Методические рекомендации по изучению темы «АЛКЕНЫ. ЭТИЛЕН»

Государственное автономное профессиональное

образовательное учреждение Пензенской области

Пензенский колледж архитектуры и строительства

(ГАПОУ ПО ПКАС)

Методические рекомендации по изучению темы:

«АЛКЕНЫ. ЭТИЛЕН».

Выполнила преподаватель: Пивкина Н.В.

г. Пенза 2016 г.

Методические рекомендации по изучению материала.

Обучающийся  должен:

Иметь представление:

 - о гомологическом ряде углеводородов- алкенах – углеводородах с двойной связью,

- о строении алкенов,

- о названиях, химических свойствах и применении алкенов,

- о пространственной изомерии.

 

Знать:

- химические свойства этилена,

- получение этилена,

- общую формулу алкенов,

- строение алкенов,

- химические свойства алкенов на основе их строения,

- правило Марковникова,

-способы получения алкенов,

- применение алкенов.

 

Уметь:

-составлять уравнения реакций, характеризующие свойства и способы получения этилена,

- составлять формулы гомологов этилена - углеводородов с двойной связью, с прямым и   разветвленным скелетами,

- называть алкены по представленным формулам,

- применять правило Марковникова и объяснять его с позиций электронного строения на  примере пропена.

Теоретическая часть.

Строение молекулы этилена.

Разумеется, коль существуют углеводороды предельные, должны быть и непредельные. К непредельным углеводородам относятся вещества, содержащие в своем составе кратные углерод-углеродные связи: двойную С=С или тройную С С. Термин "непредельные" объясняется способностью этих соединений вступать в реакции присоединения с разрывом кратных связей, превращаясь при этом в предельные (насыщенные) углеводороды или их производные. Простейшими непредельными углеводородами являются соединения с одной двойной связью. Первый представитель этого класса углеводородов - этилен СН₂=СН₂.

Экспериментально доказано, что в молекулах этилена и других углеводородов этого ряда одна из двойной связи относительно легко разрывается, а вторая является более прочной.

Так, например, если пропустить этилен через бромную воду, то происходит обесцвечивание в результате присоединения атомов брома:

Н₂С=СН₂ + Br₂ — BrН₂С–СН₂Br (1,2-дибромэтан)

Данная реакция позволяет обнаружить кратную связь в веществе.

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно s- и два p-электронных облака атомов углерода (sp²-гибридизация). Таким образом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных облака и по одному (всего два) негибридному p-облаку.

Два из гибридных электронных облаков атомов углерода взаимно перекрываются и образуют между атомами углерода ?-связь. Остальные четыре гибридных электронных облака атомов углерода перекрываются в той же плоскости с четырьмя s-электронными облаками атомов водорода и также образуют четыре -связи. Негибридные два p-облака атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости -связей, т.е. образуется одна -связь.

Следовательно, в молекуле этилена между атомами углерода имеется одна - и одна -связь. В углеродных соединениях -связь значительно слабее, чем -связь. Под действием реагентов -связь легко разрывается.

Электронное строение молекулы этилена определяет ее пространственное строение. Центры ядер всех шести атомов расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости -связи. Все валентные углы НСС и НСН близки к 120^о. Длина двойной связи значительно меньше длины одинарной связи и составляет 0,133 нм. Благодаря двоесвязанности атомов углерода, свободное вращение относительно связи С=С невозможно.

Таким образом, как подведение итога всего выше сказанного, можно дать определение углеводородов ряда этилена:

Углеводороды с общей формулой Cn H 2n , в молекулах которых между атомами углерода имеется одна двойная связь, называются углеводородами ряда этилена, или алкенами.

Гомологический ряд алкенов. Изомерия и номенклатура непредельных углеводородов ряда "Этилен"

Этилен, подобно метану, является родоначальником целого ряда углеводородов сходного строения - гомологического ряда алкенов. Как и в случае алканов, два ближайших гомолога отличаются по составу на группу –СН₂–, называемую гомологической разностью.

Поскольку все водородные атомы в этилене одинаковы (эквивалентны), существует только один изомер состава С₃Н₆. Этот углеводород носит название пропилен или, в соответствии с международной номенклатурой, пропен.

Аналогичным образом можно построить из молекулы пропена структурные формулы следующего гомолога - бутена.

Пары структур (I) и (III), а также (I) и (IV) демонстрируют еще один, новый по сравнению с алканами тип изомерии - изомерию положения двойной связи.

1. В алкенах из всех углеродных атомов только два, связанные кратной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, а остальные атомы имеют sp³-конфигурацию. Как же определить тип гибридизации в общем случае, для любого атома С? Если атом углерода связан с четырьмя другими атомами, он находится в состоянии sp³-гибридизации, если с тремя соседями - в sp²-гибридизации, с двумя - это состояние sp-гибридизации.

2. Не любой алкен имеет пространственные изомеры. По какому признаку можно определить, есть ли у данного углеводорода цис-транс-изомеры? Для этого необходимо, чтобы каждый из двух атомов углерода при двойной связи имел по два различных заместителя. Например, у 3-этилгексена-3 пространственных изомеров нет (у третьего углеродного атома два этильных заместителя), а 3-метилгексен-3 - цис-транс-изомеры имеет. Их изображение начинают с атомов углерода, связанных двойной связью, затем указывают четыре заместителя, с ними связанных.

Номенклатура.

На приведенных примерах показывается алгоритм составления названия углеводорода по номенклатуре ИЮПАК:

1. Самая длинная цепь должна содержать двойную связь и нумеруется с того конца, к которому она ближе. При расположении кратной связи в центре цепи, нумерацию ведут от атома углерода, к которому ближе разветвление.

2. В основе названия - наименование алкана с тем же числом углеродных атомов, при этом суффикс -ан меняется на -ен.

3. Положение и название заместителей указываются перед основой названия, а положение двойной связи в цепи - после.

4. Если необходимо указать тип пространственного изомера. Перед названием добавляют префиксы цис- или транс-.

Простейшие алкены, наряду с международными терминами (этен, пропен и бутен), часто обозначают исторически сложившимися названиями (этилен, пропилен, бутилен): суффикс -ан меняется на суффикс -илен.

При отщеплении одного атома водорода от молекулы алкенов образуются непредельные радикалы общей формулы С_nH_2n-1, простейшие из которых называются: винил СН₂=СН- и аллил СН₂=СН-СН₂-.

Получение углеводородов ряда "Этилен"

Промышленные способы - это уже известные ранее крекинг и дегидрирование алканов. Учитель просит учеников самим написать схемы крекинга ряда предельных углеводородов: октана, бутана, 2,3-диметилбутана. В первом случае следует обратить внимание, что из возможных изомеров бутена, различающихся положением двойной связи, преимущественно образуется бутен-2. Аналогично при каталитическом дегидрировании бутана в смеси продуктов также преобладает бутен-2. кроме этого так же следует обратить внимание на то обстоятельство, что дегидрирование алканов возможно при обязательном присутствии катализатора. Данную реакцию рассматривают на примере дегидрирования метана и этана. Продукты реакции в первом и втором случаях будет являться этилен.

2СН₄ — С₂Н₄ + Н₂

СН₃-СН₃ — Н₂С = СН₂ + Н₂

Условия протекания реакций: температура порядка 500^оС, присутствие никеля в качестве катализатора.

Лабораторные способы получения.

1. Дегидратация спиртов - нагревание смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой.

С₂Н₅ОН — Н₂С=СН₂ + НОН

Здесь следует упомянуть, что именно с помощью данной реакции был впервые получен этилен в 1669 г. немецким химиком Иоганом Иохимом Бехером. Современники не смогли по достоинству оценить открытие ученого. Ведь Бехер не только синтезировал новый углеводород, но и впервые применил химический катализатор (серная кислота) в процессе реакции. До этого в научной практике и повседневной жизни применялись только биологические катализаторы природного происхождения - ферменты.

2. Углеводороды ряда этилена можно получить при взаимодействии дигалогенопроизводных предельных углеводородов с металлами:

СН₂Br-CHBr-CH₃ + Zn — H₂C=CH-CH₃ + ZnBr₂

Если атомы галогенов находятся не у соседних атомов углерода, то могут образоваться циклопарафины.

3. При действии спиртовых растворов щелочей на галогенпроизводные отщепляется галогеноводород и образуется углеводород с двойной связью:

В качестве исходных веществ для такой реакции лучше брать хлор- или бромалканы, а также гидроксиды натрия и калия. Кроме этого следует обратить внимание учащихся на следующее обстоятельство: если есть возможность отщепления галогеноводорода несколькими различными способами, преимущественно реализуется тот, при котором атом водорода отщепляется от наименее гидрированного (с меньшим числом водородных атомов) атома углерода, т.е. образуется алкен с большим числом алкильных заместителей при двойной связи. Эта закономерность открыта в 1875 г. выдающимся русским химиком, учеником и полным тезкой Бутлерова Александром Михайловичем Зайцевым и носит название правило Зайцева.

По существу реакция дегидратации - полная аналогия реакции дегидрогалогенирования. У учителя есть возможность еще раз отработать все использованные выше приемы, закрепить материал:

- "расшифровка" термина дегидратация: отщепление молекулы воды. Четверо из пяти школьников пишут это слово через "о", следует обратить внимание на правильное написание;

- важность условий проведения реакции: при температуре ниже 180 ?С в качестве основного продукта получается диэтиловый простой эфир. Ученикам следует напомнить, что именно в этой реакции впервые был использован катализ концентрированной серной кислотой:

- отщепление молекулы воды для вторичных и третичных спиртов также определяется правилом Зайцева.

Физические и химические свойства алкенов

Физические свойства.

Этилен - бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Пропилен и бутены (бутилены) при нормальных условиях также газообразны, от пентена С₅Н₁₀ до октадецена С₁₈Н₃₆ включительно углеводороды находятся в жидком состоянии, а начиная с нонадецена С₁₉Н₃₈ - в твердом.

Химические свойства.

Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи. Для них характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

1. Реакции присоединения.

1.1. Этилен и его гомологи взаимодействуют с галогенами (хлор, бром) с разрывом двойной связи и образованием дигалогенпроизводных.

В общем виде реакция выглядит следующим образом:

C_nH_2n + Cl₂ = C_nH_2nCl₂

C_nH_2n + Br₂ = C_nH_2nBr₂

Реакция может идти и в гетерогенной системе между газообразным или жидким алкеном и водным раствором брома (бромной водой), при этом бромная вода обесцвечивается. Данная реакция являетсякачественной на двойную углерод-углеродную связь.

1.2. Гидрирование. Присоединение водорода по двойной связи происходит в присутствии металлических катализаторов. Иногда для этого требуется повышение давления или температуры. Наиболее распространенным катализатором процессов гидрирования и дегидрирования является никель.

H₂C=CH₂ + H₂ = H₃C-CH₃

H₂C=CH-CH₃ + H₂ = CH₃-CH₂-CH₃

Для правильного написания продуктов присоединения к алкенам следует помнить, что углеродный скелет в этих процессах не претерпевает изменений!

1.3. Гидратация. В присутствии серной или ортофосфорной кислоты и других катализаторов, а также повышении давления и температуры этилен способен присоединить воду.

H₂C=CH₂ + HOH = CH₃-CH₂-OH

Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.

1.4. Гидрогалогенирование. Хлороводород и бромоводород присоединяются к алкенам в газовой фазе.

H₂C=CH₂ + HBr = CH₃-CH₂Br (этилбромид)

H₂C=CH₂ + HCl = CH₃-CH₂Cl (этилхлорид)

Этилхлорид применяют для местной анестезии.

Пропилен и последующие углеводороды ряда этилена реагируют с галогеноводородами согласно правилу В.В. Марковникова.

В реакции присоединения полярных молекул (галогеноводородов, воды) к несимметричным алкенам атом водорода преимущественно присоединяется к наиболее гидрированному, а галоген к наименее гидрированному атому углерода по двойной связи.

При изучении реакций замещения, в которых участвуют предельные углеводороды, обязательно нужно остановиться на том факте, что эти реакции протекают по свободнорадикальному механизму. У алкенов присоединение галогеноводородов происходит по ионному механизму.

Многие химические реакции, в которых участвуют органические вещества, протекают либо по свободнорадикальному, либо по ионному механизму. Во всех этих реакциях происходит разрыв одних связей и образование новых.

2. Реакции окисления.

2.1. Окисление кислородом воздуха (горение).

При горении всех углеводородов ряда этилена продуктами реакции всегда будут являться углекислый газ и вода, но следует помнить, что с воздухом газообразные алкены образуют взрывчатые смеси. На данном этапе можно продемонстрировать реакцию горения этилена в сравнении с реакцией горения природного газа или газа зажигалки. Учащиеся замечают, что цвета пламени веществ различаются. Этилен горит красноватым пламенем, а газ зажигалки - синеватым. Такие различия обусловлены различным процентным содержанием углерода в предельных и непредельных углеводородах. Для подтверждения сказанного учитель предлагает рассчитать содержание углерода в этане и этилене.

2.2. Окисление перманганатом калия. При пропускании этилена через водный раствор перманганата калия наблюдается обесцвечивание раствора.

3H₂C=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O = 3HO-CH₂-CH₂-OH + 2MnO₄v + 2KOH

Сокращенно реакция представляется следующим образом:

H₂C=CH₂ + [O] + H₂O = HO-CH₂-CH₂-OH(этиленгликоль)

Реакцию окисления алкенов водным раствором перманганата калия открыл в 1888г. русский химик с немецкой фамилией - Егор Егорович Вагнер. С помощью этой качественно реакции Вагнер доказал непредельный характер некоторых природных соединений: терпенов, лимонена, скипидара. С тех пор эта реакция носит имя ученого - реакция Вагнера.

Этиленгликоль широко применяется для производства мало замерзающих жидкостей - антифризов, а также синтетического волокна лавсана, взрывчатых веществ и др.

2.3. Очень важными промышленными процессами является каталитическое окисление этиленовых углеводородов. При использовании в качестве катализатора влажной смеси двух солей - хлорида палладия и хлорида меди (II) - получают ацетальдегид (Вакер-процесс). На сегодняшний день это лучший способ получения уксусного альдегида в промышленности:

При пропускании смеси этилена с воздухом над серебряным катализатором при 150-350 ?С образуется оксид этилена, относящийся к классу эпоксидов.

Оксид этилена широко используется в промышленности для получения эпоксидных смол, синтетических моющих средств, лаков, пластмасс, синтетических каучуков и волокон.

3. Реакции полимеризации.

При повышенном давлении и температуре, в присутствии катализатора молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи и образуют полиэтилен. В упрощенном виде такую реакцию можно отразить так:

nCH₂=CH₂ — (-CH₂-CH₂-)n

Полиэтилен - соединение с массой, выражаемой десятками и сотнями тысяч атомных единиц массы.

Не меньшее значение в повседневной жизни играют полимеры на основе галогенопроизводных этиленовых углеводородов. Открытию этих соединений человечество обязано Его Величеству Случаю (хотя "случайные" открытия удаются только тем, кто много и упорно работает). В 1938 г американский ученый Р. Планкетт проводил опыты с тетрафторэтиленом CF₂=CF₂. Для удобства он наполнил этим газообразным веществом металлический баллон под давлением. На следующий день газа в баллоне не оказалось, а внутри лежал порошок молочно-белого цвета. Это и был политетрафторэтилен или тефлон.

nCF₂=CF₂ — (-CF₂-CF₂-)_n

Тефлон обладает исключительной химической устойчивостью. На него не действуют ни расплавленные щелочи, ни концентрированные кислоты, ни даже царская водка, растворяющая золото. Он не набухает в воде, устойчив в интервал температур от -250 до +200^оС, не хрупок даже при сильном охлаждении, обладает очень низким коэффициентом трения. Из тефлона изготавливают подшипники и втулки, детали химических аппаратов и машин, оболочки высоковольтных кабелей и пленки.

Однако тефлон не лишен недостатков. Минуя жидкое агрегатное состояние, при температуре более 400^оС он разлагается, поэтому из него невозможно отливать изделия обычным способом. Этого недостатка лишены другие полимеры на основе галогеналканов. Из хлорэтилена, который чаще называют винилхлоридом, получают ценный полимер - поливинилхлорид.

nCH₂=CHCl — (-CH₂-CHCl-)_n

Этот полимер гибок, эластичен, обладает прекрасными электроизоляционным свойствами. Из него изготавливают трубки, изоляцию электропроводов, изоленту, пленку, искусственную кожу.

В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимерных материалов. Они все в большей степени вытесняют из нашего быта природные материалы, поскольку обладают уникальными и самыми разнообразными свойствами, сравнительно дешевы, легко обрабатываются, многие подлежат вторичной переработке.

Замечательные пророческие слова Джулио Натта, написанные им в 1957 году:

"Химик, собирающийся построить гигантскую молекулу, находится в таком же положении, как и архитектор, проектирующий здание. В его распоряжении имеется ряд строительных блоков определенных форм и размеров, и он должен соединить их вместе в структуру, которая будет служить определенной цели. Химия полимеров в настоящее время становится все более привлекательной областью исследований; в последние несколько лет открыты новые пути соединения блоков вместе - открытия, которые сулят получение большого количества материалов, прежде никогда не существовавших на Земле".

Генетическая связь алкенов отражена в схеме ниже.

Вопросы для самоконтроля.

1. Напишите молекулярную и структурную формулу этилена.

2. Назовите тип гибридизации атомов углерода в этилене.

3. Напишите общую формулу алкенов.

4. Перечислите типы химических реакций.

ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ

1. Из чего получают этилен?

2. Допишите реакции:

а) CH₂ = CH₂ + Br₂ –

б) CH₂ = CH₂ + HBr –

в) CH₂ = CH₂ + H₂ –

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ

1. Как образуется пи–связь в этилене?

2. Допишите реакции, назовите вещества:

а) CH₂ = CH - CH₂ + H₂ –

б) CH₂ = CH - CH₂ + I₂ –

в) CH₂ = CH - CH₂ + HF –