Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
СН
4 3 2 1
в) СН3–С–С=СН
СН3СН
3
2
3
2,3,3-триметилбутен-1
2) изомерия положения двойной связи. Примерами изомеров с данным видом изомерии являются примеры:
г, д, е — гептаны нормального строения, т. е. углеводороды
с неразветвлённой цепью атомов углерода.
7 6 5 4 3 2 1
г) СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН=СН
2
гептен-1
7 6 5 4 3 2 1
д) СН3–СН2–СН2–СН2–СН=СН–СН
3
гептен-2
7 6 5 4 3 2 1
е) СН3–СН2–СН2–СН=СН–СН2-СН
3
гептен-3
3) пространственная изомерия. Примерами изомеров пространственной изомерии являются: ж и з. Пространственная изомерия наблюдается у веществ с двойной связью в
молекуле. Так как
-связь находится в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой лежат ядра атомов углерода,
образующих двойную связь (в наших примерах двойная связь
имеется между 3 и 4 атомами углерода), то положение групп
атомов СН
и –СН
по одну и ту же сторону от плоскости
–СН2–СН2– (7,6,5 — нумерация атомов углерода)
3
–СН3 (2,1 — нумерация атомов углерода) может быть
2
-связи (изомер: цис-3гептен) или по разные стороны от плоскости двойной связи
(изомер: транс-3-гептен).
7 6 5 2 1
ж) СН3–СН2–СН2 СН2–СН
4 3
3
С=С
Н Н
цис-гептен-3
7 6 5
з) СН3–СН2–СН2 Н
С=С
Н СН2–СН
транс-гептен-3
4 3
2 1
3
291
4) Изомерия классов. Этот вид изомерии существует
между классами углеводородов, имеющих одну и ту же общую формулу. Примерами изомеров классов могут быть
углеводороды этиленового ряда и циклопарафины, так как
и те, и другие имеют одну общую формулу С
тан (С
) будет изомером для всех вышеприведённых
7Н14
nН2n.
Циклогеп-
углеводородов.
Чтобы написать формулу гомологов для приведённых выше углеводородов, нужно помнить, что гомологи
должны иметь сходство в строении, а это значит, что они
должны иметь сходство в названии вещества. Например, нужно написать формулу гомолога с более длинной цепью атомов
углерода для 5-метилгексена-1, это значит, что мы должны
написать формулу углеводорода, который имеет название
5-метилгептен-1 или 5-метилоктен-1 и т. д.
Другой пример: нужно написать формулу гомолога с более
длинной цепью для 4,4-диметилпентена-1. Следовательно,
нужно написать формулу 4,4-диметилгексена-1 и т. д. Изменения должны происходить только в основной цепи атомов
углерода, которые и отражаются в последнем слове названия
вещества (в наших примерах эти части названия угелеводородов — гомологов подчёркнуты).
Этиленовые углеводороды также образуют радикалы. Одним из наиболее важных является одновалентный радикалвинил СН
=СН–, образуемый из молекулы этилена (старое
2
название этена).
§ 10. Диеновые углеводороды — алкадиены
Диеновые углеводороды — это углеводороды, в молекулах которых есть две двойные связи. Это определение дано на
основе родового понятия (обобщающего слова — углеводороды) и видового отличия (особенностей строения молекулы
данного вида углеводородов). Особенности строения молекулы отражены в определении к слову углеводорода — диеновые. Расшифруем данное слово: наличие в слове –ен- указывает на то, что в молекуле есть двойная связь, а приставка ди-
указывает на то, что в молекуле две двойные связи (ди
с греческого означает два). Общая формула диеновых углево-
дорода С
бутадиен-1,3 и 2-метилбутадиен-1,3. На этих примерах рас-
nН2n–2.
Наиболее важными диеновыми углеводородами являются
292
смотрим задание, которое заключается в том, чтобы написать
формулы веществ по названию веществ.
Название вещества бутадиен-1,3. Сначала выделяем в слове буквосочетание бута, которое указывает на то, что в длинной углеродной цепи, которую обычно записывают по горизонтали, содержится четыре атома углерода, а затем нумеруем атомы углерода в горизонтальной цепи. Суффикс ен
указывает на наличие двойной связи в молекуле, а сочетание
диен говорит о том, что в молекуле две двойные связи после
1-го и 3-го атомов углерода — на что указывают цифры, записанные в первой части названия вещества:
1 2 3 4
С=С–С=С, а затем рядом с химическим знаком углерода
записываем число атомов водорода с учётом того, что валентность углерода в органических веществах равна четырём, и
получаем формулу:
1 2 3 4
СН
=СН–СН=СН
2
2
Название вещества 2-метилбутадиен-1,3. Формулу составляем аналогично первой формуле, обращая внимание на то,
что у второго атома углерода один атом водорода замещён на
радикал метил:
1 2 3 4
СН
=С–СН=СН
2
2
|
СН
3
§ 11. Номенклатура, структурные формулы,
гомология и изомерия углеводородов
ацетиленового ряда — алкинов
Углеводороды ацетиленового ряда — это углеводороды,
в молекулах которых имеется одна тройная связь.
Как уже отмечалось выше, та часть молекулы, которая содержит тройную связь, имеет линейное строение, а остальные
атомы углерода соединены между собой ординарными сигмасвязями, т. е. остальная часть молекулы имеет зигзагообразное строение. Названия углеводородов нормального строения
образуются в соответствии с числом атомов углерода в молекуле, т. е. также как и названия предельных углеводородов и
углеводородов этиленового ряда нормального строения, но
для каждого гомологического ряда при образовании названий
293
используется свой суффикс. Суффикс ин используется для
ряда ацетиленовых углеводородов. Нумерацию атомов углерода начинают с того конца молекулы, к которому ближе расположена тройная связь, и цифрами показывают от какого
атома углерода идёт тройная связь. По уже известным правилам указывают и положение заместителей-радикалов.
4 3 2 1
СН3–СН–С≡СН
СН
3
Название данного вещества: 3-метилбутин-1.
Гомологами этого вещества будут углеводороды, имеющие
сходство в названии, но разную длину цепи, что отражается в
последнем слове названия, например, 3-метилпентин-1 или
3-метилгексин-1 и т. д.
Для данного класса углеводородов отмечают изомерию положения тройной связи, изомерию углеродного скелета и изомерию классов. Так для данного вещества 3-метилбутина-1,
имеющего молекулярную формулу С
, изомерами будут
5Н8
следующие углеводороды:
5 4 3 2 1 5 4 3 2 1
СН3–СН2–СН2–С≡СН СН3–СН2–С≡С–СН
пентин-1 пентин-2
3
Изомер класса — диеновый углеводород, например, 2-метилбутадиен-1,3, С
1 2 3 4
СН
=С–СН=СН
2
СН
3
5Н8
2
:
Ацетиленовые углеводороды имеют одну и ту же общую
формулу, что и диеновые углеводороды С
nН2n–2,
а это значит,
что ацетиленовые углеводороды являются изомерами соответствующих диеновых углеводородов.
Вопросы и задания по темам
«Номенклатура углеводородов»,
«Гомология и изомерия углеводородов»:
1. Что такое номенклатура?
2. Какую номенклатуру используют в настоящее время?
3. Что показывают суффиксы -ан, -ен, -ин, -диен в названиях углеводородов, данных по систематической номенклатуре?
4. Что показывает корень слова «пент», «гекс», «гепт» и т. д. в названиях углеводородов?
5. Что такое радикал и как образуют название радикала?
6. Что показывает молекулярная формула?
294
7. Что показывает структурная формула?
8. Какую информацию дают слова «нормальный углеводород»?
9. Назовите правила составления названий углеводородов, предусмотренные систематической номенклатурой.
10. Соответствует ли общая формула только одному гомологическому ряду или она может соответствовать нескольким гомологическим рядам?
11. Что такое циклопарафины?
12. Как образуют названия циклопарафинов?
Какова особенность строения углеводородов этиленового
13.
ряда?
14. Что такое изомеры?
15. Что такое изомерия?
16. Какие виды изомерии характерны для углеводородов этиленового ряда?
17. Как составляют названия углеводородов этиленового ряда?
18. Почему углеводороды этиленового ряда являются изомерами
циклопарафинов?
19. Что такое диеновые углеводороды и как составляют их названия?
20. Что такое углеводороды ацетиленового ряда?
21. Почему углеводороды ацетиленового ряда являются изомерами диеновых углеводородов?
22. Какие виды изомерии характерны для углеводородов ацетиленового ряда?
23. Для 3-метилбутена-1 напишите: а) формулу гомолога с более
длинной цепью, б) формулу изомера из другого класса соединений. Дайте названия веществам по систематической номенклатуре.
24. Напишите формулы всех возможных изомеров н-гексана.
§ 12. Физические и химические свойства
углеводородов
При изучении указанной темы используйте табл. 24 «Угле-
водороды».
Углеводороды — это вещества, состоящие из атомов двух
видов элементов-неметаллов — углерода и водорода, а поэто-
му связь между атомами этих элементов — ковалентная мало
полярная. Как и все органические вещества, углеводороды
имеют молекулярную кристаллическую решётку, и, следова-
295
тельно, обладают свойствами, характерными для веществ,
имеющих молекулярную кристаллическую решётку, т. е. они
бывают газообразными, жидкими и твёрдыми веществами
с низкими температурами плавления. Как мы уже отмечали
при рассмотрении понятия «гомологический ряд» плотность
углеводородов повышается с увеличением числа атомов углерода в молекуле (т. е. с увеличением молекулярной массы), но
остаётся меньше единицы, т. е. меньше плотности воды, а это
значит, что углеводороды легче воды. Углеводороды не растворяются в воде.
Касаясь химических свойств органических веществ, а,
следовательно, и углеводородов, отмечают их горючесть и их
термическую неустойчивость — углеводороды разрушаются при высоких температурах — общие свойства углеводородов. При горении углеводородов образуются углекислый газ и
вода (при полном сгорании). Полное сгорание обычно происходит при горении метана, этана — углеводородов с малым
содержанием углерода в молекулах, так как происходит хорошее перемешивание с воздухом. С увеличением молекулярной массы углеводорода (с увеличением массовой доли углерода в веществе — с увеличением числа атомов углерода в
молекуле) пламя становится коптящим (копоть, сажа) —
это несгоревший углерод, так как не хватает кислорода для
их полного сгорания, и сгорание будет неполным. При неполном сгорании, обусловленном недостаточным количеством кислорода или пониженной температурой, например,
при горении гексана и гептана, образуются углерод в виде
сажи и вода. Углеводороды обладают большой теплотворной
способностью, а поэтому некоторые из них используются как
топливо.
При записи химических уравнений сгорания некоторых
углеводородов возникают трудности при расстановке коэффициентов. В органической химии не используют схемы электронного баланса, как это делают в неорганической химии,
так как здесь возникают проблемы с определением степени
окисления углерода (она выражается дробными числами).
При возникновении трудностей с расстановкой коэффициентов используют метод с неправильной записью формулы кислорода — записывают уравнение с одним атомом кислорода.
Например, запишем сначала схему уравнения реакции полного сгорания этана:
1) С
+ О2 СО2 + Н2О
2Н6
296
А теперь перепишем эту схему уравнения реакции с одним
атомом кислорода:
2) С
+ О СО2 + Н2О
2Н6
Расставим коэффициенты в схеме (2) уравнения реакции:
3) С
Помня о том, что вещество — кислород имеет формулу О
+ 7О 2СО2 + 3Н2О
2Н6
,
2
и решая, что мы должны сделать правильную запись формулы в указанной схеме уравнения реакции (3), мы ставим индекс 2 у химического знака кислорода О, тем самым увеличивая число атомов кислорода вдвое, а отсюда следует, что число атомов других элементов также должно быть увеличено
вдвое — это достигается увеличением коэффициентов перед
формулами других веществ вдвое: вместо одной молекулы
С
записываем 2С2Н6, вместо 2СО2 записываем 4СО2 и вме-
2Н6
сто 3Н
О записываем 6Н2О, т. е. вместо схемы мы уже получа-
2
ем химическое уравнение (4):
4) 2С
+ 7О2 4СО2 + 6Н2О.
2Н6
Кроме свойств, общих для всех углеводородов, есть свой-
ства, которые характерны для каждого отдельного класса
углеводородов, обусловленные особенностями строения мо-
лекул того или другого класса веществ. Разное строение углеводородов, относящихся к разным классам, обусловлено
наличием качественно разных видов ковалентной связи —
-связи и -связи — и их количеством в молекулах разных
классов углеводородов.
Свойства веществ зависят от строения веществ.
Как уже отмечалось ранее, в молекулах непредельных
(этиленовых, ацетиленовых и диеновых) углеводородов, ак-
тивными центрами будут атомы углерода между которыми существуют кратные (двойные и тройные) связи.
Характеристики ковалентной связи. Как мы уже знаем,
суть любой химической реакции заключается в разрыве имеющихся связей и в образовании новых химических связей.
Сигма-связь (С–С и С–Н связи) является достаточно прочной,
её энергия связи (количество энергии, необходимое для раз-
рыва связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества, единица измерения энергии связи кДж/моль) достаточно велика. На химическую активность, помимо энергии
связи, влияет и другая характеристика связи — поляризуе-
мость связи, т. е. смещение электронной плотности в ту или
другую сторону под каким-то внешним воздействием. Смещение электронной плотности
кой С
Cl, а образующиеся при этом частичные (меньше еди-
-связи показывают стрелоч-
297
ницы) заряды обозначают греческой буквой дельта: – и +.
Например, в случае смещения электронной плотности к хлору С
Cl, хлор получает частичный отрицательный заряд, а
углерод — частичный положительный заряд:
+ –
С Cl
В случае смещения электронной плотности
-связи стрелочку записывают в виде дуги над обозначением двойной связи:
СН
СН=СН
3
2
Сигма-связи С–С и С–Н мало полярные и практически не-
поляризуемые связи.
Всё вышесказанное говорит о том, что предельные углеводороды должны вступать в реакции довольно трудно, т. е.
предельные углеводороды — малоактивные вещества, что отражено в их старом названии — парафины. Для предельных
углеводородов (парафинов и циклопарафинов, имеющих много общего — низкую химическую активность) характерны
реакции замещения. (См. табл. 24 «Углеводороды».)
Непредельные углеводороды — этиленовые, ацетиленовые и диеновые — в составе своих молекул имеют
-связь, которая характеризуется меньшей энергией связи и большей
поляризуемостью по сравнению с
-связью, что и обусловливает большую химическую активность непредельных углеводородов.
Суммарная прочность двойной и тройной связи гораздо
больше прочности простой одинарной сигма-связи. Но это не
значит, что двойную или тройную связи разорвать труднее,
чем простую связь. При химических реакциях нет полного
одновременного разрыва всех связей, а происходит разрыв
одной
тратить меньше энергии, чем на разрыв С–С
рыве
-связи, а затем и второй -связи, и для этого надо за-
-связи. При раз-
-связи появляется возможность образования новых ковалентных связей с атомами других элементов по тем неспаренным электронам, которые образовались за счёт разрыва
-связи — происходит реакция присоединения — реакция,
характерная для непредельных углеводородов. (См. табл. 24
«Углеводороды».) Обратим внимание и на длину связи (ещё
одну характеристику связи) двойной и тройной связей. Длина
тройной связи меньше, и, следовательно, область перекрывания электронных облаков при образовании
чем область перекрывания электронных облаков
в двойной связи. Это значит, что разорвать
-связей больше,
-связи
-связь в ацетиле-
298
новых углеводородах труднее, чем в этиленовых, а поэтому
ацетиленовые углеводороды менее активны, чем этиленовые.
Учитывая вышесказанное, попытаемся объяснить, почему одни углеводороды называются «предельными», а другие — «непредельными».
Предельные углеводороды — это углеводороды, в молекулах которых все валентности атомов углерода, не занятые
на образование С–С
-связей, заняты до предела атомами во-
дорода.
Непредельные углеводороды — это углеводороды, в молекулах которых не все валентности атомов углерода, не занятые на образование С–С
-связей, заняты атомами водорода; часть валентностей атомов углерода идёт на образование
менее прочных
-связей, при разрыве которых образуются
неспаренные электроны, по которым и может происходить
присоединение атомов других элементов, т. е. до предела насыщать валентности атомов углерода, не занятые на образование
ной связи в двойную, а при разрыве второй
-связей.
При разрыве одной
-связи происходит превращение трой-
-связи идёт пре-
вращение двойной связи в простую.
Вопросы и задания по теме
«Физические и химические свойства углеводородов»:
1. Какие физические свойства являются общими для всех углеводородов?
2. Какие химические свойства являются общими для всех углеводородов?
3. Назовите продукты полного сгорания углеводородов.
4. Почему углеводороды с большой молекулярной массой горят
коптящим пламенем?
5. Что такое предельные углеводороды?
6. Что такое непредельные углеводороды?
7. Какие типы реакций характерны для предельных углеводородов?
8. Какие типы реакций характерны для непредельных углеводородов и почему?
299
§ 13. Нефть
Содержание параграфа «Нефть» представлено в виде та-
блицы. (См. табл. 27.)
Ниже приводятся пояснения к материалу, имеющемуся
в таблице.
Переработку нефти можно разделить на два больших эта-
па: первичная и вторичная переработка нефти.
Первичная переработка нефти заключается в разгонке
нефти на фракции. Разгонка нефти на фракции (прямая гонка) — это физический процесс, который проводится при атмосферном давлении и при котором молекулы углеводородов
не изменяются, не разрушаются. Прямая гонка возможна,
потому что углеводороды, составляющие нефть, имеют разные температуры кипения. При этом процессе нефть нагревают до температуры не выше 350 °С, так как при более высокой
температуре молекулы углеводородов будут разлагаться. При
нагревании нефти углеводороды, которые имеют температуры кипения, значительно ниже указанной температуры, испаряются, т. е. переходят в парообразное состояние. Пары различных углеводородов, поднимаясь вверх по ректификационной колонне, на разных уровнях колонны конденсируются,
т. е. переходят из парообразного состояния в жидкое, и, таким образом, из нефти выделяют отдельные её составные части — фракции: бензиновую, лигроиновую, керосиновую, газойлевую и мазут. Мазут — фракция нефти, состоящая из
углеводородов, которые при данных условиях не испаряются,
а остаются в виде тяжёлого остатка. Слово «фракция» — это
запись русскими буквами английского слова «fraction», что в
переводе означает «дробь» — часть от целого. Фракции нефти — это составные части нефти.
Некоторая часть мазута подвергается разгонке на фракции при температуре выше 350°, но
на вакуумных установках. Низкое давление позволяет производить процесс без разрушения молекул углеводородов, т. е.
перегонка мазута — это физический процесс.
Вторичная переработка нефти — это по сути химическая
переработка мазута, которая заключается в реакции разложения крупных молекул углеводородов, составляющих мазут, на более мелкие молекулы, содержащие такое число атомов углерода в молекуле, как и в молекулах углеводородов,
образующих бензиновую фракцию. Цель проведения процессов вторичной переработки — термического и каталитиче-
при низком давлении —
300
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]