Предельные и непредельные углеводороды

 

Алканы

 

Алканы или парафины – алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой s-связью.

Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в первом валентном состоянии (sp³ – гибридизации). Это значит, что углеродные атомы в алканах полностью насыщены водородом. Поэтому предельные углеводороды не вступают в реакции присоединения. Они проявляют при обычных условиях чрезвычайно высокую химическую инертность: не взаимодействуют с кислотами, щелочами, окислителями, активными металлами (например, металлический натрий можно хранить в керосине).

Основные химические превращения предельных углеводородов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (за счет нагревания или УФ–облучения). При этом происходит разрыв связи С–Н с последующим замещением атома водорода на другие атомы, или разрыв молекулы по связи С–С.

Связи С–С и С–Н, образованные по типу ковалентной и ковалентно-полярной, при разрыве образуют радикалы, т.е. этот разрыв идет по гомолитическому

Таким образом, для предельных углеводородов различают два основных типа химических реакций:

1) реакции замещения водорода с разрывом связи С – Н;

2) реакции расщепления молекулы с разрывом С – С-связей.

 

 

Лабораторная работа

Цель работы: получение и изучение химических свойств алканов.

Реактивы и оборудование: 2н. HCl; 0,1н. KMnO₄; 0,1н. Ba(OH)₂ (баритовая вода); Br₂ в CCl₄, Br₂ в Н₂О; гексан; гептан, ацетат натрия (обезв.), натронная известь.

штатив с пробирками, держатель для пробирок; газоотводная трубка; спиртовка.

Опыт 1.1 Получение метана и исследование его свойств

В пробирку А, снабженную пробкой с газоотводной трубкой, помещают смесь равных весовых частей обезвоженного (сплавлением) ацетата натрия и натронной извести на высоту около 10 мм. Держа пробирку в горизонтальном положении, нагревают ее в пламени спиртовки и поджигают газообразный метан, выделяющийся из отверстия трубки. Что наблюдается? Обращают внимание на цвет пламени. Убедившись, что метан горит, тотчас опускают конец газоотводной труби в пробирку с заранее приготовленным раствором марганцево-кислого калия (1 каплю 0,1н KMnO₄ и 5 капель воды). Что при этом происходит? После этого опускают конец газоотводной трубки во вторую пробирку, предварительно поместив в эту пробирку 5 капель бромной воды. Какие изменения при этом наблюдаются? Чтобы убедиться какие химические процессы протекают при образовании метана, в охлажденную пробирку А добавляют 2-3 капли 2н. HCl. Что при этом происходит? Пропускают газ в предварительно приготовленный раствор с 2-3 каплями гидрата окиси бария. Что при этом наблюдается? На основании этого наблюдения написать уравнение реакции.

Опыт 1.2 Свойства предельных углеводородов

В две пробирки помещают по 1 мл предельного углеводорода (гексана или гептана). В первую пробирку добавляют 1 мл раствора брома в CCl₄. Почему не происходит обесцвечивание раствора? Во вторую пробирку добавляют

1 мл раствора перманганата калия в воде. Встряхивают содержимое. Обесцвечивание раствора не происходит. Почему?

Вопросы для контроля

1. Основные положения теории химического строения органических соединений А.М. Бутлерова.

2. Перечислите основные типы связей между атомами в органических соединениях.

3. Понятие о гибридизации электронных орбиталей атома углерода.

4. Химические свойства алканов.

 

Упражнения по теме «Алканы»

1. Сколько надо взять оксида углерода (IV) и водорода, чтобы получить 1,4 л метана?

2. Сколько потребуется ацетата натрия, чтобы получить 5,6 л метана?

3. Напишите структурные формулы изомерных углеводородов состава С₆Н₁₄; укажите изомеры, содержащие третичные атомы углерода. Назовите углеводороды по номенклатуре ИЮПАК.

4. Напишите схему получения 2-метилбутана любым способом и уравнения реакций его нитрования, бромирования и сульфирования. Укажите условия проведения реакций.

5. Какие углеводороды получаются при действии металлического натрия на смесь:

а) 2-йодпропан и 1-йод-2-метилпропан;

б) 1-бромпропан и 2-бромбутан.

6. Получите реакцией Вюрца следующие углеводороды:

а) 2,6-диметилгептан;

б) 3,4-диметилгексан;

в) 2,5-диметилгексан.

7. Превратите 1-бром-2-метилпропан в предельный углеводород:

а) с тем же строением углеродного скелета и тем же числом углеродных атомов;

б) с удвоенным числом углеродных атомов.

8. Сколько структурных изомеров имеет пентан? Напишите их структурные формулы и назовите их по номенклатуре ИЮПАК.

9. Напишите реакции получения 2,5-диметилгексана:

а) по реакции Вюрца;

б) гидрированием соответствующих олефинов;

в) декарбоксилированием соответствующей карбоновой кислоты.

10. Из неорганических веществ получите пропан.

11. Получите 2-метилбутан:

а) гидрированием непредельного углеводорода;

б) восстановлением галогенопроизводного углеводорода.

12. Образец вещества с массой 2,15 г при сожжении дал 6,6 г СО₂ и 3,15 г Н₂О. Молекулярная масса вещества 86. Найдите его молекулярную формулу и напишите формулы всех изомеров.

13. Приведите все способы получения пропана.

14. Из метана получите пропан.

15. Напишите углеводороды, которые получаются в следующих реакциях восстановления:

а) 1-бром-2-метилпропан + HI;

б) 2-бром-2-метилбутан + Н₂;

в) 3-йод-2-метилпентан + Zn + HCl

 

Алкены

Алкенами называются углеводороды, в молекулах которых имеется одна двойная связь, состоящая из одной s- и одной p-связи.

В алкенах атомы углерода находятся во втором валентном состоянии – (sp² – гибридизации). Химические свойства алкенов определяет двойная – углерод – углеродная связь.

При действии на двойную связь различных реагентов разрывается p-связь, как наименее прочная и более реакционноспособная. Это объясняется тем, что образующие ее р-электроны более доступны для электрофильного реагента, чем электроны s-связи.

В химических превращениях алкены выступают в качестве доноров электронов. Поэтому электрофильные реагенты как (H₂O, HCl, HOCl, H₂SO₄ и пр.) энергично взаимодействуют с ними.

Эти реакции, протекающие по гетеролитическому механизму, называются реакциями электрофильного присоединения (А_Е). Реакции с нуклеофильными реагентами, а также реакции присоединения, протекающие по гомолитическому механизму с участием свободных радикалов (А_R) для алкенов менее характерны.

Алкены легко окисляются. Направление окисления и характер образующихся продуктов зависят от строения алкенов, вида окислителя и условий окисления.

Некоторые алкены легко вступают в реакцию полимеризации.

 

Лабораторная работа

Цель работы: получение и изучение химических свойств алкенов.

Реактивы и оборудование: 0,1н. KMnO₄, H₂SO₄ конц; Br₂ в Н₂О;

Al₂O₃ (порошок).

штатив с пробирками; держатель для пробирок,

газоотводная трубка; спиртовка.

Опыт 1.3 Получение этена и изучение его свойств

В пробирку А помещают 8 капель концентрированной серной кислоты, 4 капли этанола и несколько крупинок оксида алюминия в качестве катализатора. Пробирку А закрывают пробкой с газоотводной трубкой и конец ее опускают в пробирку Б с 4 капялями насыщенной бромной воды. Нагревают на пламени спиртовки пробирку А. Запишите свои наблюдения.

После этого конец газоотводной трубки опускают в заранее приготовленную пробирку В с 1 каплей 0,1н. KMnO₄ и 5 каплями воды. Продолжая нагревание пробирки А, обратите внимание на изменение окраски раствора KMnO₄. Убирают пробирку В и поджигают газообразный этен у конца газоотводной трубки. Опишите свои наблюдения и дайте уравнения протекающих реакций.

Вопросы для контроля

1. Какие углеводороды называются алкенами?

2. Изомерия алкенов.

3. Понятие sp²-гибридизации электронных орбиталей атома углерода.

4. Способы получения этиленовых углеводородов.

5. Химические свойства алкенов.

 

Упражнения по теме «Алкены»

1. Напишите структурные формулы всех изомерных алкенов состава:

а) С₄Н₈ б) С₅Н₁₀

2. Какими способами можно получить пропен (пропилен?)

3. Получите соответствующие алкены из:

а) 1-хлорпентана б) 3-иод-2-метилбутана.

4. Какие соединения получаются при дегидратации следующих спиртов:

а) бутанол-1 б) 2-метилпентанол-3

в) бутанол-2 г) 2,3-диметилбутанол-2.

Сформулируйте правило Зайцева.

5. Какие соединения получаются при гидробромировании следующих веществ:

а) пентен-1 б) 2-метилбутен-2 в) 3,3-диметилбутен-1

Сформулируйте правило В.В. Марковникова.

6. Напишите схемы реакций окисления по Вагнеру следующих соединений:

а) пентен-3 б) 2,3-диметилбутен-2 в) пропен

7. Какова структурная формула вещества, если при разложении озонида водой получится ацетон и уксусный альдегид?

8. Напишите схемы реакций гидратации следующих алкенов:

а) пентен-1 б) 2-метилбутен-2 в) пропен

9. Из 1-бромбутана получите бутен-2.

10. Получите любым способом 2-метилбутен-2. Напишите для него уравнения реакций с:

а) HBr б) O₃ в) H₂SO₄ г)KMnO₄ (H₂O)

11. Какие соединения получаются в результате следующих превращений:

12. Из этена получите бутен-2.

13. Из метана получите бутен-1.

14. Из этана получите этен, не прибегая к реакции дегидрирования.

15. Из одноатомного спирта получен алкен симметричного строения, 14 г которого вступает в реакцию с 40 г брома. Каково строение исходного спирта?

 

Алкины

Алкинами называют алифатические углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь, которая состоит из одной s-связи и двух p-связей.

У атома углерода, связанного тройной связью, гибридизованы одна s- и одна р-орбиталь, поэтому он находится в состоянии sp-гибридизации. Две гибридные sp-орбитали каждого атома углерода, образуют одинарные s-связи с атомом водорода и соседним углеродом. Оставшиеся две р-орбитали атома углерода перекрываются с аналогичными орбиталями другого углеродного атома и образуют две p-связи.

Межъядерное расстояние атомов углерода в этине (0,1203 нм) меньше, чем в этене (0,1332 нм) и этане (0,154 нм).

Большая степень связывания атомов углерода тройной связью, чем двойной, приводит к ее упрочению и укорачиванию. Вследствие этого p-электроны в большей степени сконцентрированы в пространстве между ядрами, и поэтому внешние области ядра оказываются относительно обедненными электронной плотностью. Этим объясняется меньшая активность ацетиленовой связи по сравнению с этиленовой к реакциям электрофильного присоединения (А_Е) и большая склонность к взаимодействию с нуклеофильными реагентами (S_N), которые замещают водород в молекуле алкина.

Изменение характера гибридизации атома углерода в ряду этан-этилен-ацетилен приводит к возрастанию его электроотрицательности. Поэтому sp-гибридизация обуславливает смещение s-электронов связи С^d- Н^d+ к углероду и поляризацию связи, вследствие чего уменьшается межъядерное расстояние, увеличивается дипольный момент этой связи и усиливается способность водорода отрываться в виде протона. Действительно, кислотность этина по сравнению с этеном и этаном наибольшая.

Можно предвидеть несколько направлений, по которым будут реагировать ацетиленовые углеводороды: а) присоединение по месту разрыва тройной связи; б) замещение водородных атомов у углерода при тройной связи; в) присоединение алкинов с разрывом связи углерод – водород.

 

Лабораторная работа

 

Цель работы: получение и изучение химических свойств алкинов.

Реактивы и оборудование: 0,1н. KMnO₄, фенолфталеин, 1% -спиртовый рас твор; Br₂ в Н₂О; карбид кальция (СаС₂).

штатив с пробирками, газоотводная трубка, спиртовка.

Опыт 1.4 Получение этина и изучение его свойств

В пробирку А поместить маленький кусочек карбида кальция СаС₂ и добавить 2 капли воды. Что происходит при этом? Горит ли образовавшийся газ? После этого, полученный газ пропустить в раствор из 5 капель воды и 1 капли 0,1н KMnO₄, а затем в раствор из 5 капель бромной воды. Какие изменения при этом происходят? В пробирку А по окончании реакции добавить 1 каплю спиртового раствора фенолфталеина. Объясните появление ярко-красного окрашивания?

Вопросы для контроля

1. Какие углеводороды называются алкинами?

2. Изомерия алкинов.

3. Понятие sp-гибридизации электронных орбиталей атома углерода и характер кратных связей в алкинах..

4. Способы получения алкинов.

5. Химические свойства алкинов.

Упражнения по теме «Алкины»

1. Из метана получите пропин.

2. Из этана получите этин, не прибегая к реакции дегидрирования.

3. Из этина получите 2-хлорбутадиен-1,3.

4. Напишите реакции гидратации для следующих углеводородов:

а) этин б) бутин-1.

5. Напишите для пропина уравнения реакций со следующими веществами:

а) СН₃ОН б) HBr в) HOH

6. Какие соединения получаются в результате следующих превращений:

7. Какие соединения получаются при гидрохлорировании следующих веществ: а) бутин-1

8. Из карбида кальция получите бутин-1.

9. Напишите формулы промежуточных и конечных веществ в следующих схемах:

10. Получите любым способом бутин-1. Напишите для него уравнения реакций:

а) HBr б) KMnO₄ (H₂O) в) НОН

11. Какие соединения получаются в результате следующих превращений:

12. На этин подействуйте следующими веществами:

а) СН₃СН₂ОН б) СН₃СООН в) HCN

13. Из карбида кальция получите:

а) СН₂ = СН - СN

14. Из 1-бромбутана получите бутин-2.

15. Из пропанона и йодметана получите 2-метилбутин-3-ол-2.