Углеводороды

10 класс

Продолжение. Начало см. в № 9/2009.

Л е к ц и я 3.
Непредельные углеводороды ряда этилена, общая формула состава. Электронное и пространственное строение, химические свойства этилена

Непредельные углеводороды ряда этилена, или алкены, – это углеводороды с общей формулой C_nH_2n, молекулы которых содержат одну двойную связь. Атомы C, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, двойная связь является сочетанием - и -связей. По своей природе -связь резко отличается от -связи; -связь менее прочная вследствие перекрывания электронных облаков вне плоскости молекулы.

Простейшим алкеном является этилен. Структурная и электронная формулы этилена имеют вид:

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одна s- и две p-орбитали атомов C (sp²-гибридизация). Таким образом, каждый атом C имеет по три гибридных орбитали и по одной негибридной p-орбитали. Две из гибридных орбиталей атомов C взаимно перекрываются и образуют между атомами C -связь. Остальные четыре гибридных орбитали атомов C перекрываются в той же плоскости с четырьмя s-орбиталями атомов H и также образуют четыре -связи. Две негибридные p-орбитали атомов C взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости -связей, т.е. образуется одна -связь. Под действием реагентов -связь легко разрывается.

Молекула этилена симметрична; ядра всех атомов расположены в одной плоскости и валентные углы близки к 120°; расстояние между центрами атомов C равно 0,134 нм.

Если атомы соединены двойной связью, то их вращение невозможно без того, чтобы электронные облака -связи не разомкнулись.

Этилен – первый член гомологического ряда алкенов.

Но молекула бутена-2 может находиться в виде двух пространственных форм – цис- и транс-:

Цис- и трансизомеры, имея различное расположение атомов в пространстве, отличаются многими физическими и химическими свойствами.

Таким образом, для алкенов возможны два вида структурной изомерии: изомерия углеродной цепи и изомерия положения двойной связи. Возможна также геометрическая изомерия.

Этилен (этен) – бесцветный газ с очень слабым сладковатым запахом, немного легче воздуха, малорастворим в воде.

По химическим свойствам этилен резко отличается от этана, что обусловлено электронным строением его молекулы. Имея в молекуле двойную связь, состоящую из - и -связей, этилен способен присоединять два одновалентных атома или радикала за счет разрыва -связи.

• Способность к реакциям присоединения характерна для всех алкенов.

1. Присоединение водорода (реакция гидрирования):

2. Присоединение галогенов (реакция галогенирования):

При добавлении к алкену брома (в виде бромной воды) бурая окраска брома быстро исчезает. Эта реакция является качественной на двойную связь.

3. Присоединение галогеноводородов (реакция гидрогалогенирования):

Если исходный алкен несимметричен, то реакция протекает по правилу Марковникова.

Присоединение галогеноводородов к непредельным соединениям идет по ионному механизму.

4. Присоединение воды (реакция гидратации):

Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.

• Для алканов характерны реакции окисления:

1. Этилен легко окисляется уже при обычной температуре, например при действии перманганата калия. Если этилен пропускать через водный раствор перманганата калия KMnO₄, то характерная фиолетовая окраска последнего исчезает, происходит окисление этилена (реакция гидроксилирования) перманганатом калия (качественная реакция на двойную связь):

2. Этилен горит светящимся пламенем с образованием оксида углерода(IV) и воды:

C₂H₄ + 3O₂ —> 2CO₂ + 2H₂O.

3. Большое промышленное значение имеет частичное окисление этилена кислородом воздуха:

• Для этилена, как и для всех непредельных углеводородов, характерны реакции полимеризации. Они протекают при повышенной температуре, давлении и в присутствии катализаторов:

Полимеризация – это последовательное соединение одинаковых молекул в более крупные.

Таким образом, для этилена и его гомологов характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

Л е к ц и я 4.
Ацетилен – представитель углеводородов с тройной связью в молекуле.
Химические свойства, получение и применение ацетилена в органическом синтезе

Алкины – это углеводороды с общей формулой C_nH_2n–2, молекулы которых содержат одну тройную связь.

Ацетилен – первый член гомологического ряда ацетиленовых углеводородов, или алкинов. Молекулярная формула ацетилена C₂H₂.

Структурная формула ацетилена H–C=C–H.

Электронная формула:

H : С : : : С : Н.

Углеродные атомы ацетилена, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. При образовании молекулы ацетилена у каждого атома С гибридизуются по одной s- и p-орбитали. В результате этого каждый атом С приобретает по две гибридных орбитали, а две p-орбитали остаются негибридными. Две гибридных орбитали взаимно перекрываются, и между атомами С образуется -связь. Остальные две гибридных орбитали перекрываются с s-орбиталями атомов H, и между ними и атомами С тоже образуются -связи. Четыре негибридных p-орбитали размещены взаимно перпендикулярно и перпендикулярно направлениям -связей. В этих плоскостях p-орбитали взаимно перекрываются, и образуются две -связи, которые относительно непрочные и в химических реакциях легко разрываются.

Таким образом, в молекуле ацетилена имеются три -связи (одна связь C–C и две связи C–H) и две -связи между двумя С атомами. Тройная связь в алкинах – не утроенная простая, а комбинированная, состоящая из трех связей: одной - и двух -связей.

Молекула ацетилена имеет линейное строение. Появление третьей связи вызывает дальнейшее сближение атомов С: расстояние между их центрами составляет 0,120 нм.

Физические свойства. Ацетилен – бесцветный газ, легче воздуха, мало растворим в воде, в чистом виде почти без запаха.

Химические свойства. По химическим свойствам ацетилен во многом аналогичен этилену. Для него характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

• Реакции присоединения. Алкины присоединяют не одну, а две молекулы реагента. Тройная связь вначале переходит в двойную, а затем – в простую связь (-связь).

1. Присоединение водорода (реакция гидрирования) происходит при нагревании в присутствии катализатора. Реакция протекает в две стадии, сначала образуется этилен, а затем – этан:

2. Присоединение галогенов (реакция галогенирования) протекает очень легко (также в две стадии):

Бромная вода при этом обесцвечивается. Обесцвечивание бромной воды служит качественной реакцией на ацетилен, как и на все непредельные углеводороды.

3. Присоединение галогеноводородов (реакция гидрогалогенирования). Важное значение имеет реакция присоединения хлороводорода:

Из винилхлорида получают полимер – поливинилхлорид.

4. Присоединение воды (реакция гидратации) протекает в присутствии солей ртути(II) – HgSO₄, Hg(NO₃)₂ – с образованием уксусного альдегида:

Эта реакция носит имя русского ученого Михаила Григорьевича Кучерова (1881).

• Реакции окисления. Ацетилен очень чувствителен к окислителям.

1. При пропускании через раствор перманганата калия ацетилен легко окисляется, а раствор KMnO₄ обесцвечивается:

Обесцвечивание перманганата калия может быть использовано как качественная реакция на тройную связь.

При окислении обычно происходит расщепление тройной связи и образуются карбоновые кислоты:

R–C=C–R^' + 3[O] + H₂O —> R–COOH + R^'–COOH.

Ацетилен при полном сгорании образует оксид углерода(IV) и воду:

2C₂H₂ + 5O₂ —> 4CO₂ + 2H₂O.

На воздухе ацетилен горит сильно коптящим пламенем.

• Реакции полимеризации. В определенных условиях ацетилен способен полимеризоваться в бензол и винилацетилен.

1. При пропускании ацетилена над активированным углем при 450–500 °С происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола (Н.Д.Зелинский, 1927 г.):

2. Под действием водного раствора CuCl и NH₄Cl ацетилен димеризуется, образуя винилацетилен:

Винилацетилен обладает большой реакционной способностью; присоединяя хлороводород, он образует хлоропрен, используемый для получения искусственного каучука:

Получение ацетилена. В лаборатории и в промышленности ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой (карбидный способ):

Карбид кальция получают в электропечах при нагревании кокса с негашеной известью:

На получение CaC₂ затрачивается много электроэнергии, поэтому карбидный метод не может удовлетворить потребности в ацетилене.

В промышленности ацетилен получают в результате высокотемпературного крекинга метана:

Применение ацетилена в органическом синтезе. Ацетилен широко применяют в органическом синтезе. Он является одним из исходных веществ при производстве синтетических каучуков, поливинилхлорида и других полимеров. Из ацетилена получают уксусную кислоту, растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,2-трихлорэтен). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 °С, поэтому его используют при сварке и резке металлов.

Примеры промышленного использования ацетилена:

 

Л е к ц и я 5.
Диеновые углеводороды, их строение, свойства, получение и практическое значение

Диеновые углеводороды, или алкадиены, – это углеводороды, содержащие в углеродной цепи две двойные связи. Их состав может быть выражен общей формулой C_nH_2n–2. Они изомерны ацетиленовым углеводородам.

Большое применение имеют алкадиены, в молекулах которых двойные связи разделены простой связью (сопряженные двойные связи) – это

которые являются исходными веществами для получения каучуков.

Для образования двух двойных связей в одной молекуле необходимо по крайней мере три атома С. Простейшим представителем алкадиенов является пропадиен CH₂=C=CH₂.

Диеновые углеводороды могут различаться положением двойной связи в углеродной цепи:

Также возможна изомерия углеродной цепи.

Бутадиен-1,3 является простейшим сопряженным алкадиеном. В бутадиене-1,3 все четыре атома С находятся в состоянии sp²-гибридизации. Они лежат в одной плоскости и образуют скелет молекулы. Негибридные p-орбитали каждого атома С перпендикулярны плоскости скелета и параллельны друг другу, что создает условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание происходит не только между атомами С¹–С², С³–С⁴, но и частично между атомами С²–С³. При перекрывании четырех p-орбиталей происходит образование единого -электронного облака, т.е. сопряжение двух двойных связей (, -сопряжение).

Физические свойства. Бутадиен-1,3 при нормальных условиях – газ, который сжижается при t = 4,5 °С; 2-метилбутадиен-1,3 – летучая жидкость, кипящая при t = 34,1 °С.

Химические свойства. Диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями обладают высокой химической активностью.

• Они легко вступают в реакции присоединения, реагируя с водородом, галогенами, галогеноводородами и т.д.

Обычно присоединение происходит по концам молекул диенов. Так, при взаимодействии с бромом двойные связи разрываются, к крайним атомам С присоединяются атомы брома, а свободные валентности образуют двойную связь, т.е. в результате присоединения происходит перемещение двойной связи:

При избытке брома может быть присоединена еще одна его молекула по месту оставшейся двойной связи.

У алкадиенов реакции присоединения могут протекать по двум направлениям:

1) по месту разрыва одной двойной связи (1,2-присоединение):

2) с присоединением к концам молекулы и разрывом двух двойных связей (1,4-присоединение):

Преимущественное протекание реакции по тому или иному пути зависит от конкретных условий.

• Вследствие наличия двойных связей диеновые углеводороды довольно легко полимеризуются. Продуктом полимеризации 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) является полиизопрен – аналог натурального каучука:

Получение. Каталитический способ получения бутадиена-1,3 из этанола был открыт в 1932 г. Сергеем Васильевичем Лебедевым. По способу Лебедева бутадиен-1,3 получается в результате одновременного дегидрирования и дегидратации этанола в присутствии катализаторов на основе ZnO и Al₂O₃:

Но более перспективным методом получения бутадиена является дегидрирование бутана, содержащегося в нефтяных газах. При t = 600 °С происходит ступенчатое дегидрирование бутана при наличии катализатора:

Каталитическим дегидрированием изопентана получается изопрен:

Практическое значение. Диеновые углеводороды в основном применяются для синтеза каучуков:

Реакция полимеризации бутадиена-1,3:

Печатается с продолжением

Л.И.ПОПОВА,
учитель химии
(г. Новоуральск, Свердловская обл.)