§ 11. Алкены

Определения и обозначения

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью между атомами углерода. Непредельными их называют потому, что двойная связь может участвовать в реакциях присоединения. Это определение помогает отличать алкены от алканов, в которых между атомами углерода только одинарные связи.

Гомологический ряд алкенов — ряд соединений общей формулы CₙH₂ₙ, в котором соседние вещества отличаются на группу CH₂. Например, этен C₂H₄ и пропен C₃H₆ — соседние члены ряда. Формула позволяет находить состав алкена по числу атомов углерода и проверять, относится ли вещество к этому ряду.

Двойная связь C=C — сочетание σ-связи и π-связи. σ-связь образуется при перекрывании электронных облаков вдоль линии между ядрами, а π-связь — при их перекрывании над и под этой линией. Такое устройство объясняет непредельность алкенов и их способность вступать в реакции присоединения.

Геометрическая изомерия — существование цис- и транс-изомеров из-за невозможности свободного вращения вокруг двойной связи. В цис-изомере одинаковые или выбранные для сравнения группы находятся по одну сторону связи, в транс-изомере — по разные. Это понятие помогает различать вещества с одинаковым составом и порядком связей, но разным пространственным строением.

Как это устроено

У алканов общая формула CₙH₂ₙ₊₂, а у алкенов с одной двойной связью — CₙH₂ₙ. При образовании второй связи между двумя атомами углерода каждому из них требуется на один атом водорода меньше, чем при одинарной связи. Поэтому в молекуле становится на два атома водорода меньше; например, этан C₂H₆ и этен C₂H₄ отличаются именно на H₂.

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации: одна s- и две p-орбитали смешиваются, образуя три гибридные орбитали. Они лежат в одной плоскости и формируют σ-связи с соседними атомами, а оставшиеся негибридные p-орбитали перекрываются сбоку и создают π-связь. Поэтому фрагмент C=C и связанные с ним атомы расположены плоско, а вращение вокруг двойной связи нарушило бы перекрывание p-орбиталей.

Алкены химически активнее алканов, потому что π-связь слабее σ-связи и легче разрывается. Во время присоединения π-связь исчезает, а на её месте образуются новые σ-связи с атомами реагента. Так, водород, галогены или галогеноводороды могут присоединяться по месту двойной связи; одинарные связи углеродного скелета при этом сохраняются.

Чтобы назвать алкен, сначала выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь. Затем её нумеруют с того конца, к которому двойная связь ближе, и указывают номер первого атома углерода при ней: например, CH₃–CH=CH–CH₃ — бут-2-ен. Минимальный номер нужен, чтобы одно и то же строение не получало разных названий в зависимости от направления записи формулы.

Алкены получают, отщепляя водород от алканов, расщепляя более крупные молекулы при крекинге или отщепляя воду от спиртов. Например, дегидратация этанола даёт этен и воду, а дегидрирование этана — этен и водород. Алкены служат сырьём для полимеров, в частности этен превращается в полиэтилен, и для производства других органических веществ.

Алкены: строение, номенклатура и химические свойства

Пользуйся таблицей как краткой схемой: формула и строение помогают распознать алкен, а номенклатура — правильно назвать его. Строки с реакциями показывают, какие частицы присоединяются и какие продукты образуются. При решении задания сначала определи тип реакции, затем запиши формулу продукта и проверь число атомов каждого элемента.

Разбор задач

Название и геометрические изомеры бутена

Условие: для соединения CH₃–CH=CH–CH₃ определить название и указать возможные геометрические изомеры. В цепи четыре атома углерода, а двойная связь находится между вторым и третьим. Нужно также проверить, связаны ли с каждым атомом при двойной связи два разных заместителя.

1. Выбираем главную цепь из четырёх атомов углерода: основа названия — бутен.
2. Нумеруем цепь с любого конца: связь получает номер 2. Название вещества — бут-2-ен.
3. У каждого атома углерода при двойной связи есть H и CH₃. Поскольку свободного вращения нет, возможны цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен.

Ответ: бут-2-ен; его геометрические изомеры — цис-бут-2-ен и транс-бут-2-ен. Различие между ними определяется расположением групп CH₃ относительно двойной связи. Если бы у одного из атомов при связи были два одинаковых заместителя, цис-транс-изомерии не возникло бы.

Реакции пропена с бромом и хлороводородом

Условие: записать реакции пропена с Br₂ и HCl, назвать продукты и объяснить направление присоединения HCl. Формула пропена — CH₃–CH=CH₂, поэтому обе реакции идут по двойной связи. Для HCl нужно учесть правило Марковникова, которое помогает определить, к каким атомам углерода присоединятся H и Cl.

1. При присоединении брома атомы Br связываются с двумя атомами углерода бывшей двойной связи: CH₃–CH=CH₂ + Br₂ → CH₃–CHBr–CH₂Br.
2. Продукт первой реакции называется 1,2-дибромпропан. Обесцвечивание бромной воды служит качественным признаком двойной связи.
3. В реакции с HCl водород присоединяется к крайнему атому углерода CH₂, у которого уже больше атомов водорода, а хлор — к среднему: CH₃–CH=CH₂ + HCl → CH₃–CHCl–CH₃.
4. По правилу Марковникова водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а другая часть реагента — к менее гидрогенизированному. Название второго продукта — 2-хлорпропан.

Ответ: образуются 1,2-дибромпропан и 2-хлорпропан. В реакции с HCl основным продуктом будет 2-хлорпропан, поскольку такое направление соответствует правилу Марковникова. При проверке уравнений сравни число атомов углерода, водорода, брома и хлора слева и справа.

Расчёт объёма этена

Условие: из 9,2 г этанола дегидратацией получили этен с выходом 80%; найти объём газа при нормальных условиях. Дегидратация — отщепление воды от молекулы спирта, уравнение реакции: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. По уравнению один моль этанола даёт один моль этена, но фактическое количество продукта меньше теоретического из-за выхода 80%.

1. Находим количество этанола: M(C₂H₅OH) = 46 г/моль, n = 9,2 г ÷ 46 г/моль = 0,20 моль.
2. По соотношению веществ 1:1 теоретически получится 0,20 моль этена. Учитываем выход: n(факт.) = 0,20 × 0,80 = 0,16 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(C₂H₄) = 0,16 × 22,4 = 3,584 л.

Ответ: объём этена составляет 3,584 л, или примерно 3,6 л. Сначала важно определить теоретическое количество по уравнению, а уже затем применить процент выхода. Если сразу умножить массу этанола на 80%, будет учтён выход не того физического количества.

Типичные ошибки

Алкены иногда называют предельными, потому что их молекулы состоят только из углерода и водорода. Но предельность определяется не набором элементов, а строением углеродного скелета: у алкенов есть кратная связь, поэтому они непредельные. Проверка: найди связь между атомами углерода — двойная означает, что перед тобой алкен.

Формулу CₙH₂ₙ₊₂ иногда переносят с алканов на алкены, забывая о двойной связи. Она уменьшает число атомов водорода на два, поэтому для ациклического алкена с одной двойной связью подходит формула CₙH₂ₙ. Для самопроверки сравни формулы алкана и алкена с одинаковым числом атомов углерода.

При названии алкена цепь могут нумеровать с неправильного конца, например выбирать направление по расположению бокового заместителя. Сначала минимальный номер нужно дать двойной связи, а уже затем учитывать заместители. Проверь себя: выпиши номера связи при нумерации с обоих концов и выбери меньший.

Иногда считают, что вокруг двойной связи можно свободно вращаться, как вокруг одинарной. Но при вращении нарушилось бы перекрывание p-орбиталей, образующих π-связь, поэтому такое вращение ограничено. Проверка: если у каждого атома при C=C два разных заместителя, расположение этих групп по разные стороны связи может дать геометрические изомеры.

Связь с другими темами

Для изучения алкенов нужны знания о валентности углерода, строении алканов, гомологических рядах и структурных формулах. Эти основы позволяют выводить формулы веществ и понимать, как двойная связь меняет свойства углеводорода. Дальше тема связывается с алкинами, спиртами и полимерами, а реакции алкенов помогают разбирать механизмы превращений органических веществ.

Уравнения реакций алкенов используются в генетических цепочках, где вещества последовательно превращают друг в друга. Расчёты по таким реакциям требуют находить выход продукта и объём газа по количеству вещества. Поэтому знание алкенов объединяет строение органических соединений, химические превращения и количественные расчёты.

Что запомнить

• Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью.
• Общая формула ациклических алкенов с одной двойной связью: CₙH₂ₙ.
• Двойная связь состоит из σ-связи и π-связи.
• Для алкенов характерны реакции присоединения.
• При присоединении несимметричных реагентов часто действует правило Марковникова.
• Алкены обесцвечивают бромную воду.
• Этен полимеризуется с образованием полиэтилена.