Caratteristiche degli alcani. Alcani: nomenclatura, preparazione, proprietà chimiche. Esempi di risoluzione dei problemi

Le proprietà chimiche degli idrocarburi saturi sono determinate dalla presenza di atomi di carbonio e idrogeno e di legami $C-H$ e $C-C$ nelle loro molecole.

Nella molecola dell'alcano più semplice, il metano, i legami chimici sono formati da 8 elettroni di valenza (4 elettroni dall'atomo di carbonio e 4 dagli atomi di idrogeno), che si trovano in quattro orbitali molecolari di legame.

Quindi, in una molecola di metano, quattro legami covalenti $ sp3-s (C-H) $ sono formati da quattro orbitali ibridati $ sp3 $ dell'atomo di carbonio e orbitali s di quattro atomi di idrogeno (Fig. 1).

La molecola di etano è formata da due tetraedri di carbonio: un legame covalente $sp3-sp3 (C-C)$ e sei legami covalenti $sp3-s (C-H)$ (Fig. 2).

Figura 2. Struttura della molecola di etano: a - posizionamento dei legami $\sigma $ nella molecola; b - modello tetraedrico della molecola; c - modello ball-and-stick della molecola; d - modello in scala di una molecola secondo Stewart - Briegleb

Caratteristiche dei legami chimici negli alcani

Nei tipi di legami covalenti considerati, le regioni di maggiore densità elettronica si trovano sulla linea che collega i nuclei atomici. Questi legami covalenti sono formati da $\sigma $-$(\rm M)$$(\rm O)$ localizzati e sono chiamati legami $\sigma $. Una caratteristica importante di questi legami è che la densità elettronica in essi è distribuita simmetricamente rispetto all'asse che passa attraverso i nuclei atomici (simmetria cilindrica della densità elettronica). Grazie a ciò, gli atomi o i gruppi di atomi collegati da questo legame possono ruotare liberamente senza provocare la deformazione del legame. L'angolo tra le direzioni delle valenze degli atomi di carbonio nelle molecole di alcani è $109^\circ 28"$. Pertanto, nelle molecole di queste sostanze, anche con una linea retta catena del carbonio Gli atomi di carbonio in realtà non sono disposti in linea retta. Questa catena ha una forma a zigzag, che è associata alla conservazione degli angoli di intervallo degli atomi di carbonio (Fig. 3).

Figura 3. Schema della struttura della catena del carbonio di un alcano normale

Nelle molecole di alcani con una catena di carbonio sufficientemente lunga, questo angolo è aumentato di $2^\circ$ a causa della repulsione degli atomi di carbonio che non sono legati tra loro da valenza.

Nota 1

Ogni legame chimico caratterizzato da una certa energia. È stato stabilito sperimentalmente che l'energia di legame $C-H$ in una molecola di metano è 422,9 kJ/mol, etano - 401,9 kJ/mol e altri alcani - circa 419 kJ/mol. L'energia del legame $C-C$ è 350 kJ/mol.

Relazione tra la struttura degli alcani e la loro reattività

L'elevata energia dei legami $C-C$ e $C-H$ determina la bassa reattività degli idrocarburi saturi a temperatura ambiente. Pertanto, gli alcani non scoloriscono l'acqua di bromo, la soluzione di permanganato di potassio, non interagiscono con i reagenti ionici (acidi, alcali) e non reagiscono con agenti ossidanti o metalli attivi. Pertanto, ad esempio, il sodio metallico può essere immagazzinato nel cherosene, che è una miscela di idrocarburi saturi. Anche concentrato acido solforico che carbonizza molto materia organica, a temperatura ambiente non ha alcun effetto sugli alcani. Data la reattività relativamente bassa degli idrocarburi saturi, un tempo venivano chiamati paraffine. Gli alcani non hanno la capacità di aggiungere idrogeno, alogeni e altri reagenti. Pertanto, questa classe di sostanze organiche è stata chiamata idrocarburi saturi.

Le reazioni chimiche degli idrocarburi saturi possono verificarsi a causa della scissione dei legami $C-C$ o $C-H$. La rottura dei legami $C-H$ è accompagnata dall'eliminazione degli atomi di idrogeno con formazione di composti insaturi o dalla successiva sostituzione dell'eliminazione degli atomi di idrogeno con altri atomi o gruppi di atomi.

A seconda della struttura dell'alcano e delle condizioni di reazione nelle molecole di idrocarburi saturi, il legame $C-H$ può essere rotto omoliticamente:

Figura 4. Proprietà chimiche degli alcani

Ed eterolitico con formazione di anioni e cationi:

Figura 5. Proprietà chimiche degli alcani

In questo caso si possono formare radicali liberi che hanno un elettrone spaiato, ma non hanno carica elettrica, oppure carbocationi o carbanioni, che hanno la corrispondente cariche elettriche. I radicali liberi si formano come particelle intermedie nelle reazioni del meccanismo radicale, mentre i carbocationi e i carbanioni nelle reazioni del meccanismo ionico.

A causa del fatto che i legami $C-C$ sono non polari, e i legami $C-H$ sono poco polari, e questi legami $\sigma $ hanno una bassa polarizzabilità, la scissione eterolitica dei legami $\sigma $ nelle molecole di alcani con la formazione di ioni richiede molta energia. La scissione emolitica di questi legami richiede meno energia. Pertanto, per gli idrocarburi saturi, le reazioni che procedono mediante un meccanismo radicalico sono più tipiche. La scissione del legame $\sigma $ $C-C$ richiede meno energia della scissione del legame $C-H$, poiché l'energia del legame $C-C$ è inferiore all'energia del legame $C-H$. Tuttavia reazioni chimiche si verificano più spesso con la scissione dei legami $C-H$, poiché sono più accessibili ai reagenti.

L'influenza della ramificazione e delle dimensioni degli alcani sulla loro reattività

La reattività del legame $C-H$ cambia durante la transizione da alcani con struttura lineare ad alcani con struttura ramificata. Ad esempio, l’energia di dissociazione del legame $C-H$ (kJ/mol) durante la formazione dei radicali liberi cambia come segue:

Figura 6. Proprietà chimiche degli alcani

Inoltre, il valore dell'energia di ionizzazione (IE) per gli alcani mostra che un aumento del numero totale di legami $\sigma $ aumenta le loro proprietà donatrici e diventa più facile rimuovere un elettrone per composti con un peso molecolare più elevato, ad esempio :

Figura 7. Proprietà chimiche degli alcani

Quindi, nei processi radicalici, le reazioni avvengono prevalentemente nell'atomo di carbonio terziario, poi in quello secondario e infine in quello primario, che coincide con la serie di stabilità dei radicali liberi. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, la tendenza osservata diminuisce o si stabilizza completamente.

Pertanto, gli alcani sono caratterizzati da due tipi di reazioni chimiche:

1. sostituzione dell'idrogeno, principalmente mediante meccanismo radicale e
2. scissione della molecola dietro i legami $C-C$ o $C-H$.

Proprietà chimiche degli alcani

Gli alcani (paraffine) sono idrocarburi non ciclici nelle cui molecole tutti gli atomi di carbonio sono collegati solo da legami singoli. In altre parole, non ci sono legami multipli, doppi o tripli, nelle molecole degli alcani. Gli alcani, infatti, sono idrocarburi contenenti il ​​massimo numero possibile di atomi di idrogeno, e quindi sono detti limitanti (saturi).

A causa della saturazione, gli alcani non possono subire reazioni di addizione.

Poiché gli atomi di carbonio e idrogeno hanno un'elettronegatività abbastanza vicina, ciò porta al fatto che i legami C-H nelle loro molecole sono estremamente polari. A questo proposito, per gli alcani, sono più tipiche le reazioni che procedono attraverso il meccanismo di sostituzione radicalica, indicato con il simbolo S R.

1. Reazioni di sostituzione

In reazioni di questo tipo i legami carbonio-idrogeno si rompono

DE + XY → RX + HY

Alogenazione

Gli alcani reagiscono con gli alogeni (cloro e bromo) se esposti alla luce ultravioletta o al calore elevato. In questo caso si forma una miscela di derivati ​​degli alogeni con vari gradi di sostituzione degli atomi di idrogeno: mono-, ditri-, ecc. alcani alogeno-sostituiti.

Usando il metano come esempio, assomiglia a questo:

Modificando il rapporto alogeno/metano nella miscela di reazione, è possibile garantire che uno specifico alogeno derivato del metano predomini nella composizione dei prodotti.

Meccanismo di reazione Analizziamo il meccanismo della reazione di sostituzione dei radicali liberi usando l'esempio dell'interazione di metano e cloro. Si compone di tre fasi: l'iniziazione (o nucleazione della catena) è il processo di formazione di radicali liberi sotto l'influenza di energia esterna - irradiazione con luce UV o riscaldamento. In questa fase la molecola di cloro subisce la scissione omolitica del legame Cl-Cl con formazione di radicali liberi: I radicali liberi, come si può vedere dalla figura sopra, sono atomi o gruppi di atomi con uno o più elettroni spaiati (Cl, H, CH 3, CH 2, ecc.); 2. Sviluppo della filiera Questa fase prevede l'interazione dei radicali liberi attivi con le molecole inattive. In questo caso si formano nuovi radicali. In particolare, quando i radicali del cloro agiscono sulle molecole di alcani, si formano un radicale alchilico e acido cloridrico. A sua volta, il radicale alchilico, scontrandosi con le molecole di cloro, forma un derivato del cloro e un nuovo radicale del cloro: 3) Rottura (morte) della catena: Si verifica come risultato della ricombinazione di due radicali tra loro in molecole inattive:

2. Reazioni di ossidazione

In condizioni normali, gli alcani sono inerti nei confronti di agenti ossidanti forti come gli acidi solforico e nitrico concentrati, il permanganato di potassio e il dicromato (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).

Combustione in ossigeno

A) combustione completa con eccesso di ossigeno. Porta alla formazione di anidride carbonica e acqua:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

B) combustione incompleta per mancanza di ossigeno:

2CH4 + 3O2 = 2CO + 4H2O

CH4 + O2 = C + 2H2O

Ossidazione catalitica con ossigeno

Come risultato del riscaldamento degli alcani con ossigeno (~200 o C) in presenza di catalizzatori, possono essere utilizzati per ottenere grande varietà prodotti organici: aldeidi, chetoni, alcoli, acidi carbossilici.

Ad esempio, il metano, a seconda della natura del catalizzatore, può essere ossidato in alcol metilico, formaldeide o acido formico:

3. Trasformazioni termiche degli alcani

Cracking

Cracking (dall'inglese a crack - strappo) lo è processo chimico procedendo ad alte temperature, a seguito delle quali lo scheletro carbonioso delle molecole degli alcani si rompe con la formazione di alcheni e molecole di alcani con pesi molecolari inferiori rispetto agli alcani originali. Per esempio:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH=CH 2

Il cracking può essere termico o catalitico. Per effettuare il cracking catalitico, grazie all'utilizzo di catalizzatori, si utilizzano temperature notevolmente inferiori rispetto al cracking termico.

Deidrogenazione

In seguito alla rottura viene rilasciato idrogeno Legami C-H; effettuata in presenza di catalizzatori a temperature elevate. Quando il metano viene deidrogenato, si forma l'acetilene:

2CH4 → C2H2 + 3H2

Il riscaldamento del metano a 1200 °C porta alla sua decomposizione in sostanze semplici:

CH4→C+2H2

Quando i restanti alcani vengono deidrogenati, si formano gli alcheni:

C2H6 → C2H4 + H2

Durante la deidrogenazione N-butano produce butene o butene-2 ​​​​(una miscela cis- E trance-isomeri):

Deidrociclizzazione

Isomerizzazione

Proprietà chimiche dei cicloalcani

Le proprietà chimiche dei cicloalcani con più di quattro atomi di carbonio nei loro anelli sono, in generale, quasi identiche alle proprietà degli alcani. Stranamente, il ciclopropano e il ciclobutano sono caratterizzati da reazioni di addizione. Ciò è dovuto all’elevata tensione all’interno del ciclo, che porta al fatto che questi cicli tendono a rompersi. Quindi il ciclopropano e il ciclobutano aggiungono facilmente bromo, idrogeno o acido cloridrico:

Proprietà chimiche degli alcheni

1. Reazioni di addizione

Poiché il doppio legame nelle molecole di alcheni è costituito da un legame sigma forte e un legame pi debole, sono composti abbastanza attivi che subiscono facilmente reazioni di addizione. Gli alcheni spesso subiscono tali reazioni anche in condizioni blande: al freddo, in soluzioni acquose e solventi organici.

Idrogenazione degli alcheni

Gli alcheni sono in grado di aggiungere idrogeno in presenza di catalizzatori (platino, palladio, nichel):

CH3 -CH = CH2 + H2 → CH3 -CH2 -CH3

L'idrogenazione degli alcheni avviene facilmente anche a pressione normale e con leggero riscaldamento. Un fatto interessante è che gli stessi catalizzatori possono essere utilizzati per la deidrogenazione degli alcani in alcheni, solo che il processo di deidrogenazione avviene a temperatura più elevata e pressione inferiore.

Alogenazione

Gli alcheni subiscono facilmente reazioni di addizione con il bromo sia in soluzione acquosa che in solventi organici. Come risultato dell'interazione, le soluzioni di bromo inizialmente gialle perdono il loro colore, ad es. scolorirsi.

CH2 =CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br

Idroalogenazione

Come è facile vedere, l'aggiunta di un alogenuro di idrogeno ad una molecola di un alchene asimmetrico dovrebbe, teoricamente, portare ad una miscela di due isomeri. Ad esempio, quando si aggiunge acido bromidrico al propene, si dovrebbero ottenere i seguenti prodotti:

Tuttavia, in assenza di condizioni specifiche (ad esempio, la presenza di perossidi nella miscela di reazione), l'aggiunta di una molecola di alogenuro di idrogeno avverrà in modo rigorosamente selettivo secondo la regola di Markovnikov:

L'addizione di un alogenuro di idrogeno ad un alchene avviene in modo tale che un idrogeno viene aggiunto ad un atomo di carbonio con un numero maggiore di atomi di idrogeno (più idrogenato), e un alogeno viene aggiunto ad un atomo di carbonio con un minor numero di atomi di idrogeno atomi (meno idrogenati).

Idratazione

Questa reazione porta alla formazione di alcoli e procede anche secondo la regola di Markovnikov:

Come si può facilmente intuire, poiché l’addizione dell’acqua ad una molecola di alchene avviene secondo la regola di Markovnikov, la formazione di un alcol primario è possibile solo nel caso dell’idratazione dell’etilene:

CH2 =CH2 + H2O → CH3 -CH2 -OH

È attraverso questa reazione che la maggior parte dell'alcol etilico viene prodotta nella grande industria.

Polimerizzazione

Un caso specifico di reazione di addizione è la reazione di polimerizzazione, che, a differenza dell'alogenazione, dell'idroalogenazione e dell'idratazione, procede attraverso il meccanismo dei radicali liberi:

Reazioni di ossidazione

Come tutti gli altri idrocarburi, gli alcheni bruciano facilmente nell'ossigeno per formare anidride carbonica e acqua. L'equazione per la combustione degli alcheni in eccesso di ossigeno ha la forma:

CnH2n+2 + O2 → nCO2 + (n+1)H2O

A differenza degli alcani, gli alcheni si ossidano facilmente. Quando si agisce sugli alcheni soluzione acquosa Scolorimento KMnO 4, che è una reazione qualitativa ai doppi e tripli legami CC nelle molecole di sostanze organiche.

L'ossidazione degli alcheni con permanganato di potassio in una soluzione neutra o debolmente alcalina porta alla formazione di dioli (alcoli diidrici):

C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (raffreddamento)

In un ambiente acido il doppio legame viene completamente rotto e gli atomi di carbonio che formavano il doppio legame vengono convertiti in gruppi carbossilici:

5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (riscaldamento)

Se il doppio legame C=C si trova all'estremità della molecola dell'alchene, si forma il prodotto di ossidazione dell'atomo di carbonio più esterno in corrispondenza del doppio legame diossido di carbonio. Ciò è dovuto al fatto che il prodotto intermedio dell'ossidazione, l'acido formico, si ossida facilmente in eccesso di agente ossidante:

5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (riscaldamento)

L'ossidazione degli alcheni in cui l'atomo di carbonio nel doppio legame contiene due sostituenti idrocarburici produce un chetone. Ad esempio, l'ossidazione del 2-metilbutene-2 ​​produce acetone e acido acetico.

Per determinarne la struttura viene utilizzata l'ossidazione degli alcheni, in cui lo scheletro carbonioso è rotto in corrispondenza del doppio legame.

Proprietà chimiche degli alcadieni

Reazioni di addizione

Ad esempio, l'aggiunta di alogeni:

L'acqua bromo diventa scolorita.

In condizioni normali, l'aggiunta di atomi di alogeno avviene alle estremità della molecola di 1,3-butadiene, mentre i legami π vengono rotti, gli atomi di bromo vengono aggiunti agli atomi di carbonio estremi e le valenze libere formano un nuovo legame π . Si verifica quindi un “movimento” del doppio legame. Se c'è un eccesso di bromo, è possibile aggiungere un'altra molecola nel sito del doppio legame formato.

Reazioni di polimerizzazione

Proprietà chimiche degli alchini

Gli alchini sono idrocarburi insaturi (non saturi) e quindi sono in grado di subire reazioni di addizione. Tra le reazioni di addizione degli alchini, l'addizione elettrofila è la più comune.

Alogenazione

Poiché il triplo legame delle molecole di alchino è costituito da un legame sigma più forte e due legami pi più deboli, sono in grado di attaccare una o due molecole di alogeno. L'addizione di due molecole di alogeno da parte di una molecola di alchino procede attraverso un meccanismo elettrofilo sequenzialmente in due fasi:

Idroalogenazione

Anche l'aggiunta di molecole di alogenuro avviene tramite un meccanismo elettrofilo e in due fasi. In entrambe le fasi, l’adesione procede secondo la regola di Markovnikov:

Idratazione

L'aggiunta di acqua agli alchini avviene in presenza di sali di ruti in un mezzo acido ed è chiamata reazione di Kucherov.

Come risultato dell'idratazione, l'aggiunta di acqua all'acetilene produce acetaldeide (aldeide acetica):

Per gli omologhi dell'acetilene, l'aggiunta di acqua porta alla formazione di chetoni:

Idrogenazione degli alchini

Gli alchini reagiscono con l'idrogeno in due passaggi. Metalli come platino, palladio e nichel vengono utilizzati come catalizzatori:

Trimerizzazione degli alchini

Quando l'acetilene viene fatto passare sul carbone attivo ad alta temperatura, da esso si forma una miscela di vari prodotti, il principale dei quali è il benzene, prodotto della trimerizzazione dell'acetilene:

Dimerizzazione degli alchini

Anche l'acetilene subisce una reazione di dimerizzazione. Il processo avviene in presenza di sali di rame come catalizzatori:

Ossidazione degli alchini

Gli alchini bruciano nell'ossigeno:

C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O

Reazione degli alchini con le basi

Gli alchini con un triplo C≡C all'estremità della molecola, a differenza di altri alchini, sono in grado di entrare in reazioni in cui l'atomo di idrogeno nel triplo legame viene sostituito da un metallo. Ad esempio, l'acetilene reagisce con l'ammide di sodio nell'ammoniaca liquida:

HC≡CH + NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,

e anche con una soluzione ammoniacale di ossido d'argento, formando sostanze insolubili simili a sale chiamate acetilenidi:

Grazie a questa reazione è possibile riconoscere gli alchini terminali triplo legame, e isolare anche un tale alchino da una miscela con altri alchini.

Va notato che tutti gli acetileniuri di argento e rame sono sostanze esplosive.

Gli acetilenidi sono in grado di reagire con i derivati ​​degli alogeni, che vengono utilizzati nella sintesi di composti più complessi composti organici con un triplo legame:

CH3 -C≡CH + 2NaNH2 → CH3 -C≡CNa + NH3

CH3 -C≡CNa + CH3 Br → CH3 -C≡C-CH3 + NaBr

Proprietà chimiche degli idrocarburi aromatici

La natura aromatica del legame influisce Proprietà chimiche benzeni e altri idrocarburi aromatici.

Il sistema elettronico unificato 6pi è molto più stabile dei normali legami pi. Pertanto, le reazioni di sostituzione piuttosto che le reazioni di addizione sono più tipiche per gli idrocarburi aromatici. Gli areni subiscono reazioni di sostituzione attraverso un meccanismo elettrofilo.

Reazioni di sostituzione

Alogenazione

Nitrazione

La reazione di nitrazione procede meglio sotto l'influenza dell'impuro acido nitrico, e la sua miscela con acido solforico concentrato, la cosiddetta miscela nitrante:

Alchilazione

Reazione in cui uno degli atomi di idrogeno dell'anello aromatico viene sostituito da un radicale idrocarburico:

Al posto degli alcani alogenati possono essere utilizzati anche alcheni. Come catalizzatori possono essere utilizzati alogenuri di alluminio, alogenuri ferrici o acidi inorganici.<

Reazioni di addizione

Idrogenazione

Aggiunta di cloro

Procede attraverso un meccanismo radicale in caso di intensa irradiazione con luce ultravioletta:

Una reazione simile può verificarsi solo con il cloro.

Reazioni di ossidazione

Combustione

2C6H6 + 15O2 = 12CO2 + 6H2O + Q

Ossidazione incompleta

L'anello benzenico è resistente agli agenti ossidanti come KMnO 4 e K 2 Cr 2 O 7 . Non c'è reazione.

I sostituenti dell'anello benzenico si dividono in due tipi:

Consideriamo le proprietà chimiche degli omologhi del benzene utilizzando come esempio il toluene.

Proprietà chimiche del toluene

Alogenazione

La molecola del toluene può essere considerata costituita da frammenti di molecole di benzene e metano. Pertanto, è logico supporre che le proprietà chimiche del toluene debbano in una certa misura combinare le proprietà chimiche di queste due sostanze prese separatamente. Questo è spesso ciò che si osserva durante la sua alogenazione. Sappiamo già che il benzene subisce una reazione di sostituzione con il cloro attraverso un meccanismo elettrofilo, e per effettuare questa reazione è necessario l'utilizzo di catalizzatori (alogenuri di alluminio o ferrici). Allo stesso tempo, anche il metano è in grado di reagire con il cloro, ma attraverso un meccanismo di radicali liberi, che richiede l'irradiazione della miscela di reazione iniziale con luce UV. Il toluene, a seconda delle condizioni in cui è sottoposto a clorazione, può dare prodotti di sostituzione degli atomi di idrogeno nell'anello benzenico - per questo è necessario utilizzare le stesse condizioni della clorurazione del benzene, oppure prodotti di sostituzione dell'idrogeno atomi nel radicale metilico, se presente, come agisce il cloro sul metano sotto irradiazione ultravioletta:

Come puoi vedere, la clorurazione del toluene in presenza di cloruro di alluminio ha portato a due prodotti diversi: orto e para-clorotoluene. Ciò è dovuto al fatto che il radicale metilico è un sostituente del primo tipo.

Se la clorurazione del toluene in presenza di AlCl 3 viene effettuata in eccesso di cloro, è possibile la formazione di toluene tricloro sostituito:

Allo stesso modo, quando il toluene viene clorurato alla luce con un rapporto cloro/toluene più elevato, si può ottenere diclorometilbenzene o triclorometilbenzene:

Nitrazione

La sostituzione degli atomi di idrogeno con un gruppo nitro durante la nitrazione del toluene con una miscela di acidi nitrico e solforico concentrati porta a prodotti di sostituzione nell'anello aromatico anziché nel radicale metilico:

Alchilazione

Come già accennato, il radicale metilico è un agente orientante del primo tipo, quindi la sua alchilazione secondo Friedel-Crafts porta ai prodotti di sostituzione nelle posizioni orto e para:

Reazioni di addizione

Il toluene può essere idrogenato a metilcicloesano utilizzando catalizzatori metallici (Pt, Pd, Ni):

C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O

Ossidazione incompleta

Quando esposta ad un agente ossidante come una soluzione acquosa di permanganato di potassio, la catena laterale subisce ossidazione. Il nucleo aromatico non può ossidarsi in tali condizioni. In questo caso, a seconda del pH della soluzione, si formerà un acido carbossilico o un suo sale.

L'uso degli alcani è piuttosto vario: sono usati come combustibile, così come in meccanica, medicina, ecc. Il ruolo di questi composti chimici nella vita dell'uomo moderno difficilmente può essere sopravvalutato.

Alcani: proprietà e breve descrizione

Gli alcani sono composti di carbonio non ciclici in cui gli atomi di carbonio sono legati da semplici legami saturi. Queste sostanze rappresentano un'intera gamma con determinate proprietà e caratteristiche. come segue:

N qui rappresenta il numero di atomi di carbonio. Ad esempio, CH3, C2H6.

I primi quattro rappresentanti della serie degli alcani sono sostanze gassose: metano, etano, propano e butano. I seguenti composti (da C5 a C17) sono liquidi. La serie continua con i composti che sono solidi in condizioni normali.

Per quanto riguarda le proprietà chimiche, gli alcani sono poco attivi: praticamente non interagiscono con alcali e acidi. A proposito, sono le proprietà chimiche che determinano l'uso degli alcani.

Tuttavia, questi composti sono caratterizzati da alcune reazioni, inclusa la sostituzione degli atomi di idrogeno, nonché processi di scissione molecolare.

• La reazione più caratteristica è l'alogenazione, in cui gli atomi di idrogeno vengono sostituiti da alogeni. Le reazioni di clorurazione e bromurazione di questi composti sono di grande importanza.
• La nitrazione è la sostituzione di un atomo di idrogeno con un gruppo nitro durante una reazione con una concentrazione diluita (10%). In condizioni normali, gli alcani non reagiscono con gli acidi. Per effettuare una tale reazione è necessaria una temperatura di 140 °C.
• Ossidazione: in condizioni normali, gli alcani non sono influenzati dall'ossigeno. Tuttavia, dopo l'accensione nell'aria, queste sostanze entrano nei prodotti finali dei quali sono acqua e
• Cracking: questa reazione avviene solo in presenza dei catalizzatori necessari. Il processo prevede la scissione di legami omologhi stabili tra atomi di carbonio. Ad esempio, quando il butano viene crackato, la reazione può produrre etano ed etilene.
• Isomerizzazione: come risultato dell'azione di alcuni catalizzatori, è possibile una certa riorganizzazione dello scheletro di carbonio dell'alcano.

Applicazioni degli alcani

La principale fonte naturale di queste sostanze sono prodotti preziosi come il gas naturale e il petrolio. I campi di applicazione degli alcani oggi sono molto ampi e vari.

Per esempio, sostanze gassose utilizzata come preziosa fonte di combustibile. Un esempio è il metano, di cui è composto il gas naturale, nonché una miscela di propano-butano.

Un'altra fonte di alcani è olio , la cui importanza per l'umanità moderna è difficile da sopravvalutare. I prodotti petroliferi includono:

• benzina - usata come carburante;
• cherosene;
• gasolio o gasolio leggero;
• gasolio pesante, utilizzato come olio lubrificante;
• i resti vengono utilizzati per realizzare l'asfalto.

I prodotti petroliferi vengono utilizzati anche per produrre plastica, fibre sintetiche, gomme e alcuni detergenti.

La vaselina e la vaselina sono prodotti costituiti da una miscela di alcani. Sono utilizzati in medicina e cosmetologia (principalmente per la preparazione di unguenti e creme), nonché in profumeria.

Un altro prodotto ben noto è la paraffina, che è una miscela di alcani solidi. Questa è una massa bianca solida, la cui temperatura di riscaldamento è di 50-70 gradi. Nella produzione moderna, la paraffina viene utilizzata per produrre candele. I fiammiferi sono impregnati della stessa sostanza. In medicina, varie procedure termiche vengono eseguite utilizzando la paraffina.

Gli alcani sono idrocarburi saturi. Nelle loro molecole, gli atomi hanno legami singoli. La struttura è determinata dalla formula CnH2n+2. Consideriamo gli alcani: proprietà chimiche, tipologie, applicazioni.

Struttura di connessione

Nella struttura del carbonio ci sono quattro orbite in cui ruotano gli atomi. Gli orbitali hanno la stessa forma ed energia.

Nota! Gli angoli tra loro sono 109 gradi e 28 minuti, sono diretti ai vertici del tetraedro.

Un singolo legame di carbonio consente alle molecole di alcano di ruotare liberamente, facendo sì che le strutture assumano forme diverse, formando vertici negli atomi di carbonio.

Tutti i composti degli alcani sono divisi in due gruppi principali:

1. Idrocarburi alifatici. Tali strutture hanno una connessione lineare. La formula generale è questa: CnH2n+2. Un valore di n uguale o maggiore di uno indica il numero di atomi di carbonio.
2. Cicloalcani con struttura ciclica. Le proprietà chimiche degli alcani ciclici differiscono significativamente dalle proprietà dei composti lineari. La formula dei cicloalcani li rende in una certa misura simili agli idrocarburi che hanno un triplo legame atomico, cioè agli alchini.

Tipi di alcani

Esistono diversi tipi di composti alcani, ognuno dei quali ha la propria formula, struttura, proprietà chimiche e sostituente alchilico. La tabella contiene una serie omologica

Nome degli alcani

La formula generale degli idrocarburi saturi è CnH2n+2. Cambiando il valore di n si ottiene un composto con un legame interatomico semplice.

Video utile: alcani - struttura molecolare, proprietà fisiche

Tipi di alcani, opzioni di reazione

In condizioni naturali, gli alcani sono composti chimicamente inerti. Gli idrocarburi non reagiscono al contatto con il concentrato di acido nitrico e solforico, gli alcali e il permanganato di potassio.

I legami molecolari singoli determinano le reazioni caratteristiche degli alcani. Le catene di alcani sono caratterizzate da legami non polari e debolmente polarizzabili. È leggermente più lungo di S-N.

Formula generale degli alcani

Reazione di sostituzione

Le sostanze paraffiniche sono caratterizzate da un'attività chimica insignificante. Ciò è spiegato dalla maggiore resistenza della connessione a catena, che non è facile da rompere. Per la distruzione viene utilizzato un meccanismo omologico, al quale prendono parte i radicali liberi.

Per gli alcani, le reazioni di sostituzione sono più naturali. Non reagiscono alle molecole d'acqua e agli ioni carichi. Durante la sostituzione, le particelle di idrogeno vengono sostituite da alogeni e altri elementi attivi. Tra questi processi vi sono l'alogenazione, la nitrurazione e la solfoclorurazione. Tali reazioni vengono utilizzate per formare derivati ​​degli alcani.

La sostituzione dei radicali liberi avviene in tre fasi principali:

1. L'aspetto di una catena sulla base della quale vengono creati i radicali liberi. Il calore e la luce ultravioletta vengono utilizzati come catalizzatori.
2. Sviluppo di una catena nella cui struttura si verificano interazioni di particelle attive e inattive. Ecco come si formano le molecole e le particelle radicali.
3. Alla fine la catena si spezza. Gli elementi attivi creano nuove combinazioni o scompaiono del tutto. La reazione a catena finisce.

Alogenazione

Il processo viene eseguito in base al tipo di radicale. L'alogenazione avviene sotto l'influenza della radiazione ultravioletta e del riscaldamento termico della miscela di idrocarburi e alogeni.

L'intero processo segue la regola di Markovnikov. La sua essenza sta nel fatto che l'atomo di idrogeno appartenente al carbonio idrogenato è il primo a subire alogenazione. Il processo inizia con un atomo terziario e termina con un atomo di carbonio primario.

Solfoclorazione

Un altro nome è la reazione di Reed. Viene effettuato con il metodo della sostituzione dei radicali liberi. Pertanto, gli alcani reagiscono alla combinazione di anidride solforosa e cloro sotto l'influenza della radiazione ultravioletta.

La reazione inizia con l'attivazione di un meccanismo a catena. In questo momento, due radicali vengono rilasciati dal cloro. L'azione di uno è diretta verso l'alcano, determinando la formazione di una molecola di acido cloridrico e di un elemento alchilico. Un altro radicale si combina con l'anidride solforosa, creando una combinazione complessa. Per raggiungere l'equilibrio, un atomo di cloro viene rimosso da un'altra molecola. Il risultato è l'alcano sulfonil cloruro. Questa sostanza viene utilizzata per produrre tensioattivi.

Solfoclorazione

Nitrazione

Il processo di nitrazione prevede la combinazione di carboni saturi con ossido di azoto tetravalente gassoso e acido nitrico, portati ad una soluzione al 10%. La reazione richiederà un basso livello di pressione e una temperatura elevata, circa 104 gradi. Come risultato della nitrazione, si ottengono nitroalcani.

Scissione

Le reazioni di deidrogenazione vengono effettuate separando gli atomi. La particella molecolare del metano si decompone completamente sotto l'influenza della temperatura.

Deidrogenazione

Se un atomo di idrogeno viene separato dal reticolo di carbonio della paraffina (eccetto il metano), si formano composti insaturi. Queste reazioni vengono eseguite in condizioni di temperature significative (400-600 gradi). Vengono utilizzati anche vari catalizzatori metallici.

Gli alcani si ottengono per idrogenazione di idrocarburi insaturi.

Processo di decomposizione

Sotto l'influenza della temperatura durante le reazioni degli alcani, i legami molecolari possono essere rotti e possono essere rilasciati radicali attivi. Questi processi sono noti come pirolisi e cracking.

Quando il componente di reazione viene riscaldato a 500 gradi, le molecole iniziano a decomporsi e al loro posto si formano complesse miscele radicali alchiliche. Gli alcani e gli alcheni vengono prodotti nell'industria in questo modo.

Ossidazione

Si tratta di reazioni chimiche basate sulla donazione di elettroni. Le paraffine sono caratterizzate da autossidazione. Il processo utilizza l'ossidazione degli idrocarburi saturi da parte dei radicali liberi. I composti alcani allo stato liquido vengono convertiti in idroperossido. Innanzitutto, la paraffina reagisce con l'ossigeno. Si formano radicali attivi. Quindi la specie alchilica reagisce con una seconda molecola di ossigeno. Si forma un radicale perossido, che successivamente interagisce con la molecola di alcano. Come risultato del processo, viene rilasciato idroperossido.

Reazione di ossidazione degli alcani

Applicazioni degli alcani

I composti del carbonio sono ampiamente utilizzati in quasi tutte le principali aree della vita umana. Alcuni tipi di composti sono indispensabili per determinati settori e per l'esistenza confortevole dell'uomo moderno.

Gli alcani gassosi sono la base di preziosi combustibili. Il componente principale della maggior parte dei gas è il metano.

Il metano ha la capacità di creare e rilasciare grandi quantità di calore. Pertanto, viene utilizzato in quantità significative nell'industria e per il consumo domestico. Miscelando butano e propano si ottiene un buon combustibile domestico.

Il metano è utilizzato nella produzione dei seguenti prodotti:

• metanolo;
• solventi;
• freon;
• inchiostro;
• carburante;
• gas di sintesi;
• acetilene;
• formaldeide;
• acido formico;
• plastica.

Applicazione del metano

Gli idrocarburi liquidi sono destinati a creare carburante per motori e razzi e solventi.

Gli idrocarburi superiori, dove il numero di atomi di carbonio supera i 20, sono coinvolti nella produzione di lubrificanti, pitture e vernici, saponi e detergenti.

Una combinazione di idrocarburi grassi con meno di 15 atomi di H è l'olio di vaselina. Questo liquido insapore e trasparente viene utilizzato nei cosmetici, nella creazione di profumi e per scopi medici.

La vaselina è il risultato di una combinazione di alcani solidi e grassi con meno di 25 atomi di carbonio ed è coinvolta nella creazione di unguenti medici.

La paraffina, ottenuta dalla combinazione di alcani solidi, è una massa solida, insapore, di colore bianco e senza aroma. La sostanza viene utilizzata per realizzare candele, sostanza impregnante per carta da imballaggio e fiammiferi. La paraffina è anche popolare per le procedure termiche in cosmetologia e medicina.

Nota! Le miscele di alcani vengono utilizzate anche per produrre fibre sintetiche, plastica, detergenti e gomma.

I composti di alcani alogenati servono come solventi, refrigeranti e anche come sostanza principale per un'ulteriore sintesi.

Video utile: alcani - proprietà chimiche

Conclusione

Gli alcani sono composti idrocarburici aciclici con una struttura lineare o ramificata. Tra gli atomi si stabilisce un unico legame che non può essere spezzato. Reazioni degli alcani basate sulla sostituzione di molecole caratteristiche di questo tipo di composti. La serie omologa ha formula di struttura generale CnH2n+2. Gli idrocarburi appartengono alla classe satura perché contengono il numero massimo consentito di atomi di idrogeno.

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DEFINIZIONE

Alcani sono detti idrocarburi saturi, le cui molecole sono costituite da atomi di carbonio e idrogeno legati tra loro solo da legami σ.

In condizioni normali (a 25 oC e pressione atmosferica), i primi quattro membri della serie omologa degli alcani (C 1 - C 4) sono gas. Gli alcani normali dal pentano all'eptadecano (C 5 - C 17) sono liquidi, a partire da C 18 e oltre sono solidi. All’aumentare del peso molecolare relativo, aumentano i punti di ebollizione e di fusione degli alcani. Con lo stesso numero di atomi di carbonio nella molecola, gli alcani ramificati hanno punti di ebollizione inferiori rispetto agli alcani normali. La struttura della molecola di alcano utilizzando il metano come esempio è mostrata in Fig. 1.

Riso. 1. La struttura della molecola di metano.

Gli alcani sono praticamente insolubili in acqua, poiché le loro molecole sono a bassa polarità e non interagiscono con le molecole d'acqua. Gli alcani liquidi si mescolano facilmente tra loro. Si sciolgono bene in solventi organici non polari come benzene, tetracloruro di carbonio, etere etilico, ecc.

Preparazione degli alcani

Le principali fonti di vari idrocarburi saturi contenenti fino a 40 atomi di carbonio sono il petrolio e il gas naturale. Gli alcani con un piccolo numero di atomi di carbonio (1 - 10) possono essere isolati mediante distillazione frazionata del gas naturale o della frazione benzina del petrolio.

Esistono metodi industriali (I) e di laboratorio (II) per produrre alcani.

C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);

CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (kat, t0).

— idrogenazione degli idrocarburi insaturi

CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);

- riduzione degli aloalcani

C2H5 I+HI→C2H6+I2 (t0);

- reazioni di fusione alcalina di sali di acidi organici monobasici

C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t0);

— interazione degli aloalcani con il sodio metallico (reazione di Wurtz)

2C2H5Br + 2Na → CH3 -CH2 -CH2 -CH3 + 2NaBr;

— elettrolisi dei sali di acidi organici monobasici

2C2H5COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2 ;

K(-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH - ;

A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .

Proprietà chimiche degli alcani

Gli alcani sono tra i composti organici meno reattivi, il che si spiega con la loro struttura.

Gli alcani in condizioni normali non reagiscono con acidi concentrati, alcali fusi e concentrati, metalli alcalini, alogeni (eccetto fluoro), permanganato di potassio e dicromato di potassio in un ambiente acido.

Per gli alcani le reazioni più tipiche sono quelle che procedono secondo un meccanismo radicalico. La scissione omolitica dei legami C-H e C-C è energeticamente più favorevole della loro scissione eterolitica.

Le reazioni di sostituzione radicalica si verificano più facilmente nell'atomo di carbonio terziario, poi nell'atomo di carbonio secondario e infine nell'atomo di carbonio primario.

Tutte le trasformazioni chimiche degli alcani procedono con la scissione:

1) Legami C-H

— alogenazione (S R)

CH4 + Cl2 → CH3 Cl + HCl ( hv);

CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CH Br-CH 3 + HBr ( hv).

- nitrazione (S R)

CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (diluito) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).

— solfoclorurazione (S R)

R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).

- deidrogenazione

CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).

- deidrociclizzazione

CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).

2) Legami C-H e C-C

- isomerizzazione (riarrangiamento intramolecolare)

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3, t 0).

- ossidazione

2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0 , p);

C n H 2n+2 + (1,5 n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).

Applicazioni degli alcani

Gli alcani hanno trovato applicazione in vari settori. Consideriamo più in dettaglio, usando l'esempio di alcuni rappresentanti delle serie omologhe, così come le miscele di alcani.

Il metano costituisce la base della materia prima per i più importanti processi industriali chimici per la produzione di carbonio e idrogeno, acetilene, composti organici contenenti ossigeno: alcoli, aldeidi, acidi. Il propano è utilizzato come carburante per automobili. Il butano viene utilizzato per produrre butadiene, che è una materia prima per la produzione di gomma sintetica.

Una miscela di alcani liquidi e solidi fino a C 25, chiamata vaselina, viene utilizzata in medicina come base per unguenti. Una miscela di alcani solidi C 18 - C 25 (paraffina) viene utilizzata per impregnare vari materiali (carta, tessuti, legno) per conferire loro proprietà idrofobiche, cioè non bagnabile con acqua. In medicina viene utilizzato per procedure fisioterapeutiche (trattamento con paraffina).

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Esercizio	Durante la clorurazione del metano si sono ottenuti 1,54 g di un composto, la cui densità di vapore nell'aria è 5,31. Calcolare la massa di biossido di manganese MnO 2 necessaria per produrre cloro se il rapporto tra i volumi di metano e cloro introdotti nella reazione è 1:2.
Soluzione	Il rapporto tra la massa di un dato gas e la massa di un altro gas preso nello stesso volume, alla stessa temperatura e alla stessa pressione è chiamato densità relativa del primo gas rispetto al secondo. Questo valore mostra quante volte il primo gas è più pesante o più leggero del secondo gas. Si considera che il peso molecolare relativo dell'aria sia 29 (tenendo conto del contenuto di azoto, ossigeno e altri gas nell'aria). Va notato che il concetto di "massa molecolare relativa dell'aria" viene utilizzato in modo condizionale, poiché l'aria è una miscela di gas. Troviamo la massa molare del gas formato durante la clorazione del metano: M gas = 29 ×D aria (gas) = ​​29 × 5,31 = 154 g/mol. Questo è tetracloruro di carbonio - CCl 4. Scriviamo l'equazione di reazione e sistemiamo i coefficienti stechiometrici: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Calcoliamo la quantità di sostanza tetracloruro di carbonio: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n(CCl4) = 1,54/154 = 0,01 mol. Secondo l'equazione di reazione n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, che significa n(CH4) = n(CCl4) = 0,01 mol. Quindi, la quantità di sostanza cloro dovrebbe essere uguale a n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), cioè n(Cl2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Scriviamo l'equazione di reazione per la produzione di cloro: MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O. Il numero di moli di biossido di manganese è 0,08 mol, perché n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Trova la massa del biossido di manganese: m(MnO2) = n(MnO2) × M(MnO2); M(MnO2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO2) = 0,08 × 87 = 10,4 g.
Risposta	La massa del biossido di manganese è 10,4 g.

ESEMPIO 2

Esercizio

Determinare la formula molecolare del tricloroalcano, la frazione di massa del cloro in cui è del 72,20%. Redigere le formule di struttura di tutti i possibili isomeri e dare i nomi delle sostanze secondo la nomenclatura sostitutiva IUPAC.

Risposta

Scriviamo la formula generale del tricloroalcheano: C n H 2 n -1 Cl 3 . Secondo la formula ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100% Calcoliamo il peso molecolare del tricloroalcano: Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) = 3 × 35,5 / 72,20 × 100% = 147,5. Troviamo il valore di n: 12n + 2n - 1 + 35,5×3 = 147,5; Pertanto, la formula del tricloroalcano è C 3 H 5 Cl 3. Componiamo le formule di struttura degli isomeri: 1,2,3-tricloropropano (1), 1,1,2-tricloropropano (2), 1,1,3-tricloropropano (3), 1,1,1-tricloropropano ( 4) e 1,2,2-tricloropropano (5). CH2Cl-CHCl-CH2Cl (1); CHCl2-CHCl-CH3 (2); CHCl2-CH2-CH2CI (3); CCl3-CH2-CH3 (4); Articoli correlati Morale della favola "le rane chiedono un re" Le rane chiedono un re Esempi e problemi per tutte le operazioni con frazioni decimali Esempi frazionari con operazioni decimali Gdz in inglese Presentazione sul tema "Joseph Vissarionovich Stalin"