Алкени. Загальні та молекулярні формули алкенів, структурна ізомерія, систематична номенклатура. Хімічні властивості етену. Методи одержання, етену. Застосування вуглеводнів.

Існують вуглеводні, в яких атоми Карбону сполучені з меншою кількістю атомів Гідрогену, ніж це потрібно для повного насичення валентностей Карбону. В цих випадках валентності сусідніх атомів Карбону, що залишаються вільними, насичують одна одну і між атомами Карбону виникають подвійні або потрійні (кратні) звязки: С = С та С  С

Вуглеводні з подвійними та потрійними зв’язками між атомами Карбону отримали назву ненасичених на відміну від відомих вам насичених вуглеводнів.

Залежно від кількості та характеру кратних зв’язків ненасичені вуглеводні класифікують таким чином:

1. Алкени (етиленові вуглеводні). С_nH_2n

         2. Алкіни (ацетиленові вуглеводні). С_nH_2n‑2

         3. Алкадієни (дієнові вуглеводні). С_nH_2n‑2

1. Склад і будова молекул.

Етиленові вуглеводні

Вуглеводні із загальною формулою С_nH_2n, і з подвійним зв’язком між атомами Карбону в молекулі (С=С) називаються етиленовими вуглеводнями, або алкенами.

Алкени утворюють гомологічний ряд, першим і найважливішим членом якого є етилен С₂Н₄, звідки і походить назва вуглеводні ряду етилену. Наступні члени ряду відрізняються за складом на гомологічну різницю – групу СН₂.

При зменшенні кількісного складу молекул алкенів на два атоми Гідрогену порівняно з відповідними алканами чотиривалентний стан Карбону зберігається завдяки утворенню подвійного зв язку.

Структурна формула етену (етилену):

 

             Н    Н

              |      |

      Н – С = С – Н 

 

 

 У подвійному зв’язку один зв’язок міцніший, другий слабший. Слабший зв’язок першим розривається в реакціях, тоді як міцніший зберігається. За місцем розриву відбувається приєднання інших атомів чи груп атомів. Це підтверджують хімічні властивості алкенів. Через утворення подвійного зв’язку зменшується відстань між ядрами атомів Карбону. Довжина подвійного зв’язку С = С становить 0,133 нм, тоді як довжина одинарного зв’я зку С — С дорівнює 0,154 нм.

Гомологічний ряд алкенів можна записати, виходячи з гомологічного ряду алканів. Для цього необхідно відняти від двох сусідніх атомів Карбону алкану два атоми Гідрогену (по одному від кожного атома Карбону).

 

Вуглеводні ряду етилену (у зіставленні з насиченими вуглеводнями)

Насичені вуглеводні		Ненасичені вуглеводні
Молекулярна формула	Назва	Молекулярна формула	Назва
С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 С7Н16 С8Н18 С9Н20 С10Н22	Етан Пропан Бутан Пентан Гексан Гептан Октан Нонан Декан	С2Н4 С3Н6 С4Н8 С5Н10 С6Н12 С7Н14 С8Н16 С9Н18 С10Н20	Етен Пропен Бутен Пентен Гексен Гептен Октен Нонен Декен

 

Назви етиленових вуглеводнів утворюють заміною суфікса –ан відповідного насиченого вуглеводню на суфікс –ен. Тому вуглеводні ряду С_nH_2n називають алкенами. Для алкенів часто використовують назви, які склались історично (тривіальна номенклатура). Тривіальні назви алкенів утворюють із назв відповідних насичених вуглеводнів, замінюючи в них суфікс –ан на суфікс –илен (-ілен). Радикал етилену СН₂=СН‑, який є складовою частиною ряду молекул, називають вінілом.

2. Систематична номенклатура алкенів.

Принцип утворення назв алкенів за систематичною номенклатурою такий самий, що і для назв алканів. Виділяють найдовший ланцюг з атомів Карбону, що містить подвійний зв'язок. Головний ланцюг нумерують, починаючи з того кінця, до якого ближче подвійний зв'язок.

Положення подвійного зв’язку в молекулах алкенів, крім етену і пропену, вказують у назві сполуки цифрою (найменшим номером відповідного атома Карбону) після кореня перед суфіксом ‑ен, причому до і після цифри записують дефіс. Наприклад:

¹СН₂ = ²СН – ³СН₂ – ⁴СН₃              бут-1-ен

¹СН₃ – ²СН = ³СН – ⁴СН₃                бут-2-ен

 

¹СН₃ – ²СН = ³СН – ⁴СН₃                бутен-2

³СН₃ – ²С = ¹СН₂

                        |                                           2-метилпропен-1

                       СН₃                                         

 

Для алкенів із розгалуженими молекулами назви замісників та їх положення вказують у такий самий спосіб, що й для алканів:

 

                            СН₂=СН – СН₂ – СН – СН – СН₃

                                                          |        |

                                                        СН₃   СН₃

 

5,5-диметилгекс-1-ен

Знаючи номенклатуру алкенів, легко безпомилково складати структурні формули речовин цього класу.

3. Ізомерія. 

Крім етену і пропену, всі інші алкени мають структурні ізомери. Ізомерні алкени можуть різнитися не лише будовою карбонового ланцюга (як і алкани), а й положенням подвійного зв’язку в ньому. Тому кількість структурних ізомерів у алкенів більша, ніж в алканів з такою самою кількістю атомів Карбону в молекулі.

Алкенам властива також просторова ізомерія та міжкласова ізомерія.

4. Фізичні властивості алкенів.

Алкени за фізичними властивостями подібні до алканів. Етилен – безбарвний газ, майже без запаху, малорозчинний у воді, трохи легший за повітря. Пропен і бутени також за звичайних умов є газами, інші алкени ‑ рідини або тверді речовини. Зі збільшенням відносної молекулярної маси сполук температури їх плавлення і кипіння зростають. Алкени нерозчинні у воді, але розчиняються в органічних розчинниках.

У природі етилен не зустрічається у вільному стані через високу активність молекул. Етилен утворюється під час переробки нафти.

         5. Хімічні властивості алкенів.

Через наявність у молекулах алкенів подвійного зв’язку сполуки виявляють значну хімічну активність. У більшості реакцій за участю цих вуглеводнів подвійний зв’язок унаслідок розриву одного з його складників легко перетворюється на простий. Алкени вступають у реакції приєднання, окиснення, полімеризації.

1. Реакції приєднання

1. Алкени сполучаються з воднем (реакція гідрування), галогенами (реакція галогенування), галогеноводнями, водою (реакція гідратації).

Гідрування (гідрогенізація) — приєднання водню Н₂. Відбувається при нагріванні в присутності каталізаторів — металів платини, паладію чи нікелю.

Галогенування. Алкени вступають у реакції приєднання з галогенами: фтором Р₂ (зі спалахуванням), хлором С1₂ (при освітленні вибухають), бромом Вг₂, (знебарвлення розчину відбувається), йодом J₂ (є оборотними реакції).

Приєднання відбувається за місцем розриву подвійного зв’язку легко, за кімнатної температури й без каталізатора.

Склад продуктів таких реакцій за участю водню або галогенів передбачити легко; кожний атом Гідрогену або галогену приєднується до атома Карбону, який у молекулі вуглеводню утворює подвійний зв’язок:

СН₂ = СН₂ + Н₂ ^кат→ СН₃ ‑ СН₃

                                     етан

 

СН₂ = СН₂ + Br₂ → СН₂ – СН₂

                                  |           |

                                 Br        Br

                                   1,2-диброметан

 

Бромування алкенів відбувається за участю не лише брому, а і його водного розчину ‑ так званої бромної води (вона, як і бром, має бурий колір). Знебарвлення брому дає змогу відрізняти алкени та інші ненасичені сполуки від насичених. Це ‑ одна з якісних реакцій на кратний зв’язок.

         Приєднання галогеноводнів (гідроген галогенідів) відбувається за звичайних умов: гідроген флуориду НF, гідроген хлориду HCl, гідроген броміду HBr, гідроген йодиду HJ.

СН₂ = СН₂ + HCl → СН₃ – СН₂Cl

                                                         хлоретан

 

Приєднання води відбувається за наявності концентрованої сульфатної кислоти:

СН₂ = СН₂ + H₂О → СН₃–СН₂ОН

                                                         етанол

 

Правило Марковникова Володимира Володимировича. Якщо молекула алкену є несиметричною щодо подвійного зв’язку, то при взаємодії вуглеводню з галогеноводнем або водою атом Гідрогену молекули галогеноводню або води приєднується переважно до атома Карбону, сполученого з більшою кількістю атомів Гідрогену:

СН₂ = СН‑СН₃+ HBr → СН₂ – СН‑ СН₃

                                          |          |

                                         Н        Br

                                                   2-бромпропан

 

 

Продуктами реакцій приєднання водню до етенів є алкани, галогенів ‑ дигалогенопохідні алканів, гідроген галогенідів ‑ моногалогенопохідні алканів.

 

2. Відщеплення водню (дегідрування):

СН₂ = СН₂  ^t°→ СН  СН + Н₂

      етен                     етин

 

3. Реакція окиснення.

Окиснення алкенів залежить від природи окисника та температури, тому в ході реакцій утворюються різні продукти.

Повне окиснення етену (горіння).

Алкени, як і інші вуглеводні, при підпалюванні горять на повітрі. Горіння супроводжується виділенням теплоти в довкілля, а продуктами реакції є вуглекислий газ і вода..

                   С₂Н₄ + 3О₂ → 2СО₂ + 2Н₂О

         Часткове окиснення етену зі збереженням одинарного зв’язку між атомами Карбону відбувається за кімнатної температури. Алкени окиснюються з руйнуванням однієї зі складових подвійного зв’язку в молекулах. Таке окиснення називають частковим.

Окиснення відбувається, наприклад, з калій перманганатом КМnO₄, розчиненим у воді (розчин має фіолетове забарвлення). Під час пропускання етену або іншого газоподібного алкену в розчин цієї солі фіалковий колір зникає і з’являється бурий осад MnO₂. У результаті реакції утворюється двохатомний спирт:

СН₂ = СН₂  + [О] ^кат.→ СН₂ – СН₂

                                       |           |

                                      ОН      ОН

                                      1,2-етандіол (етиленгліколь)

 

(Умовним записом [O] в органічній хімії часто замінюють формулу окисника.)

За допомогою цієї реакції, якісної, як і реакції за участю бромної води, можна відрізнити ненасичені органічні сполуки від насичених.

4. Реакції полімеризації.

Молекули етену (етилену) за певних умов можуть сполучатися в довгі ланцюги. У результаті такої взаємодії утворюється поліетилен. Цей процес можна розглядати як послідовне приєднання до молекули алкену інших молекул унаслідок розриву однієї зі складових подвійного зв’язку.

Загальна схема утворення поліетилену з етену:

n(СН₂ = СН₂) → (‑СН₂ – СН₂‑)_n

                            етилен                          поліетилен

                                  мономер             полімер

 

Отже, полімеризація – утворення високомолекулярних речовин з низькомолекулярних.

5. Ізомеризація алкенів.

Під час нагрівання в присутності каталізаторів (наприклад, алюміній оксиду А1₂О₃) алкени ізомеризуються, внаслідок чого або подвійний зв’язок переміщується, або карбон-карбоновий ланцюг розгалужується.

С – С – С – С → С – С – С

                                    |

                                   С

6. Добування етилену та застосування.

Етилен і його гомологи утворюються у процесі переробки нафтопродуктів за допомогою високотемпературного розкладу та в результаті термічного розщеплення насичених вуглеводнів (промислове добування).

         Алкани слугують сировиною для добування вуглеводнів різних типів. За певних умов від молекул алканів відщеплюються атоми Гідрогену й утворюються вуглеводні інших гомологічних рядів. Це ‑ реакції дегідрування.

У лабораторії етилен добувають при нагрівання етилового спирту з водовідбираючими речовинами (конц. Н₂SО₄).

         СН₃–СН₂ОН → СН₂ = СН₂ + H₂О

 

         Застосування. Етилен застосовують для добування етилового спирту, поліетилену. Він прискорює дозрівання плодів (помідорів, цитрусових) при введенні незначних кількостей його у повітря теплиць. Етилен та його гомологи використовують як хімічну сировину для синтезу багатьох органічних речовин.

        

7. Вплив вуглеводнів на організм людини та довкілля.

Алкени подразнюють слизові оболонки дихальних шляхів, порушують кровообіг, негативно впливають на нервову систему.

У моря й океани внаслідок аварій танкерів, руйнувань нафтовидобувних платформ потрапляють нафта і нафтопродукти. Це завдає серйозної шкоди живим організмам, що мешкають у воді, спричиняє забруднення прибережних територій. Розлиті нафту і нафтопродукти збирають з поверхні води спеціальними засобами, а на суходолі видаляють разом із шаром ґрунту. Викиди газоподібних вуглеводнів в атмосферу сприяють посиленню парникового ефекту.