Что такое нециклическое строение

Что такое нециклическое строение

Углеводород нециклического строения массой 8,4 г реагирует с водородом в одну стадию и способен присоединить 3,36 л (н. у.) водорода в присутствии катализатора.

Известно, что в результате присоединения бромоводорода к этому углеводороду может образоваться только одно бромпроизводное.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу исходного органического вещества;

3) составьте структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение реакции этого вещества с бромоводородом.

1) Вычислим молекулярную формулу углеводорода:

Углеводород нециклического строения, способный присоединять водород в одну стадию, — алкен ().

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

.

Молекулярная формула углеводорода — .

3) Составим структурную формулу вещества. Молекулярной формуле соответствуют бутен-1, бутен-2 и 2-метилпропен. По условию в результате присоединения бромоводорода к этому углеводороду образуется только одно бромпроизводное, значит, двойная связь должна располагаться между одинаковыми фрагментами молекулы. Этому удовлетворяет бутен-2.

Его структурная формула:

4) Напишем уравнение реакции исходного вещества с бромоводородом:

Источник

Химия. 10 класс

§ 6. Структурные формулы простейших углеводородов. Алканы. Изомерия алканов

Структурные формулы простейших углеводородов. Алканы. Изомерия алканов

Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды. Молекулы углеводородов состоят только из двух элементов: углерода и водорода. Простейшим углеводородом является метан. Молекулярная формула метана — CH₄. Молекулярная формула отражает только состав молекулы метана. Рассмотрим строение молекулы метана.

Атом углерода имеет четыре валентных электрона, атом водорода — один. Это можно наглядно отобразить при помощи электронных формул:

Очевидно, что один атом углерода может образовать четыре ковалентные связи с четырьмя атомами водорода:

При этом атомы приобретают завершённые внешние электронные оболочки, углерод — восьмиэлектронную, водород — двухэлектронную.

Приведённая электронная формула отражает строение молекулы метана CH₄, в которой центральный атом углерода связан с четырьмя атомами водорода посредством четырёх общих электронных пар (четырёх ковалентных связей). На практике при отображении строения молекул органических веществ удобнее пользоваться структурными формулами. Структурная формула метана:

Структурные формулы, в отличие от молекулярных, отражают не только состав, но и последовательность соединения атомов в молекуле.

Составим структурную формулу следующего углеводорода — этана. Молекула этана содержит два атома углерода, соединённых одинарной связью. Учитывая, что углерод в органических веществах четырёхвалентен, легко составить электронную и структурную формулы молекулы этана:

В органической химии обычно пользуются структурными, а не молекулярными формулами веществ. Для того чтобы структурные формулы не были слишком громоздкими, отдельные связи в них, как правило, не указывают. В этом случае структурная формула этана будет выглядеть гораздо компактнее: .

Следующий углеводород — пропан. Молекула пропана содержит цепь из трёх атомов углерода, соединённых одинарными связями. Структурные формулы молекулы пропана:

Из четырёх атомов углерода можно построить два вида цепей: нормальную (неразветвлённую) и разветвлённую. Структурные формулы соответствующих углеводородов:

Напомним, что для обозначения углеводородов, имеющих неразветвлённую (нормальную) цепь, в начале названия ставят букву «н» (§ 5).

Как вы уже знаете из § 5, н-бутан и изобутан являются изомерами. Молекулы этих веществ имеют одинаковый качественный и количественный состав (молекулярная формула C₄H₁₀), но разное строение.

Изомерные н-бутан и изобутан при нормальных условиях — бесцветные газы без запаха, присутствуют в природном газе. Смесями пропана и изомерных бутанов, выделенными из природного газа, заполняют газовые баллоны, использующиеся в быту (рис. 6.1).

Из пяти атомов углерода, соединённых одинарными связями, можно построить молекулы трёх углеводородов:

Состав всех трёх углеводородов одинаков и соответствует молекулярной формуле С₅Н₁₂. То есть приведённые углеводороды являются изомерами.

Явление изомерии во многом обусловливает многообразие органических соединений, делает органическую химию поистине неисчерпаемой.

Мы рассмотрели строение углеводородов, в которых атомы углерода связаны между собой только одинарными связями, остальные связи углерод образует с атомами водорода. Состав таких углеводородов описывается молекулярными формулами СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂ и т. д. Легко видеть, что для этих углеводородов можно предложить общую формулу:

Все углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются лишь одинарные связи, будут соответствовать данной общей формуле. Такие углеводороды называются алканами.

Атом углерода, связанный в углеродной цепи только с одним атомом углерода, называется первичным. Первичные атомы углерода являются концевыми элементами углеродной цепи. В молекуле этана оба атома углерода первичные.

Вторичный атом углерода связан с двумя атомами углерода. В молекуле пропана первый и третий атомы углерода являются первичными, второй атом — вторичным.

Третичный атом углерода связан с тремя атомами углерода; четвертичный — с четырьмя атомами углерода. Третичные и четвертичные атомы углерода являются точками разветвления углеродной цепи. Такие атомы углерода имеются в молекулах изопентана и неопентана (укажите их самостоятельно).

Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются только одинарные связи, называются алканами.

Существуют два изомерных алкана состава С₄Н₁₀ и три изомерных алкана состава С₅Н₁₂.

Источник

§ 18. Алкины

Оглавление

Алкины

Атомы углерода могут быть связаны между собой не только одинарными или двойными, но также тройными связями. Простейшим углеводородом, содержащим тройную связь, является этин или ацетилен . Рассмотрим его строение.

Каждый атом углерода в ацетилене образует четыре химические связи. Образование этих связей происходит за счёт четырёх атомных орбиталей:

Вспомним строение этилена:

Вторая связь между атомами углерода образуется за счёт бокового перекрывания негибридных p-орбиталей атомов углерода — это π-связь:

sp-Гибридные орбитали располагаются на одной прямой, под углом 180°. Две не участвующие в гибридизации р-орбитали атома углерода сохраняют свою первоначальную форму и располагаются взаимно перпендикулярно:

За счёт перекрывания гибридных орбиталей каждый атом углерода образует две σ-связи — одну связь с атомом водорода и одну — с соседним углеродом:

Орбитали, не участвующие в гибридизации, формируют две π-связи между атомами углерода:

Таким образом, в молекуле ацетилена имеется три σ-связи и две π-связи:

Тройная связь короче двойной и одинарной: в молекуле ацетилена длина связи между атомами углерода равна 0,120 нм. Напомним, что в молекулах этилена и этана длина связи между атомами углерода составляет 0,134 и 0,154 нм соответственно.

Ацетилен является простейшим представителем алкинов — нециклических углеводородов, молекулы которых содержат одну тройную связь.

Изомерия алкинов

Алкинам так же, как и алкенам, свойственна изомерия положения кратной связи и изомерия углеродного скелета:

Обратите внимание, что у алкинов изомерия углеродного скелета возможна, начиная с вещества, содержащего пять атомов углерода в молекуле. Как уже упоминалось, алкины и алкадиены имеют одинаковую общую формулу C_nH_2n–2. Поэтому алкины могут быть изомерны алкадиенам. Такие изомеры называются межклассовыми. Например, формулу C₄H₆ имеют вещества:

Номенклатура алкинов

Приведём несколько примеров формул и названий алкинов:

а) в названии «пропин» нет необходимости указывать положение тройной связи;

б) атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе тройная связь.

Физические свойства

Физические свойства алкинов подобны свойствам соответствующих алкенов. Так, алкины с числом атомов углерода в молекуле 2—4 при комнатной температуре являются бесцветными газообразными веществами. Алкины с числом атомов углерода в молекуле от 5 до 16 — жидкости. Алкины с числом атомов углерода в молекуле больше 16 представляют собой твёрдые вещества. Температуры кипения некоторых алкинов неразветвлённого строения приведены в таблице 18.1.

Таблица 18.1. Температуры кипения алкинов

Температура кипения (t_кип, °С)

Алкины нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях.

Плотность жидких и твёрдых алкинов меньше, чем у воды.

Химические свойства алкинов

Химические свойства алкинов сходны со свойствами алкенов, так как в молекулах веществ обоих классов имеется кратная связь. Характерными для алкинов являются реакции присоединения по тройной связи, сопровождающиеся разрывом π-связей, так как они менее прочные, чем σ-связь. Так же, как и алкены, алкины могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды, причём одна молекула алкина может присоединить две молекулы указанных веществ.

1. Галогенирование. Присоединение галогенов

Алкины, подобно алкенам, обесцвечивают бромную воду:

Образующийся 1,2-дибромэтен содержит двойную связь, поэтому при избытке брома вступает в реакцию присоединения. В итоге образуется тетрабромпроизводное алкана:

В отличие от алкенов, состав продуктов реакции алкинов с бромом зависит от количественного соотношения реагентов. При недостатке брома могут образовываться соединения, содержащие двойную связь, тогда как в избытке образуются насыщенные соединения.

Две предыдущие реакции можно объединить в одну:

Таким образом, при пропускании ацетилена через бромную воду, протекает реакция присоединения брома по тройной связи. В результате оранжевый раствор брома обесцвечивается. Подобное явление наблюдалось и для алкенов.

Следовательно, реакция с бромной водой является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

Так же, как этилен, ацетилен обесцвечивает водный раствор перманганата калия. Следовательно, реакция с раствором перманганата калия также является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

2. Гидрирование. Присоединение водорода

В результате гидрирования алкинов сначала образуются алкены, а затем алканы. Для протекания реакции необходим катализатор (Pt или Ni).

Приведём уравнения реакций, протекающих при гидрировании пропина:

3. Гидрогалогенирование. Присоединение галогеноводородов

Алкины могут присоединять молекулы сложных веществ. В результате присоединения молекулы хлороводорода к молекуле ацетилена образуется хлорэтен:

Углеводородный радикал имеет тривиальное называние винил. Поэтому хлорэтен часто называют винилхлоридом. Винилхлорид — бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, очень ядовит, t_кип = –14 °С.

Молекула винилхлорида содержит двойную связь, поэтому он, подобно алкенам, вступает в реакцию полимеризации:

Продукт реакции полимеризации винилхлорида — поливинилхлорид, или сокращённо ПВХ, широко используется для изготовления оконных рам, дверей, линолеума, электроизоляции проводов, искусственной кожи и других изделий.

С особенностями присоединения галогеноводородов и воды к гомологам ацетилена вы можете познакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.

4. Горение. Взаимодействие с кислородом

Как и все углеводороды, алкины горят. Уравнение реакции горения ацетилена:

При горении ацетилена в кислороде выделяется большое количество теплоты, температура пламени настолько высока, что им можно сваривать и резать металлы. Поэтому ацетиленовое пламя используется при сварке и ремонте металлических изделий.

Получение ацетилена

1. Карбидный способ

Ацетилен получают в результате действия воды на карбид кальция СаС₂. Чистый карбид кальция представляет собой твёрдое белое вещество без запаха. Технический продукт имеет серый цвет и неприятный запах из-за наличия примесей.

Карбид кальция бурно реагирует с водой, при этом выделяется ацетилен:

Для получения карбида кальция используют известняк (СаСО₃), при прокаливании которого образуется оксид кальция. Затем оксид кальция спекают с углём в электропечи при температуре примерно 2000 °С:

2. Пиролиз метана

Ещё одним способом получения ацетилена является частичное термическое разложение метана. Вы уже знаете, что если алканы нагреть до высокой температуры (подвергнуть пиролизу), то они разлагаются на углерод и водород (§ 10). Оказывается, одним из промежуточных продуктов пиролиза метана является ацетилен. Чтобы предотвратить разложение ацетилена, образующегося при высокой температуре (примерно 1500 °С), продукты реакции быстро охлаждают. Протекающий процесс можно отобразить уравнением:

С другими методами получения алкинов вы можете познакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.

Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеется одна тройная связь, называются алкинами.

Тройная связь в молекулах алкинов включает одну σ — и две π -связи.

Характерными для алкинов являются реакции присоединения по тройной связи. При этом происходит расщепление π -связей. Алкины могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды.

Реакции обесцвечивания раствора перманганата калия и бромной воды являются качественными реакциями на кратную (двойную и тройную) связь.

Ацетилен получают действием воды на карбид кальция и пиролизом метана.

Алкины изомерны алкадиенам.

*Присоединение галогеноводородов и воды к гомологам ацетилена

Гомологи ацетилена присоединяют галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова, т. е. водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода тройной связи.

Присоединение галогеноводородов. Гидрогалогенирование

Приведём уравнение реакции присоединения хлороводорода к пропину:

Присоединение воды. Гидратация

Присоединение воды к ацетилену происходит в присутствии солей ртути и серной кислоты. При этом образуется уксусный альдегид:

Эта реакция носит имя русского химика Михаила Григорьевича Кучерова.

Рассмотрим подробнее, как протекает данная реакция. Сначала молекула воды присоединяется по одной π-связи молекулы ацетилена. При этом образуется неустойчивый виниловый спирт:

Спирты, у которых гидроксильная группа находится при двойной связи C C неустойчивы, поэтому виниловый спирт сразу же превращается в уксусный альдегид:

Теперь рассмотрим присоединение воды к пропину. Реакция протекает в соответствии с правилом Марковникова, поэтому в данном случае образуется кетон. Присоединение воды к пропину:

*Методы получения алкинов

Дегидрогалогенирование дигалогенпроизводных алканов

Ацетилен можно получить дегидрогалогенированием 1,2-дибромэтана спиртовым раствором щёлочи:

Как видно, от одной молекулы дигалогенпроизводного отщепляются две молекулы бромоводорода, в результате образуется ацетилен.

Вопросы и задания

1. Изобразите шаростержневую модель молекулы бутина-2. Укажите типы гибридизации атомов углерода в данной молекуле и валентные углы. Может ли бутин-2 существовать в виде пространственных цис- и транс-изомеров?

2. Существует ли углеводород разветвлённого строения, содержащий в молекуле четыре атома углерода и: а) двойную связь; б) тройную связь?

3. Напишите структурные формулы изомерных алкинов состава С₅Н₈. Дайте им названия. * Напишите структурные формулы межклассовых изомеров того же состава.

4. Напишите уравнение реакции присоединения одной молекулы брома к молекуле бутина-2. Назовите продукт реакции.

5. В результате неполного гидрирования алкина получается алкен, при взаимодействии которого с бромной водой образуется дибромпроизводное алкана состава C₄H₈Br₂, молекула которого имеет симметричное строение. Приведите структурную формулу алкина и алкена, а также уравнения всех протекающих реакций.

7*. Газообразный углеводород, объёмом 400 мл (н. у.) смешали с кислородом, объёмом 1000 мл (н. у.) и подожгли. Вещества прореагировали полностью и образовались углекислый газ объёмом 800 мл (н. у.) и вода. Определите формулу углеводорода.
(Ответ: ацетилен.)

Источник