 |
Получение этилена и ацетилена
|
|
|
|
И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ
Теоретическая часть
Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Простейшим представителем алкенов является этилен СН2=СН2.
Этилен — бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде.
Получение
1. Этилен в лаборатории получают при нагревании смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой:
2. Углеводороды ряда этилена можно получить также дегидрированием предельных углеводородов:
3. На производстве этилен получают из природного газа и при процессах пиролиза нефти.
4. Углеводороды ряда этилена можно получить при взаимодействии дигалогенопроизводных предельных углеводородов с металлами:
5. При действии спиртовых растворов щелочей на галогенопроизводные отщепляется галогеноводород и образуется углеводород с двойной связью:
Химические свойства:
Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи. Для них характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.
1. Реакции присоединения.
o Этилен и его гомологи взаимодействуют с галогенами. Так, например, они обесцвечивают бромную воду:
H2C = CH2 + Br2 → CН2Br - CH2Br
o Аналогично происходит присоединение водорода (гидрирование этилена и его гомологов):
H2C = CH2 + Н2 → CН3 – CH3
o В присутствии серной или ортофосфорной кислоты и других катализаторов этилен присоединяет воду (реакция гидратации). Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности:
H2C = CH2 + Н2О → CН3 – CH2ОН
o Этилен и его гомологи присоединяют также галогеноводороды. Пропилен и последующие углеводороды ряда этилена реагируют с галогеноводородами согласно правилу В.В.Марковникова.
|
|
|
Водород присоединяется к наиболее, а атом галогена - к наименее гидрированному атому углерода:
H2C = CH2 + НBr → CН3 – CH2Br
2. Реакции окисления.
o Этилен и его гомологи способны гореть на воздухе. С воздухом этилен и его газообразные гомологи образуют взрывчатые смеси:
C2H4 +3O2 → 2CO2 + 2H2O
o Этилен и его гомологи легко окисляются, например кислородом перманганата калия; при этом раствор последнего обесцвечивается:
3. Реакции полимеризации.
При повышенной температуре, давлении и в присутствии катализаторов молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие развала двойной связи:
Процесс соединения многих одинаковых молекул в более крупные называется реакцией полимеризации.
Алкинами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь. Простейшим представителем алкинов является этин (ацетилен) СН≡СН.
Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С4) - газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, лучше - в органических растворителях. Плохо растворимы в воде.
Способы получения алкинов.
1. Пиролиз метана.
2СН4 → С2Н2 + 3Н2↑
2. Карбидный способ.
а) СаО + 3С → СаС2 + СО
б) СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2
3. Дегидрогалогенирование дигалойдных углеводородов спиртовыми растворами щелочей.
СН3 – СН(Вr) – СН2Br + 2КОН → СН3 – С ≡ СН + 2КВr + 2Н2О
4. Каталитическое дегидрирование этиленовых углеводородов.
СН3 – СН = СН2 → СН3 – С ≡ СН + Н2↑
Химические свойства:
1. Реакции присоединения.
a. Ацетилен и его гомологи взаимодействуют с галогенами. Так, например, они обесцвечивают бромную воду:
HC ≡ CH + 2Br2 → CНBr2 - CHBr2
b. Аналогично происходит присоединение водорода (гидрирование этина и его гомологов):
|
|
|
HC ≡ CH + 2Н2 → CН3 – CH3
c. Этин и его гомологи присоединяют также галогеноводороды. Пропин и последующие углеводороды ряда этина реагируют с галогеноводородами согласно правилу В.В.Марковникова.
Водород присоединяется к наиболее, а атом галогена - к наименее гидрированному атому углерода:
C2H2 + 2НBr → C2H4Br2
2. Реакции окисления.
a. Этин и его гомологи способны гореть на воздухе. С воздухом этин и его газообразные гомологи горят бледно-голубым пламенем:
2C2H2 +5O2 → 4CO2 + 2H2O
b. Этилен и его гомологи легко окисляются, например кислородом перманганата калия; при этом раствор последнего обесцвечивается:
Экспериментальная часть
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получить и изучить свойства этилена и ацетилена.
ОБОРУДОВАНИЕ И РЕАКТИВЫ: штатив с пробирками, пробка с газоотводной трубкой, спиртовка, держатель для пробирок, этиловый спирт, концентрированная серная кислота, бромная вода, раствор перманганата калия, карбид кальция.
ОПЫТ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛЕНА И ЕГО ГОРЕНИЕ.
В пробирку налейте 2-3 мл этилового спирта и осторожно добавьте 6-9 мл концентрированной серной кислоты и несколько крупинок песка. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, закрепите ее в штативе и осторожно нагрейте. Подожгите выделяющийся газ.
Какой газ выделяется при нагревании смеси этилового спирта с серной кислотой? Почему этилен горит более светящимся пламенем, чем метан? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭТИЛЕНА С БРОМНОЙ ВОДОЙ.
В другую пробирку налейте 2-3 мл бромной воды. Не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и серной кислоты, опустите конец газоотводной трубки в пробирку с бромной водой и пропустите через нее выделяющийся газ.
Что происходит при пропускании газа через бромную воду? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 3. ОТНОШЕНИЕ ЭТИЛЕНА К ОКИСЛИТЕЛЯМ.
В третью пробирку налейте 2-3 мл разбавленного раствора перманганата калия. Не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и серной кислоты, опустите конец газоотводной трубки в пробирку с раствором перманганата калия и пропустите через нее выделяющийся газ.
Что происходит при пропускании газа через раствор перманганата калия? Напишите уравнение реакции.
|
|
|
ОПЫТ 4. ПОЛУЧЕНИЕ АЦЕТИЛЕНА И ЕГО ГОРЕНИЕ.
В пробирку поместите маленький кусочек карбида кальция и добавьте 2 капли воды. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Подожгите выделяющийся газ.
Какой газ выделяется? Почему ацетилен горит более светящимся пламенем, чем метан? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЦЕТИЛЕНА С БРОМНОЙ ВОДОЙ.
В другую пробирку налейте 2-3 мл бромной воды. В пробирку с карбидом кальция добавьте еще 2 капли воды и закройте ее пробкой с газоотводной трубкой. Опустите конец газоотводной трубки в пробирку с бромной водой и пропустите через нее выделяющийся газ.
Что происходит при пропускании газа через бромную воду? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 6. ОТНОШЕНИЕ АЦЕТИЛЕНА К ОКИСЛИТЕЛЯМ.
В третью пробирку налейте 2-3 мл разбавленного раствора перманганата калия. В пробирку с карбидом кальция добавьте еще 2 капли воды и закройте ее пробкой с газоотводной трубкой. Опустите конец газоотводной трубки в пробирку с бромной водой и пропустите через нее выделяющийся газ.
Что происходит при пропускании газа через раствор перманганата калия? Напишите уравнение реакции.
Задания.
1. Какие углеводороды называются непредельными?
2. Какие углеводороды называются алкенами и алкинами?
3. Каковы физические свойства С2Н4 и С2Н2?
4. Какие типы химических реакций характерны для непредельных углеводородов? Приведите примеры.
5. Какие реакции являются качественными реакциями на непредельные углеводороды?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12
СПИРТЫ
Теоретическая часть
Одноатомные спирты – это производные углеводородов, в которых один атом водорода замещен на гидрокси- группу. Общая формула спиртов – CnH2n+1OH.
Низшие и средние члены ряда предельных одноатомных спиртов, содержащие от одного до одиннадцати атомов углерода, — жидкости. Высшие спирты (начиная с С12Н25ОН) при комнатной температуре — твёрдые вещества. Низшие спирты имеют характерный алкогольный запах и жгучий вкус, хорошо растворимы в воде. По мере увеличения углеводородного радикала растворимость спиртов в воде понижается, например октанол уже не смешивается с водой.
|
|
|
Получение.
1. Самый общий способ получения спиртов, имеющий промышленное значение, — гидратация алкенов. Реакция идет при пропускании алкена с парами воды над фосфорнокислым катализатором:
H3PO4
СН2=СН2 + Н2О → СН3—СН2—ОН.
Из этилена получается этиловый спирт, из пропена — изопропиловый. Присоединение воды идет по правилу Марковникова, поэтому из первичных спиртов по данной реакции можно получить только этиловый спирт.
2. Другой общий способ получения спиртов — гидролиз алкилгалогенидов под действием водных растворов щелочей:
R—Br + NaOH → R—OH + NaBr.
По этой реакции можно получать первичные, вторичные и третичные спирты.
3. Восстановление карбонильных соединений. При восстановлении альдегидов образуются первичный спирты, при восстановлении кетонов — вторичные:
R—CH=O + Н2 → R—CH2—OH, (1)
R—CO—R’ + Н2 → R—CH(OH) —R’. (2)
Реакцию проводят, пропуская смесь паров альдегида или кетона и водорода над никелевым катализатором.
5. Этанол получают при спиртовом брожении глюкозы:
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2↑.
Химические свойства спиртов определяются присутствием в их молекулах гидроксильной группы ОН. Связи С-О и О-Н сильно полярны и способны к разрыву. Различают два основных типа реакций спиртов с участием функциональной группы -ОН:
1) Реакции с разрывом связи О-Н: а) взаимодействие спиртов с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием алкоголятов; б) реакции спиртов с органическими и минеральными кислотами с образованием сложных эфиров; в) окисление спиртов под действием дихромата или перманганата калия до карбонильных соединений. Скорость реакций, при которых разрывается связь О-Н, уменьшается в ряду: первичные спирты > вторичные > третичные.
2) Реакции сопровождающиеся разрывом связи С-О: а) каталитическая дегидратация с образованием алкенов (внутримолекулярная дегидратация) или простых эфиров (межмолекулярная дегидратация): б) замещение группы -ОН галогеном, например при действии галогеноводородов с образованием алкилгалогенидов. Скорость реакций, при которых разрывается связь С-О, уменьшается в ряду: третичные спирты > вторичные > первичные.
Спирты являются амфотерными соединениями.
Реакции с разрывом связи О-Н.
1. Кислотные свойства спиртов выражены очень слабо. Низшие спирты бурно реагируют со щелочными металлами:
2С2Н5-ОН + 2K→ 2С2Н5-ОK + Н2↑, (3)
но не реагируют с щелочами. С увеличением длины углеводородного радикала скорость этой реакции замедляется.
|
|
|
В присутствии следов влаги соли спиртов (алкоголяты) разлагаются до исходных спиртов:
С2Н5ОK + Н2О → С2Н5ОН + KОН.
Это доказывает, что спирты — более слабые кислоты, чем вода.
2. При действии на спирты минеральных и органических кислот образуются сложные эфиры. Образование сложных эфиров протекает по механизму нуклеофильного присоединения-отщепления:
Н+
С2Н5ОН + СН3СООН → СН3СООС2Н5 + Н2О
Этилацетат
C2H5OH + HONO2 → C2H5ONO2 + Н2O
Этилнитрат
Отличительной особенностью первой из этих реакций является то, что атом водорода отщепляется от спирта, а группа ОН — от кислоты. (Установлено экспериментально методом "меченых атомов").
3. Спирты окисляются под действием дихромата или перманганата калия до карбонильных соединений. Первичные спирты окисляются в альдегиды, которые, в свою очередь, могут окисляться в карбоновые кислоты:
[O] [О]
R-CH2-OH → R-CH=O → R-COOH.
Вторичные спирты окисляются в кетоны. Третичные спирты могут окисляться только с разрывом С-С связей.
Реакции с разрывом связи С-О.
1) Реакции дегидратации протекают при нагревании спиртов с водоотнимающими веществами. При сильном нагревании происходит внутримолекулярная дегидратация с образованием алкенов:
H2SO4,t >150°С
СН3-СН2-СН2-ОН → СН3-СН=СН2 + Н2О.
При более слабом нагревании происходит межмолекулярная дегидратация с образованием простых эфиров:
H2SO4,t< 150°С
2CH3-CH2-OH → C2H5-O-C2H5 + H2O.
2) Спирты обратимо реагируют с галогеноводородными кислотами (здесь проявляются слабые основные свойства спиртов):
ROH + HCl → RCl + Н2О
Третичные спирты реагируют быстро, вторичные и первичные — медленно.
Многоатомные спирты – это производные углеводородов, в которых два и более атомов водорода замещены на гидрокси- группу.
Физические свойства многоатомных спиртов:
1) важнейшие представители многоатомных спиртов – это этиленгликоль и глицерин;
2) это бесцветные сиропообразные жидкости сладковатого вкуса;
3) они хорошо растворимы в воде;
4) эти свойства присущи и другим многоатомным спиртам, например этиленгликоль ядовит.
Химические свойства многоатомных спиртов.
1. Как вещества, которые содержат гидроксильные группы, многоатомные спирты имеют сходные свойства с одноатомными спиртами. Например, взаимодействие с активными металлами:
СН2ОН – СН2ОН + 2Nа = СН2ОNа – СН2ОNа + Н2
2. При действии галогеноводородных кислот на спирты происходит замещение гидроксильной группы:
СН2ОН-СН2ОН + НСI → СН2ОН-СН2СI + Н2О.
3. Многие спирты обладают и особыми свойствами: многоатомные спирты проявляют более кислые свойства, чем одноатомные и легко образуют алкоголяты не только с металлами, но и с гидроксидами тяжелых металлов. В отличие от одноатомных спиртов, многоатомные спирты реагируют с гидроксидом меди, давая комплексы синего цвета (качественная реакция на многоатомные спирты).
СН2ОН H2C ─ O O ─ CH2
│ │ Cu │
2СНОН + Cu(OH)2 → HC ─ O O ─ CH + 2H2O
│ │ │
СН2ОН H2C ─ OH НО ─ H2C
синий раствор – глицерат меди
Способы получения и применения многоатомных спиртов: 1) подобно одноатомным спиртам, многоатомные спирты могут быть получены из соответствующих углеводородов через их галогенопроизводные; 2) наиболее употребительный многоатомный спирт – глицерин, он получается расщеплением жиров, а в настоящее время все больше синтетическим способом из пропилена, который образуется при крекинге нефтепродуктов.
Экспериментальная часть
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить свойства одноатомных и многоатомных спиртов.
ОБОРУДОВАНИЕ И РЕАКТИВЫ: штатив с пробирками, этиловый спирт, раствор серной кислоты, глицерин, раствор перманганата калия, раствор сульфата меди (II), раствор гидроксида натрия, спираль из медной проволоки, пинцет, спиртовка.
ОПЫТ 1. ОКИСЛЕНИЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ОКИСЬЮ МЕДИ.
В сухую пробирку помещаем 2 капли этилового спирта. Держа спираль из медной проволоки пинцетом, нагреваем ее в пламени спиртовки до появления черного налета окиси меди. Еще горячую спираль опускаем в пробирку с этиловым спиртом.
Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 2. ОКИСЛЕНИЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ПЕРМАНГАНАТОМ КАЛИЯ.
В сухую пробирку помещаем 2 капли этилового спирта, 2 капли раствора перманганата калия и 3 капли раствора серной кислоты. Осторожно нагреваем содержимое пробирки над пламенем спиртовки.
Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции.
ОПЫТ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЛИЦЕРИНА С ГИДРОКСИДОМ МЕДИ (II).
В пробирку помещаем 2 капли раствора сернокислой меди, 2 капли раствора едкого натра и перемешивают. В пробирку добавляем 1 каплю глицерина и взбалтываем содержимое.
Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции.
Задания.
1. Какие органические вещества называются спиртами? Как их классифицируют?
2. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2-метилпропанол-2; б) 2,3-диметилпентанол-3; в) пропантриол-1,2,3; г) фенол.
3. Какие типы реакций характерны для спиртов? Приведите примеры.
4. Что такое реакция этерификации? Напишите реакцию взаимодействия этилового спирта и масляной кислоты.
5. В трех пробирках без подписи находятся водные растворы пропанола-1, глицерина и фенола. С помощью каких реагентов можно определить каждый из растворов? Напишите уравнение реакций.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13
|
|
|
