Лекция "Алкены. Строение молекулы этана"

Лекция 3

"Алкены. Строение молекулы этилена. sp2-гибридизация. Гомологический ряд алкенов. Изомерия алкенов: структурная и геометрическая (цис- транс-). Принципы номенклатуры ИЮПАК для алкенов. Физические свойства алкенов. Химические свойства алкенов. Реакции присоединения – гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация. Правило Марковникова. Реакции окисления – неполное (на примере реакции Вагнера) и полное окисление. Методы получения: дегидрирование алканов, дегидратация спиртов, дегалогенирование моногалогенпроизводных алканов спиртовым раствором щелочи – правило Зайцева.

Применение алкенов. Понятие о полимерах. Полиэтилен, полипропилен, полистирол."

План:

1.      Алкены. Строение молекулы.

2.      Изомерия и номенклатура.

3.      Получение

4.      Свойства

5.      Применение

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкины, алкадиены (полиены).

Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле С_пН_2п.

Строение

Атомы углерода, между которыми имеется двойная связь, находятся в состоянии sр²-гибридизации. Это означает, что в гибридизации участвуют одна s- и две р-орбитали, а одна р-орбиталь остается негибридизованной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию σ-связи, а за счет негибридизованных р-орбиталей соседних атомов углерода образуется вторая, π-связь. Таким образом, двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи.

Гибридные орбитали атомов, образующих двойную связь, находятся в одной плоскости, а орбитали, образующие π-связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы.

Двойная связь является более прочной. Наличие π-связи приводит к тому, что алкены химически более активны, чем алканы, и способны вступать в реакции присоединения.

Гомологический ряд этилена

Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена):

С₂Н₄ – этен,

С₃Н₆ – пропен,

С₄Н₈ – бутен

С₅Н₁₀ – пентен,

С₆Н₁₂ — гексен и т.д.

Изомерия и номенклатура

Для алкенов, так же как и для алканов, характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, — это бутен.

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи.

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии — геометрической, цис-, или транс-изомерии, которые отличаются друг от друга пространственным расположением фрагментов молекулы относительно плоскости π-связи, а следовательно, и свойствами.

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

Номенклатура алкенов, разработанная ИЮПАК, схожа с номенклатурой алканов.

1.      Выбор главной цепи.

Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.

2.      Нумерация атомов главной цепи.

Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь.

3.      Формирование названия.

Названия алкенов формируются так же, как и названия алканов. В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов, -ен.

Получение

Промышленные способы получения алкенов основаны на превращении алканов в алкены с использованием природных источников УВ (нефть, природный газ).

1.      Крекинг нефтепродуктов.

В процессе термического крекинга предельных углеводородов наряду с образованием алканов происходит образование алкенов, например:

C₁₆H₃₄ → ^t С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆.

гексадекан октан октен

2.      Дегидрирование алканов.

При пропускании алканов над катализатором (Pt, Ni, Cr₂О₃) при высокой температуре (400—600 °С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена.

Лабораторные способы.

1.      Дегидратация спиртов (отщепление воды).

Воздействие водоотнимающих средств (H₂SО₄, Аl₂О3) на одноатомные спирты при высокой температуре приводит к отщеплению молекулы воды и образованию двойной связи:

Эту реакцию называют внутримолекулярной дегидратацией.

2.      Дегидрогалогенирование галогеналканов.

При взаимодействии галогеналкана с щелочью в спиртовом растворе образуется двойная связь в результате отщепления молекулы галогеноводорода:

В результате этой реакции образуется преимущественно бутен-2, а не бутен-1, что соответствует правилу Зайцева:

при отщеплении галогеноводорода от вторичных и третичных галогеналканов атом водорода отщепляется от наименее гидрированного атома углерода.

3.      Дегалогенирование.

При действии цинка или магния на дибромпроизводное алкана происходит отщепление атомов галогенов, находящихся при соседних атомах углерода, и образование двойной связи:

Свойства

Физические свойства

Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы, вещества состава С₅Н₁₀—С₁₆Н₃₂ — жидкости, высшие алкены — твердые вещества. Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Химические свойства

1.      Реакции присоединения.

а) Гидрирование алкенов.

Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования — металлов — платины, палладия, никеля:

б) Галогенирование.

Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалогеналканов:

в) Гидрогалогенирование:

Реакция присоединения галогеноводорода более подробно будет рассмотрена ниже. Эта реакция подчиняется правилу Марковникова: при присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, а галоген к менее гидрированному.

г) Гидратация. Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта:

Первичный спирт образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты:

2.      Полимеризация

Особым случаем реакции присоединения является реакция полимеризацииалкенов и их производных. Реакция протекает при повышенной температуре и давлении, а также в присутствии катализатора:

3.      Реакции окисления

а) Горение

Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием СО₂ и Н₂О:

С₂Н₄ + 2О₂ → 2СО₂ + 2Н₂О

б) Окисление перманганатом калия (реакция Вагнера)

В отличие от алканов, которые устойчивы к окислению в растворах, алкены легко окисляются под действием водных растворов перманганата калия. В нейтральных или слабощелочных растворах на холоду происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:

В действительности процесс окисления алкенов гораздо сложнее, происходящие при этом превращения можно изобразить уравнением:

Применение

Алкены широко используются в химической промышленности как сырье для получения разнообразных органических веществ и материалов. Например, этен — исходное вещество для производства этанола, этиленгликоля, эпоксидов, дихлорэтана.

Большое количество этена перерабатывается в полиэтилен, который используется для изготовления упаковочной пленки, посуды, труб, электроизоляционных материалов.

Из пропена получают глицерин, ацетон, изопропиловый спирт, растворители. Полимеризацией пропена получают полипропилен, который по многим показателям превосходит полиэтилен: имеет более высокую температуру плавления, химическую устойчивость.

В настоящее время из полимеров — аналогов полиэтилена производят волокна, обладающие уникальными свойствами. Так, например, волокно из полипропилена прочнее всех известных синтетических волокон. Материалы, изготовленные из этих волокон, являются перспективными и находят все большее применение в разных областях человеческой деятельности.

Спи­сок ли­те­ра­ту­ры

1. Руд­зи­тис Г.Е. Химия. Ос­но­вы общей химии. 10 класс: учеб­ник для об­ще­об­ра­зо­ва­тель­ных учре­жде­ний: ба­зо­вый уро­вень / Г. Е. Руд­зи­тис, Ф.Г. Фельд­ман. – М.: Про­све­ще­ние, 2014г. 268с.

2. Химия. 10 класс. Учебник для об­ще­об­ра­зо­ват. учре­жде­ний/ В.В. Ере­мин, Н.Е. Кузь­мен­ко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2009. – 327 с.

3. Химия. 11 класс. Учеб. для об­ще­об­ра­зо­ват. учре­жде­ний/ В.В. Ере­мин, Н.Е. Кузь­мен­ко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2009. – 348 с.

Контрольные вопросы:

1.            Какая структурная особенность отличает непредельные углеводороды от предельных? Приведите примеры подобных соединений.

2.            Как происходит образования σ-связи, а как π-связи? Какие связи являются менее прочными и почему? Укажите качественную реакцию для определения π-связи.

3.            Напишите структурные формулы следующих алкенов: а) пропен, б) бутен-1, в) 3,3-диметилбутен-1, г) 2,3-диметилпентен-1.

4.            Напишите уравнение реакции получения этилена из этанола. Какую роль выполняет концентрированная серная кислота в этой реакции?

5.            Напишите уравнения реакции гидрирования, галогенирования и гидрогалогенирования пентена-2.