§ 23. ЕТЕН (ЕТИЛЕН) І ЕТИН (АЦЕТИЛЕН). ЇХНІ БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ

У § 20 ми зазначали, що до особливостей органічних сполук належить можливість утворення двох і трьох зв’язків між атомами Карбону. Зараз ми будемо вивчати саме такі сполуки.

Ми вже зазначали, що всі 4 неспарені електрони атома Карбону в молекулах алканів утворюють ковалентні зв’язки із чотирма сусідніми атомами, тобто насичені (заповнені) до межі. Тому для них можливі, крім реакцій горіння, тільки реакції заміщення: приєднувати до атома Карбону атоми інших елементів у молекулах алканів просто нікуди.

Якщо ж у сполуках між сусідніми атомами Карбону є два C=C або три C≡C ковалентні зв’язки, то їхні властивості змінюються, виникає можливість приєднання атомів інших елементів до атомів Карбону. Тому такі сполуки називають ненасиченими вуглеводнями.

Хоча C=C зазвичай називають «подвійним» зв’язком, а C≡C — «потрійним», не слід забувати, що це лише історичні назви. Насправді С=С — це два, а C≡C — три різних ковалентних зв’язки.

ЕТЕН

Розглянемо представника ненасичених вуглеводнів — етен.

У молекулі етену між атомами Карбону є один подвійний зв’язок (два зв’язки).

Експериментально було доведено, що до складу етену входять 2 атоми Карбону й 4 атоми Гідрогену. Причому його молекула симетрична, тобто біля кожного атома Карбону однакова кількість атомів Гідрогену. Спробуємо скласти формулу:

В обох атомів Карбону залишається по неспареному електрону. Ці електрони утворюють іще один ковалентний зв’язок між атомами Карбону.

Це і є структурна формула етену (рис. 65).

Рис. 65. Об’ємна модель молекули етену

— Я вважаю, що одного ковалентного зв’язку між атомами Карбону досить для утворення молекули.

— Думаю, що так. Але тоді виходить, що другий ковалентний зв’язок між атомами можна розірвати, а до отриманих неспарених електронів приєднати інші атоми?

— Так. Тому речовини з двома і трьома ковалентними зв’язками мають назву ненасичені вуглеводні.

Стара назва етену — етилен. Її досі використовують.

Дослід

Складіть куле-стрижневу модель молекули етилену. Не забудьте, що між атомами Карбону має бути два зв’язки.

Подивимося ще раз на формулу етену. За рахунок утворення двох зв’язків між атомами Карбону атомів Гідрогену стало на 2 менше, ніж у молекулах алканів.

ЕТИН

Наступна органічна речовина, з якою ми будемо знайомитися — це етин або ацетилен з формулою C₂H₂.

Етин належить до вуглеводнів, у молекулах яких між атомами Карбону існує один потрійний зв’язок (три зв’язки).

Спробуємо уявити, як буде виглядати структурна формула цієї сполуки, з урахуванням того, що молекула симетрична, тобто біля кожного атома Карбону буде тільки по одному атому Гідрогену. Не слід забувати й про те, що атоми Карбону чотиривалентні.

Неспарені електрони атомів Карбону будуть утворювати один з одним ковалентні зв’язки:

Рис. 66. Модель молекули етину

Дослід «Виготовлення моделі молекули етину»

Складіть куле-стрижневу модель молекули етину. Не забудьте, що між атомами Карбону має бути три зв’язки.

У молекулах алкінів за рахунок утворення потрійного зв’язку атомів Гідрогену менше, ніж у алканів, на 4.

Дізнайтеся більше

• У природних умовах у межах Землі етін практично не трапляється через наявність кисню, сильного окисника, який руйнує вуглеводневі зв’язки в молекулі ацетилену. Однак на інших планетах (Сатурн, Уран, Юпітер) виявлений у великих концентраціях у рідкому стані за температури середовища нижче -150 °C.

• Чистий 100 % ацетилен не має запаху, але технічний ацетилен містить домішки, які надають йому різкого запаху.

• Ацетилен вимагає великої обережності під час користування. Він може вибухати від удару, за нагрівання до 500 °C або стиснення вище 0,2 МПа.

• Струмінь ацетилену, випущений у відкрите повітря, може спалахнути від найменшої іскри, в тому числі від розряду статичної електрики з пальця руки.

Фізичні властивості

Етен і етин — безбарвні гази, майже без запаху, легше за повітря, погано розчинні у воді.

Завдання. Розрахуйте, у скільки разів етилен і ацетилен легше повітря.

Хімічні властивості

1. Етен і етин добре горять

Оскільки вони складаються з атомів Карбону й Гідрогену, то в продуктах реакції будуть вуглекислий газ і вода.

Обидві реакції відбуваються з виділенням великої кількості тепла.

2. Для етену й етину характерні реакції приєднання

Щоб утримувати атоми в молекулі, достатньо ординарного ковалентного зв’язку. Додаткові зв’язки (один в алкенів і два в алкінів) менш міцні й можуть бути розірвані. При цьому до отриманих неспарених електронів можуть приєднуватися атоми інших елементів. Так, ненасичені вуглеводні можуть приєднувати молекули водню. Подумайте: що утвориться?

Придумали? Якщо ви вирішили, що вийдуть алкани — ви молодці. Запишемо рівняння реакцій:

— Уявімо реакції приєднання так: є 2 кульки, між ними 2 мотузочки. Одну мотузочку можна розрізати й до хвостиків прив’язати ще кульки:

Ненасичені вуглеводні можуть приєднувати молекули галогенів. Для цього достатньо, наприклад, етилен пропустити через розчин брому у воді — бромну воду:

Або в молекулярній формі:

Реакція хлору з етином:

Або в молекулярній формі:

Бромна вода жовтого кольору, у процесі реакції знебарвлюється, тому що молекули брому, які надають жовтого забарвлення, приєднуються до молекул етилену або етину. Ця реакція є якісною для всіх ненасичених вуглеводнів.

Нагадуємо, що за допомогою якісних реакцій можна відрізнити одні речовини від інших.

На відміну від алканів, етен та етин здатні окиснюватися. Так, рожевий розчин KMnO₄ знебарвлюється за рахунок окиснення під час пропускання через нього цих газів.

ЗАСТОСУВАННЯ ЕТЕНУ Й ЕТИНУ

В основному, ці вуглеводні використовують в органічному синтезі для одержання інших органічних речовин. Під час горіння ацетилену в кисні температура полум’я досягає 3150 °C. Тому його використовують в апаратах для зварювання й різання металу.

Дізнайтеся більше

Про етен.

• У незначній кількості етилен міститься в багатьох тканинах рослин, але найбільше його в плодах.

• Етен має цікаву особливість — він прискорює дозрівання плодів (помідорів, динь, груш, лимонів тощо). Використовуючи це, плоди можна транспортувати ще зеленими, а потім доводити їх до стиглого стану вже на місці споживання, вводячи в повітря складських приміщень невеликі кількості етилену. І навпаки, щоби зберегти спілі плоди протягом тривалого часу, треба частіше провітрювати овочесховища, видаляючи не тільки тепло, яке виділяють овочі й фрукти під час зберігання, але й етилен, що утворюється.

• Як виявилося, етилен сприяє не тільки дозріванню плодів, але й викликає обпадання листя. Механізм фізіологічної дії етилену ще до кінця не вивчений, однак передбачається, що він бере участь в активації деяких ферментів рослин.

Про ацетилен.

• Цей газ без запаху зі слабкою наркотичною дією випадково був відкритий хіміком Едмундом Деві 1836 року. Він нагрівав вапняк із вугіллям з метою одержати метал кальцій. Замість сріблястого металу він отримав білу речовину, яка активно почала реагувати з водою з виділенням невідомого газу:

Цей газ виявився ацетиленом, який під час горіння давав багато тепла. Відкриттям цього газу в ХІХ столітті одразу скористувалися грабіжники для вирізання дверей сейфів за допомогою ацетиленово-кисневих пальників.

Одержання етену й етину

Якщо метан нагріти до температури близько 1500 °С він розкладається з утворенням вуглецю і водню. Але, виявляється, якщо продукти реакції швидко охолодити, то утворюється етин:

Цікаво, що для цього процесу були сконструйовані спеціальні печі. Ця реакція широко використовується в промисловості, тому що етин є сировиною для багатьох органічних синтезів. Вчені запропонували й інші способи отримання етину й етену з алканів, тому що їх потреба досить велика.

Для допитливих

Задачі, в яких потрібно визначити молекулярну формулу органічної речовини за масовими частками елементів у цій речовині, розв’язують так само, як і задачі з неорганічними речовинами. Нагадаємо розв’язання задачі на прикладі.

Приклад. Визначте молекулярну формулу вуглеводню, якщо масова частка Карбону в ньому дорівнює 0,857, а густина за гелієм — 14.

У цій задачі не сказано, до якого гомологічного ряду належить цей вуглеводень, тому неможливо скористатися загальною формулою якого-небудь гомологічного ряду. Позначимо вуглеводень як C_xH_y.

1) Обчислюємо, використовуючи значення густини за гелієм, молярну масу цього вуглеводню. При цьому слід урахувати, що в інертних газів молекули одноатомні:

2) Приймемо, що кількість речовини C_xH_y дорівнює 1 моль, тоді маса буде дорівнювати m = M · n:

m(речовини) = 56 г/моль · 1 моль = 56 г.

3) Формула для визначення масової частки елемента в речовині:

Оскільки в задачі є масова частка Карбону, обчислимо його масу:

m(C) = ω · m(речовини); m(C) = 0,857 · 56 г = 48 г.

4) У формулі C_xH_y коефіцієнти х і y показують кількість речовини Карбону й Гідрогену.

де 12 г/моль — молярна маса атома Карбону.

5) Оскільки речовина складається тільки з Карбону й Гідрогену, маса Гідрогену буде дорівнювати: 56 г – 48 г = 8 г.

6) Визначаємо кількість речовини Гідрогену:

де 1 г/моль — молярна маса атома Гідрогену.

Отже, в 1 моль речовини міститься 4 моль С і 8 моль Н, а відповідно, в 1 молекулі речовини міститься 4 атоми С і 8 атомів Н.

Відповідь: молекулярна формула речовини C₄H₈.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

• 317. Скільки неспарених електронів утворюють хімічні зв’язки між атомами Карбону в молекулі етену? етину?
• 318. Назвіть формули етену і етину.
• 319. Який тип реакцій характерний для ненасичених вуглеводнів?
• 320. Які фізичні властивості в етену й ацетилену?
• 321. Розкажіть про застосування етилену й ацетилену.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

322. Укажіть ендо- і екзотермічні реакції:

323. Чотири газометри наповнені газами: один — етаном, інший — етеном, третій — пропаном, четвертий — етином. Чи можна визначити, який газ міститься в кожному з газометрів, шляхом порівняння об’ємів кисню, необхідних для випалювання однакових об’ємів цих газів?

Відповідь підтвердьте розрахунками.

Для допитливих

324. У молекулі одного з ненасичених вуглеводнів міститься всього 24e. Визначте його молекулярну масу, напишіть реакцію взаємодії з воднем.

325. Визначте молекулярну формулу газоподібного вуглеводню, якщо відомо, що він удвічі важче повітря, а вміст у ньому Карбону становить 82,76 %.

326. У вуглеводні масова частка Карбону дорівнює 92,3%. Відносна густина випарів вуглеводню за вуглекислим газом дорівнює 0,59. Визначте формулу вуглеводню, напишіть реакцію його взаємодії з хлором.

327. Наведіть приклади реакцій, з допомогою яких можна розрізнити насичені й ненасичені вуглеводні.

328. У реакцію горіння вступає 20 · 10 28 молекул етену. Розрахуйте об’єм кисню (н. у.), який вступив у реакцію. Проведіть такі самі розрахунки для етіну. Поясніть отриманий результат.

329. Ненасичений вуглеводень масою 0,21 г здатний приєднати 0,80 г брому. Знайдіть його молекулярну масу.

330. Запропонуйте спосіб очищення етану від домішок етилену. Напишіть рівняння відповідних реакцій.

331. Ненасичений вуглеводень масою 2,8 г реагує з 0,896 л водню (н. у.). Визначте його молекулярну масу.

§ 21. Етилен (етен) і ацетилен (етин)

Формули етилену та ацетилену. Крім насичених вуглеводнів, існують ненасичені вуглеводні. У їхніх молекулах атоми Карбону сполучені не лише простими, а й кратними (подвійними, потрійними) зв’язками.

Найпростішим вуглеводнем із подвійним зв’язком у молекулі є етилен. Його хімічна формула — С₂Н₄, електронна і структурні формули молекули —

Найпростіший вуглеводень із потрійним зв’язком у молекулі — ацетилен С₂Н₂. Електронна і структурні формули молекули цієї сполуки —

Назви вуглеводнів «етилен» і «ацетилен» є тривіальними (традиційними); їх використовують у промисловості, техніці. Хімічна назва сполуки С₂Н₄ — етен, а сполуки С₂Н₂ — етин. Ці назви мають однаковий корінь із назвою вуглеводню С₂Н₆ «етан», але різняться суфіксами.

Будова молекул. Ви вже знаєте, що при утворенні молекул органічних сполук атоми Карбону переходять у збуджений стан; чотири електрони зовнішнього енергетичного рівня атома стають неспареними.

У молекулі етилену С₂Н₄ два неспарених електрони кожного атома Карбону беруть участь в утворенні двох спільних електронних пар; виникає подвійний зв’язок С=С. Інші два електрони кожного атома Карбону утворюють спільні електронні пари з двома атомами Гідрогену, внаслідок чого реалізуються прості ковалентні зв’язки С-Н. Усі атоми молекули етилену С₂Н₄, згідно з дослідженнями вчених, перебувають на одній площині (мал. 51, а), а кути між лініями, що з’єднують центри атомів, становлять 120°:

Мал. 51. Кулестержневі моделі молекул: а — етилену; б — ацетилену

У молекулі ацетилену С₂Н₂ потрійний зв’язок С≡С зумовлений трьома спільними електронними парами, утвореними за участю трьох електронів кожного атома Карбону, а простий ковалентний зв’язок С-Н — електронною парою, спільною для атомів Карбону і Гідрогену. З’ясовано, що центри всіх атомів молекули С₂Н₂ перебувають на прямій лінії (мал. 51, б):

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 12

Виготовлення кулестержневих моделей молекул вуглеводнів

Вам видано набір для складання моделей молекул органічних сполук. У ньому є кульки різної величини і різних кольорів. Однакові кульки імітують атоми одного елемента.

Знайдіть у наборі кульки з одним отвором або виступом для атомів Гідрогену і більші кульки іншого кольору з отворами або виступами для атомів Карбону, а також стержні або трубочки. Отвори в кульках призначені для з’єднання кульок за допомогою стержнів, а виступи — для з’єднання трубочками.

Зберіть кулестержневі моделі молекул насичених вуглеводнів — метану, етану і пропану, а також молекул ненасичених вуглеводнів — етилену й ацетилену.

Фізичні властивості. Етилен за фізичними властивостями схожий на метан. Це безбарвний газ зі слабким запахом, трохи легший за повітря, дуже погано розчиняється у воді. При охолодженні за нормального тиску до температури -104 °С етилен перетворюється на рідину.

Чистий ацетилен — безбарвний газ майже без запаху. Неприємний запах технічного ацетилену, який використовують при зварюванні металів, зумовлений домішками. Ацетилен, як і етилен, легший за повітря, погано розчиняється у воді. За температури -84 °С і нормального тиску він зріджується.

ВИСНОВКИ

Етилен (етен) С₂Н₄ — найпростіший ненасичений вуглеводень із подвійним зв’язком у молекулі. Усі атоми молекули етилену перебувають на одній площині.

Ацетилен (етин) С₂Н₂ — найпростіший ненасичений вуглеводень із потрійним зв’язком у молекулі. Атоми в молекулі ацетилену розміщені на прямій лінії.

За звичайних умов етилен і ацетилен — безбарвні гази зі слабким запахом, трохи легші за повітря, погано розчинні у воді.

• 163. Які сполуки називають ненасиченими вуглеводнями?
• 164. Порівняйте етилен та ацетилен і заповніть таблицю:

Хімічна, електронна і структурна формули молекули

• 166. Який газ важчий — етилен чи ацетилен? У скільки разів?
• 167. Обчисліть густину етилену (за н. у.) та його відносну густину за повітрям.
• 168. Знайдіть масові частки елементів в ацетилені.
• 169. Обчисліть об’ємні частки метану й етену в їх суміші, якщо середня молярна маса суміші становить 25,6 г/моль.

§ 11. Алкени та алкіни. Загальні та молекулярні формули алкенів та алкінів, структурна ізомерія, систематична номенклатура. Хімічні властивості етену та етину

Алкени та алкіни, як ви вже знаєте, належать до ациклічних ненасичених вуглеводнів (поясніть чому). Початкові уявлення щодо хімічного складу, будови молекул, хімічних властивостей алкенів і алкінів ви дістали минулого навчального року на прикладі етену (етилену) та етину (ацетилену). Саме ці вуглеводні є першими членами відповідних гомологічних рядів.

• Складіть молекулярні та повні структурні формули етену та етину, загальні формули алкенів і алкінів. Самотужки проконтролюйте правильність виконання завдання, скориставшись схемою класифікації вуглеводнів, наведеною на рисунку 5.1. Доповніть речення, використавши слова «лінійна» та «площина»: Будова молекули етену – . етину – . .

Структурні ізомери утворюють усі алкени й алкіни, крім етену й етину. Різновиди структурної ізомерії алкенів і алкінів наведено на схемі, зображеній на рисунку 11.1.

Рис. 11.1. Види структурної ізомерії алкенів і алкінів

Розгляньмо кілька структурних ізомерів складу С₄Н₈ (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Структурні ізомери складу С₄Н₈

Речовини (1) і (2) є ізомерами карбонового скелета. У молекули речовини (1) карбоновий ланцюг нерозгалужений, у молекули речовини (2) – розгалужений. Порівняймо структурні ізомери (1) і (3): у цих речовин карбонові ланцюги нерозгалужені, однак в ізомері (1) подвійний зв’язок розташований після першого атома Карбону, а в ізомері (3) – після другого. Тобто ізомери (1) і (3) є ізомерами положення подвійного (кратного) зв’язку. Зверніть увагу: у молекулі ізомеру (4) немає кратних зв’язків, цей вуглеводень – насичений. Його карбоновий ланцюг замкнутий. Ізомер (4) належить до циклоалканів, іншої групи вуглеводнів, тож ідеться про *міжгрупову ізомерію.

Називати алкени та алкіни за систематичною номенклатурою просто, якщо застосувати знання про номенклатуру алканів і дотримуватись алгоритму, наведеного на рисунку 11.4.

Рис. 11.4. Алгоритм побудови назв алкенів і алкінів за систематичною номенклатурою (порівняйте його з алгоритмом побудови назв алканів, наведеним на рисунку 5.1)

Ви, напевно, звернули увагу на нумерацію атомів Карбону в структурних формулах ізомерів 1-3 речовини складу С₄Н₈ і дійшли правильного висновку: положення подвійного зв’язку й замісників позначають найменшими числами, але перевагу у виборі початку нумерації віддають подвійному зв’язку. За таким самим принципом вибирають головний ланцюг у молекулах алкінів.

Приклади назв алкенів і алкінів

• На власний розсуд або за порадою вчителя чи вчительки хімії виберіть з-поміж наведених структурних формул формули алкену й алкіну, складіть формули їхніх структурних ізомерів, назвіть їх за систематичною номенклатурою.

Хімічні властивості етену й етину багато в чому подібні. Адже обидві речовини є ненасиченими вуглеводнями. Ви зможете вкотре пересвідчитися в тому, що властивості речовин залежать від їхнього хімічного складу й хімічної будови, проаналізувавши дані, наведені в таблиці 11.1.

• Чи всі хімічні реакції, схеми або рівняння, яких наведено в таблиці 11.1, є новими для вас? Яку важливу хімічну властивість етену, яку ви вивчили в 9 класі, не відображено в таблиці? Відповісти на це запитання вам допоможе застаріла назва етену – етилен. Перетворіть схеми хімічних реакцій, подані в таблиці, на хімічні рівняння. Назвіть за систематичною номенклатурою вуглеводні й спирт, формули яких наведено в таблиці.

Цікаво і пізнавально

У хімії є чимало іменних реакцій і правил, тобто таких, які названо іменами їхніх дослідників і дослідниць. Наприклад, м’яке окиснення алкенів водним розчином калій перманганату розробив у 1886 році професор Казанського університету Є. Є. Вагнер. Цю реакцію, часто використовувану для виявлення кратних зв’язків в органічних речовинах, у хімічній літературі називають реакцією Ватера. Реакція Кучерова – метод гідратації алкінів з утворенням карбонільних сполук. Реакцію відкрив російський хімік М. Г. Кучеров у 1881 році. На честь російського хіміка В. В. Марковникова названо правило, яке він сформулював у 1869 році. Відповідно до цього правила під час реакцій приєднання гідроген галогенідів, водню та води за місцем подвійного зв’язку атом Гідрогену переважно приєднується до найбільш гідрогенізованого атома Карбону, а атом галогену Hal або гідроксильна група – до найбільш заміщеного (того, що має менше атомів Гідрогену). Наприклад:

• Проаналізуйте схему другої стадії реакції гідрогалогенування етину й поясніть, за яким правилом молекули гідроген хлориду приєднуються до молекули 1-хлороетену. Складіть формулу іншого продукту цієї реакції, якого утворюється значно менше, ніж основного. Назвіть цю речовину. Чим є два продукти цієї реакції один відносно одного?

1 Етаналь – представник альдегідів, докладніше про цей клас органічних сполук буде в параграфі 16.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Молекулярна формула етину С₂Н₂, його повна структурна формула Н-С≡С-Н, молекула етину має лінійну будову; загальна формула алкінів С_nН_2n-2, де n ≥ 2.

• Положення кратного зв’язку і замісників у назвах алкенів і алкінів позначають найменшими числами, але перевагу у виборі початку нумерації віддають кратному зв’язку. Суфіксом -ен і числом попереду нього в назві ненасиченого вуглеводню позначають положення подвійного зв’язку, суфіксом -ин (-ін) і числом попереду нього – потрійного.

• Алкенам і алкінам властива структурна ізомерія, а саме: ізомерія карбонового ланцюга, ізомерія положення кратного зв’язку й міжгрупова ізомерія.

• Етен і етин вступають у реакції повного та часткового окиснення, приєднання водню, галогенів, гідроген галогенідів і води за місцем кратного зв’язку.

• Продуктом гідратації етену є етанол, етину – етаналь.

• Знебарвлення бромної води й фіолетового водного розчину калій перманганату – якісні реакції для виявлення кратних зв’язків.

Перевірте себе

1. Яка загальна кількість ковалентних зв’язків у молекулі етену? Етину? 2. Які види структурної ізомерії характерні для алкенів і алкінів? 3. За яким алгоритмом називають алкени й алкіни відповідно до систематичної номенклатури? 4. Які хімічні реакції характерні для етену та етину? 5. Які продукти реакцій повного окиснення алкенів і алкінів? 6. Які вуглеводні утворяться внаслідок: а) гідрування бут-1-ену та бут-2-ену; б) часткового та повного гідрування проліну? 7. Які речовини є продуктами гідратації етену та етину? 8. Як можна відрізнити етен та етин від етану?

Застосуйте свої знання й уміння

9. Складіть структурні формули ізомерів карбонового скелета й положення кратного зв’язку речовин складу С₄Н₆ і С₅Н₈. Назвіть їх за систематичною номенклатурою. 10. Складіть структурні формули алкенів і алкінів за їхніми назвами: а) 5-метилгекс- 2-ен; б) 3,4,4-триметилпент-2-ен; в) 3-етил-6,6-диметилгепт-2-ен; г) 5-метилгекс-2-ин; д) 5-етил-6,6-диметилгепт-3-ин. 11. Складіть молекулярні формули: а) алкену, відносна густина пари якого за воднем становить 42; б) алкіну, відносна густина пари якого за киснем становить 2,125; в) алкену, у молекулі якого 7 атомів Карбону; г) алкену, у молекулі якого 16 атомів Гідрогену.

Творча майстерня

12. Створіть ментальну карту за результатами опрацювання параграфа.

Дізнайтеся більше

• https://www.khanacademy.org/science/organic-chemistry/alkenes-alkynes/naming-alkenes/v/naming-alkenes-examples