Лабораторна робота 4

 

НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ

 

Будова, ізомерія, номенклатура, властивості

 

Вуглеводнями називають сполуки, які складаються з атомів ву­глецю та водню. Вуглеводні діляться на насичені та ненасичені.

Насичені вуглеводні (алкани, парафіни) мають тільки прості (одинарні) зв’язки між атомами вуглецю, ненасичені мають і кратні зв’язки - подвійні та потрійні. Будь-який простий зв’язок між ато­мами вуглецю й іншими (у тому числі атомом вуглецю) називається s-зв’язком: для нього характерне перекриття електронних орбіталей уздовж лінії, яка з’єднує центри атомів. що взаємодіють. В утворенні s-зв’язку з боку атома вуглецю завжди бере участь гібридна sp-, sp²- або sp³-орбіталь. Один із кратних зв’язків вуглецевого атома в різ­них сполуках є s-зв’язком. Інші зв’язки, утворені не гібридними, а р-орбіталями, називаються p-зв’язками. Вони утворюються за рахунок перекривання р-орбіталей по обидва боки лінії, яка з’єднує центри атомів: вони менш міцні, ніж s-зв’язки і більш рухомі.

 

гібридна орбіталь вуглецевого атома (sp3-, sp2-, sp-)	s - зв’язок С-Н	s - зв’язок С-С

 

 

р - орбіталь	p - зв’язок

 

p-зв’язок в етилені розташований в площині, перпен­дику­лярній площині роз-ташування s-зв’язків. В ацетилені є два p-зв’язки, які знаходяться в двох взаємно перпендикулярних площинах.

 

 

 

Спільна формула насичених вуглеводнів - С_nH_2n+2. Алкани мають суфікс -ан, а радикали -ил (іл).

 

Гомологічний ряд

Алкани	Алкіли
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 С7Н16 С8Н18 С9Н20 С10Н22 С11Н24 С12Н26	метан етан пропан бутан пентан гексан гептан октан нонан декан ундекан додекан	-СН3 -С2Н5 -С3Н7 -С4Н9 -С5Н11 -С6Н13 -С7Н15 -С8Н17 -С9Н19 -С10Н21 -С11Н23 -С12Н25	метил етил пропіл бутил пентил гексил гептил октил ноніл децил ундецил додецил

 

Ізомерія насичених вуглеводнів залежить від структури вугле­це­вого скелета (ізомерія ланцюга, або ізомерія скелета). Бутан - най­простіший представник наси-чених вуглеводнів, який може існу­вати у вигляді ізомерів:

 

бутан	ізобутан

 

Ізомерія алкільних радикалів починається з радикала С₃Н₇-:

СН3 - СН2 – СН2 -
пропіл	ізопропіл

 

Радикали С₄Н₉- можуть існувати у вигляді 4-х ізомерів

 

СН3 - СН2 - СН2 - СН2 -
н-бутил	втор-бутил

 

трет-бутил	ізобутил

 

Назва втор-бутил пов’язана з тим, що цей радикал має вільну ва­лент­ність у вуглецевого атома, що з’єднується з двома сусідніми атомами вуглецю. В радикалах бутил і ізобутил вільна валентність в обох випадках знаходиться біля первинного вуг-лецевого атома (по­в’я­заного з одним сусіднім атомом вуглецю). Тоді радикал, який має нерозгалужений ланцюг, називається нормальний бутил, а роз­галужений - ізо-бутил.

Прийнято префікс “ізо” приєднувати до назви радикалів, у яких дві метильні

групи знаходяться на кінці нерозгалуженого ланцюга:

ізопентил

Для назви вуглеводнів з розгалуженим ланцюгом викорис­товуються дві номен-клатури. Одна умовно називається раціональною (РН), за основу беруть найпрості-ший вуглеводень - метан: на­зивають в порядку ускладнення радикали, які розташо-вані біля атома вуглецю, прийнятого за залишок метану, потім додають слово “метан”.

Більш новою і досконалою є друга номенклатура, що назива­ється міжнарод-ною, або IUPAC. Згідно з нею за ос­­нову береться назва алкану, що відповідає найдовшому в моле­кулі ланцюгу вуглецевих атомів (не враховуючи розгалужень). Ланцюг нумерують з того кінця, до якого ближче розгалуження: вказують цифрами положення радикалів, потім їх назву і завершують назвою вуглеводню, взятого за основу:

 

2-метилбутан	2,2-диметилпропан	2-метил-3-етилпентан

 

Дослід 4.1. Синтез метану та вивчення його властивостей

Реактиви та матеріали:	оцтовокислий натрій, натронне вапно, бромна вода, перман-ганат калію (ІН розчин)
Обладнання:	пробірки, газовідвідна трубка, пальник

В суху пробірку 1, обладнану пробкою з газовідвідною трубкою (рис. 4.1), кладуть суміш зневодненого оцтовокислого натрію і натрон­ного вапна (приблизно 1:2, висота шару 6-10 мм). Натронне вапно (суміш їдкого натру і оксиду кальцію) беруть тому, що чистий їд­­кий натр роз’їдає скло при нагріванні. Крім того, натронне вапно не плавиться при нагріванні і завдяки його пористості полегшується ви­ділення метану.

Хімізм процесу:

СН₃СООNa + NaOH ® CH₄­ + Nа₂CO₃

Підпалюють метан, який виходить з кінця газовідвідної трубки, він горить голубуватим несвітним полум’ям.

Рис. 4.1. Синтез метану з оцтовокислого натрію

Хімізм процесу:

СН₄ + 2О₂ ® СО₂ + 2Н₂О

Таким чином, при нагріванні натрієвої солі оцтової кислоти з натронним ва­пном сіль розщеплюється з утворенням метану. Нагрівання на­трієвих солей карбонових кислот з натронним вапном є загальним ла­бораторним способом отримання на-сичених вуглеводнів.

 

Реакція метану на бромну воду і перманганат калію

В суху пробірку вміщують 5 кра­пель розчину перманганату калію (або бромної води). Не припиняючи нагрівання суміші в пробірці 1, вво­дять кінець газовідводної трубки в про­бірку 2 з перманганатом (або бромною водою). Знебарвлювання роз­чинів перманганату калію й бромної води не відбувається. В звичайних умо­­вах алкани стійкі до дії окислю­вачів. Реакції заміщення у них відбуваються в жор­стких умовах, а до реакції при­єд­нання алкани не здатні.

Дослід 4.2. Бромування насичених вуглеводнів

Реактиви та матеріали:	рідкі алкани, розчин брому в органічному розчинни-ку, аміак (25%-ний розчин), синій лакмусовий папі-рець
Обладнання:	пінцет, скляна паличка, пробірки, пальник

Увага! Дослід проводити у витяжній шафі.

У суху пробірку вміщують 4 краплі суміші рідких алканів і додають 1-2 краплі розчину брому. Суміш перемішують на холоді. Забарвлення брому при цьому не зникає. Потім пробірку нагрівають до зникнення забарвлення. В отвір пробірки вносять скляну паличку, змочену розчином аміаку, - з’являється білий димок NH₄Br. Пінцетом вно­сять у пробірку змочений водою лакмусовий папірець - він червоніє.

 

Хімізм процесу:

2-бром-2-метилбутан

Бромування рідких алканів супроводжувається виділенням бромистого водню і відбувається значно повільніше, ніж га­зоподібних алканів. Реакція прискорюється при використанні ката­лізаторів: залізних ошурок, кристалічного йоду.

Найлегше галогенуються вуглеводні з третинним атомом вугле­цю в молекулі, найважче заміщуються атоми водню при первинному ато­мі вуглецю. Енергія s-зв’язку водню з первинним атомом вуглецю до­рівнює 99 ккал/моль; вторинним - 94 ккал/моль (389 кДж/моль); третинним - 90 ккал/моль (376,8 кДж/моль). Різниця в швидкості реакції галогенування особливо виявляється при дії брому.

Окислення парафінів

Насичені вуглеводні (парафіни) дуже стійкі до дії таких сильних окислювачів, як перманганат калію і хромова суміш. Окислюються в газовій фазі, утворюючи суміш нижчих спиртів, альдегідів, кетонів і кислот. Цей метод використовується для отри-мання формальдегіду.

При температурі вище 300°С насичені вуглеводні горять з утво­ренням СО₂ і Н₂О:

С₅Н₁₂ + 8О₂ ® 5СО₂ +6Н₂О

При більш високих температурах у промисловості відбувається процес взаємо-дії метану з водою:

СН₄ +Н₂О ® СО + 3Н₂

 

Дослід 4.3. Окислення алканів

Реактиви та матеріали:	суміш алканів, вуглекислий натрій, перманганат калію
Обладнання:	пробірки, піпетки

У пробірку відбирають одну краплю алкану або суміші алканів, одну краплю вуглекислого натрію і дві-три краплі розчину перманганату калію. Суміш енергійно перемішують, фіолетовий колір водного шару не змінюється, бо алкани в цих умовах не окисляються.

Контрольні запитання

1. Напишіть структурні формули вуглеводнів: а) 2,5-ди­метилгексан; б) 3-метил-3-етилпентан; в) 2-метил-4-ізопропілгептан; г) 3-етилундекан; д) 2,4-диметил-4-етил-октан.

2. Напишіть структурні формули ізомерних вуглеводнів складу С₆Н₁₄. Назвіть їх. Вкажіть ізомери з третинними атомами вуглецю.

3. Які вуглеводні утворюються при дії металічного натрію на су­міш: а) йодистого метилу і йодистого ізобутилу; б) йодистого етилу і йодистого ізопропілу; в) йо-дистого пропілу і бромистого ізо­амілу?

4. Напишіть структурну формулу органічної речовини складу С₅Н₁₂, якщо відомо, що при її хлоруванні утворюється переважно тре­тинне хлорпохідне, а при нітруванні - третинна нітросполука. Поясніть, чому заміщення найлегше відбувається у тре-тинного атома вуглецю.

5. Напишить схеми отримання ізобутану (будь-яким способом) і його нітрування.

6. Перетворіть бромистий ізобутил у насичений вуглеводень: з тією ж будовою ву-глецевого скелета; з подвійним числом вуглецевих атомів.