Практическое занятие № 3. Качественные реакции на предельные углеводороды
Цель работы: 1 Познакомить с лабораторными способами получения метана и качественными реакциями на простую (С–С) связь в молекулах углеводородов. 2 Закрепить знания по способам получения
и химическим свойствам алифатических углеводородов. 3 Выработать навыки обращения
с химической посудой, реактивами. 4 Ознакомить с побочными процессами,
проходящими при получении углеводородов, со способами утилизации отработанных
реактивов. 5 Привить навыки работы со справочной литературой и развить умение
формулировать выводы из проделанной работы.
Способы получения алканов
можно условно разделить в зависимости от строения углеродного скелета исходных
соединений: а) реакции без изменения числа атомов С; б) реакции с увеличением
углеродной цепи; в) реакции с уменьшением углеродной цепи; г) реакции
изомеризации (получение высокооктанового топлива). Алканы с небольшим числом
углеродных атомов (до 11 включительно) можно выделить фракционной перегонкой
природного газа или бензиновой фракции нефти, или смесей углеводородов,
получаемых гидрированием угля, а также гидрированием оксида и диоксида
углерода. Алканы, начиная от пентана, наиболее часто получают в лабораторных
условиях каталитическим гидрированием этиленовых или более непредельных
углеводородов с тем же числом углеродных атомов и таким же строением цепи. В
качестве катализаторов применяют коллоидные или мелкодисперсные металлы (Pd,
Pt, Ni). Алканы, образующиеся путем восстановления галогенпроизводных
(водородом в момент выделения или иодистоводородной кислотой на
иодпроизводные), имеют то же число углеродных атомов, какое было в исходном
галогенпроизводном. Синтез алканов из соединений с меньшим числом углеродных
атомов осуществляется действием натрия на галогенпроизводные – реакция Вюрца,
которая протекает по механизму реакций нуклеофильного замещения второго
порядка. Особенностью синтеза Вюрца является то, что в качестве исходного
вещества лучше использовать не различные галогенпроизводные (иначе можно
получить смесь веществ), а какое-нибудь одно моногалогенпроизводное, причем первичное,
чтобы выход алкана был удовлетворительным. Основной побочный процесс –
отщепление галогенводородов от исходных галогенпроизводных под влиянием
карбаниона натрийорганического соединения с образованием олефинов. Вместо
натрия в этой реакции могут быть использованы литий, магний, цинк (Li, Mg, Zn).
Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью
при температуре 250…300 °С. Образующийся при этом алкан содержит на один атом
углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота. В этой реакции образуется
СО2, который связывается щелочью. Отщепление от молекулы СО2 называется
декарбоксилированием. Реакция используется обычно для получения низших алканов
– метана, этана. Кроме того метан может быть получен гидролизом карбида
алюминия. Получение алкенов по механизму реакций элиминирования определяется
рядом условий: природой уходящей группы, природой растворителя, строением
соединения, а в случае дегидратации – концентрацией серной кислоты. Образование
алкена при дегидратации спирта протекает по механизму Е1. Как побочный процесс
идет реакция замещения с образованием простого эфира. Преобладание реакций
дегидратации над реакциями замещения возрастает при переходе от первичных к
третичным спиртам. При повышении температуры также получают развитие реакции
элиминирования. Например, при температуре 130 °С из этанола образуется
диэтиловый эфир, а при температуре 160 °С – этилен. Образование алкенов из
галогеналканов, солей аммония, фосфония, сульфония протекает по механизму Е2. В
качестве оснований, отщепляющих протон, используются амины, соли карбоновых
кислот, феноляты, алкоголяты, щелочи. Из галогеналканов образуются алкены по
правилу Зайцева. Выход алкена по правилу Зайцева увеличивается от хлора к йоду.
Наиболее общим способом получения алкинов является действие спиртового раствора
щелочей на дигалогенпроизводные предельных углеродов с вицинальным или
геминальным (оба атома галогена у одного атома углерода) расположением атомов
(по правилу Зайцева). Кроме того, алкины можно получить действием
галогеналкилов на ацетилениды, что дает возможность переходить от простых
алкинов к более сложным. Ацетилен можно получить непосредственно при
высокотемпературном крекинге метана, а также при гидролизе карбида кальция.
Алканы проявляют большую инертность. В обычных условиях они не реагируют ни с
галогенами, ни с окислителями, ни с концентрированными минеральными кислотами.
Лишь в особых, жестких условиях они вступают в реакции замещения атомов
водорода. Непредельные углеводороды, напротив, очень реакционноспособны и
вступают в реакции присоединения, полимеризации, окисления, замещения
1 Получение метана и его свойства В лабораторных условиях метан получают при нагревании соли карбоновой кислоты с гидроксидом натрия (натронной известью)
Методика выполнения работы Возьмите сухую про- пробирку и подберите к ней пробку с газоотводной трубкой так, чтобы обеспечивалась герметичность. Поместите в пробирку на 1/4 ее объема смесь ацетата натрия и натронной извести (1 : 2). Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и закрепите в лапке штатива с небольшим наклоном в сторону пробки (рис. 20). Сначала осторожно прогрейте всю смесь, а затем сильно нагрейте, при этом смесь будет спекаться и темнеть. Не прекращая нагревание, опустите газоотводную трубку в пробирку с бромной водой. Наблюдайте, изменится ли окраска бромной воды при пропускании метана. Пропустите метан через раствор перманганата калия, затем через аммиачный раствор соли меди (I) или нитрата серебра. Отметьте, происходит ли изменение окраски растворов. Продолжая нагревание смеси, поднесите к отверстию газоотводной трубки зажженную спичку. Наблюдайте горение метана.
Контрольные вопросы;
Напишите уравнения реакций: а) получения метана; б) горения метана. Происходит ли бромирование
и окисление метана в условиях опыта? Являются ли реакции с перманганатом калия и бромной водой качественными реакциями на простую (С–С) связь? На основании наблюдений сделайте вывод о физических и химических свойствах метана.
4.2