Химия · Органическая химия · 10 класс

Алкены и алкадиены

Почему этилен обесцвечивает бромную воду и ускоряет созревание помидоров?

Ситуация

Если положить купленный на рынке зелёный помидор в бумажный пакет вместе с одним спелым бананом, он покраснеет быстрее. Причина — бесцветный газ этилен $C_{2} H_{4}$ , который выделяют плоды: это растительный гормон. Из того же газа на Шуртанском газохимическом комплексе в Кашкадарье получают полиэтилен. Если пропустить этилен через бромную воду, жёлтый цвет мгновенно исчезает. Какая же связь в молекуле этилена позволяет ему «присоединять» к себе другие вещества, тогда как метан этого не делает?

Тема

Алкены и алкадиены. Шуртанский газохимический комплекс: полиэтилен из этилена; обесцвечивание бромной воды и газ, от которого дозревают помидоры

Ключевые понятия

C=C: σ- и π-связь
Присоединение, правило Марковникова
Получение этилена (практическая работа)

Формулы

C_{n} H_{2 n} (n \geq 2)

Гомологический ряд алкенов: одна двойная связь C=C (σ + π); алкадиены — $C_{n} H_{2 n - 2}$ .

C_{2} H_{5} OH \overset{\overset{}{H_{2} SO_{4} (к о н ц \cdot), 170^{\circ} C}}{\to} CH_{2} = CH_{2} ↑ + H_{2} O

Получение этилена в лаборатории (практическая работа 2.9): дегидратация этанола.

CH_{2} = CH_{2} + Br_{2} \overset{}{\to} CH_{2} Br - CH_{2} Br

Присоединение: бромная вода обесцвечивается — качественная реакция на двойную связь; $n (C_{2} H_{4}) = n (Br_{2})$ .

CH_{2} = CH - CH_{3} + HBr \overset{}{\to} CH_{3} - CHBr - CH_{3}

Правило Марковникова: водород присоединяется к атому углерода, у которого больше водородов, а галоген — к атому с меньшим числом водородов.

2 C_{2} H_{5} OH \overset{\overset{}{Al_{2} O_{3}, ZnO, 425^{\circ} C}}{\to} CH_{2} = CH - CH = CH_{2} + 2 H_{2} O + H_{2} ↑

Способ Лебедева: бутадиен-1,3 из этанола (сырьё для синтетического каучука).

Теория

Алкены: строение и номенклатура (2.7)

Алкены — непредельные углеводороды, в молекуле которых есть одна двойная связь $C = C$ , общая формула $C_{n} H_{2 n}$ : этен (этилен) $C_{2} H_{4}$ , пропен $C_{3} H_{6}$ , бутен $C_{4} H_{8}$ … Атомы углерода при двойной связи находятся в sp²-гибридном состоянии: три гибридные орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° и образуют σ-связи, а негибридные p-орбитали перекрываются сбоку, над и под плоскостью, и дают π-связь. Поэтому молекула этилена плоская, длина связи C=C — 134 пм (у C–C — 154 пм). π-связь слабее σ-связи, а её электронное облако открыто — именно здесь идут реакции. Номенклатура: самая длинная цепь должна содержать двойную связь, нумерацию начинают с конца, ближайшего к двойной связи, суффикс «-ан» в названии алкана заменяется на «-ен», и указывают номер двойной связи: $CH_{2} = CH - CH_{2} - CH_{3}$ — бутен-1, $CH_{3} - CH = CH - CH_{3}$ — бутен-2. Радикал $CH_{2} = CH^{-}$ — винил.

Изомерия: почему цис и транс не превращаются друг в друга

У алкенов четыре вида изомерии: углеродного скелета (бутен-1 и 2-метилпропен), положения двойной связи (бутен-1 и бутен-2), геометрическая (цис-транс) и межклассовая — с циклоалканами (бутен и циклобутан — оба $C_{4} H_{8}$ ). Геометрическая изомерия обусловлена π-связью: чтобы повернуть группы вокруг C=C, нужно нарушить перекрывание p-орбиталей, то есть разорвать π-связь, а на это требуется около 270 кДж/моль. При комнатной температуре у молекул такой энергии нет, поэтому цис-бутен-2 (температура кипения 3,7 °C) и транс-бутен-2 (0,9 °C) — разные вещества. В режиме «Строение» убедитесь в этом сами с помощью ползунка поворота.

Получение; практическая работа 2.9

В лаборатории этилен получают нагреванием этилового спирта с концентрированной серной кислотой примерно до 170 °C (дегидратация); в колбу для равномерного кипения кладут песок или кусочки пористой керамики. При температуре около 140 °C основной продукт другой — диэтиловый эфир $C_{2} H_{5} - O - C_{2} H_{5}$ . Газ пропускаем через бромную воду и раствор $KMnO_{4}$ : оба обесцвечиваются — это качественные реакции на двойную связь; у конца пробирки газ горит ярким (более светлым, чем у метана) пламенем. Этилен можно получить и действием спиртового раствора щёлочи на галогеналканы. В промышленности — пиролиз (крекинг) этана из нефтепродуктов и природного газа и дегидрирование алканов: $C_{2} H_{6} \overset{}{\to} C_{2} H_{4} + H_{2}$ . Техника безопасности: с концентрированной $H_{2} SO_{4}$ работайте в защитных очках и перчатках, кислоту приливайте к спирту понемногу, охлаждая; при выделении газа перед тем, как погасить лампу, выньте трубку из жидкости (иначе жидкость втянется обратно); этилен с воздухом образует взрывоопасную смесь — прежде чем поджигать, дождитесь вытеснения воздуха.

Химические свойства и применение (2.8)

Для алкенов характерны реакции присоединения: водорода (на катализаторах Ni, Pt — получается алкан), галогенов (бромная вода обесцвечивается), галогеноводородов и воды (на кислотном катализаторе — спирт). При присоединении к несимметричным алкенам действует правило Марковникова (1869): атом водорода присоединяется к тому атому углерода при двойной связи, у которого больше водородов, — из пропена с HBr получается в основном 2-бромпропан, поскольку промежуточный вторичный карбокатион устойчивее первичного. Нейтральный раствор перманганата калия окисляет алкен до двухатомного спирта (выпадает бурый осадок $MnO_{2}$ ), алкены горят. Множество молекул, соединяясь друг с другом, образуют полимер: полиэтилен, полипропилен. Из этилена получают этанол, этиленгликоль (антифриз), винилхлорид, стирол; на складах его применяют как растительный гормон для дозревания плодов.

Алкадиены (2.10–2.11)

Алкадиены содержат две двойные связи, общая формула $C_{n} H_{2 n - 2}$ (межклассовые изомеры алкинов). Номенклатура: вместо «-ан» в названии алкана — «-диен», указываются номера обеих двойных связей: бутадиен-1,3, пентадиен-1,4, 2-метилбутадиен-1,3. Изомерия: положения двойных связей (пентадиен-1,3 и пентадиен-1,4), углеродного скелета (пентадиен-1,3 и изопрен) и межклассовая — с алкинами (бутадиен-1,3 и бутин-1 — оба $C_{4} H_{6}$ ). По расположению двойных связей различают: кумулированные (аллен $CH_{2} = C = CH_{2}$ ), сопряжённые — бутадиен-1,3 $CH_{2} = CH - CH = CH_{2}$ и изопрен (2-метилбутадиен-1,3), изолированные — пентадиен-1,4. В сопряжённых диенах четыре p-орбитали перекрываются сбоку и образуют единую π-систему: средняя связь C2–C3 (146 пм) короче обычной одинарной. Поэтому с бромом идёт 1,2- и 1,4-присоединение; при 1,4-присоединении двойная связь смещается в середину. Получение: по способу С. В. Лебедева из этанола (в промышленности с 1932 года), дегидрированием бутана и изопентана: $C_{4} H_{10} \overset{}{\to} C_{4} H_{6} + 2 H_{2}$ . Применение: синтетический каучук и резина, пластмассы (АБС), бутадиен-стирольный каучук. Диены полимеризуются в каучук: натуральный каучук — цис-1,4-полиизопрен; вулканизацией каучука серой получают резину (подробнее — в эксперименте «Полимеры, каучук, волокна»).

Задачи и границы модели (2.23)

Пример: сколько брома присоединит 0,56 л (н. у.) этилена? $n (C_{2} H_{4}) = 0,56 / 22,4 = 0,025$ моль $= n (Br_{2})$ , $m (Br_{2}) = 0,025 \cdot 160 = 4$ г. Если молярная масса алкена 56 г/моль: $14 n = 56$ , $n = 4$ — $C_{4} H_{8}$ . Модель: объёмы газов приведены к нормальным условиям (0 °C, 101,325 кПа, $V_{m}$ = 22,4 л/моль); принято, что в пробирках этилен полностью и мгновенно расходует бром и перманганат. В действительности в бромной воде часть продукта — 2-бромэтанол (присоединяется и вода), но всё равно 1 моль этилена расходует 1 моль $Br_{2}$ . Смесь в колбе при нагревании темнеет и выделяет немного $SO_{2}$ , $CO_{2}$ (в точной работе газ пропускают через раствор щёлочи) — в модели эти примеси не учтены. Образование эфира или этилена в зависимости от температуры показано схематично. В моделях молекул атомы находятся на реальных расстояниях и под реальными углами, масштаб 1 Å ≈ 4,5 см.

Знаете ли вы?

То, что этилен — растительный гормон, первым показал в 1901 году русский ботаник Дмитрий Нелюбов: этилен из осветительного газа изменял рост проростков гороха. Сейчас зелёными собранные бананы и помидоры дозревают на складах в этиленовых камерах.
Шуртанский газохимический комплекс в Гузарском районе Кашкадарьинской области запущен в 2001 году; его проектная мощность — 125 тысяч тонн полиэтилена в год: углеводороды, выделенные из природного газа, подвергают пиролизу, и сначала получают этилен.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Химия в нашем теле — 7 класс
Органическая химия: строение — 10 класс
Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алканы и циклоалканы — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс