Алкени: окиснення, полімеризація і добування етену

Етен, як і всі вуглеводні, здатний горіти в кисні. Однак через наявність подвійного зв'язку він вступає ще й у реакції м'якого окиснення, які не руйнують карбоновий скелет, а лише перетворюють подвійний зв'язок на дві гідроксильні групи. Розгляньмо обидва типи окиснення.

Повне окиснення (горіння)

Під час повного окиснення етену в надлишку кисню або на повітрі утворюються карбон(IV) оксид і вода:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

Етен горить світним, дещо кіптявим полум'ям — це пов'язано з вищою, ніж в алканів, масовою часткою Карбону в молекулі. Суміш етену з повітрям вибухонебезпечна, тому під час роботи з ним слід уникати джерел відкритого вогню.

Часткове окиснення розчином KMnO₄

Якщо етен пропускати крізь холодний розбавлений нейтральний або слабколужний розчин калій перманганату (KMnO₄), подвійний зв'язок окиснюється без розриву карбонового ланцюга. Продуктом реакції є двоатомний спирт — етан-1,2-діол (етиленгліколь):

3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HO–CH₂–CH₂–OH + 2MnO₂↓ + 2KOH

Ознаки реакції:

• фіолетове забарвлення розчину KMnO₄ зникає (відновлення Мангану)

• випадає бурий осад манган(IV) оксиду MnO₂

Разом зі знебарвленням бромної води ця реакція є якісною на подвійний зв'язок. Якщо в ланцюжку перетворень потрібно показати лише зміну органічної речовини, використовують спрощений запис:

CH₂=CH₂ + [O] + H₂O → HO–CH₂–CH₂–OH

Етан-1,2-діол (етиленгліколь) — в'язка безбарвна рідина, яку широко застосовують як компонент антифризів — рідин, що не замерзають за низьких температур у системах охолодження автомобілів.

Полімеризація — це процес сполучення багатьох однакових молекул (мономерів) в одну велику макромолекулу (полімер). Для алкенів вона відбувається за рахунок розриву подвійного зв'язку. Побічних продуктів при цьому не утворюється.

Полімеризація етену

За нагрівання, підвищеного тиску й у присутності каталізатора молекули етену сполучаються в поліетилен:

n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ

Тут етен (CH₂=CH₂) — мономер, ланка –CH₂–CH₂– повторюється в макромолекулі багато разів, а n — ступінь полімеризації, який може сягати десятків тисяч. У поліетилені немає подвійних зв'язків, тому він не знебарвлює бромну воду.

Полімеризація пропену

Пропен (CH₂=CH–CH₃) полімеризується аналогічно. До головного ланцюга входять лише ті атоми Карбону, що були в подвійному зв'язку, а метильна група (–CH₃) лишається бічною:

n CH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ

Продукт — поліпропілен, одна з найпоширеніших пластмас.

Молярна маса полімеру

Середню відносну молекулярну масу полімеру наближено (без урахування кінцевих груп) обчислюють за формулою:

Mr(полімеру) = n · Mr(мономера)

Наприклад, для поліетилену зі ступенем полімеризації n = 2000: Mr(мономера) = Mr(C₂H₄) = 28, отже Mr(полімеру) = 2000 · 28 = 56 000. Докладніше про властивості й застосування пластмас — у юніті «Пластмаси і волокна».

Етен — найважливіший представник алкенів, сировина для багатьох промислових синтезів. Його добувають трьома основними способами: дегідруванням етану, частковим гідруванням етину та дегідратацією етанолу.

Дегідрування етану (промисловий спосіб)

У промисловості етен одержують дегідруванням етану — відщепленням молекули водню:

CH₃–CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂

Реакцію проводять за сильного нагрівання: у промисловості — переважно піролізом (крекінгом) етану й нафтових фракцій за 750–900 °C, а також на каталізаторах (наприклад, Cr₂O₃).

Часткове гідрування етину

Етин (ацетилен) приєднує водень у дві стадії. Якщо зупинитися на першій, утворюється етен:

CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂

Стехіометричне співвідношення H₂ : C₂H₂ = 1 : 1 є необхідним, але не достатнім для отримання чистого етену. Для зупинки реакції на стадії етену потрібні селективний каталізатор (наприклад, паладій, отруєний сполуками Плюмбуму(II), — каталізатор Ліндлара) і контроль умов. Якщо використати активний каталізатор (наприклад, Ni) без обмежень, гідрування піде далі до етану:

CH≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃

Дегідратація етанолу (лабораторний спосіб)

У лабораторії етен добувають дегідратацією етанолу — відщепленням води за допомогою концентрованої сульфатної кислоти:

CH₃–CH₂–OH → CH₂=CH₂ + H₂O

Реакцію проводять за температури близько 170 °C. Концентрована H₂SO₄ виконує роль водовідбірного засобу й каталізатора — вона зв'язує воду, але не входить до складу продуктів.

Гідратація етену і дегідратація етанолу — зворотні процеси

Гідратація етену (приєднання води) і дегідратація етанолу (відщеплення води) є взаємно зворотними реакціями. Напрям процесу визначають умови:

Етен — одна з найважливіших хімічних сировин у світі. Його використовують для одержання багатьох продуктів, із якими ти щодня стикаєшся.

Основні напрями використання етену

• Етанол (гідратація етену): C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH — розчинник, пальне, сировина для харчової промисловості.

• Поліетилен (полімеризація): n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ — найпоширеніша пластмаса (пакування, труби, плівка).

• Етиленгліколь (часткове окиснення): CH₂=CH₂ + [O] + H₂O → HO–CH₂–CH₂–OH — антифризи.

• 1,2-дихлороетан (приєднання хлору): CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl–CH₂Cl — розчинник, сировина для ПВХ.

Ланцюжок етан → етен → етанол

Розгляньмо ланцюжок перетворень, фрагмент якого використано, зокрема, в демоваріанті НМТ-2026:

1. Дегідрування етану: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂ (каталізатор, t).

1. Гідратація етену: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH (H₃PO₄, t, p).

Повна схема: етан → етен → етанол. Над кожною стрілкою обов'язково зазначають реагент і умови.

Інші ланцюжки

Етанол → етен → поліетилен: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O (дегідратація, H₂SO₄, 170 °C); n C₂H₄ → (–CH₂–CH₂–)ₙ (полімеризація).

Етин → етен → етан: CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (селективний каталізатор); CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (каталізатор, t).

Зверни увагу: у низькомолекулярних речовинах (етан, етен, етанол) лишається по два атоми Карбону, але полімеризація об'єднує n молекул етену — у макромолекулі поліетилену приблизно 2n атомів C.

Як знайти невідому речовину X у схемі

У схемі «етан → X → етанол» речовина X має два атоми Карбону й подвійний зв'язок, бо з неї гідратацією утворюється етанол. Це етен (C₂H₄). Перевір: етан (C₂H₆) → дегідрування → етен (C₂H₄) → гідратація → етанол (C₂H₅OH).

Приклад 1. Логічні пари: реагенти й умови — органічний продукт

Установіть відповідність між вихідними речовинами й умовами (1–3) та органічним продуктом (А–Д).

1 C₂H₄ + H₂O (H₃PO₄, t, p)

2 C₂H₅OH (концентрована H₂SO₄, близько 170 °C)

3 C₂H₄ + KMnO₄ + H₂O (холодний розбавлений нейтральний розчин)

А етан-1,2-діол, Б етан, В етанол, Г поліетилен, Д етен

Розв'язання:

1. Гідратація етену (H₃PO₄, t, p) дає етанол (В).

1. Дегідратація етанолу (концентрована H₂SO₄, 170 °C) дає етен (Д).

1. М'яке окиснення етену холодним розбавленим KMnO₄ дає етан-1,2-діол (А).

Відповідь: 1В, 2Д, 3А.

Чому інші варіанти не підходять: Б (етан) — продукт гідрування етену, а не гідратації; Г (поліетилен) — продукт полімеризації, яка потребує нагрівання, тиску й каталізатора, а не H₃PO₄.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: невідома речовина в схемі

У схемі перетворень етан → X → етанол речовиною X є:

А етин, Б метан, В етен, Г поліетилен.

Розв'язання: З етану (C₂H₆) дегідруванням одержують етен (C₂H₄). Гідратація етену дає етанол (C₂H₅OH). Отже, X — етен (В).

Чому інші варіанти неправильні: А (етин) — гідратація етину дає етаналь, а не етанол; Б (метан) — з метану етанол в одну стадію не одержати; Г (поліетилен) — з поліетилену етанол не утворюється.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: продукт м'якого окиснення етену

Яка речовина утворюється, коли етен пропускають крізь холодний розбавлений нейтральний розчин калій перманганату?

А етанол, Б етан, В етан-1,2-діол, Г 1,2-дибромоетан.

Розв'язання: Холодний розбавлений нейтральний KMnO₄ м'яко окиснює подвійний зв'язок, перетворюючи його на дві гідроксильні групи. Утворюється етан-1,2-діол (В).

Чому інші варіанти неправильні: А (етанол) — продукт гідратації етену, а не окиснення; Б (етан) — продукт гідрування; Г (1,2-дибромоетан) — продукт приєднання брому в інертному розчиннику.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді: ланка поліпропілену

Укажіть ланку, що повторюється в поліпропілені.

А CH₂=CH–CH₃, Б –CH₂–CH₂–, В –CH₂–CH(CH₃)–, Г –CH₂–CH₂–CH₂–.

Розв'язання: Поліпропілен одержують полімеризацією пропену CH₂=CH–CH₃. До головного ланцюга входять лише атоми C подвійного зв'язку, а метильна група лишається бічною. Ланка, що повторюється: –CH₂–CH(CH₃)– (В).

Чому інші варіанти неправильні: А (CH₂=CH–CH₃) — мономер, а не ланка полімеру; Б (–CH₂–CH₂–) — ланка поліетилену, а не поліпропілену; Г (–CH₂–CH₂–CH₂–) — помилковий запис, де всі три атоми C потрапили в головний ланцюг.

• Плутати гідратацію етену (одержання етанолу) з дегідратацією етанолу (одержання етену). Запам'ятай: гідратація — приєднання води, дегідратація — відщеплення води.

• Вважати продуктом м'якого окиснення етену холодним розбавленим нейтральним KMnO₄ етанол або CO₂. За цих умов утворюється етан-1,2-діол. За інших умов (наприклад, жорстке окиснення гарячим підкисленим KMnO₄) продукти справді можуть відрізнятися — аж до CO₂, але це вже інша реакція.

• Ототожнювати мономер CH₂=CH₂ з ланкою –CH₂–CH₂– і вважати, що в поліетилені є подвійні зв'язки. Насправді під час полімеризації подвійний зв'язок розривається, і в полімері його немає — тому поліетилен не знебарвлює бромну воду.

• Записувати ланку поліпропілену як –CH₂–CH₂–CH₂–. Правильний запис: –CH₂–CH(CH₃)–, де метильна група є бічною, а не частиною головного ланцюга.

• Вважати, що співвідношення H₂ : C₂H₂ = 1 : 1 саме по собі гарантує етен. Потрібні селективний каталізатор і контроль умов, інакше можливе подальше гідрування до етану.

• Вважати концентровану H₂SO₄ у дегідратації реагентом, що входить у продукт. Насправді H₂SO₄ — водовідбірний засіб і каталізатор, вона не входить до складу продуктів.

• Вважати, що під час полімеризації виділяється вода. Полімеризація алкенів — це реакція приєднання, побічних продуктів немає. Вода виділяється лише в реакціях поліконденсації, а не полімеризації.

Тема 3.2.2 програми НМТ з хімії охоплює рівняння реакцій етену (часткове й повне окиснення, полімеризація) та його одержання (дегідрування етану, гідрування етину, дегідратація етанолу), а також обґрунтування застосування — одержання етанолу й поліетилену.

У демоваріанті НМТ-2026 полімеризація — одне з тверджень завдання 14 про алкен розгалуженої будови, а завдання 13 перевіряє типи реакцій у ланцюжку перетворень органічних сполук. Обидва — вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал.

Відповідність «реагенти й умови — продукт» трапляється у форматі «логічних пар» (завдання 19–20): 3 пари, 1 бал за кожну правильно встановлену пару.

Стратегія виконання

• У ланцюжку перетворень підпиши над кожною стрілкою реагент і умову, а потім перевір баланс атомів Карбону за коефіцієнтами.

• У завданнях про полімер пам'ятай: ступінь полімеризації n показує, скільки ланок у макромолекулі, а не одну ланку.

• Розрізняй гідратацію (приєднання H₂O) і дегідратацію (відщеплення H₂O) — це зворотні процеси з різними умовами.

• Для логічних пар спочатку визнач тип реакції за умовами, потім запиши продукт.

• Горіння етену: C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O.

• Холодний розбавлений нейтральний або слабколужний KMnO₄ окиснює етен до етан-1,2-діолу, фіолетове забарвлення зникає.

• n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ; з пропену — (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ; побічних продуктів немає.

• Етен добувають дегідруванням етану, селективним частковим гідруванням етину і дегідратацією етанолу.

• Гідратація етену дає етанол, дегідратація етанолу — етен.

• Етен — сировина для етанолу й поліетилену.