Углеводороды: строение и свойства

Название вещества в задаче записано словами, а решение начинается с формулы, и первый балл в органике теряют на этом переходе. Вещество 2-этилпентен-1 имеет формулу CH2=C(CH2-CH3)-CH2-CH2-CH3: семь атомов углерода, C7H14. Ученик находит самую длинную цепь, в ней шесть атомов, и называет вещество гексаном с метиленовой группой при третьем атоме. Название построено по цепи, которая двойную связь не содержит, и поэтому неверно.

Углеводороды — первый раздел органической химии, и на нём вырабатывается привычка, которую потом применяют ко всем остальным классам. Формула сообщает состав, название — порядок связей, условия реакции — продукт, и эти три вещи надо читать вместе, а ломается такое чтение в немногих повторяющихся местах.

Название ведёт к формуле

Главная цепь в алкене и алкине обязана содержать кратную связь, даже если рядом есть цепь длиннее. Нумеруют цепь с того конца, к которому ближе кратная связь, и номер ставят у первого атома углерода этой связи. В примере выше цепь из пяти атомов проходит через двойную связь, этильная группа стоит у второго атома, поэтому вещество называется 2-этилпентен-1. Ошибка в выборе цепи тянется в формулу, а из неё в уравнение, и дальше всё считается честно, но уже про другое вещество.

Общие формулы классов нужны как проверка. Алканы — CnH2n+2, алкены и циклоалканы — CnH2n, алкины и алкадиены — CnH2n−2, арены ряда бензола — CnH2n−6. Формула CnH2n описывает два разных класса: циклоалкан и алкен с одинаковым составом изомерны между собой, и вопрос «какому классу принадлежит вещество» без структуры решить нельзя. Число изомеров легко посчитать неверно: у пентана их три, у гексана пять, и тот, кто писал изомеры по памяти, часто повторяет один и тот же дважды, развернув формулу в другую сторону.

Тип гибридизации читается по связям. Атом углерода с четырьмя простыми связями находится в sp3-состоянии, с одной двойной в sp2, с тройной в sp. Это относится и к бензолу: все шесть атомов в кольце sp2. Почему у углерода четыре связи при конфигурации 2s2 2p2, объяснено в статье о строении атома: пока этот шаг не понят, органика держится на запоминании.

Условия решают, какая реакция получится

Одинаковый набор исходных веществ даёт разные продукты в зависимости от условий, и это самый частый источник потерь в органике. Четыре пары, которые стоит различать:

• C2H5Br + KOH в водном растворе = C2H5OH + KBr, замещение брома на гидроксил; тот же бромэтан со спиртовым раствором щёлочи даёт C2H4 + KBr + H2O, то есть отщепление
• толуол с хлором на свету хлорируется в метильной группе: C6H5-CH3 + Cl2 = C6H5-CH2Cl + HCl; с катализатором FeCl3 хлор идёт в кольцо, в положения 2 и 4
• перманганат калия при мягких условиях превращает этилен в этиленгликоль, при жёстких, в кислой среде и при нагревании, рвёт двойную связь
• бромная вода обесцвечивается алкенами, алкинами и алкадиенами, а бензол её не обесцвечивает: с ним идёт реакция только с жидким бромом и железом

Для алканов характерны замещение, горение и разложение при нагревании, а раствор перманганата и бромную воду они не обесцвечивают: на этом различии построены задачи на распознавание. Циклоалканы делятся на две группы: малые циклы, циклопропан и циклобутан, присоединяют бром или водород с разрывом кольца, как алкены, а циклогексан замещается, как алкан. В бензольном кольце заместитель направляет следующий: метильная группа отправляет атом в положения 2 и 4, нитрогруппа в положение 3, и поэтому нитробензол с бромом в присутствии железа даёт 3-бромнитробензол.

Условия в уравнении записывают над знаком равенства или в скобках, и без них уравнение остаётся неполным. Реакции, которыми различают классы вещества пробирками, собраны в статье о качественных реакциях; типы реакций в органике (присоединение, замещение, отщепление) называются теми же словами, что и в неорганике, но значат иное, и об этом говорится в статье о типах реакций.

Присоединение и отщепление: правила, у которых есть исключения

Присоединение к двойной связи несимметричного алкена идёт по правилу Марковникова: водород достаётся тому атому углерода при двойной связи, у которого водородов больше. Пропен с бромоводородом даёт CH3-CHBr-CH3, а не CH3-CH2-CH2Br. С водой тот же принцип: пропен превращается в пропанол-2. Ученик, который присоединяет «по порядку», с водорода на первый атом, получает формулу, стоящую в нужном классе, но изомерную правильной, и баллы снимают за это даже при верном остальном.

У сопряжённых диенов, например бутадиена-1,3, есть своя особенность: присоединение идёт по концам цепи, в положения 1 и 4, и двойная связь смещается в середину: CH2=CH-CH=CH2 + Br2 = CH2Br-CH=CH-CH2Br. На таком присоединении построена полимеризация диенов в каучук, а уравнение полимеризации с индексом n разобрано в статье о полимерах; сам этилен полимеризуется в полиэтилен n CH2=CH2 = (-CH2-CH2-)n.

Присоединение воды к тройной связи (реакция Кучерова, катализатор — соль ртути(II) в кислой среде) даёт в случае ацетилена альдегид: CH≡CH + H2O = CH3-CHO. Для любого другого алкина с тройной связью, в том числе пропина, получается кетон: CH3-C≡CH + H2O = CH3-CO-CH3. Исключение одно, и его нужно помнить как факт. Продукты этих реакций — спирты, альдегиды и кетоны, разобранные в статье о кислородсодержащих органических веществах; цепочка превращений начинается в углеводородах, а проверяется на следующем классе (цепочки превращений).

Отщепление, обратное присоединению, идёт по правилу Зайцева: водород уходит от наименее гидрогенизированного соседнего атома. Из 2-бромбутана при действии спиртового раствора щёлочи получается бутен-2: CH3-CHBr-CH2-CH3 + KOH = CH3-CH=CH-CH3 + KBr + H2O. Бутен-1 образуется в меньшем количестве, и вопрос про основной продукт означает именно бутен-2.

Горение: формула по продуктам

Задачу на вывод формулы по продуктам сгорания решают тем же стыком, что и расчёты по уравнению (статья о них), но вещество неизвестно. При сжигании 3,0 г углеводорода получили 8,8 г углекислого газа и 5,4 г воды, плотность по водороду равна 15.

Количество углекислого газа 8,8 / 44 = 0,2 моль, значит, углерода в образце 0,2 моль. Воды 5,4 / 18 = 0,3 моль, но атомов водорода вдвое больше, чем молекул воды: 0,6 моль. Отношение углерода к водороду 0,2 : 0,6 = 1 : 3, простейшая формула CH3, молярная масса 15. Молярная масса вещества при плотности по водороду 15 равна 15 · 2 = 30, значит, формула C2H6. Проверка массы: 0,2 · 12 + 0,6 · 1 = 3,0 г, кислорода в веществе нет. Если бы сумма получилась меньше образца, остаток был бы кислородом, и задача перестала бы быть про углеводород.

Типичных ошибок две. Первая — взять водорода столько же, сколько воды, 0,3 моль: получается C2H3, вещества с такой формулой нет. Вторая — принять плотность по водороду за молярную массу и записать CH3: этот остаток существует как радикал, но не как вещество.

Тот же приём работает, когда дана массовая доля. Углеводород содержит 85,7 % углерода, плотность по азоту равна 2. Водорода 100 − 85,7 = 14,3 %. На 100 г вещества приходится 85,7 / 12 = 7,14 моль углерода и 14,3 / 1 = 14,3 моль водорода, отношение близко к 1 : 2, простейшая формула CH2. Молярная масса при плотности по азоту 2 равна 2 · 28 = 56, и 56 / 14 = 4, откуда C4H8. Здесь меняется вещество-эталон: плотность по водороду умножают на 2, по азоту на 28, по воздуху на 29, и перепутанный множитель даёт неверную молярную массу.

Органика в десятом классе начинается заново

В большинстве программ органика как система классов открывается в десятом классе с алканов. Девятый класс даёт только знакомство: углерод как неметалл, его оксиды и карбонаты (неметаллы и их соединения) и, в части учебников, короткий обзор органических веществ в конце курса. Поэтому десятиклассник встречает органику без собственной опоры: ему нечего повторять, формулы, названия и реакции приходят одновременно. К одиннадцатому классу, когда нужны цепочки, углеводороды уже год как пройдены, и их свойства вспоминаются только в той части, где их использовали.

Органика устроена как цепочка классов, и вычеркнуть из неё одно звено нельзя. Ученик, не освоивший номенклатуру алканов, споткнётся на алкенах, а на спиртах путаница станет полной. Подтянуть этот раздел за несколько недель до экзамена трудно, потому что пробел начинается в десятом классе и растёт вместе с курсом. Общий взгляд на порядок, в котором темы проваливаются, дан в обзоре школьной химии, а в структуре работы у органики есть собственные задания, в том числе цепочка превращений (структура ЕГЭ по химии).

Если тема не идёт

Начинать надо с номенклатуры, потому что с неё идёт всё остальное: выписать десять формул разветвлённых алканов и алкенов и назвать, потом по названиям построить формулы. Хорошее упражнение здесь — читать формулу вслух: «в главной цепи пять атомов, у второго этильная группа, двойная связь после первого атома». Если фраза произносится без запинки, структура ясна, а если запинается, то на этом месте и ошибка. Когда обе операции получаются, переходить к реакциям, но не по классам, а по условиям: по каждой реакции записывать, при каких условиях она идёт и что получится при других. Изомерию и тонкости названия удобнее закреплять на материале статьи об изомерии и номенклатуре.

Если после этого формулы всё равно получаются не те, лучше показать репетитору записи: по ним видно, ломается ли выбор цепи или запись связей.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• репетиторы по химии для подготовки к ЕГЭ
• репетиторы по химии для 10–11 класса

Вопросы и ответы

Почему CnH2n бывает и алкеном, и циклоалканом? Потому что у цикла число атомов водорода такое же, как у алкена: образование кольца замещает двойную связь. Различить их можно только по структуре.

Как понять, что в задаче на сжигание есть кислород? Сложить массу углерода и водорода, найденные по продуктам, и сравнить с массой образца. Равны — кислорода нет. Меньше — остаток приходится на кислород, и его количество находят делением остатка на 16.

Правда ли, что бензол — ненасыщенное вещество? Формально да: водорода в нём меньше, чем в алкане с тем же числом атомов углерода. Но химически он ведёт себя иначе, чем алкены: бромная вода рядом с ним остаётся окрашенной, зато с жидким бромом и катализатором он вступает в замещение. Из-за этого бензол обычно выделяют в отдельный класс аренов, а не относят к алкенам.

Что делать, если не помню правило Марковникова? Помнить его не обязательно в виде слов, достаточно образа: у пропена при двойной связи два атома углерода, один с двумя водородами, другой с одним. Водород уходит к тому, у кого больше. Образ держится дольше формулировки.