§ 78. Получение и применение алкенов

Определения и обозначения

Дегидратация — отщепление молекулы воды от вещества. При получении алкена так превращают спирт: удаляются группа OH и атом водорода, а между соседними атомами углерода возникает двойная связь. Этот способ позволяет получить алкен из доступного спирта.

Дегидрогалогенирование — отщепление галогеноводорода от галогеналкана. Вместе уходят атом галогена и атом водорода, а между соответствующими атомами углерода появляется двойная связь. Реакция даёт возможность превратить галогеналкан в алкен.

Дегидрирование — отщепление водорода от молекулы алкана. При этом образуется двойная связь, поэтому алкан превращается в алкен с тем же числом атомов углерода. Такой процесс применяют при промышленном получении алкенов.

Полимеризация алкена — соединение множества его молекул в длинную цепь без выделения побочного продукта. Исходная молекула называется мономером, а образовавшаяся цепь — полимером. Полимеризация нужна, чтобы получать материалы, например полиэтилен из этена.

Как это устроено

При дегидратации спирта удаляются группа OH и атом водорода от соседнего атома углерода. Именно поэтому атомы углерода, которые прежде были соединены одинарной связью, могут образовать двойную: у каждого освобождается возможность создать дополнительную связь. Например, из этанола получают этен, обычно нагревая спирт с концентрированной серной кислотой или пропуская его пары над нагретым катализатором. Условия помогают отщепить воду, а не просто испарить её из смеси.

При дегидрогалогенировании галогеналкана галоген и водород удаляются с соседних атомов углерода. Спиртовой раствор щёлочи при нагревании способствует отщеплению, поэтому образуется алкен, а не продукт замещения. Двойная связь возникает между атомами, от которых ушли галоген и водород. Например, из 2-бромпропана можно получить пропен, а побочными продуктами будут соль и вода.

При дегидрировании алкана от молекулы отщепляется H₂. Оставшиеся атомы углерода образуют двойную связь, но углеродный скелет сохраняет прежнюю длину, поскольку разрывается связь C–H, а не связь C–C. Для процесса нужны нагревание и обычно катализатор, ускоряющий реакцию. Так, пропан превращается в пропен и водород.

Крекинг — расщепление крупных углеводородных молекул на более короткие; он бывает важен при переработке нефти. При разрыве связей C–C образуются молекулы меньшего размера, и часть продуктов может иметь двойную связь, то есть быть алкенами. Поэтому крекинг даёт не один чистый продукт, а смесь веществ. Её состав зависит от исходного сырья и условий процесса.

Двойная связь алкенов может раскрываться, позволяя присоединять к её атомам другие частицы или соединять молекулы между собой. При полимеризации этена множество молекул образует длинную цепь полиэтилена, и небольшой побочный продукт не выделяется. Реакции алкенов используют также для синтеза других органических веществ. Способность вступать в такие превращения делает алкены ценным сырьём.

Основные способы получения алкенов и направления их применения

Сначала найдите в таблице исходное вещество, а затем проверьте условия: похожие реакции отщепления требуют разных реагентов. Последний столбец показывает, какой продукт или направление применения нужно ожидать. Таблица помогает быстро сравнить способы и не путать их условия.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение получения этена дегидратацией этанола и назовите условия реакции. При отщеплении воды от этанола OH-группа уходит с одного атома углерода, а H — с соседнего. Освободившиеся связи превращаются в двойную связь, поэтому продуктом будет этен.

1. Записываем формулу этанола: CH₃CH₂OH.
2. Удаляем OH и соседний H, получаем CH₂=CH₂ и H₂O.
3. Проверяем атомы: слева и справа по 2 атома C, 6 атомов H и 1 атом O.

Уравнение: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O. Реакцию проводят при нагревании с концентрированной серной кислотой или над нагретым оксидом алюминия. Условия указывают, потому что без них запись показывает только соотношение веществ, но не способ проведения реакции.

Задача 2. Составьте уравнение дегидрогалогенирования 2-бромпропана спиртовым раствором гидроксида калия. Бром находится у второго атома углерода, поэтому водород нужно удалить от соседнего атома. После отщепления между ними образуется двойная связь, а для трёхуглеродной цепи продуктом будет пропен.

1. Записываем формулы исходных веществ: CH₃CHBrCH₃ и KOH.
2. Убираем Br и соседний H; оставшиеся атомы углерода образуют CH₃CH=CH₂.
3. Добавляем продукты реакции: KBr и H₂O; проверяем равенство числа атомов каждого элемента.

Уравнение: CH₃CHBrCH₃ + KOH → CH₃CH=CH₂ + KBr + H₂O. Используют спиртовой раствор щёлочи и нагревание. Такой набор условий указывает на отщепление, а не на замену брома гидроксильной группой.

Задача 3. При дегидрировании пропана получили пропен; найдите объём водорода из 4 моль пропана при полном превращении. Сначала нужно выяснить, сколько водорода приходится на один моль пропана. Затем это соотношение применяют к заданному количеству и переводят количество вещества газа в объём.

1. Записываем уравнение: C₃H₈ → C₃H₆ + H₂. Оно уравнено: коэффициенты у всех веществ равны 1.
2. По коэффициентам 1 моль C₃H₈ даёт 1 моль H₂, значит, 4 моль пропана дают 4 моль H₂.
3. При нормальных условиях используем молярный объём газа 22,4 л/моль: V = 4 × 22,4 = 89,6 л.

Ответ: образуется 89,6 л водорода при нормальных условиях. Если условия не заданы, объём газа нельзя однозначно получить только из количества вещества. Поэтому в вычислениях нужно указывать, для каких условий применён молярный объём.

Типичные ошибки

При дегидратации иногда говорят, что вода отщепилась, но не показывают, откуда взялся её атом водорода. Тогда можно ошибочно соединить двойной связью не те атомы углерода. Проверяйте строение исходного спирта: OH удаляется с одного атома, а H — с соседнего, между ними и возникает двойная связь. В конце сравните число атомов каждого элемента в уравнении.

В дегидрогалогенировании указывают водный раствор щёлочи вместо спиртового. Путаница возникает потому, что оба варианта содержат щёлочь, хотя условия влияют на направление реакции: водная среда способствует замещению, спиртовая — отщеплению. Чтобы проверить себя, спросите, нужен ли в продукте алкен. Если да, укажите спиртовой раствор и обычно нагревание.

Дегидратацию и дегидрирование путают из-за похожих названий. Но первая реакция удаляет воду от спирта, а вторая — водород от алкана. Проверьте исходное вещество и формулу отщепляемой частицы: спирт и H₂O соответствуют дегидратации, алкан и H₂ — дегидрированию. Это помогает не смешивать продукты и условия.

При полимеризации иногда приписывают реакции небольшую молекулу-побочный продукт. Так бывает при некоторых других превращениях, но при обычной полимеризации алкена его молекулы соединяются без выделения такого продукта. Проверка проста: атомы мономеров должны сохраняться в повторяющемся звене цепи. Для этена это звено –CH₂–CH₂–.

Связь с другими темами

Для разбора получения алкенов нужны знания о строении алканов, спиртов и галогеналканов. Важно уметь читать структурные формулы, составлять уравнения и расставлять коэффициенты, а для задач на газ — связывать количество вещества с объёмом. Далее эта тема помогает понимать химические свойства алкенов и органический синтез. Она также связана с изучением полимеров и переработки нефти, где крекинг даёт сырьё для дальнейших производств.

Что запомнить

• Алкены получают реакциями отщепления и при крекинге углеводородов.
• Дегидратация спирта — способ получения алкена с отщеплением воды.
• Дегидрогалогенирование проводят действием спиртового раствора щёлочи.
• При дегидрировании алкана отщепляется водород.
• Крекинг используют для расщепления крупных углеводородов.
• Полимеризация этена приводит к образованию полиэтилена.
• Алкены служат сырьём для получения полимеров и других органических веществ.