ВУЗ: Национальный исследовательский томский политехнический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 09.02.2019
Просмотров: 10361
Скачиваний: 59
81
При разгонке нефти получают несколько фракций: бензин (темпе-
ратура кипения 40–180 °С, углеводороды С
6
–С
10
), керосин (температура
кипения 180–230 °С, углеводороды С
11
–С
12
), дизельное топливо (темпе-
ратура кипения 230–305 °С, углеводороды С
13
–С
17
), мазут, из которого
перегонкой под уменьшенным давлением или с водяным паром полу-
чают солярное масло (углеводороды С
18
–С
25
), и смазочные масла (угле-
водороды С
28
–С
38
), вазелин, твердый парафин.
Высшие фракции разгонки нефти подвергают крекингу для получе-
ния высокосортных бензинов. Кроме того, получаются алкены – этилен,
пропен, бутены – важнейшее сырье для химической промышленности.
Метан – бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде.
Встречается в природе как болотный газ, рудничный газ. Наибольшее
содержание метана находится в природном газе. Значительное количе-
ство метана образуется при сухой перегонке каменного угля, в процес-
сах гидрирования угля.
Метан широко используется в качестве топлива с большой тепло-
проводностью (50 000 кДж/кг). С воздухом он образует опасные взрыв-
чатые смеси. Метан служит важным сырьем для химической промыш-
ленности и используется главным образом для получения синтез-газа
(смесь СО и Н
2
), который идет на производство метанола и ряда других
продуктов.
Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов
с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления ма-
зей, используемых в медицине.
Паpафин (смесь твеpдых алканов С
19
-С
35
) – белая твеpдая масса без
запаха и вкуса (температура плавления 50– 70°C) пpименяется для из-
готовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепло-
вых пpоцедуp в медицине и т.д.
Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной
массы используются как питательный субстрат в микробиологическом
синтезе белка из нефти.
82
Глава 6
АЛКЕНЫ
Алкенами, олефинами, или этиленовыми углеводородами, называ-
ют непредельные углеводороды, содержащие одну двойную углерод-
углеродную связь. Общая формула алкенов – C
n
H
2n
.
К непредельным углеводородам относят соединения, содержащие
в углеродной цепи одну или несколько кратных (двойных С=С или
тройных С≡С) углерод-углеродных связей.
6.1. Строение этилена
Орбитали атомов углерода, образующих двойную связь, находятся
в состоянии sp
2
-гибридизации (разд. 2.2). Каждый атом углерода в этиле-
не за счет перекрывания sp
2
-орбиталей образует три σ-связи: с соседним
углеродом и с двумя атомами водорода. Три σ-связи лежат в одной плос-
кости, угол между их осями составляет 120°.
Оставшиеся негибридизо-
ванными, p-орбитали соседних атомов углерода образуют π-связь. Плос-
кость π-связи перпендикулярна плоскости, в которой лежат σ-связи.
Длина двойной связи – около 0,133 нм (в алканах – 0,154 нм). Энергия
двойной связи составляет 712 кДж/моль, а простой – 369 кДж/моль.
Вращение атомов углерода относительно двойной связи невозможно.
Модели молекулы этилена представлены на рис. 6.1.
6.1. Модели молекулы этилена
83
6.2. Номенклатура алкенов
Родоначальником ряда алкенов и простейшим представителем дан-
ного гомологического ряда является этилен. По систематической но-
менклатуре названия алкенов образуются из названий алканов, содержа-
щих такое же число атомов углерода, путем замены суффикса ан на ен:
этен, пропен и т.д. Для простейших алканов сохранились исторически
сложившиеся названия, содержащие суффикс илен: пропилен, бутилен.
Названия алкенов более сложного строения составляют в соответ-
ствии с правилами номенклатуры IUPAC. В качестве основы для назва-
ний алкенов выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую
двойную связь. Атомы цепи нумеруют в таком порядке, чтобы
sp
2
-гибридизованный атом углерода, находящийся ближе к концу цепи,
получил наименьший порядковый номер:
Цепь получает название от названия соответствующего алкана
с изменением суффикса ан на ен. Положение и названия заместителей,
а также положение двойной связи указывают цифрой перед основой на-
звания:
Функциональные группы, содержащие двойные связи, также име-
ют соответствующие тривиальные названия: CH
2
=CH– (винильная
группа, или винил) CH
2
=CH–CH
2
– (аллильная группа, или аллил). Гало-
геноводород CH
2
=CH–Br можно назвать бромистый винил, или винил-
бромид; а спирт CH
2
=CH–CH
2
–OH – аллиловый спирт. По систематиче-
ской номенклатуре винил и аллил называют – этенил и 2-пропенил.
По рациональной номенклатуре алкены называют как производ-
ные первого представителя ряда – этилена. Любой алкен рассматривают
как этилен, у которого один или несколько атомов водорода замещены
алкильными группами. Например:
84
CH
3
CH
2
CH CH
2
CH
3
CH CH CH
3
H
2
C C CH
3
CH
3
CH
2
CH CH
CH
3
CH
3
изопропилэтилен
этилэтилен
симм.диметилэтилен
несимм.диметилэтилен
CH
3
CH
2
CH CH CH
CH
3
CH
3
симм.этилизопропилэтилен
6.3. Изомерия алкенов
Число изомеров в ряду алкенов больше, чем у алканов. Наряду
с изомерией, связанной со строением углеродной цепи, в ряду олефинов
наблюдается изомерия, обусловленная положением двойной связи в це-
пи. Для бутенов С
4
Н
8
возможны три структурных изомера:
CH
3
CH
2
CH CH
2
CH
3
CH CH CH
3
H
2
C C CH
3
CH
3
1-бутен
2-бутен
2-метилпропен,
изобутилен
Кроме этого, структурными межклассовыми изомерами алкенов яв-
ляются циклоалканы: для бутенов – это циклобутан и метилциклопропан:
CH
3
циклобутан
метилциклопропан
Наряду со структурной изомерией, в ряду алкенов имеет место
пространственная (геометрическая), или так называемая цис-транс-
изомерия, существование которой связано с тем, что
-связь не допус-
кает свободного вращения вокруг оси
-связи между двумя углеродны-
ми атомами. Для 2-бутена возможно два стереоизомера:
C
C
H
CH
3
H
H
3
C
C
C
CH
3
H
H
H
3
C
цис-2-бутен
транс-2-бутен
цис-Изомеры содержат большие атомы или группы атомов при уг-
леродах с двойной связью по одну сторону от плоскости этой связи,
транс-изомеры – по разные стороны. Геометрическая изомерия воз-
85
можна только для тех алкенов, у которых каждый из атомов углерода,
связанный двойной связью имеет два различных заместителя.
Переход одного геометрического изомера в другой возможен лишь
при высоких температурах, при облучении УФ-светом или при дейст-
вии катализатора.
6.4. Физические свойства
Физические свойства алкенов, по существу, такие же, как свойства
алканов. Они не растворимы в воде, но хорошо растворимы в неполяр-
ных растворителях, таких как бензол, эфир, хлороформ. Их плотность
меньше плотности воды и колеблется от 0,6 до 0,8 (г/мл). В гомологиче-
ском ряду она увеличивается.
Алкены с числом атомов углерода от 2 до 4 – газы, от С
5
до С
17
–
жидкости, далее идут твердые вещества.
Температуры кипения олефинов повышаются с увеличением со-
держания углерода примерно на 20–30 °С при увеличении цепи на один
углеродный атом. Разветвление понижает температуру кипения: цис-
изомеры обычно кипят при более высокой температуре, чем транс-
изомеры.
Перемещение двойной связи в центр молекулы вызывает повыше-
ние температуры плавления: транс-изомеры плавятся при более высо-
кой температуре, чем цис-изомеры.
6.5. Способы получения алкенов
Этилен и его гомологи в очень небольшом количестве встречаются
в нефти. Наибольшее содержание олефинов – в канадской нефти. В чис-
том виде из нефти выделены углеводороды от С
6
Н
12
до С
13
Н
26
.
Многие простые и сложные алкены могут быть получены различ-
ными методами:
Промышленное получение низших алкенов (разд. 6.5.1):
Реакции элиминирования:
C
X
C
Y
XY
C C
+