Конспект для учителя по теме «Свойства углеводородов. Получение углеводородов»

Переход к основной теме:

Углеводороды

Углеводороды (УВ) - органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода. Как вы помните, все органические вещества можно подразделить на циклические и ациклические. Углеводороды являются только одним из классов органических соединений, их можно условно разделить на предельные и непредельные.

Предельные, или насыщенные УВ, не содержат кратных связей в структуре молекул.

Непредельные или ненасыщенные УВ содержат кратные связи - двойные или тройные.

Традиционно классификацию органических веществ проводят по строению углеводородной цепи, поэтому все УВ также подразделяются на незамкнутые (ациклические) и УВ с замкнутой цепью (карбоциклические). В свою очередь, класс ароматических УВ можно отнести и к классу непредельных соединений, так как в их структуре присутствуют кратные двойные связи. Другими словами, все ароматические соединения являются непредельными, но не все непредельные соединения - ароматические. В свою очередь, циклопарафины тоже могут быть предельными (насыщенными), а могут содержать в своей структуре кратные двойные связи и проявлять свойства ненасыщенных УВ.

Общие химические свойства классов углеводородов

Теперь давайте дадим общую характеристику отдельным классам углеводородов и опишем их общие химические свойства. Более подробно все классы соединений будут рассматриваться в отдельных специальных темах. Начнем с предельных или насыщенных УВ. Представителями этого класса являются алканы.

Алканы

Алканы (парафины) - углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и состав которых соответствует общей формуле CnH2n+2.

Алканы называют насыщенными УВ в соответствии с их химическими свойствами. Все связи в молекулах алканов одинарные. Перекрывание происходит по линии, соединяющей ядра атомов, то есть этоσ-связи, поэтому в жестких условиях (высокая температура, УФ-облучение) алканы могут вступать в реакции замещения, элиминирования (дегидрирования и ароматизации) и изомеризации либо в реакции расщепления, то есть разрушения углеродной цепи.

Все реакции протекают преимущественно по свободно-радикальному механизму, когда в результате реакции происходит гомолитический разрыв связей и образуются высокореакционные частицы, имеющие неспаренный электрон - свободные радикалы. Связано это с низкой поляризацией связей C-H и отсутствием участков с повышенной или пониженной электронной плотностью. Алканы не реагируют с заряженными частицами, так как связи в алканах не разрываются по гетеролитическому механизму. Алканы не могут вступать в реакции присоединения, так как из определения насыщаемости связи следует, что в молекулах с σ-связями, углерод проявляет максимальную валентность, где каждая из четырех связей образована одной парой электронов.

Получение алканов

Промышленные способы:

1.  Выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь).
2.  Гидрирование алкенов и непредельных углеводородов.

Лабораторные способы получения метана:

1.  Термокаталитическое восстановление оксидов углерода (t, Ni):
2.  Синтез из простых веществ:
3.  Гидролиз карбида алюминия:

Лабораторные способы получения гомологов метана:

1. Декарбоксилирование натриевых солей карбоновых кислот (реакция Дюма). Образующийся алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная соль.
2. Синтез Вюрца (удвоение цепи); проводят с целью получения алканов с более длинной углеродной цепью.
3. Электролиз ацетата натрия:

Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины) также могут быть относены к классу предельных УВ, так как представляют собой карбоциклические соединения с одинарными σ-связями.

Циклоалканы (циклопарафины) - это циклические углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей и соответствующие общей формуле CnH2n.

Циклоалканы также являются насыщенными углеводородами, то есть проявляют свойства, аналогичные алканам. В отличии от алканов, циклоалканы смалыми циклами (циклопропан и циклобутан) могут вступать в реакции присоединения, происходящие с разрывом связей и раскрытием цикла. Для остальных циклоалканов характерны реакции замещения, протекающие, аналогично алканам, по свободно-радикальному механизму.

К непредельным (ненасыщенным) углеводородам, согласно классификации, относятся алкены, алкадиены и алкины. Ароматические УВ также могут быть отнесены к непредельным соединениям. Свойство "непредельности" связано со способностью этих УВ вступать в реакции присоединения по кратным связям и образовывать, в конце концов, предельные УВ. Реакции присоединения включают реакции гидрирования (присоединение водорода), галогенирования (присоединение галогенов), гидрогалогенирования (присоединение галогенводородов), гидратации (присоединение воды), полимеризации. Большая часть этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

Получение циклоалканов

1. Действием активного металла на дигалогеналкан:
2. Гидрирование аренов (t, p, Pt):

Задание 1. Из предложенного перечня выберите два вещества, которые являются мономерами при получении полипропилена и полиизобутилена соответственно.

Алкены

Алкены (олефины)- ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле CnH2n.

Для алкенов, помимо указанных реакций присоединения, характерны также реакции окисления с образованием гликолей (двухатомных спиртов), кетонов или карбоновых кислот, в зависимости от длины цепи и места расположения двойной связи. Подробно особенности протекания этих реакций рассматриваются в теме "ОВР в органической химии".

Получение алкенов

Лабораторные способы получения:

1. Дегидрогалогенирование галогеноалканов производится спиртовым раствором щёлочи:
2. Дегидратация спиртов протекает в присутствии концентрированной серной кислоты или безводного оксида алюминия при нагревании (t> 150^оС) с образованием алкенов:
3. Дегалогенирование дигалогенопроизводных производят с помощью мелкораздробленного цинка или магния:

Промышленные способы:

1. Основной способ получения алкенов – крекинг алканов, приводящий к образованию смеси низкомолекулярных алкенов и алканов, которую можно разделить перегонкой:
2. Дегидрирование алканов (катализаторы: Pt; Ni; AI₂O₃; Cr₂O₃):
3. Каталитическое гидрирование алкинов (катализаторы: Pt; Ni; Pd):

Алкадиены

Алкадиены - ациклические углеводороды, содержащие в молекуле, помимо одинарных связей, две двойные связи между атомами углерода и соответствующие общей формуле CnH2n−2.

кумулятивные диены (аллены): −CH2−CH=C=CH−CH2−

изолированные диены: −CH2−CH=CH−CH2−CH2−CH=CH−CH2−

сопряженные диены: −CH2−CH=CH−CH=CH−CH2−

Наибольшее практическое применение имеют сопряженные алкадиены, в которых две двойные связи разделены одинарной связью, как, например, в молекуле бутадиена: CH2=CH−CH=CH2. На основе бутадиена синтезирован искусственный каучук. Поэтому основным практическим свойством алкадиенов является способность к полимеризации за счет двойных связей. Химические свойства сопряженных алкадиенов будут подробно рассмотрены в теме: "Особенности химических свойств сопряженных диенов".

Получение алкадиенов

1. Дегидрированием алканов, содержащихся в природном газе и газах нефтепереработки, при пропускании их над нагретым катализатором:
2. Дегидрированием и дегидратацией этилового спирта при пропускании паров спирта над нагретыми катализаторами (метод акад. С.В.Лебедева):

Задание 2. Из предложенного перечня выберите два вещества, которые могут образоваться при полимеризации ацетилена.

1.  винилацетилен
2.  фуллерен
3.  бензол
4.  стирол
5.  бутадиен-1,3

Алкины 

Алкины - ациклические углеводороды, содержащие в структуре молекулы, помимо одинарных связей, одну тройную связь между атомами углерода, и соответствующие общей формуле CnH2n−2.

Алкины и алкадиены являются межклассовыми изомерами, так как отвечают одной общей формуле. Для алкинов, как и для всех непредельных УВ, характерны реакции присоединения. Реакции протекают по электрофильному механизму в две стадии - с образованием алкенов и их производных и далее с образованием предельных УВ. Причем первая стадия протекает медленнее второй. Особенным свойством ацетилена, первого представителя ряда алкинов, является реакция тримеризации с получением бензола (реакция Зелинского). Особенности протекания этой и других реакций будут рассмотрены в теме "Применение и получение аренов".

Получение алкинов

Ацетилен:

а) метановый способ:

б) гидролиз карбида кальция (лабораторный способ):

Вследствие большой энергоемкости этот метод экономически менее выгоден.

Синтез гомологов ацетилена:

а) каталитическое дегидрирование алканов и алкенов:

б) дегидрогалогенирование дигалогеналканов спиртовым раствором щелочи (щелочь и спирт берутся в избытке):

Арены

Ароматические углеводороды (арены) - карбоциклические углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Состав аренов с одним бензольным кольцом отвечает общей формуле CnH2n−6.

Формула с делокализованными связями означает, что электронные р-орбитали атомов углерода участвуют в сопряжении и образуют единую π-систему. Производные (гомологи) бензола образуются за счет замещения атомов водорода в кольце на другие атомы или группы атомов и образуют боковые цепи.

Поэтому для ароматических соединений ряда бензола характерны реакции по двум направлениям: по бензольному кольцу, и "в боковую цепь". По бензольному кольцу (ядру) характерны реакции электрофильного замещения, так как наличие π-системы, то есть области повышенной электронной плотности, делает структуру бензола энергетически выгодной для воздействия электрофилов (положительных ионов). В отличии от непредельных УВ, для которых характерны реакции электрофильного присоединения, ароматическая структура бензола обладает повышенной устойчивостью и нарушение ее энергетически невыгодно. Поэтому при электрофильной атаке происходит не разрыв π- связей, а замещение атомов водорода. Реакции "в боковую цепь" зависят от характера радикала-заместителя и могут протекать по разным механизмам.

Ароматические соединения. имеющие в своей структуре несколько (два и более) конденсированных бензольных колец называются полиядерными ароматическими УВ и имеют свои тривиальные названия.

Получение аренов

Бензол

1. Тримеризация алкинов над активированным углем (Зелинский):
2. В лаборатории сплавлением солей бензойной кислоты со щелочами:

Бензол и гомологи

1. При коксовании каменного угля образуется каменноугольная смола, из которой выделяют бензол, толуол, ксилолы, нафталин и многие другие органические соединения.
2. Дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов в присутствии катализатора. Из гексана получается бензол, а из гептана - толуол:
3. Получение гомологов - алкилирование бензола галогеналканами или алкенами в присутствии безводного хлорида алюминия:

Задание 3. Из предложенного перечня выберите два вещества, каждое из которых можно использовать для получения бензола в одну стадию.

1. ацетилен
2. этилен
3. бутадиен
4. метан
5. гексан

Задание 4. Из предложенного перечня выберите два вещества, с каждым из которых реагирует ацетилен.

1. хлороводород
2. дихлорэтан
3. вода
4. бензол
5. бутан при облучении

Задание 5. Из предложенного перечня выберите два вещества, которые могут образоваться при нагревании смеси хлорметана и хлорэтана с металлическим натрием.

1. метан
2. пропан
3. этан
4. 1,2-дибромпропан

Закрепление:

Скажите, какие термины Вы запомнили?

Чем отличаются углеводороды друг от друга?

Как получить углеводороды?

Домашнее задание:

Выучить и повторить материал из конспекта, а именно термины, что такое углеводороды, алканы, алкены, алкины, арены. Выучить способы их поучения.

• «Вконтакте»: vk.com/myetginpro
• «Одноклассники»: ok.ru/etginpro
• «YouTube»: youtube.com/channel/UC5Sv[...]