Визначення 1
Агрегатні стани речовини(від лат. "aggrego" означає "приєдную", "зв'язую") - це стани однієї і тієї ж речовини в твердому, рідкому і газоподібному вигляді.
При переході з одного стану в інший спостерігається стрибкоподібна зміна енергії, ентропії, густини та інших властивостей речовини.
Тверді та рідкі тіла
Визначення 2Тверді тіла– це тіла, які відрізняються сталістю своєї форми та обсягу.
У твердих тілах міжмолекулярні відстані малі, а потенційну енергію молекул можна порівняти з кінетичною.
Тверді тіла поділяються на 2 види:
- Кристалічні;
- Аморфні.
У стані термодинамічної рівноваги знаходяться лише кристалічні тіла. Аморфні ж тіла за фактом є метастабільні стану, які за будовою схожі з нерівноважними, повільно кристалізуються рідинами. В аморфному тілі відбувається надто повільний процес кристалізації, процес поступового перетворення речовини на кристалічну фазу. Різниця кристала від аморфного твердого тіла полягає, насамперед, в анізотропії його властивостей. Властивості кристалічного тіла визначаються залежно від напрямку простору. Різноманітні процеси (наприклад, теплопровідність, електропровідність, світло, звук) поширюються у різних напрямках твердого тіла по-різному. А ось аморфні тіла (наприклад, скло, смоли, пластмаси) ізотропні, як рідини. Різниця аморфних тіл від рідин полягає лише в тому, що останні текучі, у них не відбуваються статичні деформації зсуву.
У кристалічних тіл правильна молекулярна будова. Саме за рахунок правильної будови кристал має анізотропні властивості. Правильне розташування атомів кристала створює так звану кристалічну решітку. У різних напрямках місце розташування атомів у ґратах різне, як і призводить до анізотропії. Атоми (іони чи цілі молекули) в кристалічній решітці роблять безладний коливальний рух біля середніх положень, які розглядаються як вузлів кристалічної решітки. Що температура, то вища енергія коливань, отже, і середня амплітуда коливань. Залежно від амплітуди коливань визначається розмір кристала. Збільшення амплітуди коливань призводить до збільшення розмірів тіла. Отже, пояснюється теплове розширення твердих тіл.
Визначення 3
Рідкі тіла- Це тіла, які мають певний об'єм, але не мають пружної форми.
Для речовини в рідкому стані характерна сильна міжмолекулярна взаємодія та мала стисливість. Рідина займає проміжне положення між твердим тілом та газом. Рідини, також як і гази, мають ізотpопні властивості. Крім цього, рідина має властивість плинності. У ній, як і газах, немає дотичного напруги (напруги на зсув) тел. Рідини важкі, тобто їх питома вага можна порівняти з питомою вагою твердих тіл. Поблизу температур кристалізації їхньої теплоємності та інші теплові властивості близькі до відповідних властивостей твердих тіл. У рідинах спостерігається до заданої міри правильне розташування атомів, але тільки в невеликих областях. Тут атоми також роблять коливальний рух біля вузлів квазікристалічного осередку, проте, на відміну від атомів твердого тіла, вони періодично перескакують від одного вузла до іншого. У результаті рух атомів буде дуже складний: коливальний, але водночас центр коливань переміщається у просторі.
Визначення 4Газ– це такий стан речовини, у якому відстані між молекулами величезні.
Сил взаємодії між молекулами при невеликих тисках можна знехтувати. Частинки газу заполонюють весь обсяг, наданий для газу. Гази розглядають як сильно перегріті чи ненасичені пари. Особливий вид газу - плазма (частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів майже однакові). Тобто плазма – це газ із заряджених частинок, що взаємодіють між собою за допомогою електричних сил на великій відстані, але не мають ближнього та далекого розташування частинок.
Як відомо, речовини здатні переходити з одного агрегатного стану до іншого.
Визначення 5
Випаровування– це процес зміни агрегатного стану речовини, у якому з поверхні рідини чи твердого тіла вилітають молекули, кінетична енергія яких перетворює потенційну енергію взаємодії молекул.
Випаровування є фазовим переходом. При випаровуванні частина рідини або твердого тіла перетворюється на пару.
Визначення 6
Речовина в газоподібному стані, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченою пором. При цьому зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює:
∆ U = ± m r (1) ,
де m – це маса тіла, r – це питома теплота пароутворення (Д ж/к г).
Визначення 7
Конденсаціяє процес, зворотний пароутворення.
Зміна внутрішньої енергії розраховується за такою формулою (1) .
Визначення 8
Плавлення- Це процес перетворення речовини з твердого стану в рідке, процес зміни агрегатного стану речовини.
При нагріванні речовини зростає внутрішня енергія, тому збільшується швидкість теплового руху молекул. При досягненні речовиною своєї температури плавлення кристалічні грати твердого тіла руйнується. Зв'язки між частинками також руйнуються, зростає енергія взаємодії між частинками. Теплота, яка передається тілу, йде збільшення внутрішньої енергії даного тіла, і частина енергії витрачається на виконання роботи зі зміни обсягу тіла при його плавленні. У багатьох кристалічних тіл обсяг збільшується при плавленні, проте є винятки (наприклад, лід, чавун). Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Плавлення являє собою фазовий перехід, який характеризується стрибкоподібною зміною теплоємності при температурі плавлення. Температура плавлення залежить від речовини і залишається незмінною під час процесу. Тоді зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює:
∆ U = ± m λ (2) ,
де λ – це питома теплота плавлення (Д ж/к г).
Визначення 9
Кристалізаціяє процес, зворотний плавленню.
Зміна внутрішньої енергії розраховується за такою формулою (2) .
Зміна внутрішньої енергії кожного тіла системи при нагріванні чи охолодженні обчислюється за такою формулою:
∆ U = m c ∆ T (3) ,
де c – це питома теплоємність речовини, Д ж к г К, Δ T – це зміна температури тіла.
Визначення 10
При розгляді перетворень речовин з одних агрегатних станів в інші не можна обійтися без так званого рівняння теплового балансу: сумарна кількість теплоти, що виділяється в теплоізольованій системі, дорівнює кількості теплоти (сумарному), яка в цій системі поглинається.
Q 1 + Q 2 + Q 3 +. . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 + ... + Q " k .
По суті, рівняння теплового балансу – це закон збереження енергії для теплообміну в термоізольованих системах.
Приклад 1
У теплоізольованій посудині знаходяться вода і лід з температурою t i = 0 °C. Маса води m υ і льоду m i відповідно дорівнює 0, 5 до г і 60 г. У воду впускають водяну пару масою m p = 10 г при температурі t p = 100 °C. Якою буде температура води у посудині після того, як встановиться теплова рівновага? При цьому теплоємність судини враховувати не потрібно.
Малюнок 1
Рішення
Визначимо, які процеси здійснюються в системі, які агрегатні стани речовини ми спостерігали та які отримали.
Водяна пара конденсується, віддаючи при цьому тепло.
Теплова енергія йде на плавлення льоду і, можливо, нагрівання наявної та отриманої з льоду води.
Насамперед, перевіримо, скільки теплоти виділяється при конденсації наявної маси пари:
Q p = - r m p; Q p = 2, 26 · 10 6 · 10 - 2 = 2, 26 · 10 4 (Д ж),
тут із довідкових матеріалів ми маємо r = 2 , 26 · 10 6 Д ж к г – питома теплота пароутворення (застосовується й у конденсації).
Для плавлення льоду знадобиться така кількість тепла:
Q i = λ m i Q i = 6 · 10 - 2 · 3 , 3 · 10 5 ≈ 2 · 10 4 (Д ж) ,
тут із довідкових матеріалів ми маємо λ = 3 , 3 · 10 5 Д ж к г – питома теплота плавлення льоду.
Виходить, що пара віддає тепла більше, ніж необхідно, тільки для розплавлення наявного льоду, отже, рівняння теплового балансу запишемо так:
r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + mi) (T - T i) .
Теплота виділяється при конденсації пари масою m p і охолодженні води, що утворюється з пари від температури T p до шуканої T . Теплота поглинається при плавленні льоду масою m i і нагріванні води масою m + + i від температури Ti до T . Позначимо T - T i = ∆ T для різниці T p - T отримуємо:
T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T .
Рівняння теплового балансу матиме вигляд:
r m p + c m p (100 - ∆ T) = λ m i + c (m υ + mi) ∆ T ; c (m + m i + m p) ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i ; ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i c m υ + mi + m p .
Зробимо обчислення з огляду на те, що теплоємність води таблична
c = 4 , 2 · 10 3 Дж к К, T p = t p + 273 = 373 К, T i = t i + 273 = 273 К: ∆ T = 2 , 26 · 10 6 · 10 - 2 + 4 , 2 · 10 3 · 10 - 2 · 10 2 - 6 · 10 - 2 · 3 , 3 · 10 5 4 , 2 · 10 3 · 5 , 7 · 10 - 1 ≈ 3 (К) ,
тоді T = 273 + 3 = 276 К
Відповідь:Температура води в посудині після встановлення теплової рівноваги дорівнюватиме 276 К.
Приклад 2
На малюнку 2 зображено ділянку ізотерми, яка відповідає переходу речовини з кристалічного в рідкий стан. Що відповідає даній ділянці на діаграмі p, T?
Малюнок 2
Відповідь:Вся сукупність станів, які зображені на діаграмі p, V горизонтальним відрізком прямий на діаграмі p, T показано однією точкою, яка визначає значення p і T, при яких відбувається перетворення з одного агрегатного стану в інше.
Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter
Загальна характеристика алкадієнів
Алкадієни є представниками ненасичених вуглеводнів, які містять у своєму вуглецевому скелеті два подвійні зв'язки, тому їх ще називають дієновими вуглеводнями.
А ось що являє собою загальна формула гомологічного ряду алкадієнів:
СnН2n-2.
Але, ця формула відповідає і гомологічному ряду алкінів, а також циклоалкенів.
Про наявність двох подвійних зв'язків у молекулі нам говорить назва класу, де «ді» означає два, а «єн» перекладається як зв'язок, тобто подвійний зв'язок.
Класифікація дієнів
Також слід зазначити, що залежно від взаємного розташування подвійних зв'язків, дієни можна поділити на такі групи, як:
Перша група
Кумульовані дієни. Це такі сполуки, молекули яких мають два подвійні зв'язки, розташовані в одного і того ж атома вуглецю (1,2-дієни)
Друга група
Сполучені дієни. До них відносяться алкадієни, в молекулах, яких є два подвійні зв'язки, розділені одинарним або одним простим зв'язком:
Ось який вид іноді можуть мати алкадієни, які мають зв'язані зв'язки:
СН2-СН-СН-СН2
Третя група
Ізольована дієна. До них відносяться такі сполуки, у яких молекули мають два подвійні зв'язки і до того ж ці подвійні зв'язки розділені кількома одинарними.
CH2=CH-CH2-CH=CH2
Ізомерія та номенклатура
Якщо розглядати ізометрію алкадієнів, то тут слід сказати, що для них характерна як структурна ізометрія, так і просторова.
На малюнку внизу ми бачимо приклади структурної та просторової ізометрії:
Що ж до складання назв алкадієнів, то тут існують такі правила:
По-перше, основний ланцюг в обов'язковому порядку повинен містити два подвійні зв'язки;
По-друге, нумерацію, як правило, починають з того кінця, з якого ближче розташована кратна зв'язок;
По-третє, дають назви замінникам та вказують атоми вуглецю, від якого вони відходять;
По-четверте, атоми вуглецю дають назву алкадієну, як правило, від тих атомів, від яких був утворений подвійний зв'язок.
Отримання алкадієнів
Якщо розглядати питання отримання дієнів, то зазвичай використовують:
1. Метод С.В.Лебедєва. З його допомогою у промисловості було налагоджено виробництво бутадієну з етилового спирту. В основі цього методу, який розробив Лебедєв, лежить реакція:
425 °С, Аl2O3, ZnO
2СН3-СН2-ОН -----------------> СН9 = СН-СН = СН9 + 2Н2O + Н2
Сергій Васильович Лебедєв був відомим хіміком, який присвятив свої наукові дослідження полімеризації, ізомеризації та гідрогенізації ненасичених вуглеводнів. За допомогою полімеризації 1,3-бутадієну під дією натрію, йому вдалося отримати синтетичний каучук.
2. Спосіб дегідрування. Одним із поширених промислових методів отримання бутадієну-1,3 є каталітичне дегідрування. н-бутану, які виділяють із частин нафтоперегонки:
СН3-СН2-СН2-СН3 -> CH2=CH-СН=СН2 + 2Н2
При розгляді цього процесу на його першій стадії може утворюватися як бутен-1, так і бутен-2.
Ізопрен (2-метилбутадієн-1,3) отримують методом дегідрування 2-метилбутану.
3. Спосіб дегідрогалогенування. Для отримання алкадієн можна застосовувати стандартний лабораторний, яким є спосіб реакції відщеплення.
При дії спиртового розчину лугу на дибромалкани, ми можемо спостерігати процес відщеплення двох молекул галогеноводороду та утворення двох подвійних зв'язків:
Фізичні властивості
Що стосується фізичних властивостей алкадієнів, то при ізольованому подвійному зв'язку вони мають такі ж властивості, як і звичайні алкени.
За звичайних умов, бутадієн-1,3 являє собою газ, що легко скраплюється, який має досить неприємний запах. А ізопрен та інші нижчі дієни є безбарвними легкокиплячими рідинами. Що ж до вищих дієнів, всі вони представлені як твердих речовин.
Хімічні властивості
Як вам уже відомо, хімічні та фізичні властивості алкадієнів мають багато спільного з алкенами, хоча алкадієни зі зв'язками мають свої нюанси і є більш активними.
1. Для алкадієнів властива реакції приєднання, і вони здатні приєднувати, як водень, так і галогени, і галогенів.
Головною особливістю дієнів є те, що вони мають здатність приєднання не тільки молекули 1,2, а й продукт приєднання 1,4:
Переважне перебіг реакції, як правило, залежно від умов та способу проведення.
2. Наступною хімічною властивістю дієнів є реакції полімеризації. Вона може відбуватися під впливом катіонів чи вільних радикалів. Як правило, така полімеризація цих сполук призводить до утворення полімерів, які мають властивості, що нагадують природний каучук. Тому можна сказати, що основною областю застосування бутадієну та ізопрену є отримання синтетичного каучуку.
Натуральний та синтетичний каучуки. Гума
Поки людина не навчилася виробляти синтетичний каучук, доти у промисловості використовували натуральний каучук. Отримували такий каучук за допомогою каучуконосних рослин методом виділення млечного соку, тобто так званого латексу. Найбільш цінною рослиною з виділення природного каучуку вважалася гевея, що росте в Латинській Америці.
У цій галузі було проведено величезну кількість досліджень, які виявили, що натуральний каучук має у своєму складі цис-поліізопрен, тобто це такий полімер, який за своєю будовою відповідає ізопрену (2-метилбутадієну-1,3).
Але завдяки проведенню різних дослідів та досліджень, американський винахідник Чарльз Нельсон Гудьїр зумів провести вулканізацію каучуку. Їм було виявлено, що при нагріванні каучуку з сіркою в результаті виходить еластичний матеріал, який навіть за технічними характеристиками перевершує каучук. Ось таким методом Гудьїру вдалося отримати гуму.
Чарльз Нельсон, провівши вулканізацію, зауважив, що за рахунок сульфідних містків відбувається зшивання полімерних ланцюгів і в результаті збільшується міцність і стійкість до різних органічних речовин і розчинників.
А оскільки в ХХ столітті почалося стрімке зростання промисловості, то й потреба в каучуку також зросла. Але використання в промислових масштабах природного каучуку було не рентабельно і досить дорого, то вченим довелося шукати шляхи отримання синтетичного каучуку.
Але спочатку не все так просто складалося в цій галузі, і перший отриманий каучук віддалено нагадував смолу, яка до того ж при її вулканізації мала дуже погану якість.
Як вам уже відомо, із сьогоднішнього уроку, синтетичний каучук був отриманий за методом хіміка С.В.Лебедєва лише у 1932 році, тоді ж його виробництво набуло промислових масштабів.
В основі такого технологічно зручного способу отримання каучуку лежала полімеризація бутадієну-1,3 з використанням такого каталізатора, як металевий натрій.
Завдяки цій технології вдалося отримати полібутадієн, який мав досить непогані технологічні властивості. Але й тут не все було так гладко, як хотілося, тому що отриманий полімер був нестерео-регулярним і відповідно вироблена на його основі гума не відрізнялася особливою еластичністю і поступалася якості гуми, отриманої з каучуку.
А ось ізопренові та стерео-регулярні полімери вченим вдалося отримати лише у п'ятдесятих роках ХХ століття.
Звичайно ж, в даний час сучасні технології в хімічній промисловості дозволяють виробляти не один, а кілька видів синтетичного каучуку. Широке використання як мономерів отримали такі типи синтетичних каучуків, як ізопреновий, бутадієновий, хлоропреновий, стирольний і т.д.
Також, великою популярністю користується гума, яка виготовлена на основі кополімерів алкадієнів, зчленованими подвійними зв'язками, а також похідні алкенів.
Для таких видів гуми характерні: хороша еластичність, міцність та морозостійкість. Крім того, ці види гуми мають знижену газопроникність, а також стійкі до дії ультрафіолету та різних окислювачів.
Домашнє завдання
Дайте відповідь на поставлені питання і вирішіть дані завдання.
Залежно кількості кратних зв'язків між атомами вуглецю виділяють кілька класів вуглеводнів. Зупинимося докладніше на дієнових сполуках, особливостях їх будови, фізичних та хімічних властивостях.
Будова
Що являють собою алкадієни? Фізичні характеристики представників цього класу органічних сполук подібні до таких у алканів і алкенів. Дієни мають загальну формулу СпН2п-2, складні зв'язки, тому відносяться до ненасичених вуглеводнів.
Ці зв'язки можуть розташовуватися в різних положеннях, утворюючи різні варіанти дієн:
- кумульовані, у яких кратні зв'язки перебувають з двох сторін від одного атома вуглецю;
- у яких між подвійними зв'язками розташовується одна одинарна;
- ізольовані, у яких між подвійними зв'язками розташовується кілька одинарних видів.
У таких речовинах усі вуглеці, що стоять при подвійному зв'язку, знаходяться у sp2-гібридному стані. Які характеристики мають алкадієни? Фізичні властивості таких сполук визначаються саме особливостями їхньої будови.
Номенклатура
Відповідно до дієнових вуглеводнів називають за тим же принципом, за яким дають назву етиленових сполук. Є деякі відмінні характеристики, які легко пояснити присутністю у їх молекулах двох подвійних зв'язків.
Спочатку необхідно виявити у вуглецевому скелеті найдовший вуглецевий ланцюжок, у складі якого є два подвійні зв'язки. За кількістю вуглецевих атомів вибирається основа для назви, потім до нього додається суфікс-дієн. Цифрами вказується становище кожного зв'язку, починаючи з найменшого.
Наприклад, за систематичною номенклатурою речовина пентадієн-1, 3 має таку структуру:
Н 2 С = СН-СН = СН-СН 3.
У систематичній номенклатурі є деякі назви, що збереглися: аллен, дивініл, ізопрен.
Види ізомерії
Алкадієни, фізичні властивості яких залежать від кількості вуглецевих атомів у молекулі, мають декілька видів ізомерії:
- становища кратних зв'язків;
- вуглецевого скелета;
- міжкласового виду.
Зупинимося тепер на питаннях щодо визначення кількості ізомерів у дієнових вуглеводнів.
Завдання на ізомери
"Визначте кількість ізомерних сполук та назвіть фізичні властивості алкадієнів" - у 10 класі за шкільною програмою на уроках органічної хімії учням пропонується багато питань подібного характеру. Крім того, можна зустріти завдання, пов'язані з ненасиченими вуглеводнями, в єдиному державному іспиті з хімії.
Наприклад, необхідно вказати всі ізомери складу З 4 Н 6 а також дати їм назву по систематичній номенклатурі. Насамперед можна скласти всі алкадієни, фізичні властивості яких аналогічні етиленовим сполукам:
Н 2 С = СН-СН = СН 2.
Дана сполука є газоподібною речовиною, яка нерозчинна у воді. За систематичною номенклатурою воно матиме назву бутадієн -1,3.
При переміщенні кратного зв'язку структурою можна отримати ізомер наступного виду:
Н 3 С-СН = СН = СН 2
Він має таку назву: бутадієн -1,2
Крім ізомерів положення кратного зв'язку, для складу З 4 Н 6 можна розглядати міжкласову ізомерію, а саме представників класу алкінів.
Особливості отримання дієнових сполук
Як одержують алкадієни? Фізичні та хімічні властивості представників даного класу можна вивчати повною мірою лише за умови існування раціональних способів їхнього лабораторного та промислового отримання.
Враховуючи той факт, що найбільш затребуваними у сучасному виробництві є дивініл та ізопрен, розглянемо варіанти отримання даних дієнових вуглеводнів.
У промисловості ці представники ненасичених сполук отримують у процесі дегідрування відповідних алканів або алкенів над каталізатором, як виступає оксид хрому (3).
Сировину для цього процесу виділяють при переробці попутного газу або продуктів нафтової переробки.
Бутадієн-1,3 був синтезований з етилового спирту в процесі дегідрування та дегідратації академіком Лебедєвим. Саме цей спосіб, що передбачає застосуванням як каталізатор оксидів цинку або алюмінію і протікає при температурі 450 градусів за Цельсієм, був взятий в основу промислового синтезу дивінілу. Рівняння даного процесу має такий вигляд:
2C 2 H5OH ——————Н2С=СН—СН=СН2+2Н2O+Н2.
Крім того, можна виділити ізопрен і дивував у незначних кількостях шляхом піролізу нафти.
Особливості фізичних характеристик
У якому агрегатному стані перебувають алкадієни? Фізичні властивості, таблиця яких містить інформацію про температури плавлення, кипіння, свідчить про те, що нижчі представники цього класу є газоподібними станами, що мають невисокі температури кипіння та плавлення.
Зі збільшенням відносної молекулярної маси спостерігається тенденція зростання цих показників, перехід із рідким агрегатним станом.
Допоможе вам детально вивчити фізичні властивості алкадієнів таблиці. Фото із зображенням продуктів, одержуваних із цих сполук, представлені вище.
Хімічні властивості
Якщо розглядати ізольовані (непов'язані) подвійні зв'язки, вони мають такі ж можливості, як типові етиленові вуглеводні.
Ми проаналізували фізичні властивості алкадієнів, приклади їх можливих хімічних взаємодій розглянемо на бутадієні -1,3.
Сполуки, що мають пов'язані подвійні зв'язки, мають більш високу реакційну здатність порівняно з іншими видами дієнів.
Реакції приєднання
Для всіх видів дієнів характерні серед них відзначимо галогенування. Ця реакція призводить до перетворення дієна на відповідний алкен. Якщо водень береться у надмірній кількості, можна отримати граничний вуглеводень. Представимо процес у вигляді рівняння:
Н 3 С-СН = СН = СН 2 + 2Н 2 = Н 3 С-СН 2 -СН 2 -СН 3.
Галогенування передбачає взаємодію дієнової сполуки з двоатомною молекулою хлору, йоду, брому.
Реакція гідратації (приєднання молекул води) та гідрогалогенування (для дієнових сполук, що мають подвійний зв'язок у першому положенні) протікає по Суть його полягає в тому, що при розриві зв'язку атоми водню будуть приєднуватися до тих вуглецевих атомів, які мають меншу кількість водень, а атоми гідроксильної групи або галогену будуть прикріплюватися до тих атомів З, у яких розташовується менше водню.
При дієновому синтезі відбувається прикріплення молекули етиленової сполуки або алкіну до дієну, що має поєднані подвійні зв'язки.
Ці взаємодії застосовують у виробництві різних циклічних сполук органічного виду.
Полімеризація у представників дієнових сполук має особливе значення. Фізичні властивості алкадієнів та їх застосування пов'язані саме з цим процесом. При їх полімеризації утворюються високомолекулярні каучукоподібні сполуки. Наприклад, з бутадієну-1,3 можна отримати бутадієновий каучук, що має широке промислове застосування.
Характеристика окремих дієнових сполук
Які мають алкадієни фізичні властивості? Коротко проаналізуємо особливості ізопрену та дивінілу.
Бутадієн -1,3 є газоподібним газом, що має специфічний різкий запах. Саме ця сполука є вихідними мономерами для виробництва латексів, синтетичних каучуків, пластмас, а також безлічі органічних сполук.
2-метилбутадієн-1,3 (ізопрен) - це безбарвна рідина, яка є структурним компонентом природного каучуку.
2-хлорбутадієн-1,3 (хлоропрен) є токсичною рідиною, що є основою для виготовлення вінілацетилену, промислового виробництва синтетичного хлоропренового каучуку.
Гуми та каучуки
Гуми та каучуки є еластомерами. Існує підрозділ усіх каучуків на синтетичні та природні.
Натуральний каучук є високоеластичною масою, яку одержують із млечного соку. Латекс - це завись дрібних частинок каучуку у воді, яка існує в таких тропічних деревах як бразильська гевея, а також в деяких рослинах.
Цей ненасичений полімер має склад (5Н8)п, у якого середня молекулярна маса коливається в діапазоні від 15000 до 500000.
У результаті досліджень було встановлено, що структурна одиниця натурального каучуку має вигляд -СН2-С=СН-СН2-.
Як основні відмітні його характеристики можна відзначити прекрасну еластичність, здатність витримувати суттєві механічні деформації, зберігати форму після розтягування. Натуральний каучук здатний розчинятися в деяких вуглеводнях, утворюючи при цьому в'язкі розчини.
Аналогічно дієновим сполук, він здатний вступати в реакції приєднання. Як різновид ізопренового полімеру виступає гуттаперча. Ця сполука не має підвищеної еластичності, оскільки має відмінності у будові макромолекул.
Вироби, виготовлені з каучуку, мають певні недоліки. Наприклад, у разі підвищення температури вони стають липкими, змінюють свою форму, при зниженні температури у них з'являється надмірна крихкість.
Для того, щоб позбутися подібних недоліків, у промисловості вдаються до Суть даного процесу полягає у наданні йому термостійкості, еластичності при обробці сірої.
Процес проходить при температурах в діапазоні 140-180 ° С у спеціальних апаратах. Через війну утворюється гума, зміст сірки у якій сягає 5 %. Вона «зшиває» макромолекули каучуку, формуючи сітчасту структуру. Крім сірки у складі гуми є додаткові наповнювачі: барвники, пластифікатори, антиоксиданти.
У зв'язку з високим попитом у промисловості вироби з каучуку, основна його кількість виробляється синтетичним способом.
ВИЗНАЧЕННЯ
Алкадієни- Ненасичені вуглеводні, що містять два подвійні зв'язки.
Загальна формула алкадієнів C n H 2 n -2
За взаємним розташуванням подвійних зв'язків всі алкадієни поділяють на: кумульовані (зв'язки знаходяться в положеннях 1 і 2) (1), сполучені (подвійні зв'язки розташовані через один одинарний зв'язок) (2) і ізольовані (два подвійні зв'язки поділяє більше, ніж один одинарний зв'язок) -С-С-) (3):
CH 2 = C = CH 2 пропадієн -1,2 (1);
СН 3 -СН = СН-СН = СН 2 пентадієн - 1,3 (2);
СН 2 = СН-СН 2 -СН 2 -СН = СН-СН 3 гептадієн -1,5 (3).
У молекулах алкадієнів атоми вуглецю знаходяться в sp 2 гібридизації. Атом вуглецю, пов'язаний подвійними зв'язками з двох сторін, що є у складі кумульованих алкадієнів, знаходиться в sp-гібридизації.
Для всіх алкадієнів, починаючи з пентадієну, характерна ізомерія вуглецевого скелета (1) та ізомерія положення подвійних зв'язків (2); для алкадієнів, починаючи з пентадієну - 1,3, характерна цис-транс ізомерія. Оскільки загальна формула алкадієнів збігається з фомудою для алкінів, отже між цими класами сполук можлива міжкласова ізомерія (3).
CH 2 = C = C(СН 3)-СН 3 3-метилбутадієн - 1,2 (1).
CH 2 = C = CH-CH 2 -CH 3 пентадієн - 1,2;
СН 3 -СН = СН-СН = СН 2 пентадієн - 1,3 (2).
CH 2 = C = CH 2 пропадієн -1,2;
СН≡С-СН 3 пропін (3).
Хімічні властивості алкадієнів
Для алкадієнів характерні реакції, що протікають за механізмами електрофільного та радикального приєднання, причому найбільш реакційними є сполучені алкадієни.
Галогенування.При приєднанні до алкадієну хлору або брому утворюються тетрагалогеноалкани, причому, можливе утворення продуктів як 1,2-, так і 1,4-приєднання. Співвідношення продуктів залежить від умов проведення реакції: типу розчинника та температури.
CH 2 = CH-CH = CH 2 + Br 2 (гексан) → CH 2 (Br)-CH(Br)-CH = CH 2 + CH 2 (Br)-CH = CH-CH 2 -Br
При температурі -80С співвідношення продуктів 1,2 – і 1,4 – приєднання – 80/20%; -15С - 54/46%; +40С - 20/80%; +60С - 10/90%.
Приєднання галогенів можливе і за радикальним механізмом – під дією УФ-випромінювання. У цьому випадку відбувається утворення суміші продуктів 1,2 - і 1,4 - приєднання.
Гідрогалогенуванняпротікає подібно до галогенування, тобто. з утворенням суміші продуктів 1,2 – та 1,4 – приєднання. Співвідношення продуктів переважно залежить від температури, так, при високих температурах переважають продукти 1,2 – приєднання, а за низьких – 1,4 – приєднання.
CH 2 = CH-CH = CH 2 + HBr → CH 3 -CH(Br)-CH = CH 2 + CH 3 -CH = CH-CH 2 -Br
Реакція гідрогалогенування може протікати у водному чи спиртовому середовищі, у присутності хлориду літію або серед CHal 4 , де Hal – галоген.
(Дієновий синтез). У таких реакціях беруть участь два компоненти – дієн та ненасичена сполука – дієнофіл. При цьому утворюється заміщений шестичленний цикл. Класичний приклад реакції дієнового синтезу – реакція взаємодії бутадієну – 1,3 з малеїновим ангідридом:
Гідруванняалкадієнів відбувається в умовах рідкого аміаку і призводить до утворення суміші продуктів 1,2 – та 1,4 – приєднання:
CH 2 = CH-CH = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH = CH 2 + CH 3 -CH = CH-CH 3 .
Кумульовані алкадієни здатні вступати в реакції гідратаціїу кислому середовищі, тобто. приєднують молекули води. У цьому відбувається утворення нестійких сполук – єнолів (ненасичені спирти), котрим характерне явище кето-енольной таутомерії, тобто. Еноли практично відразу ж переходять у форму кетонів і назад:
CH 2 = C = CH 2 + H 2 O → CH 2 = C(OH)-CH 3 (пропенол) ↔ СH 3 -C(CH 3) = O (ацетон).
Реакції ізомеризаціїалкадієнів протікають у лужному середовищі при нагріванні та у присутності каталізатора – оксиду алюмінію:
R-CH = C = C-CH-R → RC≡C-CH 2 -R.
Полімеризація алкадієнів може протікати як 1,2 або 1,4 приєднання:
nCH 2 = CH-CH = CH 2 → (-CH 2 -CH = CH-CH 2 -) n .
Фізичні властивості алкадієнів
Нижчі дієни – безбарвні легкокиплячі рідини. 1,3-Бутадієн і аллен (1,2 — пропадієн) - гази, що легко зріджуються, мають неприємний запах. Вищі дієни є твердими речовинами.
Отримання алкадієнів
Основні способи одержання алкадієнів – дегідрування алканів (1), реакція Лебедєва (2), дегідратація гліколів (3), дегалагенування дигалогенпохідних (4) алкенів та реакції перегрупування (5):
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 2 = CH-CH = CH 2 (1);
2C 2 H 5 OH → CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 O + H 2 (2);
CH 3 -CH(OH)-CH 2 -CH 2 -OH → CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 O(3);
CH 2 = C(Br)-CH 2 -Br + Zn → CH 2 = C = CH 2 + ZnBr 2 (4);
HC≡C-CH(CH 3)-CH 3 + NaOH → CH 2 = C = CH(CH 3)-CH 3 (5).
Основна сфера використання дієнів та їх похідних – це виробництво каучуку.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Який обсяг водню буде потрібний для каталітичного гідрування одного подвійного зв'язку дієнового вуглеводню (C n H 2 n -2) масою 5,4 г, якщо на бромування такої ж кількості вуглеводню до тетраброміду (C n H 2 n -2 Br 4) пішло 32 г брому. Який склад вуглеводню? Напишіть усі можливі ізомери. |
| Рішення | Запишемо рівняння реакцій каталітичного гідрування та бромування алкадієну у загальному вигляді: C n H 2 n -2 + H 2 → C n H 2 n (1) C n H 2 n -2 + 2Br 2 → C n H 2 n -2 Br 4 (2) Молярна маса брому (молекулярна маса одного моль брому), обчислена за таблицею хімічних елементів Д.І. Менделєєва: M(Br 2) = 160 г/моль. Тоді, знаючи масу брому (32 г за умовою завдання), можна обчислити кількість брому: v(Br 2) = m(Br 2)/M(Br 2), v(Br 2) = 32/160 = 0,2 моль. За рівнянням 2, 5,4 Г вуглеводню – це 0,1 моль, але в гідрування однієї подвійного зв'язку його необхідно 0,1 моль водню чи 0,1×22,4 = 2,24 л водню. Молярна маса вуглеводню: M(C n H 2 n -2) = m(C n H 2 n -2)/v(C n H 2 n -2), M(C n H 2 n -2) = 5,4/0,1 = 54 г/моль. Отже, шуканий вуглеводень – це бутадієн. Для бутадієну характерні такі ізомери: CH 2 = C = CH-CH 3 бутадієн-1,2 СH 2 = CH-CH = CH 2 бутадієн-1,3 СH≡C-CH 2 -CH 3 бутин-1 СН 3 -С≡C-СН 3 бутин-2 |
| Відповідь | Об'єм водню – 2,24 л. Бутадієн. |
Визначення, гомологічний ряд, номенклатура алкадієнів.
Алкадієни –органічні сполуки, вуглеводні аліфатичного (ациклічного) ненасиченого характеру, в молекулі яких між атомами вуглецю – два подвійні зв'язки, та які відповідають загальній формулі C n H 2 n -2 де n =3 або n >3.Їх також називають дієновими вуглеводнями.
Найпростішим представником алкадієнів є пропадієн.
Гомологічний ряд.
Загальна формула дієнових вуглеводнів CnH2n-2. У назві алкадієнів міститься корінь, що позначає число атомів вуглецю у вуглецевому ланцюзі, і суфікс-дієн («два» «подвійні зв'язки»), що позначає належність з'єднання до даного класу.
C 3 H 4 – пропадієн
C 4 H 6 – бутадієн
C 5 H 8 – пентадієн
C 6 H 10 – гексадієн
C 7 H 12 – гептадієн
C 9 H 16 – нонадієн
Номенклатура алкадієнів.
1. Вибір головного кола.Утворення назви вуглеводню за номенклатурою ІЮПАК починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі. У разі алкадієнів головний ланцюг необхідно вибирати так, щоб до нього входили обидва подвійні зв'язки.
2. Нумерація атомів головного кола.Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, з якого ближче розташовані за старшинством (переважно):
кратний зв'язок → заступник → вуглеводневий радикал .
Тобто. при нумерації у визначенні назви алкадієну положення кратного зв'язку має перевагу перед рештою.
Нумерувати атоми в ланцюзі потрібно в такий спосіб, щоб атоми вуглецю, пов'язані подвійними зв'язками, отримали мінімальні номери.
Якщо з положенню подвійних зв'язків не можна визначити початок нумерації атомів у ланцюзі, його визначає положення заступників як і, як для алкенів.
3. Формування назви., після кореня, що позначає числа атомів вуглецю в ланцюгу, і суфікса -дієн,позначає належність з'єднання до класу алкенів, через кінці назви вказують місце розташування подвійних зв'язків у вуглецевому ланцюзі, тобто. номер атомів вуглецю, у яких розпочинаються подвійні зв'язки.
Якщо є заступники, то на початку назви вказують цифри – номери атомів вуглецю, за яких знаходяться заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться кілька заступників, то відповідний номер у назві повторюється двічі через кому (2,2-). Після номера через дефіс вказують кількість заступників ( ді– два, три– три, тетра− чотири, пента− п'ять) та назва заступника (метил. етил, пропил). Потім без прогалин і дефісів назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду влкадієнів (пропадієн, бутадієн, пентадієн і т.д.).