Конспект по химии на тему "Алкены", 10 класс

Алкены – это углеводороды, в молекулах которых содержится одна двойная связь.

Состав, номенклатура, изомерия.

Общая формула: C_nH_2n

С₂Н₄   - этен (этилен)      СН₂        СН₂     (изомеров нет)

С₃Н₆   - пропен (пропилен)    СН₂        СН        СН₃

Имеет структурные межклассовые изомеры с циклоалканами.

        СН₂

СН₂         СН₂     циклопропан

С₄Н₈  

Имеет структурные изомеры:

1) углеродного скелета:

 СН₂        СН           СН₂        СН₃       бутен - 1   

 СН₂        С           СН₃                метилпропен

                СН₃

2) положения двойной связи:

СН₂        СН           СН₂        СН₃       бутен – 1

СН₃        СН           СН         СН₃       бутен  - 2   

3) межклассовые:   

СН₂        СН₂

СН₂        СН₂       циклобутан

       СН₂

СН₂         СН₂      метилциклопропан

Из – за отсутствия свободного вращения вокруг двойной связи бутен – 2 имеет пространственные цис - , транс – изомеры.

СН₃        СН           СН         СН₃       бутен  - 2   

       Н                  Н

            С         С                       цис - бутен  - 2

    СН₃                  СН₃

      Н                  СН₃

            С         С                       транс - бутен  - 2

    СН₃                  Н

Чтобы алкен имел пространственные цис - , транс – изомеры, каждый атом углерода при двойной связи должен иметь разные между собой заместители.

Цис - , транс – изомеров не имеют:

1) алкены – 1                        4) n,n – диметилалкены – n

2) 2 – метилалкены – 2

3) 3 – этилалкены – 3

Строение алкенов:

Только атомы углерода, соединённые двойной связью, находятся в состоянии sp² – гибридизации.

Все остальные атомы углерода, от которых отходят одинарные связи, находятся в состоянии sp³ -  гибридизации.

Три sp² – гибридные орбитали расположены под углом 120⁰ и лежат в одной плоскости.

Негибридные р – орбитали каждого атома углерода располагаются перпендикулярно плоскости молекулы и перекрываются над  и под плоскостью молекулы, образуя

∏ – связь.

В одной плоскости лежат всегда шесть атомов: два атома углерода, соединённые двойной связью, и по два атома, непосредственно связанные с атомами углерода при двойной связи.

Длина связи: 0.134 нм

Вокруг двойной связи отсутствует свободное вращение, поэтому алкены могут иметь пространственные изомеры.

Физические свойства:

С₂ – С₄ – газы, С₅ – С₁₇ – жидкости, остальные – твёрдые вещества.

Имеют более низкие температуры плавления и кипения, чем соответствующие алканы.

Алкены с нормальной цепью кипят при более высокой температуре, чем алкены с разветвлённой цепью.

Цис – изомеры кипят при более высокой температуре, чем транс – изомеры.

В воде растворяются плохо, но лучше, чем алканы.

Этилен при обычных условиях – бесцветный газ со сладковатым запахом, легче воздуха, мало растворим в воде, растворим в спирте и диэтиловом эфире.

Этилен, пропилен, бутен – 1, бутен – 2 можно собрать вытеснением воды.

Химические свойства алкенов

I) Реакции присоединения протекают за счёт разрыва

∏ – связи:

1) реакция гидрирования – присоединение водорода (обратимая, катализаторы: Pt  и Ni)

Алкены превращаются в алканы:

С_nH_2n + H₂          C_nH_2n+2

С₂H₄ + H₂          C₂H₆

2) реакция галогенирования – присоединение галогенов при обычных условиях

Обесцвечивание бромной и иодной воды – качественная реакция на двойную связь.

В молекулу продукта реакции добавляется два атома галогена, причём к соседним атомам углерода.

С_nH_2n + Br_2(вода)          C_nH_2n Br₂

CH₂        CH        CH₃ + Br_2(вода)          CH₂        CH        CH₃

                                                             Br           Br (1,2 – дибромпропан)

3) реакция гидрогалогенирования – присоединение галогеноводородов

Необратимая, протекает при нагревании без катализаторов, по ионному механизму.

В молекулу продукта реакции добавляется один атом галогена и один атом водорода.

С_nH_2n + НBr          C_nH_2n+1 Br

CH₂        CH₂  + HBr          CH₃        CH₂

                                                          Br  (бромэтан)

К несимметричным алкенам присоединение галогеноводородов происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода, а атом галогена присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого меньше атомов водорода.  

CH₂        CH        CH₃ + HBr                   CH₃        CH        CH₃

                                                                           Br (2 –бромпропан)

В присутствии перекиси водорода присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:

CH₂        CH        CH₃ + HBr                   CH₂        CH₂        CH₃

                                                             Br (1 –бромпропан)

Если в молекуле алкена уже присутствует атом галогена, то присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:

CH₂        CH        CH₂ Br  + HBr             CH₂        CH₂        CH₂ Br

                                                             Br (1 –бромпропан)

4) реакция гидратации – присоединение воды

Обратимая, протекает при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты по ионному механизму.

В молекулу продукта реакции добавляется один атом водорода и одна гидроксильная группа.

С_nH_2n + Н₂O           C_nH_2n+1 OH

CH₂        CH₂  + Н₂O          CH₃        CH₂

                                                          OH  (этанол)

К несимметричным алкенам присоединение воды происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода, а атом галогена присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого меньше атомов водорода.  

CH₂        CH        CH₃ + Н₂O                   CH₃        CH        CH₃

                                                                            ОН (пропанол -2)

Если в молекуле алкена уже присутствует атом галогена, то присоединение галогеноводородов происходит против правила Марковникова:

CH₂        CH        CH₂Cl + Н₂O                CH₂        CH₂        CH₃

                                                              ОН      (пропанол -1)

5) реакция полимеризации – образование сложной молекулы полимера, в которой многократно повторяются структурные звенья более простых молекул - мономеров Необратимая, протекает при нагревании в присутствии катализаторов, по ионному механизму.

nCH₂        CH₂             (        CH₂         CH₂      )_n       (полиэтилен)

nCH₂        CH          CH₃               (        CH₂         CH        )_n

                                                                         CH₃    (полипропилен)

II) Реакции окисления:

1) реакция горения – взаимодействие с кислородом при начальном нагревании

С_nH_2n + 1,5n О₂          n СО₂ + n Н₂О + Q

С₂H₄ + 3 О₂          2 СО₂ + 2 Н₂О + Q

2 С₃H₆ + 9 О₂          6 СО₂ + 6 Н₂О + Q

2) окисление водным раствором KMnO₄ «вешает» две гидроксильные группы к атомам углерода, соединённым двойной связью

Образуется диол, в котором гидроксильные группы располагаются у соседних атомов углерода.

3 CH₂        CH₂ + 2 KMn⁺⁷O₄ + 4 Н₂О            3 CH₂        CH₂ + 2 Mn⁺⁴O₂ + 2 KOH

                                                                              ОН         ОН       (этандиол – 1,2)

/ C^-2₂H⁺¹₄             C^-1₂H⁺¹₆O^-2₂ /

Mn⁺⁷ + 3e          Mn⁺⁴     2

2 C^{-2  _} 2e                  2C^-1        3

Обесцвечивание водного раствора перманганата калия без нагревания – качественная реакция на двойную связь.

3) окисление KMnO₄ в кислой среде при нагревании происходит по–разному:

Этилен  окисляется до углекислого газа и воды:

 5CH₂         CH₂ + 12 KMn⁺⁷O₄ + 18Н₂SO₄        10 C⁺⁴O₂ + 6 K₂SO₄ + 12 Mn⁺²SO₄ +28Н₂О

/ C^-2₂H⁺¹₄               C⁺⁴O₂ /

Mn⁺⁷ + 5e          Mn⁺²    12

2 C^{-2  _} 12e                  2C⁺⁴     5

Пропен  окисляется до углекислого газа и уксусной кислоты:

.CH₂        CH        CH₃  + 2 KMn⁺⁷O₄  + 3 Н₂SO₄       

       .C⁺⁴O₂  + .СН₃СООН  + .K₂SO₄  +  2 Mn⁺²SO₄  + 4 Н₂О

/ C^-2₃H⁺¹₆               C⁺⁴O₂  + С⁰₂Н⁺¹₄О^-2₂/

Mn⁺⁷ + 5e          Mn⁺²                   2

3 C^{-2  _} 10e                  C⁺⁴    + 2 С⁰          1

Бтен -2 (симметричен)  окисляется до уксусной кислоты:

 5 CH₃            CH         CH        CH₃   + 8 KMn⁺⁷O₄  + 12 Н₂SO₄      

       10 СН₃СООН  + 4 K₂SO₄  +  8 Mn⁺²SO₄  + 12 Н₂О

/ C^-2₄H⁺¹₈               2 С⁰₂Н⁺¹₄О^-2₂/

Mn⁺⁷ + 5e          Mn⁺²     8

4 C^{-2  _} 8e                  4 С⁰         5

Алкены – 1 окисляются по типу пропена до углекислого газа и карбоновой кислоты.

Алкены, содержащие двойную связь в середине углеродной цепи, рвутся по месту двойной связи с образованием карбоновых кислот. По тому, сколько каждая кислота содержит атомов углерода, можно определить место положение двойной связи.

4) Этилен окисляется кислородом при нагревании в присутствии катализатора серебра до этиленоксида:

2 CH₂        CH₂   +   О₂   ^t        2 CH₂        CH₂

                                                        О

5) Этилен окисляется кислородом при нагревании в присутствии катализатора хлорида палладия до уксусного альдегида.

Эта реакция является современным промышленным способом получения этаналя.

CH₂        CH₂  + PdCl₂ + H₂O         CH₃COH + Pd + 2 HCl

III) При нагревании выше 450⁰ или облучении алкены, начиная с пропена, реагируют с галогенами в предельной части молекулы по аналогии с алканами, т.е. по реакции свободнорадикального замещения.

Замещение водорода происходит у атома углерода, соседнего с двойной связью :

CH₂        CH        CH₃  + Cl₂  ^свет       CH₂        CH        CH₂Сl  + HCl 

Получение

1) дегидрирование алканов в присутствии Pt, Ni:

C_nH_2n+2         C_nH_2n + H₂

С₂H₆          C₂H₄ + H₂

2) дегалогенирование дигалогенопроизводных алканов при нагревании с Zn:

CH₂        CH        CH₃  + Zn                CH₂        CH        CH₃ + ZnBr₂

Br           Br

3) дегидрогалогенирование моногалогенопроизводных алканов при нагревании со спиртовым раствором щёлочи:

CH₂         CH₃  + KOH _{(спиртовой р-р)}               CH₂        CH₂ + КBr + Н₂О

Br         

При дегидрогалогенировании несимметричных моногалогенопроизводных алканов преимущественно протекает реакция согласно правилу Зайцева:

Отщепление водорода происходит от соседнего атома углерода, менее богатого водородом.

CH₃            CH         CH₂        CH₃  + KOH _{(спиртовой р-р)}               

               Cl

       CH₃            CH         CH        CH₃  + КCl + Н₂О

4) дегидратация одноатомных предельных спиртов при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты:

C_nH_2n+1 OH           С_nH_2n + Н₂O

CH₃        CH₂            CH₂        CH₂  + Н₂O          

               OH  (этанол)

При дегидратации несимметричных одноатомных предельных спиртов преимущественно протекает реакция согласно правилу Зайцева:

Отщепление водорода происходит от соседнего атома углерода, менее богатого водородом.

CH₃            CH         CH₂        CH₃                 

               ОН

          CH₃            CH         CH        CH₃  + Н₂О

5) крекинг алканов:

C_nH_2n+2          C_kH_2k+2 + C_n-kH_2n-2k

                       алкан       алкен