Алкены: формула. Химические свойства. Получение

Алкенами называют алифатические углеводороды, молекулы которых имеют одну двойную связь между атомами углерода. Также их еще принято называть олефинами (от латинского olefiant - масло), из-за хлористого этилена, полученного еще в 18-м веке, представляющего собой жидкое маслянистое вещество. Общая формула алкенов имеет вид С_nΗ_2n. Эти вещества, в сравнении с алканами, содержат меньшее число атомов водорода при равной длине углеродной цепи. Поэтому их называют также ненасыщенными углеводородами.

Простейший алкен

Простейшим представителем ряда алкенов является этен (он же этилен). Атомы углерода в его молекуле находятся в sp²-гибридном состоянии. Это значит, что в образовании двойной связи в алкенах участвует одна s-орбиталь и две р-орбитали.

Каждый атом углерода при двойной связи имеет по три орбитали в состоянии sp²-гибридизации и по одной р-орбитали. При перекрывании электронных облаков образуются одна σ-связь и одна π-связь, которые и образуют двойную связь. При этом π-связь гораздо слабее и под действием реагентов легко разрывается, обуславливая характерные свойства алкенов. При этом она делает невозможным вращение соседних атомов углерода вокруг оси связи.

Молекула этилена имеет симметричное строение. Все атомы находятся в одной плоскости, а углы между ними равны 120°. Длина связи С=С составляет 0,134 нм.

Изомерия

Для алкенов характерны те же виды изомерии, что и для алканов. Но к ним добавляется еще один вид - пространственная. Благодаря наличию π-связи, а вследствие этого жесткой закрепленности атомов углерода относительно друг друга, поворот по оси двойной связи невозможен без ее разрыва. Зато в молекулах алкенов наблюдается цис-транс изомерия. Для нее характерно различное расположение заместителей по отношению к плоскости π-связи. Это приводит к различиям физических и химических свойств таких изомеров. Примером могут служить транс-бутен-2 и цис-бутен-2.

Структурные формулы алкенов при изомерии положения двойной связи отличаются размещением С=С в главной цепи. Например, в молекуле гексена-2 кратная связь расположена между вторым и третьим атомами С, а в молекуле гексена-3 - между третьим и четвертым.

При изомерии углеродного скелета кратная связь имеет одинаковое размещение, но взаимное расположение атомов углерода в молекулах отличается. Так, гексен-1 имеет линейное строение, а его структурный изомер (2,3-диметилбутен-1) - разветвленное.

Межклассовая изомерия также характерна. Идентичную общую формулу с алкенами имеют циклоалканы. Например, межклассовым изомером бутена-1 будет циклобутан.

Физические свойства

По своим физическим свойствам алкены близки к алканам, и также наблюдается определенная закономерность в изменении температур плавления и кипения гомологов этена. С ростом молекулярной массы, то есть с удлинением углеводородной цепи, возрастают t_кип и t_пл, а также плотность.

Первые три члена ряда этилена являются газами, следующие 13 - жидкостями, и далее от алкена с формулой С₁₈Η₃₆ - твердые вещества. Все олефины плохо растворяются в воде, зато прекрасно растворимы в органических растворителях (таких как бензин и бензол). Легче воды.

Химические свойства

Для таких веществ характерны различные типы реакций. Большинство из них сопровождается разрывом двойной связи в результате взаимодействия алкенов с какими-либо агентами.

Реакции присоединения:

1. Гидрирование (присоединение молекулы водорода):

СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + Η₂ ―> СΗ₃-СΗ₂-СΗ_3.

1. Галогенирование (присоединение молекулы галогена - Cl₂, Br₂, F₂):

СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + Cl₂ ―> СΗ₃-CΗCl-CΗ₂Cl.

1. Гидратация (присоединение молекулы воды):

СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + Η₂О ―> СΗ₃-СΗ(ОН)-СН_3.

1. Гидрогалогенирование (присоединение молекулы галогеноводорода):

СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + ΗCl ―> СΗ₃-CΗCl-СΗ_3.

Полимеризация

Реакцией полимеризации принято называть процесс соединения низкомолекулярных молекул мономера в крупную молекулу полимера. Вызывается этот процесс различными факторами, например, изменением давления или температуры, облучением, действием свободных радикалов. Полимеризация алкенов также сопровождается разрывом двойной связи, а за счет появившихся свободных орбиталей соседние молекулы соединяются между собой. Так из этилена получают полиэтилен, из пропена (пропилена) - полипропилен.

n СН₂=СΗ₂ ―> (- СΗ₂ - СΗ₂ -)_n

n СН₂=СН-СΗ₃ ―> (- СΗ₂ - СΗ(СΗ₃) -)_n

Однако не только гомологи этилена имеют важное значение в получении полимеров, но и производные алкенов с формулами C₂F₄ (тетрафторэтилен), С₆Н₅-СН=СН₂ (стирол), СН₂=CHCN (акрилонитрил), из которых получают тефлон, полистирол и синтетические волокна.

Окисление

Горение. Как и все углеводороды, алкены горят с образованием СО₂ и Η₂О:

С₂Η₄ + 3О₂ ―> 2СО₂ + 2Η₂О.

Мягкое окисление перманганатом калия является качественной реакцией, поскольку происходит обесцвечивание розовой окраски раствора:

СΗ₂=СΗ₂ + [O] + Η₂О ―> ΗО-СΗ₂-СΗ₂-ОΗ.

Каталитическое окисление, используемое в промышленности. Например, в присутствии PdCl₂ и CuCl₂ этилен окисляется до ацетальдегида:

2СΗ₂=СΗ₂ + О₂ ―> 2СΗ₃ – СОΗ.

Получение

Первые четыре представителя алкенов с формулами С₂Η₂, С₃Η₆, С₄Η₈ и С₅Η₁₀ выделяют из газов, образующихся при крекинге и пиролизе нефтепродуктов, а также коксовании угля:

С₇Η₁₆ ―> С₃Η₆ + С₄Н_10.

В промышленности также имеет значение способ дегидрирования алканов при повышенной температуре в присутствии катализаторов:

СΗ₃-СΗ₂-СΗ₃ ―> СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + Η_2.

В лабораториях этилен получают нагреванием этилового спирта в присутствии Al₂O₃:

CΗ₃–CΗ₂–OΗ ―> CΗ₂=CΗ₂ + Η₂O.