§ 6. Этиленовые углеводороды

Определения и обозначения

Алкены (этиленовые углеводороды) — ациклические углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода. Ациклические означает, что углеродная цепь не замкнута в кольцо. Это определение помогает отличить алкены от алканов, где между атомами углерода только одинарные связи, и от циклических веществ.

Гомологический ряд алкенов — последовательность соединений с общей формулой CₙH₂ₙ, соседние представители которой отличаются на группу CH₂. Например, после этена C₂H₄ идёт пропен C₃H₆. Понятие ряда позволяет предсказывать состав следующих алкенов и сравнивать свойства похожих веществ.

Двойная связь — связь C=C, состоящая из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь образует основное соединение атомов, а π-связь возникает за счёт бокового перекрывания электронных облаков. Такое строение нужно учитывать, чтобы объяснить реакционную способность алкенов и их геометрию.

Геометрическая изомерия — существование цис- и транс-изомеров из-за невозможности свободного вращения вокруг двойной связи. В цис-форме одинаковые группы расположены по одну сторону от связи, а в транс-форме — по разные. Это понятие помогает различать вещества с одинаковым составом и порядком соединения атомов, но разным расположением групп в пространстве.

Как это устроено

Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ — получается при сравнении с алканами. Для ациклического алкана с тем же числом атомов углерода формула CₙH₂ₙ₊₂. Образование одной двойной связи означает, что молекуле не хватает двух атомов водорода по сравнению с алканом: две связи C–H заменяются дополнительной связью между атомами углерода. Например, алкан с двумя атомами углерода — C₂H₆, а соответствующий алкен — C₂H₄.

Двойная связь не является двумя одинаковыми связями. Одна её часть — σ-связь, а вторая — π-связь, образованная электронными облаками по обе стороны от линии между ядрами. π-связь слабее σ-связи, поэтому при химическом превращении она разрывается легче. Атомы углерода при этом могут образовать новые связи с присоединяемыми атомами или группами, а σ-связь между ними сохраняется.

Чтобы назвать алкен, сначала находят самую длинную непрерывную цепь, включающую оба атома двойной связи. Цепь нумеруют с того конца, от которого двойная связь получает меньший номер; затем указывают название цепи и положение связи. Например, в CH₂=CH–CH₂–CH₃ четыре атома углерода, а связь начинается у первого атома, поэтому соединение называется бут-1-еном. Номер показывает положение связи, а не число атомов в ней.

Изомерия возможна, потому что одинаковый состав молекулы не всегда означает одинаковое строение. Углеродная цепь может иметь разветвления, а двойная связь — занимать разные положения; это структурные изомеры. Геометрические изомеры возникают, если у каждого из двух атомов углерода при двойной связи есть разные группы. Поскольку свободный поворот вокруг C=C затруднён, расположение этих групп фиксируется: они оказываются по одну сторону или по разные стороны связи.

Строение двойной связи объясняет основные превращения алкенов. При реакции присоединения π-связь разрывается, а атомы реагента присоединяются к углеродам; так, водород может превратить алкен в алкан, а бром — образовать дигалогеналкан. При окислении молекула взаимодействует с окислителем, а при полимеризации множество молекул алкена соединяется в длинную цепь. Во всех этих случаях двойная связь определяет, где и как начинается превращение.

Состав, строение и характерные превращения алкенов

Таблица связывает формулу и строение алкенов с тем, как они вступают в реакции. Сопоставляйте характерную связь с превращениями: это помогает понять, почему для алкенов типично присоединение. Примеры реакций можно проверять по числу атомов каждого элемента до и после превращения.

Разбор задач

Задача 1. Определите молекулярную формулу алкена с пятью атомами углерода.

Условие: в молекуле алкена пять атомов углерода. Для ациклического алкена с одной двойной связью используем общую формулу CₙH₂ₙ. Подставляем число атомов углерода вместо n и вычисляем число атомов водорода. Проверяем, что найденная формула соответствует именно алкену, а не алкану.

1. Записываем формулу ряда: CₙH₂ₙ.
2. Подставляем n = 5: C₅H₂·₅.
3. Вычисляем число атомов водорода: 2 · 5 = 10.

Ответ: C₅H₁₀. Сравнение с формулой алкана C₅H₁₂ показывает, что водорода действительно на два атома меньше.

Задача 2. Назовите соединение CH₂=CH–CH₂–CH₃ и укажите положение двойной связи.

Условие: дана структурная формула CH₂=CH–CH₂–CH₃. Чтобы назвать соединение, определяем длину главной цепи и выбираем направление нумерации, при котором двойная связь получает наименьший номер. Номер указывают по первому атому углерода, участвующему в двойной связи. После этого образуем название по числу атомов в цепи.

1. Находим непрерывную цепь: в ней четыре атома углерода, значит основа названия — бутен.
2. Начинаем нумерацию с левого конца: двойная связь начинается у первого атома.
3. Записываем положение связи в названии: бут-1-ен.

Ответ: бут-1-ен; двойная связь находится между первым и вторым атомами углерода. Если нумеровать с противоположного конца, она получила бы номер 3, поэтому такое направление не выбирают.

Задача 3. Составьте уравнения реакции пропена с водородом и бромом, назовите продукты.

Условие: пропен CH₂=CH–CH₃ реагирует отдельно с H₂ и Br₂. В обеих реакциях реагенты присоединяются по двойной связи: π-связь разрывается, а σ-связь между атомами углерода остаётся. Распределяем атомы реагентов между двумя атомами углерода, которые образовывали двойную связь. Затем проверяем, чтобы число атомов каждого элемента совпадало в левой и правой частях.

1. При присоединении водорода записываем: CH₂=CH–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃.
2. Продукт первой реакции — пропан: к двум атомам углерода добавлено по одному атому водорода.
3. При присоединении брома записываем: CH₂=CH–CH₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₃.
4. Продукт второй реакции — 1,2-дибромпропан; проверяем, что оба атома Br вошли в продукт.

Ответ: образуются пропан и 1,2-дибромпропан. В каждой реакции реагент присоединяется к атомам углерода двойной связи, поэтому уравнения отражают характерное превращение алкенов.

Типичные ошибки

Ошибка: записывать для алкенов формулу CₙH₂ₙ₊₂. Её переносят с алканов, забывая, что двойная связь соответствует недостатку двух атомов водорода по сравнению с алканом. Проверка: при n = 2 у алкена получается C₂H₄, а не C₂H₆; C₂H₆ — формула алкана.

Ошибка: нумеровать цепь от конца, более удалённого от двойной связи. Так делают, если начинают счёт привычным образом, не проверив положение связи. Проверьте оба направления и выберите то, при котором связь получает наименьший номер: например, в бутене наименьший номер — 1, а не 3.

Ошибка: считать двойную связь двумя одинаковыми σ-связями. Такое представление не объясняет, почему алкены легко вступают в присоединение и почему вращение вокруг C=C затруднено. Проверка: запомните состав двойной связи — одна σ-связь и одна π-связь; именно π-связь разрывается при характерных превращениях.

Ошибка: путать присоединение с замещением. При замещении один атом или группа заменяет другой, а при присоединении к двойной связи присоединяются новые атомы или группы и π-связь разрывается. Чтобы проверить тип реакции, сравните формулы: если реагент вошёл в состав продукта, а двойная связь стала одинарной, это присоединение.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о строении атома углерода, его валентности и ковалентных связях. Также пригодятся формулы и названия алканов: сравнение с ними помогает понять состав алкенов и роль двойной связи. Умение составлять формулы органических веществ необходимо, чтобы записывать уравнения реакций и проверять число атомов.

Тема продолжает изучение химических превращений органических веществ: на примере алкенов видно, как строение определяет тип реакции. Полимеризация связывает эту тему с полимерами и получением пластмасс. Знание реакций присоединения помогает понимать, как из простых молекул получают вещества с новыми свойствами.

Что запомнить

• Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью.
• Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ.
• Двойная связь состоит из σ- и π-связи.
• При названии алкена указывают положение двойной связи.
• Для алкенов характерны реакции присоединения.
• При полимеризации молекулы алкена соединяются в длинную цепь.