История открытия этилена
Этилен впервые был получен немецким химиком Иоганном Бехером в 1680 году при действии купоросного масла (H 2 SO 4) на винный (этиловый) спирт (C 2 H 5 OH).
CH 3 -CH 2 -OH+H 2 SO 4 →CH 2 =CH 2 +H 2 O
Вначале его отождествляли с «горючим воздухом», т. е. с водородом. Позднее, в 1795 году этилен подобным же образом получили голландские химики Дейман, Потс-ван-Трусвик, 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»), (Прохоров,1978).
Изучение свойств этилена, его производных и гомологов началось с середины XIX века. Начало практического использования этих соединений положили классические исследования А.М. Бутлерова и его учеников в области непредельных соединений и особенно создания Бутлеровым теории химического строения. В 1860 году он получил этилен действием меди на йодистый метилен, установив структуру этилена.
В 1901 году Дмитрий Николаевич Нелюбов выращивал горох в лаборатории, В Санкт-Петербурге, но семена давали искривленные, укороченные проростки, у которых верхушка была согнута крючком и не сгибалась. В теплице и на свежем воздухе проростки были ровные, рослые, и верхушка на свету быстро распрямляла крючок. Нелюбов предложил, что фактор, вызывающий физиологический эффект, находится в воздухе лаборатории.
В то время помещения освещали газом. В уличных фонарях горел тот же газ, и давно было замечено, что при аварии в газопроводе стоящие рядом с местом утечки газа деревья преждевременно желтеют и сбрасывают листья.
Осветительный газ содержал разнообразные органические вещества. Чтобы удалить примесь газа, Нелюбов пропускал его через разогретую трубку с оксидом меди. В «очищенном» воздухе проростки гороха развивались нормально. Для того чтобы выяснить, какое именно вещество вызывает ответ проростков, Нелюбов добавлял различные компоненты светильного газа по очереди, и обнаружил, что добавка этилена вызывает:
1) замедление роста в длину и утолщение проростка,
2) «не разгибающуюся» апикальную петельку,
3) Изменение ориентации проростка в пространстве.
Эта физиологическая реакция проростков была названа тройным ответом на этилен. Горох оказался настолько чувствительным к этилену, что его стали использовать в биотестах для определения низких концентрациях этого газа. Вскоре было обнаружено, что этилен вызывает и другие эффекты: листопад, созревание плодов и т.д. Оказалось, что этилен способны синтезировать сами растения, т.е. этилен является фитогормоном (Петушкова,1986).
Физические свойства этилена
Этиле́н - органическое химическое соединение, описываемое формулой С 2 H 4 . Является простейшим алкеном (олефином ).
Этилен – бесцветный газ со слабым сладким запахом плотностью 1,178 кг/м³ (легче воздуха), его вдыхание оказывает наркотическое действие на человека. Этилен растворяется в эфире и ацетоне, значительно меньше - в воде и спирте. При смешении с воздухом образует взрывоопасную смесь
Затвердевает при –169,5°C, плавится при таких же температурных условиях. Кипит этен при –103,8°C. Воспламеняется при нагревании до 540°C. Газ хорошо горит, пламя светящееся, со слабой копотью. Округленная молярная масса вещества - 28 г/моль. Третий и четвертый представители гомологического ряда этена - тоже газообразные вещества. Физические свойства пятого и следующих алкенов отличаются, они являются жидкостями и твердыми телами.
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 .
Химические свойства этилена
Для этилена характерны реакции, протекающщие по механизму электрофильного, присоединения, реакции радикального замещения, окисления, восстановления, полимеризации.
1. 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.
2. Гидрогалогенирование - взаимодействие этилена с галогенводородами (HCl, HBr) с образование галогенпроизводных алканов:
CH 2 = CH 2 + HCl → CH 3 -CH 2 -Cl.
3. 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.
4. окисление. Этилен легко окисляется. Если этилен пропускать через раствор перманганата калия, то он обесцветится. Эта реакция используется для отличия предельных и непредельных соединений. В результате образуется этиленгликоль
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.
5. гидрирование. 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 .
6. 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 -.
7. Горение:
C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
8. Димеризация. Димеризация - процесс образования нового вещества путём соединения двух структурных элементов (молекул, в том числе белков, или частиц) в комплекс (димер), стабилизируемый слабыми и/или ковалентными связями.
2CH 2 =CH 2 →CH 2 =CH-CH 2 -CH 3
Применение
Этилен используют в двух основных категориях: в качестве мономера, из которого построены большие углеродные цепи, и в качестве исходного материала для других двух-углеродных соединений. Полимеризации - это повторяющиеся объединения множества мелких молекул этилена в более крупные. Этот процесс происходит при высоких давлениях и температурах. Области применения этилена многочисленны. Полиэтилен – это полимер, который используется особенно массово в производстве упаковочных пленок, проволочных покрытий и пластиковых бутылок. Еще одно применение этилена в качестве мономера касается формирования линейных α-олефинов. Этилен является исходным материалом для приготовления ряда двух-углеродных соединений, таких как этанол (технический спирт ), окись этилена (антифриз, полиэфирные волокна и пленки) , ацетальдегида и винил хлорида. Кроме этих соединений, этилен с бензолом образует этилбензол, который используется в производстве пластмасс и синтетического каучука. Рассматриваемое вещество является одним из простейших углеводородов. Однако свойства этилена делают его биологически и хозяйственно значимым.
Свойства этилена дают хорошую коммерческую основу для большого количества органических (содержащих углерод и водород) материалов. Одиночные молекулы этилена могут быть соединены вместе для получения полиэтилена (что означает много молекул этилена). Полиэтилен используется для изготовления пластмасс. Кроме того, он может быть использован для изготовления моющих средств и синтетических смазочных материалов , которые представляют собой химические вещества, используемые для уменьшения трения. Применение этилена для получения стиролов актуально в процессе создания резины и защитной упаковки. Кроме того, он используется в обувной промышленности, особенно это касается спортивной обуви, а также при производстве автомобильных покрышек . Применение этилена является коммерчески важным, а сам газ является одним из наиболее часто производимых углеводородов в глобальном масштабе.
Этилен используется в производстве стекла специального назначения для автомобильной промышленности.
Химическим строением называют последовательность соединения атомов в молекуле и их расположение в пространстве. Химическое строение изображают с помощью структурных формул. Черточка изображает ковалентную химическую связь. Если связь кратная: двойная, тройная, - то ставят две (не путать со знаком «равно») или три черточки. Углы между связями изображают по возможности.
Чтобы правильно составлять структурные формулы органических веществ, нужно помнить, что атомы углерода образуют по 4 связи
(т. е. валентность углерода по числу связей равна четырем. В органической химии преимущественно используется именно валентность по числу связей).
Метан
(его также называют болотный, рудничный газ) состоит из одного атома углерода, связанного ковалентными связями с четырьмя атомами водорода. Молекулярная формула CH 4 . Структурная формула:
H
l
H – C – H
l
H
Угол между связями в молекуле метана составляет около 109° - электронные пары, образующие ковалентные связи атома углерода (в центре) с атомами водорода, располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга.
В 10–11 классах изучается, что молекула метана имеет форму треугольной пирамиды - тетраэдра, подобно знаменитым египетским пирамидам.
Этилен C 2 H 4 содержит два атома углерода, соединенных двойной связью:
Угол между связями составляет 120° (электронные пары отталкиваются и располагаются на максимальном расстоянии друг от друга). Атомы располагаются в одной плоскости.
Если не изображать отдельно каждый атом водорода, то получаем сокращенную структурную формулу:
Ацетилен
C 2 H 2 содержит тройную связь:
H – C ≡ C – H
Угол между связями 180°, молекула имеет линейную форму.
При горении углеводородов образуются оксиды углерода (IV) и водорода, т. е. углекислый газ и вода, при этом выделяется много тепла:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
2C 2 H 2 + 5O 2 → 4CO 2 + 2H 2 O (в уравнении с ацетиленом перед формулой ацетилена ставим коэффициент 2, чтобы число атомов кислорода в правой части было чётным)
Большое практическое значение имеет реакция полимеризации этилена - соединение большого числа молекул с образованием макромолекул полимера - полиэтилена . Связи между молекулами образуются за счет разрыва одной из связей двойной связи. В общем виде это можно записать так:
nCH 2 = CH 2 → (- CH 2 – CH 2 -) n
где n - число соединившихся молекул, называемое степенью полимеризации. Реакция происходит при повышенном давлении и температуре, в присутствии катализатора.
Из полиэтилена изготавливают пленку для парников, покрышки для банок и пр.
Образование бензола из ацетилена тоже относят к реакциям полимеризации.
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 гомологического ряда алкенов (непредельные углеводороды с одной двойной связью).
Структурная формула:
Брутто-формула: C 2 H 4 . Молярная масса - 28 г/моль.
Этилен представляет собой газ без цвета, но со слабым запахом. Плотность 1,178 кг/м 3 (легче воздуха). Горючий. Мало растворим в воде, но хорошо в диэтиловом эфире и углеводородах.
Электронное строение молекулы этилена
Атомы углерода в составе молекулы алкена связаны между собой двойной связью. Эти атомы находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Двойная связь между ними образована из двух пар обобществленных электронов, т.е. это четырехэлектронная связь. Она сочетанием ковалентных σ-связи и π-связи. σ-Связь образована за счет осевого перекрывания sp 2 -гибридных орбиталей, а π-связь - за счет бокового перекрывания негибридизованных p-орбителей двух атомов углерода (рис. 1).
Рис. 1. Строение молекулы этилена.
Пять σ-связей двух sp 2 -гибридизованных атомов углерода лежат в одной плоскости под углом 120 o и составляют σ-скелет молекулы. Над и под этой плоскостью симметрично расположена электронная плотность π-связи, которую можно изобразить также в виде плоскости, перпендикулярной σ-скелету.
При образовании π-связи происходит сближение атомов углерода, потому что межъядерное пространство в двойной связи более насыщено электронами, чем в σ-связи. Это стягивает атомные ядра и поэтому длина двойной связи (0,133 нм) меньше одинарной (0,154 нм).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В результате присоединения йода к этилену получено 98,7 г иодопроизводного. Рассчитайте массу и количество вещества этилена, взятого для реакции. |
| Решение | Запишем уравнение реакции присоединения йода к этилену:
H 2 C = CH 2 + I 2 → IH 2 C - CH 2 I. В результате реакции образовалось иодопроизводное - дийодэтан. Рассчитаем его количество вещества (молярная масса равна - 282 г/моль): n(C 2 H 4 I 2) = m (C 2 H 4 I 2) / M (C 2 H 4 I 2); n(C 2 H 4 I 2) = 98,7 / 282 = 0,35 моль. Согласно уравнению реакции n(C 2 H 4 I 2) : n(C 2 H 4) = 1:1, т.е. n(C 2 H 4 I 2) = n(C 2 H 4) = 0,35 моль. Тогда масса этилена будет равна (молярная масса - 28 г/моль): m(C 2 H 4) = n (C 2 H 4) ×M (C 2 H 4); m(C 2 H 4) = 0,35×28 = 9,8 г. |
| Ответ | Масса этилена равна 9,8 г, количество вещества этилена равно 0,35 моль. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте объем этилена, приведенный к нормальным условиям, который можно получить из технического этилового спирта C 2 H 5 OH массой 300 г. Учтите, что технический спирт содержит примеси, массовая доля которых равна 8%. | |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения этилена из этилового спирта:
C 2 H 5 OH (H 2 SO 4) → C 2 H 4 + H 2 O. Найдем массу чистого (без примесей) этилового спирта. Для этого сначала рассчитаем его массовую долю: ω pure (C 2 H 5 OH) = ω impure (C 2 H 5 OH) -ω impurity ; ω pure (C 2 H 5 OH) = 100% — 8% = 92%. m pure (C 2 H 5 OH) =m impure (C 2 H 5 OH) ×ω pure (C 2 H 5 OH) / 100%; m pure (C 2 H 5 OH) = 300 × 92 / 100% = 276 г. Определим количество вещества этилового спирта (молярная масса - 46 г/моль): n(C 2 H 5 OH) = m (C 2 H 5 OH) / M (C 2 H 5 OH); n(C 2 H 5 OH) = 276 / 46 = 3,83 моль. Согласно уравнению реакции n(C 2 H 5 OH) : n(C 2 H 4) = 1:1, т.е. n(C 2 H 5 OH) = n(C 2 H 4) = 3,83 моль. Тогда объем этилена будет равен: V(C 2 H 4) = n(C 2 H 4) × V m ; V(C 2 H 4) = 3,83 × 22,4 = 85,792 л. |
|
| Ответ | Объем этилена равен 85,792 л. |
Как вы уже знаете, при дегидрировании этана образуется этилен - родоначальник гомологического ряда алкенов.
Потеря двух атомов водорода приводит к образованию между атомами углерода не одинарной, а двойной связи:
Так как валентности атомов углерода в этилене и его гомологах не до предела насыщены атомами водорода, то такие соединения называют непредельными.
Если сравнить общие формулы алканов и алкенов, нетрудно заметить, что их состав отличается на два атома водорода:
Принадлежность углеводорода к классу алкенов отражают родовым суффиксом -ей в его названии. Этилен - родоначальник гомологического ряда алкенов (табл. 3).
Таблица 3
Гомологический ряд этилена
Строение молекулы этилена представлено на рисунке 14. Нетрудно заметить, что молекула этилена имеет плоскостное строение. Аналогично и у всех алкенов по месту расположения двойной связи фрагмент молекулы будет иметь плоскостное строение.
Рис. 14.
Модели молекулы этилена:
1 - масштабная; 2 - шаростержневая
Начиная с третьего члена гомологического ряда алкенов, содержащего в молекуле четыре атома углерода, появляется изомерия углеродного скелета и изомерия положения кратной связи:
Для алкенов характерна межклассовая изомерия с углеводородами другого класса, имеющего такую же общую формулу C n H 2n , - циклоалканами. Особенностью химического строения циклоалканов является наличие замкнутой цепочки атомов углерода - цикла, например:
Особенности построения названий алкенов состоят в том, что главная цепь атомов углерода должна обязательно включать двойную С=С-связь, и ее нумерацию проводят с того конца главной цепи, к которому эта связь ближе. В названии углеводорода, оканчивающегося на -ен, цифрой указывают номер того атома углерода, от которого начинается двойная углерод-углеродная связь. Остальные правила формирования названий алкенов остаются такими же, как и для алканов. Например:
В промышленности этилен получают крекингом (расщеплением) продуктов переработки нефти, например керосина.
В лабораторных условиях этилен получают дегидратацией этилового спирта:
Этилен - это бесцветный газ без запаха, почти нерастворим в воде. Он обладает способностью ускорять созревание плодов и овощей, что используют в овощехранилищах, куда закладывают недозрелую плодоовощную продукцию.
Рассмотрим химические свойства алкенов на примере этилена.
Наличие в молекулах алкенов двойной С=С-связи обусловливает их химические свойства.
Для алкенов, как для непредельных углеводородов, характерны реакции присоединениях 1) водорода (гидрирование), 2) воды (гидратация), 3) галогенов (гало-генирование) и др. При этом одна из двух связей между атомами углерода разрывается, и оба атома присоединяют атомы или группу атомов реагента. В результате алкен превращается в алкан или его производное:
Последняя реакция применяется для обнаружения соединений с кратной (двойной или тройной) углерод-углеродной связью, т. е. является качественной на кратную связь. При этом происходит обесцвечивание бромной воды (раствора брома в воде) (рис. 15). Аналогичная реакция с хлором имеет практическое значение, поскольку приводит к образованию важного продукта - 1,2-дихлорэтана, используемого в качестве растворителя и для получения пластмасс.
Рис. 15.
Обесцвечивание бромной воды этиленом (качественная реакция на кратную связь)
Для гомологов этилена, например пропилена, реакция гидратации протекает в соответствии с правилом В. В. Марковникова.
При присоединении полярных молекул, например галогеноводородов или воды, к алкену водород преимущественно присоединяется к атому углерода при двойной связи, с которым соединено большее число атомов водорода:
Аналогично гидратации протекает и реакция присоединения галогеноводородов к алкенам, например:
Сущность любой химической реакции заключается в образовании новых молекул из тех же самых атомов, из которых образованы исходные вещества. В ходе любой реакции одни связи разрываются, другие - образуются. Разрыв ковалентной связи можно рассматривать как процесс, обратный ее образованию. Следовательно, при этом возможны два направления разрыва.
Гемолитический разрыв приводит к тому, что оба атома, ранее связанные ковалентной связью, получают по одному электрону, превращаясь в частицы с неспаренным электроном - свободные радикалы.
Подобный тип разрыва химической связи и, соответственно, радикальный механизм реакции наблюдается при уже рассмотренном процессе галогенирования метана.
Гетеролитический разрыв осуществляется таким образом, что один из атомов получает оба электрона, служившие ранее общей электронной парой. Такой тип разрыва связи приводит к образованию заряженных частиц - ионов:
Подобный тип разрыва химической связи и, соответственно, ионный механизм реакции наблюдается в процессе присоединения галогеноводорода к алкенам.
Как известно, химическая связь в молекуле хлорово-дорода является полярной. В условиях реакции молекула НС1 распадается на ионы Н + и С1 - :
НСl → Н + + Сl - .
Эти ионы и присоединяются к атомам углерода за счет гетеролитического разрыва двойной связи в молекуле алкена.
Особым случаем реакций присоединения является реакция полимеризации.
Полимеризацию этилена можно отразить с помощью следующей схемы:
или с помощью следующего уравнения:
Полимеризацию проводят в присутствии инициаторов, например перекисных соединений, которые являются источниками свободных радикалов. Перекис-ными соединениями называют вещества, молекулы которых включают группу -О-О-. Простейшим перекисным соединением является пероксид водорода Н-О-О-Н.
Вещество, вступающее в реакцию полимеризации, называют мономером , продукт такой реакции - полимером , формулу в скобках в уравнении такой реакции - структурным звеном , а индекс n - степенью полимеризации , которая показывает, сколько структурных звеньев образуют молекулу полимера.
В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимеров. Изделия из них все в большей степени вытесняют из нашего быта изделия, изготовленные из природных материалов, поскольку полимеры обладают самыми разнообразными свойствами, сравнительно дешевы, легко обрабатываются.
Полиэтилен представляет собой важнейшую пластмассу, которая находит широкое применение в народном хозяйстве (рис. 16).
Рис. 16.
Применение полиэтилена:
1 - медицинское оборудование; 2 - предметы домашнего обихода; 3 - пленка для парников; 4 - трубы и шланги; 5 - клейкая лента;
6 - упаковочная пленка; 7 - пакеты; 8 - детали
В лабораторных условиях с помощью реакции деполимеризации технического полиэтилена (она является обратной процессу полимеризации), например, из полиэтиленовых гранул, можно получить этилен (рис. 17):
Рис. 17.
Получение этилена деполимеризацией полиэтилена
На кратную связь, кроме реакции обесцвечивания бромной воды, существует еще одна качественная реакция - реакция обесцвечивания раствора перманганата калия КМп04 (рис. 18), уравнение которой
Рис. 18. Обесцвечивание раствора перманганата калия этиленом (качественная реакция на кратную связь)
Этилен - важнейший продукт химической промышленности, так как используется для получения других ценных веществ и материалов (рис. 19).
Рис. 19.
Применение этилена:
1 - в овощехранилищах для ускорения созревания плодов; 2-6 - производство органических соединений (полиэтилена 2, растворителей 3, уксусной кислоты 4, спиртов 5, 6)
Новые слова и понятия
- Алкены.
- Изомерия алкенов: углеродного скелета и положения кратной связи.
- Правила составления названий алкенов по номенклатуре ИЮПАК.
- Реакция дегидратации.
- Химические свойства этилена: взаимодействие с водородом, водой, галогенами, реакция полимеризации.
- Мономер, полимер, структурное звено, степень полимеризации.
- Качественные реакции на кратную связь.
Вопросы и задания
- Какие вещества называют алкенами?
- Дайте характеристику гомологического ряда алкенов согласно плану: а) общая формула; б) родовой суффикс; в) виды изомерии; г) номенклатура; д) характерные реакции.
- Как получают этилен: а) в промышленности; б) в лаборатории?
- По аналогии с этиленом запишите уравнения реакций получения пропена: а) промышленного (из пропана); б) лабораторного (из пропанола-1 СН 3 -СН 2 -СН 2 -ОН).
- Найдите химические термины-антонимы в названиях реакций, характерующих химические свойства и способы получения этилена. Дайте их определения.
- Какими способами можно отличить этилен от этана?
- Найдите массовую долю углерода в молекулах: а) пропана; б) пропилена (пропена).
- Найдите объем этилена (н. у.), полученного реакцией дегидратации 230 мл 95%-го этилового спирта (плотность 0,8 г/мл).
- Этилен горит светящим пламенем в отличие от бесцветного пламени этана. Почему? Ответ подтвердите расчетом массовой доли углерода в молекулах этих веществ. Составьте уравнение реакции горения этилена.