МЕТОДИческие указания для самостоятельной работы и контроля знаний
для студентов специальности: 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» по курсу «Органическая химия» очной формы обучения
Тюмень, 2011
УДК : 54+502
ББК : У9(2)28
К-14
Турнаева Е.А., Казанцева Е.Ю. Строение и свойства углеводородов: методические указания для самостоятельной работы и контроля знаний для студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» по курсу «Органическая химия» очной формы обучения. – Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. - 47 с.
Методические указания разработаны на основании рабочей программы ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Органическая химия». Методические указания разработаны для студентов, обучающихся по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и по направлению 270800 «Строительство», профиль «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», квалификация бакалавр очной формы обучения. Практикум содержит краткую теорию и задания, направленные на закрепление изученного теоретического материала.
Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »
содержание
1. Введение………………………………………………………….4
2. Теория…………………………………………………………….5
3. Контрольная работа…………………………………………….35
4. Тесты…………………………………………………………….41
5. Библиографический список……………………………………47
Введение
Настоящие методические указания предназначены для проверки уровня усвоения лекционного учебного материала и могут быть использованы для текущего контроля знаний у студентов по разделу «Строение и свойства углеводородов».
Все задания равноценны как по форме, так и по уровню сложности.
Предлагаемая работа окажет помощь в самоконтроле знаний по классам органических соединений, в совершенствовании и углублении знаний.
Теория
Предельные углеводороды (алканы)
Предельными углеводородами называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ-связями, в алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3.
Понятие о гомологическом ряде.
Простейшим соединением этого класса является углеводород, содержащий один атом углерода и в соответствии с валентностью углерода четыре атома водорода. Этот углеводород — метан.
Общая формула алканов имеет вид CnH2n+2
Изомерия
В метане, этане и пропане возможен только один единственный порядок связей между атомами. Но уже четыре углерода атома могут быть соединены двумя различными способами:
В первом случае все четыре атома углерода образуют прямую, или нормальную, цепь, а во втором – разветвленную, или цепь изо-строения. Это разные вещества: бутан и изобутан, которые имеют различные физические константы.
Для углеводорода C5H12 существует уже три изомера.
С увеличением числа углеродных атомов в молекуле углеводорода число изомеров быстро растет: для C6 оно равно 5; для C7 - 9; для C8 - 18; для C20 - 366 319; для C40 - 62 491 178 805 831 изомеров.
г о м о л о г и
CH4 метан
CH3—CH3 этан
CH3—CH2—CH3 пропан
CH3—(CH2)2—CH3 бутан
2-метилпропан
CH3—(CH2)3—CH3 пентан
CH3
I
CH3-CH-CH2- CH3 2-метилбутан
СН3
I
CH3-C-CH3
I
CH3 2,2-диметилпропан
CH3—(CH2)4—CH3 гексан
CH3
I
CH3-CH-CH2-CH2-CH3 2-метилпентан
2,2-диметилбутан
CH3 CH3
| |
СН3-СН-СН-СН3
2,3-диметилбутан
CH3
|
СН3-СН2-СН-CH2-СН3 3-метилпентан
и з о м е р ы
Номенклатура
Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов с нормальной цепью углеродных атомов называются метан, этан, пропан, бутан. В основе названия следующих гомологов кладется греческое числительное, соответствующее числу атомов углерода, и окончание –ан.
Если от молекулы предельного углеводорода отнять один атом водорода, то остаток называется радикалом или алкилом. Название радикала образуют из названия соответствующего алкана, заменяя окончание –ан на –ил.
Например: H3C- метил CH3CH2CH2CH2- н-бутил
C2H5- этил CH3CH2-CH-CH3втор-бутил
|
CH3CH2CH2- н-пропил (СН3)3С- трет-бутил
В приведенных названиях сокращения обозначают: н - нормальный, втор – вторичный, трет – третичный.
Приставка изо- в конкретном названии используется для названия соединений или радикалов, в которых две метильные группы находятся на одном конце в остальной неразветвленной цепи углеродных атомов, приставка нео – указывает на наличие трех метильных групп на конце неразветвленной цепи, например:
Номенклатура ЮПАК (систематическая номенклатура). По номенклатуре ЮПАК, названия предельных углеводородов характеризуются суффиксом –ан.
Углеводороды с нормальной цепью углеродных атомов имеют следующие названия:
СН4 - метан СН3(СН2)2СН3 - гептан
СН3СН3 - этан СН3(СН2)2СН3 - октан
СН3СН2СН3 - пропан СН3(СН2)2СН3 - нонан
СН3(СН2)2СН3 - бутан СН3(СН2)2СН3 - декан
СН3(СН2)3СН3 - пентан СН3(СН2)2СН3 - ундекан
СН3(СН2)4СН3 - гексан СН3(СН2)2СН3 - додекан и т.д.
Названия предельных углеводородов с разветвлёнными цепями строятся следующим образом:
1. За основу названия данного соединения берется название углеводорода, соответствующее числу углеродных атомов главной цепи. Главной цепью углеродных атомов считают:
а) самую длинную;
б) самую сложную ( с максимальным числом разветвлений).
2. После установления главной цепи необходимо перенумеровывать углеродные атомы. Нумерацию начинают с того края цепи, к которому ближе примыкает любой из алкилов. Если разные алкилы находятся на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию начинают от того края цепи, к которому ближе радикал с меньшим числом углеродных атомов (метил, этил, пропил и т.д.). Например:
Методы получения
Главным природным источником предельных углеводородов является нефть, а для первых членов гомологического ряда – природный газ. Однако выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов её крекинга – весьма трудоёмкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам получения.
1.При действии металлического натрия на моногалогенопроизводные (реакция Вюрца)образуются алканы:
CH3-CH2-Br+Br-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3+2NaBr
Если взяты разные галогенопроизводные, то образуется смесь трех различных алканов.
3C2H5J+3CH3CH2CH2J C4H10+C5H12+C6H14+6NaJ
2.Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов:
C3H-HC=CH-HC3 H3C-CH2-CH2-CH3
3.Самые разнообразные производные алканов могут быть восстановлены при высокой температуре иодистоводородной кислотой:
4.Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью:
Физические свойства.
Согласно теории строения А. М. Бутлерова, физические свойства веществ зависят от их состава и строения.
Четыре первых члена гомологического ряда начиная с метана – газообразные вещества. Начиная с пентана и выше нормальные углеводороды представляют собой жидкости. Метан сгущается в жидкость лишь при температуре -162 °С. У последующих членов ряда температура кипения возрастает. Плотность углеводородов при температуре кипения увеличивается. Температура плавления нормальных углеводородов в гомологическом ряду увеличивается медленно. Начиная с углеводорода С16Н34, высшие гомологи при обычной температуре – вещества твёрдые.
Химические свойства.
Предельные (парафиновые) углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью. Это объясняется тем„что все σ-связи углерод — углерод и углерод — водород в них весьма прочны (энергии этих связей порядка 90 ккалlмоль). К реакциям присоединения они вообще не способны вследствие насыщенности всех связей атомов углерода. С большинством химических реагентов алканы или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. Так, концентрированная серная кислота, обугливающая многие органические соединения, на предельные углеводороды не действует при комнатной температуре. Сильные окислители (например, марганцовокислый калий), при комнатной температуре тоже не действуют на парафины.
При сравнительно невысоких температурах протекает лишь небольшое число реакций, при которых происходит замена атомов водорода парафиновых углеводородов на различные атомы и группы – реакции замещения.
1.6.1. Радикальное галогенирование.
На свету галоген (энергичнее всего хлор, с йодом реакция не идет) последовательно замещают атомы водорода в ' предельных углеводородах:
CH4+Cl2 CH3Cl+HCl
CH3Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl
CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl
CHCl3+Cl2 CCl4+HCl
Механизм этой реакции сложен. На первой стадии под влиянием света происходит гомолитический разрыв связи в молекуле хлора и она распадается на два радикала:
Cl¦¸¦Cl 2Cl•
Атом или молекула такого типа, содержащие неспаренный электрон, называются свободными радикалами и, как правило, существуют лишь доли секунды, так как мгновенно реагируют с присутствующими веществами. Они черезвычайно реакционноспособны и стремятся к взаимодействию с любым соединением.
Поэтому на следующей стадии реакции радикал Сl● атакует молекулу метана, образуя HСl и генерируя углеводородный радикал метил:
Н3С:H+Cl•=H3C•+HCl
Радикал метил атакует молекулу хлора с образованием молекулы хлористого метила и регенерацией радикала Сl ●:
●CH3 +Cl : Cl CH3Cl+Cl●
Хлористый метил
Итак, процесс начинается снова и точно таким же образом полу- чаются и другие продукты процесса: CH2CL2— хлористый метилен, CHCL3— хлороформ и CCL4— четыреххлористый углерод.
Процессы такого типа называются цепными реакциями, поскольку в принципе один радикал хлора может вызвать (или, как говорят, ини- циировать) хлорирование бесконечно большого числа молекул метана, действуя по описанному выше механизму цикла превращений.
На прямом солнечном свету взаимодействие метана и хлора про- исходит со взрывом.
1.6.2. Нитрование.
Азотная кислота при обыкновенной температуре почти не действует на предельные углеводороды; при нагревании же действует главным образом как окислитель. В 1889 г. М. И. Коновалов — ученик В. В. Марковникова — нашел, что при нагревании (около 140 °С) и под давлением разбавленная азотная кислота действует как нитрующий агент, т.e. один из атомов водорода предельного углеводорода замещается на остаток - NO2(нитрогруппа) и выделяется вода:
В случае несимметричной, разветвленной молекулы легче всего замещается водород у третичного атома, затем у вторичного и труднее всего у первичного атома углерода.
Окисление.
Окислители, даже такие, как хромовая смесь и марганцовокислый калий, при обычных температурах не действуют на предельные углеводороды с нормальной углеродной цепью. Легче окисляются углеводороды, в молекулах которых имеется третичный атом углерода.
При температуре выше 300°С предельные углеводороды воспламеняются и сгорают с образованием CO2 и H2O : C5H12+8O2 5CO2+6H2O
При очень высоких температурах в промышленности реализован процесс взаимодействия метана с водой:
CH4+H2O CO+3H2
Сульфохлорирование.
Эта реакция имеет большое значение в производстве моющих средств. Тяжелые фракции синтина – смеси синтетических углеводородов C12-C18 в условиях ультрафиолетового облучения подвергаются совместному действию Cl2 и SO2. Образующиеся сульфохлориды при омылении щелочами дают соли сульфокислот:
Реакция сульфохлорирования, как и реакция радикального галогенирования, является цепной реакцией.
Циклоалканы
Циклоалканы - предельные углеводороды, состав которых выражается формулой CnH2n. В состав молекул циклоалканов входят замкнутые углеродные цепи (циклы).
Изомеры и гомологи
г о м о л о г и
Циклопропан C3H6 или∆
Циклобутан C4H8 или □
Метилциклопропан
CH3
I ∆
Циклопентан C5H10 или ⌂
Метилциклобутан
CH3 □∕
1,1-диметилциклопропанH3C CH3
V
∆
1,2-диметилциклопропан CH3
I ∆┐
CH3
Этилциклопропан C2H5
I ∆
и з о м е р ы
Упрощенно углеводородный цикл часто изображают правильным многоугольником c соответствующим числом углов. Физические свойства мало отличаются от свойств алканов.
Химические свойства
За исключением циклопропана и циклобутана циклоалканы, как и алканы, малоактивны в обычных условиях. Общие свойства циклоалканов (на примере циклогексана):
2.2.1. горение (окисление с разрывом связей C—C и C—H):
C6H12 + 9O2 6CO2 + 6H2O + Q
2.2.2. замещение (галогенирование, нитрование):
C6H12 + Cl2 C6H11Cl + HCl (при нагревании или на свету)
2.2.3.присоединение (гидрирование):
C6H12 + H2 C6H14 (при нагревании под давлением в присутствии Ni-катализатора)
2-метилпропан
2,2-диметилбутан
CH3-CH2-CH2-CH3+2NaBr
C4H10+C5H12+C6H14+6NaJ
H3C-CH2-CH2-CH3
CH3Cl+HCl
2Cl•
●CH3 +Cl : Cl CH3Cl+Cl●
-HCl CH3(CH2)10CH2•
CH3(CH2)10CH2-SO2 • 
CH3(CH2)10 - CH2SO3Na
6CO2 + 6H2O + Q
+H2
2.3.3.Дегалогенирование галогеналканов:
+ZnBr2
С6H6+3H2 C6H12