Struktura alkana
Alkani su ugljikovodici u čijim su molekulama atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju općoj formuli CnH2n+2. U molekulama alkana svi atomi ugljika su u stanju sp 3 -hibridizacija.
To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene prema uglovima jednakostrane trokutaste piramide - tetraedar. Kutovi između orbitala su 109° 28′. Gotovo slobodna rotacija moguća je oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekule alkana mogu poprimiti različite oblike s kutovima na ugljikovim atomima blizu tetraedarskih (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentana.
Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulama alkana. Sve veze u molekulama zasićenih ugljikovodika su jednostruke. Preklapanje se događa duž osi koja povezuje jezgre atoma, tj σ obveznice. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo se polariziraju. Duljina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je malo pomaknuta prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarni.
Homologne serije metana
Homolozi- tvari koje su slične strukture i svojstava, a razlikuju se po jedna ili više CH grupa 2 .
Zasićeni ugljikovodicičine homologni niz metana.
Izomerija i nomenklatura alkana
Za alkane je karakteristična tzv strukturna izomerija. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljikovog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan.
Razmotrimo detaljnije osnovnu nomenklaturu za alkane IUPAC.
1. Izbor glavnog kruga. Formiranje naziva ugljikovodika započinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca ugljikovih atoma u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.
2. Numeriranje atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeriranje atoma glavnog lanca počinje od kraja kojemu je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, onda numeriranje počinje od kraja na kojem ih je više (struktura B). Ako su različiti supstituenti smješteni na jednakoj udaljenosti od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojemu je stariji najbliži (struktura D). Seniornost supstituenata ugljikovodika određena je redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihov naziv: metil (-CH 3), zatim propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etil (-CH 2 -CH3) itd.
Imajte na umu da se naziv supstituenta tvori zamjenom sufiksa -an sa sufiksom -il u nazivu odgovarajućeg alkana.
3. Tvorba imena. Na početku naziva navedeni su brojevi - brojevi ugljikovih atoma na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na danom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, crticom se označava broj supstituenata (di - dva, tri - tri, tetra - četiri, penta - pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac naziva se ugljikovodik - član homologne serije metana (metan, etan, propan itd.).
Nazivi tvari čije su strukturne formule navedene gore su sljedeći:
Struktura A: 2-metilpropan;
Struktura B: 3-etilheksan;
Struktura B: 2,2,4-trimetilpentan;
Struktura D: 2-metil 4-etilheksan.
Odsutnost zasićenih ugljikovodika u molekulama polarne veze vodi do njih slabo topljiv u vodi, ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (ionima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodni radikali.
Fizikalna svojstva alkana
Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su plinovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "plina", kada ga osjetite, trebate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju metanu koji se koristi u kućanskim i industrijskim plinskim uređajima kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mirisom mogli otkriti curenje).
Ugljikovodici sastava iz S 5 N 12 prije S 15 N 32 - tekućine; teži ugljikovodici su čvrste tvari. Vrelište i talište alkana postupno se povećavaju s povećanjem duljine ugljikovog lanca. Svi ugljikovodici su slabo topljivi u vodi; tekući ugljikovodici su uobičajena organska otapala.
Kemijska svojstva alkana
Supstitucijske reakcije.
Najkarakterističnije reakcije za alkane su supstitucija slobodnih radikala, pri čemu se atom vodika zamjenjuje atomom halogena ili nekom skupinom.
Navedimo karakteristične jednadžbe reakcije halogeniranja:
U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika klorom:
Dobivene tvari naširoko se koriste kao otapala i početni materijali u organskim sintezama.
Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodika).
Kada alkani prolaze preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), molekula vodika se eliminira i alkena:
Reakcije popraćene razaranjem ugljikovog lanca. Svi zasićeni ugljikovodici gori s obrazovanjem ugljični dioksid i vodu. Plinoviti ugljikovodici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.
1. Izgaranje zasićenih ugljikovodika je egzotermna reakcija slobodnih radikala koja ima vrlo veliki značaj kada se koriste alkani kao gorivo:
U opći pogled Reakcija gorenja alkana može se napisati na sljedeći način:
2. Toplinsko cijepanje ugljikovodika.
Proces se odvija prema mehanizam slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.
Ovi radikali međusobno djeluju međusobno, izmjenjujući atom vodika, da bi formirali molekulu alkan i alkenska molekula:
Reakcije toplinske razgradnje temelj su industrijskog procesa - krekiranje ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.
3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, metanska piroliza- razgradnja na jednostavne tvari:
Zagrijavanjem na temperaturu od 1500 °C dolazi do stvaranja acetilen:
4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju s katalizatorom izomerizacije (aluminijev klorid), tvari s razgranati karbonski skelet:
5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora da bi formirali benzen i njegove derivate:
Alkani stupaju u reakcije koje se odvijaju prema mehanizmu slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulama alkana u stanju sp 3 hibridizacije. Molekule ovih tvari izgrađene su pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodik) veza. Ne sadrže područja s povećanom ili smanjenom gustoćom elektrona, lako polarizirajuće veze, tj. takve veze u kojima se gustoća elektrona može pomaknuti pod utjecajem vanjski faktori(elektrostatska polja iona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, budući da se veze u molekulama alkana ne prekidaju heterolitičkim mehanizmom.
Kemijska svojstva. Fizička svojstva alkani
Fizikalna svojstva alkana
U normalnim uvjetima prva četiri člana homolognog niza alkana (C 1 - C 4) su plinovi. Normalni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) - tekućine počevši od C 18 i više - čvrste tvari. Kako se broj ugljikovih atoma u lancu povećava, tj. Kako se relativna molekularna težina povećava, vrelište i talište alkana se povećavaju.
Uz isti broj ugljikovih atoma u molekuli, alkani s razgranatom strukturom imaju više niske temperature vrelište od normalnih alkana.
Alkani su praktički netopljivi u vodi, jer njihove molekule su niskopolarne i ne stupaju u interakciju s molekulama vode. Tekući alkani se međusobno lako miješaju. Dobro se otapaju u nepolarnim organskim otapalima kao što su benzen, ugljikov tetraklorid itd.
Struktura
Molekula najjednostavnijeg alkana - metana - ima oblik pravilnog tetraedra u čijem se središtu nalazi atom ugljika, a na vrhovima su atomi vodika. Kutovi između osi C-H veze su 109°28" (slika 29).
U molekulama drugih zasićenih ugljikovodika, kutovi između veza (i C-H i C-C) imaju isto značenje. Za opisivanje oblika molekula koristi se koncept hibridizacije atomskih orbitala(vidi Dio I, §6).
U alkanima su svi atomi ugljika u stanju sp 3 - hibridizacija (slika 30).
Dakle, ugljikovi atomi u ugljikovom lancu nisu u ravnoj liniji. Udaljenost između susjednih atoma ugljika (između jezgri atoma) je strogo fiksna - to je duljina kemijske veze(0,154 nm). Udaljenost C 1 - C 3, C 2 - C 4, itd. (kroz jedan atom) također su konstantne, jer kut između veza je konstantan - vezni kut.
Udaljenosti između udaljenijih atoma ugljika mogu se mijenjati (unutar određenih granica) kao rezultat rotacije oko s-veza. Ova rotacija ne remeti preklapanje orbitala koje tvore s-vezu, budući da ta veza ima aksijalnu simetriju.
Različiti prostorni oblici jedne molekule nastali rotacijom skupina atoma oko s-veza nazivaju se konformacije(Slika 31).
Konformacije se razlikuju po energiji, ali je ta razlika mala (12-15 kJ/mol). Stabilnije su konformacije alkana u kojima su atomi što udaljeniji (odbijanje elektronskih ljuski). Prijelaz iz jedne konformacije u drugu provodi se zahvaljujući energiji toplinskog gibanja. Za prikaz konformacije koriste se posebne prostorne formule (Newmanove formule).
Nemojte se zbuniti!
Potrebno je razlikovati pojmove konformacija i konfiguracija.
Različite konformacije mogu se transformirati jedna u drugu bez prekidanja kemijskih veza. Da bi se molekula s jednom konfiguracijom pretvorila u molekulu s drugom konfiguracijom, potrebno je kidanje kemijskih veza.
Od četiri vrste izomerija Alkane karakteriziraju dva: izomerija ugljikovog skeleta i optička izomerija (vidi dio
Kemijske veze u alkanima, njihovo kidanje i stvaranje određuju kemijska svojstva alkana. C-C i C-H veze su kovalentne, jednostavne (s-veze), praktički nepolarne, prilično jake, dakle:
1) alkani najčešće ulaze u reakcije koje uključuju hemolitičko cijepanje veza;
2) u usporedbi s organskim spojevima drugih klasa, alkani imaju nisku reaktivnost (za to se nazivaju parafini- “lišen svojstava”). Dakle, alkani su otporni na djelovanje vodene otopine kiseline, lužine i oksidirajuća sredstva (na primjer, kalijev permanganat) čak i kod vrenja.
Alkani ne reagiraju s dodatkom drugih molekula na njih, jer Alkani nemaju višestruke veze u svojim molekulama.
Alkani se pod jakim zagrijavanjem razgrađuju u prisutnosti katalizatora u obliku platine ili nikla, a vodik se eliminira iz alkana.
Alkani mogu biti podvrgnuti reakcijama izomerizacije. Njihova tipična reakcija je reakcija supstitucije, odvija se radikalnim mehanizmom.
Kemijska svojstva
Reakcije istiskivanja radikala
Kao primjer, razmotrite interakcija alkana s halogenima. Fluor reagira vrlo snažno (obično uz eksploziju) - u ovom slučaju se prekidaju sve C-H i C-C veze, a kao rezultat nastaju spojevi CF 4 i HF. Reakcija nema praktičnog značaja. Jod ne stupa u interakciju s alkanima. Reakcije s klorom ili bromom odvijaju se ili na svjetlu ili na jakoj toplini; u ovom slučaju dolazi do stvaranja mono- do polihalogen-supstituiranih alkana, na primjer:
CH 3 -CH 3 +Cl 2 ® hv CH 3 -CH 2 -Cl+HCl
Stvaranje metan halogenih derivata odvija se lančano slobodni radikali mehanizam. Pod utjecajem svjetlosti molekule klora se raspadaju na anorganske radikale:
Anorganski radikal Cl. odvaja atom vodika s jednim elektronom od molekule metana, tvoreći HC1 i slobodni radikal CH3
Slobodni radikal stupa u interakciju s molekulom klora Cl 2, tvoreći derivat halogena i radikal klora.
Reakcija oksidacije počinje odvajanjem vodikovog atoma od strane molekule kisika (koja je diradikal), a zatim se nastavlja kao razgranata lančana reakcija. Tijekom reakcije povećava se broj radikala. Proces je popraćen
isticanje velika količina topline dolazi do kidanja ne samo C-H veza, već i C-C veza, tako da nastaju ugljikov monoksid (IV) i voda. Reakcija se može odvijati kao izgaranje ili dovesti do eksplozije.
2S n N2 n+2 +(3n+1)O 2 ®2nSO 2 +(2n+2)N 2 O
Na uobičajenim temperaturama ne dolazi do reakcije oksidacije; može se pokrenuti ili paljenjem ili električnim pražnjenjem.
Jakim zagrijavanjem (preko 1000°C) alkani se potpuno raspadaju na ugljik i vodik. Ova reakcija se zove piroliza.
CH4® 1200°C+2H 2
Blagom oksidacijom alkana, posebice metana, s atmosferskim kisikom u prisutnosti različitih katalizatora mogu se dobiti metilni alkohol, formaldehid i mravlja kiselina.
Ako se metan vrlo brzo propusti kroz zagrijanu zonu i zatim odmah ohladi vodom, rezultat je acetilen.
Ova reakcija je osnova industrijske sinteze tzv pucanje(nepotpuna razgradnja) metana.
Krekiranje homologa metana provodi se na nižoj temperaturi (oko 600°C). Na primjer, propansko krekiranje uključuje sljedeće faze:
Dakle, krekiranje alkana dovodi do stvaranja smjese alkana i alkena manje molekulske mase.
Zagrijavanje alkana na 300-350°C (krekiranje još nije nastupilo) u prisutnosti katalizatora (Pt ili Ni) dovodi do dehidrogenacija- uklanjanje vodika.
Kada razrijeđena dušična kiselina djeluje na alkane pri 140°C i niskom tlaku, dolazi do reakcije radikala:
CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O Izomerizacija
Pod određenim uvjetima normalni alkani mogu se transformirati u alkane razgranatog lanca.
Dobivanje alkana
Razmotrimo proizvodnju alkana na primjeru proizvodnje metana. Metan je široko rasprostranjen u prirodi. Glavni je sastojak mnogih zapaljivih plinova, prirodnih (90-98%) i umjetnih, koji se oslobađaju tijekom suhe destilacije drva, treseta, ugljena, kao i tijekom krekiranja nafte. Prirodni plinovi, posebno prateći plinovi iz naftnih polja, osim metana sadrže etan, propan, butan i pentan.
Metan se oslobađa s dna močvara i iz slojeva ugljena u rudnicima, gdje nastaje tijekom polagane razgradnje biljnih ostataka bez pristupa zraka. Stoga se metan često naziva močvarni plin ili ognjište.
U laboratoriju se metan proizvodi zagrijavanjem smjese natrijevog acetata i natrijevog hidroksida:
CH3COONa+NaOH® 200 ° Na2CO3 + CH4
ili kada aluminijev karbid stupa u interakciju s vodom: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4
U potonjem slučaju, metan se pokazuje vrlo čistim.
Metan se može proizvesti iz jednostavnih tvari zagrijavanjem u prisutnosti katalizatora:
C+2H 2 ® Ni CH 4 8 također sintezom na bazi vodenog plina
CO+3H2® Ni CH4 +H2O
Ova metoda je od industrijske važnosti. Međutim, obično se koristi metan iz prirodnih plinova ili plinovi koji nastaju tijekom koksiranja ugljena i tijekom rafiniranja nafte.
Homolozi metana, kao i metan, dobivaju se u laboratorijskim uvjetima kalcinacijom soli odgovarajućih organskih kiselina s alkalijama. Druga metoda je Wurtzova reakcija, tj. zagrijavanje monohalogenih derivata s metalnim natrijem, na primjer:
C 2 H 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® C 2 H 5 -C 2 H 5 +2NaBr
U tehnici se sintezom dobiva tehnički benzin (smjesa ugljikovodika sa 6-10 atoma ugljika).
iz ugljičnog monoksida (II) i vodika u prisutnosti katalizatora (kobaltov spoj) i pri visoki krvni tlak. Postupak
može se izraziti jednadžbom
nSO+(2n+1)N 2 ® 200° C n H 2n+2 +nN 2 O
I Dakle, glavni izvori alkana su prirodni plin i nafta. Međutim, neki zasićeni ugljikovodici se sintetiziraju iz drugih spojeva.
Primjena alkana
Većina alkani se koriste kao gorivo. Pucanje i
Njihovom dehidrogenacijom nastaju nezasićeni ugljikovodici, koji
na temelju kojih mnogi drugi primaju organska tvar.
Metan je glavni dio prirodnih plinova (60-99%). Dio
prirodni plinovi uključuju propan i butan. Tekući ugljikovodici
koristi se kao gorivo u motorima s unutarnjim izgaranjem, automobilima, zrakoplovima itd. Pročišćena smjesa tekućine
a čvrsti alkani stvaraju vazelin. Viši alkani su
polazni materijali za proizvodnju sintetičkih deterdženti. Alkani dobiveni izomerizacijom koriste se u proizvodnji visokokvalitetnog benzina i gume. Ispod je dijagram korištenja metana
Cikloalkani
Struktura
Cikloalkani su zasićeni ugljikovodici čije molekule sadrže zatvoreni prsten ugljikovih atoma.
Cikloalkani (cikloparafini) tvore homologni niz opće formule C n H 2 n, u kojem je prvi član
ciklopropan C 3 H 6, jer Da bi se formirao prsten, moraju biti prisutna najmanje tri atoma ugljika.
Cikloalkani imaju nekoliko naziva: cikloparafini, nafteni, ciklani, polimetileni. Primjeri nekih veza:
Formula C n H 2 n karakteristična je za cikloparafine, a potpuno ista formula opisuje homologni niz alkena (nezasićenih ugljikovodika s jednom višestrukom vezom). Iz ovoga možemo zaključiti da je svaki cikloalkan izomeran s odgovarajućim alkenom - ovo je primjer "međuklasne" izomerije.
Cikloalkani se dijele u više skupina na temelju veličine prstena, od kojih ćemo razmotriti dvije: male (C 3, C 4) i obične (C 5 -C 7) cikluse.
Imena cikloalkana grade se tako da se nazivu alkana s pripadajućim brojem ugljikovih atoma doda prefiks ciklo-. Numeriranje u ciklusu se provodi tako da supstituenti dobiju najmanje brojeve.
Strukturne formule cikloalkani se obično pišu u skraćenom obliku, koristeći geometrijski oblik prstena i izostavljajući simbole za atome ugljika i vodika. Na primjer:
Strukturna izomerija cikloalkana određena je veličinom prstena (ciklobutan i metilciklopropan su izomeri) i položajem supstituenata u prstenu (npr. 1,1- i 1,2-dimetilbutan), kao i njihovom strukturom .
Prostorna izomerija također je karakteristična za cikloalkane jer povezan je s različitim rasporedom supstituenata u odnosu na ravninu prstena. Kada se supstituenti nalaze s jedne strane ravnine prstena, dobivaju se cis-izomeri, prema različite strane- trans izomeri.
U kemiji, alkani su zasićeni ugljikovodici u kojima je ugljikov lanac otvoren i sastoji se od ugljika međusobno povezanih jednostrukim vezama. Druga karakteristična značajka alkana je da uopće ne sadrže dvostruke ili trostruke veze. Ponekad se alkani nazivaju parafinima; činjenica je da su parafini zapravo mješavina zasićenih ugljika, odnosno alkana.
Formula alkana
Formula alkana može se napisati kao:
U ovom slučaju, n je veći ili jednak 1.
Alkane karakterizira izomerija ugljikovog skeleta. U ovom slučaju, veze mogu prihvatiti različite geometrijski oblici, kao što je prikazano na slici ispod.
Izomerija ugljikovog skeleta alkana
Kako ugljikov lanac raste, povećava se i broj izomera. Na primjer, butan ima dva izomera.
Dobivanje alkana
Alkan se obično dobiva raznim sintetskim metodama. Na primjer, jedna od metoda za proizvodnju alkana uključuje reakciju "hidrogeniranja", kada se alkani proizvode iz nezasićenih ugljikohidrata pod utjecajem katalizatora i na temperaturi.
Fizikalna svojstva alkana
Alkani se od drugih tvari razlikuju po tome što potpuno nemaju boju, a također su netopljivi u vodi. Talište alkana raste s povećanjem molekulske mase i duljine lanca ugljikovodika. Odnosno, što je alkan razgranatiji, to mu je viša temperatura sagorijevanja i taljenja. Plinoviti alkani gore blijedoplavim ili bezbojnim plamenom, pri čemu oslobađaju mnogo topline.
Kemijska svojstva alkana
Alkani su kemijski neaktivne tvari, zbog jakosti jake sige C-C veze i S-N. U ovom slučaju C-C veze su nepolarne, a C-H veze su niskopolarne. A budući da su sve to niskopolarizirani tipovi veza koji pripadaju sigma tipu, oni će se po homolitičkom mehanizmu pokidati, uslijed čega nastaju radikali. I kao posljedica toga, kemijska svojstva alkana su uglavnom reakcije radikalne supstitucije.
Ovo je formula za radikalnu supstituciju alkana (halogeniranje alkana).
Osim ovoga, možemo istaknuti i sljedeće kemijske reakcije kao nitriranje alkana (Konovalovljeva reakcija).
Ova reakcija se odvija na temperaturi od 140 C, a najbolja je s tercijarnim atomom ugljika.
Krekiranje alkana – ova reakcija se odvija pod djelovanjem visokih temperatura i katalizatora. Tada se stvaraju uvjeti kada viši alkani mogu raskinuti svoje veze i formirati alkane nižeg reda.
Zasićeni ugljikovodici su spojevi koji su molekule koje se sastoje od ugljikovih atoma u stanju sp 3 hibridizacije. Međusobno su povezani isključivo kovalentnim sigma vezama. Naziv "zasićeni" ili "zasićeni" ugljikovodici dolazi od činjenice da ovi spojevi nemaju sposobnost vezivanja atoma. Oni su ekstremni, potpuno zasićeni. Izuzetak su cikloalkani.
Što su alkani?
Alkani su zasićeni ugljikovodici, a njihov ugljikov lanac je otvoren i sastoji se od ugljikovih atoma međusobno povezanih jednostrukim vezama. Ne sadrži druge (to jest dvostruke, poput alkena ili trostruke, poput alkila) veze. Alkani se nazivaju i parafini. Dobili su ovo ime jer su dobro poznati parafini mješavina pretežno ovih zasićenih ugljikovodika C 18 -C 35 s posebnom inertnošću.
Općenito o alkanima i njihovim radikalima
Njihova formula: C n P 2 n +2, ovdje je n veći ili jednak 1. Molarna masa se izračunava po formuli: M = 14n + 2. Značajka: Završeci u njihovim imenima su “-an”. Ostaci njihovih molekula, koji nastaju kao rezultat zamjene atoma vodika drugim atomima, nazivaju se alifatski radikali ili alkili. Označavaju se slovom R. Opća formula jednovalentni alifatski radikali: C n P 2 n +1, ovdje je n veći ili jednak 1. Molarna masa alifatskih radikala izračunava se po formuli: M = 14n + 1. Karakteristična značajka alifatskih radikala: završeci u imena “-yl”. Molekule alkana imaju svoje strukturne značajke:
- C-C vezu karakterizira duljina od 0,154 nm;
- C-H vezu karakterizira duljina od 0,109 nm;
- vezni kut (kut između veza ugljik-ugljik) je 109 stupnjeva i 28 minuta.
Alkani započinju homologni niz: metan, etan, propan, butan i tako dalje.
Fizikalna svojstva alkana
Alkani su tvari koje su bezbojne i netopljive u vodi. Temperatura na kojoj se alkani počinju taliti i temperatura na kojoj vrije povećavaju se u skladu s povećanjem molekulske mase i duljine lanca ugljikovodika. Od manje razgranatih prema više razgranatim alkanima, vrelište i talište se smanjuju. Plinoviti alkani mogu gorjeti blijedoplavim ili bezbojnim plamenom i proizvoditi dosta topline. CH 4 -C 4 H 10 su plinovi koji također nemaju miris. C 5 H 12 -C 15 H 32 su tekućine specifičnog mirisa. C 15 H 32 i tako dalje su krutine koje su također bez mirisa.
Kemijska svojstva alkana
Ovi spojevi su kemijski neaktivni, što se može objasniti snagom teško raskidivih sigma veza – C-C i C-H. Također je vrijedno uzeti u obzir da su C-C veze nepolarne, a C-H veze niskopolarne. To su niskopolarizirani tipovi veza koji pripadaju sigma tipu i prema tome najvjerojatnije će doći do kidanja homolitičkim mehanizmom, pri čemu će nastati radikali. Stoga su kemijska svojstva alkana uglavnom ograničena na reakcije supstitucije radikala.
Reakcije nitracije
Alkani reagiraju samo s dušičnom kiselinom koncentracije od 10% ili s četverovalentnim dušikovim oksidom u plinovitom okruženju pri temperaturi od 140°C. Reakcija nitriranja alkana naziva se Konovalova reakcija. Kao rezultat toga nastaju nitro spojevi i voda: CH 4 + dušična kiselina (razrijeđena) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + voda.
Reakcije izgaranja
Zasićeni ugljikovodici se vrlo često koriste kao gorivo, što je opravdano njihovom sposobnošću gorenja: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.
Reakcije oksidacije
Kemijska svojstva alkana također uključuju njihovu sposobnost oksidacije. Ovisno o tome koji uvjeti prate reakciju i kako se mijenjaju, iz iste tvari mogu se dobiti različiti krajnji produkti. Blaga oksidacija metana s kisikom u prisutnosti katalizatora koji ubrzava reakciju i temperature od oko 200 °C može rezultirati sljedećim tvarima:
1) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2CH 3 OH (alkohol - metanol).
2) CH 4 (oksidacija s kisikom) = CH 2 O (aldehid - metanal ili formaldehid) + H 2 O.
3) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2HCOOH (karboksilna kiselina - metan ili mravlja) + 2H 2 O.
Također, oksidacija alkana može se provesti u plinovitom ili tekućem mediju sa zrakom. Takve reakcije dovode do stvaranja viših masnih alkohola i odgovarajućih kiselina.
Odnos prema toplini
Na temperaturama ne višim od +150-250 ° C, uvijek u prisutnosti katalizatora, dolazi do strukturnog preuređivanja organskih tvari, što se sastoji od promjene redoslijeda veze atoma. Taj se proces naziva izomerizacija, a tvari koje nastaju tom reakcijom nazivaju se izomeri. Dakle, od normalni butan Dobiva se njegov izomer - izobutan. Na temperaturama od 300-600°C i prisutnosti katalizatora dolazi do kidanja C-H veza uz stvaranje molekula vodika (reakcije dehidrogenacije), molekula vodika uz zatvaranje ugljikovog lanca u ciklus (reakcije ciklizacije ili aromatizacije alkana) :
1) 2CH 4 = C 2 H 4 (eten) + 2H 2.
2) 2CH4 = C2H2 (etin) + 3H2.
3) C7H16 (normalni heptan) = C6H5 - CH3 (toluen) + 4H2.
Reakcije halogeniranja
Takve reakcije uključuju uvođenje halogena (njihovih atoma) u molekulu organske tvari, što rezultira stvaranjem C-halogene veze. Kada alkani reagiraju s halogenima, nastaju derivati halogena. Ova reakcija ima svoje specifičnosti. Odvija se po radikalnom mehanizmu, a da bi se pokrenuo potrebno je smjesu halogena i alkana izložiti ultraljubičastom zračenju ili je jednostavno zagrijati. Svojstva alkana dopuštaju odvijanje reakcije halogeniranja dok se ne postigne potpuna zamjena s atomima halogena. Odnosno, kloriranje metana neće završiti u jednoj fazi i proizvodnji metil klorida. Reakcija će ići dalje, nastat će svi mogući produkti supstitucije, počevši od klorometana i završavajući s ugljikovim tetrakloridom. Izlaganje drugih alkana kloru pod ovim uvjetima rezultirat će stvaranjem različitih proizvoda koji nastaju supstitucijom vodika na različitim atomima ugljika. Temperatura na kojoj se odvija reakcija odredit će omjer konačnih proizvoda i brzinu njihovog stvaranja. Što je duži ugljikovodični lanac alkana, to će lakše ići ovu reakciju. Tijekom halogeniranja najprije će biti zamijenjen najmanje hidrogenirani (tercijarni) atom ugljika. Primarni će reagirati nakon svih ostalih. Reakcija halogeniranja odvijat će se u fazama. U prvoj fazi zamjenjuje se samo jedan atom vodika. Alkani ne stupaju u interakciju s otopinama halogena (klorna i bromna voda).
Reakcije sulfokloriranja
Kemijska svojstva alkana također se nadopunjuju reakcijom sulfokloriranja (zvanom Reedova reakcija). Kada su izloženi ultraljubičastom zračenju, alkani mogu reagirati s mješavinom klora i sumpornog dioksida. Kao rezultat nastaje klorovodik, kao i alkilni radikal, koji dodaje sumporni dioksid. Rezultat je složeni spoj koji postaje stabilan zbog hvatanja atoma klora i uništavanja njegove sljedeće molekule: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultraljubičasto zračenje= R-SO2Cl + HCl. Sulfonil kloridi koji nastaju kao rezultat reakcije naširoko se koriste u proizvodnji površinski aktivnih tvari.
DEFINICIJA
alkani– zasićeni (alifatski) ugljikovodici, čiji se sastav izražava formulom C n H 2 n +2.
Alkani tvore svaki homologni niz kemijski spoj koji se po sastavu razlikuje od sljedećeg i prethodnog istim brojem atoma ugljika i vodika - CH 2, a tvari uključene u homologni niz nazivaju se homolozi. Homologni niz alkana prikazan je u tablici 1.
Tablica 1. Homologni nizovi alkana.
U molekulama alkana razlikuju se primarni (tj. povezani jednom vezom), sekundarni (tj. povezani s dvije veze), tercijarni (tj. povezani s tri veze) i kvaternarni (tj. povezani s četiri veze) ugljikovi atomi.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – primarni, 2 – sekundarni atomi ugljika)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3-tercijarni atom ugljika)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-kvaterni atom ugljika)
Alkane karakterizira strukturna izomerija (izomerija ugljičnog skeleta). Dakle, pentan ima sljedeće izomere:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (pentan)
CH 3 –CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 (2-metilbutan)
CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 – dimetilpropan)
Alkane, počevši od heptana, karakterizira optička izomerija.
Ugljikovi atomi u zasićenim ugljikovodicima su u sp 3 hibridizaciji. Kutovi između veza u molekulama alkana iznose 109,5.
Kemijska svojstva alkana
U normalnim uvjetima alkani su kemijski inertni - ne reagiraju ni s kiselinama ni s alkalijama. To se objašnjava velikom čvrstoćom C-C i C-H veza. Nepolarne C-C i C-H veze mogu se samo homolitički cijepati pod utjecajem aktivnih slobodnih radikala. Stoga alkani stupaju u reakcije koje se odvijaju mehanizmom radikalske supstitucije. U radikalskim reakcijama atomi vodika prvo se zamjenjuju na tercijarnim atomima ugljika, zatim na sekundarnim i primarnim atomima ugljika.
Reakcije radikalne supstitucije imaju lančanu prirodu. Glavne faze: nukleacija (inicijacija) lanca (1) - događa se pod utjecajem UV zračenja i dovodi do stvaranja slobodnih radikala, rast lanca (2) - nastaje zbog odvajanja atoma vodika od molekule alkana ; terminacija lanca (3) – nastaje kada se sudare dva ista ili različita radikala.
X:X → 2X . (1)
R:H+X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . +X . → R:X (3)
x . +X . → X:X (3)
Halogeniranje. Pri interakciji alkana s klorom i bromom pod utjecajem UV zračenja odn visoka temperatura nastaje smjesa produkata mono- do polihalogen-supstituiranih alkana:
CH 3 Cl + Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (diklormetan)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl (triklorometan)
CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (ugljikov tetraklorid)
Nitriranje (Konovalovljeva reakcija). Kada razrijeđena dušična kiselina djeluje na alkane pri 140C i niskom tlaku, dolazi do reakcije radikala:
CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (nitroetan) + H 2 O
Sulfokloriranje i sulfoksidacija. Izravno sulfoniranje alkana je teško i najčešće je praćeno oksidacijom, što rezultira stvaranjem alkansulfonil klorida:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Reakcija sulfonske oksidacije odvija se slično, samo u ovom slučaju nastaju alkansulfonske kiseline:
R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H
Pucanje– radikalno cijepanje C-C veza. Nastaje pri zagrijavanju iu prisutnosti katalizatora. Kada se krekiraju viši alkani, nastaju alkeni; kada se krekiraju metan i etan, nastaje acetilen:
C8H18 = C4H10 (butan) + C3H8 (propan)
2CH4 = C2H2 (acetilen) + 3H2
Oksidacija. Blaga oksidacija metana s atmosferskim kisikom može proizvesti metanol, mravlja aldehid ili mravlja kiselina. U zraku alkani izgaraju u ugljikov dioksid i vodu:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O
Fizikalna svojstva alkana
U normalnim uvjetima, C 1 -C 4 su plinovi, C 5 -C 17 su tekućine, a počevši od C 18 su čvrste tvari. Alkani su praktički netopljivi u vodi, ali su vrlo topljivi u nepolarnim otapalima, kao što je benzen. Dakle, metan CH 4 (močvarni, rudnički plin) je plin bez boje i mirisa, visoko topiv u etanolu, eteru, ugljikovodicima, ali slabo topiv u vodi. Metan se koristi kao visokokalorično gorivo u prirodnom plinu, kao sirovina za proizvodnju vodika, acetilena, kloroforma i drugih organskih tvari u industrijskim razmjerima.
Propan C 3 H 8 i butan C 4 H 10 su plinovi koji se koriste u svakodnevnom životu kao plinovi u bocama zbog lakog ukapljivanja. Propan se koristi kao gorivo za automobile jer je ekološki prihvatljiviji od benzina. Butan je sirovina za proizvodnju 1,3-butadiena koji se koristi u proizvodnji sintetičkog kaučuka.
Dobivanje alkana
Alkani se dobivaju iz prirodnih izvora - prirodnog plina (80-90% - metan, 2-3% - etan i drugi zasićeni ugljikovodici), ugljena, treseta, drva, nafte i kamenog voska.
Postoje laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju alkana. U industriji se alkani dobivaju iz bitumenskog ugljena (1) ili Fischer-Tropschovom reakcijom (2):
nC + (n+1)H 2 = C n H 2 n +2 (1)
nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2 n +2 + H 2 O (2)
Laboratorijske metode za dobivanje alkana uključuju: hidrogenaciju nezasićenih ugljikovodika zagrijavanjem i u prisutnosti katalizatora (Ni, Pt, Pd) (1), interakciju vode s organometalnim spojevima (2), elektrolizu karboksilnih kiselina (3), reakcije dekarboksilacije (4) i Wurtz (5) i na druge načine.
R 1 -C≡C-R 2 (alkin) → R 1 -CH = CH-R 2 (alken) → R 1 -CH 2 – CH 2 -R 2 (alkan) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (alkan) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO - → 2CO 2 + C 2 H 6 (etan) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R 1 -Cl +2Na +Cl-R 2 →2NaCl + R 1 -R 2 (5)
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Odredite masu klora potrebnog za prvi stupanj kloriranja 11,2 litara metana. |
| Riješenje | Napišimo jednadžbu reakcije za prvi stupanj kloriranja metana (tj. u reakciji halogeniranja zamjenjuje se samo jedan atom vodika, što rezultira stvaranjem derivata monoklora): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (metan klorid) Nađimo količinu tvari metana: v(CH4) = V(CH4)/Vm v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Prema jednadžbi reakcije, broj molova klora i broj molova metana jednaki su 1 molu, stoga će praktični broj molova klora i metana također biti isti i bit će jednak: v(Cl2) = v(CH4) = 0,5 mol Znajući količinu tvari klora, možete pronaći njegovu masu (što je ono što je postavljeno u problemskom pitanju). Masa klora izračunava se kao umnožak količine tvari klora i njegove molarne mase (molekulska masa 1 mola klora; molekularna masa se izračunava pomoću tablice kemijski elementi DI. Mendeljejev). Masa klora bit će jednaka: m(Cl 2) = v(Cl 2)×M(Cl 2) m(Cl 2) = 0,5 × 71 = 35,5 g |
| Odgovor | Masa klora je 35,5 g |
