Освітня галузь / Природнича / Інтегровані курси природничої галузі / Хімія 10 клас / Вуглеводні / Алкадієни. Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв’язками. Хімічні властивості алкадієнів: повне окиснення, реакції приєднання, полімеризація. Застосування алкадієнів. Природний каучук

Тема 5. Вуглеводні

матеріал 5

Алкадієни. Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв’язками. Хімічні властивості алкадієнів: повне окиснення, реакції приєднання, полімеризація. Застосування алкадієнів. Природний каучук

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 68. Алкадієни. Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв’язками. Хімічні властивості алкадієнів: повне окиснення, реакції приєднання, полімеризація. Застосування алкадієнів. Природний каучук

Очікувані результати

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
пропонує варіанти організації роботи групи: розподілення обов’язків, налагодження комунікації для розв’язання навчальної/життєвої проблеми [12 ПРО 4.4.1]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх [12 ПРО 1.5.2]
добирає самостійно або у співпраці з іншими форми подання інформації і її перетворення [12 ПРО 2.2.1]

Мета уроку:

З’ясувати будову молекул алкадієнів, особливості алкадієнів з спряженими подвійними зв’язками, вплив спряжених подвійних зв`язків на властивості алкадієнів.
Ознайомити з хімічними властивостями алкадієнів зі спряженими зв’язками. Пояснити механізм полімеризації бутадієну.
Показати значення алкадієнів у промисловості, зокрема для виробництво каучуку.

Очікувані результати для вчителя:

– складати формули алкадієнів, називати їх та ідентифікувати спряжені системи за структурою;
– передбачати продукти реакцій приєднання;
– працювати з інформацією, аналізувати інформацію, формулювати висновки.

Очікувані результати для учнівства:

знає будову, номенклатуру, ізомерію алкадієнів;
пояснює, що таке спряження зв’язків;
складає рівняння реакцій повного окиснення, приєднання й полімеризації;
описує добування та застосування каучуку.

Ключові слова

алкадієни
подвійний зв’язок
sp²– гібридизація
σ – і π- зв’язки
реакції
полімери
каучук

План уроку

Мотивація
Тобі може знадобитися. Теоретичний блок.
Життєва ситуація. Робота з вчителем.
Попрактикуйте самостійно. Виконання вправ.
Рефлексія.

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Приймаємо усі відповіді правильні/неправильні. Важливі логіка та пояснення. Корекція відповідей відбудеться в процесі вивчення теми

Вправа «Що буде якщо…»

Що буде, якщо в молекулі вуглеводню з`явиться два подвійні зв`язки? Чи вплине це на будову та властивості вуглеводнів?

2.Тобі може знадобитися

Алкадієни.

Номенклатура. Ізомерія.

Алкадієни (дієнові вуглеводні) – ненасичені вуглеводні, молекули яких містять два подвійні зв’язки між атомами Карбону. Загальна формула алкадієнів СnН2n-2. .

За систематичною номенклатурою назви алкадієнів утворюють від назв відповідних алканів додаванням суфіксів -а та -дієн до кореня назви; перед назвою зазначають місця і назви замісників у абетковому порядку, а перед суфіксом -дієн зазначають місця подвійних зв’язків. Головний ланцюг молекули алкадієну повинен включати обидва подвійні зв’язки, а нумерація атомів Карбону в ланцюзі здійснюється так, щоб подвійні зв’язки одержали найменші порядкові номери.

В молекулах дієнових вуглеводнів два подвійних зв’язки можуть знаходитись у різних положеннях один відносно одного.

Залежно від розміщення подвійних зв’язків алкадієни поділяють на три типи:

1) кумульовані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розташовані поруч, наприклад: СН2=С=СН2 пропадієн (аллен) Такі алкадієни відносяться до досить рідкого типу сполук.
2) спряжені або кон’юговані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розділені одним одинарним С–С-зв’язком, наприклад: СН2=СН–СН=СН2 бутадієн-1,3
3) ізольовані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розділені двома і більше одинарними С–С-зв’язками, наприклад: СН2=СН–СН2–СН=СН2 пентадієн-1,4

Властивості алкадієнів значною мірою залежать від взаємного розташування подвійних зв’язків у їх молекулах.

З практичного боку найважливішими є дієнові вуглеводні зі спряженими подвійними зв’язками, тобто розділеними розділені одним σ-зв’язком.

Ізомерія. Для алкадієнів характерні ті ж види ізомерії, що і для алкенів:

ізомерія карбонового скелета,

ізомерія положення подвійних зв’язків,

геометрична (цис-, транс-) ізомерія,

міжкласова ізомерія (з алкінами).

Ізомерія спряжених алкадієнів

1) Ізомерія положення спряжених подвійних зв’язків
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН⁴ – СН2⁵– СН3⁶ гекса-1,3-дієн
- Н3С¹ – СН² = СН2³ –СН⁴ = СН⁵ – СН3⁶ гекса-2,4-дієн
2) Ізомерія карбонового ланцюга:
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН⁴ – СН3⁵ пента-1,3-дієн

2-метилбута-1,3-дієн

3) Міжкласова ізомерія з алкінами.
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН2³ бута-1,3-дієн
- НС¹≡ С² – СН2³ – СН3⁴ бут-1-ин

4) Просторова ізомерія Алкадієнам властива цис- і транс- ізомерія

Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв`язками.

Будова дієнових вуглеводнів зі спряженими зв’язками має деякі особливості. Розглянемо їх на прикладі бута-1,3-дієну. У цій молекулі всі чотири атоми Карбону перебувають у стані sр²-гібридизащї. Гібридні електронні орбіталі, перекриваючись, утворюють σ-зв’язки. Негібридизовані p-електронні орбіталі перекриваються не лише між атомами С¹—С² і С³—С⁴, а й частково між С²—С³ . У результаті утворюється спільна π-електронна хмара, що охоплює всі атоми Карбону. У цьому разі говорять про спряжену π-електронну систему і делокалізацію електронів по всій системі, тобто їх розосередження.

Схема утворення σ – звязків в молекуля бута-1,3-дієну:

Схема перекривання р – електронних орбіталей в молекулі бута-1,3-дієну:

Будова молекули бута-1,3- дієну:

Перерозподіл електронної густини в молекулі приводить до скорочення зв’язку, розміщеного між подвійними, і супроводжується виділенням енергії, що сприяє підвищенню стабільності системи. Цю енергію називають енергією спряження. Наприклад, у молекулі бута-1,3-дієну довжина зв’язку С²—С³ становить 0,146 нм, довжина зв’язку С—С в етані — 0,154 нм. Енергія спряження 1,3-бутадієну становить ~15 кДж/моль.

Отже, три зв’язки, що з’єднують чотири атоми Карбону, не є насправді ні простими, ні подвійними. Взаємодія двох сусідніх π-зв’язків сприяє процесу взаємного впливу атомів в цій системі (ефект спряження) і пониженню загальної енергії молекули. Електронна густина спряженої системи π-зв’язків значно легше поляризується, ніж ізольованих π-зв’язків. Тому дієнові вуглеводні зі спряженими подвійними зв’язками легше ніж алкени, вступають у реакції за рахунок розриву π-зв’язків. Оскільки при поляризації електронна густина спряжених π-зв’язків веде себе як єдина система, то переважає приєднання реагенту по кінцях спряженої системи, тобто у положення 1,4.

Хімічні властивості алкадієнів.

Повне окиснення алкадієнів відбувається з виділенням теплоти й утворенням вуглекислого газу й води:

2Н2С = СН – СН = СН2 + 11О2 → 8СО2 + 6Н2О, ΔΗ < 0

Реакції приєднання.

Дієнові вуглеводні як ненасичені сполуки вступають у реакції електрофільного приєднання. Якщо етенові вуглеводні здатні приєднувати по одній молекулі водню, галогенів чи гідроген галогенідів, то дієнові можуть приєднувати по дві молекули цих речовин.

Приєднання водню (гідрування)

При гідруванні бута-1,3-дієну за нагрівання та в присутності каталізатора Ni розриваються два подвійні зв’язки крайніх атомів Карбону (1С і 4С) за місцем розриву яких приєднуються атоми Гідрогену, та утворюється подвійний зв’язок між атомами 2С і 3С,

Н2С = СН – СН = СН2 + Н2 →H3C – CH = CH – CH3.
З бута -1,3-дієну утворюється бута-2-ен. .
При повному гідрування утворюється бутан
                                                                                   + Н2
Н2С = СН – СН = СН2 + Н2 →H3C – CH = CH – CH3 →. H3C – CH2 – CH2 – CH3
Приєднання галогенів (галогенування)
                                                                            +Br2
СН2 = СН – СН = СН2 + Br2→СН2Br –СН = СН –СН2Br→СН2Br –СНBr– СНBr – СН2Br
                                                 1,4 – дибромобут-2-ен 1,2,3,4 -тетрабромобутан

Галогени можуть приєднуватися до спряжених алкадієнів у двох напрямках: 1,4- і 1,2-приєднання. За низької температури переважає продукт 1,2- приєднання:
СН2Br –СНBr– СН = СН2 1,2 – дибромобут-1-ен, а за підвищеної температури 1,4 – приєднання: СН2Br –СН = СН –СН2Br 1,4 – дибромобут-2-ен. .
За посиланням електрофільне приєднання брому до бута-1,3- дієну. Клікаєте на частини схеми справа і зліва бачите як відбувається реакція в 3D.
https://www.chemtube3d.com/electrophilic-addition-to-alkenes-electrophilic-addition-to-dienes/

Приєднання гідроген галогенідів (галогеноводнів).

+HBr

СН2 = СН – СН = СН2 + НBr → СН3 –СН = СН – СН2Br → СН3 –СНBr – СН2 – СН2Br

1-бромобут-2-ен 1,3-дибромобутан

Реакція полімеризації спряжених алкадієнів. Ця реакція має важливе значення у виробництві синтетичних каучуків. Рівняння реакції полімеризації бут-1,3-дієну в присутності каталізатора:

nCH2=CH-CH=CH2→(-СН2 – СН=СН – СН2-)n – полібутадієн

Каучуки – це еластичні високомолекулярні матеріали, з яких методом вулканізації (нагрівання з сіркою) одержують гуму. Полімеризація бута-1,3-дієну може відбуватися або по типу 1,4- приєднання, або по змішаному типу 1,2 і 1,4-приєднання, напрямок залежить від умов проведення реакції.

Застосування алкадієнів. Природний каучук.

Дуже важлива властивість дієнових вуглеводнів — здатність до реакцій полімеризації. За цим способом добувають синтетичні каучуки. Еластомери (каучуки) – це природні або синтетичні високомолекулярні сполуки, що відрізняються від інших полімерів високою еластичністю, водонепроникністю.

Молекули каучуків зазвичай скручені в клубки. Під час розтягування молекули витягуються, а після зняття зовнішнього навантаження — скручуються. Цим пояснюється еластичність каучуків

Натуральний (природний) каучук – це високомолекулярна ненасичена сполука з відносною молекулярною масою 15 000-500 000, мономером якої є дієновий вуглеводень 2-метилбута-1,3-дієн С₅Н₈. Тривіальна назва цієї сполуки — ізопрен. Молочний сік бразильської гевеї та інших каучуконосних рослин (кок-сагизу, крим-сагизу або кульбаби осінньої тощо), який ще називають латексом, містить у складі полімер ізопрену. Під час нагрівання або іншої обробки цей полімер вивільнюється й утворює натуральний каучук.

Рівняння реакції полімеризації 2-метилбута-1,3-дієну (ізопрену):

З розвитком автомобільної промисловості потреба в каучуку, з якого виготовляли шини, стрімко зростала. Виробництво натурального каучуку не могло задовольнити всі потреби, потрібно було добути каучук синтетичний. Уперше синтетичний бутадієновий каучук полімеризацією бутадієну добув 1910 року С. В. Лебедєв, який згодом став одним із засновників промислового синтезу каучуків.

Більша частина натурального та синтетичного каучуків витрачається на виробництво автомобільних, авіаційних та велосипедних шин. Латекс і натуральний каучук використовують у виробництві медичних засобів (еластичний бинт, хірургічні рукавички, катетери тощо), а також гумок для стирання, повітряних кульок, деяких видів взуття, тощо.

Матеріали на основі каучуків. Вулканізація. Гума

Натуральний каучук та його синтетичні аналоги мають певні недоліки. Вироби з них недостатньо міцні, їхня еластичність проявляється у невеликому інтервалі температур: за низької температури взимку вони стають надто твердими та розтріскуються, а за високої температури влітку — розм’якшуються та перетворюються на липку масу.

Проблему було розв’язано після відкриття процесу вулканізації каучуку. Виявилося, що внаслідок нагрівання каучуку із сіркою утворюється продукт, позбавлений цих вад: міцний, еластичний, витривалий до змін температури в широкому діапазоні. . Під час вулканізації сірка приєднується за місцем подвійних зв’язків, утворюючи дисульфідні містки, що ніби «зшивають» полімерні ланцюги між собою з утворенням полімеру просторової будови, завдяки чому каучук стає міцнішим та еластичнішим, зменшується його розчинність.

Під час вулканізації до каучуків додають також наповнювачі, стабілізатори, пластифікатори тощо. Вулканізацією каучуку добувають різні види гуми:

м’яку гуму (містить 1-3 % сірки);
напівтверду гуму (містить 10-15 % сірки);
тверду гуму, або ебоніт (містить 30-50 % сірки).

4. Життєва ситуація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Чи можна їздити на зимових шинах влітку? Поясніть свою відповідь.

Відповідь:

Ні , не можна.Шини, що не відповідають сезону експлуатації, можуть суттєво вплинути на безпеку дорожнього руху та технічний стан автомобіля. Що буде якщо їздити на зимовій гумі влітку?

Використання зимових шин у теплу пору року є небезпечним для безпеки руху, а також нераціонально з точки зору витрат. Що буде у такому разі?

Збільшений гальмівний шлях

Погіршення керованості та стійкості – зимові покришки через підвищену еластичність схильні «плавати» на теплому асфальті.

Передчасне зношування протектора – через м’якість гумової суміші, а також високу температуру навколишнього середовища та нагрітих доріг, шини стираються в рази швидше, ніж при їзді взимку

Відмінність зимової гуми від літньої

Гумова суміш та температурний режим експлуатації. Колеса для холодної пори року розроблені для роботи в умовах низьких температур і виготовляються з більш м’якої гуми, яка зберігає еластичність, забезпечуючи краще зчеплення із засніженою та зледенілою дорогою. Таким чином вони зберігають свої експлуатаційні характеристики, що робить їх незамінними при морозах. Літні автошини втрачають свої властивості при заморозках, стаючи жорсткими та менш ефективними на снігу та льоду. Вони виготовляються з більш твердої суміші, яка запобігає їх надмірному зносу та покращує зчеплення на нагрітому асфальті.

Більш детально:
https://prokoleso.ua/ua/info/vse-o-shinah/vplyv-temperatury-na-robotu-shyn-yak-zberegty-bezpeku-vzymku-ta-vlitku/?srsltid=AfmBOorCGdvao_3pNqRnvKxm

5. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

Запишіть формули сполук за наведеними назвами:
- а) пента-1,2-дієну;
- б) 2,3-дибромобута-1,3-дієну;
- в) 2-метилгекса-1,4-дієн
Запишіть рівняння реакцій взаємодії 1,3-пентадієну з бромом. Назвіть продукти реакцій.
Обчисліть об’єм кисню (н. у.), необхідного для спалювання бутадієну кількістю речовини 4 моль.

Відповідь:

СН2 = С = СН – СН2 – СН3
- СH2 = СBr –СBr = СH2
- CH2 = C(CH3) – CH=CH – CH2 – CH3
СН2=СН-СН =СН- СН3 +Br2→ СН2Br-СН=СН-СНBr-СН3 1,4-дибромопент-2-ен
- СН2Br-СН=СН-СНBr-СН3 +Br2→ СН2Br-СНBr-СН Br-СНBr-СН3 1,2,3,4- тетрабромопентан
2С4Н6 + 11О2→8СО2 + 6Н2О
- n(O2) = 22 моль
- V(O2)=n(O2)*Vm = 22 моль*22,4л/моль = 492,8 л

Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 2 хв.

Вправа «SMS»

Напиши sms-повідомлення другу про головне з сьогоднішнього уроку (не більше 15 слів).

У вільний від відпочинку час

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 2хв.

Знайдену інформацію учні можуть презентувати на наступному уроці або при вивчення відповідної теми.

Знайди інформацію про синтетичні каучуки та заповни таблицю «Синтетичні каучуки»:

Назва	Вихідна речовина (мономер)	Формула полімеру	Властивості та застосування

Відповідь:

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 68. Алкадієни. Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв’язками. Хімічні властивості алкадієнів: повне окиснення, реакції приєднання, полімеризація. Застосування алкадієнів. Природний каучук

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Мета уроку:

З’ясувати будову молекул алкадієнів, особливості алкадієнів з спряженими подвійними зв’язками, вплив спряжених подвійних зв`язків на властивості алкадієнів.
Ознайомити з хімічними властивостями алкадієнів зі спряженими зв’язками. Пояснити механізм полімеризації бутадієну.
Показати значення алкадієнів у промисловості, зокрема для виробництво каучуку.

Очікувані результати для учнівства:

знає будову, номенклатуру, ізомерію алкадієнів;
пояснює, що таке спряження зв’язків;
складає рівняння реакцій повного окиснення, приєднання й полімеризації;
описує добування та застосування каучуку.

Ключові слова

алкадієни
подвійний зв’язок
sp²– гібридизація
σ – і π- зв’язки
реакції
полімери
каучук

План уроку

Мотивація
Тобі може знадобитися. Теоретичний блок.
Життєва ситуація. Робота з вчителем.
Попрактикуйте самостійно. Виконання вправ.
Рефлексія.

1. Мотивація

Вправа «Що буде якщо…»

2.Тобі може знадобитися

Алкадієни.

Номенклатура. Ізомерія.

Залежно від розміщення подвійних зв’язків алкадієни поділяють на три типи:

1) кумульовані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розташовані поруч, наприклад: СН2=С=СН2 пропадієн (аллен) Такі алкадієни відносяться до досить рідкого типу сполук.
2) спряжені або кон’юговані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розділені одним одинарним С–С-зв’язком, наприклад: СН2=СН–СН=СН2 бутадієн-1,3
3) ізольовані – алкадієни, у яких подвійні зв’язки у карбоновому ланцюзі розділені двома і більше одинарними С–С-зв’язками, наприклад: СН2=СН–СН2–СН=СН2 пентадієн-1,4

Ізомерія. Для алкадієнів характерні ті ж види ізомерії, що і для алкенів:

ізомерія карбонового скелета,

ізомерія положення подвійних зв’язків,

геометрична (цис-, транс-) ізомерія,

міжкласова ізомерія (з алкінами).

Ізомерія спряжених алкадієнів

1) Ізомерія положення спряжених подвійних зв’язків
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН⁴ – СН2⁵– СН3⁶ гекса-1,3-дієн
- Н3С¹ – СН² = СН2³ –СН⁴ = СН⁵ – СН3⁶ гекса-2,4-дієн
2) Ізомерія карбонового ланцюга:
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН⁴ – СН3⁵ пента-1,3-дієн

2-метилбута-1,3-дієн

3) Міжкласова ізомерія з алкінами.
- Н2С¹ = СН² – СН³ = СН2³ бута-1,3-дієн
- НС¹≡ С² – СН2³ – СН3⁴ бут-1-ин

4) Просторова ізомерія Алкадієнам властива цис- і транс- ізомерія

Будова молекул алкадієнів зі спряженими зв`язками.

Схема утворення σ – звязків в молекуля бута-1,3-дієну:

Схема перекривання р – електронних орбіталей в молекулі бута-1,3-дієну:

Будова молекули бута-1,3- дієну:

Хімічні властивості алкадієнів.

Повне окиснення алкадієнів відбувається з виділенням теплоти й утворенням вуглекислого газу й води:

2Н2С = СН – СН = СН2 + 11О2 → 8СО2 + 6Н2О, ΔΗ < 0

Реакції приєднання.

Приєднання водню (гідрування)

Приєднання гідроген галогенідів (галогеноводнів).

+HBr

СН2 = СН – СН = СН2 + НBr → СН3 –СН = СН – СН2Br → СН3 –СНBr – СН2 – СН2Br

1-бромобут-2-ен 1,3-дибромобутан

nCH2=CH-CH=CH2→(-СН2 – СН=СН – СН2-)n – полібутадієн

Застосування алкадієнів. Природний каучук.

Рівняння реакції полімеризації 2-метилбута-1,3-дієну (ізопрену):

Матеріали на основі каучуків. Вулканізація. Гума

м’яку гуму (містить 1-3 % сірки);
напівтверду гуму (містить 10-15 % сірки);
тверду гуму, або ебоніт (містить 30-50 % сірки).

4. Життєва ситуація

Чи можна їздити на зимових шинах влітку? Поясніть свою відповідь.

5. Попрактикуймо самостійно

Запишіть формули сполук за наведеними назвами:
- а) пента-1,2-дієну;
- б) 2,3-дибромобута-1,3-дієну;
- в) 2-метилгекса-1,4-дієн
Запишіть рівняння реакцій взаємодії 1,3-пентадієну з бромом. Назвіть продукти реакцій.
Обчисліть об’єм кисню (н. у.), необхідного для спалювання бутадієну кількістю речовини 4 моль.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рефлексія

Вправа «SMS»

Напиши sms-повідомлення другу про головне з сьогоднішнього уроку (не більше 15 слів).

У вільний від відпочинку час

Знайди інформацію про синтетичні каучуки та заповни таблицю «Синтетичні каучуки»:

Назва	Вихідна речовина (мономер)	Формула полімеру	Властивості та застосування

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе