Углеводороды. Полимеры

Углеводороды — самые простые органические вещества: они состоят только из углерода и водорода. Именно их мы добываем в виде природного газа и нефти (тема 6.4). Углеводороды различаются тем, какие связи соединяют атомы углерода: одинарные, двойные или тройные.

Алканы

Алканы — предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны только одинарными связями. Общая формула алканов \(\ce{C_nH_{2n+2}}\): метан \(\ce{CH4}\), этан \(\ce{C2H6}\), пропан \(\ce{C3H8}\), бутан \(\ce{C4H10}\). Каждый следующий алкан отличается от предыдущего на группу \(\ce{CH2}\); такой ряд называют гомологическим. Алканы горят, выделяя много теплоты, поэтому служат топливом. На свету они вступают в реакции замещения с хлором:

\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}, \qquad \ce{CH4 + Cl2 ->[h\nu] CH3Cl + HCl} \]

Алкены и этилен

Алкены — непредельные углеводороды с одной двойной связью, их общая формула \(\ce{C_nH_{2n}}\). Простейший алкен — этилен \(\ce{CH2=CH2}\), бесцветный газ. По двойной связи к этилену легко присоединяются другие молекулы: водород, бром, вода, хлороводород. Раствор брома в воде (бромная вода) бурого цвета при этом обесцвечивается, и это качественная реакция на кратную связь.

\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br}, \qquad \ce{CH2=CH2 + H2O ->[\text{кат.}] C2H5OH} \]

Этилен — важнейшее сырьё химической промышленности. А ещё это растительный гормон: он ускоряет созревание плодов, поэтому зелёные бананы дозаривают в камерах с этиленом.

Ацетилен

Ацетилен \(\ce{HC#CH}\) — углеводород с тройной связью. Его получают действием воды на карбид кальция. Ацетилен, как и этилен, обесцвечивает бромную воду. В кислороде он горит ослепительным пламенем с температурой около 3000 °C, поэтому ацетилен используют для сварки и резки металлов.

\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2 ^}, \qquad \ce{2C2H2 + 5O2 -> 4CO2 + 2H2O} \]

Полимеризация и полимеры

Благодаря двойной связи молекулы этилена могут соединяться друг с другом в очень длинные цепи. Реакцию соединения множества одинаковых молекул (мономеров) в одну огромную молекулу называют полимеризация. Из этилена получается полиэтилен:

\[ \ce{$n$CH2=CH2 ->[t^\circ, p, \text{кат.}] (-CH2-CH2-)_{$n$}} \]

Полимеры — вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев. Синтетические полимеры — полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, капрон — идут на пластмассы, плёнки, волокна, резину. Природные полимеры — крахмал, целлюлоза, белки — мы рассмотрим в последнем уроке темы. Большой вред природе наносят пластиковые отходы, которые разлагаются сотни лет, поэтому их собирают раздельно и перерабатывают.