Struktura alkanów

Alkany to węglowodory, w których cząsteczkach atomy są połączone wiązaniami pojedynczymi i które odpowiadają wzorowi ogólnemu CnH2n+2. W cząsteczkach alkanów wszystkie atomy węgla znajdują się w stanie sp 3 -hybrydyzacja.

Oznacza to, że wszystkie cztery orbitale hybrydowe atomu węgla mają identyczny kształt, energię i są skierowane w stronę narożników piramidy trójkątnej równobocznej - czworościan. Kąty między orbitalami wynoszą 109° 28′. Możliwy jest prawie swobodny obrót wokół pojedynczego wiązania węgiel-węgiel, a cząsteczki alkanów mogą przybierać różnorodne kształty z kątami przy atomach węgla bliskimi czworościennym (109° 28′), na przykład w cząsteczce n-pentanu.

Szczególnie warto przypomnieć wiązania w cząsteczkach alkanów. Wszystkie wiązania w cząsteczkach węglowodorów nasyconych są pojedyncze. Nakładanie się następuje wzdłuż osi łączącej jądra atomów, czyli tzw wiązania σ. Wiązania węgiel-węgiel są niepolarne i słabo polaryzowalne. Długość wiązania CC w alkanach wynosi 0,154 nm (1,54 · 10 · 10 m). Wiązania CH są nieco krótsze. Gęstość elektronów jest nieznacznie przesunięta w stronę bardziej elektroujemnego atomu węgla, tj. wiązania C-H słabo polarny.

Seria homologiczna metanu

Homologi- substancje o podobnej budowie i właściwościach oraz różniące się między sobą jedną lub więcej grup CH 2 .

Węglowodory nasycone stanowią homologiczną serię metanu.

Izomeria i nazewnictwo alkanów

Alkany charakteryzują się tzw izomeria strukturalna. Izomery strukturalne różnią się między sobą budową szkieletu węglowego. Najprostszym alkanem, który charakteryzuje się izomerami strukturalnymi, jest butan.

Rozważmy bardziej szczegółowo podstawową nomenklaturę alkanów IUPAC.

1. Wybór obwodu głównego. Tworzenie nazwy węglowodoru rozpoczyna się od zdefiniowania głównego łańcucha - najdłuższego łańcucha atomów węgla w cząsteczce, który jest niejako jego podstawą.

2. Numeracja atomów łańcucha głównego. Atomy głównego łańcucha mają przypisane numery. Numeracja atomów łańcucha głównego rozpoczyna się od końca, do którego podstawnik jest najbliższy (struktury A, B). Jeżeli podstawniki znajdują się w równej odległości od końca łańcucha, to numerację rozpoczyna się od końca, na którym jest ich więcej (struktura B). Jeżeli różne podstawniki znajdują się w równych odległościach od końców łańcucha, to numerację rozpoczyna się od końca, do którego najbliżej jest starszy (struktura D). Starszeństwo podstawników węglowodorowych określa kolejność, w jakiej litera, od której zaczyna się ich nazwa, pojawia się w alfabecie: metyl (-CH 3), następnie propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etyl (-CH 2 -CH3) itd.

Należy pamiętać, że nazwę podstawnika tworzy się poprzez zastąpienie przyrostka -ane przyrostkiem -yl w nazwie odpowiedniego alkanu.

3. Tworzenie imienia. Na początku nazwy wskazane są liczby - liczby atomów węgla, przy których znajdują się podstawniki. Jeżeli przy danym atomie jest kilka podstawników, to odpowiadająca im liczba w nazwie powtarza się dwukrotnie, oddzielona przecinkiem (2,2-). Po liczbie łącznik wskazuje liczbę podstawników (di - dwa, trzy - trzy, tetra - cztery, penta - pięć) i nazwę podstawnika (metyl, etyl, propyl). Następnie bez spacji i myślników nazwa głównego łańcucha. Główny łańcuch nazywa się węglowodorem - członkiem homologicznej serii metanu (metan, etan, propan itp.).

Nazwy substancji, których wzory strukturalne podano powyżej, są następujące:

Struktura A: 2-metylopropan;

Struktura B: 3-etyloheksan;

Struktura B: 2,2,4-trimetylopentan;

Struktura D: 2-metylo-4-etyloheksan.

Brak nasyconych węglowodorów w cząsteczkach wiązania polarne prowadzi do nich słabo rozpuszczalny w wodzie, nie oddziałują z naładowanymi cząsteczkami (jonami). Najbardziej charakterystycznymi reakcjami dla alkanów są reakcje z udziałem wolne rodniki.

Właściwości fizyczne alkanów

Pierwsi czterej przedstawiciele homologicznej serii metanu to gazy. Najprostszym z nich jest metan - bezbarwny, pozbawiony smaku i zapachu gaz (zapach „gazu”, gdy go poczujesz, należy zadzwonić pod numer 04, określa zapach merkaptanów - związków zawierających siarkę specjalnie dodawanych do metanu używanego w domowych i przemysłowych urządzeniach gazowych, aby osoby znajdujące się w ich pobliżu mogły wykryć wyciek po zapachu).

Węglowodory o składzie z Z 5 N 12 zanim Z 15 N 32 - płyny; cięższe węglowodory są ciałami stałymi. Temperatury wrzenia i topnienia alkanów stopniowo rosną wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory są słabo rozpuszczalne w wodzie; ciekłe węglowodory są powszechnymi rozpuszczalnikami organicznymi.

Właściwości chemiczne alkanów

Reakcje podstawienia.

Najbardziej charakterystycznymi reakcjami dla alkanów są substytucja wolnych rodników, podczas którego atom wodoru zostaje zastąpiony atomem halogenu lub jakąś grupą.

Przedstawmy równania charakterystyczne reakcje halogenowania:

W przypadku nadmiaru halogenu chlorowanie może postępować dalej, aż do całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru chlorem:

Powstałe substancje są szeroko stosowane jako rozpuszczalniki i materiały wyjściowe w syntezach organicznych.

Reakcja odwodornienia(pobieranie wodoru).

Kiedy alkany przepuszcza się przez katalizator (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) w wysokich temperaturach (400-600 °C), cząsteczka wodoru zostaje wyeliminowana, a alken:

Reakcje, którym towarzyszy zniszczenie łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory nasycone płoną z edukacją dwutlenek węgla i woda. Węglowodory gazowe zmieszane z powietrzem w określonych proporcjach mogą eksplodować.

1. Spalanie węglowodorów nasyconych jest wolnorodnikową reakcją egzotermiczną, która ma bardzo bardzo ważne w przypadku stosowania alkanów jako paliwa:

W ogólna perspektywa Reakcję spalania alkanów można zapisać w następujący sposób:

2. Rozszczepianie termiczne węglowodorów.

Proces przebiega wg mechanizm wolnorodnikowy. Wzrost temperatury prowadzi do homolitycznego rozerwania wiązania węgiel-węgiel i powstania wolnych rodników.

Rodniki te oddziałują ze sobą, wymieniając atom wodoru, tworząc cząsteczkę cząsteczka alkanu i alkenu:

Reakcje rozkładu termicznego stanowią podstawę procesu przemysłowego - kraking węglowodorów. Proces ten jest najważniejszym etapem rafinacji ropy naftowej.

3. Piroliza. Gdy metan zostanie podgrzany do temperatury 1000°C, piroliza metanu- rozkład na substancje proste:

Po podgrzaniu do temperatury 1500°C tworzy się acetylen:

4. Izomeryzacja. Gdy liniowe węglowodory ogrzewa się za pomocą katalizatora izomeryzacji (chlorku glinu), substancje z rozgałęziony szkielet węglowy:

5. Aromatyzacja. Alkany zawierające sześć lub więcej atomów węgla w łańcuchu cyklizują w obecności katalizatora, tworząc benzen i jego pochodne:

Alkany wchodzą w reakcje, które przebiegają zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym, gdyż wszystkie atomy węgla w cząsteczkach alkanów znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 3. Cząsteczki tych substancji zbudowane są z kowalencyjnych niepolarnych wiązań C-C (węgiel-węgiel) i słabo polarnych wiązań C-H (węgiel-wodór). Nie zawierają obszarów o zwiększonej lub zmniejszonej gęstości elektronowej, wiązań łatwo polaryzowalnych, czyli takich, w których gęstość elektronowa może ulegać przesunięciu pod wpływem czynniki zewnętrzne(pola elektrostatyczne jonów). W konsekwencji alkany nie będą reagować z naładowanymi cząstkami, ponieważ wiązania w cząsteczkach alkanów nie są przerywane przez mechanizm heterolityczny.

Właściwości chemiczne. Właściwości fizyczne alkany

Właściwości fizyczne alkanów

W normalne warunki pierwszymi czterema członkami homologicznej serii alkanów (C1 - C4) są gazy. Normalne alkany od pentanu do heptadekanu (C 5 - C 17) - ciecze od C 18 i więcej - ciała stałe. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu, tj. Wraz ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej wzrastają temperatury wrzenia i topnienia alkanów.

Przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce alkany o rozgałęzionej strukturze mają ich więcej niskie temperatury temperaturze wrzenia niż zwykłe alkany.

Alkany są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, ponieważ ich cząsteczki są niskopolarne i nie oddziałują z cząsteczkami wody. Ciekłe alkany łatwo się ze sobą mieszają. Dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzen, czterochlorek węgla itp.

Struktura

Cząsteczka najprostszego alkanu – metanu – ma kształt foremnego czworościanu, w środku którego znajduje się atom węgla, a na wierzchołkach atomy wodoru. Kąty między osiami Wiązania CH wynoszą 109°28" (rys. 29).

W cząsteczkach innych węglowodorów nasyconych kąty między wiązaniami (zarówno C-H, jak i C-C) mają to samo znaczenie. Do opisu kształtu cząsteczek stosuje się koncepcja hybrydyzacji orbitali atomowych(patrz Część I, §6).

W alkanach wszystkie atomy węgla są w stanie sp 3 - hybrydyzacja (ryc. 30).

Zatem atomy węgla w łańcuchu węglowym nie są ułożone w linii prostej. Odległość między sąsiednimi atomami węgla (między jądrami atomów) jest ściśle stała - to jest długość wiązania chemicznego(0,154 nm). Odległość C 1 - C 3, C 2 - C 4 itd. (przez jeden atom) są również stałe, ponieważ kąt między wiązaniami jest stały - kąt wiązania.

Odległości pomiędzy bardziej odległymi atomami węgla mogą się zmieniać (w pewnych granicach) w wyniku rotacji wokół wiązań s. Ten obrót nie zakłóca nakładania się orbitali tworzących wiązanie s, ponieważ wiązanie to ma symetrię osiową.

Nazywa się różne formy przestrzenne jednej cząsteczki powstałe w wyniku rotacji grup atomów wokół wiązań typu S konformacje(ryc. 31).

Konformacje różnią się energią, ale różnica ta jest niewielka (12-15 kJ/mol). Bardziej stabilne są konformacje alkanów, w których atomy są rozmieszczone jak najdalej od siebie (odpychanie powłok elektronowych). Przejście z jednej konformacji do drugiej odbywa się dzięki energii ruchu termicznego. Do zobrazowania konformacji stosuje się specjalne wzory przestrzenne (wzory Newmana).

Nie daj się zwieść!

Należy rozróżnić pojęcia konformacja i konfiguracja.

Różne konformacje mogą przekształcać się w siebie bez zrywania wiązań chemicznych. Przekształcenie cząsteczki o jednej konfiguracji w cząsteczkę o innej konfiguracji wymaga zerwania wiązań chemicznych.

Z czterech typów izomeria Alkany charakteryzują się dwoma cechami: izomerią szkieletu węglowego i izomerią optyczną (patrz cz

Wiązania chemiczne w alkanach, ich rozrywanie i powstawanie decydują o właściwościach chemicznych alkanów. Wiązania C-C i C-H są kowalencyjne, proste (wiązania S), praktycznie niepolarne, dość mocne, dlatego:

1) alkany najczęściej wchodzą w reakcje polegające na hemolitycznym rozszczepieniu wiązań;

2) w porównaniu do związków organicznych innych klas, alkany mają niską reaktywność (w tym celu nazywa się je parafiny- „pozbawiony właściwości”). Zatem alkany są odporne na działanie roztwory wodne kwasy, zasady i utleniacze (na przykład nadmanganian potasu) nawet w stanie wrzenia.

Alkany nie reagują po dodaniu do nich innych cząsteczek, ponieważ Alkany nie mają w swoich cząsteczkach wiązań wielokrotnych.

Alkany ulegają rozkładowi podczas silnego ogrzewania w obecności katalizatorów w postaci platyny lub niklu, a z alkanów eliminowany jest wodór.

Alkany mogą ulegać reakcjom izomeryzacji. Ich typową reakcją jest reakcja podstawienia, przebiega poprzez radykalny mechanizm.

Właściwości chemiczne

Radykalne reakcje przemieszczenia

Jako przykład rozważmy oddziaływanie alkanów z halogenami. Fluor reaguje bardzo energicznie (zwykle wybuchem) - w tym przypadku wszystkie wiązania C-H i C-C zostają rozerwane, w wyniku czego powstają związki CF 4 i HF. Reakcja nie ma praktycznego znaczenia. Jod nie wchodzi w interakcję z alkanami. Reakcje z chlorem lub bromem zachodzą pod wpływem światła lub silnego ciepła; w tym przypadku dochodzi do tworzenia alkanów podstawionych mono- lub polihalogenowo, na przykład:

CH3-CH3+Cl2® hv CH3-CH2-Cl+HCl

Tworzenie pochodnych metanu i halogenków przebiega łańcuchowo wolny rodnik mechanizm. Pod wpływem światła cząsteczki chloru rozkładają się na rodniki nieorganiczne:

Rodnik nieorganiczny Cl. oddziela atom wodoru za pomocą jednego elektronu od cząsteczki metanu, tworząc HC1 i wolny rodnik CH3

Wolny rodnik oddziałuje z cząsteczką chloru Cl 2, tworząc pochodną halogenową i rodnik chlorowy.

Reakcja utleniania rozpoczyna się od oderwania atomu wodoru przez cząsteczkę tlenu (która jest dwurodnikiem), a następnie przebiega jako rozgałęziona reakcja łańcuchowa. W trakcie reakcji liczba rodników wzrasta. Procesowi towarzyszy

podkreślanie duża ilość pod wpływem ciepła rozrywane są nie tylko wiązania C-H, ale także wiązania C-C, w wyniku czego powstaje tlenek węgla (IV) i woda. Reakcja może przebiegać w postaci spalania lub doprowadzić do eksplozji.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O

W zwykłych temperaturach reakcja utleniania nie zachodzi; może zostać zainicjowany albo przez zapłon, albo przez wyładowanie elektryczne.

Przy silnym ogrzewaniu (ponad 1000°C) alkany całkowicie rozkładają się na węgiel i wodór. Ta reakcja nazywa się piroliza.

CH 4 ® 1200° C+2H 2

W wyniku łagodnego utleniania alkanów, zwłaszcza metanu, tlenem atmosferycznym w obecności różnych katalizatorów, można otrzymać alkohol metylowy, formaldehyd i kwas mrówkowy.

Jeśli metan zostanie bardzo szybko przepuszczony przez ogrzewaną strefę, a następnie natychmiast schłodzony wodą, w rezultacie powstanie acetylen.

Reakcja ta jest podstawą syntezy przemysłowej zwanej Pękanie(niepełny rozkład) metanu.

Kraking homologów metanu prowadzony jest w niższej temperaturze (ok. 600°C). Na przykład kraking propanu obejmuje następujące etapy:

Zatem kraking alkanów prowadzi do powstania mieszaniny alkanów i alkenów o niższej masie cząsteczkowej.

Ogrzanie alkanów do temperatury 300-350°C (jeszcze nie doszło do krakingu) w obecności katalizatora (Pt lub Ni) prowadzi do odwodornienie- usuwanie wodoru.

Gdy rozcieńczony kwas azotowy działa na alkany w temperaturze 140°C i pod niskim ciśnieniem, zachodzi reakcja rodnikowa:

CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O Izomeryzacja

W pewnych warunkach normalne alkany mogą przekształcić się w alkany o rozgałęzionych łańcuchach.

Wytwarzanie alkanów

Rozważmy produkcję alkanów na przykładzie produkcji metanu. Metan jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie. Jest głównym składnikiem wielu gazów palnych, zarówno naturalnych (90-98%), jak i sztucznych, powstających podczas suchej destylacji drewna, torfu, węgla, a także podczas krakingu ropy. Gazy ziemne, zwłaszcza gazy towarzyszące z pól naftowych, zawierają oprócz metanu etan, propan, butan i pentan.

Metan wydobywa się z dna bagien oraz z pokładów węgla w kopalniach, gdzie powstaje podczas powolnego rozkładu resztek roślinnych bez dostępu powietrza. Dlatego metan jest często nazywany gazem bagiennym lub gazem paleniskowym.

W laboratorium metan wytwarza się poprzez ogrzewanie mieszaniny octanu sodu i wodorotlenku sodu:

CH3COONA+NaOH® 200 ° Na2CO3 + CH4

lub gdy węglik glinu oddziałuje z wodą: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4

W tym drugim przypadku metan okazuje się bardzo czysty.

Metan można wytwarzać z prostych substancji poprzez ogrzewanie w obecności katalizatora:

C+2H 2 ® Ni CH 4 8 również metodą syntezy na bazie gazu wodnego

CO+3H 2 ® NiCH 4 +H 2 O

Metoda ta ma znaczenie przemysłowe. Zwykle jednak stosuje się metan z gazów ziemnych lub gazów powstałych podczas koksowania węgla i rafinacji ropy naftowej.

Homologi metanu, podobnie jak metan, otrzymuje się w warunkach laboratoryjnych poprzez kalcynację soli odpowiednich kwasów organicznych z zasadami. Inną metodą jest reakcja Wurtza, tj. ogrzewanie pochodnych monohalogenowych metalicznym sodem, na przykład:

C 2 H 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® C 2 H 5 -C 2 H 5 +2NaBr

W technologii syntezę wykorzystuje się do produkcji benzyny technicznej (mieszaniny węglowodorów zawierającej 6-10 atomów węgla).

z tlenku węgla (II) i wodoru w obecności katalizatora (związku kobaltu) i w temp wysokie ciśnienie krwi. Proces

można wyrazić równaniem

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

Tak więc głównymi źródłami alkanów są gaz ziemny i ropa naftowa. Jednakże niektóre węglowodory nasycone są syntetyzowane z innych związków.

Zastosowania alkanów

Większość alkany są używane jako paliwo. Pękanie i

Ich odwodornienie prowadzi do nienasyconych węglowodorów, które

na podstawie którego otrzymuje wielu innych materia organiczna.

Metan stanowi główną część gazów ziemnych (60-99%). Część

gazy ziemne obejmują propan i butan. Węglowodory ciekłe

stosowany jako paliwo w silnikach spalinowych, samochodach, samolotach itp. Oczyszczona mieszanina cieczy

a stałe alkany tworzą wazelinę. Wyższe alkany są

materiały wyjściowe do produkcji materiałów syntetycznych detergenty. Alkany otrzymane w procesie izomeryzacji wykorzystywane są do produkcji wysokiej jakości benzyny i kauczuku. Poniżej znajduje się schemat wykorzystania metanu

Cykloalkany

Struktura

Cykloalkany to węglowodory nasycone, których cząsteczki zawierają zamknięty pierścień atomów węgla.

Cykloalkany (cykloparafiny) tworzą serię homologiczną o ogólnym wzorze C n H 2 n, w którym pierwszym członkiem jest

cyklopropan C 3 H 6, ponieważ Aby utworzyć pierścień, muszą być obecne co najmniej trzy atomy węgla.

Cykloalkany mają kilka nazw: cykloparafiny, nafteny, cyklany, polimetyleny. Przykłady niektórych połączeń:

Wzór C n H 2 n jest charakterystyczny dla cykloparafin i dokładnie ten sam wzór opisuje szereg homologiczny alkenów (węglowodorów nienasyconych posiadających jedno wiązanie wielokrotne). Z tego możemy wywnioskować, że każdy cykloalkan jest izomeryczny z odpowiednim alkenem - jest to przykład izomerii „międzyklasowej”.

Cykloalkany dzieli się na kilka grup w zależności od wielkości pierścienia, z których rozważymy dwie: małe (C 3, C 4) i zwykłe (C 5 -C 7).

Nazwy cykloalkanów buduje się przez dodanie przedrostka cyclo- do nazwy alkanu z odpowiednią liczbą atomów węgla. Numerację w cyklu prowadzi się tak, aby podstawniki otrzymały najniższe numery.

Wzory strukturalne cykloalkany są zwykle zapisywane w formie skróconej, wykorzystując geometryczną formę pierścienia i pomijając symbole atomów węgla i wodoru. Na przykład:

Izomeria strukturalna cykloalkanów zależy od wielkości pierścienia (cyklobutan i metylocyklopropan są izomerami) i położenia podstawników w pierścieniu (na przykład 1,1- i 1,2-dimetylobutan), a także ich struktury .

Izomeria przestrzenna jest również charakterystyczna dla cykloalkanów, ponieważ jest to związane z różnym ułożeniem podstawników względem płaszczyzny pierścienia. Gdy podstawniki znajdują się po jednej stronie płaszczyzny pierścienia, otrzymuje się izomery cis, zgodnie z różne strony- izomery trans.

W chemii alkany to węglowodory nasycone, w których łańcuch węglowy jest otwarty i składa się z węgla połączonego ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Inną charakterystyczną cechą alkanów jest to, że w ogóle nie zawierają wiązań podwójnych ani potrójnych. Czasami alkany nazywane są parafinami; faktem jest, że parafiny są w rzeczywistości mieszaniną węgli nasyconych, czyli alkanów.

Formuła alkanów

Wzór alkanowy można zapisać jako:

W tym przypadku n jest większe lub równe 1.

Alkany charakteryzują się izomerią szkieletu węglowego. W takim przypadku połączenia mogą akceptować różne figury geometryczne jak na przykład pokazano na poniższym obrazku.

Izomeria szkieletu węglowego alkanów

Wraz ze wzrostem łańcucha węglowego wzrasta również liczba izomerów. Na przykład butan ma dwa izomery.

Wytwarzanie alkanów

Alkan otrzymuje się zwykle różnymi metodami syntetycznymi. Przykładowo, jedna z metod wytwarzania alkanu polega na reakcji „uwodornienia”, podczas której alkany powstają z nienasyconych węglowodanów pod wpływem katalizatora i w temperaturze.

Właściwości fizyczne alkanów

Alkany różnią się od innych substancji całkowitym brakiem koloru, a także są nierozpuszczalne w wodzie. Temperatura topnienia alkanów wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej i długości łańcucha węglowodorowego. Oznacza to, że im bardziej rozgałęziony jest alkan, tym wyższa jest jego temperatura spalania i topnienia. Alkany gazowe palą się bladoniebieskim lub bezbarwnym płomieniem, wydzielając jednocześnie dużo ciepła.

Właściwości chemiczne alkanów

Alkany są substancjami nieaktywnymi chemicznie, ze względu na siłę silnej sigmy Połączenia CC i S-N. W tym przypadku wiązania CC są niepolarne, a wiązania CH są niskopolarne. A ponieważ są to wszystkie wiązania niskospolaryzowane, należące do typu sigma, zostaną one rozerwane zgodnie z mechanizmem homolitycznym, w wyniku czego powstaną rodniki. W konsekwencji właściwości chemiczne alkanów to głównie reakcje podstawienia rodnikowego.

To jest wzór na rodnikowe podstawienie alkanów (halogenowanie alkanów).

Oprócz tego możemy również wyróżnić następujące reakcje chemiczne jako nitrowanie alkanów (reakcja Konovalova).

Reakcja ta zachodzi w temperaturze 140°C, a najlepiej z trzeciorzędowym atomem węgla.

Kraking alkanów - reakcja ta zachodzi pod wpływem wysokich temperatur i katalizatorów. Następnie powstają warunki, w których wyższe alkany mogą rozerwać swoje wiązania, tworząc alkany niższego rzędu.

Węglowodory nasycone to związki będące cząsteczkami składającymi się z atomów węgla w stanie hybrydyzacji sp 3. Są one połączone ze sobą wyłącznie kowalencyjnymi wiązaniami sigma. Nazwa węglowodory „nasycone” lub „nasycone” wzięła się stąd, że związki te nie mają zdolności przyłączania żadnych atomów. Są ekstremalne, całkowicie nasycone. Wyjątkiem są cykloalkany.

Co to są alkany?

Alkany to węglowodory nasycone, a ich łańcuch węglowy jest otwarty i składa się z atomów węgla połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Nie zawiera innych (to znaczy podwójnych, jak alkeny lub potrójnych, jak alkile) wiązań. Alkany nazywane są także parafinami. Otrzymali tę nazwę, ponieważ dobrze znane parafiny są mieszaniną głównie tych nasyconych węglowodorów C18-C35 o szczególnej obojętności.

Ogólne informacje o alkanach i ich rodnikach

Ich wzór: C n P 2 n +2, tutaj n jest większe lub równe 1. Masę molową oblicza się ze wzoru: M = 14n + 2. Funkcja: Końcówki ich imion to „-an”. Pozostałości ich cząsteczek, które powstają w wyniku zastąpienia atomów wodoru innymi atomami, nazywane są rodnikami alifatycznymi lub alkilami. Są one oznaczone literą R. Ogólna formuła jednowartościowe rodniki alifatyczne: C n P 2 n +1, gdzie n jest większe lub równe 1. Masę molową rodników alifatycznych oblicza się ze wzoru: M = 14n + 1. Cechą charakterystyczną rodników alifatycznych są zakończenia w nazwy „-yl”. Cząsteczki alkanów mają swoje własne cechy strukturalne:

• Wiązanie CC charakteryzuje się długością 0,154 nm;
• Wiązanie CH charakteryzuje się długością 0,109 nm;
• kąt wiązania (kąt między wiązaniami węgiel-węgiel) wynosi 109 stopni i 28 minut.

Alkany rozpoczynają serię homologiczną: metan, etan, propan, butan i tak dalej.

Właściwości fizyczne alkanów

Alkany to substancje bezbarwne i nierozpuszczalne w wodzie. Temperatura, w której alkany zaczynają się topić, i temperatura wrzenia rosną wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej i długości łańcucha węglowodorowego. Od mniej rozgałęzionych do bardziej rozgałęzionych alkanów, temperatura wrzenia i topnienia spada. Gazowe alkany mogą palić się bladoniebieskim lub bezbarwnym płomieniem i wytwarzać dość dużo ciepła. CH 4 -C 4 H 10 to gazy, które również nie mają zapachu. C 5 H 12 -C 15 H 32 to ciecze o specyficznym zapachu. C 15 H 32 i tak dalej to ciała stałe, które są również bezwonne.

Właściwości chemiczne alkanów

Związki te są chemicznie nieaktywne, co można wytłumaczyć siłą trudnych do rozerwania wiązań sigma - C-C i C-H. Warto również wziąć pod uwagę, że wiązania CC są niepolarne, a wiązania C-H są niskopolarne. Są to wiązania niskospolaryzowane, należące do typu sigma i w związku z tym najprawdopodobniej zostaną rozerwane w wyniku mechanizmu homolitycznego, w wyniku czego powstaną rodniki. Zatem właściwości chemiczne alkanów ograniczają się głównie do reakcji podstawienia rodnikowego.

Reakcje nitrowania

Alkany reagują tylko z kwasem azotowym o stężeniu 10% lub z czterowartościowym tlenkiem azotu w środowisku gazowym w temperaturze 140°C. Reakcję nitrowania alkanów nazywa się reakcją Konovalowa. W rezultacie powstają związki nitrowe i woda: CH 4 + kwas azotowy (rozcieńczony) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + woda.

Reakcje spalania

Węglowodory nasycone są bardzo często stosowane jako paliwo, co uzasadnia ich zdolność do spalania: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.

Reakcje utleniania

Właściwości chemiczne alkanów obejmują również ich zdolność do utleniania. W zależności od warunków towarzyszących reakcji i sposobu ich zmiany, z tej samej substancji można otrzymać różne produkty końcowe. Łagodne utlenianie metanu tlenem w obecności katalizatora przyspieszającego reakcję i temperaturze około 200°C może skutkować powstaniem następujących substancji:

1) 2CH 4 (utlenianie tlenem) = 2CH 3OH (alkohol - metanol).

2) CH 4 (utlenianie tlenem) = CH 2 O (aldehyd - metanal lub formaldehyd) + H 2 O.

3) 2CH 4 (utlenianie tlenem) = 2HCOOH (kwas karboksylowy - metan lub mrówkowy) + 2H 2 O.

Utlenianie alkanów można również przeprowadzić w ośrodku gazowym lub ciekłym za pomocą powietrza. Takie reakcje prowadzą do powstania wyższych alkoholi tłuszczowych i odpowiednich kwasów.

Związek z ciepłem

W temperaturach nieprzekraczających +150-250°C, zawsze w obecności katalizatora, następuje strukturalne przegrupowanie substancji organicznych, polegające na zmianie kolejności łączenia atomów. Proces ten nazywa się izomeryzacją, a substancje powstałe w wyniku reakcji nazywane są izomerami. Zatem od zwykły butan Otrzymuje się jego izomer – izobutan. W temperaturach 300-600°C i obecności katalizatora wiązania C-H rozrywają się z utworzeniem cząsteczek wodoru (reakcje odwodornienia), cząsteczek wodoru z zamknięciem łańcucha węglowego w cykl (reakcje cyklizacji lub aromatyzacji alkanów) :

1) 2CH 4 = C 2 H 4 (eten) + 2H 2.

2) 2CH 4 = C 2 H 2 (etyn) + 3H 2.

3) C 7 H 16 (normalny heptan) = C 6 H 5 - CH 3 (toluen) + 4 H 2.

Reakcje halogenowania

Reakcje takie polegają na wprowadzeniu halogenów (ich atomów) do cząsteczki substancji organicznej, w wyniku czego powstaje wiązanie C-halogen. Kiedy alkany reagują z halogenami, powstają pochodne halogenowe. Reakcja ta ma specyficzne cechy. Zachodzi on według radykalnego mechanizmu i aby go zainicjować, należy poddać mieszaninę halogenów i alkanów działaniu promieniowania ultrafioletowego lub po prostu ją ogrzać. Właściwości alkanów pozwalają na przebieg reakcji halogenowania aż do całkowitego zastąpienia atomami halogenu. Oznacza to, że chlorowanie metanu nie zakończy się na jednym etapie i wytworzeniu chlorku metylu. Reakcja będzie przebiegać dalej, powstaną wszystkie możliwe produkty podstawienia, zaczynając od chlorometanu, a kończąc na czterochlorku węgla. Wystawienie innych alkanów na działanie chloru w tych warunkach spowoduje powstanie różnych produktów w wyniku podstawienia wodoru przy różnych atomach węgla. Temperatura, w której zachodzi reakcja, określi stosunek produktów końcowych i szybkość ich powstawania. Im dłuższy łańcuch węglowodorowy alkanu, tym łatwiej będzie go usunąć tę reakcję. Podczas halogenowania jako pierwszy zostanie wymieniony najmniej uwodorniony (trzeciorzędowy) atom węgla. Pierwszy zareaguje po wszystkich pozostałych. Reakcja halogenowania będzie zachodzić etapami. W pierwszym etapie wymieniany jest tylko jeden atom wodoru. Alkany nie wchodzą w interakcje z roztworami halogenów (wodą chlorową i bromową).

Reakcje sulfochlorowania

Właściwości chemiczne alkanów uzupełnia także reakcja sulfochlorowania (zwana reakcją Reeda). Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego alkany mogą reagować z mieszaniną chloru i dwutlenku siarki. W rezultacie powstaje chlorowodór, a także rodnik alkilowy, który dodaje dwutlenek siarki. Rezultatem jest złożony związek, który staje się stabilny dzięki wychwyceniu atomu chloru i zniszczeniu jego kolejnej cząsteczki: R-H + SO 2 + Cl 2 + promieniowanie ultrafioletowe= R-SO2Cl + HCl. Powstałe w wyniku reakcji chlorki sulfonylu znajdują szerokie zastosowanie w produkcji środków powierzchniowo czynnych.

DEFINICJA

Alkany– węglowodory nasycone (alifatyczne), których skład wyraża wzór C n H 2 n +2.

Alkany tworzą serie homologiczne, każdy związek chemiczny który różni się składem od następnego i poprzedniego tą samą liczbą atomów węgla i wodoru - CH 2, a substancje zawarte w szeregu homologicznym nazywane są homologami. Homologiczną serię alkanów przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Szeregi homologiczne alkanów.

W cząsteczkach alkanów wyróżnia się atomy węgla pierwotne (tj. połączone jednym wiązaniem), wtórne (tj. połączone dwoma wiązaniami), trzeciorzędowe (tj. połączone trzema wiązaniami) i czwartorzędowe (tj. połączone czterema wiązaniami).

C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – pierwszorzędowe, 2 – drugorzędowe atomy węgla)

CH 3 –C 3H(CH 3) – CH 3 (3-trzeciorzędowy atom węgla)

CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-czwartorzędowy atom węgla)

Alkany charakteryzują się izomerią strukturalną (izomerią szkieletu węglowego). Zatem pentan ma następujące izomery:

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (pentan)

CH 3 –CH(CH 3)-CH 2-CH 3 (2-metylobutan)

CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 – dimetylopropan)

Alkany, począwszy od heptanu, charakteryzują się izomerią optyczną.

Atomy węgla w węglowodorach nasyconych znajdują się w hybrydyzacji sp 3. Kąty między wiązaniami w cząsteczkach alkanu wynoszą 109,5.

Właściwości chemiczne alkanów

W normalnych warunkach alkany są chemicznie obojętne - nie reagują ani z kwasami, ani z zasadami. Wyjaśnia to wysoka siła wiązań C-C i C-H. Niepolarne wiązania C-C i C-H można rozszczepić homolitycznie jedynie pod wpływem aktywnych wolnych rodników. Dlatego alkany wchodzą w reakcje, które przebiegają na zasadzie mechanizmu podstawienia rodnikowego. W reakcjach rodnikowych atomy wodoru są najpierw zastępowane przy trzeciorzędowych atomach węgla, a następnie przy drugorzędowych i pierwszorzędowych atomach węgla.

Radykalne reakcje podstawienia mają charakter łańcuchowy. Główne etapy: zarodkowanie (inicjacja) łańcucha (1) - zachodzi pod wpływem promieniowania UV i prowadzi do powstania wolnych rodników, wzrost łańcucha (2) - następuje w wyniku oderwania atomu wodoru od cząsteczki alkanu ; zakończenie łańcucha (3) – następuje w przypadku zderzenia dwóch identycznych lub różnych rodników.

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)

Halogenowanie. Kiedy alkany oddziałują z chlorem i bromem pod wpływem promieniowania UV lub wysoka temperatura powstaje mieszanina produktów od alkanów podstawionych mono- do polihalogenowo:

CH 3 Cl + Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (dichlorometan)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl (trichlorometan)

CHCl3 +Cl2 = CCl4 + HCl (czterochlorek węgla)

Azotowanie (reakcja Konovalova). Gdy rozcieńczony kwas azotowy działa na alkany w temperaturze 140 ° C i pod niskim ciśnieniem, zachodzi reakcja rodnikowa:

CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (nitroetan) + H 2 O

Sulfochlorowanie i sulfoksydacja. Bezpośrednie sulfonowanie alkanów jest trudne i najczęściej towarzyszy mu utlenianie, w wyniku którego powstają chlorki alkanosulfonylu:

R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl

Reakcja utleniania sulfonów przebiega podobnie, tylko w tym przypadku powstają kwasy alkanosulfonowe:

R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H

Pękanie– radykalne rozerwanie wiązań CC. Występuje po podgrzaniu i w obecności katalizatorów. Podczas krakingu wyższych alkanów powstają alkeny, podczas gdy metan i etan powstają acetylen:

C 8 H 18 = C 4 H 10 (butan) + C 3 H 8 (propan)

2CH 4 = C 2 H 2 (acetylen) + 3H 2

Utlenianie. Łagodne utlenianie metanu tlenem atmosferycznym może prowadzić do powstania metanolu, aldehydu mrówkowego lub kwasu mrówkowego. W powietrzu alkany spalają się do dwutlenku węgla i wody:

do n H. 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O

Właściwości fizyczne alkanów

W normalnych warunkach C1-C4 to gazy, C5-C17 to ciecze, a począwszy od C18 to ciała stałe. Alkany są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, ale są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych, takich jak benzen. Zatem metan CH 4 (gaz bagienny, gaz kopalniany) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, dobrze rozpuszczalnym w etanolu, eterze, węglowodorach, ale słabo rozpuszczalnym w wodzie. Metan wykorzystywany jest jako wysokokaloryczne paliwo w gazie ziemnym, jako surowiec do produkcji wodoru, acetylenu, chloroformu i innych substancji organicznych na skalę przemysłową.

Propan C 3 H 8 i butan C 4 H 10 to gazy stosowane w życiu codziennym jako gazy butlowe ze względu na łatwość ich upłynniania. Propan jest stosowany jako paliwo samochodowe, ponieważ jest bardziej przyjazny dla środowiska niż benzyna. Butan jest surowcem do produkcji 1,3-butadienu, który wykorzystuje się do produkcji kauczuku syntetycznego.

Wytwarzanie alkanów

Alkany pozyskuje się ze źródeł naturalnych - gazu ziemnego (80-90% - metan, 2-3% - etan i inne węglowodory nasycone), węgla, torfu, drewna, ropy naftowej i wosku skalnego.

Istnieją laboratoryjne i przemysłowe metody wytwarzania alkanów. W przemyśle alkany otrzymuje się z węgla kamiennego (1) lub w reakcji Fischera-Tropscha (2):

nC + (n+1)H 2 = do n H. 2 n +2 (1)

nCO + (2n+1)H 2 = do n H 2 n +2 + H 2 O (2)

Laboratoryjne metody otrzymywania alkanów obejmują: uwodornienie nienasyconych węglowodorów przez ogrzewanie i w obecności katalizatorów (Ni, Pt, Pd) (1), oddziaływanie wody ze związkami metaloorganicznymi (2), elektrolizę kwasów karboksylowych (3), przez reakcje dekarboksylacji (4) i Wurtza (5) oraz na inne sposoby.

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)

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Określ masę chloru potrzebną do pierwszego etapu chlorowania 11,2 litra metanu.
Rozwiązanie	Zapiszmy równanie reakcji dla pierwszego etapu chlorowania metanu (czyli w reakcji halogenowania podmieniany jest tylko jeden atom wodoru, w wyniku czego powstaje pochodna monochloru): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (chlorek metanu) Znajdźmy ilość substancji metanu: v(CH 4) = V(CH 4)/V m v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mola Zgodnie z równaniem reakcji liczba moli chloru i liczba moli metanu są równe 1 mol, zatem praktyczna liczba moli chloru i metanu również będzie taka sama i będzie równa: v(Cl2) = v(CH4) = 0,5 mola Znając ilość substancji chlorowej, możesz obliczyć jej masę (o czym mowa w pytaniu problemowym). Masę chloru oblicza się jako iloczyn ilości substancji chlorowej i jej masy molowej (masa cząsteczkowa 1 mola chloru; masę cząsteczkową oblicza się korzystając z tabeli pierwiastki chemiczne DI. Mendelejew). Masa chloru będzie równa: m(Cl2) = v(Cl2)×M(Cl2) m(Cl 2) = 0,5 × 71 = 35,5 g
Odpowiedź	Masa chloru wynosi 35,5 g