Физические свойства бутенов

Изобутилен: формула, свойства, область применения

Изобутилен — один из типичных представителей алкенов. Сам по себе он не представляет особенной ценности, однако используется в химической промышленности в качестве одного из промежуточных веществ для синтеза каучуков или добавок к топливу.

Общие сведения

Изобутилен — это ненасыщенный углеводород, то есть в молекуле вещества присутствуют кратные связи. По своим физическим свойствам это газ без цвета, обладающий резким запахом (он присущ большинству непредельных углеводородов). Температура кипения изобутена — -7 oC, температура плавления — -140 oC.

Изобутилен плохо растворим в полярных жидкостях (под которыми чаще всего подразумевают воду), зато очень хорошо — в неполярных или со слабо выраженной полярностью. Это в большинстве своем органические соединения; в данном случае — спирт и эфир.

Формула изобутилена записывается следующим образом.

Приставка «изо-» говорит о наличии третичного атома углерода — непосредственно связанного с тремя другими углеродами. Изучив формулу изобутилена, можно заметить, что тот имеет лишь два изомера углеродного скелета: 1-бутен и 2-бутен. Они имеют другое строение, но находятся в том же классе веществ (непредельные углеводороды) и обладают теми же химическими свойствами.

Вообще непредельные углеводороды крайне редко встречаются в природе из-за того, что являются достаточно активными благодаря своим кратным связям (в отличие от парафинов — предельных, у которых все связи одинарные).

Однако в малых количествах они находятся в составе так называемого попутного нефтяного газа. Так называют смесь газообразных углеводородов, которая растворена в залежах нефти и выделяется при ее добыче или дальнейшей переработке.

Эти газы можно как использовать в качестве топлива, так и выделять из них отдельные вещества и фракции, чтобы использовать их в дальнейшем органическом синтезе. Изобутилен содержится во фракции нефтяного газа, образующейся при крекинге (термическом разложении «длинных» алканов).

В той же фракции содержатся его изомеры, а также насыщенный бутан, так что после ее отделения необходимы дальнейшие манипуляции, чтобы получить чистый изобутилен.

Получение

Существует несколько основных способов получения изобутилена. Для начала получают смесь изомеров бутена:

• Крекингом или пиролизом бензиновой фракции. Выходы бутена и изомеров крайне низкие: до 10 %.
• Дегидрированием бутана. Процесс происходит на алюмохромовом катализаторе при температуре, близкой к 600 oC и давлении около 0,1-0,2 МПа (мегапаскалей). Если в реакции использовать изобутан, то выход изобутилена будет 42-48 %.

Выделить изобутилен из смеси изомеров можно с помощью серной кислоты концентрацией 65 %. При комнатной температуре образуется трет-бутилсерная кислота (с сульфогруппой у третичного атома углерода).

Далее раствор разбавляется водой так, чтобы концентрация серной кислоты достигла 45 %, затем при нагревании и низком давлении из смеси выделяется изобутилен в чистом виде, который затем очищается от примесей и сжижается (для хранения или транспортировки).

Существует также метод выделения изобутилена с помощью селективной адсорбции. В качестве адсорбента используются цеолиты, минералы из группы алюмосиликатов (натрия, кальция).

Химические свойства

Из формулы изобутилена видно, что он имеет разветвленный углеродный скелет. Значит, у одного из атомов углерода (третичного) имеется повышенная электронная плотность, что способствует прохождению электрофильных реакций, типичных для соединений его класса.

По формуле изобутилена можно сказать, что он способен ко всем реакциям, характерным для класса алкенов (или олефинов): присоединение по кратной связи (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование), мягкое окисление кислородом на серебряном катализаторе (получение эпоксидов), мягкое окисление перманганатом калия в водном растворе (получение гликолей). Также стоит упомянуть реакцию Принса, в которой при действии формальдегида на ненасыщенный углеводород (алкен) получают двухатомные спирты, диоксаны или непредельные спирты. В случае с изобутиленом получаемый продукт — 4,4-диметил-1,3-диоксан — используют для получения изопрена (путем разложения).

Изопрен используется для синтеза изопренового каучука — одного из важнейших продуктов химической промышленности. Однако из самого изобутилена также можно получить полимер: при сополимеризации изопрена и изобутена получается бутилкаучук с совсем небольшим процентным содержанием изопрена.

Каучуки

Как уже было сказано, изобутилен применяется для получения изопрена — непредельного углеводорода, который, в свою очередь, посредством полимеризации превращается в изопреновый каучук.

Существуют и другие области применения изопрена, однако на каучук идет более 95 % всех объемов производства.

Изопреновые каучуки заменяют натуральные и используются при производстве автомобильных шин, транспортерных лент и различных бытовых товаров.

Также изобутилен используется в производстве антиоксидантов, которые, в свою очередь, также добавляются и в каучуки, чтобы предотвратить их старение и повысить срок эксплуатации.

Топливные добавки

Не менее интересна такая область применения изобутилена, как добавки к моторному топливу. Как известно, одна из важнейших характеристик топлива — октановое число, определяющее его детонационную стойкость.

Повышает эту стойкость ряд соединений: во-первых, конечно же, сам изооктан или 2,2,4-триметилпентан, и в его производстве используется изобутилен. Но также на октановое число влияют и другие добавки: токсичнй тетраэтилсвинец, трет-бутиловые эфиры и прочие соединения.

В синтезе эфиров, а именно трет-бутилметилового и трет-бутилэтилового, используется опять же изобутилен.

Алкены

Углеводороды ряда этилена по международной номенклатуре называют алкенами.

Химическая формула и строение молекулы этилена

Элементный анализ этилена показывает, что в его состав входят примерно 87,5% углерода и 14,3% водорода. Плотность этилена по отношению к водороду равна 14.

Простейшая формула этилена CH2. Молярная масса, соответствующая этой формуле, следующая:

M = 12 + 2 = 14; M = 14 г/моль

На основе закона Авогадро находим истинную молярную массу этилена:

M = 2D (H2) = 2 * 14 = 28; M = 28 г/моль

Отсюда следует, что простейшую формулу нужно удваивать. Поэтому молекулярная формула этилена C2H4.

В отличии от предельных углеводородов, в молекулах которых между атомами углерода имеется одинарная связь, в молекулах углеводорода ряда этилена между атомами углерода имеется одна двойная связь. Поэтому углеводородам ряда этилена можно дать следующее определение:

Углеводороды с общей формулой CnH2n, в молекулах которых между атомами углерода имеется одна двойная связь, называют углеводородами ряда этилена, или алкенами.

Так как в гибридизации участвуют s — электрон и два p — электрона, то такой ее вид называется sp2 — гибридизацией.
Валентный угол: 120 градусов.

Изомерия и номенклатура

Формулы углеводородов ряда этилена можно вывести из соответствующих формул предельных углеводородов.Названия углеводородов ряда этилена образуют путем изменения суффикса -ан соответствующего предельного углеводорода на -ен или -илен.

Гомологический ряд этилена

C2H4 — Этилен (Этен)

C3H6 — Пропилен (Пропен)

C4H8 — Бутен

C5H10 — Пентен

C6H12 — Гексен

C7H14 — Гептен

C8H16 — Октен

C9H18 — Нонен

C10H20 — Децен

Физические свойства

Этилен — бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Пропилен и бутены (бутелены) при нормальных условиях также газообразны, от пентена C5H10 до октадецена C18H36 включительно углеводороды находятся в жидком состоянии, а начиная с нонадецена C19H38 — в твердом.

Алкены — номенклатура, получение, характерные химические свойства

К непредельным относят углеводороды, содержащие в молекулах кратные связи между атомами углерода. Непредельными являются алкены, алкины, алкадиены (полиены).

Непредельным характером обладают также циклические углеводороды, содержащие двойную связь в цикле (циклоалкены), а также циклоалканы с небольшим числом атомов углерода в цикле (три или четыре атома).

Свойство «непредельности» связано со способностью этих веществ вступать в реакции присоединения, прежде всего водорода, с образованием предельных, или насыщенных углеводородов — алканов.

Строение алкенов

Алкены — ациклические углеводороды, содержащие в молекуле помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствующие общей формуле СnН2n.

 Свое второе название — олефины — алкены получили по аналогии с жирными непредельными кислотами (олеиновая, линолевая), остатки которых входят в состав жидких жиров — масел.
Атомы углерода, между которыми есть двойная связь, находятся в состоянии sр2-гибридизации.

Это означает, что в гибридизации участвуют одна s- и две р-орбитали, а одна р-орбиталь остается негибридизованной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию σ-связи, а за счет негибридизованных р-орбиталей соседних атомов углерода образуется вторая, π-связь.

Таким образом, двойная связь состоит из одной σ- и одной π — связи. Гибридные орбитали атомов, образующих двойную связь, находятся в одной плоскости, а орбитали, образующие π -связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. Двойная связь (0,132 им) короче одинарной, а ее энергия больше, т. к.

она является более прочной. Тем не менее, наличие подвижной, легко поляризуемой π -связи приводит к тому, что алкены химически более активны, чем алканы, и способны вступать в реакции присоединения.

Строение этилена

Образование двойной связи в алкенах

Гомологический ряд этена

Неразветвленные алкены составляют гомологи- ческий ряд этена (этилена): С2Н4 — этен, С3Н6 — пропен, С4Н8 — бутен, С5Н10 — пентен, С6Н12 — гексен, С7Н14 — гептен и т.д.

Изомерия алкенов

Для алкенов характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкен, для которого характерны структурные изомеры, — это бутен:

Особым видом структурной изомерии является изомерия положения двойной связи:

Алкены изомерны циклоалканам (межклассовая изомерия), например:

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение атомов углерода, поэтому молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. Вращение вокруг двойной связи невозможно, что приводит к появлению у алкенов еще одного вида изомерии — геометрической, или цис- и транс-изомерии.

Цис-изомеры отличаются от транс-изомеров пространственным расположением фрагментов молекулы (в данном случае метильных групп) относительно плоскости π -связи, а следовательно, и свойствами.

Номенклатура алкенов

1. Выбор главной цепи. Образование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле. В случае алкенов главная цепь должна содержать двойную связь.
2. Нумерация атомов главной цепи. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе находится двойная связь.
Например,правильное название соединения:

5-метилгексен-2

Если по положению двойной связи нельзя определить начало нумерации атомов в цепи, то его определяет положение заместителей так же, как для предельных углеводородов.

3. Формирование названия.  В конце названия указывают номер атома углерода, у которого начинается двойная связь, и суффикс -ен, обозначающий принадлежность соединения к классу алкенов. Например:

Физические свойства алкенов

Первые три представителя гомологического ряда алкенов — газы; вещества состава С5Н10 — С16Н32 — жидкости; высшие алкены — твердые вещества.
Температуры кипения и плавления закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединений.

Химические свойства алкенов

Реакции присоединения. Напомним, что отличительной чертой представителей непредельных углеводородов — алкенов является способность вступать в реакции присоединения.

Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.
1. Гидрирование алкенов.

Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов гидрирования, металлов — платины, палладия, никеля:

Эта реакция протекает при атмосферном и повышенном давлении и не требует высокой температуры, т. к. является экзотермической. При повышении температуры на тех же катализаторах может пойти обратная реакция — дегидрирование.

2. Галогенирование (присоединение галогенов). Взаимодействие алкена с бромной водой или раствором брома в органическом растворителе (СС14) приводит к быстрому обесцвечиванию этих растворов в результате присоединения молекулы галогена к алкену и образования дигалогеналканов.
3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводорода).

Эта реакция подчиняется правилу Марковникова:
При присоединении галогеноводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т. е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген — к менее гидрированному.

4. Гидратация (присоединение воды). Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Например, присоединение воды к этену лежит в основе одного из промышленных способов получения этилового спирта.

Обратите внимание на то, что первичный спирт (с гидроксогруппой при первичном углероде) образуется только при гидратации этена. При гидратации пропена или других алкенов образуются вторичные спирты.

Эта реакция протекает также в соответствии с правилом Марковникова — катион водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа — к менее гидрированному.
5. Полимеризация. Особым случаем присоединения является реакция полимеризации алкенов:

Эта реакция присоединения протекает по свободнорадикальному механизму.

Реакции окисления.

1. Горение. Как и любые органические соединения, алкены горят в кислороде с образованием СО2 и Н2О:

2. Окисление в растворах. В отличие от алканов алкены легко окисляются под действием растворов перманганата калия. В нейтральных или щелочных растворах происходит окисление алкенов до диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам, между которыми до окисления существовала двойная связь:

Физические и химические свойства алкенов

Общая формула гомологического ряда алкенов (табл. 2) – CnH2n

Таблица 2. Гомологический ряд алкенов.

Название химического соединения Структурная формула

Углеводородные радикалы, образованные от алкенов: -CH = CH2 – винил и –СН2-СН = СН2 – аллил.

Для алкенов, начиная с бутена, характерна изомерия углеродного скелета:

CH2 = CH-CH2-CH3 (бутен-1)

СН2-С(СН3)-СН3 (2-метилпропен-1)

и положения двойной связи:

CH2 = CH-CH2-CH3 (бутен-1)

CH3-C = CH-CH3 (бутен-2)

Для алкенов, начиная с бутена-2, характерна геометрическая (цис-транс) изомерия (рис. 1).

Рис. 1. Геометрические изомеры бутена-2.

Для алкенов, начиная с пропена, характерна межклассовая изомерия с циклоалканами. Так, составу C4H8 отвечают вещества класса алкенов и циклоалканов – бутен-1(2) и циклобутан.

Атомы углерода в молекулах алкенов находятся в sp2-гибридизациии: 3σ-связи располагаются в одной плоскости под углом 120 друг к другу, а π-связь образована p-электронами соседних атомов углерода. Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей.

Получение алкенов

Основные способы получения алкенов:

• дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей

CH3-CH2-CHBr-CH3 + KOH = CH3-CH = CH-CH3 + KBr + H2O

• дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов

CH3-CHCl-CHCl-CH3 + Zn = ZnCl2 + CH3-CH = CH-CH3

• дегидратация спиртов при их нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании паров спирта над катализатором

CH3-CH(OH)- CH3 = CH3-CH = CH2 + H2O

• дегидрирование алканов при нагревании (500С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)

CH3-CH2 — CH3 = CH3-CH = CH2 + H2

Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, каучуков, пленок) и других органических веществ.