§26. Етилен

Ненасичені етиленові вуглеводні (алкени, олефіни)

Існують вуглеводні в яких атоми Карбону сполучені з меншим числом атомів Гідрогену, ніж це потрібно для повного насичення чотирьох валентностей Карбону. У цих випадках валентності сусідніх атомів Карбону, що залишаються вільними, насичують одна одну й між атомами Карбону виникають подвійні або потрійні зв’язки.

C_nH_2n–ен (–илен,-ілен).

Вуглеводні з подвійними й потрійними зв’язками між атомами Карбону дістали назву ненасичених на відміну від відомих вам насичених вуглеводнів. Ми розглянемо ненасичені етиленові та ацетиленові вуглеводні.

Етиленовими називаються ненасичені вуглеводні, в молекулах яких є атоми Карбону сполучені між собою подвійним зв’язком. Вуглеводні відповідають загальній формулі C_nH_2n і мають закінчення –ен (–илен, –ілен).

Представником етиленових вуглеводнів є етилен, молекулярна формула якого – С₂Н₄.

Будова молекули етилену

Якщо навколо двох взаємно зв’язаних атомів Карбону розмістити чотири атоми Гідрогену, то структурну формулу етилену треба було б зобразити так:

C₂H₄етилен

Однак вільних зв’язків не повинно бути, а тому утворюється новий зв’язок між атомами Карбону. Якщо позначити зв’язки між атомами електронними парами, то отримаємо електронну формулу:

СН₂=CН₂

Кожна риска структурної формули зображає одну пару електронів. Експериментально доведено, що один із зв’язків атома Карбону слабший від другого. У молекулі етилену гібридизується одна s- і дві р-електронні хмари атомів Карбону (sр²-гібридизація). Тоді кожен атом Карбону має по три (всього шість) гібридні електронні хмари й по одній (всього дві) негібридній р-електронній хмарі. Дві з гібридних електронних хмар атомів Карбону взаємно перекриваються у тій самій площиній, утворюючи між атомами Карбону σ-зв’язок. Решта, чотири гібридні електронні хмари обох атомів Карбону, перекриваються у тій самій площині з чотирма s-електронними хмарами атомів Гідрогену і також утворюють чотири σ-зв’язки. Дві негібридні р-хмари атомів Карбону взаємно перекриваються в площині, перпендикулярній до площини σ-зв’язків, тобто, утворюється один π-зв’язок. Отже, в молекулі етилену між атомами Карбону є один σ- і один π-зв’язки. π-зв’язок значно слабший за σ-зв’язок, він легко розривається під дією реагентів. Для атомів Карбону по місцю подвійного зв’язку неможливе вільне обертання атомів.

а) структурна формула; б) електронна формула; в) кулестержнева модель; г) масштабна модель

а) кулестержнева модель; б) масштабна модель; в) структурна формула; г) електронна формула

Таблиця 10. Гомологічний ряд етиленових вуглеводнів

Агрегатний стан

Молекулярна формула

Напівструктурна формула

Назва

Газ

–»–

Рідина

–»–

Тверда речовина

С₂Н₄

С₃Н₆

С₄Н₈

С₅Н₁₀

С₆Н₁₂

С₇Н₁₄

С₈Н₁₆

С₉Н₁₈

С₁₀Н₂₀

С₁₉Н₃₈

СН₂=СН₂

СН₃–СН=СН₂

СН₃–СН₂–СН=СН₂

СН₃–(СН₂)₂–СН=СН₂

СН₃–(СН₂)₃–СН=СН₂

Етилен, етен

Пропілен, пропен

1–Бутен, 1–бутилен

1–Пентен, 1–пентилен

1–Гексен, 1–гексилен

Фізичні властивості

Етилен – безбарвний газ, майже без запаху, трохи легший за повітря. M_r(С₂Н₄) = 28, погано розчиняється у воді. У вільному вигляді не зустрічається через високу активність. Етилен утворюється під час переробки нафти.

Хімічні властивості

Хімічні властивості етилену переважно визначаються наявністю в його молекулі подвійного зв’язку. Для них характерні реакції приєднання.

1. Як й інші вуглеводні, етилен горить світним полум’ям з утворенням вуглекислого газу й води:
С₂Н₄ + 3О₂ → 2СО₂ + 2Н₂О.

2. За наявності каталізатора (платини або нікелю) при нагріванні може приєднатися (за місцем кратного зв’язку) водень:
СН₂= CН₂ (етен) + Н₂ СН₃− CН_{3 (етан) ,}або С₂Н₄ + Н₂ С₂Н₆

Реакцію приєднання водню називають реакцією гідрування.

3. Етилен приєднує воду за наявності каталізатора сульфатної кислоти з утворенням спирту:
C₂H₄ (етен) + H₂O C₂H₅OH (етанол).

Реакцію приєднання води називають реакцією гідратації. Таку реакцію застосовують для промислового добування етанолу.

4. Під час пропускання етилену через бромну воду відбувається її знебарвлення:
СН₂= CН₂+ Br₂ СН₂Br − CН₂Br (диброметан), або С₂Н₄ + Br₂→ C₂H₄Br₂

Реакція приєднання галогенів називається реакцією галогенування.

Якщо пропустити етилен крізь розчин калій перманганату, останній знебарвиться.

Якісною реакцією на етиленові вуглеводні є знебарвлення розчину калій перманганату й бромної води.

Рис. 51. Якісна реакція на етилен.
а) добування етилену в лабораторії й знебарвлення КМnO₄;
б) добування етилену в лабораторії й знебарвлення бромної води.

5. Етилен приєднує галогеноводні перетворюючись на галогенопохідне насиченого вуглеводню:
С₂Н₄ (етилен) + НCl → C₂H₅Cl (хлоретан)

6. Молекули етиленових вуглеводнів можуть сполучатися між собою з утворенням ланцюгових молекул при підвищеній температурі й тиску за наявності каталізатора:
СН₂ = СН₂ + СН₂ = СН₂ + СН₂ = СН_2…→
– СН₂– СН₂ – СН₂– СН₂ – СН₂– СН₂ –… →
(– СН₂– СН₂ –)_n

Процес сполучення багатьох однакових молекул у більші називається реакцією полімеризації.

Схема 7. Хімічні властивості

Етилен застосовують для прискорення дозрівання плодів, виготовлення вибухових речовин, поліетилену, для наркозу (суміш 80% С₂Н₄ і 20% О₂), добування пального з високим октановим числом.

Підсумок

Будова молекули етилену – площинна. Валентний кут – 120°.
Довжина С–С зв’язку 0,134 нм, міцність С–С зв’язку 620 кДж/моль.
Зв’язки – три σ й один π в атома С за місцем кратного зв’язку (неможливий вільний рух атомів по π-зв’язку).
Ненасиченими називають органічні сполуки, що містять між атомами Карбону подвійні зв’язки.
Ненасичені вуглеводні характеризуються реакціями приєднання різних речовин. Так, вони легко приєднують галогени, галогеноводневі кислоти, водень.
На відміну від насичених, ненасичені вуглеводні легко окиснюються при низьких температурах, при цьому дія окисників спрямована на кратний зв’язок. Окиснення повільно відбувається навіть під дією кисню повітря.
Ненасичені вуглеводні здатні до реакцій полімеризації.
Назву олефіни вони дістали тому, що газоподібний етилен при сполученні з хлором утворює маслоподібний продукт приєднання – дихлоретан (лат. oleum – «масло»).

?

Які вуглеводні називаються ненасиченими?
У чому суть sp²-гібридизації? Яка відмінність її від sp³-гібридизації?
У чому відмінність σ і π-зв’язків у молекулах етилену?
Поясніть, чому атоми Карбону не можуть вільно обертатися при кратних зв’язках?
Який тип реакцій характерний для етилену?
Які види ізомерії притаманні етиленовим вуглеводням?
Назвіть галузі застосування етилену.

Завдання для самоконтролю

■

326. За наведеними формулами речовин визначте, ті, які з них є етиленовими:
С₃Н₈, С₈Н₁₆, С₁₄Н₂₈, С₅Н₁₂, С₆Н₁₂, С₅Н₁₀.

327. Напишіть молекулярні формули алкенів, які містять 7; 9; 12 атомів Карбону. Назвіть їх.

328. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
а) С → СН₄ → С₂Н₄ → С₂Н₅СІ → С₄Н₁₀ → С₄Н₉СІ;
б) → С₃Н₄→ С₃Н₆→ С₃Н₇СІ → С₆Н₁₄;

329. Яка сіль і якої маси утвориться, якщо вуглекислий газ одержаний при спалюванні етану об’ємом 2,24 л пропустили через розчин натрій гідроксиду об’ємом 4,48 л густиною 1,14 г/см³ з масовою часткою лугу 12%?

▲

●

330. За наведеними формулами речовин визначте формулу етилену:
а) С₂Н₆;
б) С₂Н₂;
в) С₂Н₄.

331. Як дізнатися в якій посудині міститься етилен, а в якій етан:
а) розчинити у воді;
б) добавити бромну воду;
в) спалити?

332. Вкажіть загальну формулу ненасиченого вуглеводню ряду етилену:
а) C_nH_2n+2;
б) C_nH_2n–2 ;
в) C_nH_2n.

●●

333. Які із нижче вказаних речовин взаємодіють з етиленом: натрій, хлор, кисень, бромоводень? Напишіть можливі рівняння реакцій.

334. За наведеними формулами сполук вкажіть етиленові вуглеводні, назвіть їх:
С₃Н₈, С₈Н₁₆, С₁₄Н₂₈,С₅Н₁₂, С₆Н₁₂, С₅Н₁₀, С₂Н₆.

●●●

335. Напишіть молекулярні формули алкенів, які містять 4; 10; 8 атомів Карбону. Назвіть їх.

336. Обчисліть масові частки Карбону й Гідрогену в молекулі бутану.

●●●●

337. Масова частка Хлору в продукті приєднання гідрогенхлориду до етиленового вуглеводню 54,04%. Визначте молекулярну формулу вуглеводню.

338. Скільки і яких вуглеводнів утвориться, при взаємодії спиртового розчину калій гідроксиду об’ємом 500 л (густиною 0,72 г/мл) із масовою часткою лугу 40% пропустили крізь такі галогенопохідні:
а) 1-хлорпропан;
б) 2-хлорпропан.

Для тих, хто хоче знати більше

Володимир Васильович Марковников (1838 – 1904 р. р.), професор Московського університету. Синтезував ряд сполук, розвинув ідею О. Бутлерова про взаємний вплив атомів у молекулах. Досліджував нафтові родовища. Відкрив у складі кавказьких нафт нафтени й ґрунтовно вивчив ці сполуки.

♦ Пропілен і наступні вуглеводні ряду етилену реагують з галогеноводнями відповідно до правила В. В. Марковникова.

Правило В. Марковникова. Гідроген галогеноводню приєднується до найбільш гідрогенізованого, а галоген – до найменш гідрогенізованого атома Карбону за місцем подвійного зв’язку:
СН₃–СН = СН₂ (пропілен) + НCl → СН₃–СНCl–СН₃(2–хлоретан)

♦ Окиснення етену:
3С₂Н₄ (етилен) + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂OH–CH₂OH (етиленгліколь) + 2MnO₂ + 2KOH.

Схема 8. Способи добування етиленових вуглеводнів

1. C_nH_2n+2 С_nН_2n + H₂	Дегідрування насичених вуглеводнів: С₂Н₆ (етан) → С₂Н₄ (етен) + Н₂
2. C_nH_2nГ₂ + Ме(а) → С_nН_2n + МеГ	Взаємодія активних металів з дигалогенпохідними алканів: C₂H₄Cl₂ (дихлоретан) + 2К → C₂H₄ (етен) + 2КCl
3. C_nH_2n+1Г + КОН (спиртовий розчин лугу) → С_nН_2n + КГ + Н₂О	Взаємодія моногалогенпохідних алканіві з спиртовим розчином лугу: C₂H₅Cl (хлоретан) + КОН → C₂H₄ (етен) + КCl + Н₂О
4. С₂Н₅ОН С₂Н₄+ Н₂О	Дегідратація спиртів: C₂H₅ОН (етанол) → C₂H₄ (етен) + Н₂О
5. СН ≡ СН + Н₂ С₂Н₄	Гідрування ацетилену: СН ≡ СН + Н₂ → C₂H₄
6. 2СН₄ С₂Н₄ + 2Н₂Г – умовно атом галогену (Cl, Br).	Дегідрування метану: 2CH₄ → С₂Н₄ + 2Н₂.