Підготовка до еге з хімії. ароматичні вуглеводні. ІІІ. Перевірка знань учнів. Реакції заміщення у бензольному кільці

Інтерактивна частина включає: тести різних типів та кросворди, складені у програмі HotPotatoes 6 . Застосування тренажера та кросвордів сприяє відпрацюванню спеціальних умінь, закріпленню знань та викликає інтерес у учнів. Використані матеріали CD дисків та мережі Internet (малюнки). Заняття розроблено для учнів вікової норми, які готуються до ЄДІ, його зміст можна варіювати в залежності від рівня підготовленості учнів. Тренажер можна використовувати і як домашнє завдання. Як роздрукувати кросворд, описано в документі "Пояснювальна записка" ( Додаток 2 . Інтерактив/krossv-raspechatka/пояснювальна записка.docx).

Мета уроку:перевірка знань учнів на тему: «Вуглеводні» з метою підготовки учнів до ЄДІ.

Тип уроку:урок контролю, оцінки та корекції знань учнів.

Девіз уроку:«Немає без явно посиленої працьовитості ні талантів, ні геніїв…». Д. І. Менделєєв.

Форма проведення:контрольна робота з елементами тренінгу

Тривалість: 2 години.

Завдання уроку:

• Освітні: перевірити ступінь засвоєння основних понять теми: вуглеводні, класи вуглеводнів; будова та хімічні властивості вуглеводнів.
• Розвиваючі: формування та розвиток освітніх компетенцій:
  • навчально-пізнавальних:розвиток навичок самостійної пізнавальної діяльності; вміння ставити пізнавальне завдання, самостійно здобувати знання, виділяти головне, узагальнювати, робити висновки, проводити самоперевірку та самооцінку;
  • комунікативних:вміння відповідати на поставлене запитання; вміння працювати із тестами; організовувати та аналізувати власну діяльність;
  • інформаційних:проводити матеріальне та знакове моделювання, виділяти суттєві ознаки понять, отримувати необхідну інформацію з різних джерел; оформляти та подавати результати своєї роботи; згортати та розгортати інформацію (робота з таблицями).
• Виховні:виховувати свідоме ставлення до навчальної праці, розвивати почуття відповідальності та інтерес до знань.

Заплановані результати навчання

Дане заняття спрямоване на повторення, узагальнення знань на тему: «Вуглеводні» відповідно до вимог ЄДІ. Передбачається, що учні повинніпродемонструвати

• знання:
  • визначення понять – алкани, алкени, алкадієни, циклоалкани, арени, ароматичний зв'язок, кратний зв'язок, подвійний зв'язок, потрійний зв'язок, гібридизація, гомологія;
  • типів хімічних реакцій в органічній хімії;
  • хімічних властивостей вуглеводнів;
• спеціальні вміння:
  • класифікувати вуглеводні за складом;
  • називати органічні речовини;
  • складати формули вуглеводнів;
  • визначати типи та види зв'язків у вуглеводнях;
  • визначати тип гібридизації атомів вуглецю;
  • представляти моделі молекул вуглеводнів;
  • характеризувати особливості будови вуглеводнів;
  • визначати тип хімічної реакції;
• загальні навчальні вміння:
  • планувати та регулювати свою навчальну діяльність;
  • проводити самооцінку;
  • комунікативні вміння (уміння відповідати на поставлене питання, робота з тестами, взаємодія з іншими людьми).
  • застосовувати знання у нестандартних ситуаціях (комп'ютерний варіант тестування, кросворд).

Рівень складності.Темп уроку високий, учням належить виконати багато завдань тестового характеру, самим регулювати своєї діяльності. Урок розроблено для дітей вікової норми, які навчаються за програмою профільного рівня, з достатнім рівнем мотивації та загальних навчальних та організаційних умінь та навичок, потребує попередньої підготовки вчителя та учнів. Урок можна коригувати в залежності від рівня навчальних можливостей, мотивації учнів та матеріальної бази. Наприклад, за відсутності можливості працювати в комп'ютерному класі, надати завдання учням у паперовому варіанті, замінити наочність електронною презентацією.

Підготовка до уроку

Урок передує попередня підготовка.

1. Для цього уроку учні підготували завдання "Шпаргалка".Завдання: Складіть шпаргалку на тему «Вуглеводні». Умови: на листі А4 вмістити якнайбільше інформації про вуглеводні. Шпаргалки - не така вже погана справа, якщо їх робити свідомо. Оголошується конкурс на найкращу шпаргалку! На переможця чекає приз та визнання однокласників!

2. Маршрутний листучні отримують перед уроком (рисунок 1) і вносять до нього оцінки, що вони отримують під час заліку.

Малюнок 1. Маршрутний лист

3. Перша частина заняття проводиться у кабінеті інформатики. На комп'ютері встановлюється завдання 1, складене у HotPotatoes 6.

4. Кросворди – варіативна частина уроку, вони потрібні для того, щоб зайняти учнів, які швидко впоралися із завданнями. Їх можна надати учням як домашнє завдання в Інтернеті або дати в роздрукованому варіанті (кросворд № 1, кросворд № 2). Для дітей, які працюють у повільному темпі, можна запропонувати їх як домашнє завдання.

5. Довідковий матеріал можна використовувати в електронному вигляді, але краще надати учням довідкові таблиці у друкованому вигляді.

6. Таким чином, для уроку слід роздрукувати: довідка 1, довідка 2, контрольна робота (текст за кількістю учнів), кросворди. Для роздруківки кросвордів потрібно пройти за посиланням

Етапи уроку:

1. Цілепокладання.

2. Підготовка до тестування:

а) хімічна розминка (вікторина).
б) хімічний диктант ( Додаток 1 )
в) кросворд.
г) тренінг на тему: «Вуглеводні» (інтерактивні тести у програмі HotPotatoes 6 у режимі тренінгу)

3. Контрольна робота у форматі ЄДІ (частина А та В).

4. Самоперевірка. Підведення підсумків.

Пояснення.Учні одночасно під керівництвом вчителя проходять хімічну розминку, пишуть хімічний диктант ( Додаток 1 ). Потім комп'ютери проходять тренінг, виконуючи інтерактивні тести. Тільки після цього учні виконують контрольний тест у друкованому варіанті. Далі учні перевіряють свою роботу, використовуючи аркуш самооцінки, проводять аналіз своєї роботи, заповнюючи аркуш контролю.

Структура уроку

I. Цілепокладання- Здійснюється задовго до уроку, це: настрій учнів, робота з листами обліку, самооцінка.

Вступне слово вчителя.Скоро ми маємо складати іспит з хімії у форматі ЄДІ. Особливістю іспиту і те, що представлені на іспиті завдання, перевіряють як знання фактів, а й уміння мислити, порівнювати, узагальнювати, класифікувати, застосовувати знання у нестандартних ситуаціях. Часто буває, що учень знає зміст матеріалу, але відповідає питанням неправильно. Сьогодні ми розглянемо різні типи тестів на тему: «Вуглеводні». Оскільки «багато води витекло з того часу», коли ми вивчали тему, тому я пропоную невелику підготовку перед тестуванням.

Урок складається із трьох частин:

• підготовка до тестування;
• тестування;
• самооцінка.

Постановка цілі.

Мета уроку:з'ясувати, наскільки добре ми засвоїли поняття теми, що важливо для складання іспиту. Сьогодні ми маємо велику роботу і дуже важливо правильно організувати свій маршрут. Намагайтеся встигнути все! Перед вами маршрутний лист, на якому написано всі етапи уроку. Не забувайте вносити до нього оцінки, які ви отримаєте. Бажаю всім успіху!

ІІ. Активація знань учнів

1. Розминка

Фронтальна робота із класом.

Завдання. Назвіть речовини та вкажіть клас, до якого вони належать. Вчитель показує картки з формулами вуглеводнів, учні називають речовини та клас, до якого вони належать.

2. Віриш – не віриш?

Відповіддю питання є слова «так» чи «ні».

Чи правда, твердження про те,

• … що в алканах є один подвійний зв'язок?
• …що бензол не знебарвлює бромну воду?
• … в органічних речовинах переважно ковалентні зв'язки?
• … при гідратації ацетилену виходить етилен?
• … метан горить безбарвним (блакитним) полум'ям, а бензол – коптить?

ІІІ. Перевірка знань учнів

Написати формули речовин під диктовку вчителя та вказати, до якого класу вони належать. Диктант оформляється на листочках і здається на перевірку.

2. Вікторина(Вчитель вручає невеликі призи).

Грибники знайшли в лісі невелике болото, з якого виривалися подекуди бульбашки якогось газу. Від сірника газ спалахнув, і полум'я, що слабо світилося, стало блукати по болоту. Який це газ?

У 1852 р. німецький хімік Ф.Велер намагався виділити металевий кальцій із вапняку, прожарюючи його з деревним вугіллям. Він отримав масу сірого кольору, в якій не виявив жодних ознак металу. З жалем Велер викинув цю масу на звалище у дворі лабораторії. Під час дощу лаборанти помітили, що кам'яниста маса виділяє якийсь невідомий газ. Що це за газ?

1814 року в Лондоні з'явилося газове освітлення. Світильний газ зберігали у залізних балонах під тиском. Влітку освітлення було нормальним, а взимку – тьмяним. Власники газового заводу звернулися за допомогою до хіміка Фарадея. Він встановив, що взимку частина світильного газу збирається на дні балона і перетворюється на рідину. Так було відкрито всім відомий тепер бензол. Який газ використали для освітлення вулиць англійці?

Німецький алхімік, лікар і винахідник-фантазер Йоганн Бехер проводив досліди із сірчаною кислотою. В одному з дослідів він переплутав судини та прилив до сірчаної кислоти етиловий спирт, який знаходився поряд у склянці. Бехер побачив сильне спінювання і виділення невідомого газу, який горів полум'ям, що коптить. Новий газ назвали «олійним» газом, а продукт його взаємодії з хлором «олією голландських хіміків». Про який газ йдеться?

Якось Пентан пішов у сауну попаритися. Спекотно було в сауні! А банщиком там працював Хлорид Алюмінію, який запропонував Пентану зробити масаж. Пентан погодився. І почав банщик крутити, крутити Пентаном, примовляючи: «Який скелет у Вас скрючений! Зараз ми виправимо!». Банщик так старався, що відірвав мітильну групу. Злякався Хлорид Алюмінію, почав приєднувати, та ні туди прикріпив метил. Заплакав Пентан: «Був Пентан, а став… (ізопентан). Про яку реакцію йдеться?

Про яку реакцію Н.Д. Зелінський говорив, що «М.І. Коновалову вдалося пожвавити мерців»?

Вчитель.Ми разом пройшли два етапи уроку. Тепер кожний рухається самостійно. Вам потрібно пройти тренувальний тест (на комп'ютерах):

1. Підготовка – тренінг. Пропоную вам підготуватись до тестування. Працюємо із завданням № 1, яке я склала спеціально для вас у програмі HotPotatoes 6. Ви можете використовувати довідкові таблиці в інтерактивному або друкованому варіанті.

2. Контроль знань.Виконати контрольну роботу ( Додаток 6 , Друкований варіант).

3. Самоперевірка.Взяти аркуш правильних відповідей та оцінити свою роботу.

4. Рефлексія.На звороті маршрутного листа напишіть побажання вчителю чи самому собі – або подаруйте смайлик.

5. Домашнє завдання.

1. Скласти аналіз своєї роботи.

Проставте у таблиці бали:

Частина А. Правильна відповідь – 1 бал; неправильна відповідь – 0 балів.
Частина В. Правильна відповідь – 2 бали; неправильна відповідь – 0 балів.

Якщо виникають сумніви щодо оцінки, проконсультуйтеся у вчителя.

Малюнок 2. Лист самоперевірки та самооцінки

2. Заповніть кросворд

Вуглеводні, в молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками та відповідають загальній формулі C n H 2 n +2 .
У молекулах алканів всі атоми вуглецю перебувають у стані sр 3 -гібридизації. Це означає, що всі чотири гібридні орбіталі атома вуглецю однакові за формою, енергією і направлені в кути рівносторонньої трикутної піраміди - тетраедра. Кути між орбіталями дорівнюють 109 ° 28 '.

Навколо одинарного вуглець-вуглецевого зв'язку можливе практично вільне обертання, і молекули алканів можуть набувати найрізноманітнішої форми з кутами при атомах вуглецю, близькими до тетраедричного (109° 28′), наприклад, в молекулі н-Пентана.

Варто нагадати про зв'язки в молекулах алканів. Усі зв'язки в молекулах граничних вуглеводнів одинарні. Перекривання відбувається по осі,
що з'єднує ядра атомів, тобто це σ-зв'язку. Зв'язки вуглець - вуглець є неполярними і погано поляризуються. Довжина С-З зв'язку в алканах дорівнює 0,154 нм (1,54 10 - 10 м). Зв'язки С-Н дещо коротші. Електронна густина трохи зміщена у бік більш електронегативного атома вуглецю, тобто зв'язок С-Н є слабополярним.

Відсутність у молекулах граничних вуглеводнів полярних зв'язків призводить до того, що вони погано розчиняються у воді, не вступають у взаємодію із зарядженими частинками (іонами). Найбільш характерними для алканів є реакції, що відбуваються за участю вільних радикалів.

Гомологічний ряд метану

Гомологи- Речовини, подібні за будовою та властивостями і відрізняються на одну або більше груп СН 2 .

Ізомерія та номенклатура

Для алканів характерна так звана структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Найпростіший алкан, котрим характерні структурні ізомери, - це бутан.

Основи номенклатури

1. Вибір головного кола.Формування назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі, яка є ніби її основою.
2. Нумерація атомів головного кола.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 етил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3 ) і т.д.
Назва заступника формується заміною суфікса -ан на суфікс - мулу назві відповідного алкану.
3. Формування назви. На початку назви вказують цифри - номери атомів вуглецю, у яких перебувають заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться декілька 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, пропил). Потім без пробілів та дефісів – назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду метану ( метанСН 4 , етанЗ 2 Н 6 , пропан C 3 H 8 З 4 Н 10, пентанЗ 5 Н 12 , гексанЗ 6 Н 14 , гептан C 7 H 16, октан C 8 H 18, нонанЗ 9 Н 20, деканЗ 10 Н 22).

Фізичні властивості алканів

Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них - метан - газ без кольору, смаку та запаху (запах «газу», відчувши який, треба дзвонити 04, 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 4 Н 12 до 15 Н 32 - рідини; Тяжкі 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 алканів

Реакція заміщення.
Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході якого атом водню заміщається на атом галогену або групу. Наведемо рівняння характерних реакцій галогенування:


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

Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.
Реакція дегідрування(відщеплення водню).
У ході пропускання алканів над каталізатором (Pt, Ni, А1 2 0 3 , Сг 2 0 3) при високій температурі (400-600 ° С) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:


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

У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати так:

2. Термічне розщеплення вуглеводнів.

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

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

Реакції термічного розщеплення лежать в основі промислового процесу – крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.

3. Піроліз. При нагріванні метану до температури 1000 ° С починається піроліз метану - розкладання на прості речовини:

При нагріванні до температури 1500 °С можливе утворення ацетилену:

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

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

Алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом, тому що всі атоми вуглецю в молекулах алканів знаходяться в 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. У них немає ділянок з підвищеною та зі зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, тобто таких зв'язків, електронна щільність у яких може зміщуватися під дією зовнішніх факторів (електростатичних полів іонів). Отже, алкани не реагуватимуть із зарядженими частинками, тому що зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом.

Хімічні властивості алканів

Алканами (парафінами) називають нециклічні вуглеводні, у молекулах яких атоми вуглецю з'єднані лише одинарними зв'язками. Тобто в молекулах алканів відсутні кратні - подвійні або потрійні зв'язки. Фактично алкани є вуглеводнями, що містять максимально можливу кількість атомів водню, через що їх називають граничним (насиченими).

Зважаючи на насиченість, алкани не можуть вступати в реакції приєднання.

Оскільки атоми вуглецю та водню мають досить близькі електронегативності, це призводить до того, що зв'язки С-Н у їх молекулах вкрай малополярні. У зв'язку з цим для алканів більш характерні реакції, що протікають механізмом радикального заміщення, що позначається символом S R .

1. Реакції заміщення

У реакціях даного типу відбувається розрив зв'язків вуглець-водень

RH + XY → RX + HY

Галогенування

Алкани реагують з галогенами (хлором та бромом) під дією ультрафіолетового світла або при сильному нагріванні. При цьому утворюється суміш галогенпохідних з різним ступенем заміщення атомів водню - моно-, ди-три-і т.д. галогенозаміщених алканів.

На прикладі метану це виглядає так:

Змінюючи співвідношення галоген/метан в реакційній суміші можна домогтися того, що у складі продуктів переважатиме якесь конкретне галогенпохідне метану.

2. Реакції окиснення

У звичайних умовах алкани інертні щодо таких сильних окислювачів, як концентрована сірчана та азотна кислоти, перманганат і дихромат калію (КMnО 4 , К 2 Cr 2 Про 7).

Горіння в кисні

А) повне згоряння при надлишку кисню. Приводить до утворення вуглекислого газу та води:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

Б) неповне згоряння при нестачі кисню:

2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O

Каталітичне окиснення киснем

В результаті нагрівання алканів з киснем (~200 о С) у присутності каталізаторів, з них може бути отримана велика різноманітність органічних продуктів: альдегіди, кетони, спирти, карбонові кислоти.

Наприклад, метан, залежно від природи каталізатора, може бути окислений у метиловий спирт, формальдегід або мурашину кислоту:

3. Термічні перетворення алканів

Крекінг

Крекінг (від англ. to crack - рвати) - це хімічний процес, що протікає при високій температурі, в результаті якого відбувається розрив вуглецевого скелета молекул алканів з утворенням молекул алкенів і алканів з володіють меншими молекулярними масами в порівнянні з вихідними алканами. Наприклад:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH=CH 2

Крекінг буває термічний та каталітичний. Для здійснення каталітичного крекінгу завдяки використанню каталізаторів використовують помітно менші температури порівняно з термічним крекінгом.

Дегідрування

Відщеплення водню відбувається внаслідок розриву зв'язків С-Н; здійснюється у присутності каталізаторів за підвищених температур. При дегідруванні метану утворюється ацетилен:

2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2

Нагрівання метану до 1200 ° С призводить до його розкладання на прості речовини:

СН 4 → С + 2Н 2

При дегідруванні інших алканів утворюються алкени:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2

При дегідруванні н-бутану утворюється бутен або бутен-2 (суміш цис-і транс-ізомерів):

Дегідроциклізація

Ізомеризація

Хімічні властивості циклоалканів

Хімічні властивості циклоалканів із числом атомів вуглецю в циклах більше чотирьох, загалом практично ідентичні властивостям алканів. Для циклопропану та циклобутану, як не дивно, характерні реакції приєднання. Це зумовлено великою напругою всередині циклу, що призводить до того, що ці цикли прагнуть розірватися. Так циклопропан і циклобутан легко приєднують бром, водень або хлороводень:

Хімічні властивості алкенів

1. Реакції приєднання

Оскільки подвійний зв'язок у молекулах алкенів складається з одного міцного сигма- і одного слабкого пи-зв'язку, вони є досить активними сполуками, які легко вступають у реакції приєднання. У такі реакції алкени часто вступають навіть у м'яких умовах - на холоді, у водних розчинах та органічних розчинниках.

Гідрування алкенів

Алкени здатні приєднувати водень у присутності каталізаторів (платина, паладій, нікель):

CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3

Гідрування алкенів легко протікає навіть при звичайному тиску та незначному нагріванні. Цікавий той факт, що для дегідрування алканів до алкенів можуть використовуватися ті ж каталізатори, тільки процес дегідрування протікає при вищій температурі і меншому тиску.

Галогенування

Алкени легко вступають у реакцію приєднання з бромом як і водному розчині, і з органічних розчинниках. Через війну взаємодії спочатку жовті розчини брому втрачають своє забарвлення, тобто. знебарвлюються.

СН 2 = СН 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br

Гідрогалогенування

Як неважко помітити, приєднання галогеноводороду до молекули несиметричного алкену має теоретично приводити до суміші двох ізомерів. Наприклад, при приєднанні бромоводню до пропену мали б виходити продукти:

Проте відсутність специфічних умов (наприклад, наявність пероксидів у реакційної суміші) приєднання молекули галогеноводороду відбуватиметься строго селективно відповідно до правилом Марковникова:

Приєднання галогеноводу до алкену відбувається таким чином, що водень приєднується до атома вуглецю з більшим числом атомів водню (більше гідрованого), а галоген - до атома вуглецю з меншим числом атомів водню (менше гідрованого).

Гідратація

Ця реакція призводить до утворення спиртів, а також протікає відповідно до правила Марковнікова:

Як легко здогадатися, через те, що приєднання води до молекули алкену відбувається згідно з правилом Марковникова, утворення первинного спирту можливе лише у разі гідратації етилену:

CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

Саме за такою реакції проводять основну кількість етилового спирту у великотоннажній промисловості.

Полімеризація

Специфічним випадком реакції приєднання можна реакцію полімеризації, яка на відміну від галогенування, гідрогалогенування та гадратації, протікає для вільно-радикального механізму:

Реакції окиснення

Як і всі інші вуглеводні, алкени легко згоряють у кисні з утворенням вуглекислого газу та води. Рівняння горіння алкенів у надлишку кисню має вигляд:

C n H 2n+2 + O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O

На відміну від алканів, алкени легко окислюються. При дії на алкени водного розчину KMnO 4 знебарвлення, що є якісною реакцією на подвійні та потрійні CC зв'язки в молекулах органічних речовин.

Окислення алкенів перманганатом калію в нейтральному або слаболужному розчині призводить до утворення діолів (двохатомних спиртів):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охолодження)

У кислому середовищі відбувається повне розрив подвійного зв'язку з 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 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (нагрівання)

У разі, якщо подвійна З=З зв'язок знаходиться в кінці молекули алкену, то як продукт окислення крайнього вуглецевого атома при подвійному зв'язку утворюється вуглекислий газ. Пов'язано це з тим, що проміжний продукт окислення - мурашина кислота легко сама 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)

При окисленні алкенів, в яких атом C при подвійному зв'язку містить два вуглеводневі замісники, утворюється кетон. Наприклад, при окисленні 2-метилбутена-2 утворюється ацетон та оцтова кислота.

Окислення алкенів, у якому відбувається розрив вуглецевого скелета по подвійного зв'язку використовується встановлення їх структури.

Хімічні властивості алкадієнів

Реакції приєднання

Наприклад, приєднання галогенів:

Бромна вода знебарвлюється.

У звичайних умовах приєднання атомів галогену відбувається по кінцях молекули бутадієну-1,3, при цьому π-зв'язки розриваються, до крайніх атомів вуглецю приєднуються атоми брому, а вільні валентності утворюють новий π-зв'язок. Таким чином, як би відбувається переміщення подвійного зв'язку. При надлишку брому може бути приєднана ще одна його молекула за місцем подвійного зв'язку, що утворився.

Реакції полімеризації

Хімічні властивості алкінів

Алкіни є ненасиченими (ненасиченими) вуглеводнями у зв'язку з чим здатні вступати в реакції приєднання. Серед реакції приєднання для алкінів найбільш поширене електрофільне приєднання.

Галогенування

Оскільки потрійний зв'язок молекул алкінів складається з одного міцнішого сигма-зв'язку і двох менш міцних пі-зв'язків вони здатні приєднувати як одну, так і дві молекули галогену. Приєднання однією молекулою алкіну двох молекул галогену протікає по електрофільному механізму послідовно у дві стадії:

Гідрогалогенування

Приєднання молекул галогеноводороду також протікає по електрофільному механізму і в дві стадії. В обох стадіях приєднання йде відповідно до правила Марковнікова:

Гідратація

Приєднання води до алкінами відбувається в присутності солей руті в кислому середовищі і називається реакцією Кучерова.

В результаті гідратації приєднання води до ацетилену утворюється ацетальдегід (укусний альдегід):

Для гомологів ацетилену приєднання води призводить до утворення кетонів:

Гідрування алкінів

Алкіни реагують з воднем на два щаблі. Як каталізатори використовують такі метали як платина, паладій, нікель:

Тримеризація алкінів

При пропущенні ацетилену над активованим вугіллям при високій температурі з нього утворюється суміш різних продуктів, основним з яких є бензол продукт тримеризації ацетилену:

Димеризація алкінів

Також ацетилен вступатиме в реакцію димеризації. Процес протікає у присутності солей міді як каталізаторів:

Окислення алкінів

Алкіни згоряють у кисні:

З n H 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O

Взаємодія алкінів із основами

Алкіни з потрійною C≡C кінці кінці молекули, на відміну інших алкінів, здатні вступати у реакції, у яких атом водню при потрійного зв'язку заміщається метал. Наприклад, ацетилен реагує з амідом натрію в рідкому аміаку:

HC≡CH + NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,

а також з аміачним розчином оксиду срібла, утворюючи нерозчинні солеподібні речовини звані ацетиленідами:

Завдяки такій реакції можна розпізнати алкіни з кінцевим потрійним зв'язком, а також виділити такий алкін із суміші з іншими алкінами.

Слід зазначити, що всі ацетиленіди срібла та міді є вибухонебезпечними речовинами.

Ацетиленіди здатні реагувати з галогенпохідними, що використовується при синтезі складніших органічних сполук з потрійним зв'язком:

СН 3 -C≡CН + 2NaNН 2 → СН 3 -C≡CNa + NН 3

СН 3 -C≡CNa + CH 3 Br → СН 3 -C≡C-СН 3 + NaBr

Хімічні властивості ароматичних вуглеводнів

Ароматичний характер зв'язку впливає хімічні властивості бензолів та інших ароматичних вуглеводнів.

Єдина 6пі-електронна система набагато стійкіша, ніж звичайні пі-зв'язки. Тому для ароматичних вуглеводнів більш характерні реакції заміщення, а чи не приєднання. У реакції заміщення арени вступають за електрофільним механізмом.

Реакції заміщення

Галогенування

Нітрування

Найкраще реакція нітрування протікає під дією не чистої азотної кислоти, а її суміші з концентрованою сірчаною кислотою, так званої нітруючої суміші:

Алкілювання

Реакція при якій один із атомів водню при ароматичному ядрі заміщається на вуглеводневий радикал:

Також замість галогенпохідних алканів можна використовувати алкени. Як каталізатори можна використовувати галогеніди алюмінію, тривалентного заліза або неорганічні кислоти.<

Реакції приєднання

Гідрування

Приєднання хлору

Протікає за радикальним механізмом при інтенсивному опроміненні ультрафіолетовим світлом:

Подібним чином реакція може протікати лише з хлором.

Реакції окиснення

Горіння

2С 6 Н 6 + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О+Q

Неповне окиснення

Бензольне кільце стійке до дії таких окислювачів як KMnO 4 і K 2 Cr 2 O 7 . Реакція не йде.

Розподіл заступників у бензольному кільці на два типи:

Розглянемо хімічні властивості гомологів бензолу з прикладу толуолу.

Хімічні властивості толуолу

Галогенування

Молекулу толуолу можна розглядати як складову з фрагментів молекул бензолу та метану. Тому логічно припустити, що хімічні властивості толуолу мають певною мірою поєднувати хімічні властивості цих двох речовин, взятих окремо. Зокрема, саме це і спостерігається при його галогенуванні. Ми вже знаємо, що бензол вступає в реакцію заміщення з хлором по електрофільному механізму, і для реалізації цієї реакції необхідно використовувати каталізатори (галогеніди алюмінію або тривалентного заліза). У той же час метан також здатний реагувати з хлором, але вже за вільно-радикальним механізмом, для чого потрібне опромінення вихідної реакційної суміші УФ-світлом. Толуол, залежно від того, в яких умовах піддається хлоруванню, здатний дати або продукти заміщення атомів водню в бензольному кільці - для цього потрібно використовувати ті ж умови, що і при хлоруванні бензолу, або продукти заміщення атомів водню в метильному радикалі, якщо на нього, як і на метан діяти хлором при опроміненні ультрафіолетом:

Як можна помітити хлорування толуолу в присутності хлориду алюмінію призвело до двох різних продуктів - орто-і парахлортолуолу. Це пов'язано з тим, що метильний радикал є заступником I роду.

Якщо хлорування толуолу в присутності AlCl 3 проводити надлишку хлору, можливе утворення трихлорзаміщеного толуолу:

Аналогічно при хлоруванні толуолу на світлі при більшому співвідношенні хлор/толуол можна отримати дихлорметилбензол або трихлорметилбензол:

Нітрування

Заміщення атомів водню на нітрогрпу, при нітруванні толуолу сумішшю концентрованих азотної та сірчаної кислот, призводить до продуктів заміщення в ароматичному ядрі, а не метильному радикалі:

Алкілювання

Як було сказано метильный радикал, є орієнтантом I роду, тому його алкілування по Фріделю-Крафтсу наводить продуктам заміщення в орто- і пара-положення:

Реакції приєднання

Толуол можна прогідрувати до метилциклогексану при використанні металевих каталізаторів (Pt, Pd, Ni):

З 6 Н 5 СН 3 + 9O 2 → 7СO 2 + 4Н 2 O

Неповне окиснення

При дії такого окислювача як водний розчин перманганату калію окисленню піддається бічний ланцюг. Ароматичне ядро ​​за таких умов окислитися не може. При цьому залежно від pH розчину утворюватиметься або карбонова кислота, або її сіль.

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.

Реакції, що характеризують основні способи отримання кисневмісних сполук

1. Гідроліз галогеналканів.Ви вже знаєте, що утворення галокеналканів при взаємодії спиртів із галогеноводородами є оборотною реакцією. Тому зрозуміло, що спирти можуть бути отримані при гідроліз галогеналканів- Реакції цих сполук з водою:

$R-Cl+NaOH(→)↖(H_2O)R-OH+NaCl+H_2O$

Багатоатомні спирти можна отримати при гідролізі галогеналканів, що містять більше одного атома галогену в молекулі. Наприклад:

2. Гідратація алкенів- Приєднання води по $π$-зв'язку молекули алкену - вже знайома вам, наприклад:

$(CH_2=CH_2)↙(етен)+H_2O(→)↖(H^(+))(C_2H_5OH)↙(етанол)$

Гідратація пропіна призводить, відповідно до правила Марковнікова, до утворення вторинного спирту - пропанолу-2:

3. Гідрування альдегідів та кетонів.Ви вже знаєте, що окислення спиртів у м'яких умовах призводить до утворення альдегідів або кетонів. Очевидно, що спирти можуть бути отримані при гідруванні (відновленні воднем, приєднанні водню) альдегідів та кетонів:

4. Окислення алкенів.Гліколі, як ми вже відзначали, можуть бути отримані при окисленні алкенів водним розчином перманганату калію. Наприклад, етиленгліколь (етандіол-1,2) утворюється при окисленні етилену (етену):

$CH_2=CH_2+[O]+H_2O(→)↖(KMnO_4)HO-CH_2-CH_2-OH$

5. Специфічні способи одержання спиртів.Деякі спирти отримують характерними лише їм способами. Так, метанол у промисловості отримують при взаємодії водню з оксидом вуглецю (II) (чадним газом) при підвищеному тиску та високій температурі на поверхні каталізатора (оксиду цинку):

$CO+2H_2(→)↖(t,p,ZnO)CH_3-OH$

Необхідну для цієї реакції суміш чадного газу та водню, звану також синтез-газом ($СО + nН_2О$), одержують при пропусканні парів води над розпеченим вугіллям:

$C+H_2O(→)↖(t)CO+H_2-Q$

6. Бродіння глюкози.Цей спосіб отримання етилового (винного) спирту відомий людині з найдавніших часів:

$(C_6H_(12)O_6)↙(глюкоза)(→)↖(дріжджі)2C_2H_5OH+2CO_2$

Способи отримання альдегідів та кетонів

Альдегіди та кетони можуть бути отримані окисленнямабо дегідрування спиртів. Ще раз відзначимо, що при окисленні або дегідруванні первинних спиртів можуть бути отримані альдегіди, а вторинних спиртів - кетони:

Реакція Кучерова. З ацетилену в результаті реакції гідратації виходить оцтовий альдегід, з гомологів ацетилену - кетони:

При нагріванні кальцієвихабо барієвих солейкарбонових кислот утворюються кетон та карбонат металу:

Способи одержання карбонових кислот

Карбонові кислоти можуть бути отримані окисленням первинних спиртів альдегідів:

Ароматичні карбонові кислоти утворюються при окисленні гомологів бензолу:

Гідроліз різних похідних карбонових кислот також призводить до одержання кислот. Так, при гідролізі складного ефіру утворюються спирт та карбонова кислота. Як уже говорилося вище, реакції етерифікації та гідролізу, що каталізуються кислотою, оборотні:

Гідроліз складного ефіру під впливом водного розчину лугу протікає незворотно, у разі зі складного ефіру утворюється не кислота, та її сіль.

АРОМАТИЧНІ КУТОВОДОРОДИ.

Це циклічні вуглеводні з трьома подвійними зв'язками в циклі.

БензолЗ 6 Н 6 - Родоначальник ароматичних вуглеводнів. Вперше виділено Фарадеєм у 1825 р. зі світильного газу.

Кожен із шести атомів вуглецю в його молекулі перебуває в стані sp 2 -гібридизаціїі пов'язаний із двома сусідніми атомами вуглецю та атомом водню трьома σ-зв'язками. Валентні кути між кожною парою π-зв'язків дорівнюють 120 0 .

Таким чином, скелет σ-зв'язків є правильним шестикутником, в якому всі атоми вуглецю і всі σ-зв'язки С–С та С–Н лежать в одній площині.

p-Електрони всіх атомів вуглецю утворюють єдину циклічну π-електронну хмару, зосереджену над і під площиною кільця.

Всі зв'язки С–С у бензолі рівноцінні, їхня довжина дорівнює 0,140 нм, що відповідає проміжному значенню між одинарною та подвійною.

Це означає, що у молекулі бензолу між вуглецевими атомами немає суто простих і подвійних зв'язків (як і формулі, запропонованої 1865 р. німецьким хіміком ), а всі вони вирівняні (делокалізовані).

Загальна формула гомологічного ряду бензолуC n H 2n-6(n ≥ 6).

Речовина

Назва за номенклатурою

Історична назва

З 6 Н 5 -СН 3

метилбензол

З 6 Н 5 -СН 2 -СН 3

етилбензол

СН 3 -З 6 Н 4 -СН 3

диметилбензол

З 6 Н 5 -СН(СН 3) 2

ізопропілбензол

Якщо два або більше радикалів, їх положення вказується номерами атомів вуглецю в кільці, з якими вони пов'язані. Кільце нумерують так, щоб номери радикалів були найменшими.

Для дизаміщених бензолів

R-C 6 H 4 -R"

використовується також інший спосіб побудови назв:

орто - (про -) заступники у сусідніх атомів вуглецю кільця, 1,2-;
мета - (м -) замісники через один атом вуглецю (1,3-);
пара -(п -) заступники на протилежних сторонах кільця (1,4-).

Ізомерія у аренів.

Визначається числом заступників, їх розташуванням у бензольному кільці та можливістю ізомерії вуглецевого скелета в заступниках, що містять більше трьох атомів вуглецю.

Для ароматичного вуглеводню З 8 Н 10 існують 4 ізомери: орто-, мета-і пара-ксилоли та етилбензол.

ОТРИМАННЯ АРОМАТИЧНИХ ВУГЛЕВОДОРОДІВ

1. Дегідрування циклоалканів

2. Дегідроциклізація (дегідрування та циклізація) алканів у присутності каталізатора

3.Тримеризація ацетилену над активованим вугіллям ( реакція ):

4.Алкілювання бензолу галогеналканами у присутності безводного хлориду алюмінію або алкенами:

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Бензол та його найближчі гомологи – безбарвні рідини з характерним запахом, із щільністю менше 1 г/мл. Вогненебезпечні. Нерозчинні у воді, але добре розчиняються у неполярних розчинниках. Бензол та толуол отруйні (вражають нирки, печінка, кістковий мозок, кров).

Вищі арени – тверді речовини.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Через наявність справакалізованої -системи Арени мало характерні реакції приєднання або окиснення, які ведуть до порушення ароматичності. Для них найбільш характерні реакції електрофільного заміщення атомів водню, пов'язаних із циклом - S Е .

1. РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ ДО АРЕН

У реакції приєднання, що призводять до руйнування ароматичної структури бензольного кільця, арени можуть вступати насилу.

а. Гідрування. Приєднання водню до бензолу та його гомологів відбувається при підвищеній температурі та тиску у присутності металевих каталізаторів.

б. Радикальне хлорування. При радикальному хлоруванні бензолу виходить гексахлорциклогексан - "гексахлоран" (засіб боротьби зі шкідливими комахами).

2. РЕАКЦІЇ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМІЩЕННЯ АТОМІВ ВОДОРОДУ В БІЧНОГО ЛАНЦЮГУ:

У разі гомологів бензолу при дії хлору на світлі або при нагріванні відбувається реакція радикального заміщення в бічного ланцюга:

3. Реакції окислення аренів

Бензол не окислюється навіть під дією сильних окислювачів (KMnO 4 K 2 Cr 2 O 7 і т.п.). Тому він часто використовується як інертний розчинник під час проведення реакцій окиснення інших органічних сполук.

На відміну від бензолу, його гомологи окислюються досить легко. При дії розчину KMnO 4 у кислому середовищі та нагріванні в гомологах бензолу окисленню піддаються тільки бічні ланцюги, при цьому від бічного ланцюга залишається карбоксильна група, а решта – переходить у вуглекислий газ:

5 З 6 Н 5 - СН 3 +6 КМnO 4 +9H 2 SO 4  5C 6 H 5 - COOH +6MnSO 4 +3K 2 SO 4 +14H 2 O

5 З 6 Н 5 - CH 2 - CH 3 +12 КМnO 4 +18H 2 SO 4  5C 6 H 5 - COOH +5 СО 2 +12MnSO 4 +6K 2 SO 4 +28H 2 O

Якщо окислення йде в нейтральному розчині при нагріванні, то утворюється сіль бензойної кислоти та карбонат калію:

З 6 Н 5 - СН 2 - СН 3 +4KMnO 4  C 6 H 5 – COO K+K 2 CO 3 +4MnO 2 +KOH+2H 2 O

4. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯ У БЕНЗОЛЬНОМУ КІЛЬЦІ

1. Галогенування

Заміщення атома водню в бензольному кільці на галоген відбувається в присутності каталізаторів AlCl 3 AlBr 3 FeCl 3 і т.п.

2. Нітрування

Бензол реагує з нітруючою сумішшю (сумішою концентрованих азотної та сірчаної кислот):

3. Алкілювання

Заміщення атома водню в бензольному кільці на алкільну групу( алкілювання) відбувається під дією алкілгалогенідів у присутності каталізаторів AlCl 3 , FeBr 3 абоалкенів у присутності фосфорної кислоти:

ЗАМІЩЕННЯ В АЛКІЛБЕНЗОЛАХ

Гомологи бензолу (алкілбензоли) активніше входять у реакції заміщення проти бензолом. Наприклад, при нітруванні толуолу З 6 Н 5 -CH 3 може відбуватися заміщення не одного, а трьох атомів водню з утворенням 2,4,6-тринітротолуолу, причому в орто-і пара-положеннях:

ОРІЄНТУВАЛЬНА ДІЯ ЗАМІСНИКІВ

У БЕНЗОЛЬНОМУ КІЛЬЦІ.

Якщо в бензольному кільці є заступники , не тільки алкільні, але й інші атоми (гідроксил, аміногрупа, нітрогрупа тощо), то реакції заміщення атомів водню в ароматичній системі протікають строго певним чином, відповідно до характеру впливу заступника на ароматичну π-систему.

Заступники поділяють на дві групи залежно від їхнього ефекту (мезомерного чи індуктивного): електронодонорні (першого роду) та електроноакцепторні (другого роду).

ЕЛЕКТРОНОДОНОРНІ ЗАМІСНИКИ виявляють підвищують електронну щільність у сполученій системі.

До них відносяться гідроксильна група -ОН та аміногрупа -NН 2 . Неподілена пара електронів у цих групах вступає у спільне сполучення з p-електронною системою бензольного кільця і ​​збільшує довжину сполученої системи. В результаті електронна щільність зосереджується в орто-і пара-положеннях:

Алкільні групине можуть брати участь у поєднанні, але вони виявляють +I-ефект, під дією якого відбувається аналогічний перерозподіл p-електронної густини.

Заступники, які мають+I-ефектом або +М-ефектом, сприяють електрофільному заміщенню ворто-і пара - положеннях бензольного кільця та називаютьсязаступниками (орієнтантами) першого роду:

Так, толуол, що містить заступник першого роду, нітрується і бромується в пара-і орто-положення:

ЕЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНІ ЗАМІСНИКИ знижують електронну щільність у сполученій системі.

До них відносяться нітрогрупа -NO 2 , сульфогрупа -SO 3 Н, альдегідна-СНО та карбоксильна-СООН групи.Ці заступники утворюють з бензольним кільцем загальну сполучену систему, але загальна електронна хмара зміщується у бік цих груп. Таким чином, загальна електронна щільність у кільці зменшується, але найменше вона зменшується у мета-положеннях :

Повністю галогенізовані алкільні радикали (наприклад, -ССl 3) виявляють -I-ефект і також сприяють зниженню електронної густини кільця.

Заступники, що мають -I-ефект або -М-ефект, направляють електрофільне заміщення вмета- положення бензольного кільця і ​​називаютьсязаступниками (орієнтантами) другого роду:

Нітробензол, що містить заступник другого роду, нітрується і бромується в мета-положення:

СТИРОЛ (вінілбензол) З 8 Н 8

– похідне бензолу, яке має у своєму складі подвійний зв'язок у бічному заступникутому він НЕ відноситься до гомологічного ряду аренів.

Отримання стиролу:

Дегідрування етилбензолу: 6 Н 5 -СН 2 -СН 3 -(t ,кат)  C 6 H 5 -CH = CH 2 + H 2

Дегідрогалогенування фенілброметана:

C 6 H 5 -CH-CH 3 +KOH -(спирт)  C 6 H 5 -CH=CH 2 +KBr +H 2 O

Властивості стиролу:

Стирол виявляє властивості, характерні для алкенів- Реакції приєднання, окислення, полімеризації.

Реакції приєднання до стиролу:протікають відповідно до правила Марковнікова.

З 6 Н 5 -СН = СН 2 + Н 2 О  З 6 Н 5 -СН-СН 3

М'яке окиснення стиролу:

3С 6 Н 5 -СН = СН 2 +2 KMnO 4 + 4Н 2 О  3 З 6 Н 5 -СН-СН 2 + 2MnO 2 + 2KOH

OH OHфенілетиленгліколь

Жорстке окислення стиролу:

З 6 Н 5 -СН=СН 2 + 2KMnO 4 + 3Н 2 SO 4  З 6 Н 5 -СOO Н+ CO 2 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 4H 2 O

бензойна кислота

3С 6 Н 5 -СН = СН 2 + 10KMnO 4 -t o  3З 6 Н 5 -СOO До+ 3К 2 CO 3 + 10MnO 2 + KOH + 4Н 2 О

бензоат калію

Полімеризація стиролу:в результаті одержують полістирол.