Alkanska struktura

Alkani so ogljikovodiki, v molekulah katerih atomi so povezani z enojnimi vezmi in ustrezajo splošni formuli C n H 2n + 2 ... V molekulah alkana so vsi atomi ogljika v stanju sp 3-hibridizacija.

To pomeni, da so vse štiri hibridne orbite ogljikovega atoma enake oblike, energije in usmerjene v vogale enakostranske trikotne piramide - tetraeder... Koti med orbitali so 109 ° 28 ′. Okrog ene vezi ogljik-ogljik je mogoča skoraj prosta rotacija, molekule alkana pa lahko pridobijo najrazličnejše oblike s koti na ogljikovih atomih blizu tetraedra (109 ° 28 '), na primer v molekuli n-pentana.

Posebej je vredno spomniti na vezi v molekulah alkana. Vse vezi v molekulah nasičenih ogljikovodikov so enojne. Prekrivanje se zgodi vzdolž osi, ki povezuje atomska jedra, tj. To σ-vezi... Ogljikovo-ogljikove vezi so nepolarne in slabo polarizirane. Dolžina C-C vezi v alkanih je 0,154 nm (1,54 10 10 m). CH-vezi so nekoliko krajše. Gostota elektronov se rahlo premakne proti bolj elektronegativnemu ogljikovemu atomu, to je vez CH šibko polarno.

Homološka serija metana

Homologi- snovi, ki so po strukturi in lastnostih podobne in se razlikujejo po: eno ali več CH skupin 2 .

Nasičeni ogljikovodiki tvorijo homologno vrsto metana.

Izomerizem in nomenklatura alkanov

Za Alkane je značilna t.i. strukturna izomerija... Strukturni izomeri se med seboj razlikujejo po strukturi ogljikovega okostja. Najenostavnejši alkan s strukturnimi izomeri je butan.

Oglejmo si podrobneje osnovo nomenklature za alkane IUPAC.

1. Izbor glavnega vezja... Tvorba imena ogljikovodika se začne z opredelitvijo glavne verige - najdaljše verige ogljikovih atomov v molekuli, ki je, kot bi bila, njegova osnova.

2. Številčenje atomov glavne verige... Atomom glavne verige so dodeljena števila. Številčenje atomov glavne verige se začne od konca, do katerega je bližje substituent (strukture A, B). Če so substituenti na enaki razdalji od konca verige, se oštevilčenje začne od konca, na katerem jih je več (struktura B). Če so različni substituenti na enaki razdalji od koncev verige, se oštevilčenje začne od konca, kateremu je starejši bližje (struktura D). Prednost substituentov ogljikovodikov je določena po vrstnem redu, po katerem črka sledi v abecedi, s katero se začne njihovo ime: metil (-CH3), nato propil (-CH2-CH2-CH3), etil (-CH2-CH3) ) itd.

Upoštevajte, da je ime nadomestnika tvorjeno z zamenjavo pripone -an s pripono -yl v imenu ustreznega alkana.

3. Tvorba imena... Na začetku imena številke označujejo število ogljikovih atomov, na katerih se nahajajo substituenti. Če je na določenem atomu več substituentov, se ustrezno število v imenu ponovi dvakrat, ločeno z vejicami (2,2-). Po številki je z vezajem označeno število substituentov (di - dva, tri - tri, tetra - štiri, penta - pet) in ime substituenta (metil, etil, propil). Nato brez presledkov ali vezajev ime glavne verige. Glavna veriga se imenuje ogljikovodik - član homologne serije metana (metan, etan, propan itd.).

Imena snovi, katerih strukturne formule so navedene zgoraj, so naslednja:

Sestava A: 2-metilpropan;

Sestava B: 3-etilheksan;

Sestava B: 2,2,4-trimetilpentan;

Sestava D: 2-metil 4-etilheksan.

Odsotnost nasičenih ogljikovodikov v molekulah polarne povezave vodi k dejstvu, da oni slabo topen v vodi, ne komunicirajo z nabitimi delci (ioni)... Najbolj značilne reakcije za alkane so reakcije, ki vključujejo prosti radikali.

Fizikalne lastnosti alkanov

Prvi štirje predstavniki metanske homologne serije so plini... Najpreprostejši med njimi - metan - plin brez barve, okusa in vonja (vonj "plina", ki ga čutite, morate poklicati 04, je določen z vonjem merkaptanov - spojin, ki vsebujejo žveplo, posebej dodan metanu, ki se uporablja v gospodinjskih in industrijskih plinskih napravah, tako da ljudje tisti, ki so v bližini, so lahko vonjali uhajanje).

Ogljikovodiki iz OD 5 H 12 prej OD 15 H 32 - tekočine; težji ogljikovodiki so trdne snovi. Vrelišča in tališča alkanov se postopoma povečujejo s povečevanjem dolžine ogljikove verige. Vsi ogljikovodiki so v vodi slabo topni; tekoči ogljikovodiki so običajna organska topila.

Kemične lastnosti alkanov

Nadomestne reakcije.

Najbolj tipične reakcije za alkane so substitucija prostih radikalov, med katerim se atom vodika nadomesti z atomom halogena ali kakšno skupino.

Predstavimo enačbe značilnosti halogenacijske reakcije:

V primeru presežka halogena lahko kloriranje preseže, do popolne zamenjave vseh vodikovih atomov s klorom:

Nastale snovi se pogosto uporabljajo kot topila in izhodne snovi v organskih sintezah.

Reakcija dehidriranja (odvzem vodika).

Med prehodom alkanov nad katalizatorjem (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) pri visoki temperaturi (400-600 ° C) se molekula vodika izloči in alkena:

Reakcije, ki jih spremlja uničenje ogljikove verige. Vsi nasičeni ogljikovodiki gorijo s tvorbo ogljikovega dioksida in vode. Plinasti ogljikovodiki, pomešani z zrakom v določenih razmerjih, lahko eksplodirajo.

1. Izgorevanje nasičenih ogljikovodikov je eksotermna reakcija prostih radikalov, ki je zelo pomembna pri uporabi alkanov kot goriva:

Na splošno lahko reakcijo zgorevanja alkana zapišemo na naslednji način:

2. Toplotna razgradnja ogljikovodikov.

Postopek poteka naprej mehanizem prostih radikalov... Povišanje temperature vodi do homolitičnega rušenja vezi ogljik-ogljik in nastanka prostih radikalov.

Ti radikali medsebojno delujejo, izmenjujejo atom vodika in tvorijo molekulo molekule alkana in alkena:

Reakcije toplotnega cepljenja so v središču industrijskega procesa - pokanje ogljikovodikov... Ta postopek je najpomembnejša faza rafiniranja nafte.

3. Piroliza... Ko se metan segreje na temperaturo 1000 ° C, metanska piroliza - razpad na preproste snovi:

Pri segrevanju na temperaturo 1500 ° C nastanek acetilen:

4. Izomerizacija... Ko se linearni ogljikovodiki segrejejo s katalizatorjem izomerizacije (aluminijev klorid), snovi z razvejan ogljikov skelet:

5. Aromatizacija... Alkani s šestimi ali več atomi ogljika v verigi v prisotnosti katalizatorja ciklizirajo, da tvorijo benzen in njegove derivate:

Alkani začnejo reakcije, ki potekajo po mehanizmu prostih radikalov, saj so vsi atomi ogljika v molekulah alkana v stanju sp3-hibridizacije. Molekule teh snovi so zgrajene s pomočjo kovalentnih nepolarnih C-C (ogljik-ogljik) vezi in šibko polarnih C-H (ogljik-vodik) vezi. Ne vsebujejo območij s povečano ali zmanjšano gostoto elektronov, zlahka polarizirane vezi, to je takih vezi, v katerih se lahko gostota elektronov premika pod vplivom zunanjih dejavnikov (elektrostatična polja ionov). Posledično alkani ne bodo reagirali z nabitimi delci, saj vezi v molekulah alkana ne pretrgajo heterolitičnega mehanizma.

Kemijske lastnosti. Fizikalne lastnosti alkanov

Fizikalne lastnosti alkanov

V normalnih pogojih so prvi štirje člani homologne serije alkanov (Ci-C4) plini. Običajni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) so tekočine, od C 18 in zgoraj so trdne snovi. Ko se število ogljikovih atomov v verigi povečuje, tj. s povečanjem relativne molekulske mase naraščajo vrelišča in tališča alkanov.

Z enakim številom ogljikovih atomov v molekuli imajo razvejeni alkani nižja vrelišča kot običajni alkani.

Alkani so v vodi praktično netopni; njihove molekule so nizko polarne in ne delujejo med molekulami vode. Tekoči alkani se med seboj enostavno mešajo. Dobro se raztopijo v nepolarnih organskih topilih, kot so benzen, ogljikov tetraklorid itd.

Struktura

Molekula najpreprostejšega alkana - metana - ima obliko navadnega tetraedra, v središču katerega je atom ogljika, v konicah pa so vodikovi atomi. Koti med osmi CH-vezi so 109 ° 28 "(slika 29).

V molekulah drugih nasičenih ogljikovodikov imajo koti med vezmi (tako CH kot C-C) enak pomen. Za opis oblike molekul se uporablja koncept atomske orbitalne hibridizacije(glej I, §6).

V alkanih so vsi atomi ogljika v stanju sp 3 -hibridizacija (slika 30).

Tako ogljikovi atomi v ogljikovi verigi niso poravnani. Razdalja med sosednjimi atomi ogljika (med jedri atomov) je strogo določena - to je dolžina kemijske vezi(0,154 nm). Razdalja C 1 - C 3, C 2 - C 4 itd. (skozi en atom) so tudi konstantne, ker stalen kot med vezmi - kot vezi.

Razdalja med bolj oddaljenimi atomi ogljika se lahko (v določenih mejah) spreminja kot posledica vrtenja okoli s-vezi. Ta rotacija ne prekine prekrivanja orbitale s-vezi, saj ima ta vez osno simetrijo.

Različne prostorske oblike ene molekule, ki nastanejo, ko se skupine atomov vrtijo okoli s-vezi, imenujemo skladnosti(slika 31).

Konformacije se razlikujejo po energiji, vendar je ta razlika majhna (12-15 kJ / mol). Bolj stabilne so takšne konformacije alkanov, v katerih so atomi nameščeni čim bolj oddaljeni drug od drugega (odboj elektronskih lupin). Prehod iz ene konformacije v drugo se izvede z energijo toplotnega gibanja. Za prikaz konformacije se uporabljajo posebne prostorske formule (Newmanove formule).

Ne bodite zmedeni!

Treba je razlikovati med pojmoma konformacije in konfiguracije.

Različne konformacije se lahko prelevijo med seboj, ne da bi prekinile kemične vezi. Preoblikovanje molekule z eno konfiguracijo v molekulo z drugačno konfiguracijo zahteva pretrganje kemičnih vezi.

Od štirih vrst izomerizemza alkane sta značilna dva: izomerija ogljikovega okostja in optična izomerija (glej del

Kemične vezi v alkanih, njihovo razpadanje in tvorba določa kemijske lastnosti alkanov. C-C in C-H vezi so kovalentne, enostavne (s-vezi), praktično nepolarne, dovolj močne, zato:

1) alkani najpogosteje vstopajo v takšne reakcije, ki gredo s hemolitično rupturo vezi;

2) Alkani imajo v primerjavi z organskimi spojinami drugih razredov nizko reaktivnost (imenujemo jih parafini- "prikrajšana za lastnosti"). Tako so alkani odporni proti delovanju vodnih raztopin kislin, alkalij in oksidantov (na primer kalijevega permanganata) tudi ob vrenju.

Alkani ne vstopajo v reakcije dodajanja drugih molekul, ker alkani v svojih molekulah nimajo več vezi.

Alkani se pod močnim segrevanjem razgradijo v prisotnosti katalizatorjev v obliki platine ali niklja, medtem ko se vodik odstrani iz alkanov.

Alkani lahko potekajo izomerizacijske reakcije. Njihova značilna reakcija je substitucijska reakcija,postopek z radikalnim mehanizmom.

Kemijske lastnosti

Radikalne substitucijske reakcije

Kot primer upoštevajte medsebojno delovanje alkanov s halogeni.Fluor reagira zelo burno (praviloma eksplozivno) - v tem primeru se porušijo vse C-H in C-C vezi in posledično nastaneta spojini CF 4 in HF. Reakcija nima praktičnega pomena. Jod ne deluje z alkani. Reakcije s klorom ali bromom potekajo bodisi pri osvetlitvi bodisi pri močnem segrevanju; v tem primeru pride do tvorbe mono- do polihalogeniranih alkanov, na primer:

CH3-CH3 + Cl2 ® hv CH3-CH2-Cl + HCl

Tvorba halogeniranih derivatov metana poteka po verigi prosti radikalmehanizem. Pod vplivom svetlobe se molekule klora razgradijo na anorganske radikale:

Anorganski radikal Sl. loči atom vodika z enim elektronom iz molekule metana, tvori HC1 in prosti radikal CH3

Prosti radikal deluje z molekulo klora Cl2 in tvori halogenski derivat in klorov radikal.

Oksidacijska reakcija se začne z odvzemom vodikovega atoma molekulom kisika (ki je dvorasten) in nato poteka kot razvejena verižna reakcija. Med reakcijo se poveča število radikalov. Postopek spremlja:

sproščajo veliko količino toplote, ne le C - H, ampak tudi C - C vezi, se porušijo, tako da nastaneta ogljikov monoksid (IV) in voda. Reakcija lahko poteka kot zgorevanje ali vodi do eksplozije.

2C n H2 n + 2 + (3n + 1) O 2 ® 2nCO 2 + (2n + 2) H2 O

Pri običajnih temperaturah reakcija oksidacije ne poteka; sproži se lahko z vžigom ali z električnim praznjenjem.

Z močnim segrevanjem (nad 1000 ° C) alkani popolnoma razpadejo na ogljik in vodik. Ta reakcija se imenuje piroliza.

CH 4 ® 1200 ° C + 2H 2

Z blago oksidacijo alkanov, zlasti metana, z atmosferskim kisikom v prisotnosti različnih katalizatorjev, metilnega alkohola, formaldehida in mravljične kisline.

Če metan zelo hitro prehaja skozi ogrevano cono in se nato takoj ohladi z vodo, je rezultat acetilen.

Ta reakcija je osnova industrijske sinteze, ki jo imenujemo pokanje(nepopolna razgradnja) metana.

Razbijanje metanovih homologov se izvaja pri nižji temperaturi (približno 600 ° C). Na primer, kreking propan vključuje naslednje korake:

Torej, krekiranje alkanov vodi v nastanek mešanice alkanov in alken z nižjo molekulsko maso.

Segrevanje alkanov na 300-350 ° C (kreking še ni v teku) v prisotnosti katalizatorja (Pt ali Ni) vodi do dehidrogenacija- cepljenje vodika.

Pod delovanjem razredčene dušikove kisline na alkanih pri 140 ° C in nizkem tlaku nastane radikalna reakcija:

CH3-CH3 + HNO3 ® CH3-CH2-N02 + H20 Izomerizacija

Pod določenimi pogoji se lahko normalni alkani pretvorijo v alkane z razvejeno verigo.

Pridobivanje alkanov

Razmislimo o proizvodnji alkanov na primeru proizvodnje metana. Metan je v naravi zelo razširjen. Je glavna sestavina številnih gorljivih plinov, tako naravnih (90-98%) kot umetnih, ki se sproščajo med suho destilacijo lesa, šote, premoga, pa tudi med lomljenjem nafte. Naravni plini, zlasti pridruženi plini z naftnih polj, poleg metana vsebujejo še etan, propan, butan in pentan.

Metan se sprošča iz dna močvirja in iz premogovih šivov v rudnikih, kjer nastane s počasnim razpadanjem rastlinskih ostankov brez dostopa zraka. Zaradi tega se metan pogosto imenuje močvirni plin ali ognjišče.

V laboratoriju metan dobimo s segrevanjem mešanice natrijevega acetata z natrijevim hidroksidom:

CH3 COONa + NaOH® 200 ° Na2C03 + CH4

ali pri interakciji aluminijevega karbida z vodo: Al 4 Cl 3 + 12H 2 O® 4Al (OH) 3 + 3CH 4

V zadnjem primeru je metan zelo čist.

Metan lahko dobimo iz preprostih snovi s segrevanjem v prisotnosti katalizatorja:

C + 2H2 ® Ni CH 4 8 tudi s sintezo na osnovi vodnega plina

CO + 3H 2 ® Ni CH4 + H20

Ta metoda je industrijskega pomena. Vendar običajno uporabljajo metan iz naravnih plinov ali plinov, ki nastanejo pri koksanju premoga in med rafiniranjem nafte.

Homologe metana, tako kot metan, dobimo v laboratorijskih pogojih s kalciniranjem soli ustreznih organskih kislin z alkalijami. Drug način je Wurtzova reakcija, tj. segrevanje monohalogeniranih derivatov z natrijevo kovino, na primer:

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

V inženirstvu se za pridobivanje tehničnega bencina (mešanica ogljikovodikov, ki vsebuje 6-10 atomov ogljika) uporablja sinteza

iz ogljikovega monoksida (II) in vodika v prisotnosti katalizatorja (kobaltove spojine) in pri povišanem tlaku. Proces

lahko izrazimo z enačbo

nSO + (2n + 1) Н 2 ® 200 ° C n H 2n + 2 + nN20

I Torej, glavna vira alkanov sta zemeljski plin in nafta. Nekaj \u200b\u200bnasičenih ogljikovodikov se sintetizira iz drugih spojin.

Nanos alkanov

Večina alkanov se uporablja kot gorivo. Pokanje in

Njihova dehidrogenacija vodi v nenasičene ogljikovodike

na podlagi katerih dobimo številne druge organske snovi.

Metan je glavni del naravnih plinov (60-99%). Del

naravni plini vključujejo propan in butan. Tekoči ogljikovodiki

se uporabljajo kot gorivo pri motorjih z notranjim zgorevanjem v motornih vozilih, letalih itd. Prečiščena mešanica tekočine

trdni alkani pa tvorijo vazelin. Višji alkani so

izhodne snovi pri pripravi sintetičnih detergentov. Alkani, dobljeni z izomerizacijo, se uporabljajo pri proizvodnji visokokakovostnih bencinov in gume. Spodaj je prikaz uporabe metana

Cikloalkani

Struktura

Cikloalkani so nasičeni ogljikovodiki, katerih molekule imajo zaprt obroč ogljikovih atomov.

Cikloalkani (cikloparafini) tvorijo homologni niz s splošno formulo С n Н 2 n, v katerem je prvi izraz

ciklopropan C 3 H 6, ker da nastane obroč, so potrebni vsaj trije atomi ogljika.

Cikloalkani imajo več imen: cikloparafini, nafteni, ciklani, polimetileni. Primeri nekaterih spojin:

Formula C n H 2 n je značilna za cikloparafine in popolnoma enaka formula opisuje homologni niz alken (nenasičenih ogljikovodikov z eno več vezjo). Iz tega lahko sklepamo, da je ustrezni alken izomeren za vsak cikloalkan - to je primer "medklasne" izomerije.

Cikloalkani so razdeljeni v več skupin glede na velikost cikla, od katerih bomo upoštevali dva: majhna (C 3, C 4) in navadna (C 5-C 7) cikla.

Imena cikloalkanov tvorimo tako, da imenu alkana z ustreznim številom ogljikovih atomov dodamo predpono ciklo-. Številčenje v ciklu se izvede tako, da substituenti prejmejo najnižja števila.

Strukturne formule cikloalkanov se običajno zapišejo v skrajšani obliki z uporabo geometrijske oblike cikla in izpuščanjem simbolov za ogljikove in vodikove atome. Na primer:

Strukturna izomerija cikloalkanov je določena z velikostjo obroča (ciklobutan in metilciklopropan sta izomeri) in položajem substituentov v obroču (na primer 1,1- in 1,2-dimetilbutanom) ter njihovo strukturo.

Prostorska izomerija je značilna tudi za cikloalkane, saj povezana je z drugačno razporeditvijo substituentov glede na ravnino obroča. Ko so substituenti razporejeni na eni strani ravnine obroča, dobimo cis-izomere, na nasprotnih straneh - trans izomere.

Alkani se v kemiji imenujejo nasičeni ogljikovodiki, v katerih je ogljikova veriga odprta in je sestavljena iz ogljika, ki je med seboj povezan preko enojnih vezi. Značilna lastnost alkanov je tudi ta, da sploh ne vsebujejo dvojnih ali trojnih vezi. Včasih alkane imenujemo parafini, dejstvo je, da so parafini pravzaprav mešanica nasičenih ogljikov, torej alkanov.

Formula Alkane

Formula alkana lahko zapišemo kot:

Poleg tega je n večji od ali enak 1.

Za alkane je značilna izomerizem ogljikovega okostja. V tem primeru so povezave lahko različnih geometrijskih oblik, kot je prikazano na spodnji sliki.

Izomerizem ogljikovega okostja alkanov

Z rastjo ogljikove verige narašča tudi število izomerov. Na primer, ima butan dva izomera.

Pridobivanje alkanov

Alkan običajno pridobivamo z različnimi sintetičnimi metodami. Na primer, eden od načinov za proizvodnjo alkana vključuje reakcijo "hidrogeniranja", ko se alkani izločajo iz nenasičenih ogljikovih hidratov pod vplivom katalizatorja in pri temperaturi.

Fizikalne lastnosti alkanov

Alkani se od drugih snovi razlikujejo po popolni odsotnosti barve, poleg tega pa so v vodi netopni. Tališče alkanov narašča s povečanjem njihove molekulske mase in dolžine verige ogljikovodikov. To pomeni, da bolj je razvejan alkan, večja je njegova temperatura zgorevanja in taljenja. Plinasti alkani gorijo z bledo modrim ali brezbarvnim plamenom, hkrati pa ustvarjajo veliko toplote.

Kemične lastnosti alkanov

Alkani so kemično neaktivne snovi zaradi trdnosti močnih sigma C-C in C-H vezi. V tem primeru so C-C vezi nepolarne, C-H vezi pa so nizkopolarne. In ker so vse to nizko polarizibilne vrste vezi, ki pripadajo vrsti sigma, se bodo pretrgale po homolitnem mehanizmu, zaradi česar se tvorijo radikali. Posledično so kemijske lastnosti alkanov predvsem radikalne substitucijske reakcije.

To je formula za radikalno substitucijo alkanov (halogenacija alkanov).

Poleg tega lahko ločimo tudi takšne kemične reakcije kot nitriranje alkanov (Konovalova reakcija).

Ta reakcija poteka pri temperaturi 140 C, najbolje pa je s terciarnim ogljikovim atomom.

Krekiranje alkanov - ta reakcija poteka pod delovanjem visokih temperatur in katalizatorjev. Nato se ustvarijo pogoji, ko višji alkani lahko prekinejo svoje vezi in tvorijo alkane nižjega reda.

Nasičeni ogljikovodiki so spojine, ki so molekule sestavljene iz ogljikovih atomov v stanju hibridizacije sp3. Povezani so izključno s kovalentnimi sigma vezmi. Ime "nasičeni" ali "nasičeni" ogljikovodiki izvira iz dejstva, da te spojine nimajo sposobnosti pritrditi nobenih atomov. So ekstremni, popolnoma nasičeni. Cikloalkani so izjema.

Kaj so alkani?

Alkani so nasičeni ogljikovodiki, njihova ogljikova veriga ni zaprta in je sestavljena iz ogljikovih atomov, povezanih z enojnimi vezmi. Ne vsebuje drugih (torej dvojnih, kot v alkenih ali trojnih, kot v alkilih) vezi. Alkane imenujemo tudi parafini. To ime so dobili, saj so znani parafini mešanica pretežno teh nasičenih ogljikovodikov C 18 -C 35 s posebno inertnostjo.

Splošne informacije o alkanih in njihovih ostankih

Njihova formula: С n Р 2 n +2, tu je n večji od ali enak 1. Molarna masa se izračuna po formuli: М \u003d 14n + 2. Značilna lastnost: končiči v njihovih imenih so "-an". Ostanke njihovih molekul, ki nastanejo kot posledica nadomeščanja vodikovih atomov z drugimi atomi, imenujemo alifatski radikali ali alkili. Označujejo jih s črko R. Splošna formula monovalentnih alifatskih radikalov: С n Р 2 n +1, tu je n večja ali enaka 1. Molarna masa alifatskih radikalov se izračuna po formuli: М \u003d 14n + 1. Značilna lastnost alifatskih radikalov: končiči v imenih "- mulj ". Molekule alkana imajo svoje strukturne značilnosti:

• za C-C vez je značilna dolžina 0,154 nm;
• za CH vez je značilna dolžina 0,109 nm;
• kot vezi (kot med vezmi ogljik-ogljik) je 109 stopinj in 28 minut.

Začne se homologna serija alkanov: metan, etan, propan, butan in tako naprej.

Fizikalne lastnosti alkanov

Alkani so snovi, ki so v vodi brezbarvne in netopne. Temperatura, pri kateri se alkani začnejo topiti, in temperatura, pri kateri vrejo, naraščajo v skladu s povečanjem molekulske mase in dolžine verige ogljikovodikov. Od manj razvejanih do bolj razvejenih alkanov se vrelišča in tališča zmanjšujejo. Plinasti alkani lahko gorijo z bledo modrim ali brezbarvnim plamenom, hkrati pa ustvarjajo precej toplote. CH4-C4H10 so plini, ki prav tako nimajo vonja. С 5 Н 12 -С 15 Н 32 so tekočine, ki imajo specifičen vonj. C 15 H 32 in tako naprej so trdne snovi, ki tudi nimajo vonja.

Kemične lastnosti alkanov

Te spojine so kemično neaktivne, kar je mogoče razložiti z močjo težko razbijajočih se sigma vezi - C - C in C - H. Prav tako je vredno upoštevati, da so C-C vezi nepolarne in C-H vezi majhne polarnosti. To so nizko polarizabilne vrste vezi, povezane s tipom sigme, in zato najverjetneje prebijejo homolitni mehanizem, zaradi česar bodo nastali radikali. Tako so kemijske lastnosti alkanov omejene predvsem z radikalnimi substitucijskimi reakcijami.

Nitracijske reakcije

Alkani medsebojno delujejo le z dušikovo kislino s koncentracijo 10% ali s tetravalentnim dušikovim oksidom v plinski atmosferi pri temperaturi 140 ° C. Reakcijo nitriranja alkanov imenujemo Konovalova reakcija. Posledično nastanejo nitro spojine in voda: CH4 + dušikova kislina (razredčena) \u003d CH3-NO2 (nitrometan) + voda.

Reakcije izgorevanja

Kot gorivo se pogosto uporabljajo nasičeni ogljikovodiki, kar upravičuje njihova sposobnost gorenja: С n Р 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n CO 2.

Reakcije oksidacije

Kemične lastnosti alkanov vključujejo tudi njihovo sposobnost oksidacije. Glede na to, kakšni pogoji spremljajo reakcijo in kako se spreminjajo, lahko iz iste snovi dobimo različne končne izdelke. Blaga oksidacija metana s kisikom v prisotnosti katalizatorja, ki pospeši reakcijo in temperaturo približno 200 ° C, lahko povzroči naslednje snovi:

1) 2SN 4 (oksidacija s kisikom) \u003d 2СН 3 ОН (alkohol - metanol).

2) CH4 (oksidacija s kisikom) \u003d CH20 (aldehid - metanal ali formaldehid) + H2O.

3) 2СН 4 (oksidacija s kisikom) \u003d 2НСООН (karboksilna kislina - metan ali mravljica) + 2Н 2 О.

Prav tako se lahko oksidacija alkanov izvaja v plinastem ali tekočem mediju z zrakom. Takšne reakcije vodijo do tvorbe višjih maščobnih alkoholov in ustreznih kislin.

Odnos do ogrevanja

Pri temperaturah, ki ne presegajo + 150–250 ° C, vedno ob prisotnosti katalizatorja, pride do strukturne transformacije organskih snovi, ki je sestavljena iz spremembe vrstnega reda povezave atomov. Ta postopek se imenuje izomerizacija, snovi, pridobljene kot posledica reakcije, pa imenujemo izomeri. Tako se njegov izomer, izobutan, pridobi iz običajnega butana. Pri temperaturah 300-600 ° C in prisotnosti katalizatorja se C-H vezi pretrgajo s tvorbo molekul vodika (reakcija dehidrogeniranja), vodikovih molekul z zapiranjem ogljikove verige v cikel (ciklizacija ali aromatizacija alkanov):

1) 2CH4 \u003d C2H4 (eten) + 2H2.

2) 2CH4 \u003d C2H2 (etin) + 3H2.

3) C7H16 (normalen heptan) \u003d C6H5-CH3 (toluen) + 4H2.

Reakcije halogeniranja

Takšne reakcije so sestavljene iz vnosa halogenov (njihovih atomov) v molekulo organske snovi, zaradi česar nastane C-halogena vez. Ko alkani reagirajo s halogeni, nastanejo halogeni derivati. Ta reakcija ima posebne značilnosti. Poteka v skladu z radikalnim mehanizmom, zato da bi ga lahko sprožili, moramo na mešanico halogena in alkanov vplivati \u200b\u200bz ultravijoličnim sevanjem ali ga preprosto segreti. Lastnosti alkanov omogočajo, da se reakcija halogeniranja nadaljuje, dokler ne dosežemo popolne substitucije z atomi halogena. To pomeni, da se kloriranje metana ne bo končalo z eno stopnjo in proizvodnjo metil klorida. Reakcija se nadaljuje, nastali bodo vsi možni substitucijski produkti, začenši s klorometanom in končanjem z ogljikovim tetrakloridom. Izpostavljenost drugih alkanov kloru v teh pogojih povzroči nastanek različnih produktov, ki nastanejo zaradi nadomestitve vodika pri različnih atomih ogljika. Temperatura, pri kateri poteka reakcija, bo določila razmerje končnih produktov in hitrost njihovega tvorjenja. Daljša ko je veriga ogljikovodika alkana, lažja bo ta reakcija. Pri halogeniranju se najprej nadomesti najmanj hidrogenirani (terciarni) atom ogljika. Primarni bodo reagirali po vseh ostalih. Reakcija halogeniranja bo potekala po stopnjah. Na prvi stopnji se zamenja samo en atom vodika. Alkani ne delujejo v interakciji z raztopinami halogena (klor in bromova voda).

Reakcije sulfokloriranja

Kemijske lastnosti alkanov dopolnjujejo tudi reakcija sulfokloriranja (imenovana Reedova reakcija). Kadar so izpostavljeni ultravijoličnemu sevanju, lahko alkani reagirajo z mešanico klora in žveplovega dioksida. Kot rezultat se tvori vodikov klorid, pa tudi alkilni radikal, ki dodaja žveplov dioksid k sebi. Rezultat je kompleksna spojina, ki postane stabilna zaradi zajema klorovega atoma in uničenja njegove naslednje molekule: R-H + SO 2 + Cl2 + ultravijolično sevanje \u003d R-SO 2 Cl + HCl. Sulfonil kloridi, ki nastanejo kot posledica reakcije, se pogosto uporabljajo pri proizvodnji površinsko aktivnih snovi.

OPREDELITEV POJMOV

Alkanes - omejevalni (alifatski) ogljikovodiki, katerih sestava je izražena s formulo C n H 2 n +2.

Alkani tvorijo homologni niz, katerega kemijska spojina se razlikuje po sestavi od naslednjega in prejšnjega po enakem številu atomov ogljika in vodika - CH2, snovi, ki so vključene v homologni niz, pa se imenujejo homologi. Homologna serija alkanov je predstavljena v tabeli 1.

Tabela 1. Homološka serija alkanov.

V molekulah alkana so izolirani primarni (t.j. povezani z eno vezjo), sekundarni (t.j. povezani z dvema vezoma), terciarni (t.j. povezani s tremi vezmi) in kvartarni (t.j. povezani s štirimi vezmi) ogljikovi atomi.

C 1 H3 - C 2 H 2 - C 1 H 3 (1 - primarni, 2- sekundarni ogljikovi atomi)

CH3-C3H (CH3) - CH3 (3- terciarni ogljikov atom)

CH3 - C4 (CH3) 3 - CH3 (4 je kvarterni atom ogljika)

Za Alkane je značilna strukturna izomerizem (izomerija ogljikovega okostja). Torej ima pentan naslednje izomere:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentan)

CH3-CH (CH3) -CH2-CH3 (2-metilbutan)

CH3-C (CH3) 2 -CH3 (2,2-dimetilpropan)

Za alkane, začenši s heptanom, je značilna optična izomerija.

Ogljikovi atomi v nasičenih ogljikovodikih so v sp3-hibridizaciji. Koti med vezmi v molekulah alkana so 109,5.

Kemične lastnosti alkanov

V normalnih pogojih so alkani kemično inertni - ne reagirajo s kislinami ali alkalijami. To je posledica visoke trdnosti vezi C-C in C-H. Nepolarne C-C in C-H vezi se lahko cepijo le homolično pod delovanjem aktivnih prostih radikalov. Zato alkani začnejo reakcije, ki potekajo po mehanizmu radikalne substitucije. Z radikalnimi reakcijami najprej zamenjamo atome vodika na terciarnem, nato na sekundarnem in primarnem ogljikovem atomu.

Reakcije radikalne substitucije imajo verižni značaj. Glavne faze: nukleacija (iniciacija) verige (1) - nastane pod vplivom UV sevanja in vodi do tvorbe prostih radikalov, rast verige (2) - nastane zaradi ločitve vodikovega atoma iz molekule alkana; prekinitev verige (3) - nastane, ko se trčita dva enaka ali različna 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)

Halogenacija. Ko alkani pod vplivom UV sevanja ali visokih temperatur reagirajo s klorom in bromom, nastane mešanica izdelkov iz mono- do polihalogeniranih alkanov:

CH3Cl1Cl2 \u003d CH2Clz + HCl (diklorometan)

CH2Cl2 + Cl2 \u003d CHCl3 + HCl (triklorometan)

CHCl3 + Cl2 \u003d CCl4 + HCl (tetraklorid ogljik)

Nitracija (reakcija Konovalova) ... Pod delovanjem razredčene dušikove kisline na alkanih pri 140 ° C in nizkem tlaku nastane radikalna reakcija:

CH3-CH3 + HNO3 \u003d CH3-CH2-N02 (nitroetan) + H20

Sulfokloriranje in sulfo-oksidacija. Neposredno sulfoniranje alkanov je težavno in ga najpogosteje spremlja oksidacija, kar povzroči nastanek alkanesulfonil kloridov:

R-H + S02 + Cl2 → R-S03Cl + HCl

Reakcija sulfo-oksidacije poteka na podoben način, le v tem primeru nastanejo alkanesulfonske kisline:

R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H

Razbijanje - radikalno pretrganje vezi C-C. Poteka pri segrevanju in v prisotnosti katalizatorjev. Pri krekiranju višjih alkanov nastanejo alkeni, pri krekingu metana in etana nastane acetilen:

C8H18 \u003d C4H10 (butan) + C3H8 (propan)

2CH4 \u003d C2H2 (acetilen) + 3H2

Oksidacija... Z blago oksidacijo metana z atmosferskim kisikom lahko dobimo metanol, mravljični aldehid ali mravljično kislino. V zraku alkani gorijo do ogljikovega dioksida in vode:

C n H 2 n +2 + (3n + 1) / 2 O 2 \u003d nCO 2 + (n + 1) H 2 O

Fizikalne lastnosti alkanov

V normalnih pogojih so Ci-C4 plini, C5-C 17 tekočine, od C18 so trdne snovi. Alkani so praktično netopni v vodi, vendar so topni v nepolarnih topilih, kot je benzen. Torej je metan CH4 (bog, kamilamp) brezbarven plin in brez vonja, lahko topen v etanolu, etru, ogljikovodikih, vendar slabo topen v vodi. Metan se uporablja kot visoko kalorično gorivo v zemeljskem plinu kot surovina za proizvodnjo vodika, acetilena, kloroforma in drugih organskih snovi v industrijskem obsegu.

Propan C 3 H 8 in butan C 4 H 10 sta plina, ki ju uporabljamo v vsakdanjem življenju kot balonske pline zaradi lažjega utekočinjanja. Propan se uporablja kot gorivo za vozila, ker je okolju prijaznejši od bencina. Butan je surovina za proizvodnjo 1,3-butadiena, ki se uporablja pri proizvodnji sintetičnega kavčuka.

Pridobivanje alkanov

Alkani se pridobivajo iz naravnih virov - zemeljskega plina (80-90% - metana, 2-3% - etana in drugih nasičenih ogljikovodikov), premoga, šote, lesa, nafte in gorskega voska.

Obstajajo laboratorijske in industrijske metode za pridobivanje alkanov. V industriji se alkani pridobivajo iz bituminoznega premoga (1) ali z reakcijo Fischer-Tropsch (2):

nC + (n + 1) H 2 \u003d C n H 2 n +2 (1)

nCO + (2n + 1) H 2 \u003d C n H 2 n +2 + H 2 O (2)

Laboratorijske metode za proizvodnjo alkanov vključujejo: hidrogenacijo nenasičenih ogljikovodikov pri segrevanju in v prisotnosti katalizatorjev (Ni, Pt, Pd) (1), interakcijo vode z organometalnimi spojinami (2), elektrolizo karboksilnih kislin (3), z reakcijami dekarboksilacije (4) in Wurz (5) in na druge načine.

R1 -C≡C-R2 (alkin) → R1 -CH \u003d CH-R2 (alken) → R1-CH2-CH2-R2 (alkan) (1)

R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H20 → R-H (alkan) + Mg (OH) Cl (2)

CH3 COONa↔ CH3 COO - + Na +

2CH 3 COO - → 2CO 2 + C 2 H 6 (etan) (3)

CH3 COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (4)

R1-Cl + 2Na + Cl-R2 → 2NaCl + R1-R2 (5)

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

Naloga	Določite maso klora, ki je potrebna za kloriranje v prvi fazi 11,2 litra metana.
Odločba	Zapišimo reakcijsko enačbo prve stopnje kloriranja metana (t.j. v reakciji halogeniranja se zamenja samo en atom vodika, kar ima za posledico nastanek monoklorovega derivata): CH4 + Cl2 \u003d CH3Cl + HCl (klorometan) Poiščimo količino metanske snovi: v (CH4) \u003d V (CH4) / V m v (CH4) \u003d 11,2 / 22,4 \u003d 0,5 mol Glede na reakcijsko enačbo sta količina klora in količina mola metana enaka 1 mol, zato bo tudi praktična količina klora in metana enaka in bo enaka: v (Cl2) \u003d v (CH4) \u003d 0,5 mol Če poznate količino klorove snovi, lahko ugotovite njeno maso (ki je postavljena pri vprašanju problema). Masa klora se izračuna kot produkt količine klorove snovi po molarni masi (molekulska masa je 1 mol klora; molekularna masa se izračuna s tabelo kemijskih elementov D.I.Mendeleeva). Masa klora bo enaka: m (Cl 2) \u003d v (Cl 2) × M (Cl 2) m (Cl 2) \u003d 0,5 × 71 \u003d 35,5 g
Odgovor	Masa klora je 35,5 g