1.2. Методы получения и химические свойства углеводородов

Углеводороды – это органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. Существует несколько типов такого рода соединений в зависимости от того, как соединены между собой атомы углерода. Они делятся на соединения с открытой цепью или ациклические, и соединения с замкнутой цепью или циклические.

Углеводороды С_хН_у

Алифатические (ациклические)

Циклические

Алканы С_nH_2n+2

Алицикли-ческие СnH2n

Алкены С_nH_2n

Аромати-ческие

С_nH_2n-6

Алкины С_nH_2n-2

Алкадиены С_nH_2n-2

*Выделены углеводороды, встречающиеся в нефти.

Ряд углеводородов, объединенных общей молекулярной формулой, имеющих схожие строение и химические свойства, но отличающихся на одну или несколько групп –СН₂- называется гомологическим рядом.

Углеводороды с открытой цепью или ациклические углеводороды, в которых все связи углерод-углерод простые (одинарные: С-С), носят название алканов (насыщенных или парафиновых углеводородов). Они имеют общую формулу С_nH_2n+2 и характеризуются химической инертностью, т.е. не вступают в реакции при обычных условиях. Основной тип реакций – замещение.

Другие типы гомологических рядов ациклических углеводородов - это алкены, алкадиены и алкины. Алкены (этиленовые углеводороды или олефины), соединения в молекуле которых помимо простых связей С-С имеются двойные углерод-углеродные связи С=С. Общая формула этого гомологического ряда С_nH_2n. Алкины (ацетиленовые углеводороды) – это углеводороды, в молекулах которых имеется тройная связь между атомами углерода С≡C. Oбщая формула гомологического ряда ацетиленовых углеводородов С_nH_2n-2. В молекулах углеводородов может быть несколько двойных и тройных связей. Например, алкадиены - углеводороды с двумя двойными связями в молекуле, с общей формулой С_nH_2n-2. Алкены, алкины и алкадиены относятся к непредельным соединениям. Присутствие двойных и тройных связей в молекуле заметно влияет на химические свойства этих углеводородов, делает их химически активными. Наиболее характерны реакции присоединения.

Циклические углеводороды включают два гомологических ряда: алициклический и ароматический. Углеводороды алициклического ряда содержат кольца, состоящие из углеродных атомов, связанных между собою простыми связями, как, например, в циклогексане:

Ароматические углеводороды - соединения, имеющие в молекуле бензольное кольцо:

Химические свойства циклоалканов во-многом похожи на химические свойства алканов.

Химические свойства аренов зависят от их строения. Сам бензол химически инертный. Гомологи бензола: толуол, этилбензол и др. химически более активны.

Экспериментальная часть. Лабораторная работа №2.

Опыт 1. Получение и свойства метана

В ступке растирают одну часть ацетата натрия (CH₃COONa) с двумя частями натронной извести (NaOH). Смесь пересыпают в сухую пробирку с газоотводной трубкой и нагревают сначала осторожно, а затем сильно.

Чтобы убедиться в том, что метан трудно вступает в химические реакции, его пропускают в пробирки, наполненные раствором перманганата калия и бромной водой. Окраска растворов при этом не изменяется, так как в обычных условиях метан не окисляется и не вступает в реакции замещения.

Опыт 2. Получение и свойства этилена.

В пробирку с газоотводной трубкой помещают 1 мл этилового спирта и, осторожно взбалтывая, приливают 4 мл концентрированной серной кислоты. В разогревшуюся смесь бросают кипелку и начинают медленно и осторожно нагревать пробирку до начала равномерного выделения газа. Реакционная смесь при этом темнеет:

t^о

СН₃СН₂ОН CH₂=CH₂ + H₂O

H₂SO₄

Заранее готовят две пробирки, заполненные на 2/3 объема бромной водой и раствором перманганата калия. Как только из газоотводной трубки начинает выделяться этилен, опускают поочередно газоотводную трубку в эти пробирки. Непредельный характер этилена проявляется в быстроте его бромирования и окисления. Бромная вода обесцвечивается, так как бром присоединяется к этилену:

CH₂=CH₂ + Br₂ CH₂-CH₂

Br Br

При окислении этилена раствором перманганата калия образуется этиленгликоль, в результате чего также происходит обесцвечивание раствора:

CH₂=CH₂ + H₂O + [O] CH₂-CH₂

OH OH

Эти две реакции (обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия) используют как качественные реакции, позволяющие обнаруживать непредельные углеводороды в нефтепродуктах.

Опыт 3. Сравнение свойств жидких алканов и алкенов

В качестве примера жидких парафиновых углеводородов возьмем н-гексан (СН₃СН₂СН₂СН₂СН₂СН₃). В качестве примера жидких алкенов возьмем гексен-1 (СН₂=СН-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃)

В две пробирки наливают по 1 мл н-гексана и н-гексена. В обе пробирки прибавляют 0,5 мл бромной воды. В первой пробирке обесцвечивания не происходит, т.е. в обычных условиях н-гексан с бромом не реагирует. Во второй пробирке наблюдается исчезновение окраски, т.е. гексен-1 прореагировал с бромом:

CH₂=CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ + Br₂ CH₂-CH-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

Br Br

Затем, готовят опять две пробирки с н-гексаном и гексеном и приливают по 1 мл раствора перманганата калия (KMnO₄). После встряхивания содержимого пробирок отмечают, что в первой пробирке изменений не происходит, раствор не обесцвечивается, т.е. реакция не идет. Во второй пробирке характерный фиолетовый цвет исчезает, т.к. гексен реагирует с KMnO₄.

Опыт 4. Получение и свойства ацетилена.

В сухую пробирку помещают кусочки карбида кальция, затем прикапывают насколько капель воды и быстро закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой. В пробирке наблюдается вспенивание за счет выделения газа. Газоотводную трубку опускают в пробирки с заранее приготовленными растворами бромной воды и перманганата калия. Наблюдается обесцвечивание растворов:

Br Br

HC≡CH + Br₂ HC – CH

Br Br

Арены

Опыт 5.

а) Бромирование бензола и толуола.

В одну пробирку помещают 1 мл бензола, в другую - 1 мл толуола. В каждую из пробирок добавляют по 1 мл бромной воды и встряхивают. Пробирки нагревают на водяной бане. Бромирование бензола в этих условиях не происходит, а толуол бромируется - происходит исчезновение окраски брома. Бромирование бензола возможно только в присутствии катализатора (железные опилки). Если в первую пробирку добавить железных опилок, встряхнуть и нагреть на водяной бане, то произойдет исчезновение окраски, следовательно, бензол бромируется.

толуол орто-бром- пара-бром-

толуол толуол

В молекуле толуола к ароматическому кольцу присоединена группа -СН₃. Это заместитель I-го рода, он облегчает введение следующего заместителя в ароматическое кольцо и направляет его в орто- и пара-положения.

Опыт 6. Окисление ароматических углеводородов

Опыт проводят одновременно с бензолом и толуолом. В две пробирки помещают по 1 мл раствора перманганата калия и разбавленной серной кислоты, затем добавляют по 0,5 мл в одну пробирку бензола, в другую -толуола. Сильно встряхивают каждую пробирку в течение нескольких минут. Отмечают изменение окраски в пробирках.

Бензол весьма устойчив к окислению и практически не реагирует с перманганатом калия ни в кислой, ни в щелочной среде. (Если реакция идет, вероятно, бензол содержит примесь тиофена). Гомологи бензола окисляется значительно легче.

бензол

толуол бензойная кислота

Опыт 7. Нитрование нафталина

В пробирку наливают 2 мл концентрированной азотной кислоты. К азотной кислоте добавляют  0,5 г нафталина. Содержимое пробирки встряхивают и нагревают на горячей водяной бане 5 мин. Затем содержимое пробирки выливают в стаканчик с холодной водой. Образовавшийся нитронафталин выделяется в виде оранжевого масла, которое быстро затвердевает при встряхивании.

нафталин -нитронафталин

Нафталин нитруется значительно легче, чем бензол и толуол. Поэтому нитрование нафталина проводят не нитрующей смесью, а только концентрированной азотной кислотой.

Опыт 8. Качественная реакция на ароматические углеводороды (формалитовая реакция)

Ароматические углеводороды образуют с формалином в присутствии серной кислоты ярко окрашенные продукты конденсации. Это свойство используют как качественную реакцию на присутствие ароматических углеводородов в нефтепродуктах.

В фарфоровую чашечку капают 6-8 капель концентрированной серной кислоты, затем прибавляют 3-4 капли формалина и 2-3 капли исследуемого вещества. При отсутствии ароматических углеводородов смесь остается бесцветной. Появление яркого красно-бурого окрашивания свидетельствует о наличии ароматических углеводородов в испытуемом продукте.

Меры безопасности

1. При выполнении опытов необходимо соблюдать правила противо-пожарной безопасности. Поскольку все органические вещества горючи, то при работе с ними надо соблюдать особую осторожность. Открытый конец нагреваемой пробирки не должен попадать в зону горелки.

2. Необходимо соблюдать осторожность при работе с концентрированными кислотами (опыты 2,7,8). Не допускать пролива кислот, попадания кислот на кожу.

3. Многие низкомолекуклярные углеводороды являются легколетучими соединениями, поэтому при выполнении опытов 3,5,6 следует брать строго рекомендованное количество углеводородов, не подносить к носу и не вдыхать пары углеводородов.

Контрольные вопросы

1. Какие гомологические ряды образуют углеводороды и каковы отличительные черты каждого из гомологических рядов.

2. Углеводороды каких гомологических рядов встречаются в нефтях?

3. Какие ряды углеводородов отличаются наибольшей химической активностью, с чем это связано? Какой тип реакций характерен для них?

4. Какие качественные реакции используются для выявления алканов, алкенов, алкинов, аренов?

5. Почему алкилзамещенные арены более химически активны, чем бензол?