Какими химическими свойствами обладают алкены

Àëêàíû – íàñûùåííûå (ïðåäåëüíûå) óãëåâîäîðîäû. Ïðåäñòàâèòåëåì ýòîãî êëàññà ÿâëÿåòñÿ ìåòàí (ÑÍ4). Âñå ïîñëåäóþùèå ïðåäåëüíûå óãëåâîäîðîäû îòëè÷àþòñÿ íà ÑÍ2– ãðóïïó, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ãîìîëîãè÷åñêîé ãðóïïîé, à ñîåäèíåíèÿ – ãîìîëîãàìè.

Îáùàÿ ôîðìóëà – ÑnH2n+2.

Ñòðîåíèå àëêàíîâ.

Êàæäûé àòîì óãëåðîäà íàõîäèòñÿ â sp3 – ãèáðèäèçàöèè, îáðàçóåò 4 σ– ñâÿçè (1 Ñ-Ñ è 3 Ñ-Í). Ôîðìà ìîëåêóëû â âèäå òåòðàýäðà ñ óãëîì 109,5°.

Ñâÿçü îáðàçóåòñÿ ïîñðåäñòâîì ïåðåêðûâàíèÿ ãèáðèäíûõ îðáèòàëåé, ïðè÷åì ìàêñèìàëüíàÿ îáëàñòü ïåðåêðûâàíèÿ ëåæèò â ïðîñòðàíñòâå íà ïðÿìîé, ñîåäèíÿþùåé ÿäðà àòîìîâ. Ýòî íàèáîëåå ýôôåêòèâíîå ïåðåêðûâàíèå, ïîýòîìó σ-ñâÿçü ñ÷èòàåòñÿ íàèáîëåå ïðî÷íîé.

Èçîìåðèÿ àëêàíîâ.

Äëÿ àëêàíîâ ñâîéñòâåííà èçîìåðèÿ óãëåðîäíîãî ñêåëåòà. Ïðåäåëüíûå ñîåäèíåíèÿ ìîãóò ïðèíèìàòü ðàçëè÷íûå ãåîìåòðè÷åñêèå ôîðìû, ñîõðàíÿÿ ïðè ýòîì óãîë ìåæäó ñâÿçÿìè. Íàïðèìåð,

Ðàçëè÷íûå ïîëîæåíèÿ óãëåðîäíîé öåïè íàçûâàþòñÿ êîíôîðìàöèÿìè.  íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ êîíôîðìàöèè àëêàíîâ ñâîáîäíî ïåðåõîäÿò äðóã â äðóãà ñ ïîìîùüþ âðàùåíèÿ Ñ-Ñ ñâÿçåé, ïîýòîìó èõ ÷àñòî íàçûâàþò ïîâîðîòíûìè èçîìåðàìè. Ñóùåñòâóåò 2 îñíîâíûå êîíôîðìàöèè – «çàòîðìîæåííîå» è «çàñëîíåííîå»:

Èçîìåðèÿ óãëåðîäíîãî ñêåëåòà àëêàíîâ.

Êîëè÷åñòâî èçîìåðîâ âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ðîñòà óãëåðîäíîé öåïè. Íàïðèìåð ó áóòàíà èçâåñòíî 2 èçîìåðà:

Äëÿ ïåíòàíà – 3, äëÿ ãåïòàíà – 9 è ò.ä.

Åñëè ó ìîëåêóëû àëêàíà îòíÿòü îäèí ïðîòîí (àòîì âîäîðîäà), òî ïîëó÷èòñÿ ðàäèêàë:

Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà àëêàíîâ.

 íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ – Ñ1-Ñ4 – ãàçû, Ñ5-Ñ17 – æèäêîñòè, à óãëåâîäîðîäû ñ êîëè÷åñòâîì àòîìîâ óãëåðîäà áîëüøå 18 – òâåðäûå âåùåñòâà.

Ñ ðîñòîì öåïè ïîâûøàåòñÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ è ïëàâëåíèÿ. Ðàçâåòâëåííûå àëêàíû èìåþò áîëåå íèçêèå òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ, ÷åì íîðìàëüíûå.

Àëêàíû íåðàñòâîðèìû â âîäå, íî õîðîøî ðàñòâîðÿþòñÿ â íåïîëÿðíûõ îðãàíè÷åñêèõ ðàñòâîðèòåëÿõ. Ëåãêî ñìåøèâàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì.

Ïîëó÷åíèå àëêàíîâ.

Ñèíòåòè÷åñêèå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ àëêàíîâ:

1. Èç íåíàñûùåííûõ óãëåâîäîðîäîâ – ðåàêöèÿ «ãèäðèðîâàíèÿ» ïðîòåêàåò ïîä âîçäåéñòâèåì êàòàëèçàòîðà (íèêåëü, ïëàòèíà) è ïðè òåìïåðàòóðå:

2. Èç ãàëîãåíïðîèçâîäíûõ – ðåàêöèÿ Âþðöà: âçàèìîäåéñòâèå ìîíîãàëîãåíàêëêàíîâ ñ ìåòàëëè÷åñêèì íàòðèåì, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷àþòñÿ àëêàíû ñ óäâîåííûì ÷èñëîì óãëåðîäíûõ àòîìîâ â öåïè:

3. Èç ñîëåé êàðáîíîâûõ êèñëîò. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñîëè ñ ùåëî÷è, ïîëó÷àþòñÿ àëêàíû, êîòîðûå ñîäåðæàò íà 1 àòîì óãëåðîä ìåíüøå ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíîé êàðáîíîâîé êèñëîòîé:

4. Ïîëó÷åíèå ìåòàíà.  ýëåêòðè÷åñêîé äóãå â àòìîñôåðå âîäîðîäà:

Ñ + 2Í2 = ÑÍ4.

 ëàáîðàòîðèè ìåòàí ïîëó÷àþò òàê:

Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.

Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà àëêàíîâ.

 íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ àëêàíû – õèìè÷åñêè èíåðòíûå ñîåäèíåíèÿ, îíè íå ðåàãèðóþò ñ êîíöåíòðèðîâàííîé ñåðíîé è àçîòíîé êèñëîòîé, ñ êîíöåíòðèðîâàííîé ùåëî÷üþ, ñ ïåðìàíãàíàòîì êàëèÿ.

Óñòîé÷èâîñòü îáúÿñíÿåòñÿ ïðî÷íîñòüþ ñâÿçåé è èõ íåïîëÿðíîñòüþ.

Ñîåäèíåíèÿ íå ñêëîííû ê ðåàêöèÿõ ðàçðûâà ñâÿçè (ðåàêöèÿ ïðèñîåäèíåíèÿ), äëÿ íèõ ñâîéñòâåííî çàìåùåíèå.

1. Ãàëîãåíèðîâàíèå àëêàíîâ. Ïîä âîçäåéñòâèåì êâàíòà ñâåòà íà÷èíàåòñÿ ðàäèêàëüíîå çàìåùåíèå (õëîðèðîâàíèå) àëêàíà. Îáùàÿ ñõåìà:

Ðåàêöèÿ èäåò ïî öåïíîìó ìåõàíèçìó, â êîòîðîé ðàçëè÷àþò:

À) Èíèöèèðîâàíèå öåïè:

Á) Ðîñò öåïè:

Â) Îáðûâ öåïè:

Ñóììàðíî ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå:

2. Íèòðîâàíèå (ðåàêöèÿ Êîíîâàëîâà) àëêàíîâ. Ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò ïðè 140 °Ñ:

Ëåã÷å âñåãî ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò ñ òðåòèòè÷íûì àòîìîì óãëåðîäà, ÷åì ñ ïåðâè÷íûì è âòîðè÷íûì.

3. Èçîìðèçàöèÿ àëêàíîâ. Ïðè êîíêðåòíûõ óñëîâèÿõ àëêàíû íîðìàëüíîãî ñòðîåíèÿ ìîãóò ïðåâðàùàòüñÿ â ðàçâåòâëåííûå:

4. Êðåêèíã àëêàíîâ. Ïðè äåéñâèè âûñîêèõ òåìïåðàòóð è êàòàëèçàòîðîâ âûñøèå àëêàíû ìîãóò ðâàòü ñâîè ñâÿçè, îáðàçóÿ àëêåíû è àëêàíû áîëåå íèçøèå:

5. Îêèñëåíèå àëêàíîâ.  ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ è ïðè ðàçíûõ êàòàëèçàòîðàõ îêèñëåíèå àëêàíà ìîæåò ïðèâåñòè ê îáðàçîâàíèþ ñïèðòà, àëüäåãèäà (êåòîíà) è óêñóñíîé êèñëîòû.  óñëîâèÿõ ïîëíîãî îêèñëåíèÿ ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò äî êîíöà – äî îáðàçîâàíèÿ âîäû è óãëåêèñëîãî ãàçà: 

Ïðèìåíåíèå àëêàíîâ.

Àëêàíû íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ïðîìûøëåííîñòè, â ñèíòåçå íåôòè, òîïëèâà è ò.ä.

Алканы образуют гомологический ряд, каждое химическое соединение которого по составу отличается от последующего и предыдущего на одинаковое число атомов углерода и водорода – CH2, а вещества, входящие в гомологический ряд, называются гомологами. Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.

Таблица 1. Гомологический ряд алканов.

В молекулах алканов выделяют первичные (т.е. связанные одной связью), вторичные (т.е. связанные двумя связями), третичные (т.е. связанные тремя связями) и четвертичные (т.е. связанные четырьмя связями) атомы углерода.

C1H3 – C2H2 – C1H3 (1 – первичные, 2- вторичные атомы углерода)

CH3 –C3H(CH3) – CH3 (3- третичный атом углерода)

CH3 – C4(CH3)3 – CH3 (4- четвертичный атом углерода)

Для алканов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета). Так, у пентана имеются следующие изомеры:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (пентан)

CH3 –CH(CH3)-CH2-CH3 (2-метилбутан)

CH3-C(CH3)2-CH3 (2,2 – диметилпропан)

Для алканов, начиная с гептана, характерна оптическая изомерия.

Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в sp3 –гибридизации. Углы между связями в молекулах алканов 109,5.

Химические свойства алканов

При обычных условиях алканы химически инертны — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами. Это объясняется высокой прочностью -связей С-С и С-Н. Неполярные связи С-С и С-Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакция в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.

Реакции радикального замещения имеют цепной характер. Основные стадии: зарождение (инициирование) цепи (1) – происходит под действием УФ-излучения и приводит к образованию свободных радикалов, рост цепи (2) – происходит за счет отрыва атома водорода от молекулы алкана; обрыв цепи (3) – происходит при столкновении двух одинаковых или разных радикалов.

X:X → 2X. (1)

R:H + X. → HX + R. (2)

R. + X:X → R:X + X. (2)

R. + R. → R:R (3)

R. + X. → R:X (3)

X. + X. → X:X (3)

Галогенирование.
При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:

CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (хлорметан)

CH3Cl +Cl2 = CH2Cl2 + HCl (дихлорметан)

CH2Cl2 +Cl2 = CHCl3 + HCl (трихлорметан)

CHCl3 +Cl2 = CCl4 + HCl (тетрахлорметан)

Нитрование (реакция Коновалова)
. При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

CH3-CH3 +HNO3 = CH3-CH2-NO2 (нитроэтан) + H2O

Сульфохлорирование и сульфоокисление.
Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды:

R-H + SO2 + Cl2 → R-SO3Cl + HCl

Реакция сульфоокисления протекает аналогично, только в этом случае образуются алкансульфоновые кислоты:

R-H + SO2 + ½ O2 → R-SO3H

Крекинг
– радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:

С8H18 = C4H10 (бутан)+ C3H8 (пропан)

2CH4 = C2H2 (ацетилен) + 3H2↑

Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:

CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 = nCO2 + (n+1)H2O

Физические свойства алканов

При обычных условиях С1-С4 – газы, С5-С17 – жидкости, начиная с С18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Так, метан СН4 (болотный, рудничий газ)
– газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в этаноле, эфире, углеводородах, но плохо растворимый в воде. Метан используют в качестве высококалорийного топлива в составе природного газа, в качестве сырья для производства водорода, ацетилена, хлороформа и других органических веществ в промышленных масштабах.

Пропан С3Н8 и бутан С4Н10 – газы, применяемые в быту, в качестве балонных газов, за счет легкой сжижаемости. Пропан используется в качестве автомобильного топлива, поскольку является более экологически чистым, чем бензин. Бутан – сырье для получения 1,3
–бутадиена, использующегося в производстве синтетического каучука.

Получение алканов

Алканы получают из природных источников – природного газа (80-90% — метан, 2-3% — этан и другие предельные углеводороды), угля, торфа, древесины, нефти и горного воска.

Выделяют лабораторные и промышленные способы получения алканов. В промышленности алканы получают из битумного угля (1) или по реакции Фишера-Тропша (2):

nC + (n+1)H2 = CnH2n+2 (1)

nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + H2O (2)

К лабораторным способам получения алканов относят: гидрирование непредельных углеводородов при нагревании и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1), взаимодействием воды с металлоорганическими соединениями (2), электролизом карбоновых кислот (3), по реакциям декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.

R1-C≡C-R2 (алкин) → R1-CH = CH-R2 (алкен) → R1-CH2 – CH2 -R2 (алкан)
(1)

R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H2O → R-H (алкан) + Mg(OH)Cl (2)

CH3COONa↔ CH3COO— + Na+

2CH3COO— → 2CO2↑ + C2H6 (этан) (3)

CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (4)

R1-Cl +2Na +Cl-R2 →2NaCl + R1-R2 (5)

Примеры решения задач

Органическая химия

Мы приступаем к новому разделу – органической химии. Совершенно необязательно (и даже преступно по отношению к собственному времени!) знать
наизусть, зубрить свойства органических веществ.

По мере изучения вы поймете, что свойства вещества определяются его строением, и научитесь легко предсказывать ход реакций 😉

В этой связи особый интерес представляет теория химического строения, которая была создана А.М. Бутлеровым в 1861 году. Она включает в себя несколько
основных положений:

• Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности, в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов отражает
  химическое строение.
• Зная свойства веществ, можно установить их химическое строение, и наоборот, зная строение вещества можно сделать вывод о его
  свойствах.
• Атомы или группы атомов оказывают взаимное влияние друг на друга непосредственно или через другие атомы
• Свойства вещества зависят от количественного и качественного состава, а также от химического строения молекулы

Алканы (парафины) – насыщенные углеводороды, имеющие линейное или разветвленное строение, содержащие только простые связи. Относятся к
алифатическим углеводородам, так как не содержат ароматических связей.

Алканы являются насыщенными соединениями – содержат максимально возможное число атомов водорода. Общая формула их гомологического ряда
– CnH2n+2.

Номенклатура алканов

Номенклатура (от лат. nomen – имя + calare – созывать) – совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления
этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса “ан”: метан, этан, пропан, бутан и т.д.

Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH2

Перечисленные выше алканы, являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos –
соответственный).

Названия алканов формируются по нескольким правилам. Если вы знаете их, можете пропустить этот пункт, однако я должен познакомить
читателя с ними. Итак, алгоритм составления названий следующий:

• В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода
• Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал)
• В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они
  связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи
  и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д.
• Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи

Внимательно изучите составленные для различных веществ названия ниже.

В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный
атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

Изомерами (греч. isomeros – составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по
строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия).

Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной
(геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах.

В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана
C5H12 существует 3 структурных изомера.

Некоторые данные, касающиеся алканов, надо выучить:

• В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм
• Тип гибридизации атомов углерода – sp3
• Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28′

Природный газ и нефть

Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить
одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения.

В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C8H18, C12H26. Путем
крекинга из нефти получают алканы.

Получение алканов

В промышленности алканы получают путем:

• Крекинга нефти

В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен.

C8H18 → C4H8 + C4H10

C12H26 → C6H12 + C6H14

• Гидрогенизацией угля (торфа, сланца)

C + H2 → (t, p) CH4

• Гидрированием оксида углерода II

CO + H2 → (t, p, кат.) CH4 + H2O

В лабораторных условиях алканы получают следующими способами:

• Синтез Дюма

Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан.



• Реакция Вюрца

Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного
радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена.



• Синтез Кольбе

В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов.



• Разложение карбида алюминия

В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия.

Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3

• Гидрированием ненасыщенных углеводородов

CH3-CH=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH2-CH3

CH2=CH2 + H2 → (t, p, Ni) CH3-CH3

Химические свойства алканов

Алканы – насыщенные углеводороды, не вступают в реакции гидрирования (присоединения водорода), гидратации (присоединения воды). Для
алканов характерны реакции замещения, а не присоединения.

• Галогенирование

Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода,
чуть труднее – у вторичного и значительно труднее – у первичного.



Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы,
которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода.



• Нитрование (реакция Коновалова)

Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция
идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму.

CH3-CH3 + HNO3(разб.) → CH3-CH2-NO2 + H2O

Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту – HNO3 – можно представить как HO-NO2.



• Окисление

Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

С3H8 + O2 → CO2 + H2O

В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты.

CH4 + O2 → CH3-OH (метанол)



• Пиролиз

Пиролиз (греч. πῦρ – огонь + λύσις – разложение) – термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное
отличие пиролиза от горения – в отсутствии кислорода.

CH4 → (t > 1000°С) C + H2

CH4 → (t = 1500-1600°С) CH≡CH + H2↑

CH4 → (t = 1200°С, кат., P) CH2=CH2 + H2↑

C2H6 → (t = 1200°С, кат., P) CH2=CH2 + 2H2↑

• Изомеризация

В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl3.



• Крекинг

Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их
химическое свойство.

C8H18 → (t) C4H10 + C4H8

C14H30 → (t) C7H14 + C7H16