МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ к практическим занятиям по учебной дисциплине: «Органическая химия» Раздел II «Углеводороды» Специальность: 33.02.01 «Фармация»


ТОГБПОУ «Тамбовский областной медицинский колледж»
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
к практическим занятиям по учебной дисциплине:
«Органическая химия»
Раздел II «Углеводороды»
Специальность: 33.02.01 «Фармация»
Курс: 2
Автор: Корчагина Т.В.,
преподаватель
учебной дисциплины:
«Органическая химия»
Тамбов, 2015 г.
Предисловие
Методические рекомендации к практическим занятиям по курсу «Органическая химия» предназначены для студентов средних специальных учебных заведений медицинского профиля и составлены в соответствии с ФГОС СПО по специальности 33.02.01«Фармация» (базовый уровень).
Каждое практическое занятие включает теоретическую часть по данной теме, практическую часть в виде лабораторной работы и задания для самостоятельной работы, которые дают возможность студентам закрепить, полученные на теоретических занятиях знания, расширить и углубить их, овладеть общими компетенциями: организовать собственную деятельность, принимать решение в разных ситуациях.
В заключении приводится глоссарий по всему курсу «Органическая химия»
Каждое практическое занятие должно быть оформлено в дневнике практических занятий по определенной схеме, указанной в Приложении 1.

Содержание:
Практическое занятие № 1
Тема: «Алканы: строение, номенклатура, способы получения, химические свойства».
Практическое занятие № 2
Тема: «Алкены: гомологи и изомеры, номенклатура, свойства. качественные реакции на непредельную связь»
Практическое занятие № 3
Тема: «Алкины: изомерия, номенклатура, уравнения реакций получения и свойств. Качественные реакции».
Практическое занятие № 4
Тема: «Арены: строение, номенклатура, способы получения, химические свойства».
5. Глоссарий
6. Приложение
Практическое занятие № 1
Тема: «Алканы: строение, номенклатура, способы получения, химические свойства».
Цель занятия: Изучить строение, номенклатуру, способы получения и химические свойства алканов.
Требования к знаниям:
Гомологический ряд алкановСтроение;
Номенклатура, изомерия;
Радикалы алканов;
Способы получения;
Химические свойства.
Требования к умениям:
Различать гомологи и изомеры;
Изображать изомеры и давать им названия по заместительной номенклатуре ИЮПАК;
Находить взаимосвязь между строением и свойствами алканов;
Выражать уравнениями реакций способы получения и химические свойства алканов;
Определять доброкачественность алканов (вазелин, вазелиновое масло, парафин).
I. Теоретическая часть
1. Гомологический ряд алканов.
Алканы, имея общую формулу СnH2n+2, представляют собой ряд родственных соединений с однотипной структурой, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH2-). Такая последовательность соединений называется гомологическим рядом (от греч. homolog – сходный), отдельные члены этого ряда – гомологами, а группа атомов, на которую различаются соседние гомологи, – гомологической разностью.Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х атомами водорода. Другой вариант – добавление в цепь группы -СН2- :
CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);
CH3-CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);
CH3-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2 -Н – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);
CH3-CH2-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – бутан (4 атома С).
Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Начиная с пятого гомолога, название алкана образуется из греческого числительного, указывающего число атомов углерода в молекуле, и суффикса -ан: пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.
Гомологи отличаются молекулярной массой, и следовательно, физическими характеристиками. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана (с ростом молекулярной массы) в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов (переход количества в качество): повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность.
Алканы от СН4 до С4Н10– газы, от С5Н12 до С17Н36 – жидкости, далее – твердые вещества. Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами. Поэтому, зная химические свойства одного из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое поведение и других членов этого ряда.
2. Строение алкановВ алканах имеются два типа химических связей:
С–С и С–Н.
Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.
Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности. Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана или н-пентана:

3. Изомерия алканов
Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами.
Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С4Н10. Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы - стереохимические (пространственные) или проекционные.
Алканы, начиная с этана H3C–СН3, существуют в различных пространственных формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию.
Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют оптической изомерией.
3.1 Структурная изомерия алкановСтруктурные изомеры - соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.
Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.
Например, алкан состава C4H10 может существовать в виде двух структурных изомеров:

С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет сростом числа углеродных атомов.

Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.
Алгоритм построения структурных формул изомеров
Рассмотрим на примере алкана С6Н14.
1. Сначала изображаем молекулу линейного изомера (ее углеродный скелет)
     (1)
2. Затем цепь сокращаем на 1 атом углерода и этот атом присоединяем к какому-либо атому углерода цепи как ответвление от нее, исключая крайние положения:
  (2)    или     (3)
Если присоединить углеродный атом к одному из крайних положений, то химическое строение цепи не изменится:

Кроме того, нужно следить, чтобы не было повторов. Так, структура идентична структуре (2).
3. Когда все положения основной цепи исчерпаны, сокращаем цепь еще на 1 атом углерода:

Теперь в боковых ответвлениях разместятся 2 атома углерода. Здесь возможны следующие сочетания атомов:
  (4)    и     (5)
Боковой заместитель может состоять из 2-х или более последовательно соединенных атомов углерода, но для гексана изомеров с такими боковыми ответвлениями не существует, и структура идентична структуре (3).
Боковой заместитель  СС можно размещать только в цепи, содержащей не меньше 5-ти углеродных атомов и присоединять его можно только к 3-му и далее атому от конца цепи.
4. После построения углеродного скелета изомера необходимо дополнить все углеродные атомы в молекуле связями с водородом, учитывая, что углерод четырехвалентен.
Итак, составу С6Н14 соответствует 5 изомеров:
1)
2) СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3
СН3
3) СН3-СН – СН – СН3
СН3 СН34)

5)

4. Номенклатура
Номенклатура органических соединений – система правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному веществу.
Это язык химии, который используется для передачи в названиях соединений информации о их строении. Соединению определенного строения соответствует одно систематическое название, и по этому названию можно представить строение соединения (его структурную формулу).
В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of the Pure and Applied Chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии).
Наряду с систематическими названиями используются также тривиальные (обыденные) названия, которые связаны с характерным свойством вещества, способом его получения, природным источником, областью применения и т.д., но не отражают его строения.
Для применения номенклатуры ИЮПАК необходимо знать названия и строение определенных фрагментов молекул – органических радикалов.
Радикалы в ряду алкановЕсли от молекулы алкана "отнять" один атом водоpода, то обpазуется одновалентный "остаток" – углеводоpодный pадикал (R–).Общее название одновалентных радикалов алканов – алкилы – обpазовано заменой суффикса -ан на -ил: метан – метил, этан – этил, пpопан – пpопил и т.д.
Одновалентные pадикалы выpажаются общей фоpмулой СnН2n+1.
Двухвалентный радикал получается, если удалить из молекулы 2 атома водорода. Например, из метана можно образовать двухвалентный радикал –СН2– метилен. В названиях таких радикалов используется суффикс -илен.
Названия радикалов, особенно одновалентных, используются при образовании названий разветвленных алканов и других соединений. Такие радикалы можно рассматривать как составные части молекул, их конструкционные детали. Чтобы дать название соединению необходимо представить, из каких "деталей"-радикалов составлена его молекула.
Метану СН4 соответствует один одновалентный радикал метил СН3.

От этана С2Н6 можно произвести также только один радикал - этил  CH2 CH3 (или  C2H5).
Пропану СН3–СН2–СН3 соответствуют два изомерных радикала  С3Н7:

Радикалы подразделяются на первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, у какого атома углерода (первичного, вторичного или третичного) находится свободная валентность. По этому признаку н-пропил относится к первичным радикалам, а изопропил – к вторичным.
Двум алканам С4Н10 (н-бутан и изобутан) соответствует 4 одновалентных радикала –С4Н9:

от н-бутана производятся н-бутил (первичный радикал) и втор-бутил (вторичный радикал), - от изобутана – изобутил (первичный радикал) и трет-бутил (третичный радикал).
Правила построения названий алканов по систематической международной номенклатуре ИЮПАК
Для простейших алканов (С1-С4) приняты тpивиальные названия: метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов строят в соответствии с числом атомов углерода, используя греческие числительные и суффикс -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и т.д.
В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью. При этом углеводород с разветвленной цепью pассматpивают как пpодукт замещения атомов водорода в нормальном алкане углеводоpодными pадикалами.
Например, алкан

рассматривается как замещенный пентан, в котором два атома водорода замещены на радикалы –СН3 (метил).
Порядок построения названия разветвленного алканаВыбрать в молекуле главную углеродную цепь. Во-первых, она должна быть самой длинной. Во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная.Например, в молекуле есть 2 цепи с одинаковым числом (7) атомов С (выделены цветом):

В случае (а) цепь имеет 1 заместитель, а в (б) – 2. Поэтому следует выбрать вариант (б).
Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы С, связанные с заместителями, получили возможно меньшие номера. Поэтому нумерацию начинают с ближайшего к ответвлению конца цепи. Например:

Назвать все радикалы (заместители), указав впереди цифры, обозначающие их местоположение в главной цепи. Если есть несколько одинаковых заместителей, то для каждого из них через запятую записывается цифра (местоположение), а их количество указывается приставками ди-, три-, тетра-, пента- и т.д. (например, 2,2-диметил или 2,3,3,5-тетраметил).
Названия всех заместителей расположить в алфавитном порядке (так установлено последними правилами ИЮПАК).
Назвать главную цепь углеродных атомов, т.е. соответствующий нормальный алкан.
Таким образом, в названии разветвленного алкана
корень+суффикс – название нормального алкана(греч. числительное+суффикс "ан"), приставки – цифры и названия углеводородных радикалов.
Пример построения названия:

5. Химические свойства алканов
Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.
Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С–Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов.

Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения .Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей (см. в таблице значения дипольных моментов) предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы.Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм.Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4, К2Сr2O7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.Алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях.
Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.
В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы. С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета. По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления (дегидрирование алканов). Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.
5.1. Крекинг алканов
Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.
Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности.Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).
Термический крекинг. При температуре 450–700 oС алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.
Например:
C6H14 C2H6 + C4H8
Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:

Свободные радикалы очень активны. Один из них (например, этил) отщепляет атомарный водород Н от другого (н-бутила) и превращается в алкан (этан). Другой радикал, став двухвалентным, превращается в алкен (бутен-1) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов:

При более высокой температуре (свыше 1000С) происходит разрыв не только связей С–С, но и более прочных связей С–Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистый углерод) и водорода:
СН4 C + 2H2
Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г.
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 500С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования.
5.2. Изомеризация алкановАлканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов. Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100С в присутствии катализатора хлорида алюминия:

Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).
5.3. Дегидрирование алканов
При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3, Fe2O3, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.

Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.
1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены:

Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH2=CH-CH2-CH3.В присутствии катализатора Cr2O3/Al2O3 при 450-650 С из н-бутана получают также бутадиен-1,3 CH2=CH-CH=CH2.
2. Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.
Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при нагревании над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):

Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). Например:

Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н-алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.
3. При 1500 С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:

Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена.
5.4. Реакции окисления алканов
Алканы – соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KmnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).
Примеры:

Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее.
5.5. Реакции замещения
В молекулах алканов связи C-Н пространственно более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи C-C. В определенных условиях происходит разрыв именно С-Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы или группы атомов.
1. Галогенирование
Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.
Хлорирование метана:

При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х атомов водорода:



Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму, т.е. как цепь последовательных превращений с участием свободно-радикальных частиц. В разработке теории цепных реакций большую роль сыграли труды академика, лауреата Нобелевской премии Н.Н. Семенова.
Механизм радикального замещения (символ SR) на примере монохлорирования метана: Стадия 1 – зарождение цепи - появление в зоне реакции свободных радикалов. Под действием световой энергии гомолитически разрушается связь в молекуле Cl:Cl на два атома хлора с неспаренными электронами (свободные радикалы) Cl:

Стадия 2 – рост (развитие) цепи. Свободные радикалы, взаимодействуя с молекулами, порождают новые радикалы и развивают цепь превращений:

(Реакция Cl + CH4 CH3Cl + H не идет, т.к. энергия атомарноговодорода H значительно выше, чем метильного радикала СН3).

Стадия 3 – обрыв цепи. Радикалы, соединяясь друг с другом, образуют молекулы и обрывают цепь превращений:

При хлорировании или бромировании алкана с вторичными или третичными атомами углерода легче всего идет замещение водорода у третичного атома, труднее у вторичного и еще труднее у первичного. Это объясняется большей устойчивостью третичных и вторичных углеводородных радикалов по сравнению с первичными вследствие делокализации неспаренного электрона. Поэтому, например, при бромировании пропана основным продуктом реакции является 2-бромпропан:

2. Нитрование алканов (реакция Коновалова)
На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В pезультате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO2. Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями.
Схема реакции:

При нитровании алканов также соблюдается порядок реакционной способности С-Н-связей, характерный для реакций радикального замещения:
Стрет.– Н   >   Свтор.– Н   >   Cперв.– Н
Например:

6. Получение алканов
Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические методы.
Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.
Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):

Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:

Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:
(реакция Вюpца)
Из солей карбоновых кислот:
а) сплавление со щелочью (реакция Дюма)

б) электролиз по Кольбе

Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Опыт 1. Получение метана и изучение его свойств.
Оснащение:
реактивы — ацетат натрия (безводный), натрия гидроксид
(кристаллический), кальция гидроксид (кристаллический), раствор калия перманганата, раствор серной кислоты, бромная вода, вазелиновое масло.
Оборудование — спиртовки, пробирки, газоотводные трубки, спички, часовые стекла, фильтровальная бумага, стеклянные палочки.Выполнение:
Смешайте на листе бумаги стеклянной палочкой обезвоженный ацетат натрия и натронную известь.
1.Каков химический состав взятых веществ?
Соберите прибор как показано на рисунке 1.
Засыпьте в пробирку с газоотводной трубкой приготовленную смесь
ацетата натрия с натронной известью, лучше взять некоторый избыток. Сильно нагревая пробирку со смесью, соберите газ над водой.
2. Растворим ли метан в воде?
Выделяющийся газ пропустите через баритовую воду или раствор
перманганата калия.
3. Происходит ли химическая реакция?
Подожгите выделяющийся газ у отверстия газоотводной трубки.
4. Каким пламенем горит метан?
Напишите уравнения реакций получения и горения метана. Сделайте вывод из проделанного опыта о реакционной способности метана и предельных
углеводородов в целом.

Опыт 2. Доказательство предельности вазелинового масла.
Оборудование, посуда:

1. фарфоровый тигель
2. стеклянные палочки
Реактивы:
1. Вазелиновое масло
2. Бромная вода
3. Перманганат калия
Выполнение:
Вопросы: В один фарфоровый тигель поместите 1 каплю раствора перманганата калия, в другую столько же бромной воды. В оба тигля добавьте по 1 капле вазелинового масла и перемешайте стеклянной палочкой.
Отметьте наблюдения.
Какой состав имеет вазелиновое масло? Приведите 2 примера: формула. название.
Почему вазелиновое масло не реагирует с бромной водой?

Опыт № 3. Горение парафина.
Оснащенность:
приборы: фарфоровые чашки, лучина.
реактивы: парафин.
Выполнение:
В фарфоровую чашку поместите кусочек парафина и поднесите к нему зажженную лучинку. Горение не наблюдается. Подогрейте парафин – он плавится, закипает. Поднесите зажженную лучинку, пока парафин не загорится большим коптящим пламенем.
Запишите уравнение реакции и сделайте вывод.

III. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задание 1. Напишите формулы трех изомеров гептана. Назовите их по номенклатуре ИЮПАК.
Задание 2. Напишите структурную формулу 2-метил-4 –изопропилгексана.
Задание 3. Наишите уравнение реакции получения:
1) гексана реакцией Вюрца. Назовите исходные вещества.
2) Метилбутана из соли карбоновой кислоты.
Задание 4. Напишите уравнения реакций:
1) Горения октана
2) 2-х стадий галогенирования пропана.
Задание 5. Соберите шаростержневую модель молекулы диметилпропана.
Контрольные вопросы
1. Состав алканов отражает общая формула . . .
а) CnH2n     б) CnH2n+2     в) CnH2n-2     г) CnH2n-6    
2. Какие соединения относятся к гомологическому ряду метана:
а) С2Н4     б) С3Н8     в) С4Н10     г) С5Н12     д) С7Н14 ?
3. Какие из представленных соединений являются структурными изомерами ?
4. Укажите названия углеводородных радикалов:
 
5. Назовите по систематической номенклатуре "изооктан" (стандарт моторного топлива с октановым числом 100):

6. С какими реагентами могут взаимодействовать алканы:
а) Br2 (р-р); б) Br2, t; в) H2SO4;
г) HNO3 (разб.), t;  д) KMnO4; е) NaOH ?7. Какой галогеналкан нужен для получения 2,5-диметилгексана по реакции Вюрца без побочных продуктов?
8. Укажите наиболее вероятный продукт монобромирования 2,2,3-триметилбутана.
9. Какова структурная формула углеводорода С8Н18, если он может быть получен по реакции Вюрца из первичного галогеналкана в качестве единственного продукта реакции, а при его мононитровании образуется третичное нитросоединение?
1.
2.
3.
4.

Практическое занятие № 2
Тема: « Алкены: гомологи и изомеры, номенклатура, свойства. качественные реакции на непредельную связь».
Цель занятия: изучить строение, номенклатуру, свойства и качественные реакции на наличие кратных связей в непредельных соединениях. Научиться составлять формулы изомеров алкенов, называть вещества по номенклатуре ИЮПАК, выражать уравнениями способы получения и химические свойства алкенов.
Требования к знаниям:
Гомологический ряд:
Строение;
Номенклатура и изомерия;
Способы получения. Правило А.М. Зайцева;
Химические свойства (реакции присоединения. окисления). Правило В.В. Марковникова.
Требования к умениям:
Называть алкены по номенклатуре ИЮПАК;
Изображать изомеры;
Выражать уравнениями реакций способы получения и химические свойства алкенов;
Выполнять качественные реакции на непредельную связь.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.1. Гомологический ряд. Строение.
Алкены (этиленовые углеводороды, олефины) - непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь. Общая формула ряда алкенов CnH2n.
Простейшие представители:

В отличие от предельных углеводородов, алкены содержат двойную связь С=С, которая осуществляется 4-мя общими электронами:

В образовании такой связи участвуют атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по три 2sp2-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 120°, и одну негибридизованную 2р-орбиталь, расположенную под углом 90° к плоскости гибридных АО.

Строение двойной связи С=С
Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей (хотя она изображается двумя одинаковыми черточками, всегда следует учитывать их неравноценность). σ-Связь возникает при осевом перекрывании sp2-гибридных орбиталей, а π-связь – при боковом перекрывании р-орбиталей соседних sp2-гибридизованных атомов углерода. Образование связей в молекуле этилена можно изобразить следующей схемой:
С=С    σ-связь (перекрывание 2sp2-2sp2) и π-связь (2рz-2рz)С–Н    σ-связь (перекрывание 2sp2-АО углерода и 1s-АО водорода)

σ-Связи, образуемые sp2-гибридными орбиталями, находятся в одной плоскости под углом 120°. Поэтому молекула этилена имеет плоское строение:

Модели молекулы этилена
По своей природе π-связь резко отличается от σ-связи: π-связь менее прочная вследствие меньшей эффективности перекрывания р-орбиталей.В молекуле пропилена СН2=СН–СН3 в одной плоскости лежат 6 атомов: два sp2-атома углерода и четыре связанные с ними атома (3 атома Н и атом С группы СН3). Вне этой плоскости находятся атомы водорода в метильной группе СН3, имеющей тетраэдрическое строение, т.к. этот атом углерода sp3-гибридизован.

2. Номенклатура алкеновПо систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на –ен:
2 атома С → этан → этен;3 атома С → пропан → пропен и т.д.
Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь (т.е. она может быть не самой длинной).
Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи. Цифра, обозначающая положение двойной связи, ставится обычно после суффикса –ен. Например:

Для простейших алкенов применяются также исторически сложившиеся названия: этилен (этен), пропилен (пропен), бутилен (бутен-1), изобутилен (2-метилпропен) и т.п.
В номенклатуре различных классов органических соединений наиболее часто используются следующие одновалентные радикалы алкенов:

3. Изомерия алкеновАлкенам свойственна изомерия различных типов. Если алкан С4Н10 имеет 2 изомера, то алкену с тем же числом углеродных атомов формулы С4Н8 соответствует уже 6 изомерных соединений (4 алкена и 2 циклоалкана).
Такое многообразие изомеров объясняется тем, что наряду со структурной изомерией углеродного скелета для алкенов характерны, во-первых, другие разновидности структурной изомерии - изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.
Во-вторых, в ряду алкенов проявляется пространственная изомерия, связанная с различным положением заместителей относительно двойной связи, вокруг которой невозможно внутримолекулярное вращение.
3.1. Структурная изомерия алкенов1. Изомерия углеродного скелета (начиная с С4Н8):

2. Изомерия положения двойной связи (начиная с С4Н8):

3. Межклассовая изомерия с циклоалканами, начиная с С3Н6:

3.2. Пространственная изомерия алкенов
Вращение атомов вокруг двойной связи невозможно без ее разрыва. Это обусловлено особенностями строения π-связи (π-электронное облако сосредоточено над и под плоскостью молекулы). Вследствие жесткой закрепленности атомов поворотная изомерия относительно двойной связи не проявляется. Но становится возможной цис-транс-изомерия.
Алкены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители, могут существовать в виде двух пространственных изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости π-связи.Так, в молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи в цис-изомере, либо по разные стороны в транс-изомере .

цис-транс-Изомерия не проявляется, если хотя бы один из атомов С при двойной связи имеет 2 одинаковых заместителя.Например, бутен-1 СН2=СН–СН2–СН3 не имеет цис- и транс-изомеров, т.к. 1-й атом С связан с двумя одинаковыми атомами Н.
Изомеры цис- и транс- отличаются не только физическими, но и химическими свойствами, т.к. сближение или удаление частей молекулы друг от друга в пространстве способствует или препятствует химическому взаимодействию.
Иногда цис-транс-изомерию не совсем точно называют геометрической изомерией. Неточность состоит в том, что все пространственные изомеры различаются своей геометрией, а не только цис- и транс-.
4. Свойства алкеновФизические свойства алкенов закономерно изменяются в гомологическом ряду: от С2Н4 до С4Н8 – газы, начиная с С5Н10 – жидкости, с С18Н36 – твердые вещества. Алкены практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Химические свойства алкенов определяются строением и свойствами двойной связи С=С, которая значительно активнее других связей в молекулах этих соединений. Алкены химически более активны, чем алканы.
Характеристики углерод-углеродных связей:

Еσ+π (энергия двойной связи) С=С (σ+π)   620 кДж/моль
Еσ (энергия σ-связи) С-С   348 кДж/моль
Отсюда Еπ (энергия π-связи)   272 кДж/моль,
т.е. Еπ на 76 кДж/моль меньше Еσ. Поэтому для алкенов наиболее характерны реакции, протекающие за счет раскрытия менее прочной π-связи. При этом π-связь (в исходном алкене) преобразуется в σ-связь в продукте реакции. Исходное ненасыщенное соединение превращается в насыщенное без образования других продуктов, т.е. происходит реакция присоединения.По какому механизму идут реакции присоединения к алкенам?
1. За счет электронов π-связи в молекулах алкенов имеется область повышенной электронной плотности (облако π-электронов над и под плоскостью молекулы):

Поэтому двойная связь склонна подвергаться атаке электрофильным (электронодефицитным) реагентом. В этом случае будет происходить гетеролический разрыв π-связи и реакция пойдет по ионному механизму как электрофильное присоединение.
Механизм электрофильного присоединения обозначается символом АdЕ(по первым буквам английских терминов: Ad – addition [присоединение],Е - electrophile [электрофил]).2. С другой стороны, углерод-углеродная π-связь, являясь неполярной, может разрываться гомолитически, и тогда реакция будет идти по радикальному механизму.
Механизм радикального присоединения обозначается символом АdR(R – radical - радикал).
Механизм присоединения зависит от условий проведения реакции.
Кроме того, алкенам свойственны реакции изомеризации и окисления (в том числе реакция горения, характерная для всех углеводородов).
5. Реакции присоединения к алкенамАлкены вступают в разнообразные реакции присоединения.

5.1. Гидрирование (присоединение водорода)
Алкены взаимодействуют с водородом при нагревании и повышенном давлении в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni и др.) с образованием алканов:

Гидрирование алкенов – реакция, обратная дегидрированию алканов. Согласно принципу Ле Шателье, гидрированию благоприятствует повышенное давление, т.к. эта реакция сопровождается уменьшением объёма системы.Присоединение водорода к атомам углерода в алкенах приводит к понижению степени их окисления:

Поэтому гидрирование алкенов относят к реакциям восстановления. Эта реакция используется в промышленности для получения высокооктанового топлива.
5.2. Галогенирование (присоединение галогенов)
Присоединение галогенов по двойной связи С=С происходит легко в обычных условиях (при комнатной температуре, без катализатора). Например, быстрое обесцвечивание красно-бурой окраски раствора брома в воде (бромной воды) служит качественной реакцией на наличие двойной связи:

Еще легче происходит присоединение хлора:

Эти реакции протекают по механизму электрофильного присоединения с гетеролитическим разрывом связей в молекуле галогена.
При нагревании до 500 °С возможно радикальное замещение атома водорода при соседнем к двойной связи атоме углерода:

5.3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов)

Реакция идет по механизму электрофильного присоединения с гетеролитическим разрывом связей. Электрофилом является протон Н+ в составе молекулы галогеноводорода HX (X - галоген).
Направление реакции присоединения галогеноводородов к алкенам несимметричного строения (например, к пропилену CH2=CH–СН3) определяется правилом Марковникова:
В реакциях присоединения полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (т.е. атому углерода, связанному с наибольшим числом атомов водорода).Так, в реакции HCl c пропиленом из двух возможных структурных изомеров 1-хлорпропана и 2-хлорпропана, образуется последний:

Эта закономерность была первоначально установлена эмпирически. В современной органической химии дано теоретическое обоснование правила Марковникова на основе положения о влиянии электронного строения молекул на их реакционную способность. Следует отметить, что правило Марковникова в его классической формулировке соблюдается только для электрофильных реакций самих алкенов. В случае некоторых производных алкенов или при изменении механизма реакции идут против правила Марковникова.
Присоединение против правила Марковникова отмечается в случаях, когда заместитель при двойной связи оттягивает электронную плотность на себя, т.е. проявляет электроноакцепторные свойства (–I и/или –М-эффект). Например, в реакции трихлорпропена Сl3CCH=CH2 с HХ водород присоединяется к менее гидрогенизированному атому углерода, а Х – к более гидрогенизированному. Это обусловлено тем, что группа СCl3 проявляет отрицательный индуктивный эффект и -электронная плотность связи С=С смещена к менее гидрогенизированному атому углерода.

Кроме того, если реакция присоединения идет не по электрофильному, а по радикальному механизму, то правило Марковникова также не соблюдается. Так, реакция HBr с пропиленом в присутствии пероксидов (H2O2 или R2O2), образующих свободно-радикальные частицы (НО или RО), происходит по радикальному механизму и идет против правила Марковникова.

5.4. Гидратация (присоединение воды)

Гидратация происходит в присутствии минеральных кислот по механизму электрофильного присоединения:

В реакциях несимметричных алкенов соблюдается правило Марковникова.

6. Полимеризация алкеновПолимеризация – реакция образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) по схеме:
n M    Mn
Число n в формуле полимера (Mn) называется степенью полимеризации. Реакции полимеризации алкенов идут за счёт присоединения по кратным связям:

7. Реакции окисления алкеновСтроение продуктов окисления алкенов зависит от условий реакции и природы окислителя.
1. Мягкое окисление алкенов водным раствором перманганата калия приводит к образованию двухатомных спиртов (реакция Вагнера):

Полное уравнение реакции:

В ходе этой реакции происходит обесцвечивание фиолетовой окраски водного раствора KMnO4. Поэтому она используется как качественная реакция на алкены.
2. При жестком окислении алкенов кипящим раствором KMnO4 в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи:

3. Промышленное значение имеет частичное окисление алкенов с образованием циклических оксидов, которые широко используются в органическом синтезе:

4. Полное окисление (горение):

Газообразные гомологи алкенов образуют с воздухом взрывоопасные смеси.
8. Получение алкеновВ природе алкены встречаются в значительно меньшей степени, чем предельные углеводороды, по-видимому, вследствие своей высокой реакционной способности. Поэтому их получают с использованием различных реакций.
I. Крекинг алканов:

Например:

II. Отщепление (элиминирование) двух атомов или групп атомов от соседних атомов углерода с образованием между ними p-связи.
Дегидрогалогенирование галогеналканов при действии спиртового раствора щелочи

Дегидратация спиртов при повышенной температуре (выше 140° C) в присутствии водоотнимающих реагентов

Реакции элиминирования идут в соответствии с правилом Зайцева: Отщепление атома водорода в реакциях дегидрогалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.
Современная формулировка: реакции отщепления идут с образованием более замещенных при двойной связи алкенов. Такие алкены обладают более низкой энергией.

Дегалогенирование дигалогеналканов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, при действии активных металлов :

Дегидрирование алканов при 500°С:

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Опыт № 1. Получение этилена и изучение его свойств.
Оснащение:
реактивы: спирт этиловый, оксид алюминия (кр.) или пемза, концентрированная серная кислота, раствор калия перманганата, бромная вода, карбид кальция, вода очищенная, аммиачный раствор оксида серебра, полиэтилен; фуксин. Оборудование: пробирки с газоотводной трубкой, спиртовки, спички
стеклянные палочки, фильтровальная бумага.
Выполнение:
Соберите прибор, как изображено на рисунке 2.

В пробирку налейте 2 мл этилового спирта и добавьте 0,5 мл
концентрированной серной кислоты (осторожно!). Положите туда небольшой кусочек пемзы (для равномерного кипения).
Полученную смесь сильно нагрейте. Выделяющийся этилен пропустите по очереди через слабый раствор перманганата калия, через бромную воду.
1. Что наблюдаете?
После обесцвечивания бромной воды добавьте фуксин, при этом слой окрасится.
Подожгите выделяющийся газ, не прекращая нагревания прибора.
2. Каков характер пламени? А запах газа?
Напишите уравнения реакций получения этилена, взаимодействия с бромной водой и перманганатом калия, горения этилена. Сделайте вывод о свойствах этилена.
Опыт 2. Обнаружение непредельных соединений в керосине.
Оборудование, посуда:

1. Пробирки
2. стеклянные трубочки
Реактивы:
1. Керосин
2. Бромная вода
3. Перманганат калия
Выполнение:
Вопросы: В одну пробирку поместите 5 капель перманганата калия, в другую столько же бромной воды. В каждую пробирку добавьте 1-2 капли керосина и встряхните.
Отметьте наблюдения.
Напишите уравнение реакций бромирования алкена, который может входить в состав керосина? Опыт № 3. Горение полиэтилена.
Кусочек полиэтилена внесите щипцами в пламя горелки. Он горит синим пламенем без копоти. Для прекращения горения образец опустите в воду.
Сделайте вывод.

Опыт № 4. Отношение полиэтилена к окислителям.
В одну пробирку налейте 50 мл раствора перманганата калия, в другую
столько же раствора перекиси водорода и погрузите в них несколько кусочков полиэтилена.
1. Что вы наблюдаете?
Сделайте вывод об отношении полиэтилена к сильным окислителям.
III. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.
Задание 1. Назовите углеводороды:
С2Н5
1) СН3 – СН2 – С – СН=СН – СН3 2) СН3-СН=СН-СН – СН –СН – СН3
СН3 СН3 СН3 СН3Задание 2. Напишите формулу по названию.
1) 3-метил – 3-этилпентен-1
2) 3,4 – диметилгексен – 1
Задание 3. Напишите формулы возможных изомеров по кратной связи и назовите их.
1) 2-метилгептен-1
Задание 4. Укажите какое вещество обесцвечивает бромную воду и напишите уравнение реакции. Назовите продукт реакции.
1) СН3 – СН2-СН=СН22) СН3-СН- СН – СН3
СН3 СН33) СН3-СН-СН-СН=СН2 Br СН3
Задание 5. Напишите уравнения реакций превращения по схеме:

СН3 – СН2 – СНCl – СН3 - HCl ? +Cl2 ?

Контрольные вопросы
1. Какие модели соответствуют молекулам алкенов?

2. Назовите соединение:
3. Сколько изомерных алкенов соответствует формуле С4Н8 ? 4. Двойная связь является сочетанием . . .
1. двух σ-связей 2. двух π-связей 3. одной σ-связи и одной π-связи 4. ионной связи и ковалентной связи
5. Какова гибридизация атомов углерода в молекуле алкена:

1) 1 и 4 – sp2, 2 и 3 – sp3 2) 1 и 4 – sp3, 2 и 3 – sp2 3) 1 и 4 – sp3, 2 и 3 – sp 4) 1 и 4 – не гибридизованы, 2 и 3 – sp2
6. Наиболее характерными реакциями алкенов являются . . . 1) реакции замещения 2) реакции присоединения 3) реакции разложения
7. Какой продукт преимущественно образуется при взаимодействии бромоводорода с 2-метилпропеном?
1. 2. 3. 4.
8. Какая реакция идет против правила Марковникова:
1.
2.
3.
4.
9. В приведенной ниже схеме превращений этилен образуется в реакциях:

1) 1 и 2 2) 1 и 3 3) 2 и 3 4) этилен не образуется ни в одной реакции
10. Какой продукт преимущественно образуется при дегидратации спирта (СН3)3С-ОН ?
1.
2. 3. 4.
Практическое занятие № 3
Тема: «Алкины: изомерия, номенклатура, уравнения реакций получения и свойств. Качественные реакции».
Цель занятия: изучить строение, номенклатуру, способы получения и химические свойства алкинов. Научиться называть алкины по формуле и писать структурные формулы по названию, выражать уравнениями реакций способы получения и химические свойства алкинов, выполнять качественные реакции.
Требования к знаниям:
Гомологический ряд;
Строение;
Номенклатура и изомерия;
Способы получения;
Химические свойства.
Требования к умениям:
Называть алкины по формуле и писать структурные формулы по названию;
Выражать уравнениями реакций способы получения и химические свойства алкинов;
Выполнять качественные реакции.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Гомологический ряд. Строение.
Алкины (ацетиленовые углеводороды) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат тройную связь C≡C.
Общая формула алкинов с одной тройной связью СnH2n-2
Простейшие представители:

Тройную связь C≡C осуществляют 6 общих электронов:

В образовании такой связи участвуют атомы углерода в sp-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по две sp-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 180, и две негибридных р-орбитали, расположенных под углом 90 по отношению друг к другу и к sp-гибридным орбиталям:

Строение тройной связи C≡C
Тройная связь является комбинацией из одной σ- и двух π-связей, образуемых двумя sp-гибридизованными атомами. σ-Связь возникает при осевом перекрывании sp-гибридных орбиталей соседних атомов углерода; одна из π-связей образуется при боковом перекрывании рy-орбиталей, другая – при боковом перекрывании рz-орбиталей. Образование связей на примере молекулы ацетилена H–C≡C–H можно изобразить в виде схемы:
C≡C   σ-связь (перекрывание 2sp-2sp);          π-связь (2рy-2рy);          π-связь (2рz-2рz);С–Н   σ-связь (перекрывание 2sp-АО углерода и 1s-АО водорода).

π-Cвязи располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях:

σ-Cвязи, образуемые sp–гибридными орбиталями углерода, располагаются на одной прямой (под углом 180 друг к другу). Поэтому молекула ацетилена имеет линейное строение:

2. Номенклатура.
По систематической номенклатуре названия ацетиленовых углеводородов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на –ин:
2 атома С → этан → этин;   3 атома С → пропан → пропин и т.д.
Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя тройную связь (т.е. она может быть не самой длинной).
Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к тройной связи конца цепи. Цифра, обозначающая положение тройной связи, ставится обычно после суффикса –ин. Например:

Для простейших алкенов применяются также исторически сложившиеся названия: ацетилен (этин), аллилен (пропин), кротонилен (бутин-1), валерилен (пентин-1).
В номенклатуре различных классов органических соединений наиболее часто используются следующие одновалентные радикалы алкинов:

3. Изомерия.
Структурная изомерия
Изомерия положения тройной связи (начиная с С4Н6):

Изомерия углеродного скелета (начиная с С5Н8):

Межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами, начиная с С4Н6:

Пространственная изомерия относительно тройной связи в алкинах не проявляется, т.к. заместители могут располагаться только одним способом – вдоль линии связи.
4. Свойства.
Физические свойства. Температуры кипения и плавления ацетиленовых углеводородов увеличиваются с ростом их молекулярной массы. При обычных условиях алкины С2Н2-С4Н6 – газы, С5Н8-С16Н30 – жидкости, с С17Н32 – твердые вещества. Температуры кипения и плавления алкинов выше, чем у соответствующих алкенов.
Физические свойства алкинов и алкенов
Алкины плохо растворимы в воде, лучше – в органических растворителях.
Химические свойства алкинов сходны с алкенами, что обусловлено их ненасыщенностью.
Характеристики химических связей в алкинах
Некоторые отличия в свойствах алкинов и алкенов определяются следующими факторами.
π-Электроны более короткой тройной связи прочнее удерживаются ядрами атомов углерода и обладают меньшей поляризуемостью (подвижностью). Поэтому реакции электрофильного присоединения к алкинам протекают медленнее, чем к алкенам.
π-Электронное облако тройной связи сосредоточено в основном в межъядерном пространстве и в меньшей степени экранирует ядра углеродных атомов с внешней стороны. Следствием этого является доступность ядер углерода при атаке нуклеофильными реагентами и способность алкинов вступать в реакции нуклеофильного присоединения.
Связь атома водорода с углеродом в sp-гибридизованном состоянии значительно более полярна по сравнению с С–Н-связями в алканах и алкенах. Это объясняется различным вкладом в гибридизованное состояние s-орбитали, которая более прочно, чем р-АО, удерживает электроны (сравните форму и энергию s- и р-АО). Доля s-АО в sp3-состоянии составляет 25%, в sp2 – 33%, а в sp – 50%. Чем больше вклад s-АО, тем выше способность атома удерживать внешние электроны, т.е. его электроотрицательность. Повышенная полярность связи С(sp)–Н приводит к возможности её гетеролитического разрыва с отщеплением протона (Н+). Таким образом, алкины с концевой тройной связью (алкины-1) проявляют кислотные свойства и способны, вступая в реакции с активными металлами, образовывать соли.
4.1. Реакции присоединения к алкинам1. Гидрирование
В присутствии металлических катализаторов (Pt, Ni) алкины присоединяют водород с образованием алкенов (разрывается первая π-связь), а затем алканов (разрывается вторая π-связь):

При использовании менее активного катализатора [Pd/CaCO3/Pb(CH3COO)2] гидрирование останавливается на стадии образования алкенов.
2. Галогенирование
Электрофильное присоединение галогенов к алкинам протекает медленнее, чем для алкенов (первая π-связь разрывается труднее, чем вторая):

Алкины обесцвечивают бромную воду (качественная реакция).
3. Гидрогалогенирование
Присоединение галогеноводородов также идет по электрофильному механизму. Продукты присоединения к несимметричным алкинам определяются правилом Марковникова:

Гидрохлорирование ацетилена используется в одном из промышленных способов получения винилхлорида:

Винилхлорид является исходным веществом (мономером) в производстве поливинилхлорида (ПВХ).
4. Гидратация (реакция Кучерова)
Присоединение воды происходит в присутствии катализатора соли ртути (II) и идет через образование неустойчивого непредельного спирта, который изомеризуется в уксусный альдегид (в случае ацетилена):

или в кетон (в случае других алкинов):

5. Полимеризация
1. Димеризация под действием водно-аммиачного раствора CuCl:

2. Тримеризация ацетилена над активированным углем приводит к образованию бензола (реакция Зелинского):


Возможно образование молекул, содержащих большее число звеньев ацетилена, как циклического, так и линейного строения
… -СН=СН-СН=СН-СН=СН-…
(такие полимеры обладают полупроводниковыми свойствами).
Следует также отметить, что высокомолекулярное вещество – карбин (одна из аллотропных модификаций углерода) – образуется не в результате полимеризации ацетилена, а при окислительной поликонденсации ацетилена в присутствии CuCl:

4.2. Образование солей
Ацетилен и его гомологи с концевой тройной связью R–C≡C–H (алкины-1) вследствие полярности связи С(sp)-Н проявляют слабые кислотные свойства: атомы водорода могут замещаться атомами металла. При этом образуются соли – ацетилениды:

Ацетилениды щелочных и щелочноземельных металлов используются для получения гомологов ацетилена.
При взаимодействии ацетилена (или R–C≡C–H) с аммиачными растворами оксида серебра или хлорида меди (I) выпадают осадки нерастворимых ацетиленидов:

Образование серовато-белого осадка ацетиленида серебра (или красно-коричневого – ацетиленида меди RC≡CCu) служит качественной реакцией на концевую тройную связь. В сухом состоянии ацетилениды тяжелых металлов неустойчивы и легко взрываются.
Ацетилениды разлагаются при действии кислот:

Если тройная связь находится не на конце углеродной цепи, то кислотные свойства отсутствуют (нет подвижного атома водорода) и ацетилениды не образуются:

4.3 Окисление алкинов
Ацетилен и его гомологи легко окисляются различными окислителями (перманганатом калия в кислой и щелочной среде, дихроматом калия в кислой среде и др.). Строение продуктов окисления зависит от природы окислителя и условий проведения реакций.
 При жестком окислении (нагревание, концентрированные растворы, кислая среда) происходит расщепление углеродного скелета молекулы алкина по тройной связи и образуются карбоновые кислоты:

 Алкины обесцвечивают разбавленный раствор перманганата калия, что используется для доказательства их ненасыщенности. В этих условиях происходит мягкое окисление без разрыва σ-связи С–С (разрушаются только π-связи). Например, при взаимодействии ацетилена с разбавленным раствором KMnO4 при комнатной температуре возможны следующие превращения с образованием щавелевой кислоты HOOC–COOH:

 При сгорании алкинов происходит их полное окисление до CO2 и H2O. Горение ацетилена сопровождается выделением большого количества тепла (Q = 1300 кДж/моль):

Температура ацетиленово-кислородного пламени достигает 2800-3000 °С. На этом основано применение ацетилена для сварки и резки металла.
 Ацетилен образует с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси. В сжатом, и особенно в сжиженном, состоянии ацетилен способен взрываться от удара. Поэтому он хранится в стальных баллонах в виде растворов в ацетоне, которым пропитывают асбест или кизельгур.
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Опыт 1. Получение и свойства ацетилена
Оснащенность:
реактивы: карбид кальция, бромная вода, 2% раствор перманганата калия
оборудование: пробирки, стеклянные трубочки, штатив, спиртовка, газоотводная трубка.
Выполнение:
В 1-ю пробирку поместите кусочек карбида кальция величиной с горошину. Пробирку закрепите в штативе, как показано на рисунке 3. Приготовьте для опыта вторую и третью пробирки: во вторую поместите 6 капель бромной воды, в третью – 6 капель 2% раствора перманганата калия.

Рис.3
Отметьте признаки реакции, составьте уравнение реакции.
Горение ацетилена.
Добавьте в 1-ю пробирку 4 капли воды и вставьте пробку с газоотводной трубкой. Подожгите выделяющийся ацетилен у конца газоотводной трубки. Ацетилен горит коптящим пламенем.
Отметьте признаки реакции, составьте уравнение реакции.
Пробы на непредельность.
Быстро погрузите конец газоотводной трубки во вторую пробирку. В ней происходит обесцвечивание бромной воды. Замените 2-ю пробирку на 3-ю. В ней происходит обесцвечивание раствора перманганата калия.
Запишите уравнение реакции.
III. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.
Задание 1. Напишите формулу по названию.
1) 3-метил-3-этилпентин-1
2) 4-изопропилпентин-1
3) 4,5-диметилгексин-2
4) 3-изопропил-4,4-диметил-1-пентин
Задание 2. Назовите углеводороды:
1) СH3-(CH2)3-CCH
2)
Задание 3. Напишите уравнения реакций:
1) Взаимодействия пентина-1 с избытком бромной воды.
2) Гидратации бутина-2
3) Взаимодействия петина-2 с хлороводородомКонтрольные вопросы
1. Какие из приведенных соединений относятся к алкинам?

1. а, б, в 2. б, в, г 3. а, в, д
4. а, в
2. Тройная связь является сочетанием . . .1) трех σ-связей 2) одной σ- и двух π-связей 3) двух σ- и одной π-связи 4) трех π-связей
3. Какова гибридизация атомов углерода в следующей молекуле:

1) 1 – sp3,    2 – sp2,    3 – sp2,    4 – sp,    5 – sp 2) 1 – sp,     2 – sp2,    3 – sp2,     4 – sp,    5 – sp3 3) 1 – sp3,    2 – sp,     3 – sp,     4 – sp2,  5 – sp2 4) 1 – sp2,    2 – sp3,    3 – sp3,     4 – sp,    5 – sp
4. Изомерами 3-метилпентина-1 являются . . .

1) а, в 2) б, в
3) г, д 4) в, е
5. Взрывчатое вещество образуется в реакции . . .1) HCCH + Br2 2) HCCH + 2[Ag(NH3)2]OH 3) HCCH + H2O 4) HCCH + HCl
6. В схеме превращений:

продукт Z имеет формулу . . .
1.
2. 3.
4.
7. Из технического карбида кальция массой 1 кг получен ацетилен объемом 260 л (н.у.). Массовая доля примесей (в %), содержащихся в образце карбида кальция равна:1) 32,5 2) 21,2 3) 25,7 4) 41,3Практическое занятие № 4
Тема: «Арены: называть замещенные бензола, писать уравнения реакций с заместителями I и II родов»
Цель занятия:
изучить строение, номеклатуру, спосбы получения и химические свойства аренов;
научиться различать ориентанты 1 и 2 рода;
называть замещенные бензола
выражать уравнениями реакций получение и химические свойства аренов.
Требования к знаниям:
Номенклатура, изомерия аренов;
Строение бензола, признаки ароматичности, правило Хюккеля;
Химические свойства;
Правило замещения в бензольном кольце.
Требования к умениям:
Различать заместители I и II родов;
Называть замещенные бензола;
Писать уравнения реакций SЕ и объяснять их механизм.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Гомологический ряд бензола.
АРЕНЫ (ароматические углеводороды)
Арены или ароматические углеводороды – это соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.
Простейшие представители (одноядерные арены):

Многоядерные арены: нафталин С10Н8, антрацен С14Н10 и др.

Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что некоторые представители этого ряда веществ имеют приятный запах. Однако в настоящее время в понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной смысл.
Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость, обусловленную делокализацией π-электронов в циклической системе.
Критерии ароматичности аренов:
Атомы углерода в sp2-гибридизованном состоянии образуют циклическую систему.
Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское строение).
Замкнутая система сопряженных связей содержит4n+2 π-электронов (n – целое число).
Этим критериям полностью соответствует молекула бензола С6Н6.
2. Строение бензола.
Бензол С6Н6 – родоначальник ароматических углеводородов.left0
Каждый из шести атомов углерода в его молекуле находится в состоянии sp2-гибридизаци и связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями. Валентные углы между каждой парой π-связей равны 120. Таким образом, скелет σ-связей представляет собой правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости:

р-Электроны всех атомов углерода взаимодействуют между собой путем бокового перекрывания соседних 2р-АО, расположенных перпендикулярно плоскости σ-скелета бензольного кольца. Они образуют единое циклическое π-электронное облако, сосредоточенное над и под плоскостью кольца.

Все связи С–С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф.Кекуле), а все они выровнены . Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника (σ-скелет) и кружка внутри него, обозначающего делокализованные π-связи:

Формула Кекуле также нередко используется, но при этом учитывается, что она лишь условно передает строение молекулы.
3. Гомологи бензола. Номенклатура и изомерия
Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R):

Общая формула гомологического ряда бензола CnH2n-6 (n ≥ 6).
Номенклатура. Широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т.п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова бензол (корень):

Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов были наименьшими. Например:

Для дизамещенных бензолов R-C6H4-R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками:    орто- (о-) заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. 1,2-;    мета- (м-) заместители через один атом углерода (1,3-);    пара- (п-) заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

Ароматические одновалентные радикалы имеют общее название "арил". Из них наиболее распространены в номенклатуре органических соединений два: C6H5- (фенил) и C6H5CH2- (бензил).
Изомерия (структурная): 1) положения заместителей для ди-, три- и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3-х атомов углерода:

3) изомерия заместителей R, начиная с R = С2Н5.
Например, молекулярной формуле С8Н10 соответствуют 4 изомера: три ксилола CH3-C6H4-CH3 (о-, м-, п-) и этилбензол C6H5-C2H5.
4. Свойства ареновФизические свойства. Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества (см. табл.), нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен (поражает почки, печень, костный мозг, кровь).
Физические свойства аренов
По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести π-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов.
Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности.Для аренов более характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом.
Наличие областей повышенной -электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.
Механизм электрофильного замещения обозначается символом SЕ(по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение],E – electrophil [электрофил]).Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокализованные углерод-углеродные связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.
4.1. Реакции замещения в бензольном кольце
Механизм реакций – электрофильное замещение.
1. Галогенирование
Замещение атома водорода в бензольном кольце на галоген происходитв присутствии катализаторов AlCl3, AlBr3, FeCl3 и т.п. (кислот Льюиса):


2. Нитрование
Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированныхазотной и серной кислот):


3. Алкилирование
Замещение атома водорода в бензольном кольце на алкильную группу(алкилирование) происходит под действием алкилгалогенидов (реакция Фриделя-Крафтса) или алкенов в присутствии катализаторов AlCl3, AlBr3, FeCl3 (кислот Льюиса).



4.2.Замещение в алкилбензолахГомологи бензола (алкилбензолы) более активно вступают в реакции замещения по сравнению с бензолом.
Например, при нитровании толуола С6Н5CH3 может происходить замещение не одного, а трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола:

Здесь ярко проявляется взаимное влияние атомов в молекуле на реакционную способность вещества. С одной стороны, метильная группа СH3 (за счет +I-эффекта) повышает электронную плотность в бензольном кольце в положениях 2, 4 и 6:

и облегчает замещение именно в этих положениях.
Взаимное влияние атомов определяет направление реакций электрофильного замещения в гомологах бензола и его производных – правила ориентации.
С другой стороны, под влиянием бензольного кольца метильная группа СH3 в толуоле становится более активной в реакциях окисления и радикального замещения по сравнению с метаном СH4 .
Толуол, в отличие от метана, окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный раствор KMnO4 при нагревании):

Легче, чем в алканах, протекают реакции радикального замещения в боковой цепи алкилбензолов:

Это объясняется тем, что на лимитирующей стадии легко (при невысокой энергии активации) образуются устойчивые промежуточные радикалы. Например, в случае толуола образуется радикал бензил ĊH2-C6H5. Он более стабилен, чем алкильные свободные радикалы (ĊН3, ĊH2R), т.к. его неспаренный электрон делокализован за счет взаимодействия с π-электронной системой бензольного кольца:

Правила ориентации при электрофильном замещении в бензольном кольце основаны на взаимном влиянии атомов в молекуле. Если в незамещенном бензоле С6Н6 электронная плотность в кольце распределена равномерно, то в замещенном бензоле С6Н5Х под влиянием заместителя Х происходит перераспределение электронов и возникают области повышенной и пониженной электронной плотности. Это оказывает влияние на легкость и направление реакций электрофильного замещения. Место вступления нового заместителя определяется природой уже имеющегося заместителя.
Правила ориентации
Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие.
По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода. Ориентанты 1-го рода (орто-пара-ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в орто- и пара-положения. К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):
-R (+I); -OH (+M,-I); -OR (+M,-I); -NH2 (+M,-I); -NR2 (+M,-I)+M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект.
Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто- и пара-положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов. Пример:

Ориентанты 1-го рода, повышая электронную плотность в бензольном кольце, увеличивают его активность в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.
Особое место среди ориентантов 1-го рода занимают галогены, проявляющие электроноакцепторные свойства: -F (+M<–I), -Cl (+M<–I), -Br (+M<–I).Являясь орто-пара-ориентантами, они замедляют электрофильное замещение. Причина - сильный –I-эффект электроотрицательных атомов галогенов, понижащий электронную плотность в кольце.
Ориентанты 2-го рода (мета-ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета-положение. К ним относятся электроноакцепторные группы:
-NO2 (–M, –I); -COOH (–M, –I); -CH=O (–M, –I); -SO3H (–I); -NH3+ (–I); -CCl3 (–I).
Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета-положении, где электронная плотность несколько выше. Пример:

Все ориентанты 2-го рода, уменьшая в целом электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.
Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:
толуол C6H5CH3 > бензол C6H6 > нитробензол C6H5NO2.
5. Реакции присоединения к аренам
В реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматической структуры бензольного кольца, арены могут вступать с большим трудом.
Гидрирование Присоединение водорода к бензолу и его гомологам происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.

Эта реакция является обратной образованию бензола при дегидрировании циклогексана.
Радикальное хлорирование аренов В условиях радикальных реакций (ультрафиолетовое облучение, повышенная температура) возможно присоединение галогенов к ароматическим соединениям. При радикальном хлорировании бензола получен "гексахлоран" (средство борьбы с вредными насекомыми).
Применение гексахлорана в настоящее время запрещено из-за его токсичности для человека и животных.
Заметим, что в случае гомологов бензола более легко происходит реакция радикального замещения атомов водорода в боковой цепи:

6. Реакции окисления аренов
Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и т.п.). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений.
В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко.
При действии раствора KMnO4 в кислой среде и нагревании в гомологах бензола окислению подвергаются только боковые цепи:

Окисление других гомологов (этилбензол, пропилбензол и т.д.) также приводит к образованию бензойной кислоты. Разрыв связи при этом происходит между двумя ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.

Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем алканы. Это объясняется влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.
Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено высоким содержанием углерода в их молекулах:

Бензол и его летучие гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.
7. Получение ароматических углеводородов
Основными природными источниками ароматических углеводородов являются каменный уголь и нефть.
При коксовании каменного угля образуется каменноугольная смола, из которой выделяют бензол, толуол, ксилолы, нафталин и многие другие органические соединения.
Ароматизация нефти:
а) дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов, содержащих в основной цепи не менее 6 атомов углерода, при нагревании в присутствии катализатора

Примечание. Алканы с более короткой цепью (C2-C5) не способны превращаться в арены. Этан, пропан и бутаны при дегидрировании образуют, соответственно, этен, пропен, бутен-1, бутен-2 и изобутилен (метилпропен). Пентаны подвергаются дегидроциклизации с образованием циклопентанов (например, н-пентан превращается в циклопентан, а 2-метилпентан - в метилциклопентан).
б) дегидрирование циклоалканов, содержащих в цикле 6 углеродных атомов

Алкилирование бензола галогеналканами или алкенами в присутствии безводного хлорида алюминия:

При дегидрировании этилбензола образуется производное бензола с непредельной боковой цепью - винилбензол (стирол) C6H5CН=СН2 (исходное вещество для получения ценного полимера полистирола).
Тримеризация алкинов над активированным углем (реакция Зелинского):

Реакции получения аренов указывают на взаимосвязь между различными группами углеводородов и на возможность их превращения друг в друга.
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Опыт 1. Окисление боковой цепи в молекулах ароматических углеводородов.
Оборудование, посуда:

1. Пробирки
2. стеклянные трубочки
3. Держатель для пробирок
4. спиртовка
Реактивы:
1. Толуол
2. Серная кислота
3. Перманганат калия
Выполнение:
Вопросы: В пробирку поместите по 5 капель растворов перманганата калия и серной кислоты, добавьте каплю толуола. Осторожно нагрейте пробирку при встряхивании до кипения. На стенках появляются окислы марганца коричневого цвета.
Отметьте наблюдения. Объясните причину.
Напишите уравнение реакции.
Опыт № 2. Действие бензола на бромную воду.
Оснащение:
реактивы — бромная вода, йодная вода, бензол, толуол, раствор перманганата калия, раствор серной кислоты.
Оборудование — пробирки, спиртовки, спички, штативы, фильтровальная бумага.
Выполнение: Налейте в одну пробирку 5 капель бромной воды, в другую 5 капель
бромной воды. Добавьте в каждую по 2 капли бензола и хорошо встряхните.
1. Наблюдаются ли признаки реакции?
Сделайте вывод, почему окраска брома не исчезает.
III. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.
Задание 1.
Напишите уравнения реакций:
1) Гидрирования бензола
2) Сульфирования бензойной кислоты
Назовите полученные соединения и объясните их образование.
Задание 2.
Напишите формулы возможных изомров производных бензола состава С6Н4 (СН3)(С2Н5) и назовите их. Укажите род заместителей.
Задание 3.
Запишите формулы веществ по названию:
1) о-метилфенол2) 2-хлор-метилбензол
Задание 4.
Напишите уравнения реакций химическитх превращений по схеме:
толул + [ О] ------ ? + Cl2 -------- ?
Контрольные вопросы
1. Какие из приведенных на рисунке структур соответствуют бензолу?

1) а, б 2) г 3) а, в
4) а, г
2. Какой тип гибридизации характерен для атомов углерода в молекуле бензола? 1) sp3 2) sp 3) sp3d 4) sp2
3. Какие арены изомерны друг другу:
а) орто-ксилол; б) этилбензол; в) метилбензол; г) 1-метил-3-этилбензол; д) мета-ксилол; е) изопропилбензол ?1) а, б, д 2) а, г, е 3) б, в, г 4) а, в, е 4. В цепи превращений веществом Z является . . .

1) полипропилен 2) полистирол 3) поливинилхлорид 4) натуральный каучук
5. При взаимодействии толуола (1 моль) с бромом (1 моль) образуются:
а) орто-бромтолуол;   б) мета-бромтолуол;
в) пара-бромтолуол;    г) 2,3,5-трибромтолуол;
1) а, б 2) а, в 3) г 4) б
6. Какое вещество из образующихся в приведенной схеме превращений (X, Y или Z) используется как средство борьбы с вредными насекомыми?

Назовите это соединение.
1) X – уксусная кислота 2) Y – бензол 3) Z – гексахлорциклогексан 4) Z – гексахлорбензол
7. Укажите, какие реагенты необходимы для осуществления следующих превращений:

1) 1 – H2SO4 (конц.);      2 – CH3Cl, AlCl3;        3 – KOH, спирт. 2) 1 – Pt, t;                     2 – CH3Cl, AlCl3;        3 – KMnO4 (H+). 3) 1 – Pt, t;                     2 – CH2=CH2, AlCl3;   3 – KMnO4 (H+). 4) 1 – H2, Pt;                   2 – CH3Cl, H2SO4;      3 – KMnO4 (H+).
8. Массовая доля выхода бензола при тримеризации ацетилена составляет 42%. Чему равна масса ацетилена, необходимого для получения бензола количеством вещества 1 моль?   
1) 120,3 г 2) 202,4 г 3) 185,7 г 4) 360,5 г
Глоссарий
Алициклический – циклический, но проявляющий свойства соединений с открытой цепью, в отличие от ароматических соединений.
Алифатический – не содержит циклов.
Алкалоиды – природные амины, встречающиеся обычно в растениях.
Алкан – насыщенный углеводород с открытой цепью.
Алкен - ненасыщенный углеводород с открытой цепью,содержащий двойную связь углерод-углерод или, в более широком смысле, любое соединение с двойной углерод-углеродной связью.
Алкилирование – реакция введения алкильной группы в молекулу.
Алкин - ненасыщенный углеводород с открытой цепью, содержащий тройную связь углерод-углерод.
Арил – радикал, полученный из ароматического соединения в результате отщепления одного атома водорода из ароматического кольца.
Ароматический – термин, раньше относившийся к бензолу и его производным, а в настоящее время охватывающий все соединения, содержащие особенно устойчивые циклические системы с сопряженными связями.
Ахиральный – идентичный своему зеркальному изображению.
Вторичный атом углерода – атом углерода, связанный с двумя другими атомами углерода.
Вулканизация – процесс придания изготовленным из каучука изделиям необходимой прочности и эластичности путем введения в каучук серы.
Галогенирование – реакция замещения атома водорода на атом галогена (фтора, хлора, брома, йода).
Гетеролитический разрыв связи – расщепление молекулы с образованием ионов.
Гибридизация – математическая комбинация или смешивание орбиталей одного атома с образованием новых орбиталей с отличными геометрическими и энергетическими характеристиками.
Гомологи - соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга, например, на группу СН2.
Гомолитический распад – расщепление молекулы органического соединения, в процессе которого образуются две частицы, каждая из которых содержит на внешней оболочке один неспаренный электрон.
Гомологический ряд – ряд соединений, в котором каждое последующее соединение отличается от предыдущего соединения на одну метиленовую группу.
Гомоцепные полимеры – ВМС, основная цепь которых построена из одинаковых атомов (например, из атомов углерода) –карбоцепные полимеры.
Гетероцепные полимеры – ВМС, основная цепь которых построена из двух или большего числа разных элементов (углерода и кислорода, углерода и азота и т.д.).
Диен – молекула с двумя двойными углерод-углеродными связями.
Жир – сложный эфир глицерина и трех молекул жирной кислоты.
Жирная кислота – алифатическая карбоновая кислота, обычно имеющая неразветвленную цепь.
Заместитель – группа, входящая в молекулу вместо атома водорода или другой группы.
Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами.
Индуктивный эффект – электронный эффект, при котором под влиянием какой-либо группы имеет место перемещение электронной плотности по δ- связи.
Ионная полимеризация – полимеризация, протекающая с образованием либо иона карбония, либо карбаниона, с последующей передачей по цепи положительного или отрицательного заряда.
ИЮПАК – Международный союз чистой прикладной химии (IUPAC), который разработал и принял правила химической номенклатуры.
Карбанион – отрицательно заряженная частица с восемью электронами на атоме углерода.
Карбкатион – положительно заряженная частица с шестью электронами на атоме углерода.
Карбоксил – функциональная группа карбоновых кислот (RCOOH), состоящая из карбонильной группы, к атому углерода которой присоединена гидроксильная группа.
Карбонил –функциональная группа, состоящая из атома углерода и атома кислорода, связанных двойной связью (С=О).
Каучуки – эластичные высокомолекулярные материалы как природного происхождения (натуральный каучук), так и синтетические (бутадиеновый (СКБ), дивиниловый (СКД), нитрильный (СКН), изопреновый (СКИ)).Кетон – карбонильное соединение, в котором углерод карбонильной группы связан с двумя другими атомами углерода.
Конденсированные циклы – два кольца, имеющих два общих атома.
Крекинг – процесс расщепления углеводородов с длинными цепями на молекулы меньшей длины, происходящий в присутствии катализаторов.
Льюиса кислота – любое соединение, способное присоединить пару электронов (акцептор электронов), принадлежащих атому или группе атомов, и образовать с ним комплементарную связь.
Льюиса основание – любое соединение, способное предоставить пару электронов (донор электронов) для образования ковалентной связи с кислотой Льюиса.
Мезомерный эффект – электронный эффект, при котором влияние заместителей на распределение электронной плотности передаётся по π-связям.
Мономер – молекула низкомолекулярного соединения, вступающего в полимеризацию.
Мутаротация – изменение во времени оптической активности растворов многих сахаров.
Мыло – соль жирной кислоты с длинной цепью.
Насыщенные соединения – соединения, содержащие только одинарные связи углерод – углерод.
Несыщенные соединения – соединения, содержащие одну или более двойных или тройных углерод – углеродных связей.
Нитрил – соединение, содержащие нитрильную группу (СN), связанную с углеродом.
Номенклатура – система названий.
Нормальный углеводород – углеводород, имеющий неразветвленную углеродную цепь.
Нуклеофил – основание Льюиса, которая осуществляет реакцию замещения, обычно у атома углерода.
Нуклеофильный реагент – реагент, который дает электронную пару для вновь возникающей связи.
Окисление – реакция, в которой происходит потеря электронов, присоединение кислорода или потеря атомов водорода.
Олигомеры – вещества, которые по молекулярной массе и свойствам занимают промежуточное положение между полимерами и мономерами (молекулярная масса от 500 до 5000).
Омыление – гидролиз сложного эфира водным раствором основания.
Орбиталь – математическое описание реального или возможного положения электрона в молекуле или атоме.
Пептидные связи- связи, образуемые в результате взаимодействия карбоксила одной аминокислоты с аминогруппой другой.
Ориентанты первого рода – заместители, обладающие положительным индуктивным эффектом или положительным мезомерным эффектом, но отрицательным индуктивным эффектом, способствующие электрофильному замещению в орто- и пара-положения бензольного кольца.
Ориентанты второго рода - заместители, обладающие отрицательным индуктивным эффектом или отрицательными как индуктивным, так и мезомерным эффектами, направляющие электрофильную частицу в мето-положение бензольного кольца.Первичный атом углерода – атом углерода, связанный с одним атомом углерода.
Переходное состояние – структура с максимальной энергией, через которую должна пройти система реагирующей или реагирующих молекул при переходе от исходного вещества к конечному.
Полимеры – высокомолекулярные соединения (ВМС), отличающиеся от низкомолекулярных веществ большой молекулярной массой (свыше 5000 и вплоть до многих миллионов).
Поликонденсация – реакция образования ВМС, сопровождающаяся отщеплением простейших веществ: воды, спирта, аммиака, хлористого водорода и др.
Полиамидные смолы – синтетические ВМС, содержащие в основной цепи, подобно белкам, амидные (-CO-NH-) группы.
Поляриметр – прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованного света.
Простой эфир – соединение, образующееся из двух молекул спирта с отщеплением молекулы воды.
Рацемическая смесь – смесь эквимолярных количеств двух энантиомеров.
Реакции механизм – последовательность стадий, через которые проходит реакция, включая структурные особенности и энергетические характеристики промежуточных соединений и переходных состояний.
Реакции дегидрогенизации (дегидрирования) – реакции, протекающие при каталитическом отщеплении водорода.
Реакция этерификации – реакция образования сложного эфира из кислоты и спирта.
Рекомбинация – обрыв макроцепи вследствии соединения между собой свободных радикалов.
Сложный эфир – соединение, образующееся при реакции спирта с кислотой с отщеплением молекулы воды.
Сополимеризация – процесс совместной полимеризации двух или большего числа различных мономеров.
Сопряжение – чередующееся расположение двойных и простых связей, как в бутадиене-1,3.
Спирт – вещество, содержащее гидроксильную группу (-ОН) как единственную или основную функциональную группу; фенолы не относятся к классу спиртов.
Стереоизомеры – изомеры, имеющие одинаковую структурную формулу, но различающиеся расположением атомов в пространстве.
Стереохимия – наука, изучающая пространственное строение молекул и влияние этого строения на химические и физические свойства соединений, на направление и скорость их реакций.
Тетраэдр – фигура, образованная четырьмя плоскими поверхностями. В правильном тетраэдре этими поверхностями являются равносторонние треугольники.
Третичный атом углерода – атом углерода, связанный с тремя другими атомами углерода.
Углевод - сахар или производное сахара.
Углеродный скелет – последовательность химически связанных между собой атомов углерода.
Фенол – вещество, содержащее гидроксильную группу, связанную с ароматическим кольцом.
Фенолоформальдегидные смолы – ВМС, образующиеся в результате реакции поликонденсации фенола с формальдегидом.
Функциональные группы – атомы или их группировки, во многом определяющие химические и физические свойства органических соединений.
Хиральный – не совместимый со своим зеркальным изображением.
Хлорирование – реакция замещения атома водорода на хлор.
Цепная реакция – цепь превращений исходных веществ в продукты реакции; при этом вещество, израсходованное на одной стадии, регенерируется на той же или последующей стадии, и, таким образом, реакция продолжается.
Циклоалкан – насыщенный циклический углеводород.
Четвертичный атом углерода – атом углерода , связанный с четырьмя другими атомами углерода.
Электрофильный реагент - реагент, который принимает электронную пару для вновь возникающей связи.
Электронные эффекты – эффекты, при которых под влиянием заместителей в молекуле смещается электронная плотность.
Элиминирование – образование двойной связи из простой или тройной связи из двойной в результате отрыва двух групп от рассматриваемых атомов; реакция отщепления.
Энантиомеры – молекулы, являющиеся зеркальными изображениями друг друга и не совместимые друг с другом.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
Приложение 1
ПАМЯТКА СТУДЕНТУ
При выполнении опыта студент обязан:

Предварительно подробно ознакомиться с теоретическим материалом и хорошо понять химизм процессов, которые предстоит изучить на практике.
Внимательно прочитать в методическом руководстве инструкцию к выполнению данного опыта и продумать последовательность операций.
Выполнить опыт, соблюдая все меры предосторожности, последовательность операций, количественные соотношения веществ, проводя нужные наблюдения.
Записать результаты опыта в дневник по схеме:

После окончания работы привести в порядок рабочее место и сдать его лаборанту или преподавателю.
Список литературы:
1. Габриелян О.С., Химия. -11, «Дрофа», 2010 г
2. Гитис С.С. Практикум по органической химии. – М.: «Высшая школа»,
1999 г.
3. Органическая химия./под ред. Н.А. Тюкавкиной. – М.: «ГЭОТАР Медиа»,
2014 г.
4.Пустовалова Л.М., Органическая химия. СПО. – Ростов-на-Дону «Феникс»,
2014 г.
Интернет ресурсы:
1. http://www.chemistry2. http://www.xumuk.ru3. http://www.hemi.nsu.ru4. http://www.chemistry.narod.ru5. http://him.1september.ru

Приложенные файлы

  • docx file24
    Размер файла: 918 kB Загрузок: 3

Добавить комментарий