Тема: Ненасичені вуглеводні (алкени)

Тема: Алкани

Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми карбону в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв'язками. Алкани називають також парафінами, насиченими вуглеводнями.

Метан. Найпростіший алкан - метан СН₄, молекула якого складається з одного атома карбону і чотирьох атомів гідрогену. Як уже зазначалось, атом карбону, що утворює чотири ковалентних зв'язки, знаходиться у збудженому стані (1s²2s¹2p³). В утворенні чотирьох ковалентних зв'язків беруть участь одна s - і три р - орбіталі (р_х, р_у, р_z) зовнішнього енергетичного рівня одного атома карбону. Всі чотири ковалентних зв'язки, які утворює карбону у молекулі СН₄, рівноцінні: мають однакову довжину, енергію зв'язку та інші властивості.

Рівноцінність хімічних зв'язків у метані можна пояснити, використовуючи поняття про гібридизацію орбіталей. Гібридизацією називається зміна форми і енергії різних орбіталей одного атома, яка приводить до утворення однакових (гібридизованих ) орбіталей.

Наприклад, при утворенні молекули метану гібридизації зазнають орбіталі атома карбону: одна s - і три р - орбіталі. Вид і число орбіталей, які беруть участь у гібридизації, визначають її тип. Так, у метані виявляється sр³- гібридизація.

Гомологи метану. Крім метану всі інші вуглеводні, що належать до алканів, містять у складі два, три і більше карбонових атомів:

Як видно з наведених формул, кожний наступний член цього ряду можна одержати, додаючи до формули попереднього члена групу СН₂. Група СН₂ називається гомологічною різницею. Речовини, подібні за хімічними властивостями, склад яких відрізняється на ціле число груп СН₂, називаються гомологами. Сукупність гомологів складає гомологічний ряд.

Склад молекул усіх алканів відповідає загальній формулі С_nН_2n+2, де п = 1, 2, 3, 4… Отже, алкани - це вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі С_nН_2n+2.

Будова молекул алканів, згідно з сучасними електронними уявленнями про хімічний зв'язок, пояснюється так. У молекулах усіх алканів орбіталі атомів карбону перебувають у стані sp³ - гібридизації і напрямлені до вершин уявного тетраедра з їх центрів. Молекулу етану можна уявити як два тетраедри, сполучені вершинами. Модель молекули етану:

При такому сполученні групи СН₃ можуть обертатися відносно зв'язку карбон - карбон, утворюючи різні геометричні форми - конформації.

Ізомерія. Для алканів характерна структурна ізомерія, яка зумовлена можливістю розгалуження вуглецевого ланцюга молекули. Вуглеводень з прямим, нерозгалуженим ланцюгом називається нормальним ізомером. У алканах з розгалуженим ланцюгом замісники (бічні ланцюги) можуть займати різне положення відносно головного ланцюга. Речовини, що мають однаковий склад, але різняться будовою вуглецевого ланцюга, називаються структурними ізомерами.

Першим членом гомологічного ряду алканів, який має ізомери, є бутан С₄Н₁₀. В одному з ізомерів С₄Н₁₀ всі атоми карбону витягнуті в один ланцюг, у молекулі іншого ізомеру головний вуглеводневий ланцюг складається з трьох атомів, а четвертий атом карбону сполучений з середнім атомом ланцюга:

Ізомери бутану різняться властивостями. Так температура кипіння нормального бутану становить - 0,5°С, а ізобутан кипить при температурі - 11,7°С.

У іншого представника ряду алканів - гексану С₆Н₁₄ існує п'ять структурних ізомерів. Один з них н - гексан (нормальний гексан, буква н означає "нормальний") має прямий, нерозгалужений ланцюг, що складається з шести атомів карбону, у двох ізомерів головний ланцюг містить п'ять атомів карбону і, нарешті, можливі ще два ізомери, яки мають у головному ланцюгу по чотири атома карбону:

Як можна бачити із структурних формул ізомерів, атоми карбону можуть бути сполучені з різною кількістю інших атомів карбону: одним, двома, трьома та чотирма. Залежно від цього розрізняють первинні, вторинні, третинні та четвертинні вуглецеві атоми, приклади яких показані в такій формулі:

У цій сполуці атом карбону С1 - первинний, атоми С2, С4, С5 - вторинні, атом С3 - третинний і С6- четвертинний

Число ізомерів у алканів може бути різним. Воно зростає в міру збільшення числа атомів карбону в молекулі алкану. Так, бутан має 2 ізомери, пентан - 3, гексан - 5, гептан - 9, октан - 18, нонан - 35, декан - 75.

Вуглеводневі радикали. Якщо від молекули вуглеводню відщепити один або кілька атомів гідрогену, то утвориться вуглеводневий радикал. Назви радикалів утворюють від назв відповідних алканів з заміною закінчення -ан на -ил (-іл). Приклади вуглеводневих радикалів:

Як загальна назва вуглеводневих радикалів прийнятий термін "алкіл", їх позначають буквою R.

Номенклатура. Хімічна номенклатура - це система формул і назв хімічних речовин. Вона охоплює правила складання формул і назв. Для органічної хімії найбільш зручною є замісникова номенклатура, яка рекомендована IUPAC (Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії).

Для того щоб дати розгалуженому вуглеводню назву згідно з цією номенклатурою, необхідно виконувати такі правила.

Вибирають найдовших ланцюг атомів карбону в молекулі, наприклад:

Нумерують атоми карбону в головному вуглеводневому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче розміщені розгалуження (пр. а). Якщо замісники знаходяться на рівних віддалях від кінця ланцюга (пр.б). Якщо розгалуженість головного ланцюга однакова, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знаходиться радикал, назва якого стоїть раніше в алфавітному порядку (пр. в). Приклади:

За основу назви розгалуженого вуглеводню беруть назву вуглеводню, що відповідає головному ланцюгу. Наприклад, якщо головний ланцюг містить 4 атоми карбону, коренем буде "бутан", 9 атомів карбону - корінь "нонан". Назва розгалуженого вуглеводню будується в такій послідовності: спочатку зазначається цифра, що означає номер атома карбону в головному ланцюгу, у якого є розгалуження, потім назва радикала у бічному ланцюгу і назва найголовнішого ланцюга. Якщо вуглеводень містить кілька однакових радикалів, то в його назві перелічуються цифри, що вказують їх положення, а число цих радикалів зазначається числовим префіксом: ди-, три-, тетра-, пента-.

Різні за будовою радикали перелічують в алфавітному порядку. Приклади:

Для багатьох органічних речовин, у тому числі і для деяких алканів, зберігаються тривіальні назви, тобто назви, що склалися історично. Наприклад, 2-метилпропан має тривіальну назву ізобутан.

Властивості. За звичайних умов метан, етан, пропан, ізомерні бутан і неопентан - безбарвні гази. Нормальні алкани, починаючи з вуглеводню С₁₇Н₃₆, за звичайних умов є твердими речовинами.

Усі алкани дуже мало розчинні у воді.

У хімічному відношенні алкани - інертні речовини, що визначається міцністю зв¢язків карбон - карбон і карбон - гідроген. Крім того, ці зв'язки малополярні, тому для алканів будуть характерні реакції, що відбуваються з гомологічним розривом зв'язків.

Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами. Для алканів характерні такі реакції:

1. Галогенування. Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом.

Розглянемо як приклад хлорування метану. На світлі відбувається гемолітичний розрив молекул хлору з утворенням радикалів Cl×, і далі реакція відбувається за ланцюговим механізмом:

Продуктами реакції можуть бути CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ і ССІ₄. Кожний з названих продуктів можна виділити.

2. Нітрування. Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

Ці реакції відкриті російським хіміком М. І. Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова.

Нітрування можна здійснювати не тільки азотною кислотою, а й оксидами азоту (ІV) NO₂ або N₂O₄.

3.Окислення. Алкани згоряють на повітрі з виділенням великої кількості теплоти:

На реакціях горіння алканів ґрунтується їх застосування як палива. При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окислити до органічних кислот.

4. Взаємодія з водяною парою. Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі - конверсія метану з водяною парою:

Реакція відбувається при наявності каталізатора. Її продуктом є синтез-газ - суміш оксиду карбону з воднем. Синтез-газ широко використовується в органічному синтезі.

5. Крекінг. Розщеплення молекул органічних сполук з розривом зв'язків карбон – карбон під дією високих температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів карбону і ненасичені сполуки, наприклад:

Добування. Промислові способи добування алканів ґрунтуються на виділенні їх з природних речовин, переважно нафти і природного газу.

Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею, є метан; його об`ємна частка може становити до 98%. З природних газів можна виділити також етан, пропан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.

Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля.

Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші карбону (ІІ) з воднем над каталізатором:

У лабораторних умовах метан можна добути, використовуючи такі реакції: розкладання карбіду алюмінію водою:

сплавляння ацетату натрію з лугом [звичайно беруть натронне вапно - суміш NaOH і Ca(OH)₂]:

Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галагенопохідні вуглеводнів, наприклад:

Реакції такого типу називаються реакцією В’юрка. Застосування. Насичені вуглеводні широко використовуються в органічному синтезі. З них добувають багато органічних речовин: ненасичені вуглеводні, хлорпохідні, органічні кислоти.

Багато вуглеводнів входить до складу різних виді палива: горючого газу, бензину, гасу. З вищих алканів виготовляють такі речовини, як парафін і вазелін, мастила, електроізолятори. Вищі алкани є сировиною для добування синтетичних мийних засобів.

Тема: Ненасичені вуглеводні (алкени).

Алкени, алкіни належать до ненасичених органічних сполук. Ненасиченими називаються сполуки, молекули яких містять атоми карбонів, сполучені подвійними і потрійними зв`язками.

Алкени - вуглеводні, в молекулах яких є один подвійний зв`язок між атомами

карбону Алкени називають також олефінами, або етиленовими вуглеводнями.

Етилен. Найпростішим алкеном є етилен С₂Н₄. За міжнародною номенклатурою назва етелену - етен. Структурна формула молекули етелену має такий вигляд:

Розглянемо природу зв`язків у молекулі С₂Н₄з позицій сучасної електронної теорії. В атомі карбону, який перебуває в збудженому стані (С*1s² 2s¹ 2p³), гібридизації можуть зазнавати не всі, а тільки три орбіталі зовнішнього рівня: одна s- і дві р- орбіталі. Третя р- орбіталь з неспареним електроном залишається незмінному вигляді.

Такий тип гібридизації (sp²- гібридізація) спостерігається при утворенні молекули етилену С₂Н₄.

Подвійний зв`язок у молекулі етилену складається з одного s- і одного p- зв`язків. Подвійний зв'язок міцніший від одинарного, але не в два рази. Зв'язки s- і p - різняться за міцністю, більш стійкий o - зв¢язок. У структурних формулах s - і p - зв’язки зображають однаково (рискою), проте слід пам’ятати про різну природу і міцність цих зв’язків.

Гомологи етилену. Етилен С₂Н₄- перший член гомологічного ряду алкенів. Послідовно додаючи до формули гомологічну різницю СН₂ можна одержати формули гомологів етилену: С₃Н₆, С₄Н₈, С₅Н₁₀ і т.д. Загальна формула вуглеводнів ряду алкенів СпН2п, де п = 2, 3, 4… .

Назви алкенів за міжнародною номенклатурою утворюють з назв алканів з такою самою кількістю вуглецевих атомів, замінюючи закінчення -ан на -ен, наприклад, етан С₂Н₆ -етен С₂Н₄, пропан С₃Н₈ - пропен С₃Н₆, бутан С₄Н₁₀ - бутен С₄Н₈.

Для найпростіших алкенів поширені також тривіальні назви, наприклад: етилен (етен), пропілен (пропен), бутилен (бутен).

Алкени утворюють радикали. Назва радикала складається з назви відповідного і суфікса -іл; для радикалів найпростіших акенів використовують тривіальні назви, наприклад:

Ізомерія. Для алкенів характерні два види ізомерії. Структурна ізомерія пов’язана з різним положенням подвійного зв¢язку у вуглеводневому ланцюгу і з розгалуженням ланцюга. Наприклад, бутен має такі ізомери:

Назви алкенів утворюють так. Вибирають найдовший вуглеводневий ланцюг, який містить подвійний зв’язок. Нумерують атоми карбону в цьому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче розміщений подвійний зв¢язок. Приклади:

За основу назви ізомеру беруть назву алкену, що відповідає головному ланцюгу. Наприклад, бутен, якщо головний ланцюг містить 4 атоми карбону, пентен - 5 атомів С, октен - 8 атомів С.

У назві алкену перед коренем зазначають бічні замісники (радикали), перед якими ставлять цифру, що вказує їх положення. Після кореня записують номер вуглецевого атома (найменший), біля якого знаходиться подвійний зв’язок. Отже, алкени в наведених вище прикладах мають такі назви:

Другий характерний вид ізомерії вуглеводнів з подвійним зв¢язком - це просторова ізомерія, або стереоізомерія. Вона зумовлена різним положенням замісників відносно площини, в якій розміщені подвійні зв’язки. Для позначення стереоізомерів алкенів використовують префікси цис- і транс-. Наприклад, бутен-2 має такі стереоізомери:

У молекулі цис- ізомеру алкільні радикали розміщені по один бік від площини подвійного зв’язку, в молекулі транс- ізомеру по різні боки. Перехід від цис- бутену-2 до транс- бутену-2 і навпаки можливий тільки під час розривуp- зв’язку між вуглецевими атомами.

Цис- і транс- ізомери різняться за властивостями. Наприклад, температура кипіння цис- бутену-2 дорівнює 3,7⁰С, а транс-бутену-2 - +1⁰С.

Сполуки з подвійним зв'зком карбон - карбон можуть мати циклічну будову. Ці сполуки належать до циклоалкенів.

Циклоалкени не є гомологами етилену.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 3427; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!