14. Электролиз

Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, который происходит на электродах во время прохождения электрического тока через расплав или раствор.

Различают электролиз растворов и электролиз расплавов. Оба эти процесса существенно отличаются друг от друга. Отличие - в наличии растворителя. При электролизе растворов кроме ионов самого вещества в процессе участвуют ионы растворителя. При электролизе расплавов - только ионы самого вещества.

На катоде: передача электронов катионам из раствора или расплава, поэтому катод является восстановителем.

На аноде: отдача электронов анионами, поэтому анод – окислитель.

На катодах и анодах могут протекать конкурирующие реакции. При проведении электролиза с использованием инертного анода конкурирующими процессами является 2 окислительных и 2 восстановительных процесса:

На аноде – окисление анионов и гидроксид-ионов. 

На катоде – восстановление катионов и ионов водорода.

Если ее используют активный анод, то процесс более сложен:

На аноде: окисление анионов и гидроксид-ионов, анодное растворение металла – материала анода.

На катоде: восстановление катиона соли и ионов водорода, восстановление металла катионами, полученными при растворении анода.

При электролизе расплавов в процессе участвуют только ионы вещества, которое подвергается электролизу. Например, если подвергнуть электролизу расплав поваренной соли (NaCl), то на аноде будет выделяться тот же газ - хлор, а вот на катоде вместо водорода будет восстанавливаться чистый металл - натрий (Na). Именно таком способом в промышленности получают металлический натрий и другие щелочные и щелочноземельныеметаллы. Таким же образом получают другие щелочные металлы (калий (K), литий (Li), кальций (Ca)), проводя ток через расплавы их солей.

Способы электризации тел:

• Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.

• Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.

• Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.

• Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

15. Алканы, алкены, алкины. Химические свойства, применение.

Алканы – насыщенные (предельные) углеводороды. Представителем этого класса является метан (СН₄). Все последующие предельные углеводороды отличаются на СН₂ – группу, которая называется гомологической группой, а соединения – гомологами.

Общая формула – С_nH_2n+2.

Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:

• 1. Получение из ненасыщенных углеводородов. Взаимодействие алкенов или алкинов с водородом ("гидрирование") происходит в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd) при нагревании:

	tº. Ni
СН3-СН=СН2 + Н2	→	СН3-СН2-СН3,

СН_з—C≡СН + 2Н₂  → СН₃-СН₂-СН₃.

• 2. Получение из галогенпротводных. При нагревании моногалогензамещенных алканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):

С₂Н₅Br + 2Na + Br—C₂H₅ → C₂H₅—C₂H₅ + 2NaBr.

Подобную реакцию не проводят с двумя разными галогензамещенными алканами, поскольку при этом получается смесь трех различных алканов

• 3. Получение из солей карбоновых кислот. При сплавлении безводных солей карбоновых кислотс щелочами получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот:

  	t°
  CH3COONa + NaOH	→	СН4↑ + Na2CO3.

• 4.Получение метана. В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:

 С + 2Н₂ → СН₄.

Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере водорода до 400-500 °С при повышенном давлении в присутствии катализатора.

В лабораторных условиях метан часто получают из карбида алюминия:

Аl₄С₃ + 12Н₂О = ЗСН₄↑ + 4Аl(ОН)₃.

Химические свойства. В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями — перманганатом калия KMnО₄ и т.п.

Ал­ки­ны – уг­ле­во­до­ро­ды, мо­ле­ку­лы ко­то­рых со­дер­жат трой­ную связь уг­ле­род-уг­ле­род. Общая фор­му­ла ал­ки­нов – C_nH_2n-2.

Но­мен­кла­ту­ра ал­ки­нов

Трой­ную связь обо­зна­ча­ют суф­фик­сом -ин.

     аце­ти­лен (этин)

бутин-1

Глав­ная цепь долж­на вклю­чать в себя трой­ные связи, а ну­ме­ра­ция про­во­дит­ся так, чтобы они по­лу­чи­ли наи­мень­шие но­ме­ра.

3,6-ди­ме­ти­л­геп­тадиин-1,4

Получение. 

• 1. Общий способ получения алкинов — отщепление двух мо­лекул галогеноводорода от дигалогеналканов, которые содержат два атома галогена либо у соседних, либо у одного атома углерода, под действием спиртового раствора щелочи.

	С2Н5ОН
СН2Вr — СН2Вr + 2КОН	→	НС ≡ СН + 2КВr + 2Н2О,

	С2Н5ОН
СН3 — СВr2 — СН3 + 2КОН	→	СН3-С ≡ СН + 2КВr + 2Н2О,

• 2. Гомологи ацетилена можно также получать, действуя галогеналканами на соли ацетиленовых углеводородов (ацетилениды):

CH₃ — C ≡ CNa + I-R   →  CHg — C ≡ C-R + NaI.

Эта реакция представляет собой пример нуклеофильного замещения, а нуклеофилом в ней является ацетиленидный карбанион

• 3. Ацетилен получают в промышленности путем высокотемпературного крекинга метана:

	1500°С
2СН4	→	CH ≡ NCH + ЗН2

или его ближайших гомологов — этана и пропана, причем в этом случае ацетилен образуется при более низких температурах:

	1200°С			1200°С
C2Hg	→	C2Hg + 2Н2,	2С3Н8	→	ЗС2Н2 + 5Н2

Сырьем в этих способах служит природный газ или нефть.

В лабораторных условиях ацетилен получают гидролизом карбида кальция:

СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂ ↑

Химические свойства алкинов обусловлены наличием в их молекулах тройной связи. Типичными реакциями для ацетилена и его гомологов являются реакции электрофильного присоединения А_E. Отличие алкинов от алкенов заключается в том, что реакции присоединения могут протекать в две стадии. На первой стадии идет присоединение к тройной связи с образованием двойной связи, а на второй стадии — присоединение к двойной связи. Ре­акции присоединения для алкинов протекают медленнее, чем для алкенов. Это объясняется тем, что p-электронная плотность тройной связи расположена более компактно, чем в алкенах, и поэтому менее доступна для взаимодействия с различными реагентами.

Ал­ке­ны – уг­ле­во­до­ро­ды, ко­то­рые со­дер­жат в мо­ле­ку­ле одну двой­ную связь. Общая фор­му­ла – C_nH_2n.

Пер­вый член ряда – эти­лен (этен) C₂H₄:

Номенклатура алкенов

Двой­ную связь обо­зна­ча­ют с по­мо­щью суф­фик­са -ен. Ос­нов­ная цепь долж­на вклю­чать крат­ную связь. Ну­ме­ра­ция цепи про­во­дит­ся с того конца, к ко­то­ро­му ближе двой­ная связь.

CH₃-CH₂-CH₂-CH=CH-CH₃

гек­сен-2  (гек­сен-4)

2-этил­пен­тен-1

Получение.

• 1. Основным   промышленным   источником алкенов служит крекинг алканов, входящих в состав нефти:

С8Н18

→

С4Н10 + С4Н8

Крекинг протекает по свободнорадикальному механизму при высоких температурах (400-700 °С).

• 2. Другой промышленный способ получения алкенов —    дегидрирование алканов:

  	t, Cr2O3
  СН3-СН2-СН3	→	СН3-СН=СН2 + Н2

• 3. В лабораторных условиях алкены получают по реакциям отщепления (элиминирования), при которых от соседних атомов углерода отщепляются два атома или две группы атомов, и образуется дополнительная p-связь.  К таким реакциям относятся следующие.

1)Дегидратация спиртов происходит при их нагревании с водоотнимающими средствами, например с серной кислотой при температуре выше 150 °С:

	H2SO4
СН3-СН2-ОН	→	СН2=СН2 + Н2О

2) Отщепление галогеноводородов  проводят  при  действии спиртовых растворов щелочей на моноалкилгалогениды:

	С2Н6ОН
СН3-СН2-СНВr-СН3 + КОН	→	СН3-СН=СН-СН3 + КВr + Н2О

При отщеплении Н₂O от спиртов, НВr 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). Эта закономерность носит название правила Зайцева.

3) Дегалогенирование происходит при нагревании дигалогенидов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, с активными металлами:

CH₂Br—CHBr—CH₃ + Mg → СН₂=СН-СН₃ + MgВr₂.

Химические свойства алкенов определяются наличием в их молекулах двойной связи. Электронная плотность p-связи достаточно подвижна и легко вступает в реакции с электрофильными частицами. Поэтому многие реакции алкенов протекают по механизмуэлектрофильного присоединения, обозначаемому символом A_E(от англ, addition electrophilic).