Алкены. Олефины

Общая формула С_nH_2n. Эта формула совпадает с общей формулой циклоалканов, поэтому алкены и циклоалканы являются межклассовыми изомерами.

Номенклатура. В неразветвленных алкенах нумерацию начинают с того конца, где ближе двойная связь. В разветвленных алкенах главная цепь обязательно включает двойную связь, даже если она не самая длинная. Перед названием главной цепи помещают номер атома углерода С, при котором есть заместитель, и его название. Номер после названия главной цепи указывает положение двойной связи. Названия отдельных гомологов производят заменой суффикса – ан в соответствующих алканах на суффикс – ен (этан – этен, пропан – пропен и т.д.)

Пример:

СН₃ – СН = СН – СН - СН₃

СН₃

4 – метил – пентен - 2

Изомерия:

1. Структурная изомерия углеродного скелета;

2. Пространственная (геометрическая) цис - транс – изомерия обусловлена различным положением заместителей относительно плоскости двойной связи:

цис – бутен – 2 транс – бутен – 2

Строение: атом углерода при двойной связи находится в sp² - гибридном состоянии.

Физические свойства. Имеют более низкие температуры кипения и плавления, чем соответствующие алканы: С₂...С₄ - газы; С₅…С₁₅ – жидкости; С ≥ 16 – твердые вещества.

В воде алкены нерастворимы, хорошо растворяются в органических растворителях. Пары алкенов имеют характерный резкий запах.

Получение.

1. Крекингом алканов, из нефти и газа.

2. Каталитическим дегидрированием алканов, катализаторы Cr₂O₃, Pt при t^o:

3. Мономолекулярной дегидратацией спиртов (катализаторы: концентрированная H₂SO₄ или Al₂O₃ в газовой фазе):

4. Дегалогенированием дигалогенопроизводных:

5. Дегалогенированием галогенпроизводных алканов в спиртовых растворах щелочей при нагревании по правилу А.М. Зайцева:

Правило А.М. Зайцева: при отщеплении воды от спиртов, HBr и HCl от алкилгалогенидов атом водорода преимущественно отщепляется от того из соседних атомов углерода, который связан с наименьшим числом атомов водорода (от наименее гидрогенизированного атома углерода).

Химические свойства. Для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения по двойной связи (А_Е), идущие легко по ионному механизму через стадию образования наиболее устойчивого карбокатиона.

Электрофильные реагенты (электрофилы) – частицы, образующие новую ковалентную связь за счет электронной пары реакционного партнера. Такие частицы могут нести положительный заряд (Н⁺, Br⁺) или быть электронейтральными (AlCl₃).

1. Присоединение галогенов (качественная реакция на алкены) и водорода:

2. Присоединение Hhal и Н₂О по правилу В.В. Марковникова:

Правило В.В. Марковникова: при присоединении протонных кислот и воды к несимметричным алкенам водород присоединяется по месту двойной связи к наиболее гидрогенизированному (связанному с наибольшим числом атомов водорода) атому углерода, а галоген – к наименее гидрогенизированному.

3. Окисление водным раствором KMnO₄ при низкой температуре (качественная реакция).

4. Окисление алкенов KMnO₄ или K₂Cr₂O₇ с разрывом двойной связи в кислых растворах при нагревании:

5. Горение:

6. Полимеризация:

Задачи

7. Определите объем кислорода (н.у), необходимый для сгорания этиленпропиленовой смеси массой 100 г, если в смеси было 1,5 моль С₃Н₆.

Решение: Найдем массу пропилена по формуле , где М(C₃H₆) = 42 г/моль. Тогда m(C₃H₆) = 1,5 ∙ 42 = 63 г; m(C₂H₄) = 100 – 63 = 37 г.

Зная молярную массу этилена М(C₂H₄) = 28 г/моль, найдем его количество вещества по формуле:

Реакции горения смеси алкенов:

Из уравнений реакций находим общее число молей кислорода:

n(O₂) = 1,32 ∙ 3 + 1,5 ∙ 4,5 = 10,71 моль.

Тогда рассчитаем объем кислорода по формуле: , где V_m = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях).

V(O₂) = 1,71 ∙ 22,4 = 240 л.

Ответ: потребуется 240 л О₂.

Примечание: Задача немного усложняется, если для сжигания используют воздух, что и происходит на практике. В воздухе содержится 21 объемный (или мольный) процент О₂.

V_возд. = 240/0,21 = 1143 л

Ответ: потребуется 1143 л воздуха.

8. В 1938 г. Планет, проводивший опыты с галагенопроизводными углеводородов, случайно получил вещество чрезвычайной прочности. Повторение опытов дало аналогичные результаты. Определите состав молекулы этого вещества и укажите область применения, если его средняя молярная масса 20000 – 30000 г/моль, доля фтора в нем 76 %, остальное - углерод. (Тип № 3, 9).

Решение: Пусть молярная масса вещества будет 30000 г/моль. Так как в веществе находится 76% фтора, то тогда масса фтора составит: m(F) = 30000 ∙ 0,76 = 22800 г.

Зная молярную массу фтора M(F) = 19 г/моль, найдем число его молей по формуле:

Тогда масса углерода составит: m(C) = 30000 – 22800 = 7200 г. Молярная его масса М(С) = 12 г/моль.

Найдем число молей углерода: n(C) = 7200/12 = 600 моль; следовательно, n(F) : n(C) = 1200 : 600 = 2 : 1. Наше вещество – тефлон.

Ответ: тефлон ( - CF₂ - CF₂ -)_n.

9. Бехер случайно открыл «маслородный газ, активнее чем метан», когда, проводя опыты с серной кислотой, добавил в нее этанол. Затем эту смесь ученый принес над пламенем горелки и увидел «иной тип, чем горит спирт». Определите вещество, полученное Бехером и его количество, если реакция в данных условиях равновесна, количество взятого спирта было 3 моль, константа равновесия реакции К_С = 1,4. (Тип № 7).

Решение: В системе идут следующие реакции:

C₂H₅OH + H₂SO₄(конц). → С₂Н₅ – О – SO₃H + H₂O

Пусть прореагировало х моль спирта. Равновесные концентрации веществ определяются по формуле: [С_равн] = С₀ – С_{прореаг.,} где С₀ – начальная концентрация вещества.

Тогда равновесная концентрация этилового спирта равна [C₂H₅OH] = 3 – х. С учетом стехиометрических коэффициентов, равновесные концентрации этилена и воды будут составлять [C₂H₄] = х; [H₂O] = х. Отсюда выражение константы равновесия примет вид:

;

Из уравнения значение x о= 2,87 моль.

Ответ: полученное вещество – этилен, n(C₂H₄) = 2,87 моль.

10. Каковы массовые доли элементов в этилене, используемом в качестве мономера для производства полиэтилена? (Тип № 2).

Решение: Формула этилена – C₂H₄. Его молярная масса: М(C₂H₄) = 12 ∙ 2 + 4 = 28 г/моль. Следовательно, массы углерода и водорода будут:

m(C) = 24 г; m(Н) = 4 г.

Найдем массовые доли элементов по формуле:

, где m₁ – масса определенного элемента в этилене, m₂ – масса этилена. Тогда,

Ответ: W(C) = 85,7%; W(H) = 14,3%.

11. Определите массу и объем этилена, необходимого для производства полиэтилена высокого давления при давлении 8 атм, и температуре 250 ⁰С для покрытия 30 км труб диаметром 2,5 м с толщиной полимерной пленки 2 – 4 мм, если выход по реакции полимеризации около 70 %. (Тип № 8).

Решение: Уравнение полимеризации этилена: nC₂H₄ → (- CH₂ – CH₂ -)_n

Переведем давление в кПа, объем в литры, температуру в Кельвин: р = 101,3 ∙ 8 = 810,4 кПа; V = 30 ∙ 10³ м ∙ 2,5 м ∙ 4 ∙ 10^-3 м = 300 м³ = 3 ∙ 10⁵ л, T = 273 + 850 = 1123 К.

Для расчета количества вещества этилена воспользуемся уравнением Менделеева – Клайперона: pV = nRT:

Рассчитаем массу этилена по формуле: , молярная масса М(С₂Н₄) = 28 г/моль. Тогда m(C₂H₄) = 26,048∙28 = 729,3 г.

С учетом 70 % - ного выхода полимеризации, масса и объем этилена будут равны:

Ответ: m(C₂H₄) = 1042 кг; V(C₂H₄) ≈ 43 м³.