Органічні сполуки, що містять пі-зв’язок – це неграничні вуглеводні. Вони є похідними алканів, в молекулах яких відбулося відщеплення двох атомів водню. Утворилися вільні валентності формують новий тип зв’язку, яка розташовується перпендикулярно площині молекули. Так виникає нова група з’єднань – алкени. Фізичні властивості, отримання та застосування речовин цього класу у побуті та промисловості ми розглянемо в цій статті.
Гомологічний ряд етилену
Загальна формула всіх з’єднань, званих алкенами, що відображає їх якісний і кількісний склад, – це c n h 2n. Назви вуглеводнів за систематичною номенклатурою мають наступний вигляд: в терміні відповідного алкана змінюється суфікс-ан на -ен, наприклад: етан – этен, пропан – пропен і т. д. В деяких джерелах можна зустріти ще одну назву сполук цього класу – олефіни. Далі ми вивчимо процес утворення подвійного зв’язку і фізичні властивості алкенів, а також визначимо їх залежність від будови молекули.
Як утворюється подвійний зв’язок
Електронну природу пі-зв’язку на прикладі етилену можна представити наступним чином: атоми карбону в його молекулі знаходяться у формі sp2-гібридизації. У цьому випадку формується сигма-зв’язок. Ще дві гібридні орбіталі – по одній від атомів вуглецю, формують прості сигма-зв’язку з водневими атомами. Два залишилися вільних гібридних хмари атомів карбону перекриваються над і під площиною молекули – утворюється пі-зв’язок. Саме вона визначає фізичні та хімічні властивості алкенів, мова про яких піде далі.
Просторова ізомерія
З’єднання, що мають один і той же кількісний і якісний склад молекул, але різну просторову будову, називаються ізомерами. Ізомерія зустрічається в групі речовин, які називаються органічними. На характеристику олефінів великий вплив надає явище оптичної ізомерії. Вона виражається в тому, що гомологи етилену, що містять у кожного з двох вуглецевих атомів при подвійний зв’язку різні радикали або заступники, можуть зустрічатися у формі двох оптичних ізомерів. Вони відрізняються один від одного положенням замісників в просторі відносно площини подвійного зв’язку. Фізичні властивості алкенів в цьому випадку також будуть різними. Наприклад, це стосується температур кипіння і плавлення речовин. Так, олефіни неразветвленного будови вуглецевого скелета мають більш високі температури кипіння, ніж сполуки-ізомери. Також температури кипіння цис-ізомерів алкенів вище, ніж транс-ізомерів. Відносно температур плавлення картина протилежна.
Порівняльна характеристика фізичних властивостей етилену і його гомологів
Перші три представника олефінів є газоподібними сполуками, потім, починаючи з пентена C5H10 і до алкена з формулою C17H34, – рідини, а далі йдуть тверді речовини. У гомологів этена простежується наступна тенденція: температури кипіння сполук знижуються. Наприклад, у етилену цей показник дорівнює -169,1°C, а у пропілену -187,6°C. Зате температури кипіння з збільшенням молекулярної маси підвищуються. Так, у етилену вона дорівнює -103,7°C, а у пропена -47,7°C. Підводячи підсумок сказаному, можна зробити висновок, що звучить коротко: фізичні властивості алкенів залежать від їх молекулярної маси. З її збільшенням змінюється агрегатний стан з’єднань в напрямку: газ – рідина – тверда речовина, а також знижується температура плавлення, а температури кипіння зростають.
Характеристика этена
Перший представник гомологічного ряду алкенів – це етилен. Він є газом, малорастворимым у воді, але добре растворяющимся в органічних розчинниках, які не мають кольору. Молекулярна маса – 28, этен трохи легше повітря, має ледь вловимий солодкуватий запах. Він легко вступає в реакції з галогенами, воднем і галогеноводородами. Фізичні властивості алкенів і парафінів тим не менш досить близькі. Наприклад, агрегатний стан, здатність метану та етилену до жорсткого окислення і т. д. Як же можна розрізнити алкени? Як виявити непредельный характер олефіну? Для цього існують якісні реакції, на яких ми і зупинимося детальніше. Нагадаємо, яку особливість у будові молекули мають алкени. Фізичні і хімічні властивості цих речовин визначаються наявністю в їх складі подвійного зв’язку. Щоб довести її присутність, пропускають газоподібний вуглеводень через фіолетовий розчин перманганату калію або бромну воду. Якщо вони знебарвилися, значить, з’єднання, що містять у складі молекул пі-зв’язку. Етилен вступає в реакцію окислення і знебарвлює розчин KMnO4 і Br2 .
Механізм реакцій приєднання
Розрив подвійного зв’язку закінчується приєднанням до вільним валентності атомів карбону інших хімічних елементів. Наприклад, при взаємодії етилену з воднем, званого гідрогенізацією, виходить етан. Необхідний каталізатор, наприклад, порошкоподібний нікель, паладій або платина. Реакція з HCl закінчується утворенням хлорэтана. Алкени, що містять більше двох атомів вуглецю в складі своїх молекул, проходять реакцію приєднання галогеноводнів з урахуванням правила Ст Марковнікова.
Як гомологи этена взаємодіють з галогеноводородами
Якщо перед нами стоїть завдання Охарактеризуйте фізичні властивості алкенів та їх отримання”, нам потрібно розглянути правило Ст. Марковнікова більш докладно. Практичним шляхом встановлено, що гомологи етилену реагують з хлороводнем та іншими сполуками за місцем розриву подвійного зв’язку, підкоряючись певної закономірності. Вона полягає в тому, що атом водню приєднується до найбільш гидрогенизированному вуглецевому атому, а іон хлору, брому або йоду – до карбоновому атому, який містить найменшу кількість атомів водню. Ця особливість протікання реакцій приєднання отримала назву правила Ст. Марковнікова.
Гідратація і полімеризація
Продовжимо далі розглядати фізичні властивості і застосування алкенів на прикладі першого представника гомологічного ряду – этена. Його реакція взаємодії з водою використовується в промисловості органічного синтезу і має важливе практичне значення. Вперше процес був проведений ще в XIX столітті А. М. Бутлеровым. Реакція вимагає виконання ряду умов. Це, насамперед, використання концентрованої сірчаної кислоти або олеуму в якості каталізатора і розчинника этена, тиск 10 атм і температура в межах 70°. Процес гідратації відбувається у дві фази. Спочатку за місцем розриву пі-зв’язку до этену приєднуються молекули сульфатної кислоти, при цьому утворюється этилсерная кислота. Потім отримане речовина реагує з водою, виходить етиловий спирт. Етанол – важливий продукт, що застосовується в харчовій промисловості для одержання пластмас, синтетичних каучуків, лаків та інших продуктів органічної хімії.
Полімери на основі олефінів
Продовжуючи вивчати питання застосування речовин, що відносяться до класу алкенів, вивчимо процес їх полімеризації, в якому можуть брати участь сполуки, що містять ненасичені хімічні зв’язки у складі своїх молекул. Відомо кілька типів реакції полімеризації, за якими відбувається утворення високомолекулярних продуктів – полімерів, наприклад таких як поліетилен, поліпропілен, полістирол і т. д. Свободнорадикальный механізм призводить до отримання поліетилену високого тиску. Це одне з найбільш широко застосовуваних сполук у промисловості. Катіонно-іонний тип забезпечує отримання полімеру стереорегулярного будови, наприклад полістиролу. Він вважається одним з найбільш безпечних і зручних у використанні полімерів. Вироби з полістиролу стійкі до агресивних речовин: кислот і лугів, негорючі, легко забарвлюються. Ще один вид механізму полімеризації – дімерізація, він призводить до отримання изобутена, вживаного як антидетонаційній добавки до бензину.
Способи отримання
Алкени, фізичні властивості яких ми вивчаємо, отримують в лабораторних умовах і промисловості різними методами. У дослідах в шкільному курсі органічної хімії використовують процес дегідратації етилового спирту з допомогою водоотнимающих коштів, наприклад таких, як п’ятиокис фосфору або сульфатна кислота. Реакція проводиться при нагріванні і є зворотного процесу отримання етанолу. Ще один поширений спосіб отримання алкенів знайшов своє застосування в промисловості, а саме: нагрівання галогенопроизводных граничних вуглеводнів, наприклад хлорпропана з концентрованими спиртовими розчинами лугів – гідроксиду натрію або калію. В реакції відбувається відщеплення молекули хлороводню, за місцем появи вільних валентностей атомів карбону утворюється подвійний зв’язок. Кінцевим продуктом хімічного процесу буде олефін – пропен. Продовжуючи розглядати фізичні властивості алкенів, зупинимося на головному процесі одержання олефінів – піролізі.
Промислове виробництво ненасичених вуглеводнів ряду етилену
Дешева сировина – гази, які утворюються в процесі крекінгу нафти, служать джерелом одержання олефінів у хімічній промисловості. Для цього застосовують технологічну схему піролізу – розщеплення газової суміші, що йде з розривом вуглецевих зв’язків і утворенням етилену, пропена та інших алкенів. Піроліз проводять у спеціальних печах, що складаються з окремих пирозмеевиков. У них створюється температура порядку 750-1150°C і присутня водяна пара в якості розріджувача. Реакції відбуваються по ланцюговому механізму, що йде з утворенням проміжних радикалів. Кінцевий продукт – це етилен або пропен, їх одержують у великих обсягах.
Ми детально вивчили фізичні властивості, застосування і способи добування алкенів.