Structura alcanilor
Alcanii sunt hidrocarburi în ale căror molecule atomii sunt legați prin legături simple și care corespund formulei generale CnH2n+2. În moleculele de alcan, toți atomii de carbon sunt în stare sp 3 -hibridare.
Aceasta înseamnă că toți cei patru orbiti hibrizi ai atomului de carbon sunt identici ca formă, energie și sunt direcționați către colțurile unei piramide triunghiulare echilaterale - tetraedru. Unghiurile dintre orbitali sunt 109° 28′. Rotația aproape liberă este posibilă în jurul unei singure legături carbon-carbon, iar moleculele de alcan pot lua o mare varietate de forme cu unghiuri la atomii de carbon apropiate de tetraedric (109° 28′), de exemplu, în molecula n-pentan.
Merită mai ales să ne amintim legăturile din moleculele de alcan. Toate legăturile din moleculele hidrocarburilor saturate sunt simple. Suprapunerea are loc de-a lungul axei care leagă nucleele atomilor, adică ea legături σ. Legăturile carbon-carbon sunt nepolare și slab polarizabile. Lungimea legăturii C-C în alcani este de 0,154 nm (1,54 10 10 m). Legăturile C-H sunt oarecum mai scurte. Densitatea electronilor este ușor deplasată către atomul de carbon mai electronegativ, adică legătura C-H este slab polar.
Serii omoloage de metan
Omologi- substanțe care sunt similare ca structură și proprietăți și diferă în una sau mai multe grupe CH 2 .
Hidrocarburi saturate constituie seria omoloagă a metanului.
Izomeria și nomenclatura alcanilor
Alcanii sunt caracterizați prin așa-numitele izomerie structurală. Izomerii structurali diferă între ei în structura scheletului de carbon. Cel mai simplu alcan, care se caracterizează prin izomeri structurali, este butanul.
Să luăm în considerare mai detaliat nomenclatura de bază pentru alcani IUPAC.
1. Selectarea circuitului principal. Formarea numelui unei hidrocarburi începe cu definirea lanțului principal - cel mai lung lanț de atomi de carbon din moleculă, care este, parcă, baza sa.
2. Numerotarea atomilor din lanțul principal. Atomilor lanțului principal li se atribuie numere. Numerotarea atomilor lanțului principal începe de la capătul de care substituentul este cel mai apropiat (structurile A, B). Dacă substituenții sunt localizați la o distanță egală de capătul lanțului, atunci numerotarea începe de la capătul la care sunt mai mulți dintre ei (structura B). Dacă substituenți diferiți sunt localizați la distanțe egale de capetele lanțului, atunci numerotarea începe de la capătul de care cel mai mare este cel mai apropiat (structura D). Vechimea substituenților hidrocarburi este determinată de ordinea în care litera cu care începe numele lor apare în alfabet: metil (-CH 3 ), apoi propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etil (-CH 2 ). -CH3) etc.
Vă rugăm să rețineți că numele substituentului se formează prin înlocuirea sufixului -ane cu sufixul -yl în numele alcanului corespunzător.
3. Formarea numelui. La începutul numelui sunt indicate numere - numerele atomilor de carbon la care se află substituenții. Dacă există mai mulți substituenți la un atom dat, atunci numărul corespunzător din nume se repetă de două ori, separat prin virgulă (2,2-). După număr, o cratimă indică numărul de substituenți (di - doi, trei - trei, tetra - patru, penta - cinci) și numele substituentului (metil, etil, propil). Apoi, fără spații sau cratime, numele lanțului principal. Lanțul principal se numește hidrocarbură - un membru al seriei omoloage de metan (metan, etan, propan etc.).
Denumirile substanțelor ale căror formule structurale sunt date mai sus sunt următoarele:
Structura A: 2-metilpropan;
Structura B: 3-etilhexan;
Structura B: 2,2,4-trimetilpentan;
Structura D: 2-metil 4-etilhexan.
Absența hidrocarburilor saturate în molecule legături polare duce la ele slab solubil în apă, nu interacționează cu particulele încărcate (ioni). Cele mai caracteristice reacții pentru alcani sunt cele care implică radicali liberi.
Proprietățile fizice ale alcanilor
Primii patru reprezentanți ai seriei omoloage de metan sunt gazele. Cel mai simplu dintre ele este metanul - un gaz incolor, insipid și inodor (mirosul de „gaz”, atunci când îl miroși, trebuie să suni la 04, este determinat de mirosul de mercaptani - compuși care conțin sulf adăugați special metanului utilizat în aparatele de uz casnic și industriale pe gaz, astfel încât oamenii, situati lângă ele, să poată detecta scurgerea prin miros).
Hidrocarburi de compozitie din CU 5 N 12 inainte de CU 15 N 32 - lichide; hidrocarburile mai grele sunt solide. Punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc treptat odată cu creșterea lungimii lanțului de carbon. Toate hidrocarburile sunt slab solubile în apă; hidrocarburile lichide sunt solvenți organici obișnuiți.
Proprietățile chimice ale alcanilor
Reacții de substituție.
Cele mai caracteristice reacții pentru alcani sunt substituirea radicalilor liberi, timp în care un atom de hidrogen este înlocuit cu un atom de halogen sau cu o grupare.
Să prezentăm ecuațiile caracteristice reacții de halogenare:
În cazul excesului de halogen, clorarea poate merge mai departe, până la înlocuirea completă a tuturor atomilor de hidrogen cu clor:
Substanțele rezultate sunt utilizate pe scară largă ca solvenți și materii prime în sinteze organice.
Reacția de dehidrogenare(abstracția hidrogenului).
Când alcanii sunt trecuți peste un catalizator (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) la temperaturi ridicate (400-600 °C), o moleculă de hidrogen este eliminată și o alchenă:
Reacții însoțite de distrugerea lanțului de carbon. Toate hidrocarburile saturate ard cu educația dioxid de carbon si apa. Hidrocarburile gazoase amestecate cu aerul în anumite proporții pot exploda.
1. Arderea hidrocarburilor saturate este o reacție exotermă cu radicali liberi care are un foarte mare importanță când folosiți alcani ca combustibil:
ÎN vedere generala Reacția de ardere a alcanilor poate fi scrisă după cum urmează:
2. Diviziunea termică a hidrocarburilor.
Procesul decurge conform mecanismul radicalilor liberi. O creștere a temperaturii duce la scindarea omoloitică a legăturii carbon-carbon și formarea de radicali liberi.
Acești radicali interacționează între ei, schimbând un atom de hidrogen, pentru a forma o moleculă alcan și moleculă de alchenă:
Reacțiile de descompunere termică stau la baza procesului industrial - cracarea hidrocarburilor. Acest proces este cea mai importantă etapă a rafinării petrolului.
3. Piroliza. Când metanul este încălzit la o temperatură de 1000 °C, piroliza metanului- descompunerea in substante simple:
Când este încălzit la o temperatură de 1500 °C, se formează acetilenă:
4. Izomerizarea. Când hidrocarburile liniare sunt încălzite cu un catalizator de izomerizare (clorură de aluminiu), substanțele cu schelet de carbon ramificat:
5. Aromatizarea. Alcanii cu șase sau mai mulți atomi de carbon în lanț ciclează în prezența unui catalizator pentru a forma benzen și derivații săi:
Alcanii intră în reacții care decurg conform mecanismului radicalilor liberi, deoarece toți atomii de carbon din moleculele de alcan sunt într-o stare de hibridizare sp 3. Moleculele acestor substanțe sunt construite folosind legături C-C (carbon-carbon) nepolare covalente și legături C-H (carbon-hidrogen) slab polare. Nu conțin zone cu densitate de electroni crescută sau scăzută, legături ușor polarizabile, adică astfel de legături în care densitatea electronică se poate schimba sub influența factori externi(câmpuri electrostatice de ioni). În consecință, alcanii nu vor reacționa cu particulele încărcate, deoarece legăturile din moleculele de alcan nu sunt rupte de mecanismul heterolitic.
Proprietăți chimice. Proprietăți fizice alcani
Proprietățile fizice ale alcanilor
ÎN conditii normale primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C 1 - C 4) sunt gaze. Alcani normali de la pentan la heptadecan (C 5 - C 17) - lichide începând de la C 18 și mai sus - solide. Pe măsură ce numărul de atomi de carbon din lanț crește, de ex. Pe măsură ce greutatea moleculară relativă crește, punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc.
Cu același număr de atomi de carbon în moleculă, alcanii cu structură ramificată au mai mulți temperaturi scăzute punctul de fierbere decât alcanii normali.
Alcanii sunt practic insolubili în apă, deoarece moleculele lor sunt cu polaritate scăzută și nu interacționează cu moleculele de apă. Alcanii lichizi se amestecă ușor între ei. Se dizolvă bine în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzenul, tetraclorura de carbon etc.
Structura
Molecula celui mai simplu alcan - metanul - are forma unui tetraedru regulat, în centrul căruia se află un atom de carbon, iar la vârfuri se află atomi de hidrogen. Unghiurile dintre axe legături C-H sunt 109°28" (Fig. 29).
În moleculele altor hidrocarburi saturate, unghiurile dintre legături (atât C-H, cât și C-C) au aceeași semnificație. Pentru a descrie forma moleculelor se folosește conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici(vezi Partea I, §6).
În alcani, toți atomii de carbon sunt în stare sp 3 - hibridizare (Fig. 30).
Astfel, atomii de carbon din lanțul de carbon nu sunt în linie dreaptă. Distanța dintre atomii de carbon vecini (între nucleele atomilor) este strict fixată - aceasta este lungimea legăturii chimice(0,154 nm). Distanța C 1 - C 3, C 2 - C 4 etc. (prin un atom) sunt de asemenea constante, deoarece unghiul dintre legături este constant - unghi de legătură.
Distanțele dintre atomii de carbon mai îndepărtați se pot modifica (în anumite limite) ca urmare a rotației în jurul legăturilor S. Această rotație nu perturbă suprapunerea orbitalilor care formează legătura s, deoarece această legătură are simetrie axială.
Diferite forme spațiale ale unei molecule formate prin rotația grupurilor de atomi în jurul legăturilor S se numesc conformaţiilor(Fig. 31).
Conformațiile diferă ca energie, dar această diferență este mică (12-15 kJ/mol). Conformatiilor alcanilor in care atomii sunt situati cat mai indepartati unul de altul sunt mai stabile (repulsie a invelisurilor de electroni). Trecerea de la o conformație la alta se realizează datorită energiei mișcării termice. Pentru a descrie conformația, sunt folosite formule spațiale speciale (formulele lui Newman).
Nu fi confuz!
Este necesar să se facă distincția între conceptele conformație și configurație.
Diferitele conformații se pot transforma unele în altele fără a rupe legăturile chimice. Pentru a transforma o moleculă cu o configurație într-o moleculă cu altă configurație necesită ruperea legăturilor chimice.
De patru tipuri izomerie Alcanii sunt caracterizați prin două: izomeria scheletului de carbon și izomeria optică (vezi partea
Legăturile chimice în alcani, ruperea și formarea lor determină proprietățile chimice ale alcanilor. Legăturile C-C și C-H sunt covalente, simple (legături s), practic nepolare, destul de puternice, prin urmare:
1) alcanii intră cel mai adesea în reacții care implică scindarea hemolitică a legăturilor;
2) în comparație cu compușii organici din alte clase, alcanii au reactivitate scăzută (pentru aceasta se numesc parafine- „lipsit de proprietăți”). Astfel, alcanii sunt rezistenți la acțiune solutii apoase acizi, alcaline și agenți de oxidare (de exemplu, permanganat de potasiu) chiar și la fierbere.
Alcanii nu reacţionează cu adăugarea altor molecule la ei, deoarece Alcanii nu au legături multiple în moleculele lor.
Alcanii se descompun sub încălzire puternică în prezența catalizatorilor sub formă de platină sau nichel, iar hidrogenul este eliminat din alcani.
Alcanii pot suferi reacții de izomerizare. Reacția lor tipică este reacție de substituție, procedând printr-un mecanism radical.
Proprietăți chimice
Reacții de deplasare radicală
Ca exemplu, luați în considerare interacțiunea alcanilor cu halogenii. Fluorul reacționează foarte viguros (de obicei cu o explozie) - în acest caz, toate legăturile C-H și C-C sunt rupte și, ca urmare, se formează compuși CF 4 și HF. Reacția nu are nicio semnificație practică. Iodul nu interacționează cu alcanii. Reacțiile cu clorul sau bromul apar fie cu lumină, fie cu căldură puternică; în acest caz, are loc formarea de alcani substituiți de mono până la polihalogen, de exemplu:
CH3-CH3+Cl2® hv CH3-CH2-Cl+HCI
Formarea derivaților de halogen metan are loc printr-un lanț radical liber mecanism. Sub influența luminii, moleculele de clor se descompun în radicali anorganici:
Radical anorganic Cl. extrage un atom de hidrogen cu un electron dintr-o moleculă de metan, formând HC1 și radicalul liber CH3
Radicalul liber interacționează cu molecula de clor Cl 2, formând un derivat de halogen și un radical de clor.
Reacția de oxidare începe cu extragerea unui atom de hidrogen de către o moleculă de oxigen (care este un diradical) și apoi continuă ca un ramificat. reacție în lanț. Numărul de radicali crește în timpul reacției. Procesul este însoțit
evidenţierea cantitate mare căldură, nu numai legăturile C-H sunt rupte, ci și legăturile C-C, astfel încât ca rezultat se formează monoxid de carbon (IV) și apă. Reacția poate avea loc ca ardere sau poate duce la o explozie.
2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O
La temperaturi obișnuite, reacția de oxidare nu are loc; poate fi iniţiat fie prin aprindere, fie prin descărcare electrică.
Cu o încălzire puternică (peste 1000°C), alcanii se descompun complet în carbon și hidrogen. Această reacție se numește piroliza.
CH4® 1200°C+2H2
Prin oxidarea ușoară a alcanilor, în special a metanului, cu oxigenul atmosferic în prezența diferiților catalizatori, se poate obține alcool metilic, formaldehidă și acid formic.
Dacă metanul este trecut printr-o zonă încălzită foarte repede și apoi imediat răcit cu apă, rezultatul este acetilena.
Această reacție stă la baza unei sinteze industriale numite cracare(descompunere incompletă) a metanului.
Cracarea omologilor de metan se realizează la o temperatură mai scăzută (aproximativ 600°C). De exemplu, cracarea propanului include următoarele etape:
Deci, cracarea alcanilor duce la formarea unui amestec de alcani și alchene cu greutate moleculară mai mică.
Încălzirea alcanilor la 300-350°C (cracarea nu a avut loc încă) în prezența unui catalizator (Pt sau Ni) duce la dehidrogenare- eliminarea hidrogenului.
Când acidul azotic diluat acționează asupra alcanilor la 140°C și presiune joasă, are loc o reacție radicală:
CH3-CH3 + HNO3®CH3-CH2-NO2 + H2O Izomerizarea
În anumite condiții, alcanii normali se pot transforma în alcani cu lanț ramificat.
Prepararea alcanilor
Să luăm în considerare producția de alcani folosind exemplul producției de metan. Metanul este larg răspândit în natură. Este componenta principală a multor gaze inflamabile, atât naturale (90-98%), cât și artificiale, eliberate în timpul distilării uscate a lemnului, turbei, cărbunelui, precum și în timpul cracării petrolului. Gazele naturale, în special gazele asociate din câmpurile petroliere, conțin etan, propan, butan și pentan pe lângă metan.
Metanul este eliberat din fundul mlaștinilor și din straturile de cărbune din mine, unde se formează în timpul descompunerii lente a resturilor vegetale fără acces la aer. Prin urmare, metanul este adesea numit gaz de mlaștină sau grindă.
În laborator, metanul este produs prin încălzirea unui amestec de acetat de sodiu și hidroxid de sodiu:
CH3COONa+NaOH® 200 ° Na2CO3 + CH4
sau când carbura de aluminiu interacționează cu apa: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4
În acest din urmă caz, metanul se dovedește a fi foarte pur.
Metanul poate fi produs din substanțe simple prin încălzire în prezența unui catalizator:
C+2H2 ® Ni CH 4 8 tot prin sinteză pe bază de apă gazoasă
CO+3H2® Ni CH4 +H2O
Această metodă este de importanță industrială. Cu toate acestea, se utilizează de obicei metanul din gazele naturale sau gazele formate în timpul cocsării cărbunelui și în timpul rafinării petrolului.
Omologuri metanului, ca și metanul, se obțin în condiții de laborator prin calcinarea sărurilor acizilor organici corespunzători cu alcalii. O altă metodă este reacția Wurtz, adică. încălzirea derivaților monohalogen cu sodiu metalic, de exemplu:
C2H5Br+2Na+BrC2H6® C2H5-C2H5+2NaBr
În tehnologie, sinteza este folosită pentru a produce benzină tehnică (un amestec de hidrocarburi care conține 6-10 atomi de carbon).
din monoxid de carbon (II) și hidrogen în prezența unui catalizator (compus de cobalt) și la tensiune arterială crescută. Proces
poate fi exprimat prin ecuație
nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O
I Deci, principalele surse de alcani sunt gazele naturale și petrolul. Cu toate acestea, unele hidrocarburi saturate sunt sintetizate din alți compuși.
Aplicații ale alcanilor
Majoritatea alcanii sunt folosiți drept combustibil. Crapatura si
Dehidrogenarea lor duce la hidrocarburi nesaturate, care
pe baza carora multi altii primesc materie organică.
Metanul este cea mai mare parte a gazelor naturale (60-99%). Parte
gazele naturale includ propanul și butanul. Hidrocarburi lichide
folosit ca combustibil în motoarele cu ardere internă, mașini, avioane etc. Un amestec purificat de lichid
iar alcanii solizi formează vaselina. Alcanii superiori sunt
materii prime pentru producerea de materiale sintetice detergenti. Alcanii obținuți prin izomerizare sunt utilizați în producția de benzină și cauciuc de înaltă calitate. Mai jos este o diagramă a utilizării metanului
Cicloalcani
Structura
Cicloalcanii sunt hidrocarburi saturate ale căror molecule conțin un inel închis de atomi de carbon.
Cicloalcanii (cicloparafinele) formează o serie omoloagă cu formula generală C n H 2 n, în care primul membru este
ciclopropan C3H6, deoarece Pentru a forma un inel, trebuie să fie prezenți cel puțin trei atomi de carbon.
Cicloalcanii au mai multe denumiri: cicloparafine, naftene, ciclani, polimetilene. Exemple de conexiuni:
Formula CnH2n este caracteristică cicloparafinelor și exact aceeași formulă descrie seria omoloagă de alchene (hidrocarburi nesaturate având o legătură multiplă). Din aceasta putem concluziona că fiecare cicloalcan este izomer cu o alchenă corespunzătoare - acesta este un exemplu de izomerie „interclasă”.
Cicloalcanii sunt împărțiți într-un număr de grupuri în funcție de dimensiunea inelului, dintre care vom lua în considerare două: cicluri mici (C 3, C 4) și obișnuite (C 5 -C 7).
Denumirile cicloalcanilor sunt construite prin adăugarea prefixului ciclo- la numele alcanului cu numărul corespunzător de atomi de carbon. Numerotarea în ciclu este efectuată astfel încât substituenții să primească cele mai mici numere.
Formule structurale cicloalcanii sunt de obicei scriiți în formă prescurtată, folosind forma inelului geometric și omițând simbolurile pentru atomii de carbon și hidrogen. De exemplu:
Izomeria structurală a cicloalcanilor este determinată de mărimea inelului (ciclobutanul și metilciclopropanul sunt izomeri) și de poziția substituenților în inel (de exemplu, 1,1- și 1,2-dimetilbutan), precum și de structura lor. .
Izomeria spațială este, de asemenea, caracteristică cicloalcanilor, deoarece este asociat cu diferite aranjamente ale substituenților în raport cu planul inelar. Când substituenții sunt localizați pe o parte a planului inelar, se obțin izomeri cis, conform laturi diferite- izomeri trans.
În chimie, alcanii sunt hidrocarburi saturate în care lanțul de carbon este deschis și constă din carbon legat între ei prin legături simple. O altă trăsătură caracteristică a alcanilor este că nu conțin deloc legături duble sau triple. Uneori, alcanii sunt numiți parafine; faptul este că parafinele sunt de fapt un amestec de carboni saturați, adică alcani.
Formula alcanilor
Formula alcanului poate fi scrisă astfel:
În acest caz, n este mai mare sau egal cu 1.
Alcanii sunt caracterizați prin izomeria scheletului de carbon. În acest caz, conexiunile pot accepta diferite forme geometrice, așa cum se arată de exemplu în imaginea de mai jos.
Izomeria scheletului de carbon al alcanilor
Pe măsură ce lanțul de carbon crește, crește și numărul de izomeri. De exemplu, butanul are doi izomeri.
Prepararea alcanilor
Alcanul este obținut de obicei prin diferite metode de sinteză. De exemplu, una dintre metodele de producere a unui alcan implică o reacție de „hidrogenare”, când alcanii sunt produși din carbohidrați nesaturați sub influența unui catalizator și la temperatură.
Proprietățile fizice ale alcanilor
Alcanii diferă de alte substanțe prin lipsa lor completă de culoare și sunt, de asemenea, insolubili în apă. Punctul de topire al alcanilor crește odată cu creșterea greutății moleculare și a lungimii lanțului de hidrocarburi. Adică, cu cât un alcan este mai ramificat, cu atât temperatura lui de ardere și topire este mai mare. Alcanii gazoși ard cu o flacără albastru pal sau incolor, în timp ce eliberează multă căldură.
Proprietățile chimice ale alcanilor
Alcanii sunt substanțe inactive din punct de vedere chimic, datorită puterii sigma puternice Conexiuni C-Cși S-N. În acest caz, legăturile C-C sunt nepolare, iar legăturile C-H sunt polare scăzute. Și deoarece toate acestea sunt tipuri de legături cu polarizare scăzută care aparțin tipului sigma, ele vor fi rupte conform unui mecanism omolitic, în urma căruia se formează radicali. Și, în consecință, proprietățile chimice ale alcanilor sunt în principal reacții de substituție radicală.
Aceasta este formula pentru substituția radicală a alcanilor (halogenarea alcanilor).
Pe lângă aceasta, putem evidenția și următoarele reacții chimice ca nitrarea alcanilor (reacția Konovalov).
Această reacție are loc la o temperatură de 140 C și este cel mai bine cu un atom de carbon terțiar.
Cracarea alcanilor - această reacție are loc sub acțiunea temperaturilor ridicate și a catalizatorilor. Apoi sunt create condiții când alcanii superiori își pot rupe legăturile pentru a forma alcani de ordin inferior.
Hidrocarburile saturate sunt compuși care sunt molecule formate din atomi de carbon în stare de hibridizare sp 3. Ele sunt conectate între ele exclusiv prin legături sigma covalente. Denumirea de hidrocarburi „saturate” sau „saturate” provine de la faptul că acești compuși nu au capacitatea de a atașa niciun atom. Sunt extreme, complet saturate. Excepția sunt cicloalcanii.
Ce sunt alcanii?
Alcanii sunt hidrocarburi saturate, iar lanțul lor de carbon este deschis și constă din atomi de carbon legați între ei folosind legături simple. Nu conține alte legături (adică duble, ca alchene, sau triple, ca alchilii). Alcanii sunt numiți și parafine. Ei au primit această denumire deoarece parafinele binecunoscute sunt un amestec predominant din aceste hidrocarburi saturate C 18 -C 35 cu o inerție deosebită.
Informații generale despre alcani și radicalii lor
Formula lor: C n P 2 n +2, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară se calculează cu formula: M = 14n + 2. Caracteristică: Terminațiile din numele lor sunt „-an”. Reziduurile moleculelor lor, care se formează ca urmare a înlocuirii atomilor de hidrogen cu alți atomi, se numesc radicali alifatici sau alchili. Ele sunt desemnate prin litera R. Formula generala radicali alifatici monovalenți: C n P 2 n +1, aici n este mai mare sau egal cu 1. Masa molară a radicalilor alifatici se calculează prin formula: M = 14n + 1. O trăsătură caracteristică a radicalilor alifatici: se termină în nume „-yl”. Moleculele de alcan au propriile lor caracteristici structurale:
- Legătura C-C este caracterizată printr-o lungime de 0,154 nm;
- Legătura C-H este caracterizată printr-o lungime de 0,109 nm;
- unghiul de legătură (unghiul dintre legăturile carbon-carbon) este de 109 grade și 28 de minute.
Alcanii încep seria omoloage: metan, etan, propan, butan și așa mai departe.
Proprietățile fizice ale alcanilor
Alcanii sunt substanțe incolore și insolubile în apă. Temperatura la care alcanii încep să se topească și temperatura la care fierb cresc în funcție de creșterea greutății moleculare și a lungimii lanțului de hidrocarburi. De la alcanii mai puțin ramificați la mai ramificați, punctele de fierbere și de topire scad. Alcanii gazoși pot arde cu o flacără albastru pal sau incolor și pot produce destul de multă căldură. CH 4 -C 4 H 10 sunt gaze care, de asemenea, nu au miros. C 5 H 12 - C 15 H 32 sunt lichide care au un miros specific. C 15 H 32 și așa mai departe sunt solide care sunt, de asemenea, inodore.
Proprietățile chimice ale alcanilor
Acești compuși sunt inactivi din punct de vedere chimic, ceea ce poate fi explicat prin rezistența legăturilor sigma greu de rupere - C-C și C-H. De asemenea, merită luat în considerare faptul că legăturile C-C sunt nepolare, iar legăturile C-H sunt polare scăzute. Acestea sunt tipuri de legături cu polarizare scăzută aparținând tipului sigma și, în consecință, este cel mai probabil să fie rupte printr-un mecanism omolitic, în urma căruia se vor forma radicali. Astfel, proprietățile chimice ale alcanilor sunt limitate în principal la reacțiile de substituție radicală.
Reacții de nitrare
Alcanii reacţionează numai cu acidul azotic cu o concentraţie de 10% sau cu oxidul de azot tetravalent în mediu gazos la o temperatură de 140°C. Reacția de nitrare a alcanilor se numește reacția Konovalov. Ca urmare, se formează compuși nitro și apă: CH 4 + acid azotic (diluat) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + apă.
Reacții de ardere
Hidrocarburile saturate sunt foarte des folosite drept combustibil, ceea ce se justifică prin capacitatea lor de a arde: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.
Reacții de oxidare
Proprietățile chimice ale alcanilor includ și capacitatea lor de a se oxida. În funcție de condițiile care însoțesc reacția și de modul în care acestea sunt modificate, din aceeași substanță se pot obține diferiți produse finite. Oxidarea ușoară a metanului cu oxigen în prezența unui catalizator care accelerează reacția și la o temperatură de aproximativ 200 ° C poate duce la următoarele substanțe:
1) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2CH 3 OH (alcool - metanol).
2) CH 4 (oxidare cu oxigen) = CH 2 O (aldehidă - metanal sau formaldehidă) + H 2 O.
3) 2CH 4 (oxidare cu oxigen) = 2HCOOH (acid carboxilic - metan sau formic) + 2H 2 O.
De asemenea, oxidarea alcanilor poate fi realizată într-un mediu gazos sau lichid cu aer. Astfel de reacții duc la formarea de alcooli grași superiori și acizii corespunzători.
Relația cu căldura
La temperaturi care nu depășesc +150-250°C, întotdeauna în prezența unui catalizator, are loc o rearanjare structurală a substanțelor organice, care constă într-o modificare a ordinii conexiunii atomilor. Acest proces se numește izomerizare, iar substanțele rezultate în urma reacției se numesc izomeri. Astfel, din butan normal Se obține izomerul său - izobutan. La temperaturi de 300-600°C și prezența unui catalizator, legăturile C-H sunt rupte cu formarea de molecule de hidrogen (reacții de dehidrogenare), molecule de hidrogen cu închiderea lanțului de carbon într-un ciclu (reacții de ciclizare sau aromatizare a alcanilor) :
1) 2CH4 = C2H4 (etenă) + 2H2.
2) 2CH4 = C2H2 (etina) + 3H2.
3) C7H16 (heptan normal) = C6H5 - CH3 (toluen) + 4H2.
Reacții de halogenare
Astfel de reacții presupun introducerea de halogeni (atomii lor) în molecula unei substanțe organice, având ca rezultat formarea unei legături C-halogen. Când alcanii reacţionează cu halogenii, se formează derivaţi de halogen. Această reacție are caracteristici specifice. Se procedează după un mecanism radical, iar pentru a-l iniția este necesar să expunem amestecul de halogeni și alcani la radiații ultraviolete sau pur și simplu să-l încălzim. Proprietățile alcanilor permit reacției de halogenare să continue până când se obține înlocuirea completă cu atomi de halogen. Adică, clorurarea metanului nu se va încheia într-o singură etapă și producția de clorură de metil. Reacția va merge mai departe, se vor forma toți produșii de substituție posibili, începând cu clormetan și terminând cu tetraclorura de carbon. Expunerea altor alcani la clor în aceste condiții va avea ca rezultat formarea diferiților produși care rezultă din înlocuirea hidrogenului la diferiți atomi de carbon. Temperatura la care are loc reacția va determina raportul dintre produsele finali și viteza de formare a acestora. Cu cât lanțul de hidrocarburi al unui alcan este mai lung, cu atât va fi mai ușor de mers această reacție. În timpul halogenării, atomul de carbon cel mai puțin hidrogenat (terțiar) va fi înlocuit mai întâi. Cel primar va reacționa după toate celelalte. Reacția de halogenare va avea loc în etape. În prima etapă, doar un atom de hidrogen este înlocuit. Alcanii nu interacționează cu soluțiile de halogen (apa cu clor și brom).
Reacții de sulfoclorurare
Proprietățile chimice ale alcanilor sunt completate și de reacția de sulfoclorurare (numită reacție Reed). Când sunt expuși la radiații ultraviolete, alcanii sunt capabili să reacționeze cu un amestec de clor și dioxid de sulf. Ca rezultat, se formează acid clorhidric, precum și un radical alchil, care adaugă dioxid de sulf. Rezultatul este un compus complex care devine stabil datorită captării unui atom de clor și distrugerii moleculei următoare: R-H + SO 2 + Cl 2 + radiații ultraviolete= R-S02CI + HCI. Clorurile de sulfonil formate ca rezultat al reacției sunt utilizate pe scară largă în producerea de agenți tensioactivi.
DEFINIȚIE
Alcani– hidrocarburi saturate (alifatice), a căror compoziție este exprimată prin formula C n H 2 n +2.
Alcanii formează o serie omoloagă, fiecare component chimic care se deosebește ca compoziție de cele următoare și anterioare prin același număr de atomi de carbon și hidrogen - CH 2, iar substanțele incluse în seria omoloagă se numesc omologi. Seria omoloagă de alcani este prezentată în Tabelul 1.
Tabelul 1. Serii omoloage de alcani.
În moleculele de alcan se disting atomii de carbon primari (adică legați printr-o legătură), secundari (adică legați prin două legături), terțiari (adică legați prin trei legături) și cuaternari (adică legați prin patru legături).
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – atomi de carbon primari, 2 – secundari)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (atomul de carbon 3-terțiar)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-atomi de carbon cuaternar)
Alcanii se caracterizează prin izomerie structurală (izomerie cu schelet de carbon). Astfel, pentanul are următorii izomeri:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentan)
CH3-CH(CH3)-CH2-CH3(2-metilbutan)
CH3-C(CH3)2-CH3(2,2-dimetilpropan)
Alcanii, începând cu heptan, se caracterizează prin izomerie optică.
Atomii de carbon din hidrocarburile saturate sunt în hibridizare sp 3. Unghiurile dintre legăturile moleculelor de alcan sunt 109,5.
Proprietățile chimice ale alcanilor
În condiții normale, alcanii sunt inerți din punct de vedere chimic - nu reacţionează nici cu acizii, nici cu alcalii. Acest lucru se explică prin rezistența ridicată a legăturilor C-C și C-H. Legăturile nepolare C-C și C-H pot fi scindate homolitic doar sub influența radicalilor liberi activi. Prin urmare, alcanii intră în reacții care au loc prin mecanismul de substituție radicalică. În reacțiile radicalice, atomii de hidrogen sunt înlocuiți mai întâi la atomi de carbon terțiari, apoi la atomi de carbon secundari și primari.
Reacțiile de substituție radicală au o natură în lanț. Etapele principale: nuclearea (inițiarea) lanțului (1) - are loc sub influența radiațiilor UV și duce la formarea de radicali liberi, creșterea lanțului (2) - are loc datorită extragerii unui atom de hidrogen din molecula de alcan ; terminarea lanțului (3) – apare atunci când doi radicali identici sau diferiți se ciocnesc.
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)
Halogenare. Când alcanii interacționează cu clorul și bromul sub influența radiațiilor UV sau temperatura ridicata se formează un amestec de produse din alcani substituiți cu mono până la polihalogen:
CH3Cl +Cl2 = CH2Cl2 + HCI (diclormetan)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl (triclormetan)
CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (tetraclorura de carbon)
Nitrare (reacția Konovalov). Când acidul azotic diluat acționează asupra alcanilor la 140C și presiune joasă, are loc o reacție radicală:
CH3-CH3+HNO3 = CH3-CH2-NO2 (nitroetan) + H2O
Sulfoclorurare și sulfoxidare. Sulfonarea directă a alcanilor este dificilă și este cel mai adesea însoțită de oxidare, ducând la formarea de cloruri de alcansulfonil:
R-H + SO2 + CI2 → R-SO3CI + HCI
Reacția de oxidare sulfonică se desfășoară în mod similar, doar în acest caz se formează acizi alcansulfonici:
R-H + SO2 + ½ O2 → R-SO3H
Cracare– clivaj radical al legăturilor C-C. Apare la încălzire și în prezența catalizatorilor. Când alcanii superiori sunt crapați, se formează alchene; când metanul și etanul sunt crapați, se formează acetilena:
C8H18 = C4H10 (butan) + C3H8 (propan)
2CH4 = C2H2 (acetilenă) + 3H2
Oxidare. Oxidarea ușoară a metanului cu oxigenul atmosferic poate produce metanol, aldehidă formică sau acid formic. În aer, alcanii ard în dioxid de carbon și apă:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O
Proprietățile fizice ale alcanilor
În condiţii normale, C 1 -C 4 sunt gaze, C 5 -C 17 sunt lichide, iar începând de la C 18 sunt solide. Alcanii sunt practic insolubili în apă, dar sunt foarte solubili în solvenți nepolari, cum ar fi benzenul. Astfel, metanul CH 4 (gaz de mlaștină, de mină) este un gaz incolor și inodor, foarte solubil în etanol, eter, hidrocarburi, dar slab solubil în apă. Metanul este folosit ca combustibil bogat în calorii în gazele naturale, ca materie primă pentru producerea de hidrogen, acetilenă, cloroform și alte substanțe organice la scară industrială.
Propanul C 3 H 8 și butanul C 4 H 10 sunt gaze utilizate în viața de zi cu zi ca gaze îmbuteliate datorită lichefierii lor ușoare. Propanul este folosit ca combustibil pentru mașini, deoarece este mai ecologic decât benzina. Butanul este materia primă pentru producerea 1,3-butadienei, care este utilizată în producția de cauciuc sintetic.
Prepararea alcanilor
Alcanii se obțin din surse naturale - gaze naturale (80-90% - metan, 2-3% - etan și alte hidrocarburi saturate), cărbune, turbă, lemn, petrol și ceară de rocă.
Există metode de laborator și industriale pentru producerea alcanilor. În industrie, alcanii se obțin din cărbunele bituminos (1) sau prin reacția Fischer-Tropsch (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)
Metodele de laborator pentru producerea alcanilor includ: hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate prin încălzire și în prezența catalizatorilor (Ni, Pt, Pd) (1), interacțiunea apei cu compuși organometalici (2), electroliza acizilor carboxilici (3), prin reacțiile de decarboxilare (4) și Wurtz (5) și în alte moduri.
R1-C≡C-R2 (alchină) → R1-CH = CH-R2 (alchenă) → R1-CH2 – CH2-R2 (alcan) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H2O → R-H (alcan) + Mg(OH)CI (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)
R1-Cl +2Na +Cl-R2 →2NaCI + R1-R2 (5)
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Determinați masa de clor necesară pentru prima etapă de clorurare a 11,2 litri de metan. |
| Soluţie | Să scriem ecuația reacției pentru prima etapă a clorării metanului (adică, în reacția de halogenare, este înlocuit doar un atom de hidrogen, rezultând formarea unui derivat monoclor): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (clorura de metan) Să aflăm cantitatea de substanță metan: v(CH4) = V(CH4)/V m v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Conform ecuației reacției, numărul de moli de clor și numărul de moli de metan sunt egal cu 1 mol, prin urmare, numărul practic de moli de clor și metan va fi, de asemenea, același și va fi egal cu: v(CI2) = v(CH4) = 0,5 mol Cunoscând cantitatea de substanță de clor, puteți găsi masa acesteia (care este ceea ce este pus în întrebarea problema). Masa clorului este calculată ca produsul dintre cantitatea de substanță clor și masa sa molară (masa moleculară a 1 mol de clor; masa moleculară este calculată folosind tabelul elemente chimice DI. Mendeleev). Masa clorului va fi egală cu: m(Cl2) = v(Cl2)×M(Cl2) m(Cl2) = 0,5 × 71 = 35,5 g |
| Răspuns | Masa clorului este de 35,5 g |
