Экспериментальная часть
ОПЫТ 1. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАНА И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ
Реактивы и материалы: уксуснокислый натрий (обезвоженный); натронная известь; бромная вода, насыщенный раствор; перманганат калия, 1н раствор.
Оборудование: штатив; спиртовка; пробирка с газоотводной трубкой.
Получение метана и его строение. В сухую пробирку I, снабженную пробкой с газоотводной трубкой, помещают смесь из обезвоженного уксуснокислого натрия и натронной извести (Са(ОН)2 + NаОН) (примерно 1 : 2), высота слоя 6…10 мм. Затем укрепляют пробирку горизонтально в штатив и нагревают смесь в пламени спиртовки.
При нагревании натриевой соли уксусной кислоты с натронной известью происходит расщепление соли с образованием метана:
СH3COONa + NaOH → CH4↑ + Na2CO3
Поджигают выделяющийся газообразный метан у конца газоотводной трубки, метан горит голубоватым несветящимся пламенем:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
Нагревание натриевых солей карбоновых кислот с натронной известью является общим лабораторным способом получения предельных углеводородов.
Отношение метана к бромной воде и перманганату калия. В пробирку II помещают 5 капель раствора перманганата калия и в пробирку III 3…5 капель бромной воды. Не прекращая нагревания смеси в пробирке I, вводят поочередно конец газоотводной трубки в пробирки II, III. Обесцвечивание растворов перманганата калия и бромной воды не происходит. Почему?
ОПЫТ 2. БРОМИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
(опыт проводить в вытяжном шкафу).
Реактивы и материалы: жидкие алканы (пентан, гексан); раствор брома в органическом растворителе; аммиак 25 %-ный раствор; лакмусовая бумага (синяя).
Оборудование: пробирка; пинцет; стеклянная палочка.
В сухую пробирку помещают 4 капли смеси пентана и гексана и добавляют 1…2 капли раствора брома. Содержимое пробирки перемешивают на холоде. Почему окраска брома при этом не изменяется? Нагревают содержимое пробирки до исчезновения окраски. В отверстие пробирки вносят стеклянную палочку, смоченную раствором аммиака – появляется белый дымок – NH4Br:
HBr + NH3 → NH4Br
Пинцетом вносят в пробирку синюю лакмусовую бумагу, смоченную водой – лакмусовая бумага краснеет. Объясните почему?
ОПЫТ 3. ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛЕНА И ЕГО ГОРЕНИЕ
Реактивы и материалы: этиловый спирт 96 %-ный; серная кислота, ρ = 1,84 г/см3; бромная вода, насыщенный раствор; раствор перманганата калия 0,1 н. раствор.
Оборудование: песок; пробирка с газоотводной трубкой; спиртовка.
В сухую пробирку помещают несколько крупинок песка, 6 капель этилового спирта и 8 капель концентрированной серной кислоты. Закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагревают смесь над пламенем спиртовки.
Концентрированная серная кислота является окислителем. При нагревании смеси спирта с концентрированной серной кислотой кроме этилена и следов диэтилового эфира (С2Н5)2О, также образуется ряд продуктов окисления органических соединений, например, СО2, уголь С (обычно смесь в пробирке чернеет). Серная кислота при этом восстанавливается углеродом до диоксида серы:
2H2SO4 + C → CO2 + 2SO2 + 2H2O.
Если реакцию вести в присутствии песка, сульфата алюминия (катализаторы, ускоряющие дегидратацию спирта), диоксид серы не образуется, следовательно, почернение смеси не происходит.
Выделяющийся газ поджигают у конца газоотводной трубки – он горит светящимся пламенем.
Выделяющийся этилен горит светящимся пламенем:
Уравнение реакции:
CH2 ═ CH2 + 3О2 → 2СО2 + 2 Н2О.
ОПЫТ 4. ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ЭТИЛЕНУ БРОМА
(продолжение опыта №3).
Не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и серной кислоты (опыт 3), опускают конец газоотводной трубки в пробирку с 5 каплями бромной воды. Уравнение реакции:
CH2 ═ CH2 + Br2 → CH2Br ─ CH2Br
Для алкенов характерны реакции присоединения по месту двойной связи. Реакция обесцвечивания водного раствора брома служит качественной реакцией на двойную связь.
ОПЫТ 5. ОТНОШЕНИЕ ЭТИЛЕНА К ОКИСЛИТЕЛЯМ
(продолжение опыта №3).
Не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и серной кислоты (опыт 3), опускают конец газоотводной трубки в пробирку с 1 каплей раствора перманганата калия и 4 каплями воды. Раствор перманганата калия быстро обесцвечивается. При этом алкен окисляется в двухатомный спирт. Уравнение реакции:
CH2 ═ CH2 + [O] + HOH → CH2(OH) ─ CH2(OH)
Эта реакция является качественной реакцией на двойную связь.
Контрольные задания.
1 Напишите структурные формулы изомеров гептана и назовите их по систематической номенклатуре.
2 Из каких галогенопроизводных можно получить 2,4-диметилпентан по реакции Вюрца?
3 Какой объем оксида углерода (IV) образуется при сжигании 2 моль этана?
4 При сжигании 4,4 г углеводорода образовалось 13,2 г оксида углерода (IV) и 7,2 воды. Плотность вещества по водороду равна 22. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода.
5 Напишите структурные формулы изомеров гексена и пентена и назовите их по систематической номенклатуре.
6 Какие непредельные углеводороды образуются при действии цинковой пыли на: 1) 2,3-дибром-2-метилбутан; 2) 2,3-дихлор-4,4-диметилпентан.
7 Напишите уравнения реакций взаимодействия изопрена с бромом, бромоводородом.
8 Напишите уравнение реакции взаимодействия ацетилена с хлороводородом. Какими свойствами обладает полученное вещество?
9 Напишите уравнения реакций присоединения воды, хлороводорода к бутену-1.
10 Какие спирты можно получить гидратацией этиленовых углеводородов состава С4Н8?
11 Напишите уравнения реакции полимеризации углеводорода С4Н8 с разветвленным углеродным скелетом?
Лабораторная работа № 3. Кислородсодержащие производные УВ: спирты, карбонильные соединения, карбоновые кислоты
Спирты – оксипроизводные углеводородов, в молекулах которых один атом водорода замещен на гидроксильную группу. Общая формула одноатомных спиртов R – OH:
С2Н5ОН – этанол.
Гликоли – спирты с двумя и более гидроксильными группами при разных углеродных атомах. Общая формула таких спиртов CnH2n(OH)m:
НO – CH2 – CH2 – OH – этиленгликоль,
НО – СН2 – СН(ОН) – СН2 – ОН – глицерин.
Глицерин легко образует глицераты с гидроксидами тяжелых металлов. Однако способность его образовывать металлические производные (глицераты) с многовалентными металлами объясняется не столько его повышенной кислотностью, сколько тем, что при этом образуются внутрикомплексные соединения, обладающие особой устойчивостью. Соединения такого типа часто называют хелатными (от греческого слова «хела» - клешня).
Фенолами называются соединения, содержащие гидроксильную группу, связанную непосредственно с бензольным ядром. В зависимости от числа гидроксильных групп в ядре различают одно-, двух- и трехатомные фенолы:
Фенол пирокатехин резорцин гидрохинон
По своим физическим и химическим свойствам алифатичесие спирты и фенолы заметно отличаются друг от друга.
Общим способом получения спиртов, имеющим промышленное значение, является гидратация алкенов. Реакция идет при пропускании алкена с парами воды над фосфорнокислым катализатором:
СН2 ═ СН2 + Н2О → СН3 – СН – ОН.
Спирты получают гидролизом алкилгалогенидов под действием водных растворов щелочей:
R – Br + NaOH → R – OH + NaBr.
Спирты получают восстановлением карбонильных соединений (при восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, при восстановлении кетонов – вторичные):
R – CH = O + H2 → R – CH2 – OH,
R – CO – R' + H2 → R – CH(OH) – R'.
Химические свойства спиртов определяются присутствием в их молекулах гидроксильной группы (ОН). Связи С – О и О – Н сильнополярны и способны к разрыву.
Реакции с разрывом связи О – Н.
1 Низшие спирты бурно реагируют со щелочными металлами:
2С2Н5ОН + 2К → 2С2Н5ОК + Н2.
2 При действии на спирты минеральных и органических кислот образуются сложные эфиры (реакция этерификации):
С2Н5ОН + СН3СООН → СН3СООС2Н5 + Н2О,
С2Н5ОН + HONO2 → C2H5ONO2 + H2O.
3 Спирты окисляются под действием дихромата или перманганата калия до карбонильных соединений. Первичные спирты окисляются до альдегидов, а вторичные – до кетонов:
R – CH2 – OH → R – CH ═ O → R – COOH,
CH3 – CH(OH) – CH3 → CH3 – C(O) – CH3.
Реакции с разрывом связи С – О.
1 Реакции дегидратации протекают при нагревании спиртов с водоотнимающими средствами. При сильном нагревании происходит внутримолекулярная дегидратация с образованием алкенов, при более слабом нагревании происходит межмолекулярная дегидратация с образованием простых эфиров:
t, H2SO4
CH3 – CH2 – CH2 – OH → CH3 – CH ═ CH2 + H2O,
t, H2SO4
2CH3 – CH2 – OH → C2H5 – O – C2H5 + H2O.
2 Спирты реагируют с галогеноводородными кислотами:
ROH + HCl → RCl + H2O.
Альдегиды и кетоны – производные углеводородов, в которых содержится одна и более карбонильных групп.
Если карбонильная группа соединена с одним радикалом и водородом, то такие соединения называются альдегидами:
Соединения, в которых карбонильная группа соединена с двумя одинаковыми или разными радикалами, называются кетонами:
В зависимости от характера радикалов, связанных с карбонильной группой, альдегиды и кетоны могут быть насыщенными, ненасыщенными, алифатическими или ароматическими
Насыщенные:
метаналь пропаналь ацетон
Ненасыщенные:
пропеналь пропиналь
Ароматические:
бензойный альдегид
Карбонильные соединения относятся к числу весьма реакционноспособных органических веществ. Их химические свойства связаны с особенностями электронного строения карбонильной группы. Связь между атомом углерода и атомом кислорода вследствие большой электротрицательности кислорода по сравнению с углеродом сильно поляризована за счет смещения электронной плотности π – связи к кислороду:
С ═ О.
Сильная поляризация связи С ═ О в карбонильных соединениях ведет к тому, что на кислороде сосредотачивается отрицательный заряд, а на карбонильном углероде – положительный. Полярность карбонильной группы определяет и ее реакции. Большинство реакций карбонильных соединений – это реакции, в которых положительно заряженный карбонильный углерод – электрофильный центр молекулы взаимодействует с нуклеофильными реагентами:
1 СН3 – СН = О + HCN → CH3 – CH(CN) – OH
2 R – CH = O + NaHSO3 → R – CH(OH) – SO3Na
Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, которые содержат в молекуле одну или несколько карбоксильных групп - СООН. Карбоксильную группу можно рассматривать как формальное сочетание карбонильной группы и гидроксила («карб–оксил»).
В зависимости от природы радикала, связанного с карбоксильной группой, карбоновые кислоты делят на предельные и непредельные, алифатические и ароматические.
Число карбоновых групп определяет основность кислот: кислоты с одной карбоксильной группой являются одноосновными, с двумя – двухосновными и т.д. Кроме того по количеству углеродных атомов в радикале различают кислоты низшие (низкомолекулярные) и высшие (высокомолекулярные).
Карбоновые кислоты с числом атомов углерода выше 6 называют высшими (жирными) кислотами.
Алифатические предельные одноосновные карбоновые кислоты имеют общую формулу СnH2nO2 или CmH2m+1COOH.
СН3СООН – уксусная кислота (этановая),
СН3(СН2)16СООН – стеариновая кислота (октадециловая)
Получение. 1 Общий способ получения карбоновых кислот – окисление альдегидов и первичных спиртов, в качестве окислителей применяют KMnO4 и K2Cr2O7:
R – CH2 – OH → R – CH ═ O → R – COOH.
2 Гидролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих три атома галогена у одного атома углерода. Образуются спирты, содержащие группы ОН у одного атома, эти вещества неустойчивы и разлагаются с образованием карбоновой кислоты:
R – CCl3 → [R – C(OH)3] → R – COOH.
3 Получение карбоновых кислот из цианидов – способ, позволяющий наращивать углеродную цепь при получении исходного цианида:
CH3 – Br + NaCN → CH3 – CN + NaBr;
CH3 – CN + 2H2O → CH3COONH4;
CH3CONH4 + HCl → CH3COOH + NH4Cl.
4 Для отдельных кислот существуют специфические способы получения. Муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия:
Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бутана кислородом воздуха:
2C4H10 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O
Химические свойства. Карбоновые кислоты – более сильные кислоты, чем спирты, так как атом водорода в карбоксильной группе обладает повышенной подвижностью благодаря влиянию группы СО. В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:
RCOOH → RCOO- + H+.
Сила карбоновых кислот зависит от электронного эффекта группы, связанной с группой СООН. Электроноакцепторные заместители (ССl3) оттягивают электронную плотность от карбоксильной группы и способствуют диссоциации кислоты. Электронодонорные заместители (углеводородные заместители) увеличивают электронную плотность на карбоксильной группе и затрудняют диссоциацию кислоты.
1 Карбоновые кислоты реагируют с активными металлами, основными кислотами, основаниями и солями более слабой кислоты:
2RCOOH + Mg → (RCOO)2Mg + H2;
2RCOOH + CaO → (RCOO)2Ca + H2O;
RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O;
RCOOH + NaHCO3 → RCOONa + H2O + CO2↑.
2 Ряд свойств карбоновых кислот обусловлен наличием углеводородного радикала:
