15.09.2024
Сообщение на тему применение алкинов. Применение алкенов в промышленности
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алкены — непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь; в названии алкенов присутствует суффикс –ен или -илен.
Общая формула гомологического ряда алкенов (табл. 2) – C n H 2n
Таблица 2. Гомологический ряд алкенов.
Углеводородные радикалы, образованные от алкенов: -CH = CH 2 – винил и –СН 2 -СН = СН 2 – аллил.
Для алкенов, начиная с бутена, характерна изомерия углеродного скелета:
СН 2 -С(СН 3)-СН 3 (2-метилпропен-1)
и положения двойной связи:
CH 2 = CH-CH 2 -CH 3 (бутен-1)
CH 3 -C = CH-CH 3 (бутен-2)
Для алкенов, начиная с бутена-2, характерна геометрическая (цис-транс) изомерия (рис. 1).
Рис. 1. Геометрические изомеры бутена-2.
Для алкенов, начиная с пропена, характерна межклассовая изомерия с циклоалканами. Так, составу C 4 H 8 отвечают вещества класса алкенов и циклоалканов – бутен-1(2) и циклобутан.
Атомы углерода в молекулах алкенов находятся в sp 2 -гибридизациии: 3σ-связи располагаются в одной плоскости под углом 120 друг к другу, а π-связь образована p-электронами соседних атомов углерода. Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей.
Химические свойства алкенов
Большинство химических реакций алкенов протекают по механизму электрофильного присоединения:
— гидрогалогенирование – взаимодействие алкенов с галогенводородами (HCl, HBr), протекающее по правилу Марковникова (при присоединении полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи)
CH 3 -CH = CH 2 + HCl = CH 3 -CHCl-CH 3
— гидратация — взаимодействие алкенов с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) с образованием спиртов, протекающее по правилу Марковникова
CH 3 -C(CH 3) = CH 2 + H 2 O = CH 3 -C(CH 3)OH-CH 3
— галогенирование — взаимодействие алкенов с галогенами, например, с бромом, при котором происходит обесцвечивание бромной воды
CH 2 = CH 2 + Br 2 = BrCH 2 -CH 2 Br
При нагревании смеси алкена с галогеном до 500С возможно замещение атома водорода алкена по радикальному механизму:
CH 3 -CH = CH 2 + Cl 2 = Cl-CH 2 -CH = CH 2 + HCl
По радикальному механизму протекает реакция гидрирования алкенов. Условием протекания реакции является наличие катализаторов (Ni, Pd, Pt), а также нагревание реакционной смеси:
CH 2 = CH 2 + H 2 = CH 3 -CH 3
Алкены способны окисляться с образованием различных продуктов, состав которых зависит от условий проведения реакции окисления. Так, при окислении в мягких условиях (окислитель – перманганат калия) происходит разрыв π-связи и образование двухатомных спиртов:
3CH 2 = CH 2 + 2KMnO 4 +4H 2 O = 3CH 2 (OH)-CH 2 (OH) +2MnO 2 + 2KOH
При жестком окислении алкенов кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв связи (σ-связи) с образованием кетоны, карбоновых кислот или углекислого газа:
Окисление этилена кислородом при 200С в присутствии CuCl 2 и PdCl 2 приводит к образованию ацетальдегида:
CH 2 = CH 2 +1/2O 2 = CH 3 -CH = O
Алкены вступают в реакции полимеризации. Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного соединения – полимера-путем соединения друг с другом с помощью главных валентностей молекул исходного низкомолекулярного вещества – мономера. Полимеризация может быть вызвана нагреванием, сверхвысоким давлением, облучением, действием свободных радикалов или катализаторов. Так, полимеризация этилена происходит под действием кислот (катионный механизм) или радикалов (радикальный механизм):
n CH 2 = CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -) n —
Физические свойства алкенов
При обычных условиях С 2 -С 4 – газы, С 5 -С 17 – жидкости, начиная с С 18 – твердые вещества. Алкены не растворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.
Получение алкенов
Основные способы получения алкенов:
— дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей
CH 3 -CH 2 -CHBr-CH 3 + KOH = CH 3 -CH = CH-CH 3 + KBr + H 2 O
— дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов
CH 3 -CHCl-CHCl-CH 3 + Zn = ZnCl 2 + CH 3 -CH = CH-CH 3
— дегидратация спиртов при их нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании паров спирта над катализатором
CH 3 -CH(OH)- CH 3 = CH 3 -CH = CH 2 + H 2 O
— дегидрирование алканов при нагревании (500С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)
CH 3 -CH 2 — CH 3 = CH 3 -CH = CH 2 + H 2
Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, каучуков, пленок) и других органических веществ.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что одно и тоже количество его, взаимодействуя с галогенами, образует, соответственно, или 56,5 г дихлорпроизводного или 101 г дибромпроизводного. |
| Решение |
Химические свойства алкенов определяются их способностью присоединять вещества по механизму электрофильного присоединения, при этом двойная связь превращается в одинарную:
СnH 2 n + Cl 2 → CnH 2 nCl 2 CnH 2 n + Br 2 → CnH 2 nBr 2 Масса алкена, вступившего в реакцию одна и та же, значит в реакции участвует одинаковое количество моль алкена. Выразим количество моль углеводорода, если молярная масса дихлорпроизводного 12n+2n+71, молярная масса дибромпроизводного (12n+2n+160): m(CnH 2 nCl 2) \ (12n+2n+71) = m(СnH 2 nBr 2) \ (12n+2n+160) 56.5 \ (12n+2n+71) = 101 \ (12n+2n+160) Следовательно, алкен имеет формулу C 3 H 6 – это пропен. |
| Ответ | Формула алкена C 3 H 6 – это пропен |
ПРИМЕР 2
| Задание | Осуществите ряд превращений этан → этен → этанол → этен → хлорэтан → бутан |
| Решение |
Для получения этена из этана необходимо использовать реакцию дегидрирования этана, которая протекает в присутствии катализатора (Ni, Pd, Pt) и при нагревании:
С 2 H 6 →C 2 H 4 + H 2 Получение этанола из этена осуществляют по реакции гидратации, протекающей водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной): С 2 H 4 + H 2 O = C 2 H 5 OH Для получения этена из этанола используют реакцию дегидротации: C 2 H 5 OH →(t, H 2 SO 4) → C 2 H 4 + H 2 O Получение хлорэтана из этена осуществляют по реакции гидрогалогенирования: С 2 H 4 + HCl → C 2 H 5 Cl Для получения бутана из хлорэтана используют реакцию Вюрца: 2C 2 H 5 Cl +2Na → C 4 H 10 + 2NaCl |
Горят.
1. Горение на воздухе
2. Окисление водным раствором перманганата (реакция Вагнера)
В нейтральной среде получается коричневый оксид марганца (IV), а по двойной связи органического вещества присоединяются две ОН-группы:
Слева - алкен с перманганатом калия, справа - алкан. Органический слой (сверху) не смешивается с водным (снизу). Справа окраска перманганата не изменилась. Рис. 1.
Рис. 1. Реакция Вагнера
3. Окисление подкисленным раствором перманганата
В кислой среде раствор обесцвечивается: Мn +7 восстанавливается до Mn +2 . Обесцвечивание подкисленного раствора перманганата калия - качественная реакция на непредельные соединения .
5СН 2 =СН 2 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 = 12MnSO 4 + 10CO 2 + 6K 2 SO 4 + 28H 2 O.
Зависимость продуктов окисления от строения алкена:
Радикальное замещение в алкенах
Пропен и хлор при высокой температуре: 400-500 о С (условия, благоприятствующие радикальным реакциям) дают продукт не присоединения, а замещения.
В промышленности алкены получают крекингом или дегидрированием алканов нефти.
Лабораторные способы получения алкенов основаны на реакциях отщепления.
1. Дегалогенирование
Реакция дигалогеналканов, в молекулах которых атомы галогенов расположены у соседних атомов углерода, с магнием или цинком приводит к образованию двойной связи:
СН 2 Сl-CН 2 Сl + Zn → CH 2 =CH 2 + ZnCl 2
2. Дегидрогалогенирование
При взаимодействии галогеналканов с горячим спиртовым раствором щелочи отщепляется молекула галогеноводорода и образуется алкен:
СН 3 -СН 2 -СНCl-СН 3 + КОН спирт. CH 3 -CH=CH-CH 3 + KCl + H 2 O
3. Дегидратация
Нагревание спиртов с концентрированной серной или фосфорной кислотой приводит к отщеплению воды и образованию алкена.
Реакции отщепления несимметричных галогеналканов и спиртов часто протекают в соответствии с правилом Зайцева : Атом водорода преимущественно отщепляется от того из атомов С, который связан с наименьшим числом атомов Н.
Правило Зайцева, как и правило Марковникова, можно объяснить, сравнивая устойчивость промежуточных частиц, которые образуются в реакции.
Этилен, пропен и бутены - исходные вещества для нефтехимического синтеза, прежде всего для получения пластиков.
При присоединении хлора к алкенам получаются хлоропроизводные.
СН 2 =СН-СН 3 + Cl 2 → CH 2 Cl - CHCl - CH 3 (1,2-дихлорпропан)
Но еще в 1884 году русский ученый Львов М.Д. (рис. 2) провел реакцию хлорирования пропена в более жестких условиях, при t = 400 0 С. В результате получился продукт не присоединения хлора, а замещения.
СН 2 =СН-СН 3 + Cl 2 СН 2 =СН-СН 2 Cl + HCl
Рис. 2. Русский ученый М.Д. Львов
Взаимодействие одних и тех же веществ при разных условиях приводят к разным результатам. Эта реакция широко используется для получения глицерина. Иногда этилен используют в овощехранилищах для ускорения созревания плодов.
Подведение итога урока
На этом уроке вы рассмотрели тему «Алкены. Химические свойства - 2. Получение и применение алкенов». В ходе занятия вы смогли углубить свои знания об алкенах, узнали о химических свойствах алкенов, а также об особенностях получения и применения алкенов.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.
Домашнее задание
1. №№ 12, 13 (с. 39) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Какая реакция является качественной на этилен и его гомологи?
3. Может ли при хлорировании пропена происходить не присоединение, а замещение? С чем это связано?
Значение алкенов в жизни человека Выполнила ученица 10 м класса Чеснокова Инна Проверила учитель химии Домрачева Светлана Алексеевна
O Один из важнейших классов непредельных углеводородов Алкены находит свое применение в различных областях хозяйства. Алкены широко используются в промышленности в качестве сырья для получения материалов и веществ.
Этилен Получение пластмасс – изготовление посуды, труб, пленки (пропилен и бутилены); Получение этанола – растворитель, используется в органическом синтезе; Получение этиленгликоля – антифриз – понижает температуру замерзания; Этилен используется для повышения урожайности овощей в теплицах; Алкены используются при производстве синтетического каучука (Изобутилен); Производство уксусной кислоты.
Применение этилена: Этиленгликоль Этилен и его гомологи легко окисляются, например перманганатом калия. При этом образовался этиленгликоль - вязкая, сходная с глицерином жидкость применяемая в производстве антифризов, синтетического волокна лавсана, взрывчатых веществ. Этиленгликоль очень ядовит.
O Этилен также используется в Применение этилена: ЭТРЕЛ качестве регулятора роста растений. Ученые установили, что в растениях этилен образуется из аминокислоты – метионина. Это наблюдение и привело к мысли о синтезе такого вещества, которое попадая в растение, разлагалось бы с образованием этилена. Такое вещество было синтезировано в 1946 г. советскими учеными М. И. Кабачником и П. А. Российской и получило название “этрел”. Этрел (Этефон) легко проникает в растения и разлагается с образованием этилена.
Военное значение этилена Этилен и его производные находят широкое применение в военном деле. Этилен применяют для синтеза иприта, отравляющего вещества кожно-нарывного и общеядовитого действия: Впервые иприт был применен Германией как отравляющее вещество в 1917 г. у бельгийского города Ипр (отсюда название) против наступающих англо-французских войск.
Окисление этилена Также этилен частично окисляется в кислороде воздуха (горит): 2 CH 2 = CH 2 + O 2=>2 CH 2 - CH 2 Оксид этилена применяется для синтеза различных органических веществ, производства уксусного альдегида, производства лаков, пластмасс, косметических препаратов, и. т. д.
Этилен При реакции с галогеноводородами получается этилхлорид, применяемый для местной астенезии: H 2 C=CH 2 + HBr=>CH 3 - CH 2 Br Этилен присоединяет воду, и получается этиловый спирт: H 2 C = CH 2 + H 2 O=>CH 3 - CH 2 - OH
Полимеризация этилена Полимеризация. При повышенной температуре, давлении, и в присутствии катализаторов молекулы этилена соединяются друг с другом в следствие разрыва двойной связи, и образуют большие молекулы: n. CH 2 = CH 2=>(- CH 2 -)n В результате образуется полиэтилен из которого получают множество различных пластмасс, высокооктановое горючее, синтетический каучук, и. т. д.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Строение молекулы алкенов на примере этилена приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение молекулы этилена.
По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Низшие гомологи С 2 - С 4 при нормальных условиях - газы; С 5 - С 17 - жидкости; высшие гомологи - твердые вещества. Алкены нерастворимы в воде. Хорошо растворимы в органических растворителях.
Получение алкенов
В промышленности алкены получают при переработке нефти: крекингом и дегидрированием алканов. Лабораторные способы получения алкенов мы разделили на две группы:
- Реакции элиминирования (отщепления)
— дегидратация спиртов
CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O (H 2 SO 4 (conc) , t 0 = 170).
— дегидрогалогенированиемоногалогеналканов
CH 3 -CH(Br)-CH 2 -CH 3 + NaOH alcohol → CH 3 -CH=CH-CH 3 + NaBr + H 2 O (t 0).
— дегалогенированиедигалогеналканов
CH 3 -CH(Cl)-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + Zn(Mg) → CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + ZnCl 2 (MgCl 2).
- Неполное гидрирование алкинов
CH≡CH + H 2 →CH 2 =CH 2 (Pd, t 0).
Химические свойства алкенов
Алкены - весьма реакционноспособоные органические соединения. Это объясняется их строением. Химия алкенов - это химия двойной связи. Типичные реакции для алкенов - реакции электрофильного присоединения.
Химические превращения алкенов протекают с расщеплением:
1) π-связи С-С (присоединение, полимеризация и окисление)
— гидрирование
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 2 (kat = Pt).
— галогенирование
CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CH 2 -CH(Br)-CH 2 Br.
— гидрогалогенирование (протекает по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется преимущественно к более гидрированному атому углерода)
CH 3 -CH=CH 2 + H-Cl → CH 3 -CH(Cl)-CH 3 .
— гидратация
CH 2 =CH 2 + H-OH → CH 3 -CH 2 -OH (H + , t 0).
— полимеризация
nCH 2 =CH 2 → -[-CH 2 -CH 2 -]- n (kat, t 0).
— окисление
CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 2KOH → HO-CH 2 -CH 2 -OH + 2K 2 MnO 4 ;
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2C 2 OH 4 (эпоксид) (kat = Ag,t 0);
2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2CH 3 -C(O)H (kat = PdCl 2 , CuCl).
2) σ- и π-связей С-С
CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + 4[O] → CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH (KMnO 4 , H +, t 0).
3) связей С sp 3 -Н (в аллильном положении)
CH 2 =CH 2 + Cl 2 → CH 2 =CH-Cl + HCl (t 0 =400).
4) Разрыв всех связей
C 2 H 4 + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O;
C n H 2n + 3n/2 O 2 → nCO 2 + nH 2 O.
Применение алкенов
Алкены нашли применение в различных отраслях народного хозяйства. Рассмотрим на примере отдельных представителей.
Этилен широко используется в промышленном органическом синтезе для получения разнообразных органических соединений, таких как галогенопроизводные, спирты (этанол, этиленгликоль), уксусный альдегид, уксусная кислота и др. В большом количестве этилен расходуется для производства полимеров.
Пропилен используется как сырье для получения некоторых спиртов (например, пропанола-2, глицерина), ацетона и др. Полимеризацией пропилена получают полипропилен.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При гидролизе водным раствором гидроксида натрия NaOH дихлорида, полученного присоединением 6,72 л хлора к этиленовому углеводороду, образовалось 22,8 г двухатомного спирта. Какова формула алкена, если известно, что реакции протекают с количественными выходами (без потерь)? |
| Решение | Запишем уравнение хлорирования алкена в общем виде, а также реакцию получения двухатомного спирта:
C n H 2 n + Cl 2 = C n H 2 n Cl 2 (1); C n H 2 n Cl 2 + 2NaOH = C n H 2 n (OH) 2 + 2HCl (2). Рассчитаем количество вещества хлора: n(Cl 2) = V(Cl 2) / V m ; n(Cl 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, дихлорида этилена тоже будет 0,3 моль (уравнение 1), двухатомного спирта также должно получиться 0,3 моль, а по условию задачи это 22,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2 n (OH) 2) = m(C n H 2 n (OH) 2) / n(C n H 2 n (OH) 2); M(C n H 2 n (OH) 2) = 22,8 / 0,3 = 76 г/моль. Найдем молярную массу алкена: M(C n H 2 n) = 76 - (2×17) = 42 г/моль, что соответствует формуле C 3 H 6 . |
| Ответ | Формула алкенаC 3 H 6 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Сколько граммов потребуется для бромирования 16,8 г алкена, если известно, что при каталитическом гидрировании такого же количества алкена присоединилось 6,72 л водорода? Каков состав и возможное строение исходного углеводорода? |
| Решение | Запишем в общем виде уравнения бромирования и гидрирования алкена:
C n H 2 n + Br 2 = C n H 2 n Br 2 (1); C n H 2 n + H 2 = C n H 2 n +2 (2). Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, алкена тоже будет 0,3 моль (уравнение 2), а по условию задачи это 16,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2n) = m(C n H 2n) / n(C n H 2n); M(C n H 2 n) = 16,8 / 0,3 = 56 г/моль, что соответствует формуле C 4 H 8 . Согласно уравнению (1) n(C n H 2 n) :n(Br 2) = 1:1, т.е. n(Br 2) = n(C n H 2 n) = 0,3 моль. Найдем массу брома: m(Br 2) = n(Br 2) × M(Br 2); M(Br 2) = 2×Ar(Br) = 2×80 = 160 г/моль; m(MnO 2) = 0,3 × 160 = 48 г. Составим структурные формулы изомеров: бутен-1 (1), бутен-2 (2), 2-метилпропен (3), циклобутан (4). CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 (1); CH 3 -CH=CH-CH 3 (2); CH 2 =C(CH 3)-CH 3 (3); |
| Ответ | Масса брома равна 48 г |
Алкены - непредельные углеводороды, в составе которых есть одна двойная связь. Примеры алкенов:
Методы получения алкенов.
1. Крекинг алканов при 400-700°С. Реакция идет по свободнорадикальному механизму:
2. Дегидрирование алканов:
3. Реакция элиминирования (отщепление): от соседних атомов углерода отщепляются 2 атома или 2 группы атомов, и образуется двойная связь. К таким реакциям относят:
А) Дегидратацию спиртов (нагрев свыше 150°С, при участии серной кислоты , как водоотнимающего реагента):
Б) Отщепление галогенводородов при воздействии спиртового раствора щелочи:
Атом водорода отщепляется преимущественно от того атома углерода, который связан с меньшим числом атомов водорода (наименее гидрогенизированного атома) - правило Зайцева .
В) Дегалогенирование:
Химические свойства алкенов.
Свойства алкенов обуславливаются наличием кратной связи, поэтому алкены вступают в реакции электрофильного присоединения, которое протекает в несколько стадий (Н-Х - реагент):
1-я стадия:
2-я стадия:
.
Ион водорода в такого типа реакциях принадлежит тому атому углерода, который имеет более отрицательный заряд. Распределение плотности такое:
Если в качестве заместителя стоит донор, который проявляется +I- эффект, то электронная плотность смещается в сторону наиболее гидрогенизированного атома углерода, создавая на нем частично отрицательный заряд. Реакции идут по правилу Марковникова : при присоединении полярных молекул типа НХ (HCl , HCN , HOH и т.д.) к несимметричным алкенам водород присоединяется преимущественно к более гидрогенизированому атому углерода при двойной связи.
А) Реакции присоединения:
1) Гидрогалогенирование:
Реакция идет по правилу Марковникова. Но если в реакции присутствует пероксид , то правило не учитывается:
2) Гидратация. Реакция идет по правилу Марковникова в присутствие фосфорной или серной кислоты :
3) Галогенирование. В результате происходит обесцвечивание бромной воды - это качественная реакция на кратную связь:
4) Гидрирование. Реакция протекает в присутствие катализаторов.
