§ 11. Непредельные углеводороды. Гомологи и изомеры

Определения и обозначения

Непредельные углеводороды — соединения углерода и водорода, содержащие одну или несколько кратных связей между атомами углерода. В отличие от предельных углеводородов, в их молекулах не все связи C–C являются одинарными. Это понятие помогает сразу предположить особенности строения и химического поведения вещества.

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью. Их общая формула для открытой цепи: CₙH₂ₙ, где n — число атомов углерода. По этой формуле можно быстро вывести состав любого представителя ряда, например этена C₂H₄ или пропена C₃H₆.

Кратная связь — двойная или тройная связь между атомами углерода. Она показывает, что атомы соединены не одной общей электронной парой, а двумя или тремя. Наличие кратной связи определяет непредельность вещества и влияет на его строение и реакции.

Гомологи — вещества одного класса, сходные по строению и свойствам, но отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH₂. Например, этен C₂H₄ и пропен C₃H₆ — соседние гомологи алкенов. Понятие гомологии позволяет объединять вещества в ряды.

Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но различным строением и поэтому часто различными свойствами. Например, бут-1-ен и бут-2-ен имеют состав C₄H₈, но двойная связь расположена в разных местах. Так молекулярная формула может быть общей для нескольких веществ.

Как это устроено

В алканах каждый атом углерода соединён с соседями одинарными связями, поэтому у него остаётся больше возможностей для присоединения водорода. При образовании двойной связи два атома углерода используют между собой ещё одну связь, а при образовании тройной — ещё две. Свободных связей для водорода становится меньше: по сравнению с алканом одна двойная связь уменьшает число атомов H на два, а одна тройная — на четыре.

Класс вещества определяется одновременно строением цепи и числом кратных связей. Одна двойная связь в открытой цепи означает алкен, две двойные связи — алкадиен, а одна тройная связь — алкин. Например, CH₂=CH–CH₃ — алкен, CH₂=CH–CH=CH₂ — алкадиен, а CH≡C–CH₃ — алкин.

Чтобы получить формулы соседних алкенов, используют CₙH₂ₙ и последовательно изменяют n на единицу. При n = 2 получается C₂H₄, при n = 3 — C₃H₆, а при n = 4 — C₄H₈. Каждая следующая формула отличается от предыдущей на CН₂, то есть на одну группу CH₂.

Структурные изомеры углеродного скелета имеют одинаковый состав, но разную форму цепи: она бывает прямой или разветвлённой. Изомеры положения кратной связи имеют одинаковый скелет, но двойная или тройная связь находится в разных местах. Например, бут-1-ен и бут-2-ен различаются именно положением двойной связи.

Гомологи похожи химически, потому что у них одинаковая функциональная особенность — один и тот же тип кратной связи. При увеличении цепи постепенно меняются физические свойства, например температура кипения. Изомеры одного состава могут иметь разные физические свойства из-за различной формы молекул, а положение кратной связи может менять и направление химических реакций.

Непредельные углеводороды, гомологи и изомеры

Сначала по главному признаку определите класс вещества, затем проверьте общую формулу. Для сравнения двух соединений посмотрите, отличаются ли они на CH₂ или имеют одинаковый состав при разном строении.

Разбор задач

Задача 1

Из веществ C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂ и C₃H₆ выберем непредельные углеводороды и определим их класс. Нужно сопоставить формулы с формулами рядов, но помнить, что одна молекулярная формула не всегда однозначно показывает строение.

1. C₂H₆ соответствует формуле алканов CₙH₂ₙ₊₂, поэтому это предельный углеводород.
2. C₂H₄ соответствует CₙH₂ₙ, значит, при открытой цепи это алкен с двойной связью C=C.
3. C₂H₂ соответствует CₙH₂ₙ₋₂, значит, это алкин с тройной связью C≡C.
4. C₃H₆ может быть пропеном с двойной связью, а при циклическом строении — циклоалканом.

Ответ: C₂H₄ — алкен, C₂H₂ — алкин; C₃H₆ является алкеном, если задана открытая цепь. C₂H₆ — алкан.

Задача 2

Для алкена с пятью атомами углерода найдём формулу и запишем два строения. Сначала определяем состав, затем сравниваем углеродные скелеты.

1. Подставляем n = 5 в CₙH₂ₙ: получаем C₅H₁₀.
2. Строим прямую цепь с двойной связью: CH₂=CH–CH₂–CH₂–CH₃, это пент-1-ен.
3. Строим разветвлённый скелет: CH₂=C(CH₃)–CH₂–CH₃, это 2-метилбут-1-ен.
4. Формула у веществ одинаковая, но цепи устроены по-разному.

Ответ: C₅H₁₀; приведённые соединения — изомеры углеродного скелета.

Задача 3

Для состава C₄H₈ запишем структурные формулы алкенов. Перебираем прямой и разветвлённый скелеты, размещая двойную связь так, чтобы каждый атом углерода имел валентность четыре.

1. В прямой цепи двойная связь у края даёт CH₂=CH–CH₂–CH₃ — бут-1-ен.
2. В той же цепи двойная связь в центре даёт CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен.
3. Разветвлённая цепь даёт CH₂=C(CH₃)₂ — 2-метилпропен.
4. Все три вещества имеют формулу C₄H₈, поэтому являются изомерами.

Ответ: бут-1-ен, бут-2-ен и 2-метилпропен. Первые два — изомеры положения двойной связи, а бутены и 2-метилпропен также образуют пары изомеров скелета.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любой углеводород с формулой CₙH₂ₙ алкеном. Такую формулу могут иметь циклоалканы, поэтому нужно проверить наличие именно двойной связи.

Ошибка: смешивать гомологи и изомеры. Гомологи отличаются составом на CH₂, а изомеры имеют одинаковую формулу; сравнение формул быстро помогает себя проверить.

Ошибка: нарушать валентность углерода при записи структуры. Учитывайте четыре связи у каждого атома C: после двойной связи на остальные соединения остаются только две валентные единицы.

Ошибка: принимать запись цепи справа налево за новое вещество. Разверните формулу и пронумеруйте цепь с ближайшего конца к кратной связи: одинаковый порядок атомов означает одну и ту же структуру.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о валентности углерода, строении алканов, структурных формулах и общих формулах гомологических рядов. Эти умения позволяют правильно составлять молекулы.

Далее понятия пригодятся при изучении номенклатуры, химических свойств и реакций присоединения непредельных углеводородов. По строению можно предсказывать названия и типичные превращения веществ.

Гомология и изомерия используются при изучении органических соединений, полимеров и способов установления строения молекул. Они помогают систематизировать большое число веществ.

Что запомнить

• Непредельные углеводороды содержат двойные или тройные связи между атомами углерода.
• Алкены с одной двойной связью имеют общую формулу CₙH₂ₙ.
• Кратная связь уменьшает число атомов водорода в молекуле.
• Соседние гомологи отличаются на одну группу CH₂.
• Изомеры имеют одинаковый состав, но разное строение.
• Изомерия может быть связана со строением углеродной цепи или положением кратной связи.
• Формулу вещества нужно проверять по валентности атомов и типу кратной связи.