Зависимость направления химических реакций

Зависимость направления химических реакций
с участием органических веществ от условий

Органические вещества в массе своей обладают большой химической устойчивостью, т.е. они относительно инертны, с трудом вступают в химические взаимодействия. Реакции между неорганическими веществами большей частью протекают практически мгновенно (обмен между ионами). В то же время реакции между органическими соединениями, как правило, идут медленно. Часто их можно остановить на стадии образования промежуточных продуктов, т.е. наблюдать серию превращений между исходными веществами и конечными продуктами.

По этой причине решающее значение имеют внешние условия: температура, давление, катализатор. Рассмотрим некоторые примеры, подтверждающие влияние внешних условий на ход химических реакций с участием органических веществ.

Термическое разложение метана

Все органические соединения в большей или меньшей степени неустойчивы при высоких температурах, а при сильном прокаливании разрушаются. Метан при сильном нагревании (выше 1000 °С) разлагается на углерод и водород:

Практически такой процесс осуществляют, сжигая метан при недостатке кислорода. В реакции (1) углерод выделяется в виде сажи, имеющей большое техническое значение.

В ходе реакции (1) одним из промежуточных продуктов является ацетилен (этин), но он сразу разлагается на элементы. При более высокой температуре (1500 °С) и быстром охлаждении ацетилен удается предохранить от разложения, и в этом случае термическое разложение метана идет в соответствии с уравнением:

В одном из способов получения ацетилена этот процесс осуществляется следующим образом. В цилиндрический реактор, выложенный внутри огнеупорным кирпичом, с большой скоростью пропускают предварительно подогретый метан (или природный газ) и кислород в объемном соотношении примерно 2:1. Газы смешиваются в особой камере реактора и через узкие каналы проходят в реакционную камеру. В ней часть метана сгорает, в результате чего устанавливается температура около 1500 °С, а большая часть разлагается на ацетилен и водород в соответствии с уравнением реакции (2).

Газы поступают в реакционную камеру с огромной скоростью, в результате чего продукты реакции находятся в зоне высокой температуры тысячные доли секунды. Проходя далее, они подвергаются интенсивному охлаждению водой, при этом осуществляется стабилизация полученного ацетилена.

В продуктах реакции кроме ацетилена и водорода содержатся также сажа, оксид углерода(IV) и некоторые другие вещества.

Дегидратация одноатомных спиртов

При нагревании с концентрированной серной кислотой, являющейся катализатором, одноатомные спирты подвергаются дегидратации, т.е. отщепляют воду. В зависимости от условий процесс дегидратации протекает по-разному.

При нагревании этанола с концентрированной серной кислотой выше 160 °С отщепляется вода и получается этилен:

Если же нагревать этанол с концентрированной серной кислотой до температуры около 140 °С и брать меньше серной кислоты, чем для получения этилена, получается диэтиловый эфир:

принадлежащий к классу простых эфиров.

Интересно отметить, что указанный эфир был получен нагреванием спирта с серной кислотой еще в XVI в. Поскольку предполагалось, что в его состав входит сера, он получил название серного эфира. Это название иногда применяется и в настоящее время.

Взаимодействие галогеналканов с растворами щелочей

При действии спиртовых растворов щелочей на галогенпроизводные алканов образуются алкены:

Если же при действии на галогеналканы использовать разбавленные водные растворы щелочей, то получаются одноатомные спирты:

Необходимо отметить, что реакция (6) не идет до конца, однако, используя специальные приемы, этого можно добиться.

Взаимодействие алкенов с галогенами

Алкены легко присоединяют галогены. При пропускании пропена через бромную воду происходит ее обесцвечивание вследствие образования 1,2-дибромпропана:

СН₂=СН–СН₃ + Вr₂ СН₂Вr–СНВr–СН₃.     (7)

Однако в зависимости от условий, в которых протекает реакция, наряду с продуктами присоединения галогена к алкену могут образовываться и продукты замещения.

Если хлорируемый алкен и хлор предварительно нагреть до 200–600 °С и быстро смешать в горячем состоянии, то с хорошим выходом идет реакция замещения:

СН₂=СН–СН₃ + Сl₂ СН₂=СН–СН₂Сl + НСl.    (8)

Для каждого гомолога этилена можно найти температуру, выше которой происходит главным образом реакция замещения, а ниже этой пограничной температуры протекает преимущественно реакция присоединения.

Из сказанного следует, что замещение имеет место в насыщенных звеньях непредельного углеводорода, а присоединение происходит к углеродным атомам по месту двойной связи.

Из приведенных примеров видно влияние условий на направление химических реакций с участием органических веществ. Поэтому мы считаем целесообразным ставить учащимся и абитуриентам оценку «отлично» только в том случае, когда приведены точные условия осуществления конкретной реакции, а не формальное указание повышенной температуры и присутствия катализатора.

Литература

Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. М.: Высшая школа, 1999, 768 с.; Хотинский Е.С. Курс органической химии. Харьков: Изд-во Харьк. гос. ун-та, 1955, 706 с.