Реакции окисления и восстановления

Это реакции, в ходе которых повышается степень окисления атомов углерода в молекуле органического вещества:

а) полное окисление (горение)

б) неполное окисление

Задание 2. Укажите, какие из следующих веществ являются гомологами по отношению друг к другу: С₂Н₄, С₄Н₁₀, С₃Н₆, С₆Н₁₄, С₆Н₆, С₆Н₁₂, С₇Н₁₂, С₅Н₁₂, С₂Н₂.

 

 

Тема 2. Углеводороды и их природные источники

 

Тема. Алканы: гомологический ряд, изомерия и номенклатура алканов. Химические свойства алканов (метана, этана): горение, замещение, разложение, дегидрирование. Применение алканов на основе свойств.

 

Цель: изучить общую формулу, номенклатуру, физические свойства представителей гомологического ряда алканов, их строение, химические свойства, применение.

Интернет-ресурсы:

https://portal.tpu.ru/SHARED/e/ELINE/academic/PCMI/up1.pdf

Задания для самостоятельной работы

Задание 1. Ознакомьтесь с теоретическим материалом занятия. Составить опорный конспект, используя различные источники литературы и интернет ресурсы по плану:

1. Дать понятие углеводороды. Алканы (Указать общую формулу).

2. Особенности пространственного и электронного строения алканов.

3. Физические свойства алканов.

4. Гомологический ряд алканов.

5. Номенклатура и изомерия.

6. Химические свойства алканов.

7. Способы получения алканов.

8. Применение.

 

Алканы – это углеводороды, содержащие только одинарные связи между атомами С–С в молекуле, т.е. содержащие максимальное количество водорода. Их называют также предельными, насыщенными или парафиновыми углеводородами.

Углеводороды ряда алканов имеют общую формулу C_nH_2n+2 , где n — число атомов углерода в молекуле.

В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр³-гибридизации. Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды — тетраэдра.

Углы между орбиталями равны 109° 28′.

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), например, в молекуле н -пентана.

Все связи в молекулах предельных углеводородов одинарные. Перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи. Связи углерод — углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С—С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 • 10^—10 м). Связи С—Н несколько короче. Электронная плотность немного смещена в сторону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С—Н является слабополярной.

Отсутствие в молекулах предельных углеводородов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде, не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Наиболее характерными для алканов являются реакции, протекающие с участием свободных радикалов.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH₄ или

Н–СH₂–H.

Гомологический ряд метана

Гомологи — вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп -СН₂.

Изомерия и номенклатура

Для алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета.

Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан.

Основы номенклатуры

Правила номенклатуры (названий) органических соединений были приняты в 1965 году. Они называются правилами ИЮПАК (IUPAC).

За основу названий органических соединений принимаются названия гомологов-алканов:

СН₄ — МЕТ ан,

C₂H₆ — ЭТ ан,

С₃Н₈ — ПРОП ан,

С₄Н₁₀ — БУТ ан и тд.

В этих названиях КОРНИ слов (полужирный шрифт) — мет-, эт-, проп- и так далее — указывают на число атомов углерода в цепи:

МЕТ — 1 атом углерода,

ЭТ — 2 атома углерода,

ПРОП — 3 атома углерода и так далее.

Суффикс в названии указывает на характер (тип) связей.

Так, суффикс -ан- показывает, что все связи между атомами углерода простые.

Выбор главной цепи.

Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2. Нумерация атомов главной цепи.

Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б).

Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г).

Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил

 (—СН₃), затем этил (-СН₂-СН₃), пропил (-СН₂-СН₂-СН₃) и т. д.
Ответвления от основной (главной) цепи называются радикалами.

Названия радикалов предельных углеводородов имеют суффикс -ил-:

3. Формирование названия.

В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-).

После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан C₃H₈, бутан С₄Н_10, пентан С₅Н₁₂, гексан С₆Н₁₄,

гептан C₇H_16, октан C₈H_18, нонан С₉Н_20, декан С₁₀Н₂₂).

Физические свойства алканов зависят от их состава и строения.

Агрегатное состояние: С₁- С₄ – газы, С₅ – С₁₅ – жидкости, С₁₆ – и выше твердые вещества.

Простейшие и высшие не имеют запаха, жидкие обладают специфическим запахом. Плотность углеводородов нормального строения возрастает в гомологическом ряду, но не больше 1.

Температура кипения и температура плавления увеличивается с увеличением молярной массы. Температура кипения углеводородов изостроения ниже, чем углеводородов нормального строения.

Алканы не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями. Легко горят.

 

Получение алканов

Для получения алканов используют в основном природные источники.

Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы — из нефти.

Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск — природный битум.

1. Из простых веществ: n C + 2 n Н₂ ^{500 °С, кат} → С _n Н_{2 n + 2}

 

2. Действие металлического натрия на галогенопроизводные алканов— реакция А.Вюрца:

2CH₃-Cl + 2Na → CH₃-CH₃ + 2NaCl

3. Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе)

2СН₃-СН₂-СООNa+2Н₂О → СН₃СН₂СН₂СН₃+Н₂+2СО₂+2NaOH

4. Реакция Дюма (сплавление солей карбоновых кислот с твердыми щелочами):
RCOONa + NaOH →(t плав.)→ R-H + Na₂CO₃

 

5. Гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃+12H₂O → 4Al(OH)₃+3CH₄

Химические свойства алканов

Для предельных углеводородов характерны реакции: разложения, замещения, окисления.

1. Реакции замещения - Галогенирование (стадийно)

CH₄ + Cl₂ ^hν → CH₃Cl(хлорметан) + HCl (1 стадия);

метан

CH₃Cl + Cl₂ ^hν → CH₂Cl₂ (дихлорметан)+ HCl (2 стадия);

СH₂Cl₂ + Cl₂ ^hν → CHCl₃ (трихлорметан)+ HCl (3 стадия);

CHCl₃ + Cl₂ ^hν → CCl₄ (хлорметан)+ HCl (4 стадия).

2. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем)

C_nH_2n+2 + O₂ ^t→ nCO₂ + (n+1)H₂O

Горение метана

 

Реакции разложения

а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:

C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀

Крекинг – это реакция разложения алкана с длинной углеродной цепью на алканы с более короткой углеродной цепью и алкены.

Крекинг бывает термический и каталитический.

Термический крекинг протекает при сильном нагревании без доступа воздуха. Каталитический крекинг проводят при более низкой температуре в присутствии катализаторов. Процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования. Катализаторы каталитического крекинга – цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия).

б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи, продукты – С (сажа) и Н₂:

СH₄ ^1000°С→ C + 2H₂

 

Применение

Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит.

Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках

Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

Метан используется для производства шин и краски.

Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.

 

Задание 2. Назвать углеводород:

Задание3. Составить графическую формулу углеводорода: 3,3-диметилбутан; 2,2,4 – триметилпентана.

Задание 4. Составьте графические формулы всех изомеров гептана. Назовите эти изомеры.

Задание 5. Приведите названия предельных углеводородов, которые имеют следующие формулы:

 

 

Задание 6. Бензин представляет собой смесь алканов с числом атомов углерода от 5 до 9. Составьте их молекулярные формулы.

Задание 7. Составьте молекулярные формулы веществ.

 

 

 

Тема. Алкены. Этилен, его получение (дегидрированием этана, деполимеризацией полиэтилена). Гомологический ряд, изомерия, номенклатура алкенов.

Цель: дать представление о непредельных углеводородах, о ненасыщенной (кратной) связи; о строении молекулы этилена – первого представителя ряда алкенов, о физических свойствах веществ этого ряда, их номенклатуре и изомерии.

Интернет-ресурсы:

https://portal.tpu.ru/SHARED/e/ELINE/academic/PCMI/up1.pdf

Задания для самостоятельной работы

Задание1. Ознакомьтесь с теоретическим материалом занятия. Составить опорный конспект, используя различные источники литературы и интернет ресурсы по плану:

1.Дать понятие непредельные углеводороды. Алкены. (Указать общую формулу).

2.Особенности пространственного и электронного строения алкенов.

3.Физические свойства алкенов.

4.Гомологический ряд алкенов.

5.Номенклатура и изомерия.

6. Химические свойства алкенов.

7.Способы получения алкенов.

8.Применение этилена и его соединений.

 

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные 0связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкины, алкадиены (полиены).

Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалкены), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома). Свойство «непредельности» связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных углеводородов — алканов.

Строение алкенов

Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле С_nН_2n.

Свое второе название — олефины — алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров — масел.

Атомы углерода, между которыми есть 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 (0,132 им) короче одинарной, а ее энергия больше, т. к. она является более прочной. Тем не менее, наличие подвижной, легко поляризуемой π -связи приводит к тому, что алкены химически более активны, чем алканы, и способны вступать в реакции присоединения.

Гомологический ряд этена

Неразветвленные алкены составляют гомологический ряд этена (этилена): С₂Н₄ — этен, С₃Н₆ — пропен, С₄Н₈ — бутен, С₅Н₁₀ — пентен, С₆Н₁₂ — гексен, С₇Н₁₄ — гептен и т.д.

Самый первый представитель гомологического ряда алкенов – этен (этилен) C₂H₄, или СH₂=СH₂.

Изомерия алкенов

Для алкенов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета, изомерия положения двойной связи) и пространственная изомерия.. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры — это бутен:

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

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, или цис- и транс-изомерии.

 

Номенклатура алкенов

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.
Например:

5-метилгексен-2

Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей так же, как для предельных углеводородов.

3. Формирование названия.

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

Например:

 

Физические свойства алкенов

Физические свойства алкенов в основном сходны с соответствующими свойствами алканов. Алкены, в составе которых до пяти атомов углерода, при стандартных условиях — газы, с пентена до гексадекена —жидкости, с гексадекена С₁₆Н₃₂ — при стандартных условиях —твердые вещества.

Газы и жидкости — бесцветны. Газы не имеют запаха, у жидкостей — нерезкий запах.

Этилен — газ без цвета и запаха, немного легче воздуха. В гомологическом ряду алкенов с увеличением молекулярной массы наблюдается увеличение температур кипения, плавления и плотности. Алкены нерастворимы в воде и полярных жидкостях, растворяются в неполярных растворителях (бензин, бензол, толуол и др.).

Химические свойства алкенов

Реакции присоединения.

Отличительной чертой представителей непредельных углеводородов — алкенов является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.
1. Гидрирование алкенов.

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

Эта реакция протекает при атмосферном и повышенном давлении и не требует высокой температуры, т. к. является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция — дегидрирование.

2. Галогенирование (присоединение галогенов).

Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе (СС₁₄) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалогеналканов.

С₂Н₄+Br₂=C₂H₄Br₂

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода).

Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:
При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т. е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.

4. Гидратация (присоединение воды).

Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов.

Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта.

 

 

Первичный спирт (с гидроксогруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена.

При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.

 

 

Эта реакция протекает также в соответствии с правилом Марковникова — катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа — к менее гидрированному.
5. Полимеризация.

Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:

 

 

Эта реакция присоединения протекает по свободнорадикальному механизму.
Реакции окисления
1. Горение. Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием СО₂ и Н₂О:

2.Окисление в растворах.

В отличие от алканов алкены легко окисляются под действием растворов перманганата калия.

В нейтральных или щелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:

Применение

Благодаря высокой химической активности углеводороды ряда этилена являются ценным сырьем для синтеза многих органических веществ, поэтому в качестве горючего они не используются.

Этилен находится в больших количествах в коксовых газах и газах очистки нефтеперерабатывающих установок и выделяется оттуда путем низкотемпературной перегонки. Все увеличивающаяся потребность в этом исходном продукте тяжелого органического синтеза может быть, однако, удовлетворена лишь путем высокотемпературного пиролиза этана и других алканов при 800 — 9000С.

Подходящим методом получения этилена в лаборатории является дегидратация этилового спирта под действием концентрированной серной кислоты и нагревании до 1700С.

Этилен представляет собой бесцветный, почти нерастворимый в воде газ, горящий светящимся пламенем и образующий с воздухом взрывчатые смеси. Этилен используют для получения этилового спирта, уксусного альдегида, винилхлорида и стирола, но главным образом для производства полиэтилена. Хлорированием этилена получают важнейший растворитель 1,2-дихлорэтан, гидрохлорированием — средство для анестезии — хлорэтан.

Пропилен выделяют из газов нефтепереработки и в больших количествах используют для получения изопропилового спирта, аллилхлорида (3-хлорпропена) и полипропилена.

 

Задание 1. Изомерами углеродного скелета являются:

1)		3)
2)		4)

Задание2. Соотнесите:

тип углеводорода:

1) алканы, 2) алкены

формула:

а) С₅Н₁₂, б) С₁₁Н₂₄, в) С₇Н₁₄, г) С₂Н₆, д) С₈Н₁₆, е) С₄Н₈.

Определите название веществ.

 

Задание3.

 

 

Задание4. Дайте названия следующим углеводородам по систематической номенклатуре:

 

г) СН₃ — СН — СН₂ — СН₂ — СН = СН₂

│

С₂Н₅

 

д) СН₃—СН₂—СН₂—С = СН—СН₃

│

СН₃

        СН₃

│

е) СН₃—С—СН=СН—СН₂—СН₃

│

СН₃

 

ж) СН₃ — СН — СН = С — СН₃

│ │

СН₃ СН₂— СН₃

 

з) СН₂= СН— СН — СН₂— СН— СН₃

│ │ СН₂— СН₂— СН₃

СН₂— СН₃           СН₂— СН_{3 │}

и) СН₃ — СН — СН₂ — СН = СН — СН₂— СН— СН₃

│

   СН₃

 

Задание 5. Напишите структурные формулы следующих алкенов:

а) 3-метилпентен-1

б) 2-метил - 4-этилгексен-2

в) 2,2-диметил-3-этилгептен-3