Хімічні властивості всіх вуглеводнів. Будова, властивості та значення вуглеводнів

• а) у присутності каталізатора;
• б) при висвітленні суміші речовин?

• а) із граничними вуглеводнями;
• б) з ненасиченими вуглеводнями.

Характерні хімічні властивості вуглеводнів: алканів, алкенів, дієнів, алкінів, ароматичних вуглеводнів

Алкани

Алкани - вуглеводні, у молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками і відповідають загальній формулі $С_(n)Н_(2n+2)$.

Гомологічний ряд метану

Як ви вже знаєте, гомологи- Це речовини, подібні за будовою і властивостями і відрізняються на одну або більше груп СН_2 $.

Граничні вуглеводні становлять гомологічний ряд метану.

Ізомерія та номенклатура

Для алканів характерна так звана структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Як вам уже відомо, найпростіший алкан, для якого характерні структурні ізомери, це бутан:

Розглянемо докладніше для алканів основи номенклатури ІЮПАК:

1. Вибір головного кола.

Формування назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга — найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі, який є ніби її основою.

2.

Атомам головного ланцюга надають номери. Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, якого ближче стоїть заступник (структури А, Б). Якщо заступники знаходяться на рівній відстані від кінця ланцюга, то нумерація починається від того кінця, при якому їх більше (структура). Якщо різні заступники знаходяться на рівній відстані від кінців ланцюга, то нумерація починається з того кінця, до якого ближче старший (структура Г). Старшинство вуглеводневих заступників визначається за тим, в якому порядку слідує в алфавіті буква, з якої починається їх назва: метил (—$СН_3$), потім пропив ($—СН_2—СН_2—СН_3$), етил ($—СН_2—СН_3$ ) і т.д.

Зверніть увагу на те, що назва заступника формується заміною суфікса -анна суфікс -ілу назві відповідного алкану.

3. Формування назви.

На початку назви вказують цифри — номери атомів вуглецю, за яких знаходяться заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться кілька заступників, то відповідний номер у назві повторюється двічі через кому ($2.2-$). Після номера через дефіс вказують кількість заступників ( ді- два, три- три, тетра- чотири, пента- п'ять) та назва заступника ( метил, етил, пропив). Потім без прогалин і дефісів назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду метану ( метан, етан, пропан і т.д.).

Назви речовин, структурні формули яких наведені вище, такі:

- Структура А: $ 2 $ -метилпропан;

- Структура Б: $ 3 $ -етилгексан;

- Структура В: $ 2,2,4 $ -триметилпентан;

- Структура Г: $ 2 $ -метил$4$-етілгексан.

Фізичні та хімічні властивості алканів

Фізичні властивості.Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них — метан — газ без кольору, смаку та запаху (запах газу, відчувши який, треба дзвонити $104$, визначається запахом меркаптанів — сірковмісних сполук, що спеціально додаються до метану, що використовується в побутових та промислових газових приладах, для того, щоб люди , що знаходяться поряд з ними, могли за запахом визначити витік).

Вуглеводні складу від $С_5Н_(12)$ до $С_(15)Н_(32)$ - рідини; Найважчі вуглеводні - тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення алканів поступово збільшуються із зростанням довжини вуглецевого ланцюга. Усі вуглеводні погано розчиняються у воді, рідкі вуглеводні є поширеними органічними розчинниками.

Хімічні властивості.

1. Реакція заміщення.Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході якого атом водню заміщається на атом галогену або групу.

Наведемо рівняння найхарактерніших реакцій.

Галогенування:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

У разі надлишку галогену хлорування може піти далі, аж до повного заміщення всіх атомів водню на хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"дихлорметан(хлористий метилен)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"трихлорметан(хлороформ)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"тетрахлорметан(чотирьоххлористий вуглець)")$.

Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.

2. Дегідрування (відщеплення водню).У ході пропускання алканів над каталізатором ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при високій температурі ($400-600°С$) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:

$CH_3-CН_3→СH_2=CH_2+Н_2$

3. Реакції, що супроводжуються руйнуванням вуглецевого ланцюга.Усі граничні вуглеводні горятьз утворенням вуглекислого газу та води. Газоподібні вуглеводні, змішані з повітрям у певних співвідношеннях, можуть вибухати. Горіння граничних вуглеводнів - це вільнорадикальна екзотермічна реакція, яка має дуже велике значення при використанні алканів як паливо:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 кДж.$

У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати так:

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термічне розщеплення вуглеводнів:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Процес протікає за вільнорадикальним механізмом. Підвищення температури призводить до гомолітичного розриву вуглець-вуглецевого зв'язку та утворення вільних радикалів:

$R-CH_2CH_2:CH_2-R→R-CH_2CH_2·+·CH_2-R$.

Ці радикали взаємодіють між собою, обмінюючись атомом водню, з утворенням молекули алкану та молекули алкену:

$R-CH_2CH_2·+·CH_2-R→R-CH=CH_2+CH_3-R$.

Реакції термічного розщеплення лежать основу промислового процесу — крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.

При нагріванні метану до температури $1000°С починається піроліз метану — розкладання на прості речовини:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

При нагріванні до температури $1500°С$ можливе утворення ацетилену:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Ізомеризація.При нагріванні лінійних вуглеводнів з каталізатором ізомеризації (хлоридом алюмінію) відбувається утворення речовин із розгалуженим вуглецевим скелетом:

5. Ароматизація.Алкани з шістьма та більше вуглецевими атомами в ланцюгу в присутності каталізатора циклізуються з утворенням бензолу та його похідних:

У чому причина того, що алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом? Усі атоми вуглецю в молекулах алканів перебувають у стані $sp^3$-гібридизації. Молекули цих речовин побудовані за допомогою ковалентних неполярних $С-С$ (вуглець - вуглець) зв'язків та слабополярних $С-Н$ (вуглець - водень) зв'язків. Вони немає ділянок з підвищеною і зі зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, тобто. таких зв'язків, електронна щільність яких може зміщуватися під впливом зовнішніх чинників (електростатичних полів іонів). Отже, алкани нічого очікувати реагувати із зарядженими частинками, т.к. зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом.

Алкени

До ненасичених відносять вуглеводні, що містять в молекулах кратні зв'язки між атомами вуглецю. Ненасичені алкени, алкадієни (полієни), алкіни.Ненасиченим характером мають також циклічні вуглеводні, що містять подвійний зв'язок у циклі (циклоалкени), а також циклоалкани з невеликим числом атомів вуглецю в циклі (три або чотири атоми). Властивість ненасиченості пов'язана зі здатністю цих речовин вступати в реакції приєднання, насамперед водню, з утворенням граничних, або насичених, вуглеводнів - алканів.

Алкени — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один подвійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n)$.

Своя друга назва - олефіни- Алкени отримали за аналогією з жирними ненасиченими кислотами (олеїнова, лінолева), залишки яких входять до складу рідких жирів - масел (від лат. oleum- масло).

Гомологічний ряд етену

Нерозгалужені алкени складають гомологічний ряд етену (етилену):

$С_2Н_4$ — етен, $С_3Н_6$ — пропен, $С_4Н_8$ — бутен, $С_5Н_(10)$ — пентен, $С_6Н_(12)$ — гексен тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкенів, так само, як і для алканів, характерна структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Найпростіший алкен, для якого характерні структурні ізомери, - це бутен:

Особливим видом структурної ізомерії є ізомерія положення подвійного зв'язку:

$СН_3—(СН_2)↙(бутен-1)—СН=СН_2$ $СН_3—(СН=СН)↙(бутен-2)—СН_3$

Навколо одинарного вуглець-вуглецевого зв'язку можливе практично вільне обертання атомів вуглецю, тому молекули алканів можуть набувати найрізноманітнішої форми. Обертання навколо подвійного зв'язку неможливо, що призводить до появи у алкенів ще одного виду ізомерії - геометричної, або цис-транс ізомерії.

Цис-ізомери відрізняються від транс-ізомерів просторовим розташуванням фрагментів молекули (в даному випадку мітильних груп) щодо площини $π$-зв'язку, а отже, і властивостями.

Алкени ізомерні циклоалканам (міжкласова ізомерія), наприклад:

Номенклатура алкенів, розроблена ІЮПАК, схожа на номенклатуру алканів.

1. Вибір головного кола.

Утворення назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі. У разі алкенів головний ланцюг повинен містити подвійний зв'язок.

2. Нумерація атомів головного кола.

Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, до якого ближче перебуває подвійний зв'язок. Наприклад, правильна назва з'єднання:

$5$-метилгексен-$2$, а не $2$-метилгексен-$4$, як можна було б припустити.

Якщо за становищем подвійного зв'язку не можна визначити початок нумерації атомів у ланцюзі, його визначає положення заступників, як і граничних вуглеводнів.

3. Формування назви.

Назви алкенів формуються так само, як і назви алканів. Наприкінці назви вказують номер атома вуглецю, у якого починається подвійний зв'язок, і суфікс, що позначає належність з'єднання до класу алкенів. -Єн.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкенів

Фізичні властивості.Перші три представники гомологічного ряду алкенів - гази; речовини складу $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - рідини; вищі алкени – тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної маси сполук.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Нагадаємо, що відмінною рисою представників ненасичених вуглеводнів - алкенів є здатність вступати в реакції приєднання. Більшість цих реакцій протікає механізмом

1. Гідрування алкенів.Алкени здатні приєднувати водень у присутності каталізаторів гідрування, металів - платини, паладію, нікелю:

$CH_3-CH_2-CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.

Ця реакція протікає при атмосферному і підвищеному тиску і вимагає високої температури, т.к. є екзотермічною. При підвищенні температури на тих же каталізаторах може бути зворотна реакція — дегідрування.

2. Галогенування (приєднання галогенів).Взаємодія алкену з бромною водою або розчином брому в органічному розчиннику ($CCl_4$) призводить до швидкого знебарвлення цих розчинів в результаті приєднання молекули галогену до алкену та утворення дигалоген алканів:

$СН_2=СН_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(пропен)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-бромпропен)-CH_3$

Ця реакція підпорядковується правилу Марковнікова:

При приєднанні галогеноводороду до алкену водень приєднується до гидрированному атому вуглецю, тобто. атому, у якому перебуває більше атомів водню, а галоген — менш гидрированному.

Гідратація алкенів призводить до утворення спиртів. Наприклад, приєднання води до етену лежить в основі одного з промислових способів одержання етилового спирту:

$(CH_2)↙(етен)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(етанол)$

Зверніть увагу на те, що первинний спирт (з гідроксогрупою при первинному вуглеці) утворюється тільки при гідратації етену. При гідратації пропену чи інших алкенів утворюються вторинні спирти.

Ця реакція протікає також відповідно до правила Марковнікова - катіон водню приєднується до більш гідрованого атома вуглецю, а гідроксогрупа - до менш гідрованого.

5. Полімеризація.Особливим випадком приєднання є реакція полімеризації алкенів:

$nCH_2(=)↙(етен)CH_2(→)↖(УФ-світло,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(поліетилен)...)_n$

Ця реакція приєднання протікає вільнорадикальним механізмом.

6. Реакція окиснення.

Як і будь-які органічні сполуки, алкени горять у кисні з утворенням $СО_2$ і $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.

Загалом:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

На відміну від алканів, які є стійкими до окислення в розчинах, алкени легко окислюються під дією розчинів перманганату калію. У нейтральних або лужних розчинах відбувається окислення алкенів до діолів (двохатомних спиртів), причому гідроксильні групи приєднуються до тих атомів, між якими до окислення існував подвійний зв'язок:

Алкадієни (дієнові вуглеводні)

Алкадієни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, два подвійні зв'язки між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Залежно від взаємного розташування подвійних зв'язків розрізняють три види дієнів:

- алкадієни з кумульованимрозташуванням подвійних зв'язків:

- алкадієни з пов'язанимиподвійними зв'язками;

$ CH_2 = CH-CH = CH_2 $;

- алкадієни з ізольованимиподвійними зв'язками

$CH_2=CH-CH_2-CH=CH_2$.

Ці всі три види алкадієнів суттєво відрізняються один від одного за будовою та властивостями. Центральний атом вуглецю (атом, що утворює два подвійні зв'язки) в алкадієнах з кумульованими зв'язками знаходиться в стані $sp$-гібридизації. Він утворює два $σ$-зв'язку, що лежать на одній прямій і спрямовані в протилежні сторони, і два $π$-зв'язку, що лежать у перпендикулярних площинах. $π$-Зв'язки утворюються за рахунок негібридизованих р-орбіталей кожного атома вуглецю. Властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками дуже специфічні, т.к. пов'язані $π$-зв'язки істотно впливають один на одного.

р-орбіталі, що утворюють пов'язані $π$-зв'язку, становлять практично єдину систему (її називають $π$-системою), т.к. р-орбіталі сусідніх $π$-зв'язків частково перекриваються.

Ізомерія та номенклатура

Для алкадієнів характерна як структурна ізомерія, так і цис-, транс-ізомерія.

Структурна ізомерія.

— ізомерія вуглецевого скелета:

— ізомерія положення кратних зв'язків:

$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(бутадієн-1,2)$

Цис-, транс-ізомерія (просторова та геометрична)

Наприклад:

Алкадієни ізомерні сполукам класів алкінів та циклоалкенів.

Під час формування назви алкадієну вказують номери подвійних зв'язків. Головний ланцюг повинен обов'язково містити два кратні зв'язки.

Наприклад:

Фізичні та хімічні властивості алкадієнів

Фізичні властивості.

У звичайних умовах пропандієн-1,2, бутадієн-1,3 - гази, 2-метилбутадієн-1,3 - летюча рідина. Алкадієни з ізольованими подвійними зв'язками (найпростіший з них – пентадієн-1,4) – рідини. Вищі дієни – тверді речовини.

Хімічні властивості.

Хімічні властивості алкадієнів із ізольованими подвійними зв'язками мало відрізняються від властивостей алкенів. Алкадієни з пов'язаними зв'язками мають деякі особливості.

1. Реакція приєднання.Алкадієни здатні приєднувати водень, галогени, галогеноводи.

Особливістю приєднання до алкадієнів із сполученими зв'язками є здатність приєднувати молекули як у положеннях 1 та 2, так і у положеннях 1 та 4.

Співвідношення продуктів залежить від умов та способу проведення відповідних реакцій.

2.Реакція полімеризації.Найважливішим властивістю дієнів є здатність полімеризуватися під впливом катіонів або вільних радикалів. Полімеризація цих сполук є основою синтетичних каучуків:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(бутадієн-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"синтетичний бутадієновий каучук")$ .

Полімеризація сполучених дієнів протікає як 1,4-приєднання.

У цьому випадку подвійний зв'язок виявляється центральним у ланці, а елементарна ланка, у свою чергу, може приймати як цис-, так і транс-конфігурацію.

Алкіни

Алкіни — ациклічні вуглеводні, що містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, один потрійний зв'язок між атомами вуглецю та відповідні загальній формулі $С_(n)Н_(2n-2)$.

Гомологічний ряд

Нерозгалужені алкін складають гомологічний ряд етину (ацетилену):

$С_2Н_2$ — етин, $С_3Н_4$ — пропін, $С_4Н_6$ — бутин, $С_5Н_8$ — пентин, $С_6Н_(10)$ — гексин тощо.

Ізомерія та номенклатура

Для алкінів, так само як і для алкенів, характерна структурна ізомерія: ізомерія вуглецевого скелета та ізомерія положення кратного зв'язку. Найпростіший алкін, для якого характерні структурні ізомери положення кратного зв'язку класу алкінів, - це бутин:

$СН_3—(СН_2)↙(бутин-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(бутин-2)—СН_3$

Ізомерія вуглецевого скелета у алкінів можлива, починаючи з пентину:

Так як потрійний зв'язок передбачає лінійну будову вуглецевого ланцюга, геометрична ( цис-, транс-) ізомерія для алкінів неможлива.

Наявність потрійного зв'язку в молекулах вуглеводнів цього класу відбивається суфіксом -ін, А її становище в ланцюзі - номером атома вуглецю.

Наприклад:

Алкінам ізомерні сполуки деяких інших класів. Так, хімічну формулу $С_6Н_(10)$ мають гексин (алкін), гексадієн (алкадієн) та циклогексен (циклоалкен):

Фізичні та хімічні властивості алкінів

Фізичні властивості.Температури кипіння та плавлення алкінів, так само, як і алкенів, закономірно підвищуються зі збільшенням молекулярної маси сполук.

Алкіни мають специфічний запах. Вони краще розчиняються у воді, ніж алкани та алкени.

Хімічні властивості.

Реакція приєднання.Алкіни відносяться до ненасичених сполук і вступають в реакції приєднання. Здебільшого це реакції електрофільного приєднання.

1. Галогенування (приєднання молекули галогену).Алкін здатний приєднати дві молекули галогену (хлору, брому):

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-диброметан),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-тетраброметан)$

2. Гідрогалогенування (приєднання галогеноводороду).Реакція приєднання галогеноводороду, що протікає по електрофільному механізму, також йде у дві стадії, причому на обох стадіях виконується правило Марковникова:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-бромпропен),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-дибромпропан)$

3. Гідратація (приєднання води).Велике значення для промислового синтезу кетонів та альдегідів має реакція приєднання води (гідратація), яку називають реакцією Кучерова:

4. Гідрування алкінів.Алкіни приєднують водень у присутності металевих каталізаторів ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Оскільки потрійний зв'язок містить два реакційно здатні $π$-зв'язки, алкани приєднують водень східчасто:

1) трімеризація.

При пропущенні етину над активованим вугіллям утворюється суміш продуктів, одним з яких є бензол:

2) димеризація.

Крім тримеризації ацетилену, можлива його димеризація. Під дією солей одновалентної міді утворюється вінілацетилен:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"бутен-1-ін-3(вінілацетилен)")$

Ця речовина використовується для отримання хлоропрену:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(хлоропрен)=CH_2$

полімеризацією якого отримують хлоропреновий каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Окислення алкінів.

Етин (ацетилен) горить у кисні з виділенням дуже великої кількості теплоти:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600кДж$ На цій реакції заснована дія киснево-ацетиленового пальника, полум'я якого має дуже високу температуру (понад $3000°С$), що дозволяє використовувати її для різання та зварювання металів.

На повітрі ацетилен горить полум'ям, що коптить, т.к. вміст вуглецю в його молекулі вищий, ніж у молекулах етану та етену.

Алкіни, як і алкени, знебарвлюють підкислені розчини перманганату калію; при цьому відбувається руйнація кратного зв'язку.

Іонний (правило В. В. Марковникова) та радикальний механізм реакції в органічній хімії

Типи хімічних реакцій в органічній хімії

Реакції органічних речовин можна формально розділити на чотири основні типи: заміщення, приєднання, відщеплення (елімінування) та перегрупування (ізомеризації). Очевидно, що все різноманіття реакцій органічних сполук неможливо звести до запропонованої класифікації (наприклад, реакції горіння). Однак така класифікація допоможе встановити аналогії з вже знайомими вам з курсу неорганічної хімії реакціями між неорганічними речовинами.

Як правило, основну органічну сполуку, що бере участь у реакції, називають субстратом, а інший компонент реакції умовно розглядають як реагент.

Реакції заміщення

Реакції, у яких здійснюється заміна одного атома чи групи атомів у вихідній молекулі (субстраті) інші атоми чи групи атомів, називаються реакціями заміщення.

В реакції заміщення вступають граничні та ароматичні сполуки, такі як алкани, циклоалкани або арени.

Наведемо приклади таких реакцій.

Під дією світла атоми водню в молекулі метану здатні заміщатися на атоми галогену, наприклад, атоми хлору:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$

Іншим прикладом заміщення водню на галоген є перетворення бензолу на бромбензол:

Рівняння цієї реакції може бути записано інакше:

При цій формі запис реагенти, каталізатор, умови проведення реакції записують над стрілкою, а неорганічні продукти реакції - під нею.

Реакції приєднання

Реакції, у яких дві чи більше молекул реагуючих речовин з'єднуються до однієї, називають реакціями приєднання.

У реакції приєднання вступають ненасичені сполуки, такі як алкени або алкіни.

Залежно від того, яка молекула виступає як реагент, розрізняють гідрування (або відновлення), галогенування, гідрогалогенування, гідратацію та інші реакції приєднання. Кожна з них потребує певних умов.

1. Гідрування- Реакція приєднання молекули водню по кратному зв'язку:

$CH_3(-CH=)↙(\text"пропен")CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3(-CH_2-)↙(\text"пропан")-CH_3$

2.Гідрогалогенування- Реакція приєднання галогеноводороду (гідрохлорування):

$(CH_2=)↙(\text"етен")CH_2+HCl→CH_3(-CH_2-)↙(\text"хлоретан")-Cl$

3.Галогенування- Реакція приєднання галогену:

$(CH_2=)↙(\text"етен")CH_2+Cl_2→(CH_2Cl-CH_2Cl)↙(\text"1.2-дихлоретан")$

4. Полімеризація- особливий тип реакцій приєднання, в ході яких молекули речовини з невеликою молекулярною масою з'єднуються одна з одною з утворенням молекул речовини з дуже високою молекулярною масою. макромолекул.

Реакції полімеризації - це процеси з'єднання безлічі молекул низькомолекулярної речовини (мономіра) у великі молекули (макромолекули) полімеру.

Прикладом реакції полімеризації може бути отримання поліетилену з етилену (етену) під дією ультрафіолетового випромінювання та радикального ініціатора полімеризації $R:$

$(nCH_2=)↙(\text"етен")CH_2(→)↖(\text"УФ-світло,R")((...-CH_2-CH_2-...)_n)↙(\text" поліетилен")$

Найбільш характерний для органічних сполук ковалентний зв'язок утворюється при перекриванні атомних орбіталей та утворенні загальних електронних пар. Внаслідок цього утворюється загальна для двох атомів орбіталь, на якій знаходиться загальна електронна пара. При розриві зв'язку доля цих електронів може бути різною.

Типи реакційноздатних частинок в органічній хімії

Орбіталь з неспареним електроном, що належить одному атому, може перекриватися з орбіталлю іншого атома, де також знаходиться неспарений електрон. При цьому відбувається утворення ковалентного зв'язку з обмінного механізму:

$H + H→H:H,$ або $H-H$

Обмінний механізмУтворення ковалентного зв'язку реалізується в тому випадку, якщо загальна електронна пара утворюється з неспарених електронів, що належать різним атомам.

p align="justify"> Процесом, протилежним утворенню ковалентного зв'язку по обмінному механізму, є розрив зв'язку, при якому до кожного атома відходить по одному електрону. Внаслідок цього утворюються дві незаряджені частинки, що мають неспарені електрони:

Такі частки називаються вільними радикалами.

Вільні радикали- Атоми або групи атомів, що мають неспарені електрони.

Реакції, що протікають під дією та за участю вільних радикалів, називаються вільнорадикальними реакціями.

У курсі неорганічної хімії це реакції взаємодії водню із киснем, галогенами, реакції горіння. Зауважте, що реакції цього типу відрізняються високою швидкістю, виділенням великої кількості тепла.

Ковалентний зв'язок може утворитися і за донорно-акцепторним механізмом. Одна з орбіталей атома (або аніону), на якій знаходиться неподілена електронна пара, перекривається незаповненою орбіталлю іншого атома (або катіону), що має незаповнену орбіталь, при цьому формується ковалентний зв'язок, наприклад:

$H^(+)+(:O-H^(-))↙(\text"акцептор")→(H-O-H)↙(\text"донор")$

Розрив ковалентного зв'язку призводить до утворення позитивно та негативно заряджених частинок; оскільки в даному випадку обидва електрони із загальної електронної пари залишаються при одному з атомів, у другого атома виходить незаповнена орбіталь:

$R:|R=R:^(-)+R^(+)$

Розглянемо електролітичну дисоціацію кислот:

$H:|Cl=H^(+)+Cl^(-)$

Можна легко здогадатися, що частка, що має неподілену електронну пару $R:^(-)$, тобто негативно заряджений іон, буде притягуватися до позитивно заряджених атомів або атомів, на яких існує принаймні частковий або ефективний позитивний заряд. Частинки з неподіленими електронними парами називають нуклеофільними агентами (Nucleus- Ядро, позитивно заряджена частина атома), тобто «друзями» ядра, позитивного заряду.

Нуклеофіли ($Nu$)- аніони або молекули, що мають неподілену пару електронів, що взаємодіють з ділянками молекул, на яких зосереджено ефективний позитивний заряд.

Приклади нуклеофілів: $Cl^(-)$ (хлорид-іон), $ОН^(-)$ (гідроксид-аніон), $СН_3О^(-)$ (метоксид-аніон), $СН_3СОО^(-)$ ( ацетат-аніон).

Частинки, що мають незаповнену орбіталь, навпаки, прагнутимуть заповнити її і, отже, притягуватимуться до ділянок молекул, на яких присутня підвищена електронна щільність, негативний заряд, неподілена електронна пара. Вони є електрофілами, «друзями» електрона, негативного заряду чи частинок із підвищеною електронною щільністю.

Електрофіли— катіони або молекули, що мають незаповнену електронну орбіталь, що прагнуть заповнення її електронами, оскільки це призводить до більш вигідної електронної конфігурації атома.

Приклади електрофілів: $ NO_2 $ (нітрогрупа), - $ СООН $ (карбоксил), - $ СN $ (нітрильна група), - $ СОН $ (альдегідна група).

Не будь-яка частка із незаповненою орбіталлю є електрофілом. Так, наприклад, катіони лужних металів мають конфігурацію інертних газів і не прагнуть придбання електронів, оскільки мають низьку спорідненість до електрона. З цього можна зробити висновок, що, незважаючи на наявність у них незаповненої орбіталі, подібні частинки не будуть електрофілами.

Основні механізми перебігу реакцій

Ми виділили три основні типи реагуючих частинок – вільні радикали, електрофіли, нуклеофіли – і три відповідні їм типи механізму реакцій:

- Вільнорадикальні;

- Електрофільні;

- Нуклеофільні.

Крім класифікації реакцій на кшталт реагуючих частинок, в органічній хімії розрізняють чотири виду реакцій за принципом зміни складу молекул: приєднання, заміщення, відщеплення, або елімінування (від лат. eliminaue- видаляти, відщеплювати) та перегрупування. Так як приєднання та заміщення можуть відбуватися під дією всіх трьох типів реакційноздатних частинок, можна виділити кілька основних механізмів перебігу реакцій.

1.Вільнорадикальне заміщення:

$(CH_4)↙(\text"метан")+Br_2(→)↖(\text"УФ-світло")(CH_3Br)↙(\text"бромметан")+HBr$

2. Вільнорадикальне приєднання:

$nCH_2=CH_2(→)↖(\text"УФ-світло,R")(...-CH_2-CH_2-...)_n$

3. Електрофільне заміщення:

4. Електрофільне приєднання:

$CH_3-(CH=)↙(\text"пропен")CH_2+HBr(→)↖(\text"розчин")(CH_3-CHBr-CH_3)↙(\text"2-бромпропан")$

$СH_3(-C≡)↙(\text"пропін")CH+Cl_2(→)↖(\text"розчин")(CH_3-CCl=CHCl)↙(\text"1,2-дихлорпропен")$

5. Нуклеофільне приєднання:

Крім того, ми розглянемо реакції відщеплення, або елімінування, що йдуть під впливом нуклеофільних частинок – основ.

6. Елімінування:

$СH_3-CHBr-CH_3+NaOH(→)↖(\text"спиртовий розчин")CH_3-CH=CH_2+NaBr+H_2O$

Правило В. В. Марковнікова

Відмінною рисою алкенів (ненасичених вуглеводнів) є здатність вступати в реакції приєднання. Більшість цих реакцій протікає механізмом електрофільного приєднання.

Гідрогалогенування (приєднання галогеноводороду):

$CH_3(-CH-)↙(\text"пропен")CH_2+HBr→CH_3(-CHBr-CH_3)↙(\text"2-бромпропан")$

Ця реакція підпорядковується правилу В. В. Марковнікова:при приєднанні галогенводню до алкену водень приєднується до гидрированному атому вуглецю, тобто. атому, у якому перебуває більше атомів водню, а галоген — менш гидрированному.


 алкани, алкени, алкіни, арени - характеристика, використання, реакції

1) Алкани– це граничні вуглеводні, у молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками. Склад їх відбиває одна загальна формула: З n Н 2n+2 .

Фізичні властивостіалканів залежить від складу їх молекул, тобто. від відносної молекулярної маси. Зі збільшенням відносної молекулярної маси у алканів збільшується температура кипіння і щільність, а також змінюється агрегатний стан: перші чотири алкани – газоподібні речовини, наступні одинадцять – рідини, а починаючи з гексадекану – тверді речовини.

Основним хімічною властивістюграничних вуглеводнів, визначальним використання алканів як паливо, є реакція горіння.

Для алканів, як для граничних вуглеводнів, найбільш характерні реакції заміщення. Так атоми водню молекулі метану здатні послідовно заміщатися на атоми галогенів.

Нітрування

Алкани реагують з азотною кислотою або N 2 O 4 у газовій фазі з утворенням нітропохідних. Усі наявні дані свідчить про вільно радикальний механізм. Внаслідок реакції утворюються суміші продуктів.

Крекінг

При нагріванні вище 500°C алкани піддаються піролітичного розкладання з утворенням складної суміші продуктів, склад та співвідношення яких залежать від температури та часу реакції.

Отримання

Основним джерелом алканов є нафта і природний газ, які зазвичай зустрічаються разом.

Застосування

Газоподібні алкани використовуються як цінне паливо. Рідкі у свою чергу становлять значну частку в моторних та ракетних паливах.

2) Алкени– це ненасичені вуглеводні містять у молекулі, крім одинарних зв'язків, одну подвійну вуглець-вуглецевий зв'язок. Склад їх відображає формула: З n Н 2n.

Фізичні властивості

Температури плавлення та кипіння алкенів збільшуються з молекулярною масою та довжиною головного вуглецевого ланцюга. Алкени не розчиняються у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках.

Хімічні властивості

Алкени хімічно активні. Їхні хімічні властивості багато в чому визначаються наявністю подвійного зв'язку. Для алкенів найбільш типовими є реакції приєднання:

1) Водню, 2) Води, 3) Галогенів, 4) Галогенводнів.

Алкени легко вступають у реакції окислення, окислення алкенів може відбуватися залежно від умов і видів окислювальних реагентів як з розривом подвійного зв'язку, так і зі збереженням вуглецевого скелета.

Методи одержання алкенів

Основним промисловим методом отримання алкенів є каталітичний і високотемпературний крекінґвуглеводнів нафти та природного газу. Для нижчих алкенів використовують також реакцію дегідратації відповідних спиртів.

У лабораторній практиці зазвичай застосовують метод дегідратації спиртів у присутності сильних мінеральних кислот. У природі ациклічні алкени практично не зустрічаються. Найпростіший представник цього класу органічних сполук – етилен (C 2 H 4) – є гормоном для рослин та у незначній кількості в них синтезується.

Застосування

Алкени є найважливішою хімічною сировиною. Алкени застосовуються як вихідні продукти у виробництві полімерних матеріалів (пластмас, плівок) та інших органічних речовин. Найвищі алкени застосовують для отримання вищих спиртів.

3) Алкіни– це ненасичені вуглеводні, молекули яких містять, крім одинарних зв'язків, один потрійний вуглець-вуглецевий зв'язок. Склад відображає формула: З n Н 2n-2 .

Фізичні властивості

Алкіни за своїми фізичними властивостями нагадують відповідні алкени. Нижчі (до 4) - гази без кольору і запаху, мають вищі температури кипіння, ніж аналоги в алкенах. Алкіни погано розчиняються у воді, але краще - в органічних розчинниках. Наявність потрійного зв'язку в ланцюзі призводить до підвищення температури кипіння, щільності та розчинності їх у воді.

Хімічні властивості

Як і всі ненасичені сполуки, алкіни активно вступають у реакції приєднання: 1) галогенів, 2) водню, 3) галогенводнів, 4) води. Вступають в реакції окислення. Через наявність потрійного зв'язку схильні до реакцій полімеризації, які можуть протікати в декількох напрямках:

a) Під впливом комплексних солей міді відбувається димеризація та лінійна

Тримеризація ацетилену.

b)При нагріванні ацетилену в присутності активованого вугілля (реакція Зелінського) здійснюється циклічна тримеризація з утворенням бензолу.

Методи отримання

Основним промисловим способом отримання ацетилену є електро- або термокрекінг метану, піроліз природного газу і карбідний метод.

Застосування

Серйозне промислове значення має лише ацетилен, який є найважливішою хімічною сировиною. При горінні ацетилену в кисні температура полум'я досягає 3150°C, тому ацетилен використовують для різання та зварювання металів.

4) Арени- Ароматичні вуглеводні, що містять одне або кілька бензольних кілець.

Фізичні властивості

Як правило, ароматичні сполуки – тверді або рідкі речовини. Відрізняються високими показниками заломлення та поглинання. Нерозчинні у воді, але добре розчиняються у багатьох органічних рідинах. Вогненебезпечні, бензол є токсичним.

Хімічні властивості

Для ароматичних сполук характерні реакції заміщення атомів водню, пов'язаних із циклом. Можливі реакції приєднання та окислення, але проходять насилу, оскільки порушують ароматичність.

Методи отримання

Основними природними джерелами ароматичних вуглеців є

кам'яне вугілля та нафта. Тримеризація ацетилену та його гомологів над активованим вугіллям при 600 °C. Каталітичне дегідрування циклогексану та його похідних.

Застосування- Ароматичні вуглеводні, в першу чергу бензол, широко застосовуються в промисловості: як добавка до бензину, при виробництві розчинників, вибухових речовин, барвника аніліну, лікарських засобів.

10. Структура, риси та значущість derivátov uhlovodíkov

halové deriváty, nitrosloučeniny, aminosloučeniny, alkoholy a fenoly, aldehydy a ketony, karboxylové slúčeniny

10. Будова, властивості та значення похідних вуглеводнів

галогеноалкани, нітросполуки, аміносполуки, спирти та феноли, альдегіди та кетони, карбонові кислоти - характеристика, використання, реакції

1) Галогеналкани- органічні сполуки, що містять у своєму складі зв'язок «вуглець-галоген». У силу того, що атоми галогенів є більш електронегативними, ніж атом вуглецю, зв'язок С-Х поляризований таким чином, що атом галогену набуває часткового негативного заряду, а атом вуглецю - частковий позитивний. Більшість галогеноалканів у чистому вигляді є безбарвними сполуками. вуглецю, тим вище температури плавлення та кипіння. Якщо ж в одного атома вуглецю містяться 2 або 3 атоми галогену, то температура плавлення та кипіння такої сполуки, навпаки, знижуються. Характерні реакції - реакція Вюрца, нуклеофільне заміщення, елімінування, взаємодія з лужними та лужноземельними металами. Отримують галогеналкани шляхом хлорування алканів на світлі, гідрохлоруванням ненасичених вуглеців або отримують зі спиртів. тефлон; як холодоагентів.

2) Нітросполуки- органічні сполуки, що містять одну або кілька нітрогруп-NO 2 . Під нітросполуками зазвичай мають на увазі C-нітросполуки, в яких нітрогрупа пов'язана з атомом вуглецю. Всі нитросполуки є досить сильними отрутами для центральної нервової системи. Завдяки високої полярності нитросполуки можуть розчиняти такі речовини, які не розчиняються у звичайних розчинниках. Полінітросполуки зазвичай слабо забарвлені, вибухові при ударі детонації.

За хімічною поведінкою нітросполуки виявляють певну схожість із азотною кислотою. Ця схожість проявляється при окислювально-відновних реакціях: Відновлення нітросполук (Реакція Зініна), реакції конденсації, Таутомерія (явище зворотної ізомерії) нітросполук.

Нітросполуки широко застосовуються в органічному синтезі для отримання різних речовин, що використовуються у виробництві барвників та лікарських засобів. Деякі з нітросполук застосовуються як протигрибкові та протимікробні засоби. Полінітропохідні – тротил, пікринова кислота та її солі – використовуються як вибухові речовини.

4)Аміносполуки– це органічні сполуки, що є похідними аміаку, в молекулі якого один, два або три атоми водню заміщені на вуглеводневий радикал. Аміни класифікуються за двома структурними ознаками: 1) За кількістю радикалів, пов'язаних з атомом азоту, розрізняють первинні, вторинні та третинні аміни. 2) За характером вуглеводневого радикалу аміни поділяються на аліфатичні, ароматичні та змішані.

Метиламін, диметиламін і триметиламін - гази, середні члени аліфатичного ряду - рідини, вищі - тверді речовини. Подібно до аміаку, нижчі аміни чудово розчиняються вводі, утворюючи лужні розчини. З підвищенням молекулярної ваги розчинність амінів у воді погіршується. Запах амінів нагадує запах аміаку, вищі аміни практично позбавлені запаху. Температури співу первинних амінів значно нижчі, ніж у відповідних спиртів.

Аміни жирного ряду, подібно до аміаку, здатні з'єднуватися з кислотами, навіть з такими слабкими, як вугільна кислота, і дають при цьому відповідні солі заміщених амонієвих основ. Дія азотистої кислоти на аміни є їхньою характерною реакцією, що дозволяє розрізнити первинні, вторинні та третинні аміни.

Ацилювання. При нагріванні з карбоновими кислотами, їх ангідридами, хлорангідридами або складними ефірами первинні та вторинні аміни ацилюються з утворенням N-заміщених амідів. для органічного синтезу

5) Спирти- органічні сполуки, що містять одну або більше гідроксильних груп. За кількістю гідроксильних груп, що містяться в молекулі, спирти поділяються на одноатомні двоатомні, трихатомні та багатоатомні. .Молекули спиртів, подібні до молекули води, проте спирти мають значно вищі температури плавлення і кипіння. Характерні для цього класу сполук властивості обумовлені наявністю гідроксильної групи. Спирти взаємодіють з: лужними та лужноземельними металами, з галогенводнями та

з органічними та неорганічними кислотами з утворенням складних ефірів. Також бувають реакції міжмолекулярної дегідратації спиртів, дегідрування та реакції окиснення спиртів. Спирти поширені у природі як у вільному вигляді, і у складі складних ефірів. Спирти можуть бути отримані з різних класів сполук, таких як вуглеводні, галогеналкани, аміни ікарбонільні сполуки. В основному, всі методи зводяться до реакцій окислення, відновлення, приєднання та заміщення. У промисловості спирти одержують за допомогою хімічних методів або біохімічних методів виробництва. Області використання спиртів численні та різноманітні, особливо враховуючи найширший спектр сполук, що належать до цього класу. Спирти використовують як розчинники та очищувачі, етиловий спирт є основою алкогольної продукції, також широко використовуються в парфумерній промисловості та багатьох інших сферах.

6) Феноли- Це органічні сполуки, в молекулах яких радикал феніл пов'язаний з однією або декількома гідроксильними групами. За кількістю ОН-груп розрізняють одноатомні та багатоатомні феноли. Більшість одноатомних фенолів за нормальних умов є безбарвними кристалічними речовинами з невисокою температурою плавлення і характерним запахом. Феноли малорозчинні у воді, добре розчиняються в органічних розчинниках, токсичні, при зберіганні на повітрі поступово темніють внаслідок окислення. У фенолу яскраво виражені кислотні властивості. Це з тим, що вільна електронна пара кисню у фенолі відтягнута до ядру. При взаємодії фенолу із лугами утворюються солі – феноляти. За рахунок гідроксильної групи фенол взаємодіятиме з лужними металами.

За участю бензольного кільця протікають також реакції заміщення та приєднання.

Феноли у значних кількостях містяться кам'яновугільній смолі. Фенол отримують також сплавленням натрієвої солі бензолсульфокислоти з їдким натром.

Фенол використовується у виробництві пластичних мас, пікринової кислоти, барвників, засобів для боротьби з комахами. Всі феноли мають бактерицидну дію, тому вони застосовуються як дезінфікуючі засоби в медицині та ветеринарії.

Альдегіди та кетони

Альдегіди– це органічні сполуки, молекули яких містять карбоксильну групу, пов'язану з атомом водню та вуглеводневим радикалом.

Кетони– це органічні речовини, молекули яких містять карбонільну групу, поєднану з двома вуглеводневими радикалами.

Оскільки альдегіди і кетони – полярні сполуки, вони мають вищі температури кипіння, ніж неполярні, проте нижче, ніж у спиртів, що свідчить про відсутність молекулярної асоціації. Добре розчиняються у воді, проте зі збільшенням розміру молекул розчинність різко зменшується. Вищі альдегіди і кетони мають приємний запах, середні гомологи ряду альдегідів мають стійкий характерний запах, нижчі альдегіди мають різкий неприємний запах. Для альдегідів і кетонів характерні реакції приєднання по подвійному зв'язку. Крім реакції приєднання по карбонільній групі, для альдегідів характерні також реакції за участю альфа-атомів водню, сусідніх з карбонільною групою. Їхня реакційна здатність пов'язана з електроноакцепторним впливом карбонільної групи, що проявляється у підвищеній полярності зв'язку. Це призводить до того, що альдегіди, на відміну кетонів, легко окислюються. Їхня взаємодія з аміачним розчином оксиду срібла є якісною реакцією на альдегіди. Загальним способом отримання альдегідів і кетонів є окислення спиртів на мідному каталізаторі. У промисловості альдегіди та кетони отримують дегідрування спиртів. У промисловості кетони використовують як розчинники, фармацевтичні препарати та для виготовлення різних полімерів. З усіх альдегідів найбільше виробляється формальдегіду. Він, переважно, використовується у виробництві смол. Також із нього синтезують лікарські засоби використовують як консервант біологічних препаратів.

8) Карбонові кислоти– це органічні сполуки, молекули яких містять карбоксильну групу -СООН, пов'язану з вуглеводневим радикалом. Хороша розчинність у воді, але зі збільшенням вуглеводневого радикалу погіршується. Нижчі члени гомологічного ряду за звичайних умов є рідини, що мають характерний гострий запах. Середні представники цього гомологічного ряду – в'язкі рідини; починаючи з 10 - тверді речовини. Карбоксильна група влаштована таким чином, що молекула досить легко може відщеплювати водень - виявляти властивості кислоти. Карбонові кислоти реагують з металами та їх сполуками, витісняють слабші кислоти з їх солей, взаємодіють з основними та амфотерними оксидами та гідроксидами, а також беруть участь у реакції етерифікації. Карбонові кислоти отримують шляхом окислення альдегідів та спиртів та гідролізом складних ефірів. Мурашину кислоту застосовують у медицині, оцтова кислота застосовується в харчовій промисловості, а також використовується як розчинник.

11. Makromolekulárнi лiки, що vznikають polymerací, polykondenzací a polyadicí

будівельна a strukturna jednotka

риси makromolekulárníх

polymery, polyestery, polyamidy, fenoplasty, aminoplasty, polyuretany

Алкани

Граничні вуглеводні - алкани- вступають у реакції заміщення і вступають у реакції приєднання. Тоді як майже всім ненасичених з'єднань, тобто. речовин, що містять подвійні та потрійні зв'язки, цей тип реакцій є найбільш характерним.

1. Реакції заміщення

а) Галогенування:

Де hv – формула кванта світла хлорметан

При достатній кількості хлору реакція продовжується далі і призводить до утворення суміші продуктів заміщення двох, трьох та чотирьох атомів водню:

Реакція галогенування алканів протікає за радикальним ланцюговим механізмом, тобто. як ланцюг послідовних перетворень за участю вільно-радикальних частинок.

Розглянемо механізм радикального заміщення з прикладу монохлорування метану:

Стадія 1 - зародження ланцюга- Поява в зоні реакції вільних радикалів. Під дією світлової енергії гомолітично руйнується зв'язок у молекулі Cl: Сl на два атоми хлору з неспареними електронами (вільні радикали):

Стадія 2 - зростання (розвиток) ланцюга. Вільні радикали, взаємодіючи з молекулами, породжують нові радикали та розвивають ланцюг перетворень:

Стадія 3 - обрив ланцюга. Радикали, з'єднуючись один з одним, утворюють молекули і обривають ланцюг перетворень:

При хлоруванні або бромуванні алкану з вторинними або третинними атомами вуглецю найлегше йде заміщення водню у третинного атома, складніше у вторинного і набагато складніше у первинного. Це пояснюється більшою стійкістю третинних та вторинних вуглеводневих радикалів у порівнянні з первинними внаслідок ділалізації неспареного електрона. Тому, наприклад, при хлоруванні пропану основним продуктом реакції є 2-хлорпропан:

б) Нітрування алканів (реакція Коновалова)

На алкани впливають розведеною азотною кислотою при нагріванні (140-150 ° С) та тиску. В результаті відбувається заміщення атома водню на залишок азотної кислоти - нітрогрупу NO2. Цю реакцію називають реакцією нітрування, а продукти реакції – нітросполуками.

Схема реакції:

2. Реакції окиснення

а) всі алкани горять з утворенням вуглекислого газу та води:

б) часткове окислення алканів при відносно невисокій температурі та із застосуванням каталізаторів супроводжується розривом тільки частини зв'язків С-С та С-Н:

В результаті реакцій окислення, залежно від будови алкану, можуть бути отримані інші речовини: кетони, альдегіди, спирти.

3. Реакції ізомеризації(за участю каталізатора АlСl 3):

4. Реакції розкладання:

Циклоалкани

Хімічні властивості циклоалканів багато в чому залежить від числа атомів вуглецю в циклі. Три-і чотиричленні цикли ( малі цикли), будучи насиченими, проте різко відрізняються від решти граничних вуглеводнів. Валентні кути в циклопропані і циклобутані значно менше нормального тетраедричного кута 109°28", властивого sр 3 -гібридизованого атома вуглецю. Це призводить до великої напруженості таких циклів і їх прагнення до розкриття під дією реагентів. Тому циклопропан, циклобутан і їх реакції приєднаннявиявляючи характер ненасичених сполук. Легкість реакцій приєднання зменшується із зменшенням напруженості циклу в ряді:

циклопропан > циклобутан >> циклопентан.

Найбільш стійкими є 6-члені цикли, у яких відсутні кутове та інші види напруги.

Малі цикли(З 3 -З 4) досить легко вступають у реакції гідрування:

Циклопропан та його похідні приєднують галогени та галогеноводороди:

Для циклоалканов (З 5 і від) внаслідок їх більшої стійкості характерні реакції, у яких зберігається циклічна структура, тобто. реакції заміщення.

Хлоруванняциклогексану йде за ланцюговим механізмом (подібно до заміщення в алканах):

Ці сполуки, подібно до алканів, вступають також у реакції дегідрування в присутності каталізатора та ін.

Дегідруванняциклогексану та його алкільних похідних:

Алкени

Алкени відносяться до ненасичених вуглеводнів. В їх молекулах є один подвійний зв'язок (σ-зв'язок і π-зв'язок). Саме з розривом слабшого π-зв'язку і протікають реакції приєднання.

Алкени вступають у різноманітні реакції приєднання. Як реагенти можуть виступати молекули водню ( реакція гідрування), галогенів ( реакція галогенування), галогеноводородів ( реакція гідрогалогенування), води ( реакція гідратації). За рахунок розриву π-зв'язку протікає реакція полімеризації. У загальному вигляді схеми зазначених процесів можна записати в такий спосіб.

Розглянемо механізм реакції гідратації, що відбувається у присутності мінеральних кислот механізму електрофільного приєднання 1:

При взаємодії несиметричних алкенів із молекулами галогеноводородів чи води дотримується правило В.В. Марковнікова: приєднання атома водню до молекули несиметричного алкену відбувається переважно до більш гідрогенізованого атома вуглецю (вже з'єднаного з великою кількістю атомів водню).

Різновидом реакції приєднання є реакція полімеризації, в ході якої відбувається утворення високомолекулярної сполуки (полімеру) шляхом послідовного приєднання молекул низькомолекулярної речовини (мономіра) за схемою:

Число n у формулі полімеру (М n) називається ступенем полімеризації. Реакції полімеризації алкенів йдуть за рахунок приєднання кратних зв'язків:

Алкени вступають у реакції окислення, наприклад перманганатом калію.

У нейтральному та кислому середовищі реакції йдуть по-різному.

Алкадієни (дієни)

Властивості алкадієнів (дієнів) аналогічні властивостям алкенів. Головна відмінність у тому властивостях пов'язані з наявністю двох подвійних зв'язків у молекулах, причому значної ролі грає саме їх розташування. Найбільший інтерес становлять сполучені алкадієни (тобто ті, що мають пов'язаніподвійні зв'язки (розділені одним σ-зв'язком). Вони відрізняються характерними властивостями, обумовленими електронною будовою молекул, а саме безперервною послідовністю чотирьох sp 2 -атомів вуглецю, наприклад, бутадієн-1,3: СН 2 = СН - СН = СН 2

Розглянемо хімічні властивості дієнів.

1. Гідрування

При гидрировании бутадієну-1,3 виходить бутен-2, тобто. відбувається 1,4-приєднання. При цьому подвійні зв'язки розриваються, до крайніх атомів вуглецю 1 і 4 приєднуються атоми водню, а вільні валентності утворюють подвійний зв'язок між атомами 2 і 3:

У присутності каталізатора Ni виходить продукт повного гідрування:

2. Галогенування- відбувається аналогічно реакції гідрування. Переважно атоми галогенів приєднуються до першого та четвертого атомів вуглецю (приєднання-1,4):

Як побічний процес протікає 1,2-приєднання:

При надлишку хлору приєднується ще одна його молекула за місцем подвійного зв'язку з утворенням 1,2,3,4-тетрахлорбутана.

Приєднання галогенів, галогенів, води та інших полярних реагентів відбувається за електрофільним механізмом (як в алкенах).

До реакцій приєднання відносяться реакції полімеризаціїхарактерні для дієнів. Цей процес має важливе значення у виробництві синтетичних каучуків.

Полімеризація 1,3-дієн може протікати або за типом 1,4-приєднання, або за змішаним типом 1,2- і 1,4-приєднання. Напрямок приєднання залежить від умов проведення реакції.

Перший синтетичний каучук, отриманий методом С.В. Лебедєва при полімеризації дивінілу під дією металевого натрію, являв собою полімер нерегулярної будови зі змішаним типом ланок 1,2- та 1,4-приєднання:

Алкіни

Основним типом реакції для алкінів, як і алкенів і дієнів, є реакція приєднання.

1. Гідрування

У присутності металевих каталізаторів (Pt, Ni) алкіни приєднують водень (розривається перший π-зв'язок) з утворенням алкенів, а потім розривається другий π-зв'язок, і утворюються алкани:

При використанні інших (менш активних каталізаторів) гідрування зупиняється на стадії утворення алкенів.

2. Галогенування

Електрофільне приєднання галогенів до алкінів протікає повільніше, ніж для алкенів (перший π-зв'язок розривається важче, ніж другий):

Алкіни знебарвлюють бромну воду (якісна реакція).

3. Гідрогалогенування

Приєднання галогеноводородів до амінів також йде електрофільним механізмом. Продукти приєднання до несиметричних алкін визначаються правилом В.В. Марковнікова:

Гідрохлорування ацетилену використовується в одному з промислових способів одержання вінілхлориду:

Вінілхлорид є вихідною речовиною (мономером) у виробництві полівінілхлориду (ПВХ).

4. Гідратація (реакція Кучерова)

Приєднання води до алкінів відбувається в присутності каталізатора солі ртуті (II) і йде через утворення нестійкого ненасиченого спирту, який ізомеризується в оцтовий альдегід (у разі ацетилену):

або в кетон (у разі інших алкінів):

5. Полімеризація

а) Димеризація під дією водно-аміачного розчину CuCl:

б) Тримеризація ацетилену над активованим вугіллям призводить до утворення бензолу (реакція Зелінського):

6. Кислотні властивості ацетилену

Ацетилен та його гомологи з кінцевим потрійним зв'язком R-С ≡ С-Н (алкіни-1) внаслідок полярності зв'язку C(sp)-Н виявляють слабкі кислотні властивості: атоми водню можуть заміщуватися атомами металу. При цьому утворюються солі - ацетиленіди:

Ацетиленіди лужних та лужноземельних металів використовуються для отримання гомологів ацетилену.

При взаємодії ацетилену (або R-С ≡ С-Н) з аміачними розчинами оксиду срібла або хлориду міді(I) випадають опади нерозчинних ацетиленідів:

7. Окислення алкінів

Ацетилен і його гомологи легко окислюються різними окислювачами (перманганатом калію в кислому та лужному середовищі, дихроматом калію в кислому середовищі та ін.). Будова продуктів окислення залежить від природи окислювача та умов проведення реакцій.

Наприклад, при окисленні ацетилену в лужному середовищі утворюється оксалат:

При жорсткомуокиснення (нагрівання, концентровані розчини, кисле середовище) відбувається розщеплення вуглецевого скелета молекули алкіну по потрійному зв'язку і утворюються карбонові кислоти:

Алкіни знебарвлюють розведений розчин перманганату калію, що використовується для доказу їхньої ненасиченості. У цих умовах відбувається м'якеокислення без розриву σ-зв'язку С-С (руйнуються тільки π-зв'язки). Наприклад, при взаємодії ацетилену з розведеним розчином КМnO 4 при кімнатній температурі можливі такі перетворення з утворенням щавлевої кислоти НООС-СООН:

При згорянні алкінів відбувається їх повне окисленнядо СO 2 та Н 2 O. Горіння ацетилену супроводжується виділенням великої кількості теплоти:

Якісною реакцією на ненасичені вуглеводні служить знебарвлення бромної води та розчину перманганату калію (див. розділ 4).

Відеоурок 2: Циклоалкани: Хімічні властивості

Відеоурок 3: Алкени: Хімічні властивості

Відеоурок 4: Алкадієни (дієни): Хімічні властивості

Відеоурок 5: Алкіни: Хімічні властивості

Лекція: Характерні хімічні властивості вуглеводнів: алканів, циклоалканів, алкенів, дієнів, алкінів, ароматичних вуглеводнів

Хімічні властивості алканів та циклоалканів

Алкани – нециклічні вуглеводні. Атоми вуглецю в цих сполуках мають sp 3 -гібридизацію. У молекулах даних вуглеводнях всі атоми вуглецю пов'язані лише одинарними неполярними та малополярними С-З зв'язками. Перекриття орбіталей відбувається по осі, що з'єднує ядра атомів. Це σ-зв'язки. Ці органічні сполуки містять максимальну кількість атомів водню, тому їх називають граничними (насиченими). Через насиченість, алкани не здатні вступати в реакції приєднання. Оскільки атоми вуглецю і водню мають схожі електронегативності, цей чинник призводить до того, що зв'язку С-Н у молекулах малополярны. Через це, для алканів притаманні реакції, що проходять за участю вільних радикалів.

1. Реакція заміщення. Як було сказано, це найбільш характерні для алканів реакції. У таких реакціях відбувається розрив зв'язків вуглець-водень. Розглянемо деякі види реакцій заміщення:

Галогенування. Алкани реагують з галогенами (хлором та бромом) при впливі ультрафіолетового світла або сильному нагріванні. Наприклад: CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl.При надмірному вмісті галогену реакція продовжується доутворення суміші галогенпохідних різного ступеня заміщення атомів водню: моно-, ди-три-і т.д. Наприклад, реакція утворення дихлорметану (хлористого метилену): CH 3 Cl + Cl 2 → HCl + CH 2 Cl 2 .

Нітрування (реакція Коновалова). При нагріванні та тиску алкани реагують з розведеною азотною кислотою. Згодом атом водню заміщається на нітрогрупу NO 2 і утворюється нітроалкан. Загальний вигляд цієї реакції: R-H + HO-NO 2 → R-NO 2 + H 2 O. Де R-H - алкан, R- NO 2 - Нітроалкан.

2. Реакція окислення. У звичайних умовах алкани не реагують із сильними окислювачами (конц. сірчаної та азотної кислотами, перманганатом калію КMnО 4 і дихроматом калію До 2 Cr 2 Про 7).

Для отримання енергії широко застосовуються реакції горіння алканів:

а) При повному згоранні при надлишку кисню утворюються вуглекислий газ і вода: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

б) Часткове згоряння за нестачі кисню: CH 4 + O 2 → C + 2H 2 O. Ця реакція використовується в промисловості для отримання сажі.

Нагрівання алканів з киснем (~200 про З) з допомогою каталізаторів призводить до розриву частини зв'язків З–З і С–Н. В результаті утворюються альдегіди, кетони, спирти, карбонові кислоти. Наприклад, при неповному окисленні бутану одержують оцтову кислоту: CH 3 -CH 2 -/-CH 2 -CH 3 + 3O 2 → 2CH 3 СООН + 2Н 2 О.

Важливе значення має реакція метану та водяної пари з утворенням суміші газів оксиду вуглецю (II) з воднем. Протікає при t 800 0 C: CH 4+ Н 2 Про → 3Н 2 +ЗІ. Ця реакція також дозволяє отримати різні вуглеводні.

3. Термічні перетворення алканів. Нагрівання алканів без доступу повітря до високих t призводить до розриву зв'язку С-С. До цього типу реакцій відносяться крекінг та ізомеризація, що використовуються для переробки нафти. Також до цих реакцій відноситься дегідрування, необхідне отримання алкенів, алкадієнів і ароматичних вуглеводнів.

Результатом крекінгу стає розрив вуглецевого скелета молекул алканів. Загальний вид крекінгу алканів при t 450-700 0 C: C n H 2n+2 → C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k.При нагріванні до 1000 0 С метан розкладається до простих речовин: CH 4 → З + 2 Н 2 . Ця реакція називається піролізом метану.При нагріванні метану до 1500 0 С утворюється ацетилен: 2 CH 4 → C 2 H 2 + 3 Н 2 .

Ізомеризація. Якщо при крекінгу використовувати каталізатор хлорид алюмінію алкани з нормальним ланцюгом перетворюються на алкани з розгалуженим ланцюгом:

дегідрування, тобто. відщеплення водню відбувається у присутності каталізаторів і при t 400-600 0 С. В результаті зв'язок С-Н розривається, утворюється алкен: CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2або алкадієн: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → СН 2 = СН-СН = СН 2 + 2H 2 .

Хімічні властивості циклоалканів з числом атомів вуглецю в циклах більше чотирьох практично схожі на властивості алканів. Однак для циклопропану та циклобутану характерні реакції приєднання. Це пояснюється великою напругою всередині циклу, що призводить до прагнення циклів до розриву та розкриття. Так циклопропан і циклобутан легко приєднують бром, водень чи хлороводень. Наприклад:

Хімічні властивості алкенів

1. Реакція приєднання. Алкени - активні сполуки, тому щоподвійний зв'язок у їх молекулах складається з однієї міцної сигма-і однієї слабкої пи-зв'язку. У реакції приєднання алкени часто вступають навіть на холоді, водних розчинах і органічних розчинниках.

Гідрування, тобто. приєднання водню можливе у присутності каталізаторів: CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3 . Для дегідрування алканів до алкенів застосовують ті ж каталізатори. Але процес дегідрування проходитиме при вищій t і меншому тиску.

Галогенування. Легко виникають реакції алкенів з бромом у водному розчині та органічних розчинниках. В результаті жовті розчини брому втрачають своє забарвлення, тобто знебарвлюються: СН 2 = СН 2 + Br 2 → CH 2 Br- CH 2 Br.

Гідрогалогенування. Приєднання молекули галогеноводу до молекули несиметричного алкену призводить до суміші двох ізомерів. За відсутності специфічних умов приєднання відбувається селективно, за правилом В.В. Марковнікова. Існує наступна закономірність приєднання: водень приєднується до атома вуглецю, у якого більше атомів водню, а галоген - до атома вуглецю з меншим числом атомів водню: СН2 = СН-СН3 + HBr → СН3-СНBr-СН3.Утворився 2-бромпропан.

Гідратація алкенів призводить до утворення спиртів. Так як приєднання води до молекули алкену відбувається згідно з правилом Марковникова, утворення первинного спирту можливе лише при гідратації етилену: CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 - CH 2 - OH.

Полімеризація протікає за вільно-радикальним механізмом: nCH 2 =CH 2 → ( - CH 2 - CH 2 -)n. Утворився поліетилен.

2. Реакція окислення. Алкени, доак і всі інші вуглеводні згоряють у кисні. Рівняння горіння алкенів у надлишку кисню має вигляд: C n H 2n+2 + O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O. Утворилися вуглекислий газ та вода.

Алкени досить легко окислюються. При дії на алкени водного розчину KMnO 4 відбувається знебарвлення.

Окислення алкенів перманганатом калію в нейтральному або слаболужному розчині утворює діоли: C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH(Охолодження).

У кислому середовищі проходить повний розрив подвійного зв'язку з подальшим перетворення атомів вуглецю, що утворювали подвійний зв'язок у карбоксильні групи: 5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K2SO 4 + 17H 2 O(Нагрівання).

Коли подвійна З=З зв'язок розташовується наприкінці молекули алкену, як продукт окислення крайнього вуглецевого атома при подвійного зв'язку виступатиме вуглекислий газ. Цей процес пов'язаний з тим, що проміжний продукт окислення, а саме мурашина кислота, досить просто окислюється в надлишку окислювача: 5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O(Нагрівання).

Хімічні властивості алкінів

Алкін - ненасичені вуглеводні, що вступають в реакції приєднання.

Галогенування алкінів призводить до приєднання їх молекул як до однієї, так і двох молекул галогену. Це пояснюється наявністю в потрійному зв'язку молекул алкінів одного міцного сигма-зв'язку та двох неміцних пі-зв'язків. Приєднання однією молекулою алкіну двох молекул галогену протікає електрофільним механізмом послідовно, у дві стадії.

Гідрогалогенування також протікає по електрофільному механізму та у дві стадії. В обох стадіях приєднання молекул галогеноводу відповідає правилу Марковникова.

Гідратація відбувається за участю солей ртуті в кислому середовищі і називається реакцією Кучерова:

Гідрування (реакція з воднем) алкінів відбувається у дві фази. Як каталізатори застосовують такі метали, як платина, паладій, нікель.

Тримеризація алкінів, наприклад ацетилену. Якщо пропустити цю речовину над активованим вугіллям при високій t утворюється суміш різних продуктів, основним з яких є бензол:

Димеризація алкінів протікає у присутності солей міді як каталізаторів: HC≡CH + HC≡CH → H2C=CH - C ≡CH

Окислення алкінів: З n H 2n-2 + (3n+1)/2 O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O.

• Алкіни з потрійною C≡C на кінці молекули взаємодіють із основами. Наприклад, реакція ацетилену з амідом натрію в рідкому аміаку: HC≡CH + NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 . Реакція з аміачним розчином оксиду срібла утворює ацетиленіди (нерозчинні солеподібні речовини). Дану реакцію проводять якщо необхідно розпізнати алкіни з кінцевим потрійним зв'язком або виділити такий алкін із суміші з іншими алкінами. Усі ацетиленіди срібла та міді є вибухонебезпечними речовинами. Ацетиленіди здатні реагувати з галогенпохідними. Ця можливість використовується для синтезу складніших органічних сполук з потрійним зв'язком: СН 3 -C≡CН + NaNН 2 → СН 3 -C≡CNa + NН 3 ; СН 3 -C≡CNa + CH 3 Br → СН 3 -C≡C-СН 3 + NaBr.

Хімічні властивості дієнів

За своїми хімічними властивостями алкадієни схожі на алкени. Але є деякі особливості:

• Галогенування. Алкадієни здатні приєднуватися з воднем, галогенами та галогеноводородами в положеннях 1,2-приєднання: CH 2 =CH -CH = CH 2 + Br 2 → CH 2 =CH -CH Br- CH 2 Br

а також 1,4-приєднання: CH 2 =CH -CH = CH 2 + Br 2 → Br CH 2 - CH =CH - CH 2 Br

• Полімеризація: nCH 2 =CH-CH=CH 2 t,Na→ (-CH 2 -CH=CH-CH 2 -) n . Так одержують синтетичний каучук.

Хімічні властивості ароматичних вуглеводнів (аренів)