Схема распознавания углеводородов
Чтобы распознать неизвестный углеводород, проводят реакции не случайно, а от общего признака к частному: сначала проверяют наличие кратной связи, затем различают алкен и алкин, а для насыщенного вещества уточняют, является ли оно алканом или ареном.
Логика распознавания
Алканы содержат только одинарные связи C–C и C–H. Алкены имеют двойную связь C=C, алкины — тройную связь C≡C. Арены содержат ароматическое кольцо; главный школьный представитель аренов — бензол.
Качественная реакция — превращение, по наблюдаемому признаку которого обнаруживают вещество или определённую группу атомов. Признаками служат обесцвечивание раствора, выпадение осадка, выделение газа или появление характерного окрашивания.
Обесцвечивание бромной воды указывает на наличие кратной связи или легко протекающую реакцию присоединения. Но одна эта проба не различает алкен и алкин: оба класса обычно обесцвечивают бромную воду.
Первой пробой удобно взять бромную воду. Если окраска исчезает, вещество относят к алкенам или алкинам и переходят к следующей пробе. Если окраска сохраняется, среди основных вариантов остаются алкан и арен; их различают реакциями замещения с учётом условий.
| Класс | Бромная вода | Проба Байера | Характерная дополнительная проба |
|---|---|---|---|
| Алкан | не обесцвечивает без освещения или нагревания | не обесцвечивает | радикальное замещение с Br_2 на свету |
| Алкен | обесцвечивает | обесцвечивает | присоединение H_2, HX или H_2O |
| Алкин | обесцвечивает | обычно обесцвечивает | осадок с аммиачным раствором AgNO_3 для концевого алкина |
| Арен | бензол без катализатора не обесцвечивает | бензол не обесцвечивает | замещение Br_2 в присутствии FeBr_3 |
Шаг 1. Обнаружение кратной связи
В пробирку добавляют бромную воду и исследуемый углеводород. Для алкена происходит присоединение брома по двойной связи, поэтому жёлто-бурая окраска исчезает. Аналогично реагирует алкин: бром присоединяется по тройной связи, обычно последовательно образуя сначала дигалогеналкен, затем тетрагалогеналкан.
Если раствор не обесцветился, нельзя сразу утверждать, что это алкан: бензол тоже не даёт присоединения брома в обычных условиях. Необходимо провести пробу, учитывающую условия реакции.
Шаг 2. Проба Байера
Проба Байера — действие разбавленного холодного раствора перманганата калия. Алкены и многие алкины обесцвечивают фиолетовый раствор; часто образуется бурый осадок MnO_2. Это связано с окислением кратной связи.
Бромная вода и раствор KMnO_4 дают положительный результат и с алкенами, и с алкинами. Поэтому по одному обесцвечиванию нельзя выбрать между этими классами. Кроме того, некоторые арены с окисляемой боковой цепью могут обесцвечивать KMnO_4, хотя бензольное кольцо само по себе устойчиво.
Какой результат наиболее надёжно указывает на концевой алкин, если вещество уже обесцветило бромную воду?
Шаг 3. Различение алкена и алкина
Для концевого алкина применяют аммиачный раствор нитрата серебра. Атом водорода в группе –C≡C– обладает повышенной подвижностью, поэтому образуется осадок ацетиленида серебра. Алкены и внутренние алкины такой осадок не дают.
Следовательно, положительная проба на ион серебра подтверждает именно концевую тройную связь. Если осадок не образовался, но бромная вода и проба Байера положительны, вероятнее всего, это алкен либо внутренний алкин. В типовых экзаменационных схемах обычно подразумевается концевой алкин, если другой вариант не указан.
Шаг 4. Различение алкана и арена
Если бромная вода не обесцветилась, проводят реакцию бромирования в разных условиях. Алкан реагирует с бромом по радикальному механизму при освещении или нагревании: атом водорода замещается атомом брома. Бензол реагирует с бромом по электрофильному замещению только в присутствии катализатора FeBr_3 или Fe.
Важно сравнивать именно условия. Если к бензолу добавить бромную воду без катализатора, видимого обесцвечивания не будет. Если смесь алкана и брома освещать, реакция начнётся, но в темноте при комнатной температуре обычно не идёт заметно.
Разобранный пример
Неизвестное вещество X — один из углеводородов: этан, этен, этин или бензол. X обесцвечивает бромную воду, обесцвечивает раствор KMnO_4 и образует осадок с аммиачным раствором AgNO_3. Определим X.
Если бы осадка с AgNO_3 не было, по этим данным нельзя было бы однозначно выбрать между этеном и внутренним алкином: нужны дополнительные сведения или другая реакция.
В экзаменационном решении записывайте не только название вещества, но и наблюдение, реагент и условие: «бромная вода обесцвечивается»; «с аммиачным раствором AgNO_3 образуется осадок»; «Br_2 на свету реагирует с алканом, а с бензолом — в присутствии FeBr_3».
Типичные ошибки
1. Нельзя считать, что бромная вода различает алкен и алкин. 2. Нельзя писать «бензол обесцвечивает KMnO_4»: в обычной школьной пробе бензол не окисляется по кольцу. 3. Нельзя указывать бромирование алкана без света или нагревания. 4. Нельзя переносить условие FeBr_3 на реакцию алкана. 5. Осадок AgC≡CAg характерен для концевого, а не любого алкина.
Быстрая проверка
Итоги
- Бромная вода: положительная проба указывает на алкен или алкин, но не различает их.
- Проба Байера подтверждает ненасыщенность; алкены и многие алкины обесцвечивают KMnO_4.
- Аммиачный раствор AgNO_3 даёт осадок с концевыми алкинами.
- Алкан бромируется на свету или при нагревании, а бензол — в присутствии FeBr_3.
- Всегда учитывайте реагент, условие реакции и наблюдаемый признак.