Цикл лекций по теме «Непредельные углеводороды. Алкены»

Цели урока: познакомить учащихся химическим и электронным строением молекул алкенов на примере этилена.

Оборудование: модели молекул Стюарта-Бриглеба, презентация по теме "Непредельные углеводороды. Алкены".

Ход урока

Строение молекулы этилена.

Урок целесообразно начать с выяснения вопроса, как учащиеся поняли термин "предельные" углеводороды.

Разумеется, коль существуют углеводороды предельные, должны быть и непредельные. К непредельным углеводородам относятся вещества, содержащие в своем составе кратные углерод-углеродные связи: двойную С=С или тройную С С. Термин "непредельные" объясняется способностью этих соединений вступать в реакции присоединения с разрывом кратных связей, превращаясь при этом в предельные (насыщенные) углеводороды или их производные. Простейшими непредельными углеводородами являются соединения с одной двойной связью. Первый представитель этого класса углеводородов - этилен СН₂=СН₂.

Экспериментально доказано, что в молекулах этилена и других углеводородов этого ряда одна из двойной связи относительно легко разрывается, а вторая является более прочной. Так, например, если пропустить этилен через бромную воду, то происходит обесцвечивание в результате присоединения атомов брома:

Н₂С=СН₂ + Br₂ —> BrН₂С–СН₂Br (1,2-дибромэтан)

Данная реакция позволяет обнаружить кратную связь в веществе.

Почему в молекуле этилена одна из двойной связи между атомами углерода является менее прочной? Ответить на этот вопрос можно, обратившись к современным представлениям о ?- и ?-связях. Следует также вспомнить, что в атоме углерода в результате распаривания 2s-электронов на наружном энергетическом уровне имеются как s- так и p-электроны, облака которых могут подвергаться гибридизации.

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно s- и два p-электронных облака атомов углерода (sp²-гибридизация). Таким образом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных облака и по одному (всего два) негибридному p-облаку.

<Слайд 1>

Два из гибридных электронных облаков атомов углерода взаимно перекрываются и образуют между атомами углерода ?-связь. Остальные четыре гибридных электронных облака атомов углерода перекрываются в той же плоскости с четырьмя s-электронными облаками атомов водорода и также образуют четыре -связи. Негибридные два p-облака атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости -связей, т.е. образуется одна -связь.

<Слайд 2>

Следовательно, в молекуле этилена между атомами углерода имеется одна - и одна -связь. В углеродных соединениях -связь значительно слабее, чем -связь. Под действием реагентов -связь легко разрывается.

Электронное строение молекулы этилена определяет ее пространственное строение. Центры ядер всех шести атомов расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости -связи. Все валентные углы НСС и НСН близки к 120^о. Длина двойной связи значительно меньше длины одинарной связи и составляет 0,133 нм. Благодаря двоесвязанности атомов углерода, свободное вращение относительно связи С=С невозможно.

Таким образом, как подведение итога всего выше сказанного, можно проговорить определение углеводородов ряда этилена:

Гомологический ряд алкенов. Изомерия и номенклатура непредельных углеводородов ряда "Этилен"

Цели:

• познакомить учащихся с гомологическим рядом алкенов.
• развивать полученные ранее представления об изомерии (в том числе геометрической) и умения давать названия соединениям по номенклатуре ИЮПАК.

Оборудование: презентация "Непредельные углеводороды. Алкены".

Ход урока:

Этилен, подобно метану, является родоначальником целого ряда углеводородов сходного строения - гомологического ряда алкенов. Как и в случае алканов, два ближайших гомолога отличаются по составу на группу –СН₂–, называемую гомологической разностью.

Учитель демонстрирует, как получить формулу следующего представителя гомологического ряда этиленовых углеводородов.

Поскольку все водородные атомы в этилене одинаковы (эквивалентны), существует только один изомер состава С₃Н₆. Этот углеводород носит название пропилен или, в соответствии с международной номенклатурой, пропен.

Аналогичным образом можно построить из молекулы пропена структурные формулы следующего гомолога - бутена. Учитель просит ребят внимательно посмотреть на структуру С₃Н₆ и обратить внимание, что атомы водорода в ней уже на эквивалентны! Их можно разделить на группы: три водорода метильной группы, один атом Н у центрального углерода и два водородных атома при С (1). Уже этот факт позволяет предположить, что изомеров у бутена несколько! Поочередно заменяя на метильную группу атомы водорода каждого типа, учитель изображает формулы бутена-1, 2-метилпропена. Эти изомеры отличаются строением углеродного скелета. Теперь останется заменить на атомы водорода при С(1), сначала "верхний", потом "нижний". Будут ли это различные вещества, разные изомеры? Да, поскольку вращение относительно двойной С=С связи (в отличие от одинарной) невозможно! Ученики вспоминают, что такой тип изомерии называется геометрической или цис-транс-изомерией (от лат. Cis - на этой стороне, trans - через, на другой.)

Пары структур (I) и (III), а также (I) и (IV) демонстрируют еще один, новый по сравнению с алканами тип изомерии - изомерию положения двойной связи.

Преподаватели со стажем знают, что некоторые моменты, тривиальные для учителя, совсем не очевидны для учащихся. На них нужно обратить внимание, проверить, насколько они усвоены. Вот некоторые из них:

1. В алкенах из всех углеродных атомов только два, связанные кратной связью, находятся в состоянии sp²-гибридизации, а остальные атомы имеют sp³-конфигурацию. Как же определить тип гибридизации в общем случае, для любого атома С? Если атом углерода связан с четырьмя другими атомами, он находится в состоянии sp³-гибридизации, если с тремя соседями - в sp²-гибридизации, с двумя - это состояние sp-гибридизации.

2. Не любой алкен имеет пространственные изомеры. По какому признаку можно определить, есть ли у данного углеводорода цис-транс-изомеры? Для этого необходимо, чтобы каждый из двух атомов углерода при двойной связи имел по два различных заместителя. Например, у 3-этилгексена-3 пространственных изомеров нет (у третьего углеродного атома два этильных заместителя), а 3-метилгексен-3 - цис-транс-изомеры имеет. Их изображение начинают с атомов углерода, связанных двойной связью, затем указывают четыре заместителя, с ними связанных.

Номенклатура.

На приведенных примерах показывается алгоритм составления названия углеводорода по номенклатуре ИЮПАК:

1. Самая длинная цепь должна содержать двойную связь и нумеруется с того конца, к которому она ближе. При расположении кратной связи в центре цепи, нумерацию ведут от атома углерода, к которому ближе разветвление.

2. В основе названия - наименование алкана с тем же числом углеродных атомов, при этом суффикс -ан меняется на -ен.

3. Положение и название заместителей указываются перед основой названия, а положение двойной связи в цепи - после.

4. Если необходимо указать тип пространственного изомера. Перед названием добавляют префиксы цис- или транс-.

Простейшие алкены, наряду с международными терминами (этен, пропен и бутен), часто обозначают исторически сложившимися названиями (этилен, пропилен, бутилен): суффикс -ан меняется на суффикс -илен.

При отщеплении одного атома водорода от молекулы алкенов образуются непредельные радикалы общей формулы С_nH_2n-1, простейшие из которых называются: винил СН₂=СН- и аллил СН₂=СН-СН₂-.

В заключении урока на ряде заданий учащимся предлагается закрепить умение составлять структурные формулы алкенов и давать им название. Задания разделены на два уровня сложности и особое внимание для 2-го уровня следует уделить написанию структур геометрических изомеров. (<Приложение>)

Получение углеводородов ряда "Этилен"

Цель: рассмотреть промышленные и лабораторные способы получения алкенов.

Оборудование: этиловый спирт, серная кислота (конц.), прибор для получения газов.

Ход урока

При объяснении способов получения алкенов следует упомянуть, что все способы условно разделяются на промышленные и лабораторные, приведенные на рисунке ниже.

Промышленные способы - это уже известные ранее крекинг и дегидрирование алканов. Учитель просит учеников самим написать схемы крекинга ряда предельных углеводородов: октана, бутана, 2,3-диметилбутана. В первом случае следует обратить внимание, что из возможных изомеров бутена, различающихся положением двойной связи, преимущественно образуется бутен-2. Аналогично при каталитическом дегидрировании бутана в смеси продуктов также преобладает бутен-2. кроме этого так же следует обратить внимание на то обстоятельство, что дегидрирование алканов возможно при обязательном присутствии катализатора. Данную реакцию рассматривают на примере дегидрирования метана и этана. Продукты реакции в первом и втором случаях будет являться этилен.

2СН₄ —> С₂Н₄ + Н₂

СН₃-СН₃ —> Н₂С = СН₂ + Н₂

Условия протекания реакций: температура порядка 500^оС, присутствие никеля в качестве катализатора.

Лабораторные способы получения.

1. Дегидратация спиртов - нагревание смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой.

Учитель демонстрирует получение этилена. Если нет такой возможности, то можно продемонстрировать видеоролик из коллекции цифровых образовательных ресурсов (www.school-collection.edu.ru).

С₂Н₅ОН —> Н₂С=СН₂ + НОН

Здесь следует упомянуть, что именно с помощью данной реакции был впервые получен этилен в 1669 г. немецким химиком Иоганом Иохимом Бехером. Современники не смогли по достоинству оценить открытие ученого. Ведь Бехер не только синтезировал новый углеводород, но и впервые применил химический катализатор (серная кислота) в процессе реакции. До этого в научной практике и повседневной жизни применялись только биологические катализаторы природного происхождения - ферменты.

2. Углеводороды ряда этилена можно получить при взаимодействии дигалогенопроизводных предельных углеводородов с металлами:

СН₂Br-CHBr-CH₃ + Zn —> H₂C=CH-CH₃ + ZnBr₂

Если атомы галогенов находятся не у соседних атомов углерода, то могут образоваться циклопарафины.

3. При действии спиртовых растворов щелочей на галогенпроизводные отщепляется галогеноводород и образуется углеводород с двойной связью:

В качестве исходных веществ для такой реакции лучше брать хлор- или бромалканы, а также гидроксиды натрия и калия. Кроме этого следует обратить внимание учащихся на следующее обстоятельство: если есть возможность отщепления галогеноводорода несколькими различными способами, преимущественно реализуется тот, при котором атом водорода отщепляется от наименее гидрированного (с меньшим числом водородных атомов) атома углерода, т.е. образуется алкен с большим числом алкильных заместителей при двойной связи. Эта закономерность открыта в 1875 г. выдающимся русским химиком, учеником и полным тезкой Бутлерова Александром Михайловичем Зайцевым и носит название правило Зайцева.

По существу реакция дегидратации - полная аналогия реакции дегидрогалогенирования. У учителя есть возможность еще раз отработать все использованные выше приемы, закрепить материал:

- "расшифровка" термина дегидратация: отщепление молекулы воды. Четверо из пяти школьников пишут это слово через "о", следует обратить внимание на правильное написание;

- важность условий проведения реакции: при температуре ниже 180 ?С в качестве основного продукта получается диэтиловый простой эфир. Ученикам следует напомнить, что именно в этой реакции впервые был использован катализ концентрированной серной кислотой:

- отщепление молекулы воды для вторичных и третичных спиртов также определяется правилом Зайцева.

Для закрепления способов получения алкенов ученикам можно предложить выполнить задание из приложения.

Физические и химические свойства алкенов

Цель: развивать общие представления о типах химических реакций и механизмах их протекания на химических свойствах этиленовых углеводородов. Дать представление о химии полимеров и реакциях полимеризации. Познакомить с пластмассами и их значением в жизни современного общества.

Оборудование: этиловый спирт, серная кислота (конц.), бромная вода, прибор для получения газов. Демонстрационные образцы: пленка и изделия из полиэтилена, полипропилена, тефлона, поливинилхлорида.

Ход урока

Физические свойства.

Следует обратить внимание учащихся на тот факт, что этиленовые углеводороды, также как и алканы могут быть в трех состояниях. Этилен - бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Пропилен и бутены (бутилены) при нормальных условиях также газообразны, от пентена С₅Н₁₀ до октадецена С₁₈Н₃₆ включительно углеводороды находятся в жидком состоянии, а начиная с нонадецена С₁₉Н₃₈ - в твердом.

Химические свойства.

Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи. Для них характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

1. Реакции присоединения.

1.1. Этилен и его гомологи взаимодействуют с галогенами (хлор, бром) с разрывом двойной связи и образованием дигалогенпроизводных. В общем виде реакция выглядит следующим образом:

C_nH_2n + Cl₂ = C_nH_2nCl₂

C_nH_2n + Br₂ = C_nH_2nBr₂

Реакция может идти и в гетерогенной системе между газообразным или жидким алкеном и водным раствором брома (бромной водой), при этом бромная вода обесцвечивается. Следует подчеркнуть, что данная реакция является качественной на двойную углерод-углеродную связь.

1.2. Гидрирование. Присоединение водорода по двойной связи происходит в присутствии металлических катализаторов. Иногда для этого требуется повышение давления или температуры. Наиболее распространенным катализатором процессов гидрирования и дегидрирования является никель.

H₂C=CH₂ + H₂ = H₃C-CH₃

H₂C=CH-CH₃ + H₂ = CH₃-CH₂-CH₃

Для правильного написания продуктов присоединения к алкенам следует помнить, что углеродный скелет в этих процессах не претерпевает изменений!

1.3. Гидратация. В присутствии серной или ортофосфорной кислоты и других катализаторов, а также повышении давления и температуры этилен способен присоединить воду.

H₂C=CH₂ + HOH = CH₃-CH₂-OH

Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.

1.4. Гидрогалогенирование. Хлороводород и бромоводород присоединяются к алкенам в газовой фазе.

H₂C=CH₂ + HBr = CH₃-CH₂Br (этилбромид)

H₂C=CH₂ + HCl = CH₃-CH₂Cl (этилхлорид)

Этилхлорид применяют для местной анестезии.

Пропилен и последующие углеводороды ряда этилена реагируют с галогеноводородами согласно правилу В.В. Марковникова.

При изучении реакций замещения, в которых участвуют предельные углеводороды, обязательно нужно остановиться на том факте, что эти реакции протекают по свободнорадикальному механизму. У алкенов присоединение галогеноводородов происходит по ионному механизму.

Многие химические реакции, в которых участвуют органические вещества, протекают либо по свободнорадикальному, либо по ионному механизму. Во всех этих реакциях происходит разрыв одних связей и образование новых.

2. Реакции окисления.

2.1. Окисление кислородом воздуха (горение).

При горении всех углеводородов ряда этилена продуктами реакции всегда будут являться углекислый газ и вода, но следует помнить, что с воздухом газообразные алкены образуют взрывчатые смеси. На данном этапе можно продемонстрировать реакцию горения этилена в сравнении с реакцией горения природного газа или газа зажигалки. Учащиеся замечают, что цвета пламени веществ различаются. Этилен горит красноватым пламенем, а газ зажигалки - синеватым. Такие различия обусловлены различным процентным содержанием углерода в предельных и непредельных углеводородах. Для подтверждения сказанного учитель предлагает рассчитать содержание углерода в этане и этилене.

2.2. Окисление перманганатом калия. При пропускании этилена через водный раствор перманганата калия наблюдается обесцвечивание раствора.

3H₂C=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O = 3HO-CH₂-CH₂-OH + 2MnO₄v + 2KOH

Сокращенно реакция представляется следующим образом:

H₂C=CH₂ + [O] + H₂O = HO-CH₂-CH₂-OH(этиленгликоль)

Реакцию окисления алкенов водным раствором перманганата калия открыл в 1888г. русский химик с немецкой фамилией - Егор Егорович Вагнер. С помощью этой качественно реакции Вагнер доказал непредельный характер некоторых природных соединений: терпенов, лимонена, скипидара. С тех пор эта реакция носит имя ученого - реакция Вагнера.

Этиленгликоль широко применяется для производства мало замерзающих жидкостей - антифризов, а также синтетического волокна лавсана, взрывчатых веществ и др.

2.3. Очень важными промышленными процессами является каталитическое окисление этиленовых углеводородов. При использовании в качестве катализатора влажной смеси двух солей - хлорида палладия и хлорида меди (II) - получают ацетальдегид (Вакер-процесс). На сегодняшний день это лучший способ получения уксусного альдегида в промышленности:

При пропускании смеси этилена с воздухом над серебряным катализатором при 150-350 ?С образуется оксид этилена, относящийся к классу эпоксидов.

Оксид этилена широко используется в промышленности для получения эпоксидных смол, синтетических моющих средств, лаков, пластмасс, синтетических каучуков и волокон.

3. Реакции полимеризации.

При повышенном давлении и температуре, в присутствии катализатора молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи и образуют полиэтилен. В упрощенном виде такую реакцию можно отразить так:

nCH₂=CH₂ —> (-CH₂-CH₂-)n

Полиэтилен - соединение с массой, выражаемой десятками и сотнями тысяч атомных единиц массы.

Не меньшее значение в повседневной жизни играют полимеры на основе галогенопроизводных этиленовых углеводородов. Открытию этих соединений человечество обязано Его Величеству Случаю (хотя "случайные" открытия удаются только тем, кто много и упорно работает). В 1938 г американский ученый Р. Планкетт проводил опыты с тетрафторэтиленом CF₂=CF₂. Для удобства он наполнил этим газообразным веществом металлический баллон под давлением. На следующий день газа в баллоне не оказалось, а внутри лежал порошок молочно-белого цвета. Это и был политетрафторэтилен или тефлон.

nCF₂=CF₂ —> (-CF₂-CF₂-)_n

Тефлон обладает исключительной химической устойчивостью. На него не действуют ни расплавленные щелочи, ни концентрированные кислоты, ни даже царская водка, растворяющая золото. Он не набухает в воде, устойчив в интервал температур от -250 до +200^оС, не хрупок даже при сильном охлаждении, обладает очень низким коэффициентом трения. Из тефлона изготавливают подшипники и втулки, детали химических аппаратов и машин, оболочки высоковольтных кабелей и пленки.

Однако тефлон не лишен недостатков. Минуя жидкое агрегатное состояние, при температуре более 400^оС он разлагается, поэтому из него невозможно отливать изделия обычным способом. Этого недостатка лишены другие полимеры на основе галогеналканов. Из хлорэтилена, который чаще называют винилхлоридом, получают ценный полимер - поливинилхлорид.

nCH₂=CHCl —> (-CH₂-CHCl-)_n

Этот полимер гибок, эластичен, обладает прекрасными электроизоляционным свойствами. Из него изготавливают трубки, изоляцию электропроводов, изоленту, пленку, искусственную кожу.

В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимерных материалов. Они все в большей степени вытесняют из нашего быта природные материалы, поскольку обладают уникальными и самыми разнообразными свойствами, сравнительно дешевы, легко обрабатываются, многие подлежат вторичной переработке.

Учителю стоит обратить внимание на замечательные пророческие слова Джулио Натта, написанные им в 1957 году:

"Химик, собирающийся построить гигантскую молекулу, находится в таком же положении, как и архитектор, проектирующий здание. В его распоряжении имеется ряд строительных блоков определенных форм и размеров, и он должен соединить их вместе в структуру, которая будет служить определенной цели. Химия полимеров в настоящее время становится все более привлекательной областью исследований; в последние несколько лет открыты новые пути соединения блоков вместе - открытия, которые сулят получение большого количества материалов, прежде никогда не существовавших на Земле".

Способы получения и химические свойства этиленовых углеводородов необходимо закрепить решением типовых упражнений. Примерные варианты заданий приведены в приложении.

Генетическая связь алкенов отражена в схеме ниже.