Алканы особенности. Алканы — номенклатура, получение, химические свойства. Примеры решения задач
Химические свойства насыщенных углеводородов обусловлены наличием в их молекулах атомов углерода, водорода и связей $C-H$ и $C-C$.
В молекуле простейшего алкана метана химические связи образуют 8 валентных электронов (4 электрона атома углерода и 4 - атомов водорода), которые размещены на четырех связующих молекулярных орбиталях.
Итак, в молекуле метана из четырех $sp3$-гибридизированных орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуются четыре $sp3-s (C-H)$ ковалентные связи (рис 1.).
Молекула этана образуется из двух углеродных тетраэдров - одной $sp3-sp3 (C-C)$ ковалентной связи и шести $sp3-s (C-H)$ ковалентных связей (рис. 2).
Рисунок 2. Строение молекулы этана: а - размещение $\sigma $-связей в молекуле; б - тетраэдрическое модель молекулы; в - шаростержневая модель молекулы; г- масштабная модель молекулы по Стюарту - Бриглебу
Особенности химических связей в алканах
В рассмотренных типах ковалентных связей области наибольшей электронной плотности находятся на линии, соединяющей ядра атомов. Эти ковалентные связи образованы локализованными $\sigma $-${\rm M}$${\rm O}$ и называются $\sigma $-связями. Важной особенностью этих связей является то, что электронная плотность в них распределена симметрично относительно оси, проходящей через ядра атомов (цилиндрическая симметрия электронной плотности). Благодаря этому атомы или группы атомов, которые соединены этой связью, могут свободно вращаться не вызывая деформации связи. Угол между направлениями валентностей атомов углерода в молекулах алканов составляет $109^\circ 28"$. Поэтому в молекулах этих веществ даже с прямой углеродной цепью атомы углерода в действительности размещаются не по прямой. Эта цепь имеет зигзагообразную форму, которая связана с сохранением межвалентных углов атомов углерода (рис. 3).
Рисунок 3. Схема строения углеродной цепи нормального алкана
В молекулах алканов с достаточно длинной углеродной цепью этот угол увеличен на $2^\circ$ вследствие отталкивания валентно не соединенных между собой атомов углерода.
Замечание 1
Каждая химическая связь характеризуется определенной энергией. Экспериментально установлено, что энергия связи $C-H$ в молекуле метана составляет 422,9 кДж/моль, этана - 401,9 кДж/моль, других алканов - около 419 кДж/моль. Энергия связи $C-C$ равен 350 кДж / моль.
Взаимосвязь строения алканов с их реакционной способностью
Высокая энергия связей $C-C$ и $C-H$ обуславливает низкую реакционную способность насыщенных углеводородов при комнатной температуре. Так, алканы не обесцвечивают бромную воду, раствор перманганата калия, не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), не реагируют с окислителями, с активными металлами. Поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине, который представляет собой смесь насыщенных углеводородов. Даже концентрированная серная кислота, которая обугливает много органических веществ, при комнатной температуре не действует на алканы. Учитывая сравнительно малую реакционную способность насыщенных углеводородов, их в свое время назвали парафинами. Алканы не имеют способности присоединять водород, галогены и другие реагенты. Поэтому этот класс органических веществ назвали насыщенными углеводородами.
Химические реакции насыщенных углеводородов могут происходить за счет разрыва связей $C-C$ или $C-H$. Разрыв $C-H$-связей сопровождается отщеплением атомов водорода с образованием ненасыщеных соединений или последующим замещением отщеплений атомов водорода другими атомами или группами атомов.
В зависимости от строения алкана и условий реакции в молекулах насыщенных углеводородов связь $C-H$ может разрываться гомолитично:
Рисунок 4. Химические свойства алканов
И гетеролитично с образованием анионов и катионов:
Рисунок 5. Химические свойства алканов
При этом могут образовываться свободные радикалы, имеющие неспаренный электрон, но не имеют электрического заряда, или карбкатионы или карбанионы, которые имеют соответствующие электрические заряды. Свободные радикалы образуются в качестве промежуточных частиц в реакциях радикального механизма, а карбкатионы и карбанионы - в реакциях ионного механизма.
Вследствие того, что связи $C-C$ неполярные, а $C-H$-связи - малополярные и эти $\sigma $-связи имеют низкую поляризуемость, гетеролитический разрыв $\sigma $-связей в молекулах алканов с образованием ионов требует большой затраты энергии. Гемолитическое расщепление этих связей требует меньше енергии. Поэтому для насыщенных углеводородов более характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Расщепление $\sigma $-связи $C-C$ требует меньшей затраты энергии, чем расщепление связи $C-H$, поскольку энергия $C-C$-связи меньше энергии $C-H$-связи. Однако химические реакции чаще происходят с расщеплением $C-H$-связей, поскольку они более доступны для реагентов.
Влияние разветвленности и размеров алканов на их реакционную способность
Реакционная способность $C-H$-связи меняется при переходе от алканов линейной структуры к алканам-разветвленной структуры. Например, энергия диссоциации связи $C-H$ (кДж / моль) при образовании свободных радикалов меняется следующим образом:
Рисунок 6. Химические свойства алканов
Кроме того, значение энергии ионизации (ЭИ) для алканов показывает, что рост общего количества $\sigma $-связей повышает их донорные свойства и отколоть электрон становится легче для соединений с большей молекулярной массой, например:
Рисунок 7. Химические свойства алканов
Итак, в свободнорадикальных процессах реакции происходят преимущественно у третичного атома углерода, затем у вторичного и в последнюю очередь у первичного, что совпадает с рядом устойчивости свободных радикалов. Однако с повышением температуры наблюдаемая тенденция уменьшается или совсем нивелируется.
Таким образом, для алканов характерны два типа химических реакций:
- замещения водорода, в основном по радикальному механизму и
- расщепление молекулы за связями $C-C$ или $C-H$.
Химические свойства алканов
Алканами (парафинами) называют нециклические углеводороды, в молекулах которых все атомы углерода соединены только одинарными связями. Другими словами в молекулах алканов отсутствуют кратные — двойные или тройные связи. Фактически алканы являются углеводородами, содержащими максимально возможное количество атомов водорода, в связи с чем их называют предельным (насыщенными).
Ввиду насыщенности, алканы не могут вступать в реакции присоединения.
Поскольку атомы углерода и водорода имеют довольно близкие электроотрицательности, это приводит к тому, что связи С-Н в их молекулах крайне малополярны. В связи с этим для алканов более характерны реакции протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом S R .
1. Реакции замещения
В реакциях данного типа происходит разрыв связей углерод-водород
RH + XY → RX + HY
Галогенирование
Алканы реагируют с галогенами (хлором и бромом) под действием ультрафиолетового света или при сильном нагревании. При этом образуется смесь галогенпроизводных с различной степенью замещения атомов водорода — моно-, ди- три- и т.д. галогенозамещенных алканов.
На примере метана это выглядит следующим образом:
Меняя соотношение галоген/метан в реакционной смеси можно добиться того, что в составе продуктов будет преобладать какое-либо конкретное галогенпроизводное метана.
|
Механизм реакции Разберем механизм реакции свободнорадикального замещения на примере взаимодействия метана и хлора. Он состоит из трех стадий:
Свободными радикалами, как можно видеть из рисунка выше, называют атомы или группы атомов с одним или несколькими неспаренными электронами (Сl , Н, СН 3 , СН 2 и т.д.); 2. Развитие цепи Эта стадия заключается во взаимодействии активных свободных радикалов с неактивными молекулами. При этом образуются новые радикалы. В частности, при действии радикалов хлора на молекулы алкана, образуется алкильный радикал и хлороводород. В свою очередь, алкильный радикал, сталкиваясь с молекулами хлора, образует хлорпроизводное и новый радикал хлора: 3) Обрыв (гибель) цепи: Происходит в результате рекомбинации двух радикалов друг с другом в неактивные молекулы: |
2. Реакции окисления
В обычных условиях алканы инертны по отношению к таким сильным окислителям, как концентрированная серная и азотная кислоты, перманганат и дихромат калия (КMnО 4 , К 2 Cr 2 О 7).
Горение в кислороде
А) полное сгорание при избытке кислорода. Приводит к образованию углекислого газа и воды:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Б) неполное сгорание при недостатке кислорода:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Каталитическое окисление кислородом
В результате нагревания алканов с кислородом (~200 о С) в присутствии катализаторов, из них может быть получено большое разнообразие органических продуктов: альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты.
Например, метан, в зависимости природы катализатора, может быть окислен в метиловый спирт, формальдегид или муравьиную кислоту:
3. Термические превращения алканов
Крекинг
Крекинг (от англ. to crack — рвать) — это химический процесс протекающий при высокой температуре, в результате которого происходит разрыв углеродного скелета молекул алканов с образованием молекул алкенов и алканов с обладающих меньшими молекулярными массами по сравнению с исходными алканами. Например:
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
Крекинг бывает термический и каталитический. Для осуществления каталитического крекинга, благодаря использованию катализаторов, используют заметно меньшие температуры по сравнению с термическим крекингом.
Дегидрирование
Отщепление водорода происходит в результате разрыва связей С-Н; осуществляется в присутствии катализаторов при повышенных температурах. При дегидрировании метана образуется ацетилен:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Нагревание метана до 1200 °С приводит к его разложению на простые вещества:
СН 4 → С + 2Н 2
При дегидрировании остальных алканов образуются алкены:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
При дегидрировании н -бутана образуется бутен или бутен-2 (смесь цис- и транс -изомеров):
Дегидроциклизация
Изомеризация
Химические свойства циклоалканов
Химические свойства циклоалканов с числом атомов углерода в циклах больше четырех, в целом практически идентичны свойствам алканов. Для циклопропана и циклобутана, как ни странно, характерны реакции присоединения. Это обусловлено большим напряжением внутри цикла, которое приводит к тому, что данные циклы стремятся разорваться. Так циклопропан и циклобутан легко присоединяют бром, водород или хлороводород:
Химические свойства алкенов
1. Реакции присоединения
Поскольку двойная связь в молекулах алкенов состоит из одной прочной сигма- и одной слабой пи-связи, они являются довольно активными соединениями, которые легко вступаю в реакции присоединения. В такие реакции алкены часто вступают даже в мягких условиях — на холоду, в водных растворах и органических растворителях.
Гидрирование алкенов
Алкены способны присоединять водород в присутствии катализаторов (платина, палладий, никель):
CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3
Гидрирование алкенов легко протекает даже при обычном давлении и незначительном нагревании. Интересен тот факт, что для дегидрирования алканов до алкенов могут использоваться те же катализаторы, только процесс дегидрирования протекает при более высокой температуре и меньшем давлении.
Галогенирование
Алкены легко вступаю в реакцию присоединения с бромом как в водном растворе, так и с органических растворителях. В результате взаимодействия изначально желтые растворы брома теряют свою окраску, т.е. обесцвечиваются.
СН 2 =СН 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Гидрогалогенирование
Как нетрудно заметить, присоединение галогеноводорода к молекуле несимметричного алкена должно, теоретически, приводить к смеси двух изомеров. Например, при присоединении бромоводорода к пропену должны были бы получаться продукты:
Тем не менее в отсутствие специфических условий (например, наличие пероксидов в реакционной смеси) присоединение молекулы галогеноводорода будет происходить строго селективно в соответствии с правилом Марковникова:
Присоединении галогеноводорода к алкену происходит таким образом, что водород присоединяется к атому углерода с большим числом атомов водорода (более гидрированному), а галоген — к атому углерода с меньшим числом атомов водорода (менее гидрированному).
Гидратация
Данная реакция приводит к образованию спиртов, и также протекает в соответствии с правилом Марковникова:
Как легко догадаться, по причине того, что присоединение воды к молекуле алкена происходит согласно правилу Марковникова, образование первичного спирта возможно только в случае гидратации этилена:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
Именно по такой реакции проводят основное количество этилового спирта в крупнотоннажной промышленности.
Полимеризация
Специфическим случаем реакции присоединения можно реакцию полимеризации, которая в отличие от галогенирования, гидрогалогенирования и гадратации, протекает про свободно-радикальному механизму:
Реакции окисления
Как и все остальные углеводороды, алкены легко сгорают в кислороде с образованием углекислого газа и воды. Уравнение горения алкенов в избытке кислорода имеет вид:
C n H 2n+2 + O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O
В отличие от алканов алкены легко окисляются. При действии на алкены водного раствора KMnO 4 обесцвечивание, что является качественной реакцией на двойные и тройные CC связи в молекулах органических веществ.
Окисление алкенов перманганатом калия в нейтральном или слабощелочном растворе приводит к образованию диолов (двухатомных спиртов):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охлаждение)
В кислой среде происходит полное разрыв двойной связи с превращение атомов углерода образовывавших двойная связь в карбоксильные группы:
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 (нагревание)
В случае, если двойная С=С связь находится в конце молекулы алкена, то в качестве продукта окисления крайнего углеродного атома при двойной связи образуется углекислый газ. Связано это с тем, что промежуточный продукт окисления – муравьиная кислота легко сама окисляется в избытке окислителя:
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 (нагревание)
При окислении алкенов, в которых атом C при двойной связи содержит два углеводородных заместителя, образуется кетон. Например, при окислении 2-метилбутена-2 образуется ацетон и уксусная кислота.
Окисление алкенов, при котором происходит разрыв углеродного скелета по двойной связи используется для установления их структуры.
Химические свойства алкадиенов
Реакции присоединения
Например, присоединение галогенов:
Бромная вода обесцвечивается.
В обычных условиях присоединение атомов галогена происходит по концам молекулы бутадиена-1,3, при этом π-связи разрываются, к крайним атомам углерода присоединяются атомы брома, а свободные валентности образуют новую π-связь. Таким образом, как бы происходит «перемещение» двойной связи. При избытке брома может быть присоединена еще одна его молекула по месту образовавшейся двойной связи.
Реакции полимеризации
Химические свойства алкинов
Алкины являются ненасыщенными (непредельными) углеводородами в связи с чем способны вступать в реакции присоединения. Среди реакци присоединения для алкинов наиболее распространено электрофильное присоединение.
Галогенирование
Поскольку тройная связь молекул алкинов состоит из одной более прочной сигма-связи и двух менее прочных пи-связей они способны присоединять как одну, так и две молекулы галогена. Присоединение одной молекулой алкина двух молекул галогена протекает по электрофильному механизму последовательно в две стадии:
Гидрогалогенирование
Присоединение молекул галогеноводорода, также протекает по электрофильному механизму и в две стадии. В обоих стадиях присоединение идет в соответствии с правилом Марковникова:
Гидратация
Присоединение воды к алкинами происходит в присутсвии солей рути в кислой среде и называется реакцией Кучерова.
В результате гидратации присоединения воды к ацетилену ообразуется ацетальдегид (укусный альдегид):
Для гомологов ацетилена присоединение воды приводит к образованию кетонов:
Гидрирование алкинов
Алкины реагируют с водородом в две ступени. В качестве катализаторов используют такие металлы как платина, палладий, никель:
Тримеризация алкинов
При пропускании ацетилена над активированным углем при высокой температуре из него образуется смесь различных продуктов, основным из которых является бензол – продукт тримеризации ацетилена:
Димеризация алкинов
Также ацетилен вступать в реакцию димеризации. Процесс протекает в присутствии солей меди как катализаторов:
Окисление алкинов
Алкины сгорают в кислороде:
С n H 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O
Взаимодействие алкинов с основаниями
Алкины с тройной C≡C на конце молекулы, в отличие от остальных алкинов, способны вступать в реакции, в которых атом водорода при тройной связи замещается металл. Например, ацетилен реагирует с амидом натрия в жидком аммиаке:
HC≡CH + NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,
а также с аммиачным раствором оксида серебра, образуя нерастворимые солеподобные вещества называемые ацетиленидами:
Благодаря такой реакции можно распознать алкины с концевой тройной связью, а также выделить такой алкин из смеси с другими алкинами.
Следует отметить, что все ацетилениды серебра и меди являются взрывоопасными веществами.
Ацетилениды способны реагировать с галогенпроизводными, что используется при синтезе более сложных органических соединений с тройной связью:
СН 3 -C≡CН + 2NaNН 2 → СН 3 -C≡CNa + NН 3
СН 3 -C≡CNa + CH 3 Br → СН 3 -C≡C-СН 3 + NaBr
Химические свойства ароматических углеводородов
Ароматический характер связи влияет на химические свойства бензолов и других ароматических углеводородов.
Единая 6пи–электронная система намного более устойчива, чем обычные пи-связи. Поэтому для ароматических углеводородов более характерны реакции замещения, а не присоединения. В реакции замещения арены вступают по электрофильному механизму.
Реакции замещения
Галогенирование
Нитрование
Лучше всего реакция нитрования протекает под действием не чистой азотной кислоты, а ее смеси с концентрированной серной кислотой, так называемой нитрующей смеси:
Алкилирование
Реакция при которой один из атомов водорода при ароматическом ядре замещается на углеводородный радикал:
Также вместо галогенпроизводных алканов можно использовать алкены. В качестве катализаторов можно использовать галогениды алюминия, трехвалентного железа или неорганические кислоты.<
Реакции присоединения
Гидрирование
Присоединение хлора
Протекает по радикальному механизму при интенсивном облучении ультрафиолетовым светом:
Подобным образом реакция может протекать только с хлором.
Реакции окисления
Горение
2С 6 Н 6 + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О+Q
Неполное окисление
Бензольное кольцо устойчиво к действию таких окислителей как KMnO 4 и K 2 Cr 2 O 7 . Реакция не идет.
Деление заместителей в бензольном кольце на два типа:
Рассмотрим химические свойства гомологов бензола на примере толуола.
Химические свойства толуола
Галогенирование
Молекулу толуола можно рассматривать, как состоящую из фрагментов молекул бензола и метана. Поэтому логично предположить, что химические свойства толуола должны в какой-то мере сочетать химические свойства этих двух веществ, взятых по отдельности. В частyости, именно это и наблюдается при его галогенировании. Мы уже знаем, что бензол вступает в реакцию замещения с хлором по электрофильному механизму, и для осуществления данной реакции необходимо использовать катализаторы (галогениды алюминия или трехвалентного железа). В то же время метан так же способен реагировать с хлором, но уже по свободно-радикальному механизму, для чего требуется облучение исходной реакционной смеси УФ-светом. Толуол, в зависимости от того, в каких условиях подвергается хлорированию, способен дать либо продукты замещения атомов водорода в бензольном кольце – для это нужно использовать те же условия что и при хлорировании бензола, либо продукты замещения атомов водорода в метильном радикале, если на него, как и на метан действовать хлором при облучении ультрафиолетом:
Как можно заметить хлорирование толуола в присутствии хлорида алюминия привело к двум разным продуктам – орто- и пара-хлортолуолу. Это обусловлено тем, что метильный радикал является заместителем I рода.
Если хлорирование толуола в присутсвии AlCl 3 проводить в избытке хлора, возможно образование трихлорзамещенного толуола:
Аналогично при хлорировании толуола на свету при большем соотношении хлор/толуол можно получить дихлорметилбензол или трихлорметилбензол:
Нитрование
Замещение атомов водорода на нитрогрппу, при нитровании толуола смесью концентрированных азотной и серной кислот, приводит к продуктам замещения в ароматическом ядре, а не метильном радикале:
Алкилирование
Как уже было сказано метильный радикал, является ориентантом I рода, поэтому его алкилирование по Фриделю-Крафтсу приводит продуктам замещения в орто- и пара-положения:
Реакции присоединения
Толуол можно прогидрировать до метилциклогексана при использовании металлических катализаторов (Pt, Pd, Ni):
С 6 Н 5 СН 3 + 9O 2 → 7СO 2 + 4Н 2 O
Неполное окисление
При действии такого окислителя, как водный раствор перманганата калия окислению подвергается боковая цепь. Ароматическое ядро в таких условиях окислиться не может. При этом в зависимости от pH раствора будет образовываться либо карбоновая кислота, либо ее соль.
Применение алканов довольно разнообразное — их используют в качестве топлива, а также в механике, медицине и т.д. Роль этих химических соединений в жизни современного человека трудно переоценить.
Алканы: свойства и краткая характеристика
Алканы представляют собой нециклические углеродные соединения, в которых атомы углерода связаны простыми насыщенными связями. Эти вещества представляют собой целый ряд с определенными свойствами и характеристиками. выглядит следующим образом:
N здесь представляет собой количество атомов углерода. Например, CH3, C2H6.
Первые четыре представителя ряда алканов — газообразные вещества — это метан, этан, пропан и бутан. Следующие соединения (от C5 до C17) — это жидкости. Ряд продолжается соединениями, которые при нормальных условиях представляют собой твердые вещества.
Что же касается химических свойств, то алканы являются малоактивными — они практически не взаимодействуют со щелочами и кислотами. Кстати, именно химическими свойствами определяется применение алканов.
Тем не менее, для этих соединения характерны некоторые реакции, включая замещение атомов водорода, а также процессы расщепления молекул.
- Самой характерной реакцией считается галогенирование, при котором атомы водорода заменяются галогенами. Большое значение имеют реакции хлорирования и бромирования этих соединений.
- Нитрование — замещение водородного атома нитрогруппой при реакции с разбавленной (концентрация 10%) В обычных условиях алканы не взаимодействуют с кислотами. Для того чтобы провести подобную реакцию, нужна температура 140 °С.
- Окисление — при нормальных условиях алканы не поддаются воздействию кислорода. Тем не менее, после поджигания на воздухе эти вещества вступают в окончательными продуктами которой являются вода и
- Крекинг — эта реакция проходит лишь при наличии необходимых катализаторов. В процессе происходит расщепление стойких гомологических связей между атомами углерода. Например, при крекинге бутана в результате реакции можно получить этан и этилен.
- Изомеризация — в результате воздействия некоторых катализаторов возможна некая перестройка углеродного скелета алкана.
Применение алканов
Основным естественным источником этих веществ являются столь ценные продукты, как природный газ и нефть. Области применения алканов на сегодняшний день очень широки и разнообразны.
Например, газообразные вещества используют как ценный источник топлива. Примером может служить метан, из которого и состоит природный газ, а также пропанобутановая смесь.
Еще один источник алканов — нефть , значение которой для современного человечества переоценить трудно. К нефтяным продуктам относят:
- бензины — используются в качестве топлива;
- керосин;
- дизельное топливо, или легкий газойль;
- тяжелый газойль, который применяют в качестве смазочного масла;
- остатки используют для изготовления асфальта.
Нефтяные продукты также используются для получения пластмасс, синтетических волокон, каучуков и некоторых моющих средств.
Вазелин и вазелиновое масло — продукты, которые состоят из смеси алканов. Их используют в медицине и косметологии (в основном для приготовления мазей и кремов), а также в парфюмерии.
Парафин — еще один всем известный продукт, которые представляет собой смесь твердых алканов. Это твердая белая масса, температура топления которой составляет 50 - 70 градусов. В современном производстве парафин используется для изготовления свечей. Этим же веществом пропитывают спички. В медицине с помощью парафина проводят разного рода тепловые процедуры.
Алканами называют насыщенные углеводороды. В их молекулах атомы имеют одинарные связи. Структура определяется формулой CnH2n+2. Рассмотрим алканы: химические свойства, виды, применение.
Структура соединения
В структуре углерода есть четыре орбиты, по которым вращаются атомы. Орбитали обладают одинаковой формой, энергией.
Обратите внимание! Углы между ними составляют 109 градусов и 28 минут, они направлены на вершины тетраэдра.
Простая углеродная связь позволяет алкановым молекулам свободно вращаться, в результате чего структуры приобретают различные формы, образуя вершины при атомах углерода.
Все алкановые соединения разделяются на две основные группы:
- Углеводороды алифатического соединения. Такие структуры обладают линейным соединением. Общая формула выглядит таким образом: CnH2n+2. Значение n равно или больше единицы, означает количество углеродных атомов.
- Циклоалканы циклической структуры. Химические свойства циклических алканов значительно отличаются от свойств линейных соединений. Формула циклоалканов в некоторой степени делает их схожими с углеводородами, обладающими тройной атомной связью, то есть с алкинами.
Виды алканов
Существует несколько видов алкановых соединений, каждой из которых имеет свою формулу, строение, химические свойства и алкильный заместитель. Таблица содержит гомологический ряд
Название алканов
Общая формула насыщенных углеводородов — CnH2n+2. Изменяя значение n, получают соединение с простой межатомной связью.
Полезное видео: алканы — строение молекул, физические свойства
Разновидности алканов, варианты реакций
В естественных условиях алканы являются химически инертными соединения. Углеводороды не реагируют на контактирование с концентратом азотной и серной кислоты, щелочью и перманганатом калия.
Одинарные молекулярные связи определяют реакции, характерные для алканов. Алкановые цепочки отличаются неполярной и слабо поляризуемой связью. Она несколько длиннее, нежели С-Н.
Общая формула алканов
Реакция замещения
Парафиновые вещества отличаются незначительной химической активностью. Объясняется это повышенной прочностью цепной связи, которую непросто разорвать. Для разрушения используют гомологический механизм, в котором принимают участие свободные радикалы.
Для алканов более естественны реакции замещения. Они не реагируют на молекулы воды и заряженные ионы. При замещении происходит замена водородных частиц галогеновыми и прочими активными элементами. Среди подобных процессов выделяют галогенирование, нитрирование и сульфохлорирование. Такие реакции используют для образования алкановых производных.
Свободнорадикальное замещение происходит в три основных этапа:
- Появление цепочки, на основе которой создаются свободные радикалы. В качестве катализаторов используют нагревание и ультрафиолетовый свет.
- Развитие цепочки, в структуре которой происходят взаимодействия активных и неактивных частиц. Так формируются молекулы и радикальные частицы.
- В завершение цепочка обрывается. Активные элементы создают новые комбинации или вовсе исчезают. Цепная реакция завершается.
Галогенирование
Процесс осуществляется по радикальному типу. Галогенирование происходит под воздействием ультрафиолета и температурного нагрева углеводородной и галогеновой смеси.
Весь процесс происходит по правилу Марковникова. Суть его заключается в том, что первым галогенированию подвергается атом водорода, принадлежащий гидрированному углероду. Процесс начинается с третичного атома и заканчивается первичным углеродом.
Сульфохлорирование
Другое название – реакция Рида. Осуществляется она методом свободнорадикального замещения. Таким образом, алканы реагируют на действие комбинации серного диоксида и хлора под воздействием ультрафиолетового излучения.
Реакция начинается с активизации цепного механизма. В это время из хлора выделяются два радикала. Действие одного направлено на алкан, в результате формируется молекула хлорводорода и алкильный элемент. Другой радикал соединяется с диоксидом серы, создавая сложную комбинацию. Для равновесия из другой молекулы отбирают один атом хлора. В итоге получают сульфонилхлорид алкана. Это вещество используют для выработки поверхностно-активных компонентов.
Сульфохлорирование
Нитрование
Процесс нитрования подразумевает соединение насыщенных углеродов с газообразным оксидом четырехвалентного азота и азотной кислотой, доведенной до 10% раствора. Для протекания реакции потребуется низкий уровень давления и высокая температура, приблизительно 104 градуса. В результате нитрования получают нитроалканы.
Отщепление
Посредством отделения атомов проводят реакции дегидрирования. Молекулярная частица метана полностью разлагается под влиянием температуры.
Дегидрирование
Если от углеродной решетки парафина (кроме метана) отделить атом водорода, образуются непредельные соединения. Эти реакции осуществляются в условиях значительных температурных режимов (400-600 градусов). Также используются различные металлические катализаторы.
Получение алканов происходит путем проведения гидрирования непредельных углеводородов.
Процесс разложения
При влиянии температур во время алкановых реакций могут происходить разрывы молекулярных связей, выделение активных радикалов. Эти процессы известны под названием пиролиз и крекинг.
При нагревании реакционного компонента до 500 градусов, молекулы начинают разлагаться, а на их месте формируются сложные радикальные алкильные смеси. Таким способом получают алканы и алкены в промышленности.
Окисление
Это химические реакции, основанные на отдаче электронов. Для парафинов характерно автоокисление. В процессе используется окисление насыщенных углеводородов свободными радикалами. Алкановые соединения в жидком состоянии преобразуются в гидроперекись. Сначала парафин вступает в реакцию с кислородом. Образуются активные радикалы. Затем происходит реакция алкильной частицы со второй молекулой кислорода. Формируется перекисный радикал, который в последствие взаимодействует с алкановой молекулой. В результате процесса выделяется гидроперекись.
Реакция окисления алканов
Применение алканов
Углеродные соединения имеют широкое применение практически во всех основных сферах человеческой жизни. Некоторые из видов соединений являются незаменимыми для определенных отраслей производства и комфортного существования современного человека.
Газообразные алканы – основа ценного топлива. Главным компонентом большинства газов является метан.
Метан обладает способностью создавать и выделять большое количество тепла. Поэтому его в значительных объемах применяют в промышленности, для потребления в бытовых условиях. При смешивании бутана и пропана получают хорошее бытовое топливо.
Метан используют при производстве таких продуктов:
- метанол;
- растворители;
- фреон;
- типографская краска;
- топливо;
- синтез-газ;
- ацетилен;
- формальдегид;
- муравьиная кислота;
- пластмасса.
Применение метана
Жидкие углеводороды предназначены для создания топлива для двигателей и ракет, растворителей.
Высшие углеводороды, где количество атомов углерода превышает 20, участвуют в производстве смазочных веществ, лакокрасочной продукции, мыла и моющих средств.
Комбинация жирных углеводородов, в которых менее 15 атомов Н, являет собой вазелиновое масло. Эта безвкусная прозрачная жидкость применяется в косметике, в создании парфюмов, в медицинских целях.
Вазелин – результат соединения твердых и жирных алканов с количеством атомов углерода меньше 25. Вещество участвует в создании медицинских мазей.
Парафин, полученный в результате комбинирования твердых алканов, является твердой безвкусной массой, белого цвета и без аромата. Из вещества производят свечи, пропитывающую субстанцию для упаковочной бумаги и спичек. Также парафин популярен при осуществлении тепловых процедур в косметологии и медицине.
Обратите внимание! На основе алкановых смесей также делают синтетические волокна, пластмассы, моющую химию и каучук.
Галогенопроизводные алкановые соединения выполняют функции растворителей, хладагентов, а также основного вещества для дальнейшего синтеза.
Полезное видео: алканы — химические свойства
Вывод
Алканы являются ациклическими углеводородными соединениями, обладающими линейной или разветвленной структурой. Между атомами установлена одинарная связь, которая не поддается разрушению. Реакции алканов, основанные на замещении молекул, свойственные этому виду соединений. Гомологический ряд имеет общую структурную формулу CnH2n+2. Углеводороды относятся к насыщенному классу, поскольку содержат максимально допустимое количество атомов водорода.
Вконтакте
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканами называются насыщенные углеводороды, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода, связанных между собой только σ-связями.
В обычных условиях (при 25 o С и атмосферном давлении) первые четыре члена гомологического ряда алканов (C 1 — C 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С 5 - С 17) - жидкости, начиная с С 18 и выше - твердые вещества. По мере увеличения относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы. Строение молекулы алканов на примере метана приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение молекулы метана.
Алканы практически не растворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и др.
Получение алканов
Основные источники различных предельных углеводородов, содержащих до 40 атомов углерода, — нефть и природный газ. Алканы с небольшим числом атомов углерода (1 - 10) можно выделить фракционной перегонкой природного газа или бензиновой фракции нефти.
Различают промышленные (I) и лабораторные (II) способы получения алканов.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— гидрирование непредельных углеводородов
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
— восстановление галогеналканов
C 2 H 5 I + HI →C 2 H 6 + I 2 (t 0);
— реакции щелочного плавления солей одноосновных органических кислот
C 2 H 5 -COONa + NaOH→ C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
— взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
— электролиз солей одноосновных органических кислот
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O→H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2 ;
К(-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH — ;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Химические свойства алканов
Алканы относятся к наименее реакционноспособным органическим соединениям, что объясняется их строением.
Алканы в обычных условиях не реагируют с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.
Для алканов наиболее характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Энергетически более выгоден гомолитический разрыв связей C-H и C-C, чем их гетеролитический разрыв.
Реакции радикального замещения наиболее легко протекают по третичному, дплее - по вторичному и в последнюю очередь по первичному атому углерода.
Все химические превращения алканов протекают с расщеплением:
1) cвязей C-H
— галогенирование (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (hv );
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr (hv ).
— нитрование (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (dilute) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
— сульфохлорирование (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl (hv ).
— дегидрирование
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
— дегидроциклизация
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3 , t 0).
2) связей C-H и C-C
— изомеризация (внутримолекулярная перегруппировка)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3 , t 0).
— окисление
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0 , p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5)O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Применение алканов
Алканы нашли применение в различных отраслях промышленности. Рассмотрим подробнее, на примере некоторых представителей гомологического ряда, а также смесей алканов.
Метан составляет сырьевую основу важнейших химических промышленных процессов получения углерода и водорода, ацетилена, кислородсодержащих органических соединений - спиртов, альдегидов, кислот. Пропан применяется как автомобильное топливо. Бутан используется для получения бутадиена, являющегося сырьем для производства синтетического каучука.
Смесь жидких и твердых алканов до С 25 , называемая вазелином применяется в медицине как основа мазей. Смесь твердых алканов С 18 - С 25 (парафин) применяется для пропитки различных материалов (бумага, ткани, древесина) для придания им гидрофобных свойств, т.е. несмачиваемости водой. В медицине используется для физиотерапевтическихпроцедур (парафинолечение).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При хлорировании метана получено 1,54 г соединения, плотность паров по воздуху которого равна 5,31. Рассчитайте массу диоксида марганца MnO 2 , которая потребуется для получения хлора, если соотношение объемов метана и хлора, введенных в реакцию равно 1:2. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. Найдем молярную массу газа, образующегося при хлорировании метана: M gas = 29 ×D air (gas) = 29 × 5,31 = 154 г/моль. Это тетрахлорметан - CCl 4 . Запишем уравнение реакции и расставим стехиометрические коэффициенты: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. Рассчитаем количество вещества тетрахлорметана: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54 / 154 = 0,01 моль. Согласно уравнению реакции n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, значит n(CH 4) = n(CCl 4) = 0,01 моль. Тогда, количество вещества хлора должно быть равно n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), т.е. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 моль. Запишем уравнение реакции получения хлора: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Число моль диоксида марганца равно 0,08 моль, т.к. n(Cl 2) :n(MnO 2) = 1: 1. Найдем массу диоксида марганца: m(MnO 2) = n(MnO 2) ×M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 г/моль; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 г. |
| Ответ | Масса диоксида марганца равна 10,4 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Установите молекулярную формулу трихлоралкана, массовая доля хлора в котором составляет 72,20%. Составьте структурные формулы всех возможных изомеров и дайте названия веществ по заместительной номенклатуре ИЮПАК. |
| Ответ | Запишем общую формулу трихлоралкеана:
C n H 2 n -1 Cl 3 . По формуле ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100% рассчитаем молекулярную массу трихлоралкана: Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) = 3 × 35,5 / 72,20 × 100% = 147,5. Найдем значение n: 12n + 2n - 1 + 35,5×3 = 147,5; Следовательно, формула трихлоралкана C 3 H 5 Cl 3 . Составим структурные формулы изомеров: 1,2,3-трихлорпропан (1), 1,1,2-трихлорпропан (2), 1,1,3-трихлорпропан (3), 1,1,1-трихлорпропан (4) и 1,2,2-трихлорпропан (5). CH 2 Cl-CHCl-CH 2 Cl (1); CHCl 2 -CHCl-CH 3 (2); CHCl 2 -CH 2 -CH 2 Cl (3); CCl 3 -CH 2 -CH 3 (4); |