Урок 58. Хімічні властивості алканів: хлорування, нітрування, термічний розклад, ізомеризація. Механізм реакції галогенування
Очікувані результати
виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
формулює самостійно або у співпраці з іншими гіпотезу дослідження [12 ПРО 1.2.2-1 П]
підтверджує/спростовує самостійно або у співпраці з іншими гіпотезу дослідження [12 ПРО 1.5.2-1 П]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими можливість використання результатів дослідження для розв’язання навчальної/життєвої проблеми [12 ПРО 1.5.2-3 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
характеризує, використовуючи мову науки, самостійно або у співпраці з іншими, властивості природних і техногенних об’єктів, явища і процеси [12 ПРО 3.1.1-1 П]
класифікує (розрізняє/ систематизує/упорядковує) самостійно або у співпраці з іншими об’єкти і явища за визначеними ознаками/властивостями [12 ПРО 3.2.1-2 П]
установлює самостійно або у співпраці з іншими причиново-наслідкові зв’язки між певними явищами і процесами та їх наслідками [12 ПРО 3.3.1-1 П]
Мета уроку: навчитися описувати хімічні властивості алканів, наводити приклади хімічних реакцій хлорування, нітрування, термічного розкладу, ізомеризації алканів, зрозуміти механізм реакцій заміщення для алканів, установлювати причинно-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями алканів.
Очікувані результати для вчителя:
– учні ілюструють хімічними реакціями хімічні властивості алканів;
– розуміють, що алкани вступають у реакції заміщення;
– розрізняють назви реакцій відповідно до реагентів і умов проведення реакцій;
– усвідомлюють механізм радикального заміщення на прикладі реакції хлорування метану;
– установлюють причинно-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями алканів.
Очікувані результати для учнівства:
записують рівняння хімічних реакцій, які ілюструють хімічні властивості алканів,
розрізняють різні типи хімічних реакцій
установлюються причинно-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями алканів.
Ключові слова
алкани
механізм реакції радикального заміщення
галогенування
нітрування
термічний розклад
крекінг
піроліз
дегідрування
ізомеризація
каталізатор
План уроку
Мотивація (5 хв.).
Хімічні властивості алканів: галогенування, механізм реакції радикального заміщення (12 хв.).
Хімічні властивості алканів: нітрування, термічний розклад, ізомеризація (15 хв.).
Практикуємось (8 хв.).
Рефлексія (5 хв.).
1. Мотивація
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
Спостереження 1 відбувається, коли в зоні горіння достатньо кисню (як правило, у гарячій, майже невидимій, верхній частині полум’я). Відбувається повне окиснення парафіну, продуктами якого є карбон(IV) оксид та вода. Це пояснює “запотівання” скла, оскільки вода утворюється у вигляді гарячої пари і конденсується на холодній поверхні скельця.
Спостереження 2: відбувається, коли в зоні горіння недостатньо кисню (це типово для жовтої частини полум’я). Вуглець не встигає повністю окиснитися до CO2. Продуктами неповного окиснення в цьому випадку будуть вода та сажа. Це пояснює “почорніння” скла.
Таким чином можна не лише пригадати матеріал попереднього уроку, а й довести якісний склад вуглеводнів.
Візьміть скельце або скляну пластинку і потримайте її протягом 5-10 секунд над верхньою частиною полум’я свічки.
Спостереження 1: Якщо подивитися уважно, можна побачити, що на холодній поверхні скла одразу з’являються дрібні краплі – скло ніби “запотіває”.
Спостереження 2: Якщо потримати скельце трохи довше, особливо в середній, жовтій частині полум’я, на склі почне осідати чорний наліт, схожий на сажу.
Чому так відбувається?
Чи можете ви на основі проведеного дослідження прокоментувати якісний склад парафінів?
2. Хімічні властивості алканів: галогенування, механізм реакції радикального заміщення
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 12 хв.
Через те, що алкани – насичені сполуки, для них характерні реакції заміщення.
Розпочніть пояснення хімічних властивостей алканів, відштовхуючись від їх будови.
Поясніть постадійно механізм реакції радикального заміщення на прикладі хлорування метану. Пам’ятайте, що повністю галогенуються лише нижчі алкани. Наголосіть, що реакції галогенування проводять за допомогою F2, Cl2, Br2 (тоді їх назви відповідно: фторування, хлорування, бромування).
Пригадаємо до якого типу вуглеводнів належать алкани: насичені чи ненасичені?
Враховуючи наявність між атомами Карбону в молекулах алканів лише одинарних С – С зв’язків, як ви вважаєте який тип реакцій буде властивий алканам: реакції заміщення чи реакції приєднання? Поміркуйте і обґрунтуйте власну позицію.
Отже, алканам властиві реакції заміщення.
Загалом, алкани досить інертні речовини, які не взаємодіють за стандартних умов із кислотами, лугами, розчином калій перманганату (KMnO4, сильний окисник). Однак, за більш жорстких умов (наявність каталізатору, освітлення, УФ опромінення, нагрівання, зміна тиску тощо) алкани вступають в реакції радикального заміщення (позначення SR пояснюється т.ч.: від англ. substitution – заміщення, а індекс R вказує на вільний радикал). Вільний радикал – це частинка, що має неспарений електрон, за рахунок якого виявляє підвищену реакційну здатність. Вільні радикали завдяки підвищеній реакційній здатності можуть існувати протягом дуже короткого часу (приблизно 10–7 с); вони утворюються внаслідок гомолізу. Гомоліз, або гомолітичний розрив зв’язку – руйнування спільної електронної пари хімічного зв’язку, внаслідок чого кожна одержана частинка набуває по одному неспареному електрону, утворюючи вільні радикали. Формули радикалів записують з крапкою, яка символізує неспарений електрон:
(частково використано інформацію із конспекту лекцій Сумського державного університету)
Прикладом реакції, яка відбувається за механізмом радикального заміщення є галогенування алканів:1) На першій стадії галогенування (хлорування) метану відбувається ініціювання ланцюгу, а саме під дією світла – гомолітичне розщеплення галогену на два вільні радикали:
На другій стадії відбувається зростання ланцюга: вільні радикали хлору атакують зв’язок С— Н у молекулі метану, відриваючи при цьому атом гідрогену з утворенням гідрогенхлориду НСl і вільного метильного радикала (гомолітичний розрив С–Н зв’язку в метані і виникнення нового радикалу (СН3):
Метальний радикал, у свою чергу, атакує молекулу хлору, відриває атом галогену і утворює хлорометан СН3Сl та вільний радикал хлору:
(гомолітичний розрив Cl – Cl зв’язку і утворення вільного радикалу )
Утворений радикал хлору запускає повторно цикл зазначених перетворень, тобто відбувається ланцюговий процес, у якому атом хлору, витрачений на попередній стадії зростання ланцюга, сприяє вивільненню нового радикала хлору на наступній стадії. Таким чином, в залежності від співвідношення реагентів, утворюється суміш моно-, ди-. три- і тетрахлоропохідних метану.
Ланцюговий процес припиняється лише після зникнення всіх вільних радикалів, що утворюються в ході реакції.
Третя стадія – обрив ланцюга. Відбувається при випадковому зіткненні двох вільних радикалів, внаслідок чого утворюється нейтральна молекула. Найчастіше обрив ланцюгу спостерігається при взаємодії двох радикалів хлору, але можуть бути й інші варіанти, тому в реакціях галогенування алканів, крім бажаних речовин, утворюється велика кількість побічних продуктів, наприклад:
Дружня порада для вчителя
1) утворюється хлорометан
2) дихлорометан
3) трихлорометан СHCl3
4) тетрахлорометан CCl4
Можна поставити запитання учням чи може далі утворитися продукт реакції, який буде містити 5 атомів Хлору і чому вони так вважають.
Символ hν означає освітлення певної довжини хвилі λ.
Проілюструємо реакцію хлорування метану за вільнорадикальним (ланцюговим) механізмом:
Допишіть ще 2 стадії хлорування метану самостійно, враховуючи, що Карбон максимально може утворювати 4 хімічні зв’язки (IV-валентний) та назвіть утворені продукти реакцій.
Пригадавши з курсу фізики формулу λ=hν, поясніть чому в реакції над стрілкою зазначений символ hν.
3. Хімічні властивості алканів: нітрування, термічний розклад, ізомеризація.
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 15 хв.
Якщо є потреба, то термічний розклад можна також проілюструвати на прикладі крекінгу бутану за схемами:
Також на розсуд вчителя можна продемонструвати учням за потреби реакції (відео) з яких можна зробити висновок, що алкани не знебарвлюють бромну воду та розчин калій перманганату: https://youtu.be/4KkwNmYrlxU
Нітрування алканів (реакція Коновалова) – це заміщення атомів Гідрогену на нітрогрупу –NO2 при дії на алкани розведеною нітратною кислотою (10-15%) при 110-1400С під невеликим тиском.C2H6 + HNO3 →t, p C2H5NO2 + H2O
Зверніть увагу і обведіть, який саме атом Гідрогену в молекулі 2-метилбутану замістився на нітрогрупу.
Нітрування алканів переважно відбувається селективно: легше на нітрогрупу заміщується атом Гідрогену біля третинного атома С, потім – біля вторинного і в останню чергу – біля первинного.
Термічний розклад алканів: піроліз (піроліз – розклад при температурах вище 9000С) та крекінг алканів (крекінг – це процес хімічного розщеплення нафтових вуглеводнів при високих температурах 400 – 6000C чи в присутності каталізаторів, внаслідок чого відбувається розрив зв’язків між атомами і утворюються вуглеводні, які можуть мати меншу кількість атомів Карбону в молекулі, кратні зв’язки чи розгалужений ланцюг).
піроліз за 15000С: СН4 → С2Н2 + Н2; за 10000С: СН4 → С + Н2;
піроліз з окисненням за 15000С: СН4 + О2 → СО+ Н2 (синтез-газ)
крекінг (термін вживається коли йдеться про переробку нафтопродуктів): С10Н22 → С5Н12 + С5Н10
За жорстких умов алкани піддаються реакціям дегідрування – відщеплення атомів Н, яке може проходити різними шляхами. Приклад реакції дегідрування: (kt Сr2O3): С2Н6 → C2H4 + H2
До якого класу вуглеводнів належить речовина із формулою C2H4? Запишіть реакцію дегідрування будь-якого алкану із записом формул вуглеводнів у напівструктурному вигляді.
Ізомеризація алканів – це зміна структури карбонового ланцюгу при збереженні якісного і кількісного складу вуглеводню.
4. Практикуємось
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 8 хв.
Установіть відповідність між реагентом, умовами проведення реакцій та назвою даної реакції:
1) + Cl2, hν
А дегідрування
2) Al2O3, p, 0t
Б хлорування
3) +HNO3
В ізомеризація
4) +O2
Г нітрування
5) Cr2O3, -H2
Д горіння
Який тип хімічної реакції є найбільш характерним для алканів?
А гідратації
Б відщеплення
В приєднання
Г заміщення
Реакція хлорування метану відноситься до реакцій (за механізмом):
А радикального приєднання
Б радикального заміщення
В нуклеофільного приєднання
Г нуклеофільного заміщення
Які продукти утворюються при повному згоранні будь-якого алкану?
А) C та H2O
Б) CO та H2
В) CO2 та H2O
Г) CO2 та H2
Який галоген найлегше вступає в реакцію радикального заміщення (галогенування) з алканами?
А) Фтор
Б) Хлор
В) Бром
Г) Йод
При нагріванні метану до температури 1000–1200 °С відбувається реакція:
А) Галогенування
Б) Повне окиснення
В) Піроліз
Г) Нітрування
Запишіть реакцію крекінгу октану.
Запишіть реакцію ізомеризації гексану.
Відповідь:
1Б, 2В, 3Г, 4Д, 5А
г
б
в
а
в
У результаті крекінгу октану утворюється бутан та бутен.
У результаті ізомеризації гексану утворюється один із можливих структурних ізомерів гексану.
Рефлексія
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
Прийом має на меті у швидкій формі повторити основні моменти про, які йшлося на уроці.
Продовжіть речення:
Найбільш характерною реакцією для алканів є реакція…
Алкани – це …… вуглеводні
При повному згорянні алканів завжди утворюються …
У результаті ізомеризації алканів утворюється…
Для того, щоб відбулася реакція галогенування метану, потрібно …
Піроліз відрізняється від крекінгу тим, що…
Приклади галогенів – це…
У результаті реакції нітрування алканів, Гідроген заміщується на…
Синтез-газ – це суміш…
У вільний від відпочинку час
Навести по одному прикладу до кожного типу реакцій, про які йшлося на уроці. Не використовувати ті алкани, на прикладі яких вже були записані реакції.
2. Хімічні властивості алканів: галогенування, механізм реакції радикального заміщення
Пригадаємо до якого типу вуглеводнів належать алкани: насичені чи ненасичені?
Враховуючи наявність між атомами Карбону в молекулах алканів лише одинарних С – С зв’язків, як ви вважаєте який тип реакцій буде властивий алканам: реакції заміщення чи реакції приєднання? Поміркуйте і обґрунтуйте власну позицію.
Отже, алканам властиві реакції заміщення.
Загалом, алкани досить інертні речовини, які не взаємодіють за стандартних умов із кислотами, лугами, розчином калій перманганату (KMnO4, сильний окисник). Однак, за більш жорстких умов (наявність каталізатору, освітлення, УФ опромінення, нагрівання, зміна тиску тощо) алкани вступають в реакції радикального заміщення (позначення SR пояснюється т.ч.: від англ. substitution – заміщення, а індекс R вказує на вільний радикал). Вільний радикал – це частинка, що має неспарений електрон, за рахунок якого виявляє підвищену реакційну здатність. Вільні радикали завдяки підвищеній реакційній здатності можуть існувати протягом дуже короткого часу (приблизно 10–7 с); вони утворюються внаслідок гомолізу. Гомоліз, або гомолітичний розрив зв’язку – руйнування спільної електронної пари хімічного зв’язку, внаслідок чого кожна одержана частинка набуває по одному неспареному електрону, утворюючи вільні радикали. Формули радикалів записують з крапкою, яка символізує неспарений електрон:
(частково використано інформацію із конспекту лекцій Сумського державного університету)
Прикладом реакції, яка відбувається за механізмом радикального заміщення є галогенування алканів:1) На першій стадії галогенування (хлорування) метану відбувається ініціювання ланцюгу, а саме під дією світла – гомолітичне розщеплення галогену на два вільні радикали:
На другій стадії відбувається зростання ланцюга: вільні радикали хлору атакують зв’язок С— Н у молекулі метану, відриваючи при цьому атом гідрогену з утворенням гідрогенхлориду НСl і вільного метильного радикала (гомолітичний розрив С–Н зв’язку в метані і виникнення нового радикалу (СН3):
Метальний радикал, у свою чергу, атакує молекулу хлору, відриває атом галогену і утворює хлорометан СН3Сl та вільний радикал хлору:
(гомолітичний розрив Cl – Cl зв’язку і утворення вільного радикалу )
Утворений радикал хлору запускає повторно цикл зазначених перетворень, тобто відбувається ланцюговий процес, у якому атом хлору, витрачений на попередній стадії зростання ланцюга, сприяє вивільненню нового радикала хлору на наступній стадії. Таким чином, в залежності від співвідношення реагентів, утворюється суміш моно-, ди-. три- і тетрахлоропохідних метану.
Ланцюговий процес припиняється лише після зникнення всіх вільних радикалів, що утворюються в ході реакції.
Третя стадія – обрив ланцюга. Відбувається при випадковому зіткненні двох вільних радикалів, внаслідок чого утворюється нейтральна молекула. Найчастіше обрив ланцюгу спостерігається при взаємодії двох радикалів хлору, але можуть бути й інші варіанти, тому в реакціях галогенування алканів, крім бажаних речовин, утворюється велика кількість побічних продуктів, наприклад:
Проілюструємо реакцію хлорування метану за вільнорадикальним (ланцюговим) механізмом:
Допишіть ще 2 стадії хлорування метану самостійно, враховуючи, що Карбон максимально може утворювати 4 хімічні зв’язки (IV-валентний) та назвіть утворені продукти реакцій.
Пригадавши з курсу фізики формулу λ=hν, поясніть чому в реакції над стрілкою зазначений символ hν.
3. Хімічні властивості алканів: нітрування, термічний розклад, ізомеризація.
Нітрування алканів (реакція Коновалова) – це заміщення атомів Гідрогену на нітрогрупу –NO2 при дії на алкани розведеною нітратною кислотою (10-15%) при 110-1400С під невеликим тиском.C2H6 + HNO3 →t, p C2H5NO2 + H2O
Зверніть увагу і обведіть, який саме атом Гідрогену в молекулі 2-метилбутану замістився на нітрогрупу.
Нітрування алканів переважно відбувається селективно: легше на нітрогрупу заміщується атом Гідрогену біля третинного атома С, потім – біля вторинного і в останню чергу – біля первинного.
Термічний розклад алканів: піроліз (піроліз – розклад при температурах вище 9000С) та крекінг алканів (крекінг – це процес хімічного розщеплення нафтових вуглеводнів при високих температурах 400 – 6000C чи в присутності каталізаторів, внаслідок чого відбувається розрив зв’язків між атомами і утворюються вуглеводні, які можуть мати меншу кількість атомів Карбону в молекулі, кратні зв’язки чи розгалужений ланцюг).
піроліз за 15000С: СН4 → С2Н2 + Н2; за 10000С: СН4 → С + Н2;
піроліз з окисненням за 15000С: СН4 + О2 → СО+ Н2 (синтез-газ)
крекінг (термін вживається коли йдеться про переробку нафтопродуктів): С10Н22 → С5Н12 + С5Н10
За жорстких умов алкани піддаються реакціям дегідрування – відщеплення атомів Н, яке може проходити різними шляхами. Приклад реакції дегідрування: (kt Сr2O3): С2Н6 → C2H4 + H2
До якого класу вуглеводнів належить речовина із формулою C2H4? Запишіть реакцію дегідрування будь-якого алкану із записом формул вуглеводнів у напівструктурному вигляді.
Ізомеризація алканів – це зміна структури карбонового ланцюгу при збереженні якісного і кількісного складу вуглеводню.
4. Практикуємось
Установіть відповідність між реагентом, умовами проведення реакцій та назвою даної реакції:
1) + Cl2, hν
А дегідрування
2) Al2O3, p, 0t
Б хлорування
3) +HNO3
В ізомеризація
4) +O2
Г нітрування
5) Cr2O3, -H2
Д горіння
Який тип хімічної реакції є найбільш характерним для алканів?
А гідратації
Б відщеплення
В приєднання
Г заміщення
Реакція хлорування метану відноситься до реакцій (за механізмом):
А радикального приєднання
Б радикального заміщення
В нуклеофільного приєднання
Г нуклеофільного заміщення
Які продукти утворюються при повному згоранні будь-якого алкану?
А) C та H2O
Б) CO та H2
В) CO2 та H2O
Г) CO2 та H2
Який галоген найлегше вступає в реакцію радикального заміщення (галогенування) з алканами?
А) Фтор
Б) Хлор
В) Бром
Г) Йод
При нагріванні метану до температури 1000–1200 °С відбувається реакція:
Ділись та обговорюй важливе