Общая формула, гомологический ряд и номенклатура

Общая формула алкенов (этиленовых углеводородов, олефинов) $\mathrm{C_nH_{2n}}$ ( $n \ge 2$ ). Гомологический ряд: этен (этилен) $\mathrm{C_2H_4}$ , пропен (пропилен) $\mathrm{C_3H_6}$ , бутен $\mathrm{C_4H_8}$ , пентен $\mathrm{C_5H_{10}}$ и т. д.

Правила номенклатуры:

Выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую двойную связь.
Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе двойная связь.
Указывают заместители, суффикс -ан алкана меняют на -ен и ставят номер атома углерода, от которого начинается двойная связь.

Например: $\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH_2{-}CH_3}$ бутен-1, $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH{-}CH_3}$ бутен-2, $\mathrm{CH_2{=}C(CH_3){-}CH_3}$ 2-метилпропен. Радикал $\mathrm{CH_2{=}CH{-}}$ называется винил.

Изомерия

Для алкенов характерны четыре вида изомерии:

изомерия углеродного скелета: бутен-1 и 2-метилпропен;
изомерия положения двойной связи: бутен-1 и бутен-2;
геометрическая (цис-транс) изомерия: возможна, когда у каждого атома углерода при двойной связи два разных заместителя. В цис-бутене-2 группы $\mathrm{CH_3}$ находятся по одну сторону от двойной связи, в транс-бутене-2 — по разные. У пропена и бутена-1 геометрических изомеров нет;
межклассовая изомерия: алкены изомерны циклоалканам с той же формулой (начиная с пропена, так как простейший циклоалкан — циклопропан $\mathrm{C_3H_6}$ ).

Таким образом, формуле $\mathrm{C_4H_8}$ соответствуют 6 изомеров: 4 алкена (бутен-1, цис- и транс-бутен-2, 2-метилпропен) и 2 циклоалкана (циклобутан, метилциклопропан).

Электронное и пространственное строение

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации. Три гибридные орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° и образуют σ-связи. Негибридные p-орбитали перпендикулярны этой плоскости и, перекрываясь боковыми частями, образуют π-связь. Значит, двойная связь $\mathrm{C{=}C}$ состоит из одной σ- и одной π-связи.

Молекула этилена плоская: все шесть атомов лежат в одной плоскости. Длина связи $\mathrm{C{=}C}$ 0,134 нм, то есть она короче связи $\mathrm{C{-}C}$ (0,154 нм). π-связь слабее σ-связи и легко разрывается, поэтому для алкенов характерны реакции присоединения. Свободного вращения вокруг двойной связи нет, поэтому цис- и транс-изомеры самопроизвольно друг в друга не переходят.

Получение и физические свойства

В лаборатории:

дегидратация спиртов: $\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow CH_2{=}CH_2 + H_2O}$ (конц. $\mathrm{H_2SO_4}$ , t > 140 °C);
действие спиртового раствора щёлочи на галогеналканы: $\mathrm{CH_3{-}CH_2Cl + KOH \rightarrow CH_2{=}CH_2 + KCl + H_2O}$ ;
действие цинка на дигалогеналканы с атомами галогена у соседних атомов углерода: $\mathrm{CH_2Br{-}CH_2Br + Zn \rightarrow CH_2{=}CH_2 + ZnBr_2}$ .

В промышленности алкены получают крекингом нефтепродуктов и дегидрированием алканов: $\mathrm{C_2H_6 \rightarrow C_2H_4 + H_2}$ (кат., t).

При дегидратации и дегидрогалогенировании водород отщепляется от того соседнего атома углерода, у которого меньше атомов водорода (правило Зайцева): из 2-бромбутана получается в основном бутен-2.

Алкены $\mathrm{C_2}$ – $\mathrm{C_4}$ — газы, начиная с $\mathrm{C_5}$ — жидкости, высшие алкены — твёрдые вещества. В воде алкены растворяются плохо, в органических растворителях хорошо.

Химические свойства и правило Марковникова

Реакции присоединения идут за счёт разрыва π-связи:

гидрирование: $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3{-}CH_3}$ ( $\mathrm{Ni}$ , t);
галогенирование: $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}$ . Бромная вода обесцвечивается: это качественная реакция на двойную связь;
гидрогалогенирование: $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + HCl \rightarrow CH_3{-}CH_2Cl}$ ;
гидратация: $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \rightarrow C_2H_5OH}$ ( $\mathrm{H^+}$ , t, p).

Правило Марковникова: при присоединении $\mathrm{HX}$ или $\mathrm{H_2O}$ к несимметричному алкену атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (у которого больше атомов $\mathrm{H}$ ), а галоген (или группа $\mathrm{OH}$ ) — к менее гидрогенизированному: $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH_2 + HBr \rightarrow CH_3{-}CHBr{-}CH_3}$ (2-бромпропан).

Окисление: алкены горят ( $\mathrm{C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O}$ ) и обесцвечивают водный раствор перманганата калия, при этом образуется двухатомный спирт (реакция Вагнера): $\mathrm{3CH_2{=}CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HO{-}CH_2{-}CH_2{-}OH + 2MnO_2 + 2KOH}$ .

Полимеризация: $\mathrm{nCH_2{=}CH_2 \rightarrow ({-}CH_2{-}CH_2{-})_n}$ , образуется полиэтилен.

Применение: из этилена получают полиэтилен, этиловый спирт, этиленгликоль; этилен ускоряет созревание плодов. Из пропилена производят полипропилен.

Запомните

Общая формула $\mathrm{C_nH_{2n}}$ ( $n \ge 2$ ); межклассовые изомеры алкенов — циклоалканы.
Атомы углерода при двойной связи в sp²-гибридизации, угол 120°; связь $\mathrm{C{=}C}$ — это 1σ + 1π, длина 0,134 нм.
Цис-транс изомерия возможна, только если у обоих атомов углерода при двойной связи разные заместители.
Правило Марковникова: атом $\mathrm{H}$ присоединяется к атому углерода при двойной связи, у которого больше атомов водорода.
Обесцвечивание бромной воды и раствора $\mathrm{KMnO_4}$ обнаруживает двойную связь.

Разобранные примеры

Пример 1
Какой основной продукт образуется при присоединении бромоводорода к 2-метилпропену? Напишите уравнение и назовите продукт.
Решение
1. Строение: $\mathrm{CH_2{=}C(CH_3){-}CH_3}$ . У первого атома углерода при двойной связи 2 атома водорода, у второго — ни одного.
2. По правилу Марковникова атом $\mathrm{H}$ присоединяется к группе $\mathrm{CH_2}$ , а атом $\mathrm{Br}$ — ко второму атому углерода.
3. $\mathrm{CH_2{=}C(CH_3){-}CH_3 + HBr \rightarrow CH_3{-}CBr(CH_3){-}CH_3}$ .
4. Главная цепь из 3 атомов углерода, у 2-го атома — бром и метильная группа.
Ответ: 2-бром-2-метилпропан.
Пример 2
5,6 л (н. у.) смеси этана и этилена пропустили через бромную воду, масса склянки увеличилась на 2,8 г. Найдите объёмную долю этилена в смеси.
Решение
1. С бромной водой реагирует только этилен: $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}$ . Этан проходит, не реагируя.
2. Увеличение массы склянки равно массе поглощённого этилена: $m(\mathrm{C_2H_4}) = 2{,}8$ г.
3. $n(\mathrm{C_2H_4}) = \frac{2{,}8}{28} = 0{,}1$ моль, $V = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24$ л.
4. $\varphi(\mathrm{C_2H_4}) = \frac{2{,}24}{5{,}6} \cdot 100\% = 40\%$ .
Ответ: 40%.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое вещество образует цис-транс изомеры?
1. пропен
2. бутен-1
3. 2-метилпропен
4. бутен-2
5. этен
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D бутен-2
В бутене-2 ( $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH{-}CH_3}$ ) у каждого атома углерода при двойной связи два разных заместителя: $\mathrm{H}$ и $\mathrm{CH_3}$ . В остальных веществах хотя бы один атом углерода при двойной связи несёт два одинаковых заместителя (два $\mathrm{H}$ или две группы $\mathrm{CH_3}$ ).
7 г алкена полностью присоединяют 16 г брома. Какова формула алкена?
1. $\mathrm{C_2H_4}$
2. $\mathrm{C_3H_6}$
3. $\mathrm{C_4H_8}$
4. $\mathrm{C_5H_{10}}$
5. $\mathrm{C_6H_{12}}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $\mathrm{C_5H_{10}}$
$n(\mathrm{Br_2}) = \frac{16}{160} = 0{,}1$ моль. Алкен реагирует с бромом в отношении 1 : 1, значит, алкена тоже 0,1 моль и $M = \frac{7}{0{,}1} = 70$ г/моль. Для $\mathrm{C_nH_{2n}}$ $M = 14n$ : $14n = 70$ , $n = 5$ , то есть $\mathrm{C_5H_{10}}$ .
Какое вещество является основным продуктом гидратации пропена?
1. пропанол-1
2. пропанол-2
3. пропаналь
4. пропан
5. пропандиол-1,2
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B пропанол-2
По правилу Марковникова атом $\mathrm{H}$ присоединяется к группе $\mathrm{CH_2{=}}$ , а группа $\mathrm{OH}$ — к среднему атому углерода: $\mathrm{CH_3{-}CH{=}CH_2 + H_2O \rightarrow CH_3{-}CH(OH){-}CH_3}$ , то есть пропанол-2.

Типичные ошибки

Применять правило Марковникова наоборот: водород присоединяется не к менее, а к более гидрогенизированному атому углерода.
Считать, что у любого алкена есть цис-транс изомеры: у пропена, бутена-1 и 2-метилпропена геометрических изомеров нет.
Забывать про циклоалканы с той же формулой при подсчёте изомеров или нумеровать цепь не с того конца, к которому ближе двойная связь.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото