Alkan yapısı

Alkanlar, moleküllerinde atomların tek bağlarla bağlı olduğu ve genel formüle karşılık gelen hidrokarbonlardır. C n H 2n + 2 ... Alkan moleküllerinde, tüm karbon atomları haldedir sp 3-hibridizasyon.

Bu, karbon atomunun dört hibrit yörüngesinin de aynı şekil, enerji ve eşkenar üçgen piramidin köşelerine yönlendirildiği anlamına gelir - dörtyüzlü... Orbitaller arasındaki açılar 109 ° 28′'dir. Tek bir karbon-karbon bağı etrafında neredeyse serbest dönüş mümkündür ve alkan molekülleri, örneğin n-pentan molekülünde, dört yüzlü (109 ° 28 ′) karbon atomlarına yakın açılarla çok çeşitli şekiller elde edebilir.

Özellikle alkan moleküllerindeki bağları hatırlamakta fayda var. Doymuş hidrokarbon moleküllerindeki tüm bağlar tektir. Örtüşme, atomların çekirdeklerini bağlayan eksen boyunca meydana gelir, yani bu σ-bağları... Karbon-karbon bağları polar değildir ve zayıf bir şekilde polarize edilebilir. Alkanlarda C-C bağının uzunluğu 0.154 nm'dir (1.54 10 10 m). CH tahvilleri biraz daha kısadır. Elektron yoğunluğu, daha elektronegatif karbon atomuna doğru hafifçe kaydırılır, yani CH bağı zayıf kutuplu.

Homolojik metan serisi

Homologlar- yapı ve özellikler bakımından benzer ve farklı olan maddeler bir veya daha fazla CH grubu 2 .

Doymuş hidrokarbonlar homolog bir metan serisi oluşturur.

Alkanların izomerizmi ve isimlendirilmesi

Alkanlar sözde ile karakterizedir yapısal izomerizm... Yapısal izomerler, karbon iskelet yapısında birbirinden farklıdır. Yapısal izomerlere sahip en basit alkan büandır.

Alkanlar için terminolojinin temeline daha yakından bakalım IUPAC.

1. Ana devre seçimi... Bir hidrokarbon isminin oluşumu, bir moleküldeki en uzun karbon atomu zinciri olan ana zincirin tanımıyla başlar, ki bu da temelini oluşturur.

2. Ana zincir atom numaralandırması... Ana zincirdeki atomlara numaralar atanır. Ana zincirin atomlarının numaralandırılması, ikame edicinin daha yakın olduğu uçtan başlar (A, B yapıları). İkame ediciler, zincirin sonundan eşit mesafede ise, numaralandırma, bunların daha fazlasının bulunduğu sondan başlar (B yapısı). Farklı ikame ediciler, zincirin uçlarından eşit uzaklıkta ise, numaralandırma, eski olanın daha yakın olduğu uçtan başlar (D yapısı). Hidrokarbon sübstitüentlerinin önceliği, harfin adlarının başladığı alfabede izlediği sırayla belirlenir: metil (-CH3), ardından propil (-CH2-CH2-CH3), etil (-CH2-CH3 ) vb.

Bir ikame edicinin adının, karşılık gelen alkanın adındaki -an sonekinin -il sonekiyle değiştirilmesiyle oluşturulduğuna dikkat edin.

3. İsim oluşumu... İsmin başlangıcındaki sayılar, ikame edicilerin bulunduğu karbon atomlarının sayısını gösterir. Belirli bir atom üzerinde birkaç ikame varsa, o zaman isimdeki karşılık gelen sayı virgülle (2,2-) ayrılmış olarak iki kez tekrarlanır. Numaradan sonra, ikame edicilerin sayısı (di - iki, üç - üç, tetra - dört, penta - beş) ve ikame edicinin adı (metil, etil, propil) bir tire ile belirtilir. Ardından, boşluk veya kısa çizgi olmadan ana zincirin adı. Ana zincir hidrokarbon olarak adlandırılır - homolog metan serisinin bir üyesi (metan, etan, propan, vb.).

Yukarıda yapısal formülleri verilen maddelerin isimleri aşağıdaki gibidir:

A Yapısı: 2-metilpropan;

Yapı B: 3-etilheksan;

Yapı B: 2,2,4-trimetilpentan;

Yapı D: 2-metil 4-etilheksan.

Moleküllerde doymuş hidrokarbon yokluğu kutup bağlantıları gerçeğine yol açar suda az çözünür, yüklü parçacıklarla (iyonlar) etkileşime girmeyin... Alkanlar için en tipik reaksiyonlar aşağıdakileri içeren reaksiyonlardır: serbest radikaller.

Alkanların fiziksel özellikleri

Metan homolog serisinin ilk dört temsilcisi gazlar... Bunlardan en basit olanı metandır - rengi, tadı ve kokusu olmayan bir gaz (04'ü aramanız gereken "gaz" kokusu, merkaptanların kokusuyla belirlenir - insanlar için ev ve endüstriyel gaz cihazlarında kullanılan metana özel olarak eklenen kükürt içeren bileşikler yakınları sızıntının kokusunu alabilirler).

Hidrokarbonlar FROM 5 H 12 önce FROM 15 H 32 - sıvılar; daha ağır hidrokarbonlar katılardır. Alkanların kaynama ve erime noktaları, artan karbon zinciri uzunluğu ile kademeli olarak artar. Tüm hidrokarbonlar suda çok az çözünür; sıvı hidrokarbonlar yaygın organik çözücülerdir.

Alkanların kimyasal özellikleri

İkame reaksiyonları.

Alkanlar için en tipik reaksiyonlar serbest radikal ikamesibu sırada bir hidrojen atomunun yerini bir halojen atomu veya bir grup alır.

Karakteristiğin denklemlerini sunalım halojenleşme reaksiyonları:

Fazla halojen olması durumunda klorlama daha da ileri gidebilir, tüm hidrojen atomlarının klor ile tamamen değiştirilmesine kadar:

Ortaya çıkan maddeler, organik sentezlerde çözücüler ve başlangıç \u200b\u200bmalzemeleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

Dehidrojenasyon reaksiyonu (hidrojen soyutlaması).

Alkanların katalizör (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) üzerinden yüksek sıcaklıkta (400-600 ° C) geçişi sırasında bir hidrojen molekülü elimine edilir ve alken:

Karbon zincirinin tahrip olmasına eşlik eden reaksiyonlar. Tüm doymuş hidrokarbonlar yanmak karbondioksit ve su oluşumu ile. Havayla belirli oranlarda karışan gazlı hidrokarbonlar patlayabilir.

1. Doymuş hidrokarbonların yanması Alkanları yakıt olarak kullanırken çok önemli olan bir serbest radikal ekzotermik reaksiyondur:

Genel olarak alkan yanmasının reaksiyonu şu şekilde yazılabilir:

2. Hidrokarbonların termal ayrışması.

Süreç devam ediyor serbest radikal mekanizması... Sıcaklıktaki bir artış, karbon-karbon bağının homolitik kopmasına ve serbest radikallerin oluşumuna yol açar.

Bu radikaller, bir molekül oluşturmak için bir hidrojen atomunu değiştirerek birbirleriyle etkileşime girer. alkan ve alken molekülleri:

Termal bölünme reaksiyonları, endüstriyel sürecin merkezinde yer alır - hidrokarbonları kırmak... Bu süreç, petrol rafinasyonundaki en önemli aşamadır.

3. Piroliz... Metan 1000 ° C sıcaklığa ısıtıldığında, metan pirolizi - basit maddelere ayrışma:

1500 ° C sıcaklığa ısıtıldığında, asetilen:

4. İzomerizasyon... Doğrusal hidrokarbonlar bir izomerizasyon katalizörü (alüminyum klorür) ile ısıtıldığında, dallı karbon iskelet:

5. Aromatizasyon... Bir katalizör varlığında zincirde altı veya daha fazla karbon atomlu alkanlar, benzen ve türevlerini oluşturmak için siklize olurlar:

Alkan moleküllerindeki tüm karbon atomları sp3-hibridizasyon durumunda olduğundan, alkanlar bir serbest radikal mekanizmasına göre ilerleyen reaksiyonlara girerler. Bu maddelerin molekülleri, kovalent polar olmayan C-C (karbon-karbon) bağları ve zayıf polar C-H (karbon-hidrojen) bağları kullanılarak oluşturulur. Elektron yoğunluğunun arttığı veya azaldığı alanlar, kolayca polarize edilebilir bağlar, yani elektron yoğunluğunun dış faktörlerin (elektrostatik iyon alanları) etkisi altında kayabileceği bu tür bağlar içermezler. Sonuç olarak, alkan moleküllerindeki bağlar heterolitik bir mekanizma tarafından kırılmadığından, alkanlar yüklü parçacıklarla reaksiyona girmeyecektir.

Kimyasal özellikler. Alkanların fiziksel özellikleri

Alkanların fiziksel özellikleri

Normal koşullar altında, homolog alkan serisinin ilk dört üyesi (Cı - C4) gazlardır. Pentandan heptadekana (C5 - C 17) normal alkanlar sıvıdır, C 18'den başlayarak ve üstü katılardır. Zincirdeki karbon atomlarının sayısı arttıkça, yani nispi moleküler ağırlıkta bir artışla, alkanların kaynama ve erime noktaları artar.

Molekülde aynı sayıda karbon atomu bulunan dallı alkanlar, normal alkanlardan daha düşük kaynama noktalarına sahiptir.

Alkanlar pratik olarak suda çözünmezler; molekülleri düşük polaritelidir ve su molekülleri ile etkileşime girmez. Sıvı alkanlar birbirleriyle kolayca karışır. Benzen, karbon tetraklorür vb. Gibi polar olmayan organik çözücülerde iyi çözünürler.

Yapısı

En basit alkanın molekülü - metan - merkezinde bir karbon atomu ve köşelerinde - hidrojen atomları bulunan normal bir tetrahedron şekline sahiptir. CH bağlarının eksenleri arasındaki açılar 109 ° 28 "dir (Şekil 29).

Diğer doymuş hidrokarbonların moleküllerinde, bağlar arasındaki açılar (hem CH hem de C-C) aynı anlama sahiptir. Moleküllerin şeklini tanımlamak için kullanılır atomik yörünge hibridizasyon kavramı(bkz. bölüm I, §6).

Alkanlarda tüm karbon atomları haldedir sp 3 -hibridizasyon (Şekil 30).

Bu nedenle, karbon zincirindeki karbon atomları hizalanmaz. Bitişik karbon atomları arasındaki mesafe (atomların çekirdekleri arasındaki) kesinlikle sabittir - bu kimyasal bağ uzunluğu(0.154 nm). Mesafe C 1 - C 3, C 2 - C 4, vb. (bir atom aracılığıyla) da sabittir, çünkü bağlar arasındaki sabit açı - bağ açısı.

Daha uzak karbon atomları arasındaki mesafeler, s-bağları etrafındaki dönüşün bir sonucu olarak değişebilir (belirli sınırlar içinde). Bu bağ eksenel simetriye sahip olduğundan, bu dönüş s-bağ orbitallerinin örtüşmesini bozmaz.

Atom grupları s-bağları etrafında döndüğünde oluşan bir molekülün farklı uzaysal formlarına denir. konformasyonlar(şek. 31).

Biçimler enerji ile ayırt edilir, ancak bu fark küçüktür (12-15 kJ / mol). Atomların olabildiğince uzağa yerleştirildiği alkan biçimleri daha kararlıdır (elektron kabuklarının itilmesi). Bir konformasyondan diğerine geçiş, termal hareketin enerjisi ile gerçekleştirilir. Konformasyonu tasvir etmek için özel uzamsal formüller (Newman formülleri) kullanılır.

Kafan karışmasın!

Konformasyon ve konfigürasyon kavramları arasında bir ayrım yapılmalıdır.

Farklı şekiller, kimyasal bağları koparmadan birbirine dönüşebilir. Tek konfigürasyonlu bir molekülün farklı konfigürasyonlu bir moleküle dönüşmesi, kimyasal bağların kopmasını gerektirir.

Dört çeşit izomerizmalkanlar iki ile karakterize edilir: karbon iskeletinin izomerizmi ve optik izomerizm (bkz. bölüm

Alkanlardaki kimyasal bağlar, kopmaları ve oluşumları, alkanların kimyasal özelliklerini belirler. C-C ve C-H bağları kovalenttir, basittir (s-bağları), pratikte polar değildir, yeterince güçlüdür, bu nedenle:

1) alkanlar çoğunlukla hemolitik bağ kopmasıyla giden bu tür reaksiyonlara girer;

2) diğer sınıfların organik bileşikleri ile karşılaştırıldığında, alkanlar düşük reaktiviteye sahiptir (bunun için parafinler- "mülkten mahrum"). Bu nedenle alkanlar, kaynatıldıklarında bile sulu asit, alkali ve oksidan çözeltilerinin (örneğin potasyum permanganat) etkisine karşı dirençlidir.

Alkanlar kendilerine başka moleküllerin eklenmesi reaksiyonlarına girmezler çünkü alkanların moleküllerinde birden fazla bağ yoktur.

Alkanlar, alkanlardan hidrojen uzaklaştırılırken, platin veya nikel formundaki katalizörlerin mevcudiyetinde güçlü ısıtmada ayrışmaya uğrar.

Alkanlar, izomerizasyon reaksiyonlarına girebilir. Karakteristik tepkileri ikame reaksiyonu,radikal bir mekanizma ile ilerlemek.

Kimyasal özellikler

Radikal ikame reaksiyonları

Örnek olarak alkanların halojenlerle etkileşimi.Flor çok şiddetli bir şekilde reaksiyona girer (kural olarak patlayıcıdır) - bu durumda tüm C-H ve C-C bağları kopar ve sonuç olarak CF 4 ve HF bileşikleri oluşur. Tepkimenin pratik bir anlamı yoktur. İyot, alkanlarla etkileşime girmez. Klor veya brom ile reaksiyonlar, aydınlatma altında veya güçlü ısıtma altında devam eder; bu durumda, mono- ila polihalojenlenmiş alkanların oluşumu meydana gelir, örneğin:

CH 3-CH 3 + Cl 2 ® hv CH 3 -CH2 -Cl + HCl

Halojenli metan türevlerinin oluşumu bir zincir boyunca ilerler serbest radikalmekanizma. Işığın etkisi altında, klor molekülleri inorganik radikallere ayrışır:

İnorganik radikal Сl. Metan molekülünden bir elektronlu bir hidrojen atomunu ayırır, HC1 ve serbest radikal CH3 oluşturur

Serbest radikal, klor molekülü Cl 2 ile etkileşime girerek bir halojen türevi ve bir klor radikali oluşturur.

Oksidasyon reaksiyonu, bir hidrojen atomunun bir oksijen molekülü (bir çiftadikal olan) tarafından soyutlanmasıyla başlar ve daha sonra dallı zincir reaksiyonu olarak ilerler. Reaksiyon sırasında radikal sayısı artar. Süreç eşlik ediyor

sadece C - H değil, C - C bağları da büyük miktarda ısı açığa çıkarır, böylece sonuç olarak karbon monoksit (IV) ve su oluşur. Reaksiyon yanma olarak ilerleyebilir veya bir patlamaya neden olabilir.

2Сn Н2 n + 2 + (3n + 1) О 2 ®2nСO 2 + (2n + 2) Н 2 O

Normal sıcaklıklarda, oksidasyon reaksiyonu gerçekleşmez; ya tutuşma ile ya da bir elektrik boşalmasının etkisi ile başlatılabilir.

Güçlü bir şekilde ısıtıldığında (1000 ° C'nin üzerinde), alkanlar tamamen karbon ve hidrojene ayrışır. Bu tepkiye piroliz.

CH 4 ® 1200 ° C + 2H 2

Alkanların, özellikle metanın, çeşitli katalizörlerin varlığında atmosferik oksijenle hafif oksidasyonu yoluyla, metil alkol, formaldehit ve formik asit elde edilebilir.

Metan, ısıtılmış bölgeden çok hızlı bir şekilde geçirilir ve ardından hemen su ile soğutulursa, sonuç asetilendir.

Bu reaksiyon, endüstriyel sentezin temelidir. çatlama(eksik ayrışma) metan.

Metan homologlarının kırılması daha düşük bir sıcaklıkta (yaklaşık 600 ° C) gerçekleştirilir. Örneğin, propan kırma aşağıdaki adımları içerir:

Bu nedenle, alkanların kırılması, daha düşük moleküler ağırlıklı bir alkan ve alken karışımının oluşmasına yol açar.

Alkanları bir katalizör (Pt veya Ni) varlığında 300-350 ° C'ye ısıtmak (henüz çatlama devam etmiyor) dehidrojenasyon- hidrojen ayrılıyor.

140 ° C'de ve düşük basınçta alkanlar üzerinde seyreltik nitrik asidin etkisi altında, radikal bir reaksiyon meydana gelir:

CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH2 -NO 2 + H 2 O İzomerizasyon

Belirli koşullar altında normal alkanlar, dallı zincirli alkanlara dönüştürülebilir.

Alkan almak

Metan üretimi örneğini kullanarak alkan üretimini ele alalım. Metan doğada yaygındır. Hem doğal (% 90-98) hem de yapay olan birçok yanıcı gazın ana bileşenidir, odun, turba, kömürün kuru damıtılması sırasında ve ayrıca yağın kırılması sırasında ortaya çıkar. Doğal gazlar, özellikle petrol sahalarından çıkan ilgili gazlar, metana ek olarak etan, propan, bütan ve pentan içerir.

Metan, bataklıkların dibinden ve madenlerdeki kömür damarlarından salınır ve burada bitki artıklarının havaya erişmeden yavaşça ayrışmasıyla oluşur. Bu nedenle, metan genellikle bataklık gazı veya ateş düşürücü olarak adlandırılır.

Laboratuvarda, bir sodyum asetat karışımının sodyum hidroksit ile ısıtılmasıyla metan elde edilir:

CH 3 COONa + NaOH® 200 ° Na 2 CO 3 + CH 4

veya alüminyum karbürün su ile etkileşiminde: Al 4 Cl 3 + 12H 2 O®4Al (OH) 3 + 3CH 4

İkinci durumda, metan çok saftır.

Metan, bir katalizör varlığında ısıtılarak basit maddelerden elde edilebilir:

C + 2H 2 ® Ni CH 4 8 ayrıca su gazına dayalı sentez yoluyla

CO + 3H 2 ® Ni CH 4 + H 2 O

Bu yöntem endüstriyel öneme sahiptir. Bununla birlikte, genellikle kömürün koklaşması sırasında ve petrol rafinasyonu sırasında oluşan doğal gazlardan veya gazlardan metan kullanırlar.

Metan gibi metan homologları, ilgili organik asitlerin tuzlarının alkalilerle kalsine edilmesiyle laboratuar koşullarında elde edilir. Başka bir yol da Wurtz reaksiyonudur, yani. monohalojenlenmiş türevleri sodyum metal ile ısıtmak, örneğin:

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

Mühendislikte teknik benzin (6-10 karbon atomu içeren bir hidrokarbon karışımı) elde etmek için sentez kullanılır.

bir katalizör (kobalt bileşiği) varlığında ve yüksek basınçta karbon monoksit (II) ve hidrojenden. İşlem

denklem ile ifade edilebilir

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

Yani, alkanların ana kaynakları doğalgaz ve petroldür. Bununla birlikte, bazı doymuş hidrokarbonlar diğer bileşiklerden sentezlenir.

Alkanların uygulanması

Alkanların çoğu yakıt olarak kullanılır. Çatlama ve

Bunların dehidrojenasyonu, doymamış hidrokarbonlara yol açar.

diğer birçok organik maddenin elde edildiği temelde.

Metan, doğal gazların ana parçasıdır (% 60-99). Bölüm

doğal gazlar arasında propan ve bütan bulunur. Sıvı hidrokarbonlar

motorlu taşıtlarda, uçaklarda vb. içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılır. Arıtılmış sıvı karışımı

ve katı alkanlar petrol jeli oluşturur. Daha yüksek alkanlar

sentetik deterjanların üretiminde başlangıç \u200b\u200bmaddeleri. İzomerizasyon ile elde edilen alkanlar, yüksek kaliteli benzin ve kauçuk üretiminde kullanılmaktadır. Metan kullanımının bir diyagramı aşağıdadır

Sikloalkanlar

Yapısı

Sikloalkanlar, molekülleri kapalı bir karbon atomu halkasına sahip olan doymuş hidrokarbonlardır.

Sikloalkanlar (sikloparafinler), genel formül Сn Н 2n ile homolog bir seri oluşturur; burada ilk terim

siklopropan C 3 H 6, çünkü bir halka oluşturmak için en az üç karbon atomu gereklidir.

Sikloalkanların birkaç adı vardır: sikloparafinler, naftenler, siklanlar, polimetilenler. Bazı bağlantılara örnekler:

CnH2n formülü, sikloparafinlerin karakteristiğidir ve tam olarak aynı formül, homolog alken serilerini (bir çoklu bağa sahip doymamış hidrokarbonlar) açıklamaktadır. Bundan, karşılık gelen alkenin her sikloalkan için izomerik olduğu sonucuna varabiliriz - bu, "sınıflar arası" izomerizm örneğidir.

Sikloalkanlar, döngünün boyutuna göre birkaç gruba ayrılır ve bunlardan ikisini düşünürüz: küçük (C3, C4) ve sıradan (C5-C7) döngü.

Sikloalkan adları, karşılık gelen sayıda karbon atomu ile bir alkanın adına siklo- ön eki eklenerek oluşturulur. Döngüdeki numaralandırma, ikame edicilerin en düşük sayıları alması için gerçekleştirilir.

Sikloalkanların yapısal formülleri genellikle döngünün geometrik şekli kullanılarak ve karbon ve hidrojen atomları için semboller çıkarılarak kısaltılmış biçimde yazılır. Örneğin:

Sikloalkanların yapısal izomerizmi, halkanın boyutuna (siklobütan ve metilsiklopropan izomerlerdir) ve ikame edicilerin halkadaki konumuna (örneğin, 1,1- ve 1,2-dimetilbütan) ve yapılarına göre belirlenir.

Uzaysal izomerizm ayrıca sikloalkanların karakteristiğidir, çünkü halka düzlemine göre farklı bir ikame düzenlemesi ile ilişkilidir. İkame ediciler, halka düzleminin bir tarafında düzenlendiğinde, karşıt taraflarda - trans-izomerler - cis-izomerler elde edilir.

Kimyadaki alkanlara, karbon zincirinin açık olduğu ve tek bağlarla birbirine bağlanmış karbondan oluştuğu doymuş hidrokarbonlar denir. Ayrıca, alkanların karakteristik bir özelliği, hiç çift veya üçlü bağ içermemesidir. Bazen alkanlara parafinler denir, gerçek şu ki, parafinler aslında doymuş karbonların, yani alkanların bir karışımıdır.

Alkan formülü

Alkan formülü şu şekilde yazılabilir:

Ayrıca n, 1'den büyük veya 1'e eşittir.

Alkanlar, karbon iskeletinin izomerizmi ile karakterize edilir. Bu durumda, bağlantılar aşağıdaki resimde gösterildiği gibi farklı geometrik şekiller alabilir.

Alkanların karbon iskeletinin izomerizmi

Karbon zincirinin büyümesi arttıkça izomer sayısı da artar. Örneğin, bütan iki izomere sahiptir.

Alkan almak

Alkan genellikle çeşitli sentetik yöntemlerle elde edilir. Örneğin, bir alkan üretme yöntemlerinden biri, bir katalizörün etkisi altında ve sıcaklıkta doymamış karbonhidratlardan alkanlar çıkarıldığında bir "hidrojenasyon" reaksiyonunu içerir.

Alkanların fiziksel özellikleri

Alkanlar, tamamen renk yokluğu ile diğer maddelerden farklılık gösterir ve ayrıca suda çözünmezler. Alkanların erime noktası, artan moleküler ağırlık ve hidrokarbon zincir uzunluğu ile artar. Yani, bir alkan ne kadar dallıysa, yanma ve erime sıcaklığı o kadar yüksek olur. Gazlı alkanlar çok fazla ısı yayarken soluk mavi veya renksiz bir alevle yanarlar.

Alkanların kimyasal özellikleri

Alkanlar, güçlü sigma C-C ve C-H bağlarının gücünden dolayı kimyasal olarak inaktif maddelerdir. Bu durumda, C-C bağları polar değildir ve C-H bağları düşük kutupludur. Ve tüm bunlar sigma türüne ait düşük polarize bağ türleri olduğu için, homolitik mekanizmaya göre kırılacak ve bunun sonucunda radikaller oluşacaktır. Sonuç olarak, alkanların kimyasal özellikleri temelde radikal ikame reaksiyonlarıdır.

Bu, alkanların radikal ikamesi için formüldür (alkanların halojenasyonu).

Ek olarak, bu tür kimyasal reaksiyonları, alkanların nitrasyonu (Konovalov reaksiyonu) olarak ayırt etmek de mümkündür.

Bu reaksiyon 140 ° C sıcaklıkta gerçekleşir ve en iyisi üçüncül bir karbon atomu ile olur.

Alkanların çatlaması - bu reaksiyon, yüksek sıcaklıkların ve katalizörlerin etkisi altında gerçekleşir. Daha sonra, daha yüksek alkanların daha düşük seviyeli alkanlar oluşturmak için bağlarını kırabildikleri koşullar yaratılır.

Doymuş hidrokarbonlar, sp 3 hibridizasyon durumunda karbon atomlarından oluşan moleküller olan bileşiklerdir. Sadece kovalent sigma bağlarıyla birbirine bağlanırlar. "Doymuş" veya "doymuş" hidrokarbonlar adı, bu bileşiklerin herhangi bir atom bağlama kabiliyetine sahip olmadığı gerçeğinden gelir. Aşırı, tamamen doymuşlar. Sikloalkanlar bir istisnadır.

Alkan nedir?

Alkanlar doymuş hidrokarbonlardır ve karbon zincirleri kapalı değildir ve tek bağlarla bağlanmış karbon atomlarından oluşur. Diğer (yani alkenlerde olduğu gibi çift veya alkilde olduğu gibi üçlü) bağlar içermez. Alkanlara parafinler de denir. Bu adı aldılar, çünkü iyi bilinen parafinler, ağırlıklı olarak bu doymuş hidrokarbonlar C18-C35'in özel hareketsizliğe sahip bir karışımıdır.

Alkanlar ve radikalleri hakkında genel bilgi

Formülleri: С n Р 2 n +2, burada n 1'den büyük veya eşittir. Molar kütle şu formülle hesaplanır: М \u003d 14n + 2. Karakteristik bir özellik: adlarındaki sonlar "-an" dır. Hidrojen atomlarının diğer atomlarla yer değiştirmesi sonucu oluşan molekül kalıntılarına alifatik radikaller veya alkil denir. R harfi ile belirtilirler. Tek değerlikli alifatik radikallerin genel formülü: С n Р 2 n +1, burada n 1'den büyük veya eşittir. Alifatik radikallerin molar kütlesi şu formülle hesaplanır: М \u003d 14n + 1. Alifatik radikallerin karakteristik bir özelliği: isimlerde sonlar "- silt ". Alkan moleküllerinin kendi yapısal özellikleri vardır:

• c-C bağı 0.154 nm uzunluk ile karakterize edilir;
• cH bağı 0.109 nm uzunluk ile karakterize edilir;
• bağ açısı (karbon-karbon bağları arasındaki açı) 109 derece ve 28 dakikadır.

Homolog alkan serileri başlar: metan, etan, propan, bütan vb.

Alkanların fiziksel özellikleri

Alkanlar, renksiz ve suda çözünmeyen maddelerdir. Alkanların erimeye başladığı sıcaklık ve kaynadıkları sıcaklık, moleküler ağırlık ve hidrokarbon zincir uzunluğundaki artışa göre artar. Daha az dallı alkanlardan daha çok dallı alkanlara kadar, kaynama ve erime noktaları azalır. Gazlı alkanlar, oldukça fazla ısı üretirken soluk mavi veya renksiz bir alevle yanabilirler. CH4-C4H10, aynı zamanda kokusuz gazlardır. С 5 Н 12 -С 15 Н 32, belirli bir kokusu olan sıvılardır. C 15 H 32 ve benzerleri de kokusuz olan katılardır.

Alkanların kimyasal özellikleri

Bu bileşikler kimyasal olarak inaktiftir ve bu, kırılması zor sigma bağlarının gücü ile açıklanabilir - C - C ve C - H. C-C bağlarının polar olmadığı ve C-H bağlarının düşük polariteli olduğu da dikkate alınmalıdır. Bunlar, sigma tipine bağlı düşük polarize edilebilir bağ türleridir ve buna göre, büyük olasılıkla homolitik bir mekanizmaya göre kırılmaları ve bunun sonucunda radikallerin oluşması muhtemeldir. Bu nedenle, alkanların kimyasal özellikleri esas olarak radikal ikame reaksiyonları ile sınırlıdır.

Nitrasyon reaksiyonları

Alkanlar sadece% 10 konsantrasyonlu nitrik asitle veya 140 ° C sıcaklıkta bir gaz atmosferinde dört değerlikli nitrojen oksit ile etkileşime girer. Alkanların nitrasyon reaksiyonuna Konovalov reaksiyonu denir. Sonuç olarak, nitro bileşikleri ve su oluşur: CH4 + nitrik asit (seyreltilmiş) \u003d CH3 - NO 2 (nitrometan) + su.

Yanma reaksiyonları

Doymuş hidrokarbonlar sıklıkla yakıt olarak kullanılır ve bu da yanma yetenekleriyle doğrulanır: С n Р 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n СО 2.

Oksidasyon reaksiyonları

Alkanların kimyasal özellikleri ayrıca oksitlenme yeteneklerini de içerir. Reaksiyona hangi koşulların eşlik ettiğine ve nasıl değiştirildiklerine bağlı olarak, aynı maddeden farklı nihai ürünler elde etmek mümkündür. Reaksiyonu hızlandıran bir katalizör ve yaklaşık 200 ° C'lik bir sıcaklık varlığında, metanın oksijenle hafif oksidasyonu aşağıdaki maddelerle sonuçlanabilir:

1) 2СН 4 (oksijen ile oksidasyon) \u003d 2СН 3 ОН (alkol - metanol).

2) CH4 (oksijen ile oksidasyon) \u003d CH20 (aldehit - metanal veya formaldehit) + H20

3) 2СН 4 (oksijen ile oksidasyon) \u003d 2НСООН (karboksilik asit - metan veya formik) + 2Н 2 О.

Ayrıca, alkanların oksidasyonu, hava ile gazlı veya sıvı bir ortamda gerçekleştirilebilir. Bu tür reaksiyonlar, daha yüksek yağlı alkollerin ve karşılık gelen asitlerin oluşumuna yol açar.

Isıtmaya karşı tutum

+ 150-250 ° C'yi aşmayan sıcaklıklarda, her zaman bir katalizör varlığında, atomların bağlantı sırasındaki bir değişiklikten oluşan organik maddelerin yapısal bir dönüşümü meydana gelir. Bu işleme izomerizasyon, reaksiyondan elde edilen maddelere izomer adı verilir. Böylece izomeri olan izobütan normal bütan elde edilir. 300-600 ° C sıcaklıklarda ve bir katalizörün varlığında, C-H bağları hidrojen molekülleri (dehidrojenasyon reaksiyonu), karbon zincirinin bir döngüye kapanmasıyla hidrojen molekülleri (alkanların siklizasyon veya aromatizasyon reaksiyonları) oluşumu ile kırılır:

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

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

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

Halojenasyon reaksiyonları

Bu tür reaksiyonlar, halojenlerin (atomlarının) organik madde molekülüne eklenmesinden oluşur ve bunun sonucunda bir C-halojen bağı oluşur. Alkanlar halojenlerle reaksiyona girdiğinde halojen türevleri oluşur. Bu reaksiyonun belirli özellikleri vardır. Radikal bir mekanizmaya göre ilerler ve onu başlatmak için, halojen ve alkan karışımını ultraviyole radyasyonla etkilemek veya basitçe ısıtmak gerekir. Alkanların özellikleri, halojen atomları ile tam ikame elde edilene kadar halojenleme reaksiyonunun ilerlemesine izin verir. Yani metanın klorlanması bir aşama ve metil klorür üretimi ile bitmeyecektir. Reaksiyon daha da ilerleyecek, tüm olası ikame ürünleri oluşacak, klorometanla başlayıp karbon tetraklorürle bitecek. Diğer alkanların bu koşullar altında klora maruz bırakılması, farklı karbon atomlarında hidrojenin yer değiştirmesinden kaynaklanan çeşitli ürünlerin oluşumuna yol açacaktır. Reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklık, nihai ürünlerin oranını ve bunların oluşum oranını belirleyecektir. Alkanın hidrokarbon zinciri ne kadar uzunsa, bu reaksiyon o kadar kolay olacaktır. Halojenlemede, ilk önce en az hidrojene (üçüncül) karbon atomu değiştirilecektir. Birincil, diğerlerinin hepsinden sonra tepki verecektir. Halojenasyon reaksiyonu aşamalar halinde gerçekleşecektir. İlk aşamada sadece bir hidrojen atomu değiştirilir. Alkanlar, halojen çözeltileriyle (klor ve brom suyu) etkileşime girmez.

Sülfoklorinasyon reaksiyonları

Alkanların kimyasal özellikleri ayrıca sülfoklorinasyon reaksiyonuyla (Reed reaksiyonu olarak adlandırılır) tamamlanır. Ultraviyole radyasyona maruz kaldıklarında, alkanlar bir klor ve kükürt dioksit karışımı ile reaksiyona girebilir. Sonuç olarak, kendisine kükürt dioksiti bağlayan bir alkil radikalinin yanı sıra hidrojen klorür oluşur. Sonuç, bir klor atomunun yakalanması ve bir sonraki molekülünün yok olması nedeniyle kararlı hale gelen karmaşık bir bileşiktir: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultraviyole radyasyon \u003d R-SO 2 Cl + HCl. Reaksiyon sonucunda oluşan sülfonil klorürler, yüzey aktif maddelerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.

TANIM

Alkanlar - bileşimi CnH2n +2 \u200b\u200bformülüyle ifade edilen sınırlayıcı (alifatik) hidrokarbonlar.

Alkanlar homolog bir seri oluştururlar, her kimyasal bileşimi bir sonraki ve bir öncekinden aynı sayıda karbon ve hidrojen atomu ile farklılık gösterir - CH2 ve homolog seriye dahil olan maddelere homologlar denir. Homolog alkan serileri Tablo 1'de sunulmuştur.

Tablo 1. Alkanların homolojik serileri.

Alkan moleküllerinde, birincil (yani, bir bağ ile bağlanmış), ikincil (yani, iki bağ ile bağlanmış), üçüncül (yani, üç bağ ile bağlanmış) ve dörtlü (yani, dört bağ ile bağlanmış) karbon atomları izole edilir.

C 1 H3 - C 2 H 2 - C 1 H 3 (1 - birincil, 2-ikincil karbon atomları)

CH3 –C3H (CH3) - CH3 (3-üçüncül karbon atomu)

CH 3 - C4 (CH3) 3 - CH3 (4 bir kuaterner karbon atomudur)

Alkanlar, yapısal izomerizm (karbon iskeletinin izomerizmi) ile karakterize edilir. Yani, pentan aşağıdaki izomerlere sahiptir:

CH 3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentan)

CH3-CH (CH3) -CH2-CH3 (2-metilbütan)

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

Heptan ile başlayan alkanlar için optik izomerizm karakteristiktir.

Doymuş hidrokarbonlardaki karbon atomları sp3-hibridizasyonundadır. Alkan moleküllerindeki bağlar arasındaki açılar 109.5'tir.

Alkanların kimyasal özellikleri

Normal koşullar altında, alkanlar kimyasal olarak inerttir - asitler veya alkalilerle reaksiyona girmezler. Bu, C-C ve C-H bağlarının yüksek mukavemetinden kaynaklanmaktadır. Polar olmayan C-C ve C-H bağları, aktif serbest radikallerin etkisi altında yalnızca homolitik olarak parçalanabilir. Bu nedenle alkanlar, radikal ikame mekanizması ile ilerleyen reaksiyonlara girerler. Radikal tepkimelerde ilk olarak hidrojen atomları üçüncülde, daha sonra ikincil ve birincil karbon atomlarında değiştirilir.

Radikal ikame reaksiyonlarının bir zincir karakteri vardır. Ana aşamalar: zincirin (1) çekirdeklenmesi (başlaması) - UV radyasyonunun etkisi altında gerçekleşir ve serbest radikallerin oluşumuna yol açar, zincirin (2) büyümesi - bir hidrojen atomunun bir alkan molekülünden ayrılması nedeniyle oluşur; zincir kırılması (3) - iki özdeş veya farklı radikal çarpıştığında oluşur.

X: X → 2X . (1)

R: H + X . → HX + R . (2)

R . + X: X → R: X + X . (2)

R . + R . → R: R (3)

R . + X . → A: X (3)

X . + X . → X: X (3)

Halojenleşme. Alkanlar, UV radyasyonu veya yüksek sıcaklıkların etkisi altında klor ve brom ile reaksiyona girdiğinde, mono ila polihalojenlenmiş alkanlardan oluşan bir ürün karışımı oluşur:

CH 3 Cl + Cl 2 \u003d CH2Cl2 + HCl (diklorometan)

CH2Cl2 + Cl2 \u003d CHCl3 + HCl (triklorometan)

CHCl 3 + Cl 2 \u003d CCl 4 + HCl (karbon tetraklorür)

Nitrasyon (Konovalov reaksiyonu) ... 140 ° C'de ve düşük basınçta alkanlar üzerinde seyreltik nitrik asidin etkisi altında, radikal bir reaksiyon meydana gelir:

CH3-CH3 + HNO 3 \u003d CH3-CH2-N02 (nitroetan) + H20

Sülfoklorlama ve sülfo-oksidasyon. Alkanların doğrudan sülfonasyonu zordur ve çoğunlukla oksidasyona eşlik eder, bu da alkanesulfonyl klorürlerin oluşumuna neden olur:

R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl

Sülfo-oksidasyon reaksiyonu benzer şekilde ilerler, sadece bu durumda alkansülfonik asitler oluşur:

R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H

Çatlama - C-C bağlarında radikal kopma. Isıtıldığında ve katalizör varlığında ilerler. Yüksek alkanların kırılmasında alkenler oluşur, metan ve etanın kırılmasında asetilen oluşur:

C 8 H 18 \u003d C 4 H 10 (bütan) + C3 H 8 (propan)

2CH 4 \u003d C2H2 (asetilen) + 3H2

Oksidasyon... Metanın atmosferik oksijen, metanol, formik aldehit veya formik asit ile hafif oksidasyonu yoluyla elde edilebilir. Havada, alkanlar karbondioksit ve suya yanar:

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

Alkanların fiziksel özellikleri

Normal koşullar altında, Cı-C4 gazdır, C5-C17 sıvıdır, C 18'den başlayarak katıdır. Alkanlar suda pratik olarak çözünmezler, ancak benzen gibi polar olmayan çözücüler içinde kolayca çözünürler. Bu nedenle, metan CH 4 (bataklık, ateş düşürücü) renksiz ve kokusuz bir gazdır, etanol, eter, hidrokarbonlarda kolaylıkla çözünür, ancak suda çok az çözünür. Metan, endüstriyel ölçekte hidrojen, asetilen, kloroform ve diğer organik maddelerin üretimi için hammadde olarak, doğal gazda yüksek enerjili bir yakıt olarak kullanılmaktadır.

Propan C 3 H 8 ve bütan C 4 H 10, kolay sıvılaşmaları nedeniyle günlük yaşamda balon gazları olarak kullanılan gazlardır. Propan benzine göre daha çevreci olduğu için araç yakıtı olarak kullanılmaktadır. Bütan, sentetik kauçuk üretiminde kullanılan 1,3-bütadien üretimi için bir hammaddedir.

Alkan almak

Alkanlar doğal kaynaklardan - doğal gazdan (% 80-90 - metan,% 2-3 - etan ve diğer doymuş hidrokarbonlar), kömür, turba, odun, yağ ve dağ mumundan elde edilir.

Alkan üretmek için laboratuvar ve endüstriyel yöntemler vardır. Endüstride alkanlar, bitümlü kömürden (1) veya Fischer-Tropsch reaksiyonundan (2) elde edilir:

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)

Alkanların üretimi için laboratuar yöntemleri şunları içerir: ısıtıldığında ve katalizörlerin (Ni, Pt, Pd) varlığında doymamış hidrokarbonların hidrojenlenmesi (1), suyun organometalik bileşiklerle (2) etkileşimi, karboksilik asitlerin (3) elektrolizi, dekarboksilasyon reaksiyonları (4) ve Wurtz (5) ve diğer şekillerde.

R 1 -C≡C-R 2 (alkin) → R 1 -CH \u003d CH-R2 (alken) → R 1 -CH2 - CH2-R2 (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)

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

Görev	11,2 litre metanın ilk aşamasında klorlama için gerekli klor kütlesini belirleyin.
Karar	Metan klorlamanın ilk aşaması için reaksiyon denklemini yazalım (yani, halojenleme reaksiyonunda, sadece bir hidrojen atomu değiştirilir, bu da bir monokloro türevi oluşumuyla sonuçlanır): CH 4 + Cl 2 \u003d CH3Cl + HCl (klorometan) Metan maddesinin miktarını bulalım: v (CH 4) \u003d V (CH 4) / V m v (CH 4) \u003d 11,2 / 22,4 \u003d 0,5 mol Reaksiyon denklemine göre, mol klor miktarı ve mol metan miktarı 1 mol'e eşittir, bu nedenle, pratik mol miktarı da klor ve metan aynı olacaktır ve şuna eşit olacaktır: v (Cl 2) \u003d v (CH 4) \u003d 0,5 mol Klor miktarını bilerek, kütlesini bulabilirsiniz (problem sorusunda ortaya çıkan). Klor kütlesi, molar kütlesi ile klor maddesi miktarının ürünü olarak hesaplanır (moleküler kütle 1 mol klordur; moleküler kütle, D.I.Mendeleev'in kimyasal elementleri tablosu kullanılarak hesaplanır). Klor kütlesi şuna eşit olacaktır: m (CI 2) \u003d v (CI 2) × M (CI 2) m (CI 2) \u003d 0,5 × 71 \u003d 35,5 g
Cevap	Klor kütlesi 35,5 g