Учебники Рудзитис / 10

Реакцию отщепления водорода называют РЕАКЦИЕЙ ДЕГИДРИРОВАНИЯ.

4)Углеводороды нормального строения под влиянием катализаторов

ипри нагревании подвергаются реакциям изомеризации и превращаются в углеводороды разветвлённого строения:

Применение. Метан в виде природного газа широко используют в качестве топлива. Метан — исходный продукт для получения метанола, уксусной кислоты, синтетического бензина и др. (рис. 14).

Важнейшим сырьём химической промышленности служит синтезгаз — смесь одного объёма оксида углерода(II) и трёх объёмов водорода (СО + 3Н2). Один из способов получения синтез-газа — паровая

конверсия метана:

~ 900 °C, Ni

СН4 + Н2О СО + 3H2

В наибольших масштабах из синтез-газа получают метанол. Образующийся водород идёт на производство аммиака.

Рис. 14. Применение метана

40

Большое практическое значение имеют хлорпроизводные метана. Хлорметан СН3Сl — газ; его применяют в основном в производстве полимеров на основе кремния — силиконов. Дихлорметан СН2Сl2, трихлорметан (хлороформ) СНСl3 и тетрахлорметан ССl4 — жидкости, которые используют в качестве растворителей.

Средние члены гомологического ряда (С7—С17) применяют как растворители и моторное топливо, высшие алканы — для производства

смазочных масел и др.

Циклоалканы. Предельные углеводороды с замкнутым углеродным скелетом (циклом) называют циклоалканами. Общая формула циклоалканов СnН2n:

Уциклоалканов возможна изомерия углеродного скелета, связанная

сналичием боковых углеводородных цепей:

Циклоалканы главным образом находятся в нефти. Циклопропан и циклобутан при нормальных условиях — газы, циклоалканы С5—С10 — жидкости, последующие — твёрдые вещества. Циклоалканы не растворяются в воде.

Как и алканы, циклоалканы вступают преимущественно в реакции радикального замещения при тех же условиях. Циклоалканы с малыми циклами способны к реакциям присоединения, например реакциям гидрирования — присоединения водорода. Это объясняется тем, что связи между атомами углерода в цикле могут разорваться. В результате образуются свободные связи, способные присоединять атомы других элементов:

+ H2 Н3С—СН2—СН3

пропан

41

Интересным свойством обладает циклогексан. При нагревании на платине он дегидрируется, превращаясь в ароматический углеводород бензол (см. § 15).

Реакции замещения (галогенирование), реакции дегидрирования, реакции изомеризации алканов. Цепные реакции. Свободные радикалы. Галогенопроизводные алканов. Циклоалканы

1.Где и в каком виде метан встречается в природе?

2.Как опытным путём можно отличить метан от водорода?

3*. При каких условиях происходит дегидрирование этана? Напишите уравнение реакции.

4.Как в промышленности из метана получают синтез-газ?

5.Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

С СН4 СН3Сl С2Н6 С2Н5Сl

6.Составьте план ответа, характеризующего метан и этан. Оформите свой ответ в виде таблицы.

7.Какие углеводороды относят к циклоалканам? Кратко охарактеризуйте эти соединения.

8.Сколько различных циклоалканов соответствует молекулярной

формуле С5Н10? Изобразите их структурные формулы и подпишите названия.

9.При сжигании 4,4 г углеводорода получили 13,2 г оксида углерода(IV). Относительная плотность вещества по воздуху равна 1,52. Определите молекулярную формулу этого вещества.

Ямогу составлять уравнения химических реакций, характеризующих химические свойства метана и его гомологов.

Яумею составлять формулы циклоалканов и характеризовать свойства этих веществ.

42

ГЛАВА III

Алкены: строение молекул, гомология и изомерия

•На какие классы делят углеводороды (см. схему 2)?

•Какое состояние атома углерода называют возбуждённым?

•Какие вещества называют гомологами? изомерами?

Общая характеристика непредельных соединений. Атомы углерода в молекуле органического вещества могут соединяться друг с другом не только простыми (одинарными) ковалентными связями (С–С), но и двойными связями, образованными двумя парами электронов (С=С), или тройными, образованными тремя парами электронов (С С). Двойные и тройные связи называют кратными связями.

Углеводороды, молекулы которых содержат хотя бы одну кратную связь, называют НЕПРЕДЕЛЬНЫМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ.

Среди непредельных углеводородов выделяют алкены (углеводороды, содержащие двойную связь), алкадиены (содержат две двойные связи) и алкины (содержат тройную связь) (табл. 2).

Непредельные соединения, состав которых соответствует общей формуле СnН2n, относят к АЛКЕНАМ.

Простейший представитель алкенов — этен С2Н4. Историческое название этена — этилен, поэтому его гомологический ряд часто называют рядом этилена.

43

Алкины

Электронное и пространственное строение этена. Молекулярная формула этена (этилена) С2Н4 (рис. 15). С учётом четырёхвалентности атома углерода структурную формулу этилена следовало бы изобразить так:

Однако свободных связей в молекуле не должно быть. Поэтому между атомами углерода изображают двойную связь:

Экспериментально установлено, что в молекулах алкенов одна из связей, составляющих двойную связь, менее прочная, чем другая. Так, например, если пропустить этилен через бромную воду, то происходит её обесцвечивание в результате присоединения к этену атомов брома:

Н2С=СН2 + Br2 BrH2C—CH2Br

1,2-дибромэтан

44

Почему в молекуле этилена одна из связей, составляющих двойную связь между атомами углерода, менее прочная? Ответить на этот вопрос можно, основываясь на современных представлениях о s- и p-связях. Следует также вспомнить, что в атоме углерода в результате расспаривания 2s-электронов на наружном энергетическом уровне имеются как s-, так и р-электроны, орбитали которых могут подвергаться гибридизации.

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одна s- и две р-электронные орбитали атомов углерода — происходит sp2-гибридизация.

Таким образом, каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных орбитали (рис. 16, а) и по одной (всего две) негибридной р-орбитали. Две гибридные электронные орбитали (по одной от каждого атома С) перекрываются и образуют между атомами углерода s-связь. Остальные четыре гибридные орбитали атомов углерода перекрываются в той же плоскости с четырьмя s-орбиталями атомов водорода и также образуют четыре s-связи. Две негибридные р-орбитали атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости s-связей, т. е. образуется одна p-связь (рис. 16, б). Следовательно, в молекуле этилена между атомами углерода имеется одна s- и одна p-связь. В углеродных соединениях p-связь значительно слабее, чем s-связь. Под действием реагентов p-связь легко разрывается.

Легко понять, что в молекулах предельных углеводородов атомы углерода могут свободно вращаться вокруг s-связи. Если же между атомами углерода существует не только s-связь, но и p-связь, то такое вращение без разрыва последней невозможно.

45

Номенклатура и изомерия алкенов. Формулы углеводородов ряда этилена можно вывести из соответствующих формул предельных углеводородов.

Названия углеводородов ряда этилена образуют путём изменения суффикса -ан соответствующего предельного углеводорода на суффикс -ен (или -илен):

СН3—СН3 СН2=СН2

СН3—СН2—СН3 –2Н СН2=СН—СН3

У углеводородов ряда этилена изомерия проявляется не только в строении углеродного скелета, как у предельных углеводородов, но и в положении двойной связи в молекуле. Так, например, из формулы нормального бутана можно вывести формулы двух непредельных изомеров. Чтобы их назвать, атомы углерода нумеруют начиная с того конца цепи, к которому ближе двойная связь. Положение двойной связи обозначают в конце названия номером того углеродного атома, от которого она начинается:

Из формулы 2-метилпропана (изобутана) можно вывести формулу одного непредельного изомера:

Из формулы 2-метилбутана можно вывести формулы трёх непредельных изомеров:

46

Молекулярные и структурные формулы простейших гомологов этилена даны в таблице 3.

СН3

У этиленовых углеводородов возможна также пространственная изомерия (стереоизомерия). Так, например, в молекулах бутена-2 метильные группы в пространстве могут располагаться в двух разных положениях. Если замещающие группы в молекуле изомера находятся по одну сторону двойной связи, то его называют цис-изомером, а если по разные — транс-изомером (от лат. cis — на этой стороне, trans — через, на другой):

47

Кратные связи. Непредельные углеводороды. Алкены. sp2-Гибридизация. Этен (этилен). Изомерия положения двойной связи. Пространственная изомерия (стереоизомерия)

1.Какие углеводороды называют непредельными и на какие группы их подразделяют? Напишите общую формулу алкенов.

2.На основе современных представлений об электронных орбиталях охарактеризуйте природу химических связей в молекуле этилена.

3.Какие виды изомерии характерны для предельных и непредельных углеводородов? Приведите примеры.

4.Изобразите сокращённые структурные формулы всех углеводородов, молекулярная формула которых С5Н10. Назовите эти соединения.

5.Почему число изомеров у углеводородов ряда этилена больше, чем у предельных углеводородов? Для доказательства составьте формулы изомеров углеводородов с молекулярными формулами С4Н10 и С4Н8.

6.Какой объём воздуха нужен для сжигания 50 л пропена (н. у.)?

Ямогу объяснить пространственное строение молекулы этилена на основе представлений о гибридизации атомных орбиталей углерода.

Яумею изображать структурные формулы алкенов и их изомеров, называть алкены по международной номенклатуре, составлять формулы алкенов по их названиям.

48

иприменение алкенов

•Наличие каких химических свойств можно предположить у алкенов на основании строения их молекул?

Получение. 1. В лаборатории этилен получают при нагревании смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой:

2. Углеводороды ряда этилена можно получить также дегидрированием предельных углеводородов:

3. На производстве этилен получают из природного газа и при

переработке нефти.

Физические свойства. Этилен — бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Пропен и бутены при нормальных условиях также газообразны, от пентена С5Н10 до октадецена С18Н36 включительно углеводороды находятся в жидком состоя-

нии, а начиная с нонадецена С19Н38 — в твёрдом.

Химические свойства. Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи.

Для алкенов характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

Р е а к ц и и п р и с о е д и н е н и я. 1) Этилен и его гомологи вступают в реакцию присоединения с галогенами. Так, например, они обесцвечивают бромную воду (рис. 17):

H2C=CH2 + Br2 CH2Br—CH2Br

1,2-дибромэтан

Обесцвечивание бромной воды — качественная реакция на кратные связи.

49