Углеводороды

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 110–114
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 117–131
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 134–137
• Оспанова М. К., Белоусова Т. Г., Аухадиева К. С. «Химия. 10 класс ЕМН», 10 класс, Мектеп, 2019, с. 126–140
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 84–91, 95
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 50–53, 60–61, 65–67

Главное

• Теория строения А. М. Бутлерова (1861): атомы соединены в определённом порядке по валентности (C — IV), свойства зависят от строения, атомы влияют друг на друга.
• Общие формулы: алканы $C_nH_{2n+2}$, алкены $C_nH_{2n}$, алкины $C_nH_{2n-2}$, арены $C_nH_{2n-6}$.
• Алканы — замещение (радикальное, на свету); алкены и алкины — присоединение; бензол — замещение (электрофильное).
• Качественные реакции на кратные связи: обесцвечивание бромной воды и раствора $KMnO_4$; бензол их не обесцвечивает.

Теория

Изомерия

• Структурная: углеродного скелета (бутан и 2-метилпропан), положения кратной связи или группы (бутен-1 и бутен-2), межклассовая (алкены и циклоалканы $C_nH_{2n}$; алкины и алкадиены $C_nH_{2n-2}$).
• Пространственная: цис-/транс-изомерия у двойной связи (бутен-2), оптическая — при асимметрическом атоме $C^*$. IUPAC: главная цепь — самая длинная, включающая кратные связи; нумерация от конца, ближайшего к старшей группе; суффиксы -ан, -ен, -ин.

Алканы (парафины) — предельные, только σ-связи, $sp^3$. Метан — бесцветный газ без запаха. Малоактивны.

• Замещение: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$ → … → $CCl_4$.
• Разложение: $CH_4 \xrightarrow{1000^\circ C} C + 2H_2$; $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$.
• Горение: $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$ (синеватое пламя); смеси с воздухом взрывоопасны (особенно $CH_4 : O_2 = 1:2$).
• Синтез-газ: $2CH_4 + O_2 \xrightarrow{850^\circ C} 2CO + 4H_2$.

Алкены. Этен — бесцветный газ, горит светящимся пламенем. Легко рвётся π-связь → присоединение:

Реакция	Уравнение
гидрирование	$CH_2{=}CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3{-}CH_3$
бромирование	$CH_2{=}CH_2 + Br_2 \to CH_2Br{-}CH_2Br$ (бромная вода обесцвечивается)
гидрогалогенирование	$CH_2{=}CH_2 + HCl \to CH_3CH_2Cl$ (хлорэтан — местная анестезия)
гидратация	$CH_2{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} C_2H_5OH$
мягкое окисление ($KMnO_4$)	→ этиленгликоль $HOCH_2CH_2OH$, окраска исчезает
горение	$C_2H_4 + 3O_2 = 2CO_2 + 2H_2O$

Алкины. Ацетилен $HC\equiv CH$ ($M_r = 26$), $sp$-гибридизация.

• Получение: $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$; $CaC_2 + 2H_2O = Ca(OH)_2 + C_2H_2$.
• Присоединение ступенчато: $H_2$ (→ этилен → этан), $Br_2$ (→ $CHBr{=}CHBr$ → $CHBr_2{-}CHBr_2$), $HCl$ (→ винилхлорид $CH_2{=}CHCl$).
• Реакция Кучерова (1881): $HC\equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4} CH_3CHO$; А. Ш. Шарифканов предложил вместо солей ртути соли железа(III).
• Тримеризация: $3C_2H_2 \xrightarrow{600^\circ C,\ C_{акт}} C_6H_6$ (Зелинский).
• Пламя ацетилена ~3000 °C — сварка и резка металлов. Алкины изучал казахстанский химик И. Н. Азербаев.

Бензол. Жидкость, нерастворима в воде, ядовит и канцерогенен. Формула Кекуле (1865) неполна: бензол не обесцвечивает бромную воду и $KMnO_4$. Все 6 атомов C в $sp^2$-гибридизации, угол $120^\circ$, единое π-облако из шести $p$-электронов; длина C–C 0,140 нм — промежуточная между одинарной (0,154) и двойной (0,134); 12 σ-связей.

• Нитрование: $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$ (электрофил $NO_2^+$).
• Галогенирование: $C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl$.
• Присоединение на свету: $C_6H_6 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_6Cl_6$ (гексахлоран).
• Горение коптящим пламенем. Получение: ароматизация $C_6H_{14} \to C_6H_6 + 4H_2$; дегидрирование $C_6H_{12} \to C_6H_6 + 3H_2$; алкилирование $C_6H_6 + C_2H_5Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5C_2H_5 + HCl$.

Правило Марковникова. При присоединении $HX$ к несимметричному алкену водород идёт к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода: из пропена и $HBr$ образуется преимущественно 2-бромпропан. Так же в основном идёт гидратация несимметричных алкенов.

Циклоалканы $C_nH_{2n}$ ($n \ge 3$). Циклопропан и циклобутан напряжены, их циклы раскрываются при действии $H_2$, $Br_2$, $HI$. С циклопентана напряжения почти нет: идёт радикальное замещение, как у алканов. Лабораторное получение — действие Na, Mg, Zn на дигалогеналканы (внутримолекулярная реакция Вюрца). Дегидрирование циклогексана даёт бензол.

Алкадиены $C_nH_{2n-2}$ — кумулированные, сопряжённые (бутадиен-1,3; изопрен — 2-метилбутадиен-1,3), изолированные. Присоединяют 2 моль реагента; у сопряжённых возможно 1,2- и 1,4-присоединение. С. В. Лебедев получил бутадиен из этанола: $2C_2H_5OH \to CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2 + 2H_2O + H_2$. Сейчас диены получают дегидрированием алканов. Бутадиен и изопрен — мономеры синтетического каучука, из каучука делают резину.

Примеры

1. 10 л $C_2H_4$ и 15 л $H_2$ над Ni. Объём смеси после реакции? Этана 10 л + избыток $H_2$ 5 л = 15 л.
2. Получено 390 г бензола (выход 80 %). Объём ацетилена (н. у.)? $m_{теор} = 487{,}5$ г, $n = 6{,}25$ моль, $n(C_2H_2) = 18{,}75$ моль, $V = 420$ л.
3. 0,6 моль $Cl_2$ и 0,7 моль этана на свету. Масса $C_2H_5Cl$? По хлору: $0{,}6 \cdot 64{,}5 = 38{,}7$ г.
4. Чем отличить этилен от этана? Этилен обесцвечивает бромную воду.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считают, что бензол обесцвечивает бромную воду как алкен.
• Путают продукт реакции Кучерова: уксусный альдегид, а не спирт.
• Забывают межклассовую изомерию алкинов и алкадиенов ($C_nH_{2n-2}$).
• Путают условия: хлорирование бензола с $FeCl_3$ — замещение, на свету — присоединение.
• Пишут гибридизацию углерода в бензоле как $sp^3$.

Самопроверка

1. Общая формула аренов? — $C_nH_{2n-6}$.
2. Как получить ацетилен из карбида кальция? — $CaC_2 + 2H_2O = Ca(OH)_2 + C_2H_2$.
3. Что образуется при окислении этилена раствором $KMnO_4$? — Этиленгликоль.
4. Длина связи C–C в бензоле? — 0,140 нм.
5. Какой тип реакций характерен для алканов? — Замещение (радикальное).