§ 4. Алкены. Этилен

Определения и обозначения

Алкены — это ациклические углеводороды, в молекулах которых есть одна двойная связь между атомами углерода; их общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2. Слово «ациклические» означает, что углеродная цепь не замкнута в кольцо. Формула помогает определить состав алкена по числу атомов углерода и отличить его от других классов углеводородов.

Двойная связь C=C состоит из σ-связи и π-связи. σ-связь образуется при перекрывании орбиталей вдоль линии между ядрами, а π-связь — при боковом перекрывании орбиталей; одинарная связь содержит только σ-связь. Такое строение объясняет, почему двойная связь становится местом характерных реакций алкенов.

Этилен, или этен, — простейший алкен с молекулярной формулой C₂H₄ и структурной формулой CH₂=CH₂. В названии «этен» указаны два атома углерода и наличие двойной связи. Это вещество удобно использовать как пример, чтобы разбирать свойства всего ряда.

Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ сходного строения и свойств, в которой соседние представители отличаются на группу –CH₂–. Например, после этена C₂H₄ идёт пропен C₃H₆. Понятие ряда позволяет предсказывать формулу и некоторые свойства следующего алкена.

Как это устроено

В алканах между атомами углерода только одинарные связи, а у алкенов одна из них заменена двойной. Из-за этого у молекулы алкена на два атома водорода меньше, чем у соответствующего ациклического алкана: вместо CₙH₂ₙ₊₂ получается CₙH₂ₙ. Поэтому алкены называют непредельными: двойная связь может участвовать в присоединении других атомов, и молекула становится более насыщенной.

В молекуле этилена каждый атом углерода связан с двумя атомами водорода и другим атомом углерода. Все пять атомов лежат в одной плоскости, а углы между связями около каждого атома углерода близки к 120°. Двойная связь возникает из σ- и π-связей: π-связь расположена над и под плоскостью σ-связей и ограничивает свободное вращение вокруг C=C.

При назывании алкена сначала выбирают самую длинную непрерывную цепь, в которую входит двойная связь. Затем нумеруют её с того конца, от которого двойная связь получает меньший номер, и называют цепь по числу атомов углерода с суффиксом «-ен». Номер указывает первый атом углерода двойной связи: например, CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен, а CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен.

Реакции присоединения характерны для алкенов, потому что π-связь сравнительно легко разрывается, тогда как σ-связь между атомами углерода сохраняется. При гидрировании к этилену присоединяется водород: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃. При галогенировании присоединяется, например, бром: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; при присоединении галогеноводорода образуется галогеналкан, например CH₂=CH₂ + HCl → CH₃–CH₂Cl.

При полимеризации множество молекул этилена соединяются в одну длинную цепь. Двойная связь в каждой исходной молекуле раскрывается, и атомы углерода образуют новые связи с соседними звеньями: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ. Повторяющееся звено –CH₂–CH₂– сохраняет все атомы исходного этилена, поэтому из множества молекул C₂H₄ получается полимер — полиэтилен.

Строение и свойства алкенов и этилена

Сначала сравните общую формулу и строение: они показывают, чем представители ряда похожи и почему реагируют сходным образом. Затем сопоставьте строку о реакциях с физическими свойствами и применением этилена. Таблица помогает отделить общие свойства алкенов от особенностей одного вещества.

Разбор задач

1. Составьте молекулярную формулу алкена, содержащего пять атомов углерода, и назовите его.

1. В общей формуле CₙH₂ₙ подставляем число атомов углерода: n = 5. Так получаем C₅H₁₀.
2. Цепь из пяти атомов углерода имеет основу «пент-». Если положение двойной связи не задано, точную структурную формулу и изомер определить нельзя.
3. Поэтому название можно привести как пентен; для конкретного изомера требуется номер, например пент-1-ен или пент-2-ен.

Ответ: C₅H₁₀, пентен; положение двойной связи по условию не определено.

2. Запишите уравнение реакции этилена с бромом и укажите наблюдаемый признак реакции.

1. В этилене есть двойная связь, поэтому бром присоединяется по месту C=C, а не замещает атом водорода.
2. К каждому атому углерода двойной связи присоединяется по одному атому брома. Уравнение: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br.
3. Бромная вода имеет окраску, а в ходе реакции бром расходуется. Поэтому её окраска исчезает.

Ответ: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br; бромная вода обесцвечивается.

3. Какой объём этилена при нормальных условиях потребуется для получения 14 г полиэтилена, если выход реакции полимеризации составляет 80%?

1. Сначала учитываем выход: 14 г — это 80% теоретически возможного продукта. Теоретическая масса полиэтилена равна 14 / 0,80 = 17,5 г.
2. При полимеризации атомы не теряются: масса этилена равна массе образовавшегося полимера. Молярная масса C₂H₄ равна 28 г/моль, поэтому n(C₂H₄) = 17,5 / 28 = 0,625 моль.
3. При нормальных условиях один моль газа занимает 22,4 л. Следовательно, V(C₂H₄) = 0,625 · 22,4 = 14 л.

Ответ: потребуется 14 л этилена.

Типичные ошибки

Ошибка — считать двойную связь двумя одинаковыми связями. Так рассуждают, потому что видят две черты в записи C=C, но химически это одна σ-связь и одна π-связь с разными свойствами. Проверьте себя: если в ответе не названы обе составляющие, объяснение строения неполное.

Ошибка — нумеровать цепь с конца, который даёт меньший номер заместителю или просто удобен при записи. При выборе направления сначала учитывают двойную связь, потому что её положение обязательно обозначают в названии. Проверьте оба направления нумерации и выберите то, где связь получает наименьший номер.

Ошибка — записывать для алкенов формулу CₙH₂ₙ₊₂, перенося её с алканов. У алкена есть двойная связь, поэтому на два атома водорода меньше, чем у ациклического алкана с тем же числом атомов углерода. Для самопроверки сравните формулы: CₙH₂ₙ у алкенов и CₙH₂ₙ₊₂ у алканов.

Ошибка — описывать присоединение как замещение водорода. Замещение означает, что один атом или группа заменяет другой, а при присоединении реагент расходуется по месту двойной связи. Проверьте уравнение: для этилена атомы присоединяемого вещества должны оказаться у двух атомов углерода, а не вытеснить водород.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в алкенах, нужно знать валентность углерода, строение ковалентной связи и способы записи структурных формул. Эти знания помогают понять, как образуются σ- и π-связи и почему меняется состав молекулы. Гомологический ряд алканов служит основой для сравнения формул: одна двойная связь означает на два атома водорода меньше.

Реакции алкенов показывают, как строение вещества определяет его превращения. Представления о присоединении и полимеризации понадобятся при изучении других непредельных углеводородов и полимерных материалов. Способы получения алкенов связывают органическую химию с переработкой сырья и синтезом полезных веществ.

Что запомнить

• Алкены — ациклические углеводороды с одной двойной связью C=C.
• Общая формула алкенов — CₙH₂ₙ, где n ≥ 2.
• В двойной связи одна σ-связь и одна π-связь.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Этилен — простейший алкен с формулой C₂H₄.
• При полимеризации этилена образуется полиэтилен.