Презентація на тему «Алкани, алкени, алкіни»

Алкани, алкени, алкіни
Презентацію  підготувала
учениця 11-А класу
Трачук Олеся
Гомологічний ряд алканів
Номенклатура алканів


Будова молекул алканів
Будова молекули метану
Для алканів здебільшого характерні структурні ізомери. Перші три члени гомологічного ряду алканів мають тільки по одному ізомеру. Тим часом бутан має вже два ізомери:


Пентан має вже три ізомери:

Ізомери алканів
Способи добування алканів

Ni
t
У лабораторних умовах метан добувають взаємодією алюміній карбіду з водою (а) або нагріванням суміші натрій ацетату з натрій гідроксидом (б):
          Al4C3 + 12H2O       4Al(OH)3 + 3CH4        (а)
        CH3COONa + NaOH       Na2CO3 + CH4   (б)
Інші алкани можна отримати взаємодією металічного натрію з моногалогенпохідними алканів (реакція Вюрца):
2H3C–CH2–Br +2Na      H3C–CH2–CH2–CH3 + 2NaBr
t
t
У молекулах алканів є лише неполярні й доволі міцні σ-зв’язки C – C і C – H. Тому сполуки малоактивні в хімічних реакціях. Однак за жорстких умов (висока температура, підвищений тиск, ультрафіолетове опромінення тощо) ці сполуки можуть вступати в деякі реакції:
повне окиснення  (горіння):
2H3C–CH3 + 7O2      4CO2 + 6H2O
2. часткове окиснення (каталітичне окиснення):
H3C–(CH2)n–CH3     суміш оксигеновмісних сполук
3. розкладання:
H3C – CH3     2C + 3H2
Хімічні властивості алканів
t
4. заміщення:
CH4 + Cl2        CH3 – Cl + HCl
CH4 + HONO2     CH3–NO2 + H2O
5. ізомеризація:
H3C – CH2 – CH2 – CH3             H3C – CH – CH3
  I
      CH3

t/AlCl3
t
hv
Фізичні властивості алканів
Перші чотири члени гомологічного ряду алканів (С1-С4) - гази, наступні 13 членів (С5-С17) - рідини. Алкани, до складу молекул яких входить 20 і більше атомів Карбону - тверді речовини.
Застосування алканів
Алкани широко використовують у різних галузях промисловості і сільського господарства. Метан є сировиною для отримання багатьох хімічних продуктів, паливом на підприємствах і в побуті. З вищих алканів добувають ароматичні вуглеводні, застосовують як паливо для двигунів внутрішнього згорання (бензини), для дизельних двигунів (солярові масла), реактивних двигунів (гас). Насичені вуглеводні – добрі розчинники жирів і деяких інших органічних речовин.
Алкени
Гомологічний ряд алкенів
У алкенах з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом нумерацію атомів Карбону починають із того кінця, до якого ближче перебуває подвійний зв’язок. У назві відповідного алкану закінчення -ан замінюється на -ін (-ин). У розгалужених алкенах головний ланцюг вибирають так, щоб він містив подвійний зв’язок, навіть якщо він при цьому й не буде найдовшим. Перед назвою головного ланцюга вказують номер атома Карбону, при якому перебуває замісник, і назву цього замісника. Номер після назви головного ланцюга вказує положення подвійного зв’язку, наприклад:

Номенклатура алкенів
Будова молекул алкенів
Характерна риса будови алкенів – наявність в молекулі одного подвійного карбон-карбонового  зв'язку. Подвійний зв'язок утвориться за допомогою двох пар узагальнених електронів (чьотирьох-електронний зв'язок). Карбонові  атоми, зв'язані подвійним зв'язком, знаходяться в стані sр2-гібридизації, кожний з них утворює три           -зв'язки, що лежать в одній площині під кутом 120°. Негібридизовані орбіталі р-електронів розташовані перпендикулярно до площини               -зв'язків і паралельно один одному і внаслідок «бічного» перекривання утворюють другий зв'язок, який називається  -зв'язком. Електронна хмара -зв'язку частково розташована над площиною, а частково під площиною, у якій лежать атоми. Таким чином, подвійний зв'язок являє собою сполучення - і -зв'язків. Бічне перекривання негібридизованних       р-орбіталей, що утворюють -зв'язок, зближує атоми Карбону і відстань між ними стає коротшою – довжина подвійного С=С-зв'язку 0,133 нм (довжина простого С-С-зв'язку 0,154 нм). Схема розташування атомів і зв'язків у молекулі етилену:
Будова молекули етилену
Ізомери алкенів
Структурні ізомери алкенів можуть відрізнятися будовою карбонового ланцюга  і положенням подвійного зв'язку. Так, для бутену С4Н8 відомі три ізомери:
СН2 = СН – СН2 – СН3  (бут-1-ен)          
СН3 – СН = СН – СН3   (бут-2-ен) 
СН2=С–СН3    (метил-пропен)

          СН3   
Цей приклад показує, що число ізомерів у алкенів вище, ніж у алканів.
    Для етиленових сполук можлива просторова ізомерія, що пов'язана з розташуванням замісників стосовно площини подвійного зв'язку. Ця ізомерія спостерігається в тих випадках, коли кожний з атомів Карбону, зв'язаних подвійним зв'язком, витрачає інші дві одиниці валентності на зв'язок із двома різними замісниками. Розташування пари однакових замісників по одну сторону площини подвійного зв'язку дає цис-ізомер, по різні сторони — транс-ізомер, наприклад:
(цис-бут-2-ен (tпл =  –139,3°С,  tкип =  +3,7°С)) 
(транс-бут-2-ен(tпл=  –105,8°С,  tкип= +0,96°С)) 
     Перетворення цих ізомерів один в одного вимагає обертання навколо подвійного зв'язку, тобто необхідно порушити перекривання р-орбіталей і розірвати -зв'язок. На це потрібно затратити понад 250 кДж/моль енергії. Такий енергетичний бар'єр утруднює обертання й обумовлює існування цис-транс-ізомерів як стійких індивідуальних речовин. Природа цієї ізомерії така ж,  як у заміщених циклах.
     Як правило, транс-ізомери більш стійкі, мають більш високу температуру плавлення. При нагріванні цис-транс-ізомери можуть переходити один в одний: між ними встановлюється рівновага.
Способи добування алкенів
Подвійний  C=C-зв’язок утворюється внаслідок відщеплення двох замісників від сусідніх атомів Карбону насичених сполук. Зокрема, алкени є продуктами таких реакцій:
1. відщеплення галогеноводню від моногалогенпохідних алкану:
      
      HC3 – CH – CH2 + NaOH                H3C – CH=CH2 + NaCl + H2O

                 H       Cl
2. відщеплення галогену від дигалогенпохідних алканів, у яких атоми  галогену зв’язані з сусідніми атомами Карбону:
      H3C – CH – CH – CH3 + Zn      H3C – CH = CH – CH3 + ZnCl2
                  
                Cl       Cl
3. відщеплення води від спиртів:
     H2C – CH2                      H2C = CH2 + H2O
      
         H    OH
4. відщеплення водню від алканів (дегідрогенізація):
    H2C – CH2                      H2C = CH2 + H2O
      
         H    H

Спирт
t

У промисловості значні кількості алкенів отримують крекінгом нафтопродуктів. Внаслідок крекінгу алканів утворюється 50% алканів і 50% алкенів.
Під час крекінгу С – С зв’язок може розриватися у будь-якому положенні, тому утворюється складна суміш насичених і ненасичених сполук.
Хімічні властивості алкенів
кат.
H2SO4 (конц.), t
[OH-]
3. Реакції полімеризації:
Алкени, як й інші ненасичені сполуки, вступають у реакції   полімеризації. Внаслідок полімеризації утворюються високомолекулярні сполуки (полімери). Етен за високого тиску й підвищеної температури утворює поліетилен:nH2C=CH2                                   n
(–CH2 – CH2 –)
Фізичні властивості алкенів
Застосування алкенів
Алкени широко використовують у промисловості органічного синтезу для отримання різноманітних речовин. Наприклад, етен є сировиною для добування етанолу, 1,2-дихлоретану, поліетилену. Його використовують у сільському господарстві для прискорення дозрівання плодів. Пропен є сировиною для отримання пропан-2-олу, ацетону, гліцеролу і поліпропілену.
Алкіни
Гомологічний ряд алкінів





Номенклатура алкінів
Назви алкінів утворюють із назв відповідних насичених вуглеводнів заміною суфікса -ан на суфікс -ин (-ін). Якщо молекула алкіну розгалужена, головним ланцюгом вважають найдовший із тих, що містить потрійний зв’язок. Нумерують атоми Карбону головного ланцюга з того краю, до якого ближче знаходиться потрійний зв’язок.
Будова молекул алкінів
Будова молекули ацетилену
Ізомери алкінів
Структурна ізомерія

1. Ізомерія положення потрійного зв’язку (починаючи  з С4Н6):
СН  ССН2СН3 	                  СН3СССН3
   бутин-1                                      бутин-2

2. Ізомерія карбонового скелету (починаючи з С5Н8):
СН ССН2СН2СН3	СН ССНСН3
                                                        
                                                        СН3
        пентин-1	                  3-метилбутин-1

3. Міжкласова ізомерія  з алкадієнами і циклоалкенами, (починаючи з С4Н8):
                                                                                      СН = СН
СН С–СН2–СН3	            СН2=СН–СН=СН2                
                                                                                      СН2 –СН2
      бутин-1	              бутадієн-1,3	               циклобутен 
Способи добування алкінів
Найпоширеніший представник алкінів – ацетилен. У промисловості його добувають трьома методами.
Карбідний метод. Спочатку з вапняку і коксу отримують кальцій карбід, який під час взаємодії з водою утворює ацетилен.
CaCO3       CaO + CO2
CaO + 3C           CaC2 + CO
CaC2 + 2H2O        CH  CH + Ca(OH)2
Піроліз метану. Внаслідок нагрівання метану без доступу повітря (піроліз) утворюється ацетилен, а як побічний продукт – водень.
2CH4              CH  CH + 3H2 
Дегідрогалогенування дигалогенопохідних алканів.


t
2500Oc
1500Oc
Хімічні властивості алкінів
Хімічні властивості алкінів обумовлені наявністю в їхніх молекулах потрійного зв’язку. Типовими реакціями для ацетилену та його гомологів є реакції приєднання. Відмінність алкінів від алкенів полягає в тому, що реакції приєднання можуть протікати у дві стадії. На першій стадії йде приєднання до потрійного зв’язку утворенням подвійного зв’язку, а на другій стадії — приєднання за подвійним зв’язком. Реакції приєднання для алкінів протікають повільніше, ніж для алкенів.
1. Галогенування. Галогени приєднуються до алкінів у дві стадії. Наприклад, приєднання брому до ацетилену призводить до утворення диброметену, який, у свою чергу, реагує з надлишком Вr2 з утворенням тетраброметану:
Алкіни, так само як і алкени, знебарвлюють бромну воду.
2. Гідрогалогенування. Галогеноводні приєднуються до потрійного зв’язку важче, ніж до подвійного. Для активації галогеноводню використовують АlСl3. З ацетилену при цьому можна добувати вінілхлорид (хлоретен), який використовують для добування важливого полімеру — полівінілхлориду:
У разі надлишку галогеноводню відбувається повне гідрогалогенування, причому для несиметричних алкінів на кожній стадії приєднання йде за правилом Марковникова, наприклад:
3. Гіоратація. Приєднання води до алкінів каталізується солями ртуті (II):
На першій стадії реакції утворюється ненасичений спирт, в якому гідроксильна група перебуває безпосередньо в атома Карбону при подвійному зв’язку. Такі спирти заведено називати вініловими, або енолами. Прикметною рисою енолів є їхня нестійкість. У момент утворення вони ізомеризуються в більш стабільні карбонільні сполуки (альдегіди або кетони) за рахунок перенесення протона від гідроксильної групи до сусіднього атома Карбону при подвійному зв’язку. При цьому подвійний зв’язок між атомами Карбону розривається й утворюється подвійний зв’язок з атомом Карбону та атомом Оксигену. Причиною ізомеризації є більша міцність подвійного зв’язку С=О порівняно з подвійним С=С.
У результаті реакції гідратації тільки ацетилен перетворюється в альдегід; гідратація гомологів ацетилену протікає за правилом Марковникова, і утворені еноли ізомеризуються в кетони. Наприклад, пропін перетворюється в ацетон:
Реакцію гідратації алкінів відкрив М.Г. Кучеров (1881 р.), саме тому її й називають реакцією Кучерова.
4. Кислотні властивості. Особливістю алкінів, що мають кінцевий кратний зв’язок, є їхня здатність відщеплювати протон під дією сильних основ, тобто проявляти слабкі кислотні властивості. Таким чином, алкіни, на відміну від алкенів та алканів, здатні утворювати солі, які називають ацетиленідами:
Ацетиленіди Аргентуму и Купруму(I) легко утворюються й випадають в осад при пропусканні ацетилену через аміачний розчин аргентум оксиду або купрум (І) хлориду. Ці реакції слугують для виявлення алкінів з потрійним зв’язком у кінці ланцюга:
Ацетиленіди Арґентуму й Купруму як солі дуже слабких кислот легко розкладаються при дії хлороводневої кислоти з виділенням вихідного алкіну:
Таким чином, використовуючи реакції утворення й розкладу ацетиленідів, можна виділяти алкіни із сумішей з іншими вуглеводнями.
5. Полімеризація. У присутності каталізаторів алкіни можуть реагувати один з одним, причому залежно від умов утворюються різні продукти. Так, під дією водного розчину СuСl та NH4Cl ацетилен димеризується, утворюючи вінілацетилен:
Вінілацетилен має велику реакційну здатність, приєднуючи хлороводень, він утворює хлоропрен, який використовують для добування штучного каучуку:
При пропусканні ацетилену над активованим вугіллям при температурі +600°С відбувається тримеризація ацетилену з утворенням бензену:

В аналогічні реакції тримеризації можуть також вступати й найближчі гомологи ацетилену, наприклад:
6. Реакції окиснення й відновлення. Алкіни легко окиснюються різними окисниками, зокрема калій перманганатом. При реакції розчин калій перманганату знебарвлюється, що свідчить про наявність потрійного зв’язку. При окисненні зазвичай відбувається розщеплення потрійного зв’язку, утворюються карбонові кислоти:
У присутності металевих каталізаторів алкіни відновлюються шляхом послідовного приєднання молекул водню, перетворюючись спочатку в алкени, а потім в алкани:

Застосування алкінів
Серед усіх алкінів найбільше застосовують ацетилен (етин). Світова продукція його обчислюється мільйонами тонн за рік. Більша частина C2H2 витрачається на зварювання і різання металів. Ацетилен також є сировиною для отримання багатьох хімічних речовин: оцтового альдегіду, оцтової кислоти, етанолу, галогенопохідних, етену та етану, синтетичного каучуку, пластичних мас тощо. Чистий етин має типовий для ненасичених вуглеводнів запах, виявляє наркотичну дію, тому знаходить застосування в медицині.
Дякую за увагу!