Алканы имеют общую химическую формулу C n H 2n + 2 . Алканы варьируются по сложности от простейшего случая метана, CH 4 , где n = 1 (иногда называемая исходной молекулой), до сколь угодно больших молекул.
Химическая структура метана, простейший алканКроме этого стандартного определения названная Международным союзом теоретической и прикладной химии, в использовании некоторых авторов термин алкана применяется к любому насыщенному углеводороду, в том числе те, которые являются либо моноциклическими (т.е. циклоалканы) или полициклическими.
В алкане, каждый атом углерода имеет 4 связи (либо С-С или С-Н), и каждый атом водорода присоединен к одному из атомов углерода (как в С-Н-связи). Самая длинная серия связанных атомов углерода в молекуле известна как ее углеродный скелет или углеродная основа. Число атомов углерода можно рассматривать как размер алкана.
Одна группа высших алканов представляет собой воски, твердые вещества при стандартных температуре окружающей среды и давлении (СТиДОС(Стандартная температура и давление окружающей среды)), для которых число атомов углерода в углеродной цепи больше, что примерно в 17 раз.
С повторными -CH 2 — звеньями алканы составляют гомологичный ряд органических соединений, в которых группы отличаются молекулярной массой кратным 14,03 мк (общая масса каждой такой метиленовой звеновой единицы, которая содержит единственный атом углерода с массой 12,01 мк и два атома водорода с массой ~ 1,01 мк каждый).
Алканы не очень реакционноспособны и обладают небольшой биологической активностью. Их можно рассматривать как молекулярные деревья, на которых могут быть подвешены более активные / реакционноспособные функциональные группы биологических молекул.
Алканы имеют два основных источника: нефть (сырая нефть) и природный газ.
Алкильная группа, обычно сокращенно обозначаемая символом R, представляет собой функциональную группу, которая, подобно алкану, состоит исключительно из связанных атомов ациклически связанных атомов углерода и водорода, например метильной или этильной группы.
Структура классификации
Насыщенными углеводородами являются углеводороды, имеющие только отдельные ковалентные связи между их атомами углерода. Они могут представлять:
- Линейную (общая формула C n H 2n + 2), в которой атомы углерода соединены в змееподобной структуреe.
- Разветвленную (общую формулу C n H2 n + 2 , n> 2), где углеродный скелет отщепляется в одном или нескольких направлениях.
- Циклическую (общую формулу C n H 2n , n> 3), где углеродная цепь связана с образованием петли.
Изобутана для 2-метилпропана
Изопентан для 2-метилбутана
Неопентана для 2,2-диметилпропана.
Химические свойства алканов
— вы можете изучить по данной , в полном, понятном изложении.
Физические свойства алканов
Все алканы бесцветны и не имеют запаха.
Таблица алканов.
| Алкан | Формула | Точка кипения [° C] | Точка плавления [° C] | Плотность [г · см-3] (при 20 ° C) |
| Метан | CH 4 | −162 | −182 | Газ |
| Этан | C 2 H 6 | -89 | −183 | Газ |
| Пропан | C 3 H 8 | −42 | −188 | Газ |
| Бутан | C 4 H 10 | 0 | −138 | 0.626 |
| Пентан | C 5 H 12 | 36 | −130 | 0.659 |
| Гексан | C 6 H 14 | 69 | −95 | 0.684 |
| Гептан | C 7 H 16 | 98 | −91 | 0.684 |
| Октан | C 8 H 18 | 126 | −57 | 0.718 |
| Нонан | C 9 H 20 | 151 | −54 | 0.730 |
| Декан | C 10 H 22 | 174 | −30 | 0.740 |
| Ундекан | C 11 H 24 | 196 | -26 | 0.749 |
| Додекан | C 12 H 26 | 216 | −10 | 0.769 |
| Пентадекан | C 15 H 32 | 270 | 10-17 | 0.773 |
| Гексадекан | C 16 H 34 | 287 | 18 | Твердый |
| Эйкозан | C 20 H 42 | 343 | 37 | Твердый |
| Триконтан | C 30 H 62 | 450 | 66 | Твердый |
| Тетроконтан | C 40 H 82 | 525 | 82 | Твердый |
| Пентоконтан | С 50 H 102 | 575 | 91 | Твердый |
| Гексоконтан | C 60 H 122 | 625 | 100 | Твердый |
Точка кипения
Алканы испытывают межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Более сильные межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса вызывают более высокие точки кипения алканов.
Для силы Ван-Дер-Ваальсовых сил существует два детерминанта:
- Число электронов, окружающих молекулу, которое увеличивается с молекулярной массой алкана
- Площадь поверхности молекулы
В стандартных условиях от CH 4 до C 4 H 10 алканы являются газообразными; От C 5 H 12 до C 17 H 36 они являются жидкостями; И после C 18 H 38 они являются твердыми. По мере того как температура кипения алканов в первую очередь определяются по весу, она не должна быть неожиданностью, что точка кипения имеет почти линейную зависимость с размером (молекулярная масса) молекулы. Как правило, температура кипения повышается на 20-30 ° C для каждого углерода, добавляемого в цепь. Это правило применяется и к другим гомологичным рядам.
В физической химии силы Ван-дер-Ваальса (или ван-дер-ваальсово взаимодействие), названные в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван дер Ваальса, являются остаточными силами притяжения или отталкивания между молекулами или атомными группами, которые не возникают из ковалентных связей. Можно показать, что силы Ван-дер-Ваальса имеют то же происхождение, что и эффект Казимира, обусловленный квантовыми взаимодействиями с полем нулевой точки. Возникающие в результате силы Ван-дер-Ваальса могут быть притягивающими или отталкивающими.
Прямоцепной алкан будет иметь точку кипения выше, чем алкан с разветвленной цепью из-за большей площади поверхности, находящейся в контакте, таким образом, большие силы Ван-дер-Ваальса между соседними молекулами. Например, сравните изобутан (2-метилпропан) и н-бутан (бутан), которые кипят при -12 и 0 ° С, и 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан, которые кипят при 50 и 58 ° С, соответственно. В последнем случае две молекулы 2,3-диметилбутана могут «защелкиваться» друг с другом лучше, чем крестообразный 2,2-диметилбутан, поэтому большие силы Ван-дер-Ваальса
С другой стороны, циклоалканы, как правило, имеют более высокие точки кипения, чем их линейные аналоги из-за заблокированных конформаций молекул, которые дают плоскость межмолекулярного контакта.
Точки плавления
Точки плавления алканов имеют сходную тенденцию к точкам кипения по той же причине, что и выше. То есть, (при прочих равных условиях) тем больше молекуле, тем выше температура плавления. Существует одно существенное различие между точками кипения и температурами плавления. Твердые вещества имеют более жесткую и фиксированную структуру, чем жидкости. Эта жесткая структура требует энергию для разрушения. Таким образом, для лучшего соединения твердых структур потребуется больше энергии для разрыва. Для алканов это видно на графике выше (то есть на зеленой линии). Нечетные алканы имеют более низкую тенденцию к плавлению, чем четные алканы. Это объясняется тем, что даже пронумерованные алканы хорошо укладываются в твердой фазе, образуя хорошо организованную структуру, которая требует больше энергии для разрыва. Алканы с нечетными номерами укладываются хуже, и поэтому организованная структура уплотнения с более «рыхлой» требует меньше энергии для разрыва.
Точки плавления алканов с разветвленной цепью могут быть либо выше, либо ниже, чем у соответствующих алканов с прямой цепью, опять же в зависимости от способности рассматриваемого алкана хорошо укладываться в твердой фазе: это особенно справедливо для изоалканов (2 -метильные изомеры), которые часто имеют температуры плавления выше, чем температуры линейных аналогов.
Проводимость и растворимость
Алканы не проводят электричество и не поляризуются электрическим полем. По этой причине они не образуют водородных связей и нерастворимы в полярных растворителях, таких как вода. Поскольку водородные связи между отдельными молекулами воды выровнены вдали от молекулы алкана, сосуществование алкана и воды приводит к увеличению молекулярного порядка (уменьшение энтропии). Поскольку между молекулами воды и молекулами алкана нет значительного сцепления, второй закон термодинамики предполагает, что это уменьшение энтропии должно быть минимизировано путем сведения к минимуму контакта между алканом и водой: алканы, как говорят, являются гидрофобными в том смысле, что они отталкивают воду.
Их растворимость в неполярных растворителях относительно хорошая, свойство, которое называется липофильностью. Различные алканы, например, смешиваются во всех пропорциях между собой.
Плотность алканов обычно увеличивается с числом атомов углерода, но остается меньше, чем у воды. Следовательно, алканы образуют верхний слой в качестве алкана-водной смеси.
Молекулярная геометрия
Молекулярная структура алканов непосредственно влияет на их физические и химические характеристики. Он получен из электронной конфигурации углерода, которая имеет четыре валентных электрона. Атомы углерода в алканов всегда sp 3 гибридизовали, то есть, что валентные электроны, как говорят, в четырех эквивалентных орбиталей, полученных из комбинации 2 s орбитальных и трех 2р-орбиталей. Эти орбитали, имеющие одинаковые энергии, расположены пространственно в виде тетраэдра, угол между ними cos -1 (- 1/3) ≈ 109,47 °.
Длины связей и валентные углы
Молекула алкана имеет только одинарные связи C-H и C-C. Первые являются следствием перекрытия sp 3 орбитали углерода с 1s-орбиталью водорода; Последний — перекрытием двух sp 3 -орбиталей на разных атомах углерода. Длины связей составляют 1,09 × 10 -10 м для связи C-H и 1,54 × 10 -10 мкм для связи C-C.
Пространственное расположение связей похоже на пространственное расположение четырех sp3-орбиталей — они расположены тетраэдрически с углом 109,47 ° между ними. Структурные формулы, которые представляют собой облигацию как под прямым углом друг к другу, в то время как и общие и полезные, не соответствуют действительности.
Конформация
Структурная формула и углы связи обычно недостаточны для полного описания геометрии молекулы. Существует еще одна степень свободы для каждого углерод-углеродной связи: торсионный угол между атомами или группами, связанными с атомами на каждом конце связи. Пространственное расположение, описываемое углами кручения молекулы, известно как его форма.
Этан образует простейший случай для изучения конформации алканов, так как существует только одна связь C-C. Если посмотреть вниз по оси C-C-связи, то увидите так называемую проекцию Ньюмана. Атомы водорода как на переднем, так и на заднем углеродном атоме имеют угол 120 ° между ними, что обусловлено проекцией основания тетраэдра на плоскую плоскость. Однако угол кручения между данным атомом водорода, присоединенным к переднему углероду, и заданным атомом водорода, присоединенным к заднему углероду, может свободно изменяться от 0 ° до 360 °. Это является следствием свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи. Несмотря на эту кажущуюся свободу, важны только две предельные конформации: затменная конформация и ступенчатая конформация.
Шариковые и двухшнековые модели двух ротамеров этана
Две конформации, также известные как ротамеры, различаются по энергии: шахматная конформация составляет 12,6 кДж / моль ниже по энергии (более стабильной), чем затмеваемая конформация (наименее стабильная).
Это различие в энергии между двумя конформациями, называемое энергией кручения, мало по сравнению с тепловой энергией молекулы этана при температуре окружающей среды. Постоянное вращение вокруг связи C-C. Время, необходимое для перехода молекулы этана из одной шахматной конформации в другую, что эквивалентно вращению одной группы СН3 на 120 ° относительно другой, составляет порядка 10 -11 с.
Проекции двух конформаций этана: затмивление на левой стороне, в шахматном порядке справа.
Высшие алканы является более сложные, но основанные на аналогичных принципах, при этом антиперипланарная конформация всегда наиболее благоприятна вокруг каждой углерод-углеродной связи. По этой причине алканы обычно показаны зигзагообразно на диаграммах и в моделях. Фактическая структура всегда будет несколько отличаться от этих идеализированных форм, так как различия в энергии между конформациями малы по сравнению с тепловой энергией молекул, так как молекулы алканов не имеют фиксированной структурной формы, независимо от того, что может показывать модель.
Спектроскопические свойства
Практически все органические соединения содержат углерод-углеродные и углерод-водородные связи и поэтому показывают некоторые особенности алканов в их спектрах. Алканы отличаются отсутствием других групп и, следовательно, отсутствием других характерных спектроскопических признаков различных функциональных групп, таких как -ОН, -CHO, -COOH и т.д.
Инфракрасная спектроскопия
Углеродно-водородный метод растяжения дает сильное поглощение между 2850 и 2960 см -1 , в то время как углерод-углеродный режим растяжения поглощает от 800 до 1300 см -1 . Методы изгиба углерод-водород зависят от природы группы: метильные группы показывают полосы при 1450 см -1 и 1375 см -1 , в то время как метиленовые группы показывают полосы при 1465 см -1 и 1450 см -1 . Углеродные цепи с более чем четырьмя атомами углерода демонстрируют слабое поглощение при температуре около 725 см -1 .
ЯМР-спектроскопия
Протон-резонансы алканов обычно обнаруживаются при δH = 0,5-1,5. Резонансы углерода 13 зависят от числа атомов водорода, связанных с углеродом: δ C = 8-30 (первичный, метил, -CH 3), 15-55 (вторичный, метилен, -CH 2 -), 20-60 (третичный, Метин, С-Н) и четвертичный. Углерод-13-резонанс четвертичных атомов углерода характеризуется слабостью из-за отсутствия ядерного эффекта Оверхаузера и длительным временем релаксации и может быть пропущен в слабых образцах или образцах, которые не были проработаны в течение достаточно длительного времени.
Масс-спектрометрия
Алканы обладают высокой энергией ионизации, а у молекулярной ион обычно слабый. Фрагментацию фрагментации может быть трудно интерпретировать, но в случае разветвленных алканов углеродная цепь предпочтительно расщепляется на третичных или четвертичных углеродах из-за относительной стабильности полученных свободных радикалов. Фрагмент, являющийся результатом потери одной метильной группы (М-15), часто отсутствует, а другой фрагмент часто отделен интервалами четырнадцати массовых единиц, что соответствует последовательной потере СН 2 -групп.
Способы получения алканов
О способах получения алканов, вы так же сможете узнать и изучить по данной .
«Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет»
Кафедра: «Физическая и органическая химия»
Реферат
П редельные углеводороды (алканы)
Ст.гр.БТП-09-01 Антипин А.
Доцент Калашников С.М.
Алка́ны (также насыщенные углеводороды , парафины , алифатические соединения ) - ациклическиеуглеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C n H 2n+2 .
Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp 3 -гибридизации - все 4 гибридные орбитали атома С равны по форме и энергии, 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28". За счёт одинарных связей между атомами С возможно свободное вращение вокруг углеродной связи. Тип углеродной связи - σ-связи, связи малополярны и плохо поляризуемы. Длина углеродной связи - 0,154 нм.
Названия алканов.
Слово «алкан» того же происхождения, что и «алкоголь» . Устаревший термин «парафин» произошел от латинских parum – мало, незначительно и affinis – родственный; парафины обладают малой реакционной способностью по отношению к большинству химических реагентов. Многие парафины являются гомологами; в гомологическом ряду алканов каждый последующий член отличается от предыдущего на одну метиленовую группу СН 2 . Термин происходит от греческого homologos – соответственный, подобный.
Номенклатурные (от лат. nomenclatura – роспись имен) названия алканов строятся по определенным правилам, которые не всегда однозначны. Так, если в молекуле алкана ecть различные заместители, то в названии алкана они перечисляются в алфавитном порядке. Однако в разных языках этот порядок может различаться. Например, углеводород СН 3 –СН(СН 3)–СН(С 2 Н 5)–СН 2 –СН 2 –СН 3 в соответствии с этим правилом по-русски будет называться 2-метил-3-этилгексан, а по-английски 3-ethyl-2-methylhexane…
В соответствии с названием углеводорода называются и алкильные радикалы: метил (СН 3 -), этил (С 2 Н 5 -), изопропил (СН 3) 2 СН-, втор -бутил С 2 Н 5 –СН(СН 3)-, трет -бутил (СН 3) 3 С- и т.д. Алкильные радикалы входят как целое в состав многих органических соединений; в свободном состоянии эти частицы с неспаренным электроном исключительно активны.
Некоторые изомеры алканов имеют и тривиальные названия, например, изобутан (2-метилпропан), изооктан (2,2,4-триметилпентан), неопентан (2,3-диметилпропан), сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан), название которого происходит от лат squalus – акула (непредельное производное сквалана – сквален, важное для обмена веществ соединение, было впервые обнаружено в печени акулы). Часто используется и тривиальное название радикала пентила (С 5 Н 11) – амил. Оно происходит от греч. amylon – крахмал: когда-то изоамиловый спирт С 5 Н 11 ОН (3-метилбутанол-1) называли «амильным алкоголем брожения», так как он составляет основу сивушного масла, а оно образуется в результате брожения сахаристых веществ – продуктов гидролиза крахмала.
Систематическая номенклатура ИЮПАК
По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающий радикал, затем название радикала и название главной цепи. Если радикалы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых радикалов указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если радикалы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.
Рациональная номенклатура
Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном и относительно него строится название «алкил1алкил2алкил3а
Физические свойства предельных углеводородов (алканов) Алканы - бесцветные вещества, нерастворимые в воде. В обычных условиях они химически инертны, так как все связи в их молекулах образованы с участием sp3-гибридных орбиталей атома углерода и являются очень прочными. В реакции присоединения алканы не вступают: все связи атомов углерода полностью насыщены.
· Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи
· При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH 4 до C 4 H 10 - газы; с C 5 H 12 до C 13 H 28 - жидкости; после C 14 H 30 - твёрдые тела.
· Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан - жидкость, а неопентан - газ.
· газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.
Химические свойства предельных углеводородов (алканов)
Углеводороды ряда метана при обыкновенной температуре химически весьма инертны, почему они и получили название парафинов (от латинских слов parum affinis - обладающий малым сродством). С большинством химических реагентов эти углеводороды в указанных условиях или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. При сравнительно невысоких температурах протекает лишь небольшое число реакций, при которых происходит замена атомовводорода на различные атомы и группы (реакции металеп-cuu). Эти реакции ведут к получению производных соответствующих углеводородов.
Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные C-H и C-C связи относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С - Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму то есть с образованием радикалов.
Реакции радикального замещения
Галогенирование
Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного и в два раза меньше чем вторичного. Таким образом хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.
Галогенирование - это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атому галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода:
1. CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
2. CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
3. CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
4. CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, замещая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.
Бромирование алканов отличается от хлорирования более высокой стереоселективностью из-за большей разницы в скоростях бромирования третичных, вторичных и первичных атомов углерода при низких температурах.
Иодирование алканов иодом не происходит, получение иодидов прямым иодированием осуществить нельзя.
С фтором и хлором реакция может протекать со взрывом, в таких случаях галоген разбавляют азотом или растворителем.
Нитрование (реакция Коновалова)
Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция также подчиняется правилу Марковникова.
RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O
Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.
Реакции окисления
Горение
Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
С n Н 2n +2 +(1,5n +0,5)O 2 = n CO 2 + (n +1)H 2 O
Каталитическое окисление
Могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.
При мягком окислении СН 4 (катализатор, кислород, 200 °C) могут образоваться:
· метиловый спирт: СН 4 + О 2 = СН 3 ОН
Углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле C n H 2 n
+2
.
В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды - тетраэдра. Углы между орбиталями равны 109° 28′.
Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), например, в молекуле н -пентана.
Особо стоит напомнить о связях в молекулах алканов. Все связи в молекулах предельных углеводородов одинарные. Перекрывание происходит по оси,
соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи. Связи углерод - углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С-С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 10 — 10 м). Связи С-Н несколько короче. Электронная плотность немного смещена в сторону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С-Н является слабополярной.
Отсутствие в молекулах предельных углеводородов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде, не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Наиболее характерными для алканов являются реакции, протекающие с участием свободных радикалов.
Гомологический ряд метана
Гомологи - вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН 2 .
Изомерия и номенклатура
Для алканов характерна так называемая структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, - это бутан.
Основы номенклатуры
1. Выбор главной цепи.
Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2. Нумерация атомов главной цепи.
Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем этил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3) и т. д.
Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс —ил
в названии соответствующего алкана.
3. Формирование названия
. В начале названия указывают цифры - номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди
- два, три
- три, тетра
- четыре, пента
- пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов - название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород - член гомологического ряда метана (метан
СН 4 , этан
С 2 Н 6 , пропан
C 3 H 8 , С 4 Н 10, пентан
С 5 Н 12 , гексан
С 6 Н 14 , гептан
C 7 H 16, октан
C 8 H 18, нонан
С 9 Н 20, декан
С 10 Н 22).
Физические свойства алканов
Первые четыре представителя гомологического ряда метана - газы. Простейший из них - метан - газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, определяется запахом меркаптанов - серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).
Углеводороды состава от С 4 Н 12 до С 15 Н 32 - жидкости; более тяжелые углеводороды - твердые вещества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.
Химические свойства алканов
Реакции замещения.
Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу. Приведем уравнения характерных реакций галогенирования:
В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:
Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.
Реакция дегидрирования
(отщепления водорода)
.
В ходе пропускания алканов над катализатором (Pt, Ni, А1 2 0 3 , Сг 2 0 3) при высокой температуре (400-600 °С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:
Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи.
Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.
1. Горение предельных углеводородов
- это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
2. Термическое расщепление углеводородов.
Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов.
Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена:
Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса - крекинга углеводородов. Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.
3. Пиролиз
. При нагревании метана до температуры 1000 °С начинается пиролиз метана - разложение на простые вещества:
При нагревании до температуры 1500 °С возможно образование ацетилена:
4. Изомеризация
. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:
5. Ароматизация
. Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:
Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных С-С (углерод - углерод) связей и слабополярных С-Н (углерод - водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т. к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.
Строение алканов
Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:
С–С и С–Н.
Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:
Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.
Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.
Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.
Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28", что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:
Валентный угол Н-С-Н равен 109о28". Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.
Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.
В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:
Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы.Это можно показать на примере н-бутана (VRML-модель) или н-пентана:
Изомерия алканов
Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами .
Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят кструктурной изомерии . Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С 4 Н 10 . Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия) . В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы - стереохимические (пространственные) или проекционные.
Алканы, начиная с этана H 3 C–СН 3 , существуют в различных пространственных формах (конформациях ), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию .
Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют оптической изомерией .
. Структурная изомерия алканов
Структурные изомеры - соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.
Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета .
Например, алкан состава C 4 H 10 может существовать в виде двух структурных изомеров:
а алкан С 5 Н 12 – в виде трех структурных изомеров,отличающихся строением углеродной цепи:
С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваютсявозможности дляразветвления цепи, т.е. количество изомеров растет сростом числа углеродных атомов.
Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и,соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при болеенизкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.
Приемы построения структурных формул изомеров
Рассмотрим на примере алкана С 6 Н 14 .
1. Сначала изображаем молекулу линейного изомера (ее углеродный скелет)
2. Затем цепь сокращаем на 1 атом углерода и этот атом присоединяем к какому-либо атому углерода цепи как ответвление от нее, исключая крайние положения:
Если присоединить углеродный атом к одному из крайних положений, то химическое строение цепи не изменится:
Кроме того, нужно следить, чтобы не было повторов. Так, структура идентична структуре (2).
3. Когда все положения основной цепи исчерпаны, сокращаем цепь еще на 1 атом углерода:
Теперь в боковых ответвлениях разместятся 2 атома углерода. Здесь возможны следующие сочетания атомов:
Боковой заместитель может состоять из 2-х или более последовательно соединенных атомов углерода, но для гексана изомеров с такими боковыми ответвлениями не существует, и структура идентична структуре (3).
Боковой заместитель СС можно размещать только в цепи, содержащей не меньше 5-ти углеродных атомов и присоединять его можно только к 3-му и далее атому от конца цепи.
4. После построения углеродного скелета изомера необходимо дополнить все углеродные атомы в молекуле связями с водородом, учитывая, что углерод четырехвалентен.
Итак,
составу С
6
Н
14
соответствует
5 изомеров:
1) 2)
3)
4)
5)
Номенклатура
Номенклатура органических соединений – система правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному веществу.
Это язык химии, который используется для передачи в названиях соединений информации о их строении. Соединению определенного строения соответствует одно систематическое название, и по этому названию можно представить строение соединения (его структурную формулу).
В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of the Pure and Applied Chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии).
Наряду с систематическими названиями используются также тривиальные (обыденные) названия, которые связаны с характерным свойством вещества, способом его получения, природным источником, областью применения и т.д., но не отражают его строения.
Для применения номенклатуры ИЮПАК необходимо знать названия и строение определенных фрагментов молекул – органических радикалов.
Термин "органический радикал" является структурным понятием и его не следует путать с термином "свободный радикал", который характеризует атом или группу атомов с неспаренным электроном.
Радикалы в ряду алканов
Если от молекулы алкана "отнять" один атом водоpода, то обpазуется одновалентный "остаток" – углеводоpодный pадикал (R – ). Общее название одновалентных радикалов алканов – алкилы – обpазовано заменой суффикса -ан на -ил : метан – метил , этан – этил , пpопан – пpопил и т.д.
Одновалентные pадикалы выpажаются общей фоpмулой С n Н 2n+1 .
Двухвалентный радикал получается, если удалить из молекулы 2 атома водорода. Например, из метана можно образовать двухвалентный радикал –СН 2 – метилен . В названиях таких радикалов используется суффикс -илен .
Названия радикалов, особенно одновалентных, используются при образовании названий разветвленных алканов и других соединений. Такие радикалы можно рассматривать как составные части молекул, их конструкционные детали. Чтобы дать название соединению необходимо представить, из каких "деталей"-радикалов составлена его молекула.
Метану СН 4 соответствует один одновалентный радикал метил СН 3 .
От этана С 2 Н 6 можно произвести также только один радикал - этил CH 2 CH 3 (или C 2 H 5 ).
Пропану СН 3 –СН 2 –СН 3 соответствуют два изомерных радикала С 3 Н 7 :
Радикалы подразделяются на первичные , вторичные и третичные в зависимости от того, укакого атома углерода (первичного, вторичного или третичного) находится свободная валентность. По этому признаку н-пропил относится к первичным радикалам, а изопропил – к вторичным.
Двум алканам С 4 Н 10 (н -бутан и изобутан) соответствует 4 одновалентных радикала –С 4 Н 9 :
От н -бутана производятся н-бутил (первичный радикал) и втор-бутил (вторичный радикал), - от изобутана – изобутил (первичный радикал) и трет-бутил (третичный радикал).
Таким образом, в ряду радикалов также наблюдается явление изомерии, но при этом число изомеров больше, чем у соответствующих алканов.
Конструирование молекул алканов из радикалов
Например, молекулу
можно "собрать" тремя способами из различных пар одновалентных радикалов:
Такой подход используется в некоторых синтезах органических соединений, например:
где R – одновалентный углеводородный радикал (реакция Вюрца).
Правила построения названий алканов по систематической международной номенклатуре ИЮПАК
Для простейших алканов (С 1 -С 4) приняты тpивиальные названия: метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числительные и суффикс -ан : пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и далее...
В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью. При этом углеводоpод с pазветвленной цепью pассматpивают как пpодукт замещения атомов водоpода в ноpмальном алкане углеводоpодными pадикалами.
Например, алкан
рассматривается как замещенный пентан , в котором два атома водорода замещены на радикалы –СН 3 (метил ).
Порядок построения названия разветвленного алкана
Выбрать в молекуле главную углеродную цепь. Во-первых, она должна быть самой длинной. Во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная. Например, в молекуле есть 2 цепи с одинаковым числом (7) атомов С (выделены цветом):
В случае (а) цепь имеет 1 заместитель, а в (б) – 2. Поэтому следует выбрать вариант (б).
Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы С, связанные с заместителями, получили возможно меньшие номера. Поэтому нумерацию начинают с ближайшего к ответвлению конца цепи. Например:
Назвать все радикалы (заместители), указав впереди цифры, обозначающие их местоположение в главной цепи. Если есть несколько одинаковых заместителей, то для каждого из них через запятую записывается цифра (местоположение), а их количество указывается приставками ди -, три -, тетра -, пента - и т.д. (например, 2,2-диметил или2,3,3,5-тетраметил ).
Названия всех заместителей расположить в алфавитном порядке (так установлено последними правилами ИЮПАК).
Назвать главную цепь углеродных атомов, т.е. соответствующий нормальный алкан.
Таким образом, в названии разветвленного алкана
корень+суффикс – название нормального алкана (греч. числительное+суффикс "ан" ), приставки – цифры и названия углеводородных радикалов .
Пример построения названия:
Химические свойства алканов
Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.
Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С–Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов.
Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения (см. часть I, раздел 6.4 "Типы реакций" ). Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей (см. в таблице значения дипольных моментов) предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы (часть I, раздел 6.4.3 ). Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм . Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO 4 , К 2 Сr 2 O 7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами. Видеоопыт "Отношение метана к раствору перманганата калия и бромной воде". Итак, алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях.
Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.
В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы. С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета. По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления (дегидрирование алканов). Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.
Крекинг алканов
Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.
Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).
Термический крекинг . При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.
Например:
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8
Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:
Свободные радикалы очень активны. Один из них (например, этил) отщепляет атомарный водород Н от другого (н -бутила) и превращается в алкан (этан). Другой радикал, став двухвалентным, превращается в алкен (бутен-1) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов:
Анимация (работа Литвишко Алексея, ученика 9 кл. школы №124 г. Самары)
Разрыв С–С-связи возможен в любом случайном месте молекулы. Поэтому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой.
В общем виде этот процесс можно выразить схемой:
C n H 2n+2 C m H 2m + C p H 2p+2 , где m + p = n
При более высокой температуре (свыше 1000С) происходит разрыв не только связей С–С,но и более прочных связей С–Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистыйуглерод) и водорода:
СН 4 C + 2H 2
Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г.
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 500С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования. Пример: крекинг октана (работа Литвишко Алексея, ученика 9 кл. школы №124 г. Самары). При дегидрировании алканов образуются циклические углеводороды (реакциядегидроциклизации , раздел 2.5.3 ). Наличие в составе бензина разветвлённых и циклических углеводородов повышает его качество (детонационную устойчивость, выражаемую октановым числом). При крекинг-процессах образуется большое количество газов, которые содержат главным образом предельные и непредельные углеводороды. Эти газы используются в качестве сырья для химической промышленности. Основополагающие работы по каталитическому крекингу в присутствии хлорида алюминия проведены Н.Д. Зелинским .
Изомеризация алканов
Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.
Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100С в присутствии катализатора хлорида алюминия:
Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).
Дегидрирование алканов
При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С-Н.
Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.
1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены :
Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 . В присутствии катализатора Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 при 450-650 С из н -бутана получают также бутадиен-1,3 CH 2 =CH-CH=CH 2 .
2. Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.
Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н -пентан и его алкильные производные), то при нагревании над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):
Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). Например:
Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н- алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.
3. При 1500 С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:
Данная реакция (пиролиз метана ) используется для промышленного получения ацетилена.
Реакции окисления алканов
В органической химии реакции окисления и восстановления рассматриваются как реакции, связанные с потерей и приобретением органическим соединением атомов водорода и кислорода. Эти процессы, естественно, сопровождаются изменением степеней окисления атомов (часть I, раздел 6.4.1.6 ).
Окисление органического вещества - введение в его состав кислорода и (или) отщепление водорода. Восстановление - обратный процесс (введение водорода и отщепление кислорода). Учитывая состав алканов (С n H 2n+2), можно сделать вывод о их неспособности вступать в реакции восстановления, но возможности участвовать в реакциях окисления.
Алканы - соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.
При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н 2 Cr 2 O 7 , KMnO 4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО 2 , где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).
Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее. Видеоопыт "Взрыв смеси метана с кислородом". Видеоопыт "Горение жидких алканов". Видеоопыт "Горение парафина".
Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях и т.п.).
Уравнение реакции горения алканов в общем виде:
Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n ) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО 2 . Тогда образуются продукты частичного окисления: угарный газ СО (степень окисления углерода +2), сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.
Алканы - насыщенные (предельные) углеводороды. Представителем этого класса является метан (СН 4 ). Все последующие предельные углеводороды отличаются на СН 2 - группу, которая называется гомологической группой, а соединения - гомологами.
Общая формула - С n H 2 n +2 .
Строение алканов.
Каждый атом углерода находится в sp 3 - гибридизации , образует 4 σ - связи (1 С-С и 3 С-Н ). Форма молекулы в виде тетраэдра с углом 109,5°.
Связь образуется посредством перекрывания гибридных орбиталей, причем максимальная область перекрывания лежит в пространстве на прямой, соединяющей ядра атомов . Это наиболее эффективное перекрывание, поэтому σ-связь считается наиболее прочной.
Изомерия алканов.
Для алканов свойственна изомерия углеродного скелета. Предельные соединения могут принимать различные геометрические формы, сохраняя при этом угол между связями. Например,
Различные положения углеродной цепи называются конформациями. В нормальных условиях конформации алканов свободно переходят друг в друга с помощью вращения С-С связей, поэтому их часто называют поворотными изомерами. Существует 2 основные конформации - «заторможенное» и «заслоненное»:
Изомерия углеродного скелета алканов.
Количество изомеров возрастает с увеличением роста углеродной цепи. Например у бутана известно 2 изомера:
Для пентана - 3, для гептана - 9 и т.д.
Если у молекулы алкана отнять один протон (атом водорода), то получится радикал:
Физические свойства алканов.
В нормальных условиях - С 1 -С 4 - газы, С 5 -С 17 - жидкости, а углеводороды с количеством атомов углерода больше 18 - твердые вещества.
С ростом цепи повышается температура кипения и плавления. Разветвленные алканы имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные.
Алканы нерастворимы в воде , но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях. Легко смешиваются друг с другом.
Получение алканов.
Синтетические методы получения алканов:
1. Из ненасыщенных углеводородов - реакция «гидрирования» протекает под воздействием катализатора (никель, платина) и при температуре:
2. Из галогенпроизводных - реакция Вюрца : взаимодействие моногалогенаклканов с металлическим натрием, в результате чего получаются алканы с удвоенным числом углеродных атомов в цепи:
3. Из солей карбоновых кислот . При взаимодействии соли с щелочи, получаются алканы, которые содержат на 1 атом углерод меньше по сравнению с исходной карбоновой кислотой:
4. Получение метана. В электрической дуге в атмосфере водорода:
С + 2Н 2 = СН 4 .
В лаборатории метан получают так:
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4Al(OH) 3 .
Химические свойства алканов.
В нормальных условиях алканы - химически инертные соединения, они не реагируют с концентрированной серной и азотной кислотой, с концентрированной щелочью, с перманганатом калия.
Устойчивость объясняется прочностью связей и их неполярностью.
Соединения не склонны к реакциях разрыва связи (реакция присоединения), для них свойственно замещение.
1. Галогенирование алканов. Под воздействием кванта света начинается радикальное замещение (хлорирование) алкана. Общая схема:
Реакция идет по цепному механизму, в которой различают:
А) Инициирование цепи:
Б) Рост цепи:
В) Обрыв цепи:
Суммарно можно представить в виде:
2. Нитрование (реакция Коновалова)алканов. Реакция протекает при 140 °С:
Легче всего реакция протекает с третитичным атомом углерода, чем с первичным и вторичным.
3. Изомризацияалканов. При конкретных условиях алканы нормального строения могут превращаться в разветвленные:
4. Крекингалканов. При дейсвии высоких температур и катализаторов высшие алканы могут рвать свои связи, образуя алкены и алканы более низшие:
5. Окислениеалканов. В различных условиях и при разных катализаторах окисление алкана может привести к образованию спирта, альдегида (кетона) и уксусной кислоты. В условиях полного окисления реакция протекает до конца - до образования воды и углекислого газа:
Применение алканов.
Алканы нашли широкое применение в промышленности, в синтезе нефти, топлива и т.д.