"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Алкены — непредельные углеводороды с двойной связью между атомами углерода. Их физические свойства зависят прежде всего от длины углеродной цепи, относительной молекулярной массы и строения молекулы. Низшие алкены — газы, соединения средней молекулярной массы — жидкости, высшие — твёрдые вещества. Алкены почти не растворяются в воде, зато хорошо смешиваются с неполярными органическими растворителями. Эти закономерности помогают сравнивать вещества и выбирать способы их разделения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гомологический ряд алкенов — последовательность веществ с одинаковой функциональной особенностью, молекулы которых отличаются друг от друга на группу –CH2–. Функциональная особенность алкенов связана с двойной связью C=C. Это понятие позволяет находить закономерности изменения свойств от этена к более сложным соединениям.
Агрегатное состояние — состояние вещества при определённых температуре и давлении: газообразное, жидкое или твёрдое. Оно показывает, насколько свободно движутся частицы и как далеко они находятся друг от друга. По агрегатному состоянию можно понять, как вещество хранить и каким способом разделять.
Температура кипения — температура перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. При этой температуре давление пара жидкости становится достаточным для образования пузырьков пара во всём объёме. Сравнение температур кипения помогает оценить силу притяжения между молекулами.
Растворимость — способность вещества образовывать однородный раствор в данном растворителе. Она зависит от природы обоих веществ: подобные по полярности вещества обычно растворяются друг в друге лучше. Это объясняет выбор растворителя и образование или отсутствие слоёв в смеси.
Алкены практически не растворяются в воде, потому что их молекулы в основном неполярны, а молекулы воды полярны и связаны водородными связями. Между водой и алкеном не возникает достаточно сильного взаимодействия, чтобы разрушить устойчивую структуру воды. В неполярных органических растворителях алкены растворяются лучше: природа межмолекулярных взаимодействий у таких веществ сходна.
При удлинении углеродной цепи увеличиваются относительная молекулярная масса и площадь соприкосновения молекул. Электроны одной молекулы сильнее влияют на соседнюю, поэтому возрастают дисперсионные силы притяжения. Для разделения таких молекул требуется больше энергии, поэтому температура кипения обычно повышается, а температура плавления в целом также имеет тенденцию к росту.
Низшие алкены остаются газами, поскольку небольшие молекулы слабо притягиваются друг к другу и легко разлетаются. У соединений средней молекулярной массы притяжение уже достаточно велико, чтобы удерживать частицы в жидкости, но не в строго упорядоченной решётке. У высших алкенов многочисленные контакты между длинными цепями стабилизируют твёрдое состояние.
Плотность большинства алкенов меньше плотности воды, поэтому их слой обычно располагается сверху. С увеличением длины цепи в молекуле становится больше тяжёлых углеродных и водородных атомов на единицу объёма, и плотность обычно постепенно возрастает. Это изменение не означает, что каждый алкен обязательно плотнее всех предыдущих: на результат влияют форма и упаковка молекул.
Разветвление меняет форму молекулы и площадь соприкосновения её частей с соседними молекулами. Более компактные изомеры обычно притягиваются слабее, поэтому имеют более низкую температуру кипения, чем неразветвлённые соединения с той же формулой. Для температуры плавления важна ещё и симметрия: симметричные молекулы могут лучше укладываться в кристалле, поэтому здесь простая закономерность иногда нарушается.
| Свойство | Этен–бутены (C2–C4) | Пентены–гексадецены (C5–C16) | Высшие алкены (примерно C17 и выше) |
|---|---|---|---|
| Агрегатное состояние при комнатной температуре | Газы | Обычно жидкости | Твёрдые вещества |
| Цвет и запах | Бесцветные, со слабым характерным запахом | Бесцветные или почти бесцветные, со слабым запахом | Обычно бесцветные или белые, запах слабый |
| Растворимость в воде | Очень малая | Практически не растворяются | Практически не растворяются |
| Растворимость в органических растворителях | Хорошая | Хорошая | Растворяются в подходящих неполярных растворителях |
| Плотность по сравнению с водой | Обычно меньше | Обычно меньше, постепенно возрастает | Чаще меньше, может приближаться к плотности воды |
| Температура кипения | Возрастает от этена к бутенам | Выше и обычно возрастает с длиной цепи | Высокая |
| Температура плавления | В целом повышается, но возможны отклонения | Обычно возрастает, зависит от изомерии | Высокая, зависит от симметрии и упаковки |
Таблицу используют для качественного сравнения, а не для определения точного значения свойства. Сначала учитывают длину цепи, затем проверяют влияние разветвления и симметрии молекулы. Особенно осторожно следует сравнивать температуры плавления изомеров.
Условие: определить агрегатное состояние бутена и децена при комнатной температуре.
Ответ: бутен — газ, децен — жидкость.
Условие: расположить этен, пропен, бутен и пентен в порядке возрастания температуры кипения.
Ответ: этен < пропен < бутен < пентен по температуре кипения.
Условие: объяснить, почему смесь пентена с водой расслаивается, и выбрать растворитель для пентена.
Ответ: смесь расслаивается из-за различия полярности; подходящий растворитель — гексан или другой неполярный органический растворитель.
Ошибка 1. Утверждать, что двойная связь делает алкены хорошо растворимыми в воде. Так думают, потому что выделяют один фрагмент молекулы и забывают о неполярном углеводородном скелете. Проверка: сравните полярность всей молекулы алкена и воды.
Ошибка 2. Считать все алкены газами. Ошибка возникает при запоминании только свойств этена и пропена. Проверка: оцените длину цепи — с ростом числа атомов углерода появляются жидкости и твёрдые вещества.
Ошибка 3. Переносить закономерность температуры кипения прямо на температуру плавления. Температура плавления зависит от кристаллической упаковки и симметрии, поэтому возможны отклонения. Проверка: для изомеров учитывайте не только массу, но и форму молекулы.
Ошибка 4. Сравнивать температуру кипения только по числу атомов углерода. Разветвление уменьшает площадь контакта молекул и может понизить температуру кипения. Проверка: сначала установите формулу, затем сравните строение изомеров.
Для понимания темы нужны знания о строении алкенов, относительной молекулярной массе, полярности и межмолекулярном взаимодействии. Эти свойства используются при изучении разделения углеводородов и перегонки нефтепродуктов: вещества с разными температурами кипения можно разделять. Они также помогают выбирать условия хранения и соблюдать безопасность при работе с летучими и горючими алкенами.
Почему алкены не растворяются в воде, если в их молекулах есть двойная связь?
Двойная связь не превращает алкен в полярное вещество: углеводородная часть молекулы в целом неполярна или слабополярна. Вода хорошо растворяет полярные вещества, поэтому алкены с ней практически не смешиваются.
Какие алкены являются газами при комнатной температуре?
К низшим алкенам относят этен, пропен и бутены; при комнатной температуре они находятся в газообразном состоянии. При дальнейшем увеличении углеродной цепи вещества обычно становятся жидкостями, а затем твёрдыми веществами.
Почему температура кипения возрастает от этена к высшим алкенам?
С увеличением числа атомов углерода растёт относительная молекулярная масса и увеличивается поверхность соприкосновения молекул. Поэтому усиливаются межмолекулярные силы, и для кипения требуется больше энергии.
Почему температура плавления изомеров может изменяться не так закономерно, как температура кипения?
При плавлении важна не только сила притяжения, но и то, насколько упорядоченно молекулы укладываются в кристаллической решётке. Разветвление и симметрия могут улучшать или ухудшать упаковку, поэтому температуры плавления изомеров иногда заметно различаются.
Можно ли по формуле алкена сразу определить его агрегатное состояние?
Точно определить состояние только по формуле нельзя: нужно учитывать строение изомера и температуру окружающей среды. Однако число атомов углерода даёт ориентир: низшие алкены — газы, средние — жидкости, высшие — твёрдые вещества.
7.2. Физические свойства
