🧬

Αλκένια – Αιθένιο

Προσθήκη, κανόνας Markovnikov, πολυμερισμός, καύση

Πώς ένα αέριο γίνεται πλαστική σακούλα;

Το αιθένιο είναι ένα άχρωμο αέριο με μικρά μόρια $CH_2=CH_2$ . Κι όμως, αν «ανοίξεις» τον διπλό του δεσμό, χιλιάδες τέτοια μόρια ενώνονται σε μια τεράστια αλυσίδα: το πολυαιθυλένιο της σακούλας του σούπερ μάρκετ. Ο διπλός δεσμός είναι το «μυστικό» των αλκενίων: τα κάνει δραστικά και τους επιτρέπει να προσθέτουν άλλα μόρια. Αυτό μαθαίνεις εδώ.

Αλκένια: γενικά

Αλκένια (ή ολεφίνες) είναι οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με έναν διπλό δεσμό στο μόριο. Γενικός τύπος $C_\nu H_{2\nu}$ ( $\nu \ge 2$ ).

$C_2H_4$ : $CH_2=CH_2$ αιθένιο ή αιθυλένιο
$C_3H_6$ : $CH_3CH=CH_2$ προπένιο ή προπυλένιο
$C_4H_8$ : 1-βουτένιο, 2-βουτένιο, μεθυλοπροπένιο

Γύρω από τον διπλό δεσμό η διάταξη είναι επίπεδη. Λόγω δραστικότητας τα αλκένια δεν είναι διαδεδομένα στη φύση· το αιθυλένιο όμως είναι φυτική ορμόνη που προκαλεί την ωρίμανση των φρούτων. Η ρίζα $CH_2=CH-$ λέγεται βινύλιο.

Προέλευση – παρασκευές

Βιομηχανικά: με πυρόλυση του πετρελαίου· τα αλκένια έως 4 C παράγονται καθαρά (κυρίως για πλαστικά).
Στο εργαστήριο, με αντιδράσεις απόσπασης (οι εξισώσεις διδάσκονται, αλλά δεν απομνημονεύονται):

Αφυδάτωση αλκοολών (πυκνό $H_2SO_4$ , θέρμανση): $CH_3CH_2OH \rightarrow CH_2=CH_2 + H_2O$
Αφυδραλογόνωση αλκυλοχλωριδίων με αλκοολικό διάλυμα $NaOH$ : $CH_3CH_2Cl + NaOH \rightarrow CH_2=CH_2 + NaCl + H_2O$

Φυσικές ιδιότητες: ίδιες ουσιαστικά με των αλκανίων — $C_2 - C_4$ αέρια, $C_5 - C_{14}$ υγρά, ανώτερα στερεά, αδιάλυτα στο νερό, διαλυτά σε οργανικούς διαλύτες. Το αιθένιο είναι άχρωμο αέριο με ασθενή χαρακτηριστική οσμή.

Αντιδράσεις προσθήκης

Τα αλκένια είναι πολύ πιο δραστικά από τα αλκάνια· οι ιδιότητές τους είναι ιδιότητες του διπλού δεσμού. Στην προσθήκη ένα μόριο $X-\Psi$ ( $H-H$ , $Br-Br$ , $H-Cl$ , $H-OH$ ) «ανοίγει» τον διπλό δεσμό και τα δύο τμήματά του συνδέονται στα δύο άτομα C:

$H_2$ (υδρογόνωση, καταλύτες $Pt$ , $Pd$ , $Ni$ ): $CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3CH_3$ · γενικά $C_\nu H_{2\nu} + H_2 \rightarrow C_\nu H_{2\nu+2}$
$Br_2$ (ή $Cl_2$ ): $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$ (1,2-διβρωμοαιθάνιο). Το κόκκινο διάλυμα $Br_2$ σε $CCl_4$ αποχρωματίζεται αμέσως — απλός έλεγχος ακορεστότητας, που δεν τον δίνουν τα αλκάνια.
$HCl$ (υδραλογόνα): $CH_2=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3CH_2Cl$ · γενικά $C_\nu H_{2\nu} + HCl \rightarrow C_\nu H_{2\nu+1}Cl$
$H_2O$ (ενυδάτωση, όξινος καταλύτης π.χ. $H_2SO_4$ ): $CH_2=CH_2 + H_2O \rightarrow CH_3CH_2OH$ · γενικά $C_\nu H_{2\nu} + H_2O \rightarrow C_\nu H_{2\nu+1}OH$

Κόλπο μνήμης

Το διάλυμα $Br_2$ είναι το «τεστ ακορεστότητας»: κόκκινο που ξεβάφει = υπάρχει διπλός ή τριπλός δεσμός· κόκκινο που μένει = κορεσμένη ένωση. Σκέψου ότι ο πολλαπλός δεσμός «ρουφάει» το βρώμιο — και μαζί του το χρώμα.

Κανόνας του Markovnikov

Όταν ένα μη συμμετρικό μόριο $HA$ ( $HCl$ , $HBr$ , $H_2O$ ) προστίθεται σε μη συμμετρικό αλκένιο, είναι δυνατά δύο προϊόντα. Κατά τον κανόνα του Markovnikov:

το H προστίθεται κατά προτίμηση στο άτομο C του διπλού δεσμού που έχει τα περισσότερα άτομα H.

Έτσι το $A$ ( $Cl$ , $Br$ , $OH$ ) καταλήγει στον «φτωχότερο» σε H άνθρακα. Για συμμετρικά αλκένια (αιθένιο, 2-βουτένιο) ή συμμετρικά μόρια ( $H_2$ , $Br_2$ ) δεν τίθεται θέμα.

$CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow \underset{\text{2-χλωροπροπάνιο (κύριο)}}{CH_3-CHCl-CH_3} \qquad CH_3-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} \underset{\text{2-προπανόλη}}{CH_3-CH(OH)-CH_3}$

Πολυμερισμός και καύση

Πολυμερισμός είναι η συνένωση πολλών μικρών μορίων (μονομερή) σε ένα μεγάλο μόριο (πολυμερές). Στα αλκένια γίνεται πολυμερισμός προσθήκης: ο διπλός δεσμός κάθε μονομερούς ανοίγει και τα μόρια ενώνονται σε αλυσίδα:

$\nu CH_2=CH-A \rightarrow (-CH_2-CH(A)-)_\nu$

Παραδείγματα (ο πίνακας διδάσκεται, δεν απομνημονεύεται): αιθένιο $\rightarrow$ πολυαιθυλένιο (σακούλες, δοχεία), προπένιο $\rightarrow$ πολυπροπυλένιο (σχοινιά, αδιάβροχα), βινυλοχλωρίδιο $CH_2=CHCl$ $\rightarrow$ PVC (σωλήνες), ακρυλονιτρίλιο $CH_2=CHCN$ $\rightarrow$ πολυακρυλονιτρίλιο (orlon, τεχνητό μαλλί), στυρόλιο $\rightarrow$ πολυστυρόλιο (μονωτικά). Η χρήση κάθε πολυμερούς ακολουθεί τις μηχανικές του ιδιότητες.

Καύση: $CH_2=CH_2 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$ · γενικά $C_\nu H_{2\nu} + \frac{3\nu}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + \nu H_2O$ (ίσα mol $CO_2$ και $H_2O$ ).

Ήξερες ότι;

Το πολυαιθυλένιο ανακαλύφθηκε κατά λάθος το 1933 στην Αγγλία: σε ένα πείραμα αιθενίου σε πολύ υψηλή πίεση, οι ερευνητές βρήκαν στο δοχείο ένα λευκό κηρώδες στερεό. Μια μικρή ποσότητα οξυγόνου από μια διαρροή είχε ξεκινήσει, χωρίς να το ξέρουν, τον πολυμερισμό.

Μέθοδος: προϊόν προσθήκης σε αλκένιο

Εντόπισε τα δύο C του διπλού δεσμού και μέτρα τα H του καθενός.
Το αντιδραστήριο είναι συμμετρικό ( $H_2$ , $Br_2$ ) ή το αλκένιο συμμετρικό; Τότε ένα προϊόν.
Αλλιώς: το H πηγαίνει στον C με τα περισσότερα H, το υπόλοιπο ( $Cl$ , $Br$ , $OH$ ) στον άλλον.
Ο διπλός γίνεται απλός — συμπλήρωσε και ονόμασε (π.χ. αλκοόλη, αλκυλαλογονίδιο).

Άσκηση: Να γραφούν τα κύρια προϊόντα: (α) αιθένιο + $Br_2$ , (β) 1-βουτένιο + $HBr$ , (γ) 2-βουτένιο + $H_2O$ , (δ) μεθυλοπροπένιο + $HCl$ .

Λύση:

(α) $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2BrCH_2Br$ — 1,2-διβρωμοαιθάνιο
(β) $CH_2=CHCH_2CH_3 + HBr \rightarrow CH_3CHBrCH_2CH_3$ — 2-βρωμοβουτάνιο (το H στον $C_1$ που έχει 2 H)
(γ) $CH_3CH=CHCH_3 + H_2O \rightarrow CH_3CH(OH)CH_2CH_3$ — 2-βουτανόλη (συμμετρικό αλκένιο, ένα προϊόν)
(δ) $CH_2=C(CH_3)CH_3 + HCl \rightarrow (CH_3)_3CCl$ — 2-χλωρο-2-μεθυλοπροπάνιο (το H στον $CH_2$ )

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το κύριο προϊόν της αντίδρασης $CH_3CH=CH_2 + HBr$ ;

Άσκηση: Ποσότητα προπενίου υδρογονώνεται πλήρως (καταλύτης $Ni$ ) και το προπάνιο που σχηματίζεται καίγεται πλήρως δίνοντας $7{,}2\ g$ $H_2O$ . Ποια ήταν η μάζα του προπενίου; ( $M_r$ $C_3H_6$ = 42)

Λύση: Έστω $x\ mol$ $C_3H_6$ :

$C_3H_6 + H_2 \rightarrow C_3H_8 \ (x\ mol) \qquad C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O \ (4x\ mol)$

$4x = \frac{7{,}2}{18} = 0{,}4 \Rightarrow x = 0{,}1\ mol$ , άρα $m = 0{,}1 \cdot 42 = 4{,}2\ g$ .

Άσκηση: $4{,}48\ L$ αερίου αλκενίου (STP) καίγονται πλήρως και σχηματίζονται $10{,}8\ g$ $H_2O$ . Ποιος είναι ο μοριακός τύπος;

Λύση: $n_{αλκ} = 0{,}2\ mol$ , $n_{H_2O} = \frac{10{,}8}{18} = 0{,}6\ mol$ . Από $C_\nu H_{2\nu} + \frac{3\nu}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + \nu H_2O$ :

$0{,}2 \cdot \nu = 0{,}6 \Rightarrow \nu = 3 \quad (C_3H_6,\ \text{προπένιο})$

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο αντιδραστήριο διακρίνει το αιθένιο από το αιθάνιο;

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: $4{,}48\ L$ (STP) μίγματος αιθανίου και αιθενίου διαβιβάζονται σε περίσσεια διαλύματος $Br_2$ σε $CCl_4$ και η μάζα του διαλύματος αυξάνεται κατά $2{,}8\ g$ .

Δεδομένα: $V_{μίγματος} = 4{,}48\ L$ (STP), $\Delta m = 2{,}8\ g$ .

Ζητούμενα: (α) η σύσταση του μίγματος σε mol, (β) η μάζα του $Br_2$ που αντέδρασε, (γ) ο όγκος $O_2$ (STP) για πλήρη καύση του αρχικού μίγματος.

Λύση:

(α) Μόνο το αιθένιο αντιδρά και «κρατιέται» στο διάλυμα ( $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2BrCH_2Br$ ), άρα η αύξηση μάζας είναι η μάζα του: $n_{C_2H_4} = \frac{2{,}8}{28} = 0{,}1\ mol$ . Συνολικά $n = 0{,}2\ mol$ , οπότε $n_{C_2H_6} = 0{,}1\ mol$ .

(β) $n_{Br_2} = 0{,}1\ mol \Rightarrow m = 0{,}1 \cdot 160 = 16\ g$ .

(γ) $C_2H_6 + \frac{7}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$ και $C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$ :

$n_{O_2} = 3{,}5 \cdot 0{,}1 + 3 \cdot 0{,}1 = 0{,}65\ mol \Rightarrow V = 14{,}56\ L$

Απάντηση: (α) $0{,}1\ mol$ από το καθένα, (β) $16\ g$ $Br_2$ , (γ) $14{,}56\ L$ $O_2$ .

Γρήγορος έλεγχος

Από ποιο μονομερές παρασκευάζεται το PVC;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το προϊόν της ενυδάτωσης του αιθενίου παρουσία οξέος;

Πρόκληση

το αλκένιο με το ένα προϊόν. $2{,}8\ g$ ενός αλκενίου αποχρωματίζουν ακριβώς $8\ g$ $Br_2$ . ( $A_r$ : C = 12, H = 1, Br = 80) (α) Βρες τον μοριακό τύπο. (β) Γράψε τα άκυκλα ισομερή του. (γ) Ποιο από αυτά δίνει με $HBr$ ένα μόνο προϊόν, χωρίς κύριο και δευτερεύον;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $n_{Br_2} = \frac{8}{160} = 0{,}05\ mol$ . Στην προσθήκη $C_\nu H_{2\nu} + Br_2 \rightarrow C_\nu H_{2\nu}Br_2$ η αναλογία είναι $1 : 1$ , άρα $n_{αλκενίου} = 0{,}05\ mol$ και $M_r = \frac{2{,}8}{0{,}05} = 56$ . $14\nu = 56 \Rightarrow \nu = 4$ → $C_4H_8$ .

(β) $CH_2=CHCH_2CH_3$ (1-βουτένιο), $CH_3CH=CHCH_3$ (2-βουτένιο), $CH_2=C(CH_3)CH_3$ (μεθυλοπροπένιο).

(γ) Το 2-βουτένιο: είναι συμμετρικό, και οι δύο άνθρακες του διπλού δεσμού έχουν από ένα H, οπότε όπου κι αν πάει το H το προϊόν είναι το ίδιο: $CH_3CH=CHCH_3 + HBr \rightarrow CH_3CHBrCH_2CH_3$ (2-βρωμοβουτάνιο). Το 1-βουτένιο και το μεθυλοπροπένιο είναι μη συμμετρικά και δίνουν κύριο προϊόν κατά Markovnikov.

Απάντηση: (α) $C_4H_8$ , (β) 1-βουτένιο, 2-βουτένιο, μεθυλοπροπένιο, (γ) το 2-βουτένιο.

Συνηθισμένα λάθη

Markovnikov ανάποδα. Το H πηγαίνει στον C με τα περισσότερα H — «όποιος έχει, του δίνεται».
Markovnikov σε συμμετρικά. Στο αιθένιο ή στο 2-βουτένιο και στις προσθήκες $H_2$ / $Br_2$ υπάρχει ένα μόνο προϊόν.
Το προϊόν «κρατά» τον διπλό δεσμό. Μετά την προσθήκη ο διπλός γίνεται απλός — το προϊόν είναι κορεσμένο.
Πολυμερισμός χωρίς διπλό δεσμό. Μόνο μονομερή με $C=C$ δίνουν πολυμερισμό προσθήκης.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Αλκένια $C_\nu H_{2\nu}$ , επίπεδη διάταξη, πολύ δραστικότερα από τα αλκάνια· βιομηχανικά από πυρόλυση.
Προσθήκες: $H_2$ (αλκάνιο), $Br_2$ (αποχρωματισμός — έλεγχος ακορεστότητας), $HX$ (αλκυλαλογονίδιο), $H_2O$ (αλκοόλη).
Markovnikov: το H στον C του διπλού δεσμού με τα περισσότερα H.
Πολυμερισμός προσθήκης: πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, PVC, orlon, πολυστυρόλιο.
Καύση: $C_\nu H_{2\nu} + \frac{3\nu}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + \nu H_2O$ .

Αλκένια: γενικά

Αλκένια (ή ολεφίνες) είναι οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με έναν διπλό δεσμό στο μόριο. Γενικός τύπος

C_\nu H_{2\nu}

(

\nu \ge 2

C_2H_4

CH_2=CH_2

αιθένιο ή αιθυλένιο

C_3H_6

CH_3CH=CH_2

προπένιο ή προπυλένιο

C_4H_8

: 1-βουτένιο, 2-βουτένιο, μεθυλοπροπένιο

CH_2=CH-

λέγεται βινύλιο.