Простейший непредельный углеводород с двойной связью — этилен C2H4 или CH2=CH2, как уже указывалось, является родоначальником гомологического ряда непредельных этиленовых * углеводородов:
$$\underset{\text{этилен}}{\mathrm{C_2H_4}} \quad \underset{\text{пропилен}}{\mathrm{C_3H_6}} \quad \underset{\text{бутилен}}{\mathrm{C_4H_8}} \quad \underset{\text{амилен}}{\mathrm{C_5H_{10}}} \quad \underset{\text{гексилен}}{\mathrm{C_6H_{12}}} \cdots \underset{\text{децилен}}{\mathrm{C_{10}H_{20}}} \text{ и т. д.}$$
Состав любого углеводорода этого ряда выражает общая формула CnH2n (где n — число атомов углерода).
Состав членов гомологического ряда непредельных ацетиленовых ** углеводородов (с тройной связью), родоначальником которых является ацетилен C2H2, или CH≡CH, выражается общей формулой CnH2n−2.
Общая формула CnH2n−2 выражает также состав углеводородов с двумя двойными связями **; из них отметим бутадиен (или дивинил) C4H6 и изопрен C5H8, имеющие следующее строение:
Известны углеводороды с бо́льшим числом двойных (полиены) или тройных (полиины) связей.
Непредельные углеводороды могут быть получены из предельных путем каталитического отщепления водорода (реакция дегидрирования, или дегидрогенизации). Например, из содержащегося в попутном нефтяном газе этана получают этилен, а из бутана — бутадиен:
$$\underset{\text{этан}}{\mathrm{CH_3{-}CH_3}} \xrightarrow[-\mathrm{H_2}]{\text{катализатор}} \underset{\text{этилен}}{\mathrm{CH_2{=}CH_2}}$$
$$\underset{\text{бутан}}{\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}} \xrightarrow[-2\mathrm{H_2}]{\text{катализатор}} \underset{\text{бутадиен}}{\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2}}$$
Изопрен может быть получен дегидрированием изопентана:
Важным источником получения этилена и его гомологов служат газообразные и жидкие продукты крекинга углеводородов нефти. Крекингом называют процесс расщепления углеводородов с длинными цепями на молекулы меньшей длины, происходящий в присутствии катализаторов (каталитический крекинг) или при нагревании предельных углеводородов до 500—700 °C под давлением (термический крекинг). Например:
$$\underset{\text{бутан}}{\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}} \longrightarrow \underset{\text{этан}}{\mathrm{CH_3{-}CH_3}} + \underset{\text{этилен}}{\mathrm{CH_2{=}CH_2}}$$
Крекинг нефтяных продуктов позволяет получать смеси низкокипящих углеводородов (например, бензин) из углеводородов с высокой температурой кипения. При крекинге наряду с предельными углеводородами всегда получаются и непредельные. Непредельные углеводороды, образующиеся при крекинге, а также полученные дегидрированием предельных углеводородов, содержащихся в попутных газах нефтедобычи, все шире используются в промышленности органического синтеза в качестве сырья для производства пластических масс, химических волокон, спиртов, каучукоподобных материалов, моющих средств, растворителей и других ценных продуктов.
Физические свойства этиленовых и ацетиленовых углеводородов в гомологических рядах изменяются с той же закономерностью, как и у предельных: низшие представители — газы, более сложные — жидкости, а затем — вещества с постепенно возрастающими температурами плавления и кипения, находящиеся при обычных условиях в твердом состоянии.
По химическим свойствам непредельные углеводороды резко отличаются от предельных; они исключительно реакционноспособны и вступают в разнообразные реакции присоединения. Такие реакции происходят путем присоединения атомов или групп атомов к атомам углерода, связанным двойной или тройной связью. При этом кратные связи довольно легко разрываются и превращаются в простые.
Так, этилен и ацетилен легко присоединяют бром, переходя в соответствующие ди- и тетрагалогенпроизводные:
$$\underset{\text{этилен}}{\mathrm{CH_2{=}CH_2}} + \mathrm{Br_2} \longrightarrow \underset{\text{дибромэтан}}{\mathrm{CH_2Br{-}CH_2Br}}$$
$$\underset{\text{ацетилен}}{\mathrm{CH{\equiv}CH}} \xrightarrow{+\mathrm{Br_2}} \underset{\text{дибромэтилен}}{\mathrm{CHBr{=}CHBr}} \xrightarrow{+\mathrm{Br_2}} \underset{\text{тетрабромэтан}}{\mathrm{CHBr_2{-}CHBr_2}}$$
Реакция может служить для обнаружения непредельных углеводородов — бурая окраска брома быстро исчезает.
Другой качественной реакцией на наличие кратных связей служит окисление перманганатом калия: непредельные соединения окисляются очень легко с разрывом кратных связей, а фиолетовая окраска KMnO4 при этом исчезает.
Важным свойством непредельных углеводородов является способность их молекул соединяться друг с другом или с молекулами других непредельных углеводородов (реакция полимеризации, § 177).
Этилен C2H4 — бесцветный газ со слабым приятным запахом, довольно хорошо растворимый в воде. Его температура кипения −103,8 °C, температура затвердевания −169,5 °C. На воздухе он горит слегка светящимся пламенем.
Этилен — весьма важное сырье для получения ряда синтетических продуктов, особенно этилового спирта, этиленоксида (окиси этилена), этиленгликоля (антифриз), полиэтилена (см. § 177) и др.
Ацетилен C2H2 — бесцветный газ с характерным слабым запахом; температура кипения −83,8 °C, температура затвердевания −80,8 °C. Технический ацетилен, получаемый из карбида кальция, пахнет неприятно из-за имеющихся в нем примесей. На воздухе ацетилен горит сильно коптящим пламенем. При его сгорании выделяется большое количество теплоты. Поэтому ацетилен в смеси с кислородом широко используют для сварки и резки металлов (автогенная сварка; температура пламени до 3150 °C). Взрывоопасен; смеси с воздухом, содержащие от 2,3 до 80,7 % ацетилена, взрывают от искры. Трудно растворим в воде; под небольшим давлением (1,2—1,5 МПа) хорошо растворяется в ацетоне (до 300 объемов) и в таком виде безопасен.
Действие воды на карбид кальция CaC2 до сих пор остается одним из распространенных способов получения ацетилена:
$$\mathrm{CaC_2} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow \mathrm{CH{\equiv}CH} + \mathrm{Ca(OH)_2}$$
Новый, современный метод получения ацетилена заключается в пиролизе (превращение при высоких температурах) углеводородов, главным образом метана:
$$2\mathrm{CH_4} \xrightarrow{1500\ ^\circ\mathrm{C}} \mathrm{CH{\equiv}CH} + 3\mathrm{H_2}$$
Ацетилен, подобно этилену, — ценное химическое сырье. Из него получают уксусный альдегид, этиловый спирт, уксусную кислоту, синтетические каучуки, пластические массы и другие продукты.
В области непредельных, а особенно ацетиленовых углеводородов большое значение имеют исследования, проведенные А. Е. Фаворским (1860—1945) и его учениками. Фаворский открыл большое число различных перегруппировок молекул при химических реакциях и показал, как можно управлять этими процессами.
* Раньше этиленовые углеводороды называли также олефинами, а углеводороды с двумя двойными связями — диэтиленовыми, или диолефинами. По систематической номенклатуре ИЮПАК углеводороды ряда этилена называют алкенами, с двумя двойными связями — алкадиенами, а ацетиленовые — алкинами.
** См. примечание на стр. 455.