4.2. Лабораторная работа № 2. Предельные углеводороды и непредельные ряда этилена и ацетилена
При обычных температурах алканы малореакционные соединения и практически не вступают в реакции, характеризующие их химические свойства. Нагревание, а иногда и освещение (при галогенировании) значительно повышают химическую активность алканов. Способность атома водорода к замещению зависит от характера атома углерода, с которым он связан. Наиболее явно это проявляется при нитровании по реакции Коновалова – при третичном атоме углерода водород замещается в первую очередь, а при первичном – в минимальной степени.
При низкой температуре алканы устойчивы к действию даже таких энергичных окислителей, как перманганат калия или хромовая смесь. Окисление при повышенной температуре или в присутствии катализаторов приводит к разрыву углеродной цепи. Сгорают алканы, как и другие углеводороды с образованием СО2 и Н2О.
Дегидрирование алканов приводит к образованию непредельных или циклических углеводородов. Большое практическое значение имеют процессы крекинга и пиролиза алканов, содержащихся в нефти и продуктах ее переработки.
Химические свойства непредельных углеводородов в основном определяются легкостью разрыва π-связи. Следовательно, для них характерны реакции присоединения. Присоединение галогеноводородов, воды и ряда других соединений осуществляется в соответствии с правилом Марковникова. Последнее нарушается, если реакция протекает в присутствии пероксидов, что связано с изменением ионного механизма реакции на радикальный.
Для алкенов реакции замещения не характерны и протекают (например, при галогенировании) при высоких температурах. В отличие от алкенов, алкины, имеющие атом водорода при углероде с тройной связью, способны к замещению его на металл уже при обычных условиях (проявляют слабые кислотные свойства).
Непредельные углеводороды достаточно легко окисляются. Продукты окисления определяются видом окислителя и условиями течения процесса. Очень важны продукты полимеризации непредельных углеводородов.
Материалы: ацетат натрия, гидроксид натрия, бромная вода, перманганат калия, жидкие алканы, железные опилки, 5 %-ный раствор брома в четыреххлористом углероде, 1 %-ный раствор перманганата калия, концентрированная азотная кислота, чистый прокаленный песок, этанол, концентрированная серная кислота, 0,5 %-ный раствор перманганата калия, 10 %-ный раствор Na2CO3, кусочки карбида кальция
.
Опыт 1. Получение и свойства метана
Пробирку, снабженную пробкой с газоотводной трубкой, на четверть заполняют смесью равных количеств ацетата натрия и гидроксида натрия. Закрепив пробирку в штативе в горизонтальном положении, нагревают смесь в пламени горелки сначала осторожно, а затем сильно (работать в очках!). Опускают поочередно конец газоотводной трубки в пробирку с бромной водой и в пробирку с перманганатом калия (пробирки с растворами подготовить заранее). Пропускают газ 15 - 20 с. Наблюдают результат. Затем, не прекращая нагревания, поджигают метан у конца газоотводной трубки и наблюдают характер пламени.
Опыт 2. Отношение алканов к бромной воде
В пробирку к 1 мл жидкого алкана (гексан, гептан) или смеси алканов добавляют 1-2 мл бромной воды, встряхивают содержимое пробирки. Почему после кратковременного отстаивания произошло расслоение жидкости? В каком из слоев находится бром?
Опыт 3. Бромирование алканов
В сухую пробирку помещают 4-5 капель жидкого предельного углеводорода или смеси углеводородов, добавляют немного железных опилок и 1-2 капли 5 %-ного раствора брома в четыреххлористом углероде. Содержимое пробирки перемешивают на холоду. Почему не исчезает окраска брома? Нагревают содержимое пробирки на водяной бане (использовать открытое пламя не допустимо!) до обесцвечивания раствора. Бромирование катализируется добавлением железных опилок, йода, амальгамированного алюминия. Пинцетом вносят в пробирку синюю лакмусовую или универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой. В чем причины изменения цвета бумаги на красный? Приведите уравнение реакции монобромирования, взяв в качестве примера 2-метилпентан.
Опыт 4. Отношение алканов к водному раствору перманганата калия
К I мл жидкого предельного углеводорода добавляет несколько капель 1 %-ного раствора перманганата калия. Происходит ли исчезновение характерной окраски перманганат-ионов? В каких условиях окисляются алканы?
Опыт 5. Горение алканов
В фарфоровую чашку наливают 1 мл гептана и поджигают его. Почему в отличие от метана гептан горит коптящим пламенем? Вычислите массовую долю углерода в метане и гептане и составьте уравнения их горения.
Опыт 6. Действие концентрированной азотной кислоты на алканы
Концентрированная азотная кислота при нагревании действует как окислитель. Сделайте вывод об отношении алканов к концентрированной азотной кислоте на холоде, для чего к 0,5 мл жидкого углеводорода добавьте 0,5 мл НNO3 (конц.). В каких условиях нитруют алканы? Напишите уравнение реакции.
Опыт 7. Получение этилена и его свойства
3
В сухую пробирку помещают немного чистого прокаленного песка (для равномерного кипения), 2 мл этанола и осторожно по стенке пробирки приливают 5 мл концентрированной серной кислоты. Закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой, закрепляют наклонно в штативе и осторожно нагревают смесь в пламени горелки до начала равномерного кипения.
Выделяющийся газ пропускают поочередно в отдельные пробирки с бромной водой и 0,5 %-ным раствором перманганата калия. Отмечают результат. Затем поджигают этилен у отверстия газоотводной трубки. Наблюдают характер пламени.
Сравните отношение к применяемым реагентам алканов и алкенов.
Опыт 8. Получение ацетилена и его свойства
Пробирку на четверть заполняют водой. Затем готовят три пробирки с 1 мл бромной воды, с 1 мл 0,5 %-ного раствора перманганата калия (подготовить заранее) и с 1 мл смеси 0,5 %-ного раствора перманганата калия и 10 %-ного раствора Na2CO3 в равных пропорциях.
Затем в пробирку с водой помещают несколько кусочков карбида кальция и сразу же закрывают её пробкой с газоотводной трубкой. Выделяющейся ацетилен пропускают последовательно через пробирки: а) с бромной водой; б) с раствором перманганата калия, в) со смесью перманганата калия и соды. Пропускание газа проводите до обесцвечивания первых двух растворов и до образования осадка в третьем.
Напишите уравнения всех реакций с учетом того, что основным продуктом окисления ацетилена является щавелевая кислота, которая окисляется дальше до оксида углерода (IV).
Сравните склонность алканов, алкенов и алкинов к реакциям замещения, присоединения и окисления.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Как реагируют метан, этилен и ацетилен на холоде с бромной водой и разбавленным раствором перманганата калия? Сравните активности протекания этих реакций во всех трех случаях. Дайте объяснения.
2. Какие известны лабораторные и промышленные способы получения метана, этилена и ацетилена?
3. Какие алкены получаются при дегидратации: а) 2-бутанола; б) 2-метил-3-пентанола?
4. Для какого алкена, имеющего молекулярную формулу С4Н8 возможно существование цис- транс- изомеров?
5. Что образуется при хлорировании пропена в обычных условиях и в условиях реакции Львова?
6. Приведите схемы реакций полимеризации пропена, дивинила, изопрена.
7. Какие из изомерных алкинов с молекулярной формулой С5Н8 могут образовывать ацетилениды?
8. Каким образом из ацетилена можно получить диметилацетилен (2-бутин)?