§ 8. Алкены: химические свойства, применение и получение

Определения и обозначения

Алкен — непредельный углеводород, в молекуле которого есть одна двойная связь C=C. Для ациклических алкенов с одной такой связью общая формула — C_nH_2n. В названии выбирают самую длинную цепь с двойной связью, нумеруют её с ближайшего к связи конца и добавляют суффикс «-ен»: этен, пропен, бут-1-ен.

Реакция присоединения — реакция, при которой атомы или группы атомов присоединяются по месту двойной связи. Связь C=C при этом превращается в одинарную, поэтому состав продукта легко определить по двум атомам углерода, ранее связанным двойной связью. Такие реакции особенно характерны для алкенов.

Гидрирование — присоединение водорода H₂ к алкену с образованием алкана. Процесс обычно проводят при нагревании в присутствии катализатора, например никеля, который ускоряет реакцию и не расходуется. Это один из способов уменьшить непредельность вещества.

Правило Марковникова применяют при присоединении полярных молекул, например HCl или H₂O, к несимметричному алкену. Водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, то есть к тому, у которого уже больше атомов водорода. Правило помогает заранее выбрать основной продукт реакции.

Как это устроено

Двойная связь состоит из прочной σ-связи и более реакционноспособной π-связи. π-Электроны расположены над и под плоскостью молекулы и легче взаимодействуют с реагентами, чем электроны σ-связи. Поэтому при присоединении разрывается именно π-связь, а алкены реагируют активнее алканов.

Водород присоединяется к алкену при нагревании и наличии катализатора, например никеля. Катализатор снижает энергетический барьер реакции, поэтому процесс идёт быстрее и при более мягких условиях. Для этена уравнение имеет вид: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃; продукт — этан.

Бром и другие галогены присоединяются по двойной связи, превращая алкен в дигалогеналкан. Например, пропен образует 1,2-дибромпропан: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br. Бром расходуется, поэтому его жёлто-бурая вода обесцвечивается; это качественная реакция на двойную связь.

Галогеноводороды и вода присоединяются к несимметричному алкену не случайно: направление задаётся правилом Марковникова. В пропене атом водорода присоединяется к концевому атому углерода, а Cl или OH — к среднему. Поэтому реакции записывают так: CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃; CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃.

Алкены окисляются, горят и полимеризуются благодаря наличию двойной связи. При горении образуются углекислый газ и вода, а при мягком окислении двойная связь может превращаться в кислородсодержащие группы. При полимеризации множество молекул алкена соединяются в длинную цепь, что используют для производства полиэтилена и других пластмасс. Получают алкены из алканов дегидрированием или крекингом, а из спиртов — отщеплением воды, то есть дегидратацией.

Химические свойства алкенов

В таблице указаны тип реакции, необходимые реагенты и основной результат. По примеру можно проверить, какие атомы присоединились к двум атомам углерода двойной связи. Условия реакции особенно важны для гидрирования, гидратации и окисления.

Разбор задач

Задача 1

Запишите уравнение реакции этена с водородом и назовите продукт. В этене есть двойная связь, поэтому нужно выбрать реакцию присоединения. Водород присоединяется по месту этой связи в присутствии катализатора.

1. Записываем исходные вещества: CH₂=CH₂ и H₂.
2. Заменяем двойную связь на одинарную и добавляем по одному атому водорода к каждому атому углерода.
3. Указываем условие: нагревание, катализатор Ni.

Получается уравнение CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃. Продукт реакции — этан, то есть алкан.

Задача 2

Запишите реакцию пропена с бромом и объясните изменение окраски бромной воды. Пропен содержит одну двойную связь, поэтому Br₂ присоединяется к соседним атомам углерода. Окраска исчезает, потому что молекулы брома расходуются в реакции.

1. Записываем формулы реагентов: CH₃–CH=CH₂ и Br₂.
2. Разрываем π-связь и присоединяем по одному атому Br к двум бывшим атомам двойной связи.
3. Проверяем число атомов: образуется CH₃–CHBr–CH₂Br.

Уравнение: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br. Бромная вода обесцвечивается, а продукт называется 1,2-дибромпропан.

Задача 3

При гидратации пропена определите основной продукт и его массу, если прореагировало 8,4 г пропена. Сначала применяем правило Марковникова: образуется пропан-2-ол. Реакция идёт в соотношении 1:1, поэтому количество вещества спирта равно количеству пропена.

1. Уравнение: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃.
2. M(C₃H₆) = 42 г/моль; n(C₃H₆) = 8,4 / 42 = 0,2 моль.
3. n(C₃H₇OH) = 0,2 моль; M(C₃H₈O) = 60 г/моль.
4. m = nM = 0,2 · 60 = 12 г.

Основной продукт — пропан-2-ол. Его масса равна 12 г, если вода взята в достатке и реакция прошла полностью.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что двойная связь разрывается полностью. На самом деле при присоединении исчезает только π-связь, а между атомами углерода остаётся одинарная σ-связь. Проверка: в продукте эти атомы должны быть соединены одной линией.

Ошибка: записывать гидрирование без катализатора и условий. Ученик помнит реагент H₂, но забывает, что реакция требует нагревания и обычно катализатора Ni. Проверяйте уравнение по схеме «водород + алкен → алкан» и дописывайте условия над стрелкой.

Ошибка: распределять атомы при присоединении HX наугад. Это приводит к неправильному изомеру, потому что для несимметричного алкена действует правило Марковникова. Сначала найдите более гидрогенизированный атом углерода и направьте к нему водород.

Ошибка: путать обесцвечивание бромной воды с замещением. У алкена бром присоединяется по двойной связи, тогда как для алкана характерно замещение при особых условиях. Если в продукте появились два атома Br на соседних атомах углерода, это присоединение.

Связь с другими темами

Для понимания свойств алкенов нужны знания об алканах, общей формуле гомологического ряда, типах химических связей и составлении уравнений реакций. Сравнение алканов и алкенов показывает, как двойная связь влияет на химическую активность углеводорода.

Реакции алкенов связаны с дальнейшим изучением полимеров и органического синтеза. Гидратация объясняет получение спиртов, а полимеризация — производство пластмасс; способы получения алкенов показывают превращения алканов и спиртов друг в друга.

Что запомнить

• Общая формула ациклических алкенов с одной двойной связью — C_nH_2n.
• Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи.
• Этен и другие алкены обесцвечивают бромную воду.
• При гидрировании алкен превращается в алкан.
• При присоединении HX к несимметричному алкену применяют правило Марковникова.
• Из алкенов получают полимеры; сами алкены можно получать из алканов и спиртов.