Көмірсутектер және олардың табиғи көздері. Химия, 11 сынып, дидактикалық материал.

Алкендер-молекула құрамында бір қос байланысы бар, жалпы формуласы С_nН_2n болатын қанықпаған көмірсутектер.

Алкендердің ең қарапайым өкілі-құрамында екі көміртек атомы бар-этилен С₂Н₄. Алкендердің гомологтық қатары этиленнен басталатындықтан, алкендер этилен қатарының көмірсутектері немесе олефиндер деп те аталады. Алкендердің жалпы формуласын С_nН_2n (n=2) деп есептеп, этиленнің молекулалық формуласын табуға болады:

C₂H_2•2=C₂H₄

ықшамдалған құрылымдық формуласы:

CH₂=CH₂

Алкендердің құрылысы. Алкендердің құрылысын олардың ең карапайым мүшесі-этиленнің (этеннің) С₂Н₄ мысалында қарастырайық. Этилен молекуласындағы көміртек атомының әрқайсысы екі сутек атомымен байланысқан және олар өзара қос байланыс арқылы жалғасқан .

Алкендерде көміртек атомдары sр²-гибридтенген күйде болады. Этилен молекуласындағы әр көміртек атомының бір s-және екі р-электрон орбитальдары гибридтенуге қатысады. Яғни, әр көміртек атомында үш гибридтенген электрон бұлты және бір гибридтенбеген р-электрон орбиталь болады. Үш гибридтенген орбитальдың екеуі сутек атомдарының s-электрон бұлттарымен екі σ-байланыс, ал үшінші гибридтенген орбиталь екінші көміртек атомының осындай орбиталімен қаптасып тағы бір σ-байланыс барлығы бес σ-байланыс [бір sp² — sp² (С — С) және төрт sp²— s(С — Н)] түзеді. Гибридтенбеген р- электрон орбитальдары σ-байланыстар орналасқан жазықтыққа перпендикуляр орналасып, бір-бірімен жазықтықтың екі жағында (астында және үстінде) каптасып, екі π-электрондар арасында (С — С) бір π-байланыс түзеді. Яғни, этеннің молекуласындағы көміртек атомдары өзара бір σ-және бір π-байланыстар арқылы жалғасады. Қос байланыстың ұзындығы 0,134 нм, байланыс энергиясы 612 кДж/моль болады. π-байланыс σ-байланысқа қарағанда әлсіз болады да, реакцияға түскенде оңай үзіледі.

Физикалық қаcиеттері

Алкандардың гомологтық қатарындағы жалпы заңдылықтар (сан өзгерісінің сапа өзгерісіне ауысуы) алкендердің қатарында да байқалады. Гомологтардың молекулалық масcаларының өсулеріне байланысты балқу және қайнау температуралары мен тығыздықтары артады. Алкендердің алғашқы үш мүшесі (этен, пропен, бутен) газдар, пентеннен С₅Н₁₀ бастап сұйық, ал С₁₈Н₃₆-дан бастап қатты заттар.

Нормальді құрылымды алкендер тармақты изомерлерінен жоғарырақ температурада қайнайды. Цис- және транс- изомерлердің қайнау және балқу температураларында айырмашылықтар болатыны туралы өткен тақырыпта қарастырылды. Алкендер судан жеңіл, суда нашар, органикалық еріткіштерде жақсы ериді.

Химиялық қасиеттері

Құрамында қос байланыс болғандықтан, алкендер едәуір белсенді қосылыстар. Алкендердің химиялық қасиеттері, негізінен, молекула құрамындағы қос байланыспен анықталады. Қос байланыс екі молекулалық орбитальдан тұрады: біреуі σ-, ал екіншісі π-типті. Әр түрлі реагенттердің әсерінен әлсіздеу π-байланыс үзіледі.

Алкендердегі қос байланыстың электрондары бір-бірінен тебілуі нәтижесінде π-байланыстың электрон тығыздығы көміртек атомдарының ортасындағы осьтің бойынан қашығырақ орналасады. Сондықтан электрон беретін реагенттердің (теріс зарядты) жақындаулары қиын болады да, ал электрон қабылдайтын реагенттердің әсерінен әлсіздеу π-байланыс үзіледі.

Этилен мен оның гомологтары қосылу, полимерлену және тотығу реакцияларына түседі.

Алкендердің атаулары мен изомерлері

Нормальді алкендерді атағанда көбіне сәйкес алканның -ан жұрнағын -илен жұрнағына алмастырады: этанға сай алкен — этилен, пропанға сай — пропилен және т.б.

Халықаралық номенклатура бойынша атағанда, сәйкес алканның -ан жұрнағы -ен жұрнағына алмастырылады: алкан — алкен, этан — этен, пропан — пропен және т.с.с. Алкендерді халықаралық номенклатура бойынша атауды қарастырайық:

1. Алкеннің құрылымдық формуласынан қос байланысы бар ең ұзын тізбек таңдап алынады. Тізбекті нөмірлеу қос байланыс жақын орналасқан шетінен басталады.

2. Орынбасар байланысқан көміртек атомының нөмірі көрсетіліп, содан кейін орынбасар аталады. Бірнеше радикал болса, әрқайсысының орны мен аты аталады.

3. Ұзын тізбек аталады да, атаудың соңында қос байланысы бар көміртек атомының нөмірі көрсетіледі.

Алкендердің радикалдары алкандар радикалдарына ұқсас аталады: СН₂ = СН — этенил (винил).

Қосылу реакциялары

Қанықпаған көмірсутектерге қосылу реакциялары тән. Еселі — қанықпаған (қос) байланысы бойынша алкендер қосылу реакцияларына жеңіл түседі. Себебі σ-байланысқа қарағанда әлсіз π-байланысы оңай үзіліп, көміртек атомының босаған валенттіктеріне әрекеттесуші реагент молекуласының атомдары мен атом топтары қосылады.

Реакция нәтижесіне көмірсутек молекуласындағы қос байланыстың біреуі — дара (σ-) байланыс қалып, алкандар немесе олардың туындылары түзіледі.

1. Гидрленуі (сутектің қосылуы). Алкендер сутекті қосып алып, сәйкес алкандарға айналады. Реакция металл катализаторлар Ni, Pt, Pd қатысында жүреді. Мысалы, пропенге сутек косылғанда, пропан түзіледі:

CH₃—CH = CH₂ + H — H → CH₃ — CH₂ — CH₃

Немесе осы реакцияны ықшамдап жазсақ:

C₃H₆ + H₂ → C₃H₈

Сутек қосыла журетін реакцияларды гидрлену реакциясы деп атайды.

Гидрлену реакциясын зерттеуде Д. В. Сокольскийдің еңбегі зор.

2. Галогенденуі (галогендердің қосылуы). Алкендер галогендермен әрекеттескенде, реакция қос байланыс бойынша жүріп, нәтижесінде, алкандардың дигалогентуындылары түзіледі. Реакция алкенді галогеннің ерітіндісімен кәдімгі температурада әрекеттестіргенде жүреді. Алкендерді бромды сумен (бромның судағы ерітіндісі) әрекеттестіргенде, ерітіндідегі бромның қызыл қоңыр түсі жойылып, түссіз дибромалкандар (С_nН_2nВг₂) түзіледі:

Н₂С = СН₂ + Вг₂ → ВгН₂С - СН₂Вr

Бромдау реакциясы алкендердің сапалық реакциясы болып табылады, бромның түссізденуі бойынша алкендерді сапальщ анықтауға болады.

Алкендердің фтормен әрекеттесуі шабытты жүреді, ал йодпен әрекеттесуі баяу жүреді.

Этиленге хлор қосып, дихлорэтан С₂Н₄С₁₂ алуға да болады.

3. Галогенсутпектперді қосу. Алкендерге галогенсутектердің қосылуы оңай жүріп, нәтижесінде, галогеналкандар түзіледі:

H₂C = CH₂ + Н - Cl → H₃C - СН₂Cl

Қосылу реакцияларының жылдамдығы, галогенсутек қышқылының күші өсуіне байланысты артады:

HF < HCl < НВг < HI

Галогенсутектердің симметриялы емес алкендерге қосылу реакциялары В. В. Марковников ережесі бойынша жүреді. Галогенсутектің сутек атомы сутек көп көміртек атомына, ал галоген сутек аз көміртпек атомына қосылады:

H₂С = СН₃ - СН + Н - Вг → Н₃C - СНВг - CH₃

sp²-гибридтенген көміртек атомының электртерістігі sp³- гибридтенген көміртек атомына қарағанда жоғары. Сондықтан пропен молекуласындағы дара байланыстың электрон тығыздығы ортаңгы sp²-гибридтенген көміртек атомына қарай ығысады. Соның әсерінен қозғалғыш π-байланыстың электрондары шеткі көміртек атомына қарай ауысады, яғни [δ₂^-] < [δ₁^-]

Галогенсутек молекуласы полюсті Н^δ+ — X^δ- болатынын білесіңдер. Теріс заряды көбірек көміртек атомына реагенттің оң зарядты бөлігі (галогенсутектегі сутек атомы) келіп қосылады. Ал қалған бөлігі қос байланыс жанындағы екінші көміртек атомына қосылады.

4. Гидраттану. Алкендер қос байланыс бойынша су молекуласын қосып алып, сәйкес спирттер түзеді:

H₂C=CH₂ + H - OH —>H₃C - CH₂OH

Бұл реакцияның өнеркәсіптік маңызы зор.

Пропен молекуласына судың қосылуы Марковников ережесі бойынша жүріп, пропанол-1 емес, пропанол-2 түзіледі:

СH₃—СH =CH₂ + H - OH —> H₃C - CHOH-CH₃

5. Этиленді полимерлеп, полиэтилен алады.

Тотығу реакциялары. Алкендер алкандармен салыстырғанда оңай тотығады.

6. Алкендердің қалыпты жағдайда тотығуы. Этиленді калий перманганатының ерітіндісі арқылы өткізсе, оның күлгін түсі жойылып кетеді. Бұл перманганаттың этиленді тотықтыратындығын көрсетеді. Реакция нәтижесінде екіатомды спирт — этиленгликоль түзіледі.

7. Қатаң жағдайларда тотықтырғанда (күкірт қышқылы, перманганат немесе хром қоспасы катысында) алкен молекуласының қос байланысы үзіліп, оттекті органикалық қосылыстар түзіледі:

HC₃ - CH=CH - CH₃ + /O/ → 2CH₃ - COOH

8. Алкендердің жануы. Сапалық құрамы алкандардай — көміртек пен сутектен тұратын болғандықтан, алкендер де жанады. Бірақ алкендер алкандарға қарағанда шала жануға (CO немесе күйе түзе) бейім болады. Оттек жеткілікті болғанда, алкендердің толық жануы нәтижесінде су мен көміртек (IV) оксиді түзіледі. Мысалы, этилен ауада жаркырап, жылу бөле жанады:

С₂Н₄ + 3О₂ 2СО₂ + 2Н₂О + Q

Бірақ алкендерді отын ретінде пайдалану тиімсіз болғандықтан, олар энергия көзі ретінде қолданылмайды.