Насичені вуглеводні – Алкани, циклоалкани, їх номенклатура. Ненасичені вуглеводні: алкени, алкіни, алкадієни, арени - номенклатура. Фізичні властивості вуглеводнів. Хімічні властивості та добування вуглеводнів. Полiмери
Тема 3: Вуглеводні: алкани, алкени, алкіни, алкадієни, арени.
1. Насичені вуглеводні – Алкани. Циклоалкани. Їх номенклатура.
2. Ненасичені вуглеводні: алкени, алкіни, алкадієни, арени. Номенклатура.
3. Фізичні властивості вуглеводнів.
4. Хімічні властивості та добування вуглеводнів.
5. Полiмери.
Запищіть тему заняття та питання до теми.
Складіть та заповніть таблицю:
«Характеристика Алканів, Алкенів, Алкінів».
1. Насичені вуглеводні
Алкани
Вуглево́дні – органічні речовини, аліфатичні, аліциклічні та ароматичні сполуки, до складу молекуляких входять лише атоми вуглецю і водню.
Гомологічні ряди – групи органічних сполук з однаковими хімічними властивостями й схожою будовою, що різняться однією або кількома групами -СН2 у складі вуглеводневої частини молекули. Гомологія – це явище, яке характерне для органічних сполук. Гомологи розташовані за зростанням їхньої молекулярної маси, утворюють гомологічний ряд.
Насичені вуглеводні (алкани, парафіни) – вуглеводні аліфатичного ряду, в молекулах яких атоми карбону зв’язані між собою простими ковалентними зв’язками.
Загальна формула CnH2n+ 2. Довжина зв’язку С–С становить 0,154нм, зв’язку С–Н – 0,109нм, валентний кут (кут між зв’язками С–С) у газоподібному стані 109°28′, у кристалічному стані кут збільшується на 2, а в деяких випадках і більше. Атоми карбону в насичених вуглеводнях можуть бути зв’язані між собою послідовно, складаючи нерозгалужений ланцюг, а починаючи з вуглеводня С4Н10, можуть мати як нерозгалужений, так і розгалужений ланцюг. Алкани з нерозгалуженим ланцюгом атомів карбону називають нормальними (n-алкани). Назви всіх членів гомологічного ряду мають групове закінчення –ан.
Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми вуглецю в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв'язками. Алкани називають також парафінами, насиченими вуглеводнями.
Гомологічний ряд алканів( СnH2n+2 )
(Гомологічний ряд метану)
Аліфатичні – з ланцюгом міжатомного вуглець-вуглецевого зв'язку нерозгалуженої або розгалуженої (з боковими ланцюжками) структури, з вільними кінцями, не замкнутими в кільце (цикл). Інша назва таких сполук – ациклічні або сполуки жирного ряду.
Аліциклічні – із замкненими в кільце ланцюгами атомів вуглецю.
Ароматичні – специфічні сполуки, які містять у своїй структурі цикли із шести атомів вуглецю, кожний з яких має формально тільки три рівноцінні валентності міжатомних зв'язків. Типовий представник – бензен (С6Н6).
Гетероциклічні – вуглеводневі сполуки, в циклі яких, крім вуглецю, є гетероатоми: кисень, азот, сірка. Типовий представник – фуран, у циклі якого чотири атоми вуглецю і один кисню.
Циклоалкани називають сполуки, що мають замкнуті ланцюги (від греч. циклос – коло). Молекули незаміщених циклоалканів складаються з замкнутих у цикл груп СН2.
Як і в молекулах алканів, атоми Карбону в молекулах циклоалканів зв'язані між собою s-зв'язками (стан sр3-гібридизації).
Загальна формула гомологічного ряду циклоалканів СnН2n. Молекула циклоалкана містить на два атоми Гідрогену менше, ніж алкан з тим же числом атомів Карбону. Назви циклоалканів утворюють шляхом додавання префікс "цикло" до назви відповідного алкана.
Для зображення циклоалканів часто використовують умовні формули, у яких опущені символи елементів, наприклад:
📷📷📷📷 СН2 Н2С СН2
чи чи
Н2С СН2 Н2С СН2
циклопропан циклобутан
📷 📷
циклопентан циклогексан
Ізомерія
Структурна ізомерія циклоалканів може бути обумовлена розміром циклу, розмірами і будовою бічних ланцюгів і їх положенням. Це можна проілюструвати на прикладі п'яти ізомерів складу С5Н10:
📷📷📷📷📷📷 – СН3 – СН3 СН3 СН3
📷 -С2Н5
– СН3
Цикло- метил етилцикло 1,2-ди- 1,1-диметил-
пентан циклобутан пропан метилцикло- цикло-
пропан пропан
Просторова ізомерія заміщених циклів обумовлена різним просторовим розташуванням бічних ланцюгів щодо циклу. Подібний тип стереоізомерії називають геометричною (цис-транс-ізомерією).
У циклічних сполуках вільне обертання навколо карбон-карбонових зв'язків кільця відсутне.. цис- та транс-ізомери не можуть легко переходити друг у друга; для цього необхідний розрив зв'язків циклу. Ці ізомери мають різні фізичні і хімічні властивості.
2. Ненасичені вуглеводні: алкени, алкіни, алкадієни, арени. Номенклатура.
Ненасиченими називаються вуглеводні, що мають хоча б один подвійний або потрійний (кратний) карбон-карбонний зв’язок.
Етиленові вуглеводні (алкени) – вуглеводні аліфатичного ряду, які містять один подвійний зв’язок –С=С–. Загальна формула алкенів СnH2n. Найпростішим представником цього гомологiчного ряду є етилен (етен) С2Н4.
За замісниковою номенклатурою IUPAC назви етиленових вуглеводнів утворюють від назв відповідних алканів, замінюючи суфікс –ан на –ен з позначенням положення подвійного зв’язку в ланцюгу вуглецевих атомів.
Ацетиленові вуглеводні(алкіни) – вуглеводні аліфатичного ряду, які містять один потрійний зв’язок –С≡С–. Загальна формула алкінів СnH2n-2. Найпростішим представником ряду є ацетилен (етин) С2Н2.
За замісниковою номенклатурою IUPAC назви цетиленових вуглеводнів утворюють від назв відповідних алканів, замінюючи суфікс –ан на –ин (-ін) з позначенням положення потрійногозв’язку в ланцюгу вуглецевих атомів.
Гомологічний ряд алкенів( СnH2n ) та алкінів ( СnH2n-2 ) де n ≥ 2
(Гомологічні ряди етилену та ацетилену)
Алкени Алкіни
формула назва формула назва
C2H4 Етен (етилен) C2H2 Етин (ацетилен)
C3H6 Пропен C3H4 Пропін
C4H8 Бутен C4H6 Бутін
C5H10 Пентен C5H8 Пентин
C6H12 Гексен C6H10 Гексин
C7H14 Гептен C7H12 Гептин
C8H16 Октен C8H14 Октин
C9H18 Нонен C9H16 Нонін
C10H20 Децен C10H18 Децін
Крім вуглеводнів з одним подвійним зв'язком, відомі вуглеводні з двома подвійними зв'язками. їх назви походять теж від назв насичених вуглеводнів, в яких закінчення -ан замінено на закінчення -діен на відміну від закінчення -ен у етиленових вуглеводнів (ди – два).
Наприклад:
бутан СН3—СН2—СН2—СН3,
бутилен СН3—СН2—СН=СН2 (один подвійний зв'язок)
і бутадієн СН2=СН—СН=СН2 (два подвійних зв'язки).
Тому вуглеводні з двома подвійними зв'язками називають дієновими. Ці вуглеводні більш ненасичені, ніж етиленові. їх склад виражається загальною формулою: СnН2n-2.
Два подвійних зв'язки в молекулах дієнових вуглеводнів можуть розміщуватись по-різному. Найбільше практичне значення мають ті дієнові вуглеводні, в молекулах яких подвійні зв'язки розділені одним одинарним зв'язком.
Серед таких вуглеводнів найважливіші бутадієн, або дивініл (С4Н6) і метилбутадієн, або ізопрен (С5Н8). Бутадієн (СН2=СН—СН=СН2) являє собою безбарвний газ з характерним запахом. При -4,5°С він скраплюється в безбарвну рідину. Його називають ще дивінілом, бо молекула бутадієну ніби складається з двох з'єднаних між собою радикалів етилену СН2=СН–, які називають вінілом. Ізопрен – безбарвна рідина, яка кипить при 34,1°С. Його називають ще метилбутадієном, бо він є заміщеним бутадієну.
Номенклатура Алкенiв та Алкiнiв:
Алгоритм складання назв Алкенiв та Алкiнiв:
1. Виділити ланцюг із найбільшою кількістю атомів Карбону –головний ланцюг, підкреслити його;
СН3 – СН = С – СН2 – СН – СН3
С2Н5 СН3
2. Нумерацію карбонiв головного ланцюга здійснюють за принципом найменших значень локантів, тобто положення подвійного зв’язку і замісників позначати найменшими цифрами, але перевагу у виборі початку нумерації треба віддавати подвійному (потрiйному) зв’язку.умеруємо атоми Карбону, з того боку головного ланцюга, де ближче розташовується радикал;
1 2 3 4 5 6
СН3 – СН = С – СН2 – СН – СН3
С2Н5 СН3
3. Визначаємо радикали – відгалуження від головного ланцюга. Радикали мають загальну формулу: CnH2n+ 1 та суфікс –ил ( - іл )
СН3• - метил; інші замісники:
С2Н5• - етил; Br – бромо;
С3Н7• - пропіл. Сl – хлоро;
1 2 3 4 5 6
СН3 – СН = С – СН2 – СН – СН3
С2Н5 СН3
4. В абетковій послідовності вказуємо місце розташування, кількість та назву радикалів. Якщо однакових радикалів 2 – записуємо «ди», 3 – «три», 4 – «тетра»;
1 2 3 4 5 6
СН3 – СН = С – СН2 – СН – СН3
С2Н5 СН3
3-етил-5-метил
5. Даємо назву головному ланцюгу – за кількістю атомів Карбону в головному ланцюзі. (В прикладі їх шість – це гексан ), але суфiкс –ан змiнюємо вiдповiднона –ен, якщо зв'язок подвiйний, на –ин (-iн) – якщо потрiйний. Перед суфiксом зазначаємо мiсцерозташування кратного зв'язку. Повна назва сполуки:
1 2 3 4 5 6
СН3 – СН = С – СН2 – СН – СН3
С2Н5 СН3
3-етил-5-метилгекс-2-ен
Між цифрами ставимо коми, між словами і цифрами записуємо дефіс, слова пишемо разом.
У випадку двох подвiйних зв'язкiв (дiєнових вуглеводнiв), назви складаються аналогычно до попереднього приклада ,але зазначаються мiсця розташування подвiйних зв'язкiв та додається закiнчення –дiєн.
1 2 3 4 5 6
СН3 – СН = С = СН – СН2 – СН3
Гекс-2,3-дiєн
3. Фізичні властивості вуглеводнів.
а) Фізичні властивості Алканiв
Алкани складають значну частину вуглеводнів нафт і природних горючих газів. Із нафти і горючих газів виділено всі алкани нормальної будови, від метану до тритриаконтану (С33Н68) включно. Оскільки алкани містять максимально можливу кількість водню в молекулі, то вони характеризуються найбільшою масовою теплотою згоряння (енергоємністю), а з ростом кількості атомів масова теплота згоряння алканів зменшується (в метану 50207 кДж/кг). Внаслідок низької густини об'ємна теплота згоряння алканів менша, ніж вуглеводнів іншої будови з такою ж кількістю вуглецевих атомів у молекулі. За агрегатним складом алкани діляться на газоподібні (С1-С4), рідкі (С5-С17) і тверді (починаючи з С18), що кристалізуються при 200°C.
Усі алкани дуже мало розчинні у воді.У неполярних рідинах між поверхнями молекул діють ван-дер-ваальсовы сили притягання. Чим більше молекула і її поверхня, тим сильніше міжмолекулярна взаємодія. Зі збільшенням відносної молекулярної маси температури кипіння підвищуються. Температури плавлення підвищуються з ростом розгалуження карбонового ланцюга.
Густина всіх алканів менше за одиницю. Вони практично нерозчинні у воді, однак розчинні в етерах й інших органічних розчинниках. Метан і етан майже позбавлені запаху, вуглеводні С3 – С15 мають запах бензину чи гасу, вищі члени ряду запаху не мають через малу леткість.
б) Фізичні властивості Циклоалканів
Перші два члени цього ряду – гази, С5-С10 – рідини, вищі – тверді речовини. Температури кипіння і плавлення циклоалканів як і їхньої густини, трохи вище, ніж в алканів з рівним числом атомів Карбону. Як і алкани, циклоалкани практично нерозчинні у воді.
в) Фізичні властивості Алкенiв
Фізичні властивості алкенів схожі на властивості алканів, хоча вони мають трохи нижчі температури плавлення й кипіння, ніж відповідні алкани. Наприклад, пентан має температуру кипіння +36°С, а пентен-1 – +30°С. За звичайних умов алкени С2–С4 – гази, С5–С15 – рідини, починаючи із С16 – тверді речовини. Алкени нерозчинні у воді, добре розчиняються в органічних розчинниках.
Найперший представник Алкенiв – етен або етилен – це безбарвний газ із дуже слабким солодкуватим запахом, трохи легший за повітря, малорозчинний у воді, добре розчинний в органічних розчинниках; tплавл = –169,2°С; вибухонебезпечний.
г) Фізичні властивості Алкiнiв
При звичайних умовах С2–С4 – гази, С5–С16 – рідини, починаючи із С17 – тверді речовини. Температури кипіння алкінів вищі, ніж у відповідних алкенів. Так, етилен має температуру кипіння –103°С, ацетилен кипить при –83,6°С; пропен і пропін відповідно при –47°С і –23°С.
Розчинність нижчих алкінів у воді трохи вища, ніж алкенів та алканів, однак дуже мала. Алкіни добре розчиняються в різних органічних розчинниках.
Найперший представник Алкiнiв – етин або ацетилен, безбарвний газ; майже без запаху; малорозчинний у воді, але під тиском добре розчиняється у ацетоні; tкип = –84°С; легший за повітря; вибухонебезпечний
д) Фізичні властивості Аренiв
Перші члени гомологічного ряду бензену – безбарвні рідини зі специфічним запахом. Вони легші за воду й у ній не розчиняються. Добре розчиняються в органічних розчинниках і самі є гарними розчинниками для багатьох органічних речовин. Бензен має характерний, досить приємний запах, але при цьому є дуже токсичним.
Вдихання парів бензену викликає запаморочення й головний біль. При високих концентраціях бензену можливі випадки втрати свідомості. Його пари подразнюють очі й слизову оболонку. Рідкий бензен проникає в організм через шкіру, і це може призвести до отруєння. У жодному разі не можна пити бензен. Це дуже небезпечно, тому, працюючи з бензеном (та його гомологами), слід бути дуже обережним.
4. Хімiчні властивості вуглеводнів.
У хімічному відношенні алкани – інертні речовини через це ïх навiть називають – парафiни (від лат. parrum affinis — «малоактивний»), що визначається міцністю зв'язків вуглець–вуглець і вуглець–водень. Крім того, ці зв'язки малополярні, тому для алканів будуть характерні реакції, що відбуваються з гомоллітичним розривом зв'язків.
Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами.
Метан являє собою малоактивну в хімічному відношенні речовину. При звичайних умовах він досить стійкий до дії кислот, лугів і окисників. Так, при пропусканні метану через розчин KMnO4, який є досить сильним окисником, він не окислюється і фіолетове забарвлення розчину не зникає. В реакції приєднання (сполучення) метан не вступає, оскільки в його молекулі всі чотири валентності атома вуглецю повністю насичені. Для метану, як і інших насичених вуглеводнів, типовими є реакції заміщення, при яких атоми водню заміщаються атомами інших елементів або атомними групами. Характерна для метану також реакція з хлором, яка відбувається при звичайній температурі під впливом розсіяного світла (при прямому сонячному світлі може статися вибух).
В складі ненасичених вуглеводнів визначним є кратний зв’язок. Подвійний зв’язок складається з одного σ-зв’язку і одного📷-зв’язку. За своєю природою 📷-зв’язок різко відрізняється від σ-зв’язку – 📷-зв’язок менш міцний внаслідок перекривання електронних хмар поза площиною молекули. І хоча подвійний зв’язок зображується двома однаковими рисками, завжди слід враховувати їх нерівноцінність.
Потрійний зв’язок складається з одного σ-зв’язку і двох 📷-зв’язків. Це зумовлює деякі специфічні властивості ацетилену та його гомологів.
Як випливає з електронної будови, кратні зв’язки (подвійні та потрійні) порівняно легко (легше, ніж одинарні) розриваються при хімічній взаємодії.
Тому для ненасичених сполук більш характернi реакцiï приєднання, наприклад: гідрування, галогенування, гідроген галогенування та гiдротацiя.
а) Хімiчні властивості Алканiв
Для алканів характерні такі реакції:
1. Окиснення.
а) горіння – повне окиснення – при надлишку кисню:
Алкани горять на повітрі з виділенням великої кількості теплоти:
CH4 + 2O2→CO2 + 2H2O;
C3H8 + 5О2→ 3СО2 + 4Н2О.
б) окиснення при недостачі кисню, відбувається з утворенням чадного газу:
2CH4 + 3O2→2CO + 4H2O;
На реакціях горіння алканів ґрунтується їх застосування як палива. При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окислити до органічних кислот. З повітрям метан утворює вогненебезпечну вибухову суміш.
2. Для алканів характерні реакції заміщення:
а) Галогенування.
Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом. Розглянемо як приклад хлорування метану. На світлі відбувається гомолітичний розрив молекул хлору з утворенням радикалів Cl• , і далі реакція відбувається за ланцюговим механізмом:
І CH4 + Cl2 → CH3Cl+ HCl
ІІ CH3Cl+ Cl2 → CH2Cl2+ HCl
ІІІ CH2Cl2+ Cl2 → CHCl3+ HCl
IVCHCl3+ Cl2 → CCl4+ HCl
CH4+ 4Cl2 → CCl4+ 4HCl
Продуктами реакції можуть бути CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 і ССІ4. Кожний з названих продуктів можна виділити.
б) Нітрування.
Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H2O.
Ці реакції відкриті російським хіміком М. І. Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова. Нітрування можна здійснювати не тільки азотною кислотою, а й оксидами азоту NO2 або N2O4.
3. Взаємодія з водяною парою.
Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі – конверсія метану з водяною парою:
СН4 + Н2О → СО + 3Н2.
Реакція відбувається при наявності каталізатора. Її продуктом є синтез-газ – суміш оксиду вуглецю з воднем. Синтез-газ широко використовується в органічному синтезі.
4. Крекінг.
Розщеплення молекул органічних сполук з розривом зв'язків вуглець – вуглець під дією високих температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів вуглецю і ненасичені сполуки, наприклад:
С4Н10→ СН4 + С3Н6 або С4Н10→ С2Н6 + С2Н4
5. Термiчний розклад.
При нагріванні метану без доступу повітря до температури вище 1000°C він розкладається на елементи — на вуглець (сажу) і водень:
CH4→ С + 2Н2
Добування Алканiв.
Промислові способи добування алканів ґрунтуються на виділенні їх з природних речовин, переважно нафти і природного газу.
Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею, є метан; його об`ємна частка може становити до 98 %. З природних газів можна виділити також етан, пропан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.
1.Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:
С + 2Н2→ СН4.
2. Синтез алканів зі допомогою синтез-газу. Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля. Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші карбон (ІІ) оксиду з воднем над каталізатором:
nСО + (2n + 1)Н2→ СnН2n+2 + nН2О
3.У лабораторних умовах метан можна добути, використовуючи такі реакції, як
а) розкладання карбіду алюмінію водою:
Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3
б)сплавляння ацетату натрію з лугом (звичайно беруть натронне вапно - суміш NaOH і Ca(OH)2]:
СН3COONa + NaOH→CH4 + Na2CO3
4. Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галогенопохідні вуглеводнів, наприклад:
2C2H5Cl + 2Na→C4H10 + 2NaCl.
Реакції такого типу називаються реакцією Вюрца.
б) Хімічні властиості Циклоалканів
При вивченні циклоалканів було встановлено, що їхні хімічні властивості залежать насамперед від розміру циклу. При цьому звичайно розрізняють сполуки з малими циклами (С3-С4), зі звичайними циклами (С5-С7), із середніми циклами (С8-С11) і з великими циклами (від С12 і вище), які називаються також макроциклічними. Особливістю малих циклів є їх менша стійкість у порівнянні з іншими циклічними сполуками.
За хімічним характером малі цикли схильні до реакцій приєднання, у результаті яких відбувається розрив циклу й утворюються алкани і їхні похідні, чим вони нагадують ненасичені сполуки. Цикли з великим числом ланок більш схильні до реакцій заміщення, нагадуючи цим алкани.
1. Галогенування
Циклопропан і його похідні легко приєднують бром з розривом циклу, утворюючи 1,3-дибромпохідні алканів:
📷
+ Br2 ® ВrСН2 – СН2 – СН2Вr.
Більш велика стійкість циклобутану в порівнянні з циклопропаном виявляється в тому, що він приєднує бром важко – лише при підвищених температурах, утворюючи 1,4-дибромбутан:
📷
+ Br2 ® ВrСН2 – СН2 – СН2 – СН2Вr.
У циклопентані, циклогексані та вищих циклоалканах при дії галогенів розриву кільця не відбувається, а йде реакція заміщення атомів водню на галоген:
📷
+ Br2 ® – Br + НВr.
гексан бромогексан
2. Гідрогалогенування
Циклопропан і його алкилпохідні легко приєднують іодоводень з розмиканням циклу й утворенням алкиліодида:
📷
+ НI ® сI.
пропиліодид
З циклобутаном ця реакція йде важко, при нагріванні. Циклопентан і вищі цикли не приєднують галогеноводнів.
3. Гідрування
Дія водню добре ілюструє поступове підвищення стійкості циклів від тричленного до шестичленного: для розмикання таких циклів під дією водню над нікелевим каталізатором потрібно усе більш висока температура (для циклопропану – 120 °С, для циклобутану – 180 °С, для циклопентану – 300 °С).
📷
+ Н2 ® СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3
📷Циклогексан у цих умовах не розмикається, а дегідрується з утворенням бензену.
📷
® + 3 Н2
4. Окиснювання
Циклопропан і його похідні повільно окиснюються при нормальній температурі розчином перманганату калію в нейтральному чи лужному середовищах. При дії більш сильних чи окиснювачів при нагріванні окислнюються й інші циклоалкани. При цьому відбувається розрив циклу і утворення двоосновних кислот з тим же числом атомів Карбону:
📷
📷 + [О] ® СН2-СН2—СООН
СН2-СН2—СООН
циклогексан адипінова кислота
5. Нітрування
Циклоалкани, що мають п'яти- і шестичлені цикли, нітруються в тих же умовах, що й алкани. Практичне значення має нітроциклогексан, з якого можна одержати капролактам, що є сировиною для виробництва синтетичного волокна капрон.
Температури кипіння циклоалканів вищі, ніж у відповідних алканів. Це пов'язано з щільнішою упаковкою і сильнішими міжмолекулярними взаємодіями циклічних структур.
Хімічні властивості циклоалканів сильно залежать від розміру циклу, що визначає його стійкість. Трьох- і чотирьохчленні цикли (малі цикли), будучи насиченими, проте, різко відрізняються від решти всіх насичених вуглеводнів. Валентні кути в циклопропані і циклобутані значно менші нормального тетраедричного кута 109°28’, властивого sp3-гибридизованому атому Карбону.
Це приводить до великої напруженості таких циклів і їх прагнення до розкриття під дією реагентів. Тому циклопропан, циклобутан і їх похідні вступають в реакції приєднання, проявляючи характер ненасичених сполук. Легкість реакцій приєднання зменшується із зменшенням напруженості циклу в ряду:
циклопропан > циклобутан >> циклопентан.
Найбільш стійкими є 6-членні цикли, в яких відсутні кутове і інші види напружень
Малі цикли (С3 – С4) досить легко вступають в реакції гідрування. Циклопропан і його похідні приєднують галогени і галогеноводні (приєднання галогеноводнів відбувається за правилом Марковникова).
У інших циклах (починаючи з С5) кутова напруженість знімається завдяки неплоскій будові молекул. Тому для циклоалканів (С5 і вище) унаслідок їх стійкості характерні реакції, в яких зберігається циклічна структура, тобто реакції заміщення.
Ці сполуки, подібно до алканів, вступають також в реакції дегідрування, окислення у присутності каталізатора і ін.
Така різка відмінність у властивостях циклоалканів залежно від розмірів циклу приводить до необхідності розглядати не загальний гомологічний ряд циклоалканів, а окремі їх ряди за розмірами циклу. Наприклад, в гомологічний ряд циклопропану входять: циклопропан С3Н6, метилциклопропан С4Н8, етилциклопропан С5Н10 і т.д.
Перегрупування циклоалканів із зменшенням або збільшенням циклу в присутності кислот Льюїса (AlCl3).
Добування Циклоалканів
Загальним способом одержання циклоалканів є дія металів на дигалогенпохідні алканів. Так, з 1,3-дибромпропану дією цинку можна одержати циклопропан (синтез Г. Г. Густавсона):
📷📷 СН2Вr СН2
Н2С +Zn ® Н2С + ZnВr2.
СН2Вr СН2
Для цих реакцій застосовують також металевий натрій. Відомі й інші реакції замикання циклу, що приводять не до відповідних циклоалканів, а до їх похідних.
Сполуки ряду циклогексану найчастіше одержують гідруванням легкодоступних сполук ряду бензену. Важливим прикладом такої реакції є одержання в промисловості чистого циклогексану з бензену:
📷 С6Н6 H2/Nі, 200 °З, P С6Н12.
Хімiчні властивості Алкенiв та Алкiнiв
1. Реакції окиснення
а) Горіння або повне окиснення
С2Н4 + 3О2 → 2СО2 + 2Н2О +Q світне полум’я
2С2Н2 + 5О2 → 4СО2 + 2Н2О +Q кіптяве полум’я
Проблемне питання:
Чому етан горить майже безбарвним полум’ям, алкени – світнім, а алкіни – кіптявим?
2∙Ar (C) 24
📷📷W(C) = = = 0,80 або 80%
Mr (C2H6) 30
2∙Ar (C) 24
📷📷W(C) = = = 0,86 або 86%
Mr (C2H4) 28
2∙Ar (C) 24
📷📷W(C) = = = 0,92 або 92%
Mr (C2H2) 26
Чим більша масова частка Карбону, тим більш кіптявим буде полум’я. У етану масова частка Карбону найменша – Карбон швидко згорає (етан горить безбарвним полум’ям). У етану масова частка Карбону більша, тому перед тим як згоріти Карбон розжарюється (ми бачимо світне полум’я). У ацетилена масова частка Карбону найбільша, тому Карбон не весь згорає через нестачу кисню (ми бачимо кіптяве полум’я).
📷б) Часткове окиснення:
Якісна реакція на кратний зв’язок. Фіолетовий колір калій перманганату знебарвлюється.
КMnO4
С2Н4 + Н2О + О —→ CH2 – CH2
| |
OH OH (етиленглiколь)
2. Реакції приєднання
а) Приєднання водню ( гідрування, гідрогенізація)
Кат
СН2 = СН2 + Н2 → СН3 – СН3
етен етан
Кат
СН ≡ СН + Н2 → СН2 = СН2
📷 ацетилен етен
Кат
СН ≡ СН + 2 Н2 → СН3 – СН3
ацетилен етан
б) Приєднання галогенів (галогенування)
Якісна реакція на кратний зв’язок. Бурий колір брому знебарвлюється:
СН2 = СН2 + Br2 → СН2Br – СН2Br
СН ≡ СН + Br2 → СН2 Br = СН2 Br
СН ≡ СН + 2Br2→ СНBr2 – СНBr2
в) Приєднання галогеноводнів (гідрогалогенування, гідрогенгалогенування)
СН2 = СН2 + НBr → СН3 – СН2Br
СН ≡ СН + НBr → СН2 = СНBr
Реакцiя вiдбувається за правилом Марковнікова: У результаті приєднання галогеноводнів до несиметричних алкенів Гідроген приєднується до найбільш гідрогенізованого атому Карбону.
г) Приєднання води (гідратація)
СН2 = СН2 + Н2О → СН3 – СН2ОН
Добування
У природі алкени зустрічаються рідко. Зважаючи на те, що алкени є цінною сировиною для промислового органічного синтезу, на сьогодні розроблено багато способів їхнього добування.
1. Дегідрування алканів (відщеплення водню)
кат
С2Н6 → С2Н4 + Н2
кат
С2Н6 → С2Н2 + 2Н2
2. Етилен добувають нагріванням етилового спирту з концентрованою сульфатною кислотою (Н2SO4 конц) – реакцiєю дегідратаціï.
Н2SO4 t
С2Н5ОН —→ С2Н4 + Н2O
3. Ацетилен добувають з кальцій карбіду:
СаСО3 → СаО + СО2
СаО + 3С → СаС2 + СО
СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2
4. Ацетилен добувають термічним розкладом метану.
1500°С
2СН4 —→ С2Н2 + 3Н2
в) Хімiчні властивості бензену
Бензольне ядро має високу міцність, чим і пояснюється схильність ароматичних вуглеводнів до реакцій заміщення. На відміну від алканів, які також схильні до реакцій заміщення, ароматичні вуглеводні характеризуються більшою рухливістю атомів Гідрогену в ядрі, тому реакції галогенування, нітрування, сульфірування та інші відбуваються у значно більш м’яких умовах, ніж в алканів.
1. Електрофільне заміщення в бензені
Незважаючи на те що бензен за складом є ненасиченою сполукою, для нього не характерні реакції приєднання. Типовими реакціями бензольного кільця є реакції заміщення атомів Гідрогену – реакції електрофільного заміщення.
Розглянемо приклади найбільш характерних реакцій цього типу.
а) Галогенування.
Під час взаємодії бензену з галогеном (у цьому випадку – з хлором) атом Гідрогену ядра заміщається галогеном:
📷
Реакції галогенування здійснюються в присутності каталізатора; як такий найчастіше використовують хлориди Алюмінію або Феруму.
б) Нітрування.
У разі дії на бензен нітрувальної суміші, атом Гідрогену заміщається нітрогрупою (нітрувальна суміш – це суміш концентрованих нітратної та сульфатної кислот у співвідношенні 1:2 відповідно).
📷
Сульфатна кислота в цій реакції відіграє роль каталізатора й засобу, що відщеплює воду.
в) Алкілування (реакція Фріделя–Крафтса).
У процесі дії на бензеналкілгалогенідів у присутності каталізатора (алюміній хлориду) відбувається заміщення алкілом атома Гідрогену бензольного ядра.
📷
Слід відзначити, що реакція алкілування є загальним способом одержання гомологів бензену — алкілбензенів.
Незважаючи на схильність бензену до реакцій заміщення, він у жорстких умовах вступає також у реакції приєднання.
г) Гідрування
Це приєднання водню здійснюється виключно в присутності каталізаторів і за підвищеної температури. Бензенгідрується з утворенням циклогексану, а похідні бензену дають похідні циклогексану.
📷
д) Хлорування
На сонячному світлі під впливом ультрафіолетового випромінювання бензен приєднує хлор і бром з утворенням гексагалогенідів, які внаслідок нагрівання втрачають три молекули галогеноводню й утворюють тригалогенбензени.
📷
е) Окиснення.
Бензольне ядро є більш стійким до окиснення, ніж алкани. Навіть калій перманганат, нітратна кислота, гідроген пероксид за звичайних умов на бензен не діють. У разі ж дії окисників на гомологи бензену найближчий до ядра атом Карбону бічного ланцюга окислюється до карбоксильної групи й утворює ароматичну кислоту.
Взаємодія бензену з розчином калій перманганату:
📷
За наявності в бензольному кільці кількох замісників можна окислити послідовно всі наявні ланцюги. Ця реакція застосовується для визначення будови ароматичних вуглеводнів.
2. Реакцiï бензольному кільці
а) Заміщення атомів Гідрогену в бензольному кільці
(відбувається легше, ніж в алканів)
📷
📷
б) Приєднання (відбувається важче, ніж в алкенів)
📷
Одержання
1. Каталітична дегідроциклізація алканів, тобто відщеплення водню з одночасною циклізацією (спосіб Б. О. Казанського й А. Ф. Плате). Реакція здійснюється за підвищеної температури з використанням каталізатора, наприклад хром оксиду.
📷
2. Каталітичне дегідрування циклогексану та його похідних (М. Д. Зелінський). Як каталізатор використовується паладієва чернь або платина за температури 300°С.
📷
3. Циклічна тримеризація ацетилену та його гомологів над активованим вугіллям за температури 600 °С (М. Д. Зелінський).
📷
4. Сплавлення солей ароматичних кислот з лугом або натронним вапном.
📷
5. Алкілування власне бензену галогенопохідними (реакція Фріделя – Крафтса) або олефінами.
📷
5. Полiмери.
Вихідним мономером для синтезу поліетилену у промисловості є етилен. Етилен у промислових масштабах добувають з газів крекінгу і піролізу нафтопродуктів та коксових газів. Як каталізатор цієї реакції використовують алюміній оксид чи сульфатну кислоту.
Синтез поліетилену.
У 1873 р. полімеризацію етилену вперше вивчав А. М. Бутлеров, а в 1884 р. її здійснив російський хімік Р. Р. Густавсон, застосовуючи в якості каталізатора алюміній бромистий. Отримані полімери етилену представляли низькомолекулярні рідкі продукти. Надалі в різних країнах світу багато вчених займалися проблемою полімеризації етилену в високомолекулярні продукти. І лише в 1933-1936 рр. в СРСР та Англії вдалося отримати при тиску понад 100 МПа і температурі близько 200°С тверді високомолекулярні полімери етилену. Промислове виробництво поліетилену почалося в 1938 р. в Англії методом високого тиску, дещо пізніше – в Німеччини, США і СРСР.
Технологічний процес виробництва поліетилену методом високого тиску складний тим, що потрібно вести полімеризацію в апаратурі, витримує великі тиску; виникає потреба в неодноразовому циркуляції етилену в реакційній системі через невисокий ступiнь перетворення і т. д. Ці обставини змусили шукати нові шляхи полімеризації етилену. Великою подією стало відкриття в 1952 р. групою німецьких вчених методу полімеризації этилена при нормальному тиску в присутності комплексних металоорганічних каталізаторів.
Є також повідомлення про отримання поліетилену принципово новими способами полімеризації під дією проникаючих випромінювань або електричних розрядів і т. д. Але в даний час промислове виробництво поліетилену здійснюється трьома методами:
1) полімеризацією етилену при тиску 120–250 МПа в присутності невеликих кількостей кисню в якості каталізатора;
2) полімеризацією етилену при низькому тиску (0,05–0,6 МПа) з використанням комплексних металлоорганiчних каталізаторів;
3) полімеризацією етилену при середньому тиску (3,5–7 МПа) вуглеводневих розчинниках із окненомс-таллическими каталізаторами. Цей метод не отримав у нас широкого розповсюдження.
Реакцiя полiмеризацiï
Наявність двох зв’язків між атомами Карбону визначає ще одна цікава властивість ненасичених вуглеводнів: вони здатні з’єднуватися між собою в дуже довгі молекули – ланцюжки – полімери.
Розглянемо як це відбувається на прикладі етену: За певних умов, зокрема за підвищеної температури й тиску, може відбуватися розрив одного із двох зв’язків.
📷
Цей процес відбувається одночасно з дуже великою кількістю молекул. Одержувані при цьому неспарені електрони різних молекул можуть утворювати зв’язки:
📷
У результаті утворюється ланцюжок, який складається із сотень і навіть тисяч молекул. Цю гігантську молекулу називають макромолекулою, або полімером. Назва полімеру походить від назви тієї речовини, яка вступала в реакцію полімеризації, із префіксом полі-. У нашому випадку це етилен, тому назва полімеру – поліетилен. Процес одержання полімеру називають реакцією полімеризації.
Рівняння утворення поліетилену записують так:
📷
У цьому записі коефіцієнт n – це число, яке показує, скільки молекул етену вступило в реакцію полімеризації, й називається ступенем полімеризації.
Речовина, що вступає в цю реакцію, у цьому випадку етен, називається мономер; те, що одержали – полімер, а та частина полімеру, що весь час повторюється й відповідає мономеру, – структурна ланка.
У результаті утворюється така молекула:
📷
Залежно від ступеня полімеризації з одних і тих самих мономерів можна одержувати речовини з різними властивостями. Наприклад:
- поліетилен з короткими ланцюгами (п = 20) є рідиною, яка має мастильні властивості;
- поліетилен з довжиною ланцюга 5–6 тис. ланок являє собою твердий, але гнучкий пластичний матеріал, з якого можна одержувати плівки, виготовляти пляшки та інші вироби;
- поліетилен з довжиною ланцюга 1500–2000 ланок є твердою речовиною, з якого можна виробляти литі вироби, міцні нитки.
У полімерному матеріалі довгі нитки макромолекул переплетені між собою. Однак під час нагрівання нитки будуть розплітатися, зв’язки розриватимуться й полімер зруйнується. Так, поліетилен за температури близько 110 °С починає розм’якшуватися й утрачає свою форму, а за подальшого нагрівання зруйнується.
Властивості поліетилену.
Поліетилен – тверда, роговидна речовина молочно – білого, а іноді жовтувато білого кольору. За зовнішнім виглядом і на дотик нагадує парафін. У звичайних умовах він досить стійкий проти дії кислот ( за винятком нітратної кислоти), лугів і органічних розчинників. При нагріванні до 800С , він може розчинятися у тетрахлорометані, бензолі, толуолі, ксилолі. Поліетилен стійкий проти дії низьких температур ( до – 700С), газо- і водонепроникний, має добрі електроізоляційні властивості.
📷
Поліетилен – типовий, наполовину кристалічний, полімер, в якому одночасно поєднуються кристалічна й аморфна фази.
Під впливом тепла і сонячного проміння на повітрі поступово окислюється ( старіє), внаслідок чого погіршуються його фізико – механічні властивості.
Стійкість проти окиснення можна підвищити введенням анти окиснювачів. Стабілізуючу властивість проявляє також сажа, додають в межах 2%.
При радіоактивному опроміненні підвищується теплостійкість, але зменшується еластичність і розчинність.
Використання поліетилену
Випускають у гранулах і у вигляді плівок. Виготовляють вироби шляхом штампування, пресування, лиття під тиском і дуття.
📷
Використовується як ізоляційний матеріал при виготовленні різних деталей радіотехнічної апаратури, для ізоляції електричних кабелів, особливо для високочастотних ліній і тих, які прокладають під землею і водою. З поліетилену виробляють вентилі, клапани,крани для хімічних апаратів, хімічний посуд для зберігання мінеральних кислот і лугів. Широко використовують для виробництва водопровідних, каналізаційних та інших видів труб, які значно легші за металеві, стійкі проти корозії і не лопають при замерзанні в них води. Виготовляють значну кількість кухонного посуду: миски, хлібниці, глечики, відра…
Газонепроникну плівку поліетилену використовують як чудовий пакувальний матеріал для харчових продуктів і галантерейних виробів. Її також широко використовують у сільському господарстві для покриття оранжерей, теплиць і парників.
Полімери галогенопохідних вуглеводнів
Полівінілхлорид.
Вихідним продуктом для синтезу полівінілхлориду є вінілхлорид СН2 = СНСl. За нормальних умов вінілхлорид – це безбарвний газ з температурою кипіння –140С і температурою плавлення –1590С. Він має специфічний ефірний запах і проявляє наркотичну дію.
Основну масу полівінілхлориду випускають у вигляді білого аморфного порошку, густина якого становить 1,4 г/см3 і температура розм’якшення близько 850С.
📷Полімер характеризується високою полідисперсністю. Ступінь полімеризації для різних фракцій одного і того самого полімеру становить 100–2500. Чим більше високомолекулярних фракцій, тим вища еластичність і морозостійкість. Молекулярна маса становить 18000 – 70 000 і залежить від способу і режиму полімеризації.
Низькомолекулярні полімери хлорвінілу розчиняються в ацетоні, складних ефірах і кетонах. Полівінілхлорид стійкий проти дії кислот, лугів, спиртів, насичених вуглеводнів, нерозчинний у воді.
📷Полівінілхлорид належить до групи термопластичних смол і є основою у виробництві двох видів пластмас – вініпласту і пластикату. Вініпласт – жорсткий , пружний матеріал. Він не горить, висока хімічна стійкість і механічна міцність. Випускають і вигляді плівок, листів, трубок, стержнів. Плівки використовують як антикорозійний і електроізоляційний матеріал, а також для упаковки різних продуктів і матеріалів. Виготовляють: різні комунікації, вироби, деталі, труби для транспортування агресивних речовин та порівняно у високих температурах. Ним замінюють скло, кераміку, дерево, сталь.
Недоліками вінілпласту є його невисока теплоємність, крихкість при низьких температурах і зниження механічних властивостей при тривалому використанні.
Тренувальні вправи:
3.1. Із переліку речовин випишіть формули речовини за варіантом та дайте їм назви:
І вар. Алкани; ІІ вар. Алкени; ІІІ вар. Алкіни
а) С2Н5ОН, С3Н7СООН, С8Н14, С2Н5СОН, С3Н6, С10Н22, С7Н15ОН, С8Н17СОН, С4Н10, С6Н13СООН, С2Н2.
б) СН3СОН, С6Н14, С6Н10, С3Н7ОН, СН3СООН, С6Н6, С5Н11СОН, С5Н11СООН, С2Н6, С8Н17ОН, С9Н16.
в) С2Н5СООН, С6Н10, С3Н7СОН, СН3ОН, С4Н8, С8Н17СООН, С9Н20, С7Н15СОН, С3Н4, СН4, С6Н13ОН.
г) С4Н10, С5Н10, С4Н9СООН, НСОН, С4Н9ОН, С5Н12, С7Н14, С5Н11СОН, С9Н21ОН, С3Н4, НСООН.
3.2. Дайте назви органічним сполукам, вкажіть ізомери та гомологи:
а) СН2 = СН2
б) СН3 – СН – СН2 – С = СН – СН3
СН3 С2Н5
в) СН2 – СН3
СН3
г) СН2 = С – СН2 – С– СН3
СН3 С2Н5
3.3. Напишіть формули алкенів за їх назвами:
а) 3,5-діетилгекс-1-ен;
б) 2-метилпент-2-ен;
в) 3-етил-2-метилгекс-1-ен.
3.4. Напишіть рівняння реакцій, що лежать в основі схеми. Вкажіть умови їх проходження та тип реакцї:
а) Н2 → CH4 → CH3Cl → C2H6 → СО2;
б) Al4C3 → CH4 → CH3Br → CH2Br2 → CHBr3 → CHBr4;
в) CH4 → СН3Сl → С2Н6 → С2Н4 → С2Н5ОН→ СО2
Перевірте свої знання:
Поміркуйте, яки слова потрібні замість крапок в реченнях:
1. Доказом наявності в органічних сполуках атомів Гідрогену, при окисненні, є виділення … і … .
2. Гомологи метану відрізняються між собою на … … .
3. У молекулах алканів навколо карбон-карбонових зв'язків можливе … обертання;
4. Для алканів характерні реакції … , а для адкенів – … .
5. Реакція гідрогенізації це прєднання … .
6. Сполуки, що мають подібну будову молекул і подібні хімічні властивості та різняться між собою за складом на одну чи кілька груп СН2, називають – … .
7. … сполуки алкани ще можно назвати парафінами.
8. Доказом наявності в органічних сполуках атомів Карбону, при окисненні, є виділення … .
9. Органічні сполуки, які мають однакову молекулярну формулу, але різну будову, а тому і властивості називають … .
10. Вид ізомерії, характерний виключно для алкенів, це – … .
Домашнє завдання:
1. Прочитайте запропонований матеріал.
2. Вивчіть записаний на занятті матеріал.
3. Дайте назви органічним сполукам, вкажіть ізомери та гомологи:
а) СН = С – СН2 – СН – СН2 – СН3
СН3 С2Н5
б) СН = СН2
СН3
СН3
в) СН3 – СН – С – СН = СН2
СН3 С2Н5
г) СН2 = СН2
4. Напишіть формули сполук за їх назвами:
а) 3,3-диметилбут-1-ин;
б) 4-етил-2-метилпент-1-ен;
в) 2,4-диметилгексан.
5. Напишіть рівняння реакцій, що лежать в основі схеми. Вкажіть умови їх проходження та тип реакцї:
Al4C3 → CH4 → CH3Br → C2H6 → С2Н4 → С2Н5ОН→ Н2О
Конспект
повинен включати такі опорні кейси:
1. Заповнену таблицю: "Характеристика алканів, алкенів, алкінів".
2. Записати визначення - полімери, та реакцію полімеризації.
3. Завдання з методичного посібника: 3 - 5 с.81
Comentarios