Углеводороды

10 класс

Продолжение. Начало см. в № 9/2009.

Л е к ц и я 3.
Непредельные углеводороды ряда этилена, общая формула состава. Электронное и пространственное строение, химические свойства этилена

Непредельные углеводороды ряда этилена, или алкены, – это углеводороды с общей формулой C n H 2n , молекулы которых содержат одну двойную связь. Атомы C, связанные двойной связью, находятся в состоянии sp 2 -гибридизации, двойная связь является сочетанием - и -связей. По своей природе -связь резко отличается от -связи; -связь менее прочная вследствие перекрывания электронных облаков вне плоскости молекулы.

Простейшим алкеном является этилен . Структурная и электронная формулы этилена имеют вид:

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одна s - и две p -орбитали атомов C (sp 2 -гибридизация). Таким образом, каждый атом C имеет по три гибридных орбитали и по одной негибридной p -орбитали. Две из гибридных орбиталей атомов C взаимно перекрываются и образуют между атомами C -связь. Остальные четыре гибридных орбитали атомов C перекрываются в той же плоскости с четырьмя s -орбиталями атомов H и также образуют четыре -связи. Две негибридные p -орбитали атомов C взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости -связей, т.е. образуется одна -связь. Под действием реагентов -связь легко разрывается.

Молекула этилена симметрична; ядра всех атомов расположены в одной плоскости и валентные углы близки к 120°; расстояние между центрами атомов C равно 0,134 нм.

Если атомы соединены двойной связью, то их вращение невозможно без того, чтобы электронные облака -связи не разомкнулись.

Этилен – первый член гомологического ряда алкенов.

Но молекула бутена-2 может находиться в виде двух пространственных форм – цис- и транс-:

Цис- и трансизомеры, имея различное расположение атомов в пространстве, отличаются многими физическими и химическими свойствами.

Таким образом, для алкенов возможны два вида структурной изомерии : изомерия углеродной цепи и изомерия положения двойной связи. Возможна также геометрическая изомерия .

Этилен (этен) – бесцветный газ с очень слабым сладковатым запахом, немного легче воздуха, малорастворим в воде.

По химическим свойствам этилен резко отличается от этана, что обусловлено электронным строением его молекулы. Имея в молекуле двойную связь, состоящую из - и -связей, этилен способен присоединять два одновалентных атома или радикала за счет разрыва -связи.

Способность к реакциям присоединения характерна для всех алкенов.

1. Присоединение водорода (реакция гидрирования):

2. Присоединение галогенов (реакция галогенирования):

При добавлении к алкену брома (в виде бромной воды) бурая окраска брома быстро исчезает. Эта реакция является качественной на двойную связь.

3. (реакция гидрогалогенирования):

Если исходный алкен несимметричен, то реакция протекает по правилу Марковникова.

Присоединение галогеноводородов к непредельным соединениям идет по ионному механизму.

4. Присоединение воды (реакция гидратации):

Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.

Для алканов характерны реакции окисления :

1. Этилен легко окисляется уже при обычной температуре, например при действии перманганата калия. Если этилен пропускать через водный раствор перманганата калия KMnO 4 , то характерная фиолетовая окраска последнего исчезает, происходит окисление этилена (реакция гидроксилирования) перманганатом калия (качественная реакция на двойную связь):

2. Этилен горит светящимся пламенем с образованием оксида углерода(IV) и воды:

C 2 H 4 + 3O 2 -> 2CO 2 + 2H 2 O.

3. Большое промышленное значение имеет частичное окисление этилена кислородом воздуха:

Для этилена, как и для всех непредельных углеводородов, характерны реакции полимеризации . Они протекают при повышенной температуре, давлении и в присутствии катализаторов:

Полимеризация – это последовательное соединение одинаковых молекул в более крупные.

Таким образом, для этилена и его гомологов характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

Л е к ц и я 4.
Ацетилен – представитель углеводородов с тройной связью в молекуле.
Химические свойства, получение и применение ацетилена в органическом синтезе

Алкины – это углеводороды с общей формулой C n H 2n –2 , молекулы которых содержат одну тройную связь.

Ацетилен – первый член гомологического ряда ацетиленовых углеводородов, или алкинов. Молекулярная формула ацетилена C 2 H 2 .

Структурная формула ацетилена H–C= C–H.

Электронная формула:

H : С : : : С : Н.

Углеродные атомы ацетилена, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp -гибридизации. При образовании молекулы ацетилена у каждого атома С гибридизуются по одной s - и p -орбитали. В результате этого каждый атом С приобретает по две гибридных орбитали, а две p -орбитали остаются негибридными. Две гибридных орбитали взаимно перекрываются, и между атомами С образуется -связь. Остальные две гибридных орбитали перекрываются с s -орбиталями атомов H, и между ними и атомами С тоже образуются -связи. Четыре негибридных p -орбитали размещены взаимно перпендикулярно и перпендикулярно направлениям -связей. В этих плоскостях p -орбитали взаимно перекрываются, и образуются две -связи, которые относительно непрочные и в химических реакциях легко разрываются.

Таким образом, в молекуле ацетилена имеются три -связи (одна связь C–C и две связи C–H) и две -связи между двумя С атомами. Тройная связь в алкинах – не утроенная простая, а комбинированная, состоящая из трех связей: одной - и двух -связей.

Молекула ацетилена имеет линейное строение. Появление третьей связи вызывает дальнейшее сближение атомов С: расстояние между их центрами составляет 0,120 нм.

Физические свойства. Ацетилен – бесцветный газ, легче воздуха, мало растворим в воде, в чистом виде почти без запаха.

Химические свойства. По химическим свойствам ацетилен во многом аналогичен этилену. Для него характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

Реакции присоединения . Алкины присоединяют не одну, а две молекулы реагента. Тройная связь вначале переходит в двойную, а затем – в простую связь (-связь).

1. Присоединение водорода (реакция гидрирования) происходит при нагревании в присутствии катализатора. Реакция протекает в две стадии, сначала образуется этилен, а затем – этан:

2. Присоединение галогенов (реакция галогенирования) протекает очень легко (также в две стадии):

Бромная вода при этом обесцвечивается. Обесцвечивание бромной воды служит качественной реакцией на ацетилен, как и на все непредельные углеводороды.

3. Присоединение галогеноводородов (реакция гидрогалогенирования). Важное значение имеет реакция присоединения хлороводорода:

Из винилхлорида получают полимер – поливинилхлорид.

4. Присоединение воды (реакция гидратации) протекает в присутствии солей ртути(II) – HgSO 4 , Hg(NO 3) 2 – с образованием уксусного альдегида:

Эта реакция носит имя русского ученого Михаила Григорьевича Кучерова (1881).

Реакции окисления . Ацетилен очень чувствителен к окислителям.

1. При пропускании через раствор перманганата калия ацетилен легко окисляется, а раствор KMnO 4 обесцвечивается:

Обесцвечивание перманганата калия может быть использовано как качественная реакция на тройную связь.

При окислении обычно происходит расщепление тройной связи и образуются карбоновые кислоты:

R–C= C–R " + 3[O] + H 2 O -> R–COOH + R " –COOH.

Ацетилен при полном сгорании образует оксид углерода(IV) и воду:

2C 2 H 2 + 5O 2 -> 4CO 2 + 2H 2 O.

На воздухе ацетилен горит сильно коптящим пламенем.

Реакции полимеризации . В определенных условиях ацетилен способен полимеризоваться в бензол и винилацетилен.

1. При пропускании ацетилена над активированным углем при 450–500 °С происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола (Н.Д.Зелинский, 1927 г.):

2. Под действием водного раствора CuCl и NH 4 Cl ацетилен димеризуется, образуя винилацетилен:

Винилацетилен обладает большой реакционной способностью; присоединяя хлороводород, он образует хлоропрен, используемый для получения искусственного каучука:

Получение ацетилена. В лаборатории и в промышленности ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой (карбидный способ):

Карбид кальция получают в электропечах при нагревании кокса с негашеной известью:

На получение CaC 2 затрачивается много электроэнергии, поэтому карбидный метод не может удовлетворить потребности в ацетилене.

В промышленности ацетилен получают в результате высокотемпературного крекинга метана:

Применение ацетилена в органическом синтезе. Ацетилен широко применяют в органическом синтезе. Он является одним из исходных веществ при производстве синтетических каучуков, поливинилхлорида и других полимеров. Из ацетилена получают уксусную кислоту, растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,2-трихлорэтен). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 °С, поэтому его используют при сварке и резке металлов.

Примеры промышленного использования ацетилена:

Л е к ц и я 5.
Диеновые углеводороды, их строение, свойства, получение и практическое значение

Диеновые углеводороды, или алкадиены, – это углеводороды, содержащие в углеродной цепи две двойные связи. Их состав может быть выражен общей формулой C n H 2n –2 . Они изомерны ацетиленовым углеводородам.

Большое применение имеют алкадиены, в молекулах которых двойные связи разделены простой связью (сопряженные двойные связи) – это

которые являются исходными веществами для получения каучуков.

Для образования двух двойных связей в одной молекуле необходимо по крайней мере три атома С. Простейшим представителем алкадиенов является пропадиен CH 2 =C=CH 2 .

Диеновые углеводороды могут различаться положением двойной связи в углеродной цепи:

Также возможна изомерия углеродной цепи.

Бутадиен-1,3 является простейшим сопряженным алкадиеном. В бутадиене-1,3 все четыре атома С находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Они лежат в одной плоскости и образуют скелет молекулы. Негибридные p -орбитали каждого атома С перпендикулярны плоскости скелета и параллельны друг другу, что создает условия для их взаимного перекрывания. Перекрывание происходит не только между атомами С 1 –С 2 , С 3 –С 4 , но и частично между атомами С 2 –С 3 . При перекрывании четырех p -орбиталей происходит образование единого -электронного облака, т.е. сопряжение двух двойных связей (, -сопряжение).

Физические свойства. Бутадиен-1,3 при нормальных условиях – газ, который сжижается при t = 4,5 °С; 2-метилбутадиен-1,3 – летучая жидкость, кипящая при t = 34,1 °С.

Химические свойства. Диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями обладают высокой химической активностью.

Они легко вступают в реакции присоединения , реагируя с водородом, галогенами, галогеноводородами и т.д.

Обычно присоединение происходит по концам молекул диенов. Так, при взаимодействии с бромом двойные связи разрываются, к крайним атомам С присоединяются атомы брома, а свободные валентности образуют двойную связь, т.е. в результате присоединения происходит перемещение двойной связи:

При избытке брома может быть присоединена еще одна его молекула по месту оставшейся двойной связи.

У алкадиенов реакции присоединения могут протекать по двум направлениям:

1) по месту разрыва одной двойной связи (1,2-присоединение):

2) с присоединением к концам молекулы и разрывом двух двойных связей (1,4-присоединение):

Преимущественное протекание реакции по тому или иному пути зависит от конкретных условий.

Вследствие наличия двойных связей диеновые углеводороды довольно легко полимеризуются . Продуктом полимеризации 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) является полиизопрен – аналог натурального каучука:

Получение. Каталитический способ получения бутадиена-1,3 из этанола был открыт в 1932 г. Сергеем Васильевичем Лебедевым. По способу Лебедева бутадиен-1,3 получается в результате одновременного дегидрирования и дегидратации этанола в присутствии катализаторов на основе ZnO и Al 2 O 3:

Но более перспективным методом получения бутадиена является дегидрирование бутана, содержащегося в нефтяных газах. При t = 600 °С происходит ступенчатое дегидрирование бутана при наличии катализатора:

Каталитическим дегидрированием изопентана получается изопрен:

Практическое значение. Диеновые углеводороды в основном применяются для синтеза каучуков:

Реакция полимеризации бутадиена-1,3:

Печатается с продолжением

Техническое применение этилена и масштаб его производства

САМАРА 2013

Контрольная работа по дисциплине

Список использованных источников

1. Налоговый кодекс Российской Федерации (часть вторая) от 5 августа 2000 года N 117-ФЗ (ред. от 03.11.2010).

2. Об утверждении унифицированных форм первичной учетной документации по учету труда и его оплаты: Постановление Госкомстата РФ от 05.01.2004 N 1.

3. Вещунова Н.Л., Фомина Л.Ф. Самоучитель по бухгалтерскому и налоговому учету – СПб.: Проспект, 2010. – 560 с.

4. Радченко М.Г. 1С: Предприятие 8.1. Практическое пособие разработчика – СПб.: Питер, 2007. – 512 с.

5. 1С: Предприятие 8.1.Конфигурирование и администрирование. – М.: Фирма «1С», 2008. – 430 с.

«Теория химических процессов органического синтеза»

Вариант №10

Выполнил студент

3 курса, 2 группы …………………………..

_______________________

(подпись)

Руководитель

профессор Нестерова Т.Н.

_______________________

(подпись)

Работа защищена

«___»____________2013г.

Оценка________________

Задание на контрольную работу

«Теоретический анализ процесса получения этилена»

1. Выполнить обзор литературы по областям технического применения этилена и масштабам его производства.

2. Выполнить обзор литературы по методам получения этилена, способам его выделения из контактного газа и перспективам развития технологий.

3. Выполнить полный теоретический анализ избранного процесса получения этилена:

§ Стехиометрия и материальные расчеты.

§ Термохимический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.

§ Качественный и количественный термодинамический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.

§ Качественный и количественный кинетический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.

1. Обзор литературы …………………………………………....3

1.1. Техническое применение этилена и масштабы его производства..…………...........................................................3

2. Методы получения этилена, способы выделения его из реакционных масс и перспективы развития технологий…………………………...................5

3. Полный теоретический анализ процесса получения этилена пиролизом пропана… ………………………………………………………………......16

3.1. Стехиометрия и материальные расчеты..……………...........16

3.2. Термохимический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом………………………………………16

3.3. Полный термодинамический анализ получения этилена.…23

3.4. Полный кинетический анализ процесса…...………..………32

Список литературы………….....………………………………………………38

Этиле́н (по ИЮПАК: этен ) - органическое химическое соединение, описываемое формулой С 2 H 4 . Является простейшим алкеном (олефином ). В природе этилен практически не встречается.При нормальных условиях - бесцветный горючий газ со слабым запахом . Его температура кипения -103,8 ˚С, а температура замерзания -169,5˚С.На воздухе он горит слегка светящимся пламенем . Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0°C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам .

Этилен играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном.

Этилен-весьма важное сырье для получения ряда синтетических продуктов, особенно этилового спирта, этилен оксида (окиси этилена) этиленгликоля (антифриз) и др. Частично используется в автогенной сварке вместо ацетилена .

В Италии в 1957г было получено 100 тыс. т этилена. Производство этилена в Германии до ВОВ базировалось на пищевом сырье и продуктах переработки угля. В Германии в 1943 г выработано около 90 тыс. т этилена. В 1957 г в ФРГ было получено 100 тыс. т этилена. При этом намечалась тенденция перехода на нефтяное сырье. Производство этилена в Англии, составившее в 1957 г. Около 250 тыс. т, базируется на переработки нефтяного сырья. Во Франции в 1957 г. Было получено 32 тыс. т этилена; исходным сырьем являются коксовые газы и тяжелы продукты приработки нефти. В Японии в 1957 г. было выработано из нефтяного сырья около 40 тыс. т этилена .

Общее мировое производство этилена в 2005 году составило 107 миллионов тонн и продолжает расти на 4–6% в год. Источником промышленного получения этилена является пиролиз различного углеводородного сырья, например, этана, пропана, бутана, содержащихся в попутных газах нефтедобычи; из жидких углеводородов - низкооктановые фракции прямой перегонки нефти. А так же общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2-3 % в год .

Таблица 1. Крупнейшие российские компании - производители этилена и пропилена .

В промышленности тяжелого органического синтеза получили наибольшее распространение следующие процессы химической переработки этилена: полимеризация, окисление, оксосинтез, хлорирование, нитрование, гидратация, теломеризация и алкилирование .

Этилен впервые был получен немецким химиком Иоганном Бехером в 1680 году при действии купоросного масла на винный спирт. Вначале его отождествляли с "горючим воздухом", т.е. с водородом. Позднее, в 1795 году этилен подобным же образом получили голландские химики Дейман, Потс-ван-Труствик, Бонд и Лауеренбург и описали под названием "маслородного газа", так как обнаружили способность этилена присоединять хлор с образованием маслянистой жидкости - хлористого этилена ("масло голландских химиков").

В промышленности для получения этилена применяются разнообразные процессы: пиролиз легких и тяжелых парафиновых и нафтеновых углеводородов, гидрирование ацетилена, дегидратация этилового спирта. Кроме того, этилен получают в качестве побочного продукта при термической переработки твердого топлива, термическом и каталитического крекинга нефти и др.

2.1 Пиролиз предельных углеводородов

Основным промышленным методом получения этилена является высокотемпературное термическое расщепление (пиролиз) предельных углеводородов

В зависимости от метода подвода тепла различают следующие процессы: а) пиролиз в трубчатых печах; б) гомогенный пиролиз; в) автотермический пиролиз; г) с применим твердого теплоносителя.

С 2 H 6 ↔C 2 H 4 +H 2 (III.1)

C 3 H 8 ↔C 2 H 4 +CH 4 (III.2б)

C 4 H 10 ↔2C 2 H 4 +H 2 (III.3б)

С 4 H 10 ↔C 2 H 4 +C 2 H 6 (III.3г)

Принципиальные схемы и режимы различных процессов пиролиза приведены в таблице .

2.2 Каталитическое гидрирование ацетилена в этилен

Был разработан в промышленности процесс получения этилена гидрированием ацетилена.

С 2 H 2 +H 2 ↔C 2 H 4 +Qп

Оптимальная температура процесса 180-320° в зависимости от активности катализатора.

Принципиальная схема установки изображена на рис. 1

Ацетилен, полученный из карбида кальция (чистота 98-99%), сжимается в компрессоре 1 до 1,5-2 атм, охлаждается в холодильнике 2 и очищается твердым адсорбентом (алюмогелем) в адсорбере 3 от паров масла, так как последнее является ядом для катализатора. Водород, полученный из установки газоразделения (чистота 96-98%), сжимается в компрессоре 4, охлаждается в холодильнике 5, осушается и очищается от паров масла в адсорбере 6. Предварительный подогрев водорода и ацетилена осуществляется за счет тепла реакций либо в реакторе 7,либо в выносных теплообменниках. Оптимальная температура в реакторе поддерживается автоматически непрерывной подачей охлаждающей воды в трубчатый теплообменник реактора.

Процесс гидрирования ведут при значительных избытках водорода. Гидрирование ацетилена осуществляется практически полностью. В качестве катализатора используют палладий, нанесенный на силикагель. Содержание палладия в катализаторе не превышает

0,01% вес. Продолжительность непрерывной работы катализатора около одного года .

2.3 Дегидратация этилового спирта

Для получения относительно небольших количеств этилена (до 3000-5000 т/год) можно применять способ дегидратации этилового спирта. По этому способу в США в 1955 г. получено около 15000 т этилена .

Реакция дегидратации этанола может быть выражена уравнением:

В качестве катализатора используется активированная окись алюминия и алюмокремниевые соединения. Процесс осуществляется при 300-400°.

Технологическая схема установки дегидратации приведена ранее.

Этиловый спирт из емкости 1 насосом 2 через теплообменник 3 подает в реакторе 4. Необходимое тепло подводится через стенку реактора даутермом или дымовыми газами. Продукты реакции, состоящие из этилена, диэтилового эфира, этанола и воды, проходят чрез теплообменник 3 и конденсатор 5, в котором конденсируется вода, этанол и диэтиловый эфир.

В колонне 6 смесь делится на газовую и жидкую фазы; газовая фаза, состоящая в основном из этилена, направляется к потребителю чрез системы осушки и очистки твердыми сорбентами. Жидкость подается в колонну 7 с конденсатором орошения 8, в которой она разделяется на верхний продукт (смесь этанола и диэтилового эфира) и нижний (воду). Верхний продукт подается в реакторе 4, а нижний насосом 9 – в абсорбер 6. При этом достигается практически полное превращение этанола в этилен.

Экспериментально исследован процесс получения этилена дегидратацией этанола под давлением. В опытную установку этанол подавался насосом под давлением 33 атм через реактор, заполненный активированной окисью алюминия. Повышенное давление обусловлено необходимостью увеличения температуры до 425°. Выход этилена достигал 95% при чистоте полученного продукта 99%.

2.4 Получение этилена из нефтезаводских газов

Газы термического и каталического крекинга нефтей содержат 2 – 2,5 % этилена. Количество этилена, получающегося при термическом крекинге, не превышает 0,15% вс. на переработанное сырье и при каталитическом крекинге - 0,45%. Поэтому обычно газоразделительная установка этиленового производства работает на сырье, представляющем смесь крекинг-газа и газов пиролиза некоторых компонентов этого же крекинг-газа (этана, пропана, пропилена, а иногда и бутана). Схема получения этилена из таких газов приведена далее на блок-схеме, б. Нефтезаводские газы проходят систему очистки и направляются на компрессию и предварительную осушку. Перед компрессией к этому потоку присоединяют газы пиролиза, содержащие до 30-35% объемн. Этилена. После компрессии, предварительного выделения тяжелых углеводородов и глубокой осушки смесь направляют на газоразделение. Целевым продуктом газоразделения является этилен, иногда пропилен и бутан-бутиленовые смеси, а предельны углеводороды- этан пропан- возвращают на установку пиролиза.

Одним их основных сырьевых источников получения этилена являются природные газы .

Блок-схема процесса получения этилена из природных газов, приведена на схеме-А:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Этилен (этен) – первый представитель ряда алкенов – непредельных углеводородов с одной двойной связью.

Формула – С 2 Н 4 (СН 2 = СН 2). Молекулярная масса (масса одного моль) – 28 г/моль.

Углеводородный радикал, образованный от этилена называется винил (-CH = CH 2). Атомы углерода в молекуле этилена находятся в sp 2 -гибридизации.

Химические свойства этилена

Для этилена характерны реакции, протекающщие по механизму электрофильного, присоединения, реакции радикального замещения, окисления, восстановления, полимеризации.

Галогенирование (электрофильное присоединение) — взаимодействие этилена с галогенами, например, с бромом, при котором происходит обесцвечивание бромной воды:

CH 2 = CH 2 + Br 2 = Br-CH 2 -CH 2 Br.

Галогенирование этилена возможно также при нагревании (300С), в этом случае разрыва двойной связи не происходит – реакция протекает по механизму радикального замещения:

CH 2 = CH 2 + Cl 2 → CH 2 = CH-Cl + HCl.

Гидрогалогенирование — взаимодействие этилена с галогенводородами (HCl, HBr) с образование галогенпроизводных алканов:

CH 2 = CH 2 + HCl → CH 3 -CH 2 -Cl.

Гидратация — взаимодействие этилена с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) с образованием предельного одноатомного спирта – этанола:

CH 2 = CH 2 + H 2 О → CH 3 -CH 2 -ОН.

Среди реакций электрофильного присоединения выделяют присоединение хлорноватистой кислоты (1), реакции гидрокси- и алкоксимеркурирования (2, 3) (получение ртутьорганических соединений) и гидроборирование (4):

CH 2 = CH 2 + HClO → CH 2 (OH)-CH 2 -Cl (1);

CH 2 = CH 2 + (CH 3 COO) 2 Hg + H 2 O → CH 2 (OH)-CH 2 -Hg-OCOCH 3 + CH 3 COOH (2);

CH 2 = CH 2 + (CH 3 COO) 2 Hg + R-OH → R-CH 2 (OCH 3)-CH 2 -Hg-OCOCH 3 + CH 3 COOH (3);

CH 2 = CH 2 + BH 3 → CH 3 -CH 2 -BH 2 (4).

Реакции нуклеофильного присоединения характерны для производных этилена, содержащих электроноакцепторные заместители. Среди реакций нуклеофильного присоединения особое место занимают реакции присоединения циановодородной кислоты, аммиака, этанола. Например,

2 ON-CH = CH 2 + HCN → 2 ON-CH 2 -CH 2 -CN.

В ходе реакций окисления этилена возможно образование различных продуктов, причем состав определяется условиями проведения окисления. Так, при окислении этилена в мягких условиях (окислитель – перманганат калия) происходит разрыв π-связи и образование двухатомного спирта — этиленгликоля:

3CH 2 = CH 2 + 2KMnO 4 +4H 2 O = 3CH 2 (OH)-CH 2 (OH) +2MnO 2 + 2KOH.

При жестком окислении этилена кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв связи (σ-связи) с образованием муравьиной кислоты и углекислого газа:

Окисление этилена кислородом при 200С в присутствии CuCl 2 и PdCl 2 приводит к образованию ацетальдегида:

CH 2 = CH 2 +1/2O 2 = CH 3 -CH = O.

При восстановлении этилена происходит образование этана, представителя класса алканов. Реакция восстановления (реакция гидрирования) этилена протекает по радикальному механизму. Условием протекания реакции является наличие катализаторов (Ni, Pd, Pt), а также нагревание реакционной смеси:

CH 2 = CH 2 + H 2 = CH 3 -CH 3 .

Этилен вступает в реакцию полимеризации . Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного соединения – полимера-путем соединения друг с другом с помощью главных валентностей молекул исходного низкомолекулярного вещества – мономера. Полимеризация этилена происходит под действием кислот (катионный механизм) или радикалов (радикальный механизм):

n CH 2 = CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -) n -.

Физические свойства этилена

Этилен – бесцветный газ со слабым запахом, малорастворимый в воде, растворим в спирте, хорошо растворим в диэтиловом эфире. При смешении с воздухом образует взрывоопасную смесь

Получение этилена

Основные способы получения этилена:

— дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей

CH 3 -CH 2 -Br + KOH → CH 2 = CH 2 + KBr + H 2 O;

— дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов

Сl-CH 2 -CH 2 -Cl + Zn → ZnCl 2 + CH 2 = CH 2 ;

— дегидратация этилена при его нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании его паров над катализатором

CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O;

— дегидрирование этана при нагревании (500С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)

CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 .

Применение этилена

Этилен является одним из важнейших соединений, производимых в огромных промышленных масштабах. Его используют в качестве сырья для производства целого спектра различных органических соединений (этанол, этиленгликоль, уксусная кислота и т.д.). Этилен служит исходным сырьем для производства полимеров (полиэтилен и др.). Его применяют в качестве вещества, ускоряющего рост и созревание овощей и фруктов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Осуществите ряд превращений этан → этен (этилен) → этанол → этен → хлорэтан → бутан.

Решение

Для получения этена (этилена) из этана необходимо использовать реакцию дегидрирования этана, которая протекает в присутствии катализатора (Ni, Pd, Pt) и при нагревании: С 2 H 6 →C 2 H 4 + H 2 . Получение этанола из этена осуществляют по реакции гидратации, протекающей водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной): С 2 H 4 + H 2 O = C 2 H 5 OH. Для получения этена из этанола используют реакцию дегидротации: Получение хлорэтана из этена осуществляют по реакции гидрогалогенирования: С 2 H 4 + HCl → C 2 H 5 Cl. Для получения бутана из хлорэтана используют реакцию Вюрца: 2C 2 H 5 Cl +2Na → C 4 H 10 + 2NaCl.

ПРИМЕР 2

Задание	Вычислите сколько литров и граммов этилена можно получить из 160 мл этанола, плотность которого равна 0,8 г/мл.
Решение	Этилен из этанола можно получить по реакции дегидратации, условием протекания которой является присутствие минеральных кислот (серной, фосфорной). Запишем уравнение реакции получения этилена из этанола: C 2 H 5 OH →(t, H2SO4) → C 2 H 4 + H 2 O. Найдем массу этанола: m(C 2 H 5 OH) = V(C 2 H 5 OH) × ρ (C 2 H 5 OH); m(C 2 H 5 OH) = 160×0,8 = 128 г. Молярная масса (молекулярная масса одного моль) этанола, вычисленная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 46 г/моль. Найдем количество вещества этанола: v(C 2 H 5 OH) = m(C 2 H 5 OH)/M(C 2 H 5 OH); v(C 2 H 5 OH) = 128/46 = 2,78 моль. Могласно уравнению реакции v(C 2 H 5 OH) : v(C 2 H 4) = 1:1, следовательно, v(C 2 H 4) = v(C 2 H 5 OH) = 2,78 моль. Молярная масса (молекулярная масса одного моль) этилена, вычисленная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 28 г/моль. Найдем массу и объем этилена: m(C 2 H 4) = v(C 2 H 4) × M(C 2 H 4); V(C 2 H 4) = v(C 2 H 4) ×V m ; m(C 2 H 4) = 2,78 × 28 = 77,84 г; V(C 2 H 4) = 2,78 ×22,4 = 62,272 л.
Ответ	Масса этилена – 77,84 г, объем этилена – 62,272 л.

ПРОМЫШЛЕННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕКИНГ АЛКАНОВ АЛКАН АЛКАН + АЛКЕН С БОЛЕЕ ДЛИННОЙ С МЕНЕЕ ДЛИНОЙ С БОЛЕЕ ДЛИННОЙ С МЕНЕЕ ДЛИНОЙ УГЛЕРОДНОЙ УГЛЕРОДНОЙ УГЛЕРОДНОЙ УГЛЕРОДНОЙ ЦЕПЬЮ ЦЕПЬЮ ЦЕПЬЮ ЦЕПЬЮ ПРИМЕР: t= C t= C С 10 Н 22 C 5 H 12 + C 5 H 10 С 10 Н 22 C 5 H 12 + C 5 H 10 декан пентан пентен декан пентан пентен

ЛАБОРАТОРНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕГИДРОГАЛОГЕНИРОВАНИЕ УДАЛИТЬ ВОДОРОД ГАЛОГЕН ДЕЙСТВИЕ УДАЛИТЬ ВОДОРОД ГАЛОГЕН ДЕЙСТВИЕПРИМЕР: спиртовой спиртовой H H раствор H H раствор Н-С–С-Н+KOHН 2 С=СН 2 +KCl+H 2 O Н Cl этен Н Cl этен хлорэтан (этилен) хлорэтан (этилен)

РЕАКЦИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ Это процесс соединения одинаковых молекул в более крупные. ПРИМЕР: n CH 2 =CH 2 (-CH 2 -CH 2 -)n этилен полиэтилен (мономер) (полимер) n – степень полимеризации, показывает число молекул, вступивших в реакцию -CH 2 -CH 2 - структурное звено

Применение этилена СвойствоПрименениеПример 1. ПолимеризацияПроизводство полиэтилена, пластмасс 2. Галогенирование Получение растворителей 3. Гидрогалогени- рование Для: местная анестезия, получения растворите- лей, в с/х для обеззараживания зернохранилищ

СвойствоПрименениеПример 4. Гидратация Получение этилового спирта, используемого как растворитель, анти-септик в медицине, в производстве синтетического каучука 5. Окисление раствором KMnO 4 Получение антифризов, тормозных жидкостей, в производстве пластмасс 6. Особое свойство этилена: Этилен ускоряет созревание плодов

В среде овощеводов, которые занимаются выращиванием и поставками сельскохозяйственных культур профессионально, принято собирать плоды, не прошедшие стадию дозревания. Такой подход позволяет дольше сохранять овощи и фрукты и без проблем перевозить их на большие расстояния. Поскольку зеленые бананы или, например, помидоры вряд ли будут пользоваться серьезным спросом у рядового потребителя, а естественное дозревание может занять продолжительное время, для ускорения процесса применяются газы этилен и ацетилен . На первый взгляд такой подход может вызвать недоумение, но вникнув в физиологию процесса становится понятно, почему современные овощеводы активно пользуются подобной технологией.

Газовый гормон созревания для овощей и фруктов

Влияние специфических газов на скорость созревания культур первым заметил российский ботаник Дмитрий Нелюбов, который в начале 20 в. определил некую зависимость «спелости» лимонов от атмосферы в помещении. Оказалось, что в складах со старой системой отопления, которая не отличалась высокой герметичностью и пропускала в атмосферу пар, лимоны созревали гораздо быстрее. Путем несложного анализа было выяснено, что такой эффект достигался благодаря этилену и ацетилену, которые находились в составе исходящего из труб пара.

Поначалу подобное открытие было лишено должного внимания со стороны предпринимателей, только редкие новаторы пытались насытить свои хранилища газом этиленом для улучшения производительности. Лишь в середине 20 в. «газовый гормон» для овощей и фруктов был взят на вооружение достаточно крупными предприятиями.

Для реализации технологии обычно применяются баллоны, вентильная система которых позволяет достаточно точно настроить выход газа и добиться необходимой концентрации в помещении. Очень важно, что при этом из хранилища вытесняется обычный воздух, который содержит кислород - главный окислитель для сельскохозяйственных продуктов. Кстати, технология замещения кислорода другим веществом активно применяется для увеличения срока хранения не только плодов, но и других пищевых продуктов - мяса, рыбы, сыров и т.п. Для этой цели применяется азот и углекислота, о чем подробно .

Почему газ этилен называют «банановым» газом

Итак, этиленовая среда позволяет ускорить процесс дозревания овощей и фруктов. Но почему это происходит? Дело в том что в процессе созревания многие культуры выделяют специальное вещество, коим как раз является этилен, который, попадая в окружающую среду, влияет не только на сам источник выделения, но и на его соседей.

так яблоки помогают при дозревании

Каждый вид плода выделяет разное количество гормона созревания. Больше всего в этом плане отличаются:

• яблоки;
• груши;
• абрикосы;
• бананы.

Последние попадают в нашу страну, преодолевая значительное расстояние, поэтому их не транспортируют в спелом виде. Чтобы кожура банана приобрела свой естественный ярко-желтый окрас, многие предприниматели помещают их в специальную камеру, которая наполняется этиленом. Цикл такой обработки в среднем составляет 24 часа, после чего бананы получают своеобразный толчок к ускоренному созреванию. Интересно, что без подобной процедуры, любимый фрукт многих детей и взрослых будет очень долго находиться в полузрелом состоянии. Поэтому «банановый» газ в этом случае просто необходим.

отправляют на дозревание

Способы создания необходимой концентрации газа в камере хранения плодов

Выше уже отмечалось, что для обеспечения необходимой концентрации этилена/ацетилена в помещении для хранения овощей и фруктов обычно применяются газовые баллоны. В целях экономии некоторые овощеводы иногда прибегают к другому методу. В помещении с плодами кладется кусок карбида кальция, на который капает вода с периодичностью 2-3 капли/час. В результате химической реакции выделяется ацетилен, постепенно наполняя внутреннюю атмосферу.

Подобный «дедовский» способ, хоть и привлекает своей простотой, больше характерен для частных домохозяйств, поскольку не позволяет добиться точной концентрации газа в помещении. Поэтому на средних и крупных предприятиях, где важно для каждой культуры рассчитать необходимое количество «газового гормона», зачастую применяются баллонные установки.

Правильное формирование газовой среды при хранении и производстве пищевых продуктов играет огромную роль, позволяя улучшить внешний вид товара, его вкусовые качества и повысить срок годности. Больше о способах упаковки и хранении продуктов читайте в цикле статей о пищевых газовых смесях, а заказать эту продукцию можно , выбрав необходимый газ и при желании получив консультацию о его правильной эксплуатации.