАБОЧИЕ ТЕТРАДИ

Продолжение. Начало см. в № 15, 16, 17, 18/2004

Урок 7. Химические свойства алканов

Предельные углеводороды (алканы) – химически неактивные вещества. Они не реагируют с кислотами, основаниями, большинством металлов и неметаллов.
Для алканов характерны реакции з… и р…, а реакции присоединения невозможны.
1. Алканы реагируют с хлором по типу реакции замещения. Взаимодействие протекает по цепному механизму при УФ-облучении или при температуре 250–400 °C. В реакции последовательно один за другим могут заместиться все атомы водорода. Отметим, что вытесняемый хлором водород уводится в виде HCl:

2. Углеводороды горят на воздухе. Конечные продукты горения – у… газ и в... :

Углеводороды – горючие вещества, топливо

Если горит хлорированный углеводород, то наряду с СО₂ и Н₂О образуется HCl:

3. При нагревании алканов до 450–550 °С происходит расщепление сложных молекул на более простые (по числу атомов). Причем получаются углеводороды разных классов – предельные и непредельные (алкены, см. далее урок 8). Такой процесс называют крекингом и осуществляют его либо в присутствии катализаторов (Al₂O₃/SiO₂), либо без них. Например:

При повышении температуры до 550–650 °С происходит более глубокое расщепление – п… . В результате образуются уголь (кокс), простейшие алканы (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈), углеводороды других классов (этилен С₂Н₄, ацетилен С₂Н₂ и т. п.) и водород Н₂. Один из возможных вариантов следующий:

И… – третья разновидность термического разложения линейных (нормальных) углеводородов с превращением в разветвленные углеводороды. Обычно процесс ведут в присутствии катализаторов (AlCl₃, ZnCl₂ и др.). Как видно, при высоких температурах из одного и того же вещества могут образовываться смеси различных продуктов:

4. Смесь оксида углерода(II) и водорода – с….-газ – получают из метана двумя способами:
а) взаимодействием СН₄ с водой;
б) взаимодействием СН₄ с СО₂.
Реакции протекают при 800–900 °С и в присутствии катализаторов (Ni, MgO, Al₂O₃):

Шаростержневые модели циклоалканов

Циклоалканы в химических процессах ведут себя подобно алканам. Однако в отличие от алканов они способны к реакциям присоединения с разрывом цикла и превращением в линейные насыщенные соединения:

Для соединений с пяти- и шестичленными циклами характерны реакции замещения:

Упражнения.

1. Составьте уравнения реакций монохлорирования (введения одного атома хлора в молекулу):
а) этана (С₂Н₆); б) циклогексана (цикло-С₆Н₁₂).

2. Напишите три уравнения реакций нормального декана н-С₁₀Н₂₂:
а) горения;
б) крекинга при 500 °С с расщеплением исходной молекулы С₁₀ пополам – на алкан С₅ и алкен С₅;
в) термической изомеризации н-С₁₀Н₂₂ (кат. AlCl₃) в 2-метилнонан.

3. Какой объем кислорода израсходуется (н.у.) на сгорание 100 г гептана С₇Н₁₆?

4. При сгорании 1 л паров циклоалкана получается 6 л углекислого газа. Какая химическая формула циклоалкана?

5. Дифтордихлорметан (фреон-12), применяющийся как хладагент в холодильниках, получают действием фтороводорода на тетрахлорметан. Составьте уравнение этой реакции.

6. Хлорпроизводное предельного углеводорода имеет молекулярную массу 237. Состав этого соединения следующий: Cl – 89,9%, C– 10,1%. Найдите его молекулярную формулу.

Урок 8. Непредельные углеводороды

Существуют углеводороды, содержащие меньше атомов водорода, чем соответствующие предельные углеводороды. Такие соединения называют непредельными или н………. углеводородами, они имеют двойные или тройные связи. В структурных формулах непредельных соединений между соседними атомами углерода пишут две или три черточки (из четырех имеющихся при атоме С): и –С С–.
Двойные и тройные связи называют к… связями.
Ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью в молекуле относят к классу алкенов. Общая формула алкенов – С_nH_2n.
Ненасыщенные углеводороды с одной тройной связью принадлежат к классу алкинов. Общая формула алкинов – С_nH_2n–2.
В табл. 6 приведены молекулярные и структурные формулы линейных углеводородов (С₂–С₅) – алканов, алкенов и алкинов.

Таблица 6

Линейные углеводороды – алканы,
алкены и алкины

Характеристика веществ	Kласс углеводородов
Характеристика веществ	Алканы (все связи С–С одинарные)	Алкены (с одной двойной связью С=С)	Алкины (с одной тройной связью СС)
Общая формула	С_nH_2n+2	С_nH_2n	С_nH_2n–2
Молекулярная формула	С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂	С₂Н₄, С₃Н₆, С₄Н₈, С₅Н₁₀	С₂Н₂, С₃Н₄, С₄Н₆, С₅Н₈
Структурная формула	СН₃–СН₃, СН₃–СН₂–СН₃, СН₃–СН₂–СН₂–СН₃, СН₃СН₂СН₂СН₂СН₃	СН₂=СН₂, СН₂=СН–СН₃, СН₂=СН–СН₂–СН₃, СН₃СН=СН–СН₃, СН₂=СНСН₂СН₂СН₃, СН₃СН=СНСН₂СН₃	СНСН, СНС–СН₃, СНС–СН₂–СН₃, СН₃СС–СН₃, СНССН₂СН₂СН₃, СН₃СССН₂СН₃

В молекуле простейшего алкена – этилена:

имеется пять -связей и одна -связь.
Ковалентные одинарные связи между атомами – всегда -связи. Возникающие дополнительные связи (вторая и третья) – это -связи. Двойная связь С=С образована одной - и одной -связью. Тройная связь СС включает одну -связь и две -связи.

Изомерия и номенклатура алкенов

Названия линейных углеводородов ряда этилена (алкенов) образуют из названий алканов путем замены суффикса -ан- на -ен- (для первых трех гомологов – С₂Н₄, С₃Н₆ и С₄Н₈ – возможно -илен-).
В табл. 7 приведены в сравнении молекулярные формулы и названия алканов и алкенов.

Таблица 7

Молекулярные формулы и
названия алканов и алкенов

Углеводород	Формулы, различающиеся числом атомов С и Н
Алканы	СН₄ метан	С₂Н₆ этан	С₃Н₈ пропан	С₄Н₁₀ бутан	С₅Н₁₂ пентан	С₆Н₁₄ гексан
Алкены	Нет	С₂Н₄ этен (этилен)	С₃Н₆ пропен (пропилен)	С₄Н₈ бутен (бутилен)	С₅Н₁₀ пентен	С₆Н₁₂ гексен

Три вида изомерии алкенов

1. Изомерия углеродной цепи (скелета), как у предельных углеводородов. В примерах а и б двойная связь сохраняется при С-1, а углеродный скелет изменяется:

2. Изомерия п…….. двойной связи в молекуле. Например, двойная связь расположена при С-1 (структуры а₁, а₂, б₁, б₂) и при С-2 (изомеры а₃, б₄, б₅):

3. Пространственная изомерия. Двойная связь С=С – жесткая конструкция. Вращение вокруг нее не происходит (запрещено, т. к. приводит к разрушению молекулы):

(Заметим, что вокруг одинарной связи С–С возможно свободное вращение, а разная запись

означает одно и то же соединение – 3,4-диметилгексан.)
Если атомы углерода при двойной связи имеют разные заместители А и В, то наблюдается пространственная цистрансизомерия:

Когда одинаковые заместители находятся по одну сторону двойной
связи – это цисизомер. В противоположном случае (одинаковые или старшие заместители друг напротив друга), по разные стороны двойной связи – это трансцизомер. Например:

Обратите внимание, что из пяти изомеров б₁–б₅ пентена С₅Н₁₀, различающихся углеродным скелетом или положением двойной связи, пространственная изомерия возможна только у изомера б₄:

Все остальные вещества содержат два одинаковых заместителя при углероде с двойной связью типа

и не имеют пространственных цистрансизомеров.
Названия разветвленных и замещенных алкенов составляют подобно названиям алканов. Сначала выбирают самую длинную, главную углеродную цепь, включающую двойную связь. Атомы углерода этой цепи нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе двойная связь. В названии вещества после перечисления всех заместителей с указанием их положения в главной углеродной цепи пишут название пронумерованного алкена. Положение двойной связи обозначают в конце названия (после суффикса -ен-) номером того атома С, от которого она начинается. Например:

Известны две основные системы названий органических соединений – английская и русская. Они различаются положением цифровых префиксов (локантов) при суффиксе -ен-, означающем двойную связь. В английской системе цифровой указатель положения двойной связи в главной углеродной цепи ставят перед названием линейного алкена, а в русской системе – после (т. е. в конце названия). В учебнике Г.Е.Рудзитиса «Химия-10» используется английская система, а вообще в России, в частности в вузах, преобладает русская система названий (табл. 8).

Таблица 8

Названия пространственных изомеров алкенов

Структурная формула	Английская система	Русская система
	1-Бутен	Бутен-1
	цис-2-Бутен	цис-Бутен-2
	транс-2-Бутен	транс-Бутен-2
	транс-2-Пентен	транс-Пентен-2

Упражнения.

1. Определите принадлежность к классам углеводородов (алкан, циклоалкан, алкен, алкин) следующих веществ:

Поясните свой выбор.

2. Сколько -связей (С–С, С–Н) и -связей в молекуле пропилена С₃Н₆?

3. Назовите алкены:

СН₂=СНСН₂СН₃, СН₃СН=СНСН₂СН₃, (СН₃)₂С=СНСН₃, СН₂=СН(СН₂)₃СН₃.

4. Напишите структурные формулы четырех изомеров гептена С₇Н₁₄, у которых в главной цепи 6 атомов С.

5. По названиям веществ составьте их структурные формулы:

3-этилгексен-3, 2-метилбутен-2, транс-дихлорэтилен, 5-хлор-2-метилпентен-2.

Ответы на упражнения к теме 1

Урок 7

3. Уравнение реакции горения гептана:

V = 11•22,4 = 246,4 л О₂.

Ответ. 246,4 л кислорода.

4. Согласно закону Авогадро из схемы

следует, что n = 6, т.е. молекулярная формула циклоалкана – С₆Н₁₂.
Возможные структурные формулы циклоалкана состава С₆Н₁₂:

6. Хлорпроизводное предельного углеводорода не содержит атомов Н, его молекулярная формула С_nCl_2n+2 (в общей формуле алкана С_nH_2n+2 все атомы Н замещены на атомы Сl). Подставим в химическую формулу С_nCl_2n+2 относительные атомные массы элементов Аr (С) и Аr (Сl). Получим уравнение: