Тема 9 (частина 1). Класифікація, номенклатура та властивості органічних сполук.

ПРЕДМЕТ І ЗНАЧЕННЯ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

Хімія сполук Карбону називається органічною хімією. Проте не всі сполуки Карбону належать до органічних. Такі найпростіші речовини, як оксид Карбону (II) СО, оксид Карбону (IV) СО2, вугільна кислота Н2СО3 та її солі, наприклад СаСО3, К2СО3, нале­жать до неорганічних речовин.

До складу органічних речовин крім Карбону можуть входити і інші елементи. Найчастіше – це Гідроген, галогени, Оксиген, Нітроген, Сульфур і Фосфор.

Органічна хімія має велике наукове і практичне значення. Вона сприяє розвитку суміжних галузей науки – біології, медицини, біохімії, агрохімії тощо.

Сучасна хімічна промисловість виробляє важливі для народного господарства продукти – органічні речовини: пластмаси, волокна, каучук, гуму, смоли, бензин, мастила, спирти, розчинники, клеї, фарби тощо. Органічну сировину використовують численні галузі промисловості: нафтохі­мічна і нафтопереробна, фармацевтична, лісохімічна, харчова.

Велике значення має органічна хімія для сільського господарства. Органічні добрива, засоби боротьби з шкідниками рослин, засоби, що прискорюють або сповільнюють ріст рослин і розвиток плодів,— все це органічні речовини.

БУДОВА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

Велику роль у розвитку органічної хімії відіграла теорія хімічної будови органічних сполук, засновником якої був великий російський хімік-органік О.М.Бутлеров.

Хімічну будову молекул органічних речовин записують за допомогою структурних формул, у яких зазначають усі їхні хімічні зв'язки між атомами, зв'язок зображають рискою.

Так, структурні формули органічних сполук етану С2Н6, етилену С2Н4 і пропану С3Н8 мають такий вигляд:  

Структурні формули сполук можна зображувати у спрощеній формі, вказуючи тільки зв'язки між атомами Карбону. Наприклад, формули етану, етилену і пропану можна записати так:

СН3—СН3; СН2==СН2; СН3—СН2—СН3.

Такий запис широко використовується в органічній хімії.

Основні положення теорії хімічної будови полягають ось у чому:

1) атоми в молекулах сполучені у певній послідовності, тобто молекули мають певну хімічну будову;

2) будова молекул зумовлена електронною будовою атомів, що входять до складу молекул;

3) властивості речовини визначаються хімічною будо­вою молекул та їхнім складом;

4) атоми в молекулах чинять взаємний вплив один на одного, тобто реакційна здатність атомів залежить від того, з якими атомами вони сполучені в молекулі.

КЛАСИФІКАЦІЯ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

В основу класифікації органічних сполук покладено хімічну будову молекул. Найважливішим структурним елементом органічних молекул є карбонові ланцюги, тобто послідовність сполучених атомів Карбону.

Залежно від будови карбонового ланцюга розрізняють ациклічні і циклічні органічні сполуки.

Ациклічні сполуки. Ці сполуки називають також аліфатичними, або сполуками жирного ряду, їх молекули містять незамкнені (відкриті) ланцюги з атомів Карбону. Ланцюги можуть бути прямими і розгалуженими.

Якщо всі зв'язки між атомами Карбону в ациклічних сполуках одинарні, то такі сполуки називаються насиченими. До них належать, наприклад, етан СН3–СН3 і етиловий спирт СН3–СН2ОН.

Ациклічні сполуки, в молекулах яких атоми Карбону сполучені подвійними і потрійними зв'язками, є ненасиченими. Приклад ациклічної ненасиченої сполуки – етилен СН2=СН2.

Циклічні сполуки. У цих сполуках ланцюги з атомів Карбону та інших елементів замкнені в кільця (цикли).

Якщо цикли містять тільки атоми Карбону, то відпо­відні сполуки називаються карбоциклічними. Деякі карбоциклічні сполуки містять одинарні, подвійні або потрійні зв'язки Карбон – Карбон. Вони називаються аліциклічними:  

Особливу групу карбоциклічних речовин складають ароматичні сполуки, до складу їх молекул входять так звані бензольні кільця. Найпростішою ароматичною сполукою є бензол:  

Друга формула – умовно прийняте спрощення зображення бензольного кільця. Така структура має особливі властивості, які розглядатимуться при вивченні бензолу та інших ароматичних сполук.

Таблиця 1. Найважливіші функціональні групи і класи органічних сполук  

Подальша класифікація зазначених вище типів орга­нічних сполук може бути проведена на основі складу їхніх молекул. Органічні сполуки, молекули яких складаються тільки з атомів Карбону (вуглецю) і Гідрогену (водню), називаються вуглеводнями. До вуглеводнів належать, наприклад, етан, етилен, бензол.

Більшість органічних сполук крім атомів Карбону і Гідрогену містять атоми інших елементів. Атом або група атомів, що має реакційну здатність і визначає властивості сполук, називається функціональною групою. Залежно від функціональної групи органічні сполуки поділяють на класи. Найбільш поширені функціональні групи і від­повідні їм класи органічних сполук наведені в табл.1.

ТИПИ РЕАКЦІЙ 3 УЧАСТЮ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

Залежно від результату реакцій з участю органічних сполук можна виділити такі Їх типи.

1. Реакції заміщення, при яких у молекулі вихідної речовини заміщуються окремі атоми, наприклад:

СН4 + Сl2 ® СН3Сl + НСl.

2. Реакції розкладання або відщеп­лення, в результаті яких кожна молекула вихідної речовини перетворюється на дві або більше молекул:

СН3–СН2ОН ® СН2=СН2 + Н2О.

3. Реакції приєднання, продукти яких утво­рюються в результаті сполучення двох або кількох молекул вихідних речовин:

СН2=СН2 + Вr2 ® СН2Вr–СН2Вr.

АЛКАНИ

Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми Карбону в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв'язками. Алкани називають також парафінами, насиченими вуглеводнями.

ГОМОЛОГІЧНИЙ РЯД АЛКАНІВ

Метан. Найпростіший алкан – метан СН4, молекула якого складається з одного атома Карбону і чотирьох ато­мів Гідрогену.

Атом Карбону у метані знаходиться в стані sр3-гібриди­зації. Чотири однакові гібридизовані sр3-орбіталі у просторі розміщені одна відносно одної під однаковими кутами (109,5°) і напрямлені до вершин тетраедра.

Гомологи метану. Крім метану всі інші вуглеводні, що належать до алканів, містять у складі молекули два, три і більше вуглецевих атомів:

СН4 — метан С8Н18 — октан

С2Н6 — етан С9Н20 — нонан

С3Н8 — пропан С10Н22 — декан

С4Н10 —бутан С11Н24 — ундекан

С5Н12 — пентан ............................

С6Н14 — гексан С20Н42 — ейкозан

С7Н16 — гептан ............................

Кожний наступний член цього ряду можна одержати, додаючи до формули попе­реднього члена групу СН2. Група СН2 називається гомо­логічною різницею. Речовини, подібні за хіміч­ними властивостями, склад яких відрізняється на ціле число груп СН2, називаються гомологами. Сукуп­ність гомологів складає гомологічний ряд.

Склад молекул усіх алканів відповідає загальній формулі СnН2n+2, де
n =1, 2, 3, 4... Отже, алкани – це вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі СnН2n+2.

Будову молекул алканів можна уявити як сполу­чення великої кількості тетраедрів.

Ізомерія. Для алканів характерна структурна ізомерія, яка зумовлена мож­ливістю розгалуження вуг­лецевого ланцюга молекули. Вуглеводень з прямим, нерозгалуженим ланцюгом на­зивається нормальним ізомером. У алканах з розгалуженим, ланцюгом замісники (бічні ланцюги) можуть займати різне положення відносно головного ланцюга. Речовини, що мають однаковий склад, але різ­няться будовою вуглецевого ланцюга, називаються структурними ізомерами.

Наприклад, представник ряду алканів – гексан С6Н14 має п'ять структурних ізомерів. Один з них н-гексан (нормальний гексан, буква н означає "нормальний") має прямий, нерозгалужений ланцюг, що складається з шести атомів Карбону, у двох ізомерів головний ланцюг містить п'ять атомів Карбону і, нарешті, можливі ще два ізомери, які мають у головному ланцюгу по чотири атоми Карбону:  

Як можна бачити із структурних формул ізомерів, ато­ми Карбону можуть бути сполучені з різною кількістю інших атомів Карбону: одним, двома, трьома та чотирма. Залежно від цього розрізняють первинні, вторинні, третинні та четвертинні карбонові атоми, приклади яких показані в такій формулі:  

У цій сполуці атом Карбону С1 – первинний, атоми С2, С4, С5 – вторинні, атом С3 – третинний і С6 – четвертинний.

Вуглеводневі радикали. Якщо від молекули вуглеводню відщепити один або кілька атомів водню, то утвориться вуглеводневий радикал. Назви радикалів утво­рюють від назв відповідних алканів з заміною закінчення -ан на -ил
(-іл). Приклади вуглеводневих радикалів:

Як загальна назва вуглеводневих радикалів прийнятий термін "алкіл", їх позначають буквою R .

Номенклатура. Хімічна номенклатура — це система формул і назв хімічних речовин. Вона охоплює правила складання формул і назв. Для органічної хімії найбільш зручною є замісникова номенклатура, яка рекомендована ІUРАС (Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії).

Для того щоб дати розгалуженому вуглеводню назву згідно з цією номенклатурою, необхідно виконувати такі правила.

Вибирають найдовший (головний) ланцюг атомів вуглецю в молекулі, наприклад:

Нумерують атоми вуглецю в головному вуглеводневому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче роз­міщені розгалуження (приклад а). Якщо замісники зна­ходяться на рівних віддалях від кінця ланцюга, то нумера­цію починають з більш розгалуженого кінця (приклад б). Якщо розгалуженість головного ланцюга однакова, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знахо­диться радикал, назва якого стоїть раніше в алфавітному порядку (приклад в). Приклади:

За основу (корінь) назви розгалуженого вуглеводню беруть назву вуглеводню, що відповідає головному (про­нумерованому) ланцюгу. Наприклад, якщо головний лан­цюг містить 4 атоми Карбону, коренем буде "бутан", 9 ато­мів Карбону – корінь "нонан".

Назва розгалуженого вуглеводню будується в такій послідовності: спочатку зазначається цифра, що озна­чає номер атома Карбону в головному ланцюгу, у якого є розгалуження (бічний ланцюг), потім назва радикала у бічному ланцюгу і назва найголовнішого ланцюга (корінь).

Якщо вуглеводень містить кілька однакових радика­лів, то в його назві перелічуються цифри, що вказують їх положення, а число цих радикалів зазначається число­вим префіксом: ди- (два), три- (три), тетра- (чотири), пента- (п'ять).

Різні за будовою радикали перелічують в алфавітному дорядку (за першою буквою в їх назві). Приклади:  

Для багатьох органічних речовин, у тому числі і для деяких алканів, зберігаються тривіальні назви, тобто назви, що склалися історично. Наприклад,
2-метилпропан має тривіальну назву ізобутан.

ВЛАСТИВОСТІ, ДОБУВАННЯ I ЗАСТОСУВАННЯ АЛКАНIВ

Властивості. За звичайних умов метан, етан, пропан, ізомерні бутан і неопентан – безбарвні гази. Нормальні алкани, починаючи з вуглеводню С17Н36 (температура плавлення 22,5°С), за звичайних умов є твердими речови­нами.

Усі алкани дуже мало розчинні у воді.

У хімічному відношенні алкани – інертні речовини. Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються (викликаються) високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами. Для алканів характерні такі реакції.

1. Галогенування (заміщення водню на галоген). Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом. Реакція відбувається за ланцюговим механізмом:<

Сl2 ® 2Сl·

СН4 + Сl· ® ·СН3 + НСl

·СН3 + Сl2 ® СН3Сl + Сl· і т. д.

Продуктами реакції можуть бути СН3Сl (метилхлорид, або хлорметан), СН2Сl2 (метиленхлорид, або дихлорметан), СНСl3 (хлороформ) і ССl4 (тетра-хлорид Карбону, або чотирихлористий вуглець). Кожний з названих про­дуктів можна виділити.

2. Нітрування (заміщення водню на нітрогрупу). Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

СН4 + НNО3 ® СН3NО2 + Н2О.

Ці реакції відкриті російським хіміком М.І.Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова.

3. Окислення. Алкани згоряють на повітрі з виділенням великої кількості теплоти:

СН4 + 2О2 ® СО2 + 2Н2О; С3Н8 + 5О2 ® 3СО2 + 4Н2О.

На реакціях горіння алканів грунтується їх застосуван­ня як палива.

4. Взаємодія з водяною парою. Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі (800°С) – конверсія метану з водяною парою:

СН4 + Н2О ® СО + 3Н2.

Реакція відбувається при наявності каталізатора, її продуктом є синтез-газ – суміш оксиду Карбону (II) з воднем. Синтез-газ широко використовується в органіч­ному синтезі.

5. Крекінг. Розщеплення молекул органічних спо­лук з розривом зв'язків Карбон – Карбон під дією висо­ких температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів вуглецю і ненасичені сполуки (іноді водень), наприклад:

С4Н10 ® СН4 + С3Н6 або С4Н10 ® С2Н6 + С2Н4.

Добування. Промислові способи добування алканів грунтуються на виділенні їх з природних речовин, пере­важно нафти і природного газу.

Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею (в шахтах, рудниках), є метан; його об'ємна частка може встановити до 98 %. З природних газів можна виділити також етан, пропан, бутан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.

Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

С + 2Н2 ® СН4.

Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші оксиду Карбону (II) з воднем над каталізатором:

nСО + (2n+1)Н2 ® СnН2n+2 + nН2О.

У лабораторних умовах метан можна добути, викорис­товуючи такі реакцію розкладання карбіду алюмінію водою:

Аl4С3 + 12Н2О ® 3СН4 + 4Аl(ОН)3,

Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галогенопохідні вуглеводнів, наприклад:

2С2Н5Сl + 2Nа ® С4Н10 + 2NаСl

Реакції такого типу називаються реакцією В ю р ц а.

Застосування. Насичені вуглеводні широко використо­вуються в органічному синтезі. З них добувають багато органічних речовин: ненасичені вуглеводні, хлоропохідні, органічні кислоти.

Багато вуглеводнів входить до складу різних видів палива: горючого газу, бензину, гасу.

З вищих алканів виготовляють такі речовини, як пара­фін і вазелін, мастила, електроізолятори. Вищі алкани є сировиною для добування синтетичних мийних засобів.

АЛКЕНИ, АЛКІНИ 1 АЛКАДІЄНИ

Алкени, алкіни і алкадієни належать до ненасичених органічних сполук. Ненасиченими називаються сполуки, молекули яких містять атоми Карбону, сполучені подвійни­ми і потрійними зв'язками.

ГОМОЛОГІЧНИЙ РЯД АЛКЕНІВ

Алкени – вуглеводні, в молекулах яких є один подвійний зв'язок між атомами Карбону С=С. Алкени називають також олефінами, або етиленовими вуглеводнями.

Етилен. Найпростішим алкеном є етилен С2Н4. За міжнародною номенклатурою назва етилену – етен. Структурна формула молекули етилену має такий вигляд:  

Атом Карбону в етилені перебуває в стані sр2-гібридизації. Три гібридизовані sр2-орбіталі атома Карбону у просторі лежать в одній площині і розміщені одна відносно одної під кутом 120°. Негібридизована р-орбіталь атома напрямлена перпендикулярно до площини гібридизованих орбіталей, утворюючи π-зв'язок.

Отже, подвійний зв'язок у молекулі етилену складається з одного σ- і одного π-зв'язків. Подвійний зв'язок міцніший від одинарного, але не в два рази. Зв'язки σ- і π- різняться за міцністю, більш стійкий σ-зв'язок. У структурних формулах σ- і π-зв'язки зображають однаково (рискою), проте слід пам'ятати про різну природу і міцність цих зв'язків.

Гомологи етилену. Етилен С2Н4 – перший член гомоло­гічного ряду алкенів. Послідовно додаючи до формули гомологічну різницю СН2, можна одержати формули гомологів етилену: С3Н6, С4Н8, С5Н10 і т. д. Загальна формула вуглеводнів ряду алкенів СnН2n , де n = 2, 3, 4 ... .

Назви алкенів за міжнародною номенклатурою утворю­ють з назв алканів з такою самою кількістю вуглецевих атомів, замінюючи закінчення -ан на -ен, наприклад, етан С2Н6 – етен С2Н4, пропан С3Н8 – пропен С3Н6, бутан С4Н10 – бутен С4Н8.

Для найпростіших алкенів поширені також тривіальні назви, наприклад: етилен (етен), пропілен (пропен), бутилен (бутен).

Алкени утворюють радикали. Назва радикала склада­ється з назви відповідного алкану і суфікса -іл; для радикалів найпростіших алкенів використовують тривіаль­ні назви, наприклад:

СН2=СН– ; СН2=СН–СН2– .

Вініл (етеніл) Аліл (пропеніл)

Ізомерія. Для алкенів характерні два види ізомерії. Структурна ізомерія пов'язана з різним положенням подвійного зв'язку у вуглеводневому ланцюгу і з розгалу­женням ланцюга. Наприклад, бутен має такі ізомери:  

Другий характерний вид ізомерії вуглеводнів з подвійним зв'язком – це просторова ізомерія, або стереоізомерія. Вона зумовлена різним положеннням замісників відносно площини, в якій розміщені подвійні зв'язки. Для позначення стереоізомерів алкенів викори­стовують префікси цис- і транс-. Наприклад, бутен-2 має такі стереоізомери:  

ВЛАСТИВОСТІ, ДОБУВАННЯ І ЗАСТОСУВАННЯ АЛКЕНІВ

Властивості. Етен (етилен), пропен (пропілен) і бутени – безбарвні гази. Алкени нормальної будови від С5Н10 до С18Н36 – рідини, а починаючи з С19Н38 – тверді речо­вини.

Алкени мало розчинні у воді, густина їх менша від 1 г/см3.

На відміну від алканів етилен і його гомологи виявляють високу реакційну здатність, що зумовлено, наявністю в їхніх молекулах подвійного зв'язку. Алкени здатні вступати в реакції приєднання за рахунок розриву π-зв'язку. Крім того, π-зв'язок під дією окислювачів руйнується легше, ніж σ-зв'язок, тому для алкенів характерна участь у ролі відновників в окислювально-відновних реакціях.

1. Гідрування (приєднання водню). Приєднуючи водень, алкени переходять у алкани:

СН2=СН2 + Н2 ® СН3–СН3.

Реакції гідрування алкенів відбуваються при наявності каталізаторів (платини, паладію, нікелю).

2. Галогенування (приєднання галогенів). Ал­кени легко приєднують галогени, особливо хлор і бром:

СН2=СН2 + Вr2 ® СН2Вr–СН2Вr.

1,2-Диброметан

На цій реакції базується якісне визначення ненасичених сполук: бромна вода під час пропускання крізь неї етилену та інших алкенів знебарвлюється.

3. Гідрогалогенування (приєднання галогеноводнів). Галогеноводні також легко приєднуються до алкенів, наприклад:

СН2=СН2 + НВr ® СН3–СН2Вr.

Брометан

Приєднання галогеноводнів до гомологів етилену відбувається за правилом В.В.Марковникова: атом водню галогеноводнів та інших несиметричних водневих сполук приєднується до найбільш гідрогенізованого атома вуглецю біля подвійного зв'язку (тобто до атома Карбону, який сполучений з великою кількістю атомів Гідрогену), наприклад:

 СН3–СН2–СН2Вr (1-бромпропан);

СН3–СН=СН2 + НВr––

пропілен СН3–СНВr–СН3 (2-бромпропан).

Під час цієї реакції утворюється переважно 2-бром­пропан.

4. Гідратація (приєднання води). Під час гідра­тації алкенів при наявності каталізаторів (сірчаної кисло­ти чи інших) утворюються спирти; приєднання води до гомологів етилену відбувається згідно з правилом Марков­никова, наприклад:

СН2=СН2 + Н2О ® СН3–СН2ОН;

 Етиловий спирт

СН3–СН=СН2 + Н2О ® СН3–СНОН–СН3.

 Ізопропіловий спирт

5. Полімеризація. Молекули алкенів можуть сполучатися одна з одною з утворенням макромолекул з розімкненням π-зв'язку. Реакції полімеризації алкенів далі розглянуто детально.

6. Окислення. Алкени легко окислюються. Перманганат калію в нейтральному і слабколужному середовищах окислює алкени з розімкненням π-зв'язку. Цю реакцію можна зобразити схемою:

СН2=СН2 + [О] + Н2О ® СН2ОН–СН2ОН.

Етиленгліколь

Якщо алкени пропускати крізь водний розчин перман­ганату калію, то відбуватиметься знебарвлення розчину. Цю реакцію, як і реакцію бромування, використовують для якісного визначення алкенів.

Під час високотемпературного окислення алкенів у кисні або на повітрі вони згоряють;

СН3=СН2 + 3О2 ® 2СО2 + 2Н2О.

В результаті завжди утворюються оксид Карбону (IV) і вода.

Н2SО4  

Добування. Лабораторним способом добування етилену та його гомологів є дегідратація (відщеплення води) спиртів при наявності концентрованої сірчаної кислоти чи інших водовідбирних агентів. Так, етилен можна добути з етилового спирту при нагріванні його з сірчаною кис­лотою:

СН3–СН2ОН ––––®СН2=СН2 + Н2О.

Алкени можна добути з галогенопохідних алканів дією на них спиртового розчину лугу, наприклад:

СН3–СН2Сl + КОН ® СН2=СН2 + КСl + Н2О.

 Хлоретан

Застосування. Етилен та інші алкени є важливою сировиною для хімічної промисловості. З етилену і пропілену виробляють пластмаси – поліетилен і поліпропілен. Етилен є вихідною речовиною для промислового добування багатьох органічних речовин.

Етилен прискорює достигання деяких плодів, для чого його вводять в атмосферу сховищ, де знаходяться не­достиглі овочі та фрукти. Етилен також запобігає перед­часному скиданню плодів рослинами в теплицях.

РЕАКЦІЇ ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ АЛКЕНІВ

Полімеризація. Полімеризація – це процес послідов­ного сполучення молекул речовини в крупніші молекули. Речовина, що є вихідною в реакції полімеризації, називає­ться мономером, продукт реакції – полімером, або високо-молекулярною сполукою.

У реакції полімеризації легко вступають ненасичені сполуки. При полімеризації етилену, наприклад, відбу­вається розрив π-зв'язків у молекулах під дією світла, випромінювання, хімічних речовин. Утворені частинки взаємодіють одна з одною:

СН2=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 + ··· ®

® –СН2–СН2– + –СН2–СН2– + –СН2–СН2– + ··· ®

® –СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–··· .

В якийсь момент ріст молекули припиняється.

В результаті полімеризації етилену утворюється тех­нічно важливий продукт – поліетилен (–СН2–СН2–)n , де n – ступінь полімеризації. Ступінь полімеризації пока­зує, скільки елементарних ланок (у поліетилені елементарною ланкою є –СН2–СН2–) міститься в молекулі полімеру.

Для характеристики полімеру часто використовують поняття "молекулярна маса". В будь-якому зразку полімеру містяться молекули різної довжини і, отже, різної маси. Молекулярною масою полімеру вважають середню відносну молекулярну масу макромолекул цього полімеру. Цю величину можна визначити експериментально.

Поліетилен. Реакцію полімеризації етилену було від­крито в 1933 р.

Властивості поліетилену залежать від молекулярної маси полімеру. У наш час добу­вають переважно поліетилен з відносною молекулярною масою 50000 і вище. Такий поліетилен – це тверда біла речовина, тонкі плівки його майже прозорі. Поліетилен практично не розчиняється у воді та інших розчинниках (при кімнатній температурі). Має високу хімічну стійкість: руйнується лише під дією сильних окислювачів. Важлива властивість поліетилену – термопластичність: у нагрітому стані він розм'якшується, при цьому дуже легко можна змінювати його форму; при охолодженні він застигає і зберігає цю форму.

Поліетилен широко використовується в народному господарстві. З нього виготовляють плівку, труби, електро­ізоляційні матеріали, тару (бутелі, ящики), покриття, які захищають метали від корозії, волокна і нитки, деталі для машинобудування, предмети побуту.

Поліпропілен та інші поліалкени.

Полімеризацією пропілену СН3–СН=СН2 добувають інший важливий полімер – поліпропілен:  

Поліпропілен – речовина олочно-білого кольору, один з найлегших полімерів, має високу твердість, міцність, стійкість проти стирання, термопластичність. Поліпропілен хімічно стійкий проти дії розчинників, кислот і лугів. Проте порівняно з поліетиленом він менш морозостійкий.

Поліпропілен широко використовується для виробницва міцних плівок, труб, електроізоляційних матеріалів, волокон, побутових виробів.

АЛКІНИ

Алкіни – вуглеводні, в молекулах яких є два атоми Карбону, сполучені потрійним зв'язком –СºС–. Алкіни називають також ацетиленовими вуглевод­нями.

Ацетилен та його гомологічний ряд. Найпростішим алкіном є ацетилен, або етин (за міжнародною номенклатурою):

С2Н2, або Н–СºС–Н.

Атоми Карбону в ацетилені знаходяться у стані sр-гібридизації (гібридизовані орбіталі в просторі напрямлені вздовж однієї осі під кутом 180° одна до одної).

Негібридизовані р-орбіталі атомів, розміщені перпендикулярно до лінії
σ-зв'язку Карбон – Карбон і перпендикулярно один до одного, утворюють два π-зв'язки, напрямлені перпендикулярно один до одного.

Потрійний зв'язок у молекулі ацетилену складається з одного σ- і двох π-зв'язіків. Потрійний зв'язок міцніший, ніж подвійний, а відстань між атомами Карбону в ацетилені менша, ніж в етилені.

Ацетилен С2Н2 – перший член гомологічного ряду. Назви алкінів за міжнародною номенклатурою утворю­ють з назв алканів з тим самим числом атомів Карбону, замінюючи закінчення -ан на -ін (-ин). Приклади:

НСºСН; СН3–СºСН.

Етин (тривіальна назва ацетилен) Пропін

Загальна формула гомологічного ряду алкінів СnН2n–2, де n = 2, 3, 4, 5... .

Властивості. Ацетилен – це безбарвний газ без запаху, температура кипіння –83,8 °С. Розчинний у воді. Техніч­ний ацетилен має неприємний запах, зумовлений наявністю домішок.

Як і алкени, ацетилен легко вступає в реакції приєд­нання і окислення. Крім, того, для алкінів характерні реакції заміщення водню, сполученого з атомом Карбону біля потрійного зв'язку.

1. Гідрування. Алкіни, приєднують водень при наявності каталізаторів з утворенням алканів або алкенів (неповне гідрування):  

2. Галогенування. Алкіни легко приєднують хлор і бром. Реакція відбувається в дві стадії:  

3. Гідрогалогенування. Процес приєднання галогеноводнів до алкінів відбувається легко в дві розділимі стадії:  

4. Гідратація. Ацетилен та його гомологи гідратуються при наявності каталізаторів – солей НgSО4 або Нg(NО3)2. При гідратації ацетилену утворює­ться оцтовий альдегід: 

Цю реакцію відкрив російський вчений М.Г.Кучеров у 1881р. Вона лежить в основі промислового добування оцтового альдегіду.

5. Окислення. Алкіни легко окислюються. Так, вони знебарвлюють розчин перманганату калію: 

Цю реакцію використовують як якісну на потрійний зв'язок.

Добування. Для добування ацетилену в лабораторних умовах використовують реакцію карбіду кальцію з водою:

СаС2 + 2Н2О ® НСºСН + Са(ОН)2.

У промисловості ацетилен добувають з технічного карбіду кальцію або метану при нагріванні:

2СН4 ® НСºСН + 3Н2.

Застосування. Ацетилен є вихідною сировиною для багатьох органічних синтезів. У хімічній промисловості його застосовують для добування оцтового альдегіду і оцтової кислоти, вінілхлориду та інших речовин.

Ацетилен використовують для автогенного зварювання і різання металів, він згоряє в кисні, виділяючи велику кількість теплоти (температура полум'я досягає 3500 °С).

АЛКАДІЄНИ

Алкадієни, або дієнові вуглеводні, – ненасичені вуглеводні, які містять у вуглецевому ланцюгу молекули два подвійних зв'язки.

Загальна формула дієнових вуглеводнів СnН2n–2 , де n = 3, 4, 5, 6 ... . Отже, будь-який алкадієн є ізомером алкіну з тим самим числом атомів Карбону.

Прик­лади:

За хімічними властивостями дієнові вуглеводні багато в чому подібні до алкенів.

1. Гідрування і галогенування. Алкадіє­ни можуть приєднувати Гідроген (у момент виділення, тобто Гідроген у вигляді атомів Н) і галогени. Наприк­лад, реакції гідрування і галогенування бутадієну-1,3 від­буваються за рівняннями:

2. Гідрогалогенування. Приєднання хлоро­водню до бутадієну-1,3 приводить до утворення продуктів 1,2- і 1,4-приєднання:

 –® СlН2С–СН=СН–СН3;

Н2С=СН–СН=СН2 + НСl ––

 –® СН2=СН–СНСl–СН3

3. Полімеризація. Як і інші ненасичені сполуки, алкадієни полімеризуються. Продуктами полімеризації деяких дієнових вуглеводнів є каучуки – еластичні поліме­ри, що мають широке застосування, їх добування розгля­нуто в наступному розділі.

Найбільше практичне значення з алкадієнів мають бутадієн-1,3 і
2-метилбутадієн-1,3.

Бутадієн-1,3. Тривіальна назва бутадієну-1,3 – диві­ніл. За звичайних умов – це безбарвний газ з температу­рою плавлення –4,5 °С. Практично не розчинний у воді.

У промисловості бутадієн-1,3 добувають дегідруванням бутану при наявності каталізаторів:

Сr2О3, Аl2О3  

Н3С–СН2–СН2–СН3 ––––––® Н2С=СН—СН=СН2 + 2Н2.

Давнім способом добування бутадієну-1,3 є каталітич­на дегідратація (відщеплення молекули води) і дегідру­вання етилового спирту СН3СН2ОН. Цей спосіб розробив радянський хімік С.В.Лебедєв у 1930 р. і реалізував його на першому в СРСР заводі по виробництву синтетичного каучуку:

МgО, ZnО  

2Н3С–СН2ОН –––––® Н2С=СН–СН=СН2 + 2Н2О + Н2.

Бутадієн-1,3 використовується для добування синте­тичного каучуку.

2-Метилбутадієн-1,3. Тривіальна назва 2-метилбутадієну-1,3 – ізопрен. За звичайних умов ізопрен – рідина з температурою кипіння 34 °С.

Ізопрен добувають дегідруванням при нагріванні 2-метилбутану (ізопентану):

Ізопрен застосовують у виробництві синтетичного каучуку.

НАТУРАЛЬНИЙ І СИНТЕТИЧНИЙ КАУЧУКИ

У сучасній промисловості важливу роль відіграють еластомери – високомолекулярні речовини, які зберігають еластичність у широкому інтервалі температур. Еластомери легко змінюють форму під дією зовнішніх факторів, а після закінчення дії набувають вихідної форми. Типовими еластомерами є каучуки.

Натуральний каучук. Натуральний каучук утворюється з природної сировини – соку дерева гевеї, поширеного в Південній Америці (переважно в Бразілії). На повітрі білий молочний сік цього дерева швидко твердне і темні­шає, перетворюючись на еластичну масу.

Натуральний каучук – полімер ізопрену, його склад відповідає формулі 

Для поліізопрену характерна просторова ізомерія. Натуральний каучук є цис-полімером ізопрену: 

Синтетичний каучук. Синтетичний каучук почали вперше виробля­ти в промислових масштабах у 1932 р. за способом С.В.Лебедєва. Цей спосіб полягав у полімеризації бутаді­єну-1,3 при наявності металічного натрію як каталізатора:

nН2С=НС–СН=СН2 ––® (–СН2–СН=СН–СН2–)n.

Бутадієн-1,3 Бутадієновий каучук (полібутадієн)

Такий каучук поступається за властивостями перед натуральним. Він менш еластичний, вироби з нього швид­ше спрацьовуються.

Каучук використовують у виробництві шин, гумотехнічних виробів, клеїв, ебоніту, медичних і побутових виробів.

Вулканізація каучуку. Для перетворення каучуку на гуму здійснюють вулканізацію каучуку. Гума відрізняє­ться від каучуку більшою еластичністю і міцністю. Вона стійка проти дії температури і розчинників.

Для проведення вулканізації каучук обробляють сіркою.  

В результаті взаємодії груп SхН з подвійним зв'язком другої макромолекули каучуку відбувається поперечне зшивання з молекулою полімеру:

Гума застосовується для виробництва шин, амортиза­торів, шлангів, ущільнювачів, конвейєрних стрічок, пред­метів побуту та інших виробів.

АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ

Ароматичними вуглеводнями називаються сполуки, молекули яких містять стійкі циклічні структури – бен­зольні ядра. Термін "ароматичні сполуки" виник у початко­вий період розвитку органічної хімії, коли встановили, що речовини ряду бензолу виділяються з природних ароматич­них речовин.

БЕНЗОЛ

Бензол є найпростішим ароматичним вуглеводнем. Його склад відповідає формулі С6Н6.

Будова молекули бензолу. Перша найбільш вдала структурна формула бензолу була запропонована в 1865 р. німецьким хіміком Кекуле. Згідно з його уявленнями в молекулі бензолу чергуються подвійні і одинарні зв'язки між атомами Карбону, замкненими в шестичленний цикл (див. формулу 1).  

Для позначення бензолу прийнято також формулу 2 і спрощену формулу Кекуле 3. Остання формула використовуватиметься при подальшому викладенні матеріалу.

Молекула С6Н6 плоска, всі атоми Карбону розміщені на однакових віддалях один від одного, утворюючи пра вильний шестикутник.

Властивості. Бензол – безбарвна рідина, що має характерний запах. Легко переходить у твердий стан: температура плавлення бен­золу становить +5,5°С, тем­пература кипіння +80,1°С. У воді бензол практично не розчиняється, але є хоро­шим розчинником багатьох органічних речовин.

Хімічні властивості бензолу та інших ароматичних сполук характеризуються рядом особливостей: на відміну від ненасичених сполук типу алкенів і алкі­нів, бензол дуже стійкий проти окислення, важко вступає в реакції приєднання. Розглянемо найбільш характерні для ароматичних вуглеводнів реакції.

1. Нітрування. При дії на бензол нітруючої сумі­ші (суміш концентрированих азотної і сірчаної кислот) від­буваться заміщення Гідрогену в ядрі бензолу на групу NО2; цей йроцес називається нітруванням:  

2. Сульфування. Гідроген в бензольному ядрі може бути заміщений на сульфогрупу SО3Н під дією концентрованої сірчаної кислоти; цей процес називається сульфуванням:  

3. Алкілування. В молекулу бензолу замість Гідрогену можна ввести алкільний радикал. Процес алкілуван­ня можна здійснити дією на бензол галогенопохідної алкану чи олефіну при наявності каталізатора (алюміній хлорид АlСl3):

4. Галогенування. Заміщення Гідрогену в бензольному ядрі на Хлор чи Бром здійснюється при взаємодії бензолу з галогенами за участю каталізатора. Реакцію можуть каталізувати FеСl3 (або FеВr3) і АlСl3, при цьому утворюються різні продукти:

5. Гідрування. Одна з небагатьох реакцій приєд­нання, в яку може вступати бензол, – реакція гідрування (приєднання атомів Гідрогену) при наявності платинових або нікелевих каталізаторів:  

Добування. Бензол виділяють переважно з нафти та кам'яного вугілля при виробництві коксу.

Застосування. Бензол є важливою сировиною для органічного синтезу, його використовують при добуванні багатьох інших ароматичних сполук. Бензол застосовують у виробництві барвників, пластмас, пестицидів, вибухових речовин, ліків; його використовують як розчинник лаків, фарб.

Бензол входить до складу палива, яке використовується в двигунах внутрішнього згоряння.

ГОМОЛОГИ БЕНЗОЛУ

Гомологи бензолу – це ароматичні вуглеводні, в бензольному кільці яких один чи декілька атомів Гідрогену заміщені на алкільні радикали.

Загальна формула сполук гомологічного ряду бензолу СnН2n–6, де
n = 6,7,8,9... .

Найпростішим гомологом бензолу, який відрізняється від нього на одну групу СН2, є метилбензол, або толуол, С6Н5–СН3.

Ізомерія та номенклатура. Наступний за толуолом гомолог бензолу має склад С8Н10, якому відповідають чотири сполуки:

Як видно з наведених формул, гомологи бензолу, що мають у ядрі два однакових замісники, розрізняються розміщенням цих замісників один відносно одного, тобто є ізомерами. .

Назви гомологів бензолу складаються з назви замісника (алкілу) з додаванням кореня бензол, наприклад етилбензол. Якщо гомолог містить кілька замісників, то їхнє положення зазначають цифрами, що означають номери атомів Карбону в бензольному ядрі, біля яких знаходяться ці замісники, наприклад 1,2-диметилбензол. Нумерацію починають з одного з атомів вуглецю, біля якого є за­місник.

Для багатьох гомологів широко використовуються тривіальні назви (толуол, ксилол),

Для позначення ізомерів з двома однаковими замісни­ками використовують префікси: орто-, мета-, пара-. В орто-ізомері замісники мають положення 1,2, в мета-ізомері – положення 1,3 і в пара-ізомері – положення 1,4.

Ароматичні вуглеводні утворюють радикали, які є скла­довими частинами складніших сполук, наприклад:

Загальна назва радикалів ароматичних вуглеводнів – арил.

Властивості. Найпростіші гомологи бензолу за звичай­них умов – це рідини з характерним запахом, вищі гомо­логи – тверді речовини. Для гомологів бензолу характерні ті самі реакції, що й для самого бензолу.

1. Нітрування, сульфування, та алкілування.

Звичайно при заміщенні Гідрогену в ядрі гомологів бензолу утворюється суміш орто-, мета- і пара-замісників, у якій переважають орто- і пара-сполуки. Наприклад, при нітруванні толуолу реакція йде таким шляхом:

2. Галогенування. Під час галогенування гомологів бензолу з участю каталізаторів утворюються продукти заміщення Гідрогену в бензольному ядрі (реакція відбуваеться так само, як і нітрування).  

3. Окислення. Толуол, етилбензол, ксилоли та інші гомологи бензолу окислюються легше, ніж сам бензол. Окислення зазнають бічні замісники, наприклад:

Добування. У промислових масштабах гомологи бензолу виділяють переважно з нафти та кам'яного вугілля.

Застосування. Гомологи бензолу використовують у про­мисловому органічному синтезі. Толуол, наприклад, застосовують для синтезу бензойної кислоти. З пара-ксилолу добувають терефталеву кислоту, яка використову­ється у виробництві хімічних волокон.

Багато гомологів бензолу (толуол, ксилоли) застосовуються як розчинники органічних речовин та полімерів.