Граничні вуглеводні (алкани)
Загальна формула представників гомологічного ряду алканів - СnН2n + 2. Алкани також називають граничними або насиченими вуглеводнями, оскільки всі атоми вуглецю в них пов'язані одинарними зв'язками, а що залишилися валентності атомів вуглецю до межі насичені атомами водню.
Родоначальником гомологічного ряду алканів є метан - СН4. Усі наступні члени ряду відрізняються від нього на, 'групу -СН2-.
Так, наступний член ряду має формулу С2Н6 (етан). Для перших чотирьох членів гомологічного ряду алканів використовуються історично сформовані назви (їх вживання зафіксовано правилами ІЮПАК) - метан, етан, пропан і бутан. Починаючи з п'ятого члена ряду і далі використовуються назви, корінь яких проводиться від грецького або латинського назви відповідного числівника з суфіксом -а. Так, п'ятий член ряду алканів має назву пентан.
Атоми вуглецю, як уже було сказано, можуть з'єднуватися не тільки в лінійну ланцюг, але і в розгалужену. В ряду алканів поява розгалуження можливо починаючи з бутану. Він може мати два структурних ізомери - бутан і ізобутан (він же 2-метілпропан по номенклатурі ІЮПАК):
Зі збільшенням кількості вуглецевих атомів розгалуження в ланцюзі стають різноманітніше і кількість ізомерів зростає. У молекулах нерозгалужених (лінійних) алканів присутні тільки первинні (на кінцях ланцюга) і вторинні (всередині ланцюга) атоми вуглецю. У розгалужених алканів є також третинні і четвертинні атоми вуглецю.
При уявному відриві від молекули алкана атома водню виходять вуглеводневі радикали. Їх назва будується так само, як і для відповідного алкана, але використовується не суфікс -а, а суфікс іл. Відповідно, такі радикали ще носять назви алкільних. Так, метану відповідає радикал метил (CH3-). У загальному вигляді алкільні радикали зазвичай позначають символом R-. Як ви пам'ятаєте, поняття радикала (заступника) і його назва використовуються при побудові назв з'єднань в ІЮПАК (2-метілпропан). Однак термін радикал (зазвичай в словосполученні вільний радикал) використовується також для позначення реально існуючих частинок, що беруть участь в радикальних реакціях. Ці поняття ні в якому разі не слід плутати! Очевидно, що починаючи з пропану одному вуглеводню можуть відповідати різні радикали, тобто вони теж можуть мати ізомери. Так, для пропану:
При уявному відриві двох атомів водню від молекули алкана виникають так звані двовалентні радикали. Їх назви знову ж будуються відповідно до назви алкана заміною суфікса-ан на суфікс -іліден (якщо атоми водню відірвані від одного атома вуглецю) або -ілен (якщо від різних атомів вуглецю). Виняток становить радикал, утворений з метану. Хоча він має тільки один атом вуглецю, відповідний радикал має назву метилен (CH2 =).
Назви вуглеводневих радикалів використовуються при побудові систематичних назв органічних сполук:
У разі алканів з великою кількістю атомів вуглецю їх ізомери слід називати по номенклатурі ІЮПАК. Ось як по цій номенклатурі називаються ізомери гексану:
Фізичні властивості алканів
У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (С1 - С4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекан (С5 - С17) - рідини, починаючи з С18 і вище - тверді речовини. У міру збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто з ростом відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння і плавлення алканів.
При однаковому числі атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженим будовою мають більш низькі температури кипіння, ніж нормальні алкани.
Алкани практично нерозчинні в воді, тому що їх молекули малополярни і не взаємодіють з молекулами води. Рідкі алкани легко змішуються один з одним. Вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких, як бензол, Тетрахлорметан і т.п.
Молекула найпростішого алкана - метану - має форму правильного тетраедра, в центрі якого знаходиться атом вуглецю, а в вершинах - атоми водню. Кути між осями зв'язків С-Н становлять 109 ° 28 '(рис. 29).
У молекулах інших граничних вуглеводнів кути між зв'язками (як С-Н, так і С-С) мають таке ж значення. Для опису форми молекул використовується поняття гібридизації атомних орбіталей (див. Частину I, §6).
У алканах все атоми вуглецю знаходяться в стані sp3-гібридизації (рис. 30).
Таким чином, атоми вуглецю в вуглецевого ланцюга не перебувають на одній прямій. Відстань між сусідніми атомами вуглецю (між ядрами атомів) строго фіксоване - це довжина хімічного зв'язку (0,154 нм). Відстань С1 - С3, С2 - С4 і т.д. (Через один атом) теж постійні, тому що постійний кут між зв'язками -валентний кут.
Відстані між більш віддаленими атомами вуглецю можуть змінюватися (в деяких межах) в результаті обертання навколо -зв'язків. Таке обертання не порушує перекривання орбіталей, що утворюють -зв'язок, оскільки цей зв'язок має осьову симетрію.
Різні просторові форми однієї молекули, які утворюються при обертанні груп атомів навколо -зв'язків, називають конформаціями (рис. 31).
Конформації розрізняють по енергії, але ця різниця невелика (12-15 кДж / моль). Більш стійкі такі конформації алканів, в яких атоми розташовані можливо далі один від одного (відштовхування електронних оболонок). Перехід від однієї конформації в іншу здійснюється за рахунок енергії теплового руху. Для зображення конформації використовують спеціальні просторові формули (формули Ньюмена).
Не плутати!
Слід розрізняти поняття конформація і конфігурація.
Різні конформації можуть перетворюватися один в одного без розриву хімічних зв'язків. Для перетворення молекули з одного конфігурацією в молекулу з іншою конфігурацією потрібно розрив хімічних зв'язків.
З чотирьох видів ізомерії для алканів характерні два: ізомерія вуглецевого скелета і оптична ізомерія (див. ЧастьI, §7).
Хімічні зв'язку в алканах, їх розрив і утворення визначають хімічні властивості алканів.
Зв'язки С-С і С-Н ковалентні, прості (-зв'язку), практично неполярні, досить міцні, тому:
1) алкани вступають найчастіше в такі реакції, які йдуть з гемолітичним розривом зв'язків;
2) в порівнянні з органічними сполуками інших класів алкани мають низьку реакційною здатністю (їх за це називають парафинами - «позбавленими властивості»). Так, Алка-ни стійкі до дії водних розчинів кислот, лугів і окисників (наприклад, перманганату калію) навіть при кип'ятінні.
Алкани не вступають в реакції приєднання до них інших молекул, тому алкани не мають в своїх молекулах кратних зв'язків.
Алкани піддаються розкладанню при сильному нагріванні в присутності каталізаторів у вигляді платини або нікелю, при цьому від алканів отщепляется водень.
Алкани можуть вступати в реакції ізомеризації. Характерною реакцією для них є реакція заміщення, що протікає по радикальному механізму.
Як вивчити хімію? - AskGuru
Реакції радикального заміщення
Як приклад розглянемо взаємодію алканів з галогенами. Фтор реагує дуже енергійно (як правило, з вибухом) - при цьому рвуться все З-Н і С-С зв'язку, і в результаті утворюються сполуки CF4 і HF. Практичного значення реакція не має. Йод з алканами не взаємодіє. Реакції з хлором або бромом йдуть або при освітленні, або при сильному нагріванні; при цьому відбувається утворення від моно- до полігалогензамещенних алканів, наприклад:
СН3-СН 3 + Сl2 hvСН3-СН2-Сl + НСl
Освіта галогенопроізводних метану протікає по ланцюговому свободнорадикальному механізму. Під дією світла молекули хлору розпадаються на неорганічні радикали:
Сl22Сl.
Неорганічний радикал Сl. відриває від молекули метану атом водню з одним електроном, утворюючи НС1 і вільний радикал СН3
Вільний радикал взаємодіє з молекулою хлору Сl2, утворюючи галогенопроїзводниє і радикал хлору.
і так далі. До реакцій радикального заміщення відноситься також окислення алканів киснем повітря.
Реакція окислення починається з відриву атома водню молекулою кисню (яка являє собою бірадікал) і далі йде як розгалужена ланцюгова реакція. Кількість радикалів в ході реакції збільшується. процес супроводжується
виділенням великої кількості теплоти, рвуться вже не тільки С-Н, але і С-С зв'язку, так що в результаті утворюється оксид вуглецю (IV) і вода. Реакція може протікати як горіння або при-водить до вибуху.
2СnН2n + 2 + (3n + 1) О2 2nСO2 + (2n + 2) Н2О
При звичайній температурі реакція окислення не йде; її можна ініціювати або підпалом, або дією електричного розряду.
При сильному нагріванні (понад 1000 ° С) алкани повністю розкладаються на вуглець і водень. Ця реакція називається піролізом.
СН41200 ° С + 2Н2
При м'якому окисленні алканів, зокрема метану, киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота.
Якщо метан пропускати через нагріту зону дуже швидко, а потім відразу охолоджувати водою, то в результаті утворюється ацетилен.
Ця реакція - основа промислового синтезу, який називається крекингом (неповним розкладанням) метану.
Крекінг гомологів метану проводять при більш низькій температурі (близько 600 ° С). Наприклад, крекінг пропану включає наступні стадії:
Отже, крекінг алканів приводить до утворення суміші алканів і алкенів меншою молекулярної маси.
Нагрівання алканів до 300-350 ° С (крекінг ще не йде) в присутності каталізатора (Pt або Ni) приводить до дегидрированию - отщеплению водню.
При дії розбавленої азотної кислоти на алкани при 140 ° С і невеликому тиску протікає радикальна реакція:
СН3-СН 3 + HNO3CH3-CH2-NO2 + Н2О
ізомеризація
При певних умовах алкани нормальної будови можуть перетворюватися в алкани з розгалуженим ланцюгом.
Розглянемо отримання алканів на прикладі отримання метану. Метан широко поширений в природі. Він є головною складовою частиною багатьох горючих газів, як природних (90-98%), так і штучних, що виділяються при сухій перегонці дерева, торфу, кам'яного вугілля, а також при крекінгу нафти. Природні гази, особливо попутні гази нафтових родовищ, крім метану містять етан, пропан, бутан і пентан.
Метан виділяється з дна боліт і з кам'яновугільних пластів в рудниках, де він утворюється при повільному розкладанні рослинних залишків без доступу повітря. Тому метан часто називають болотним газом або рудниковим газом.
У лабораторії метан отримують при нагріванні суміші ацетату натрію з гідроксидом натрію:
CH3COONa + NaOH200 ° Na2CO3 + CH4
або при взаємодії карбіду алюмінію з водою: Аl4Сl3 + 12H2O4Аl (ОН) 3 + 3CH4
В останньому випадку метан виходить вельми чистим.
Метан може бути отриманий з простих речовин при нагріванні в присутності каталізатора:
З + 2Н2NiСН4 8 також синтезом на основі водяного газу
CO + 3H2NiCH4 + H2O
Цей спосіб має промислове значення. Однак використовують зазвичай метан природних газів або газів, що утворюються при коксуванні кам'яного вугілля і при переробці нафти.
Гомологи метану, як і метан, в лабораторних умовах отримують прожарювання солей відповідних органічних кислот з лугами. Інший спосіб - реакція Вюрца, тобто нагрівання моногалогенопохідних з металевим натрієм, наприклад:
С2Н5Br + 2Na + BrC2H6 С2Н5-С2Н5 + 2NaBr
В техніці для отримання технічного бензину (суміш вуглеводнів, що містять 6-10 атомів вуглецю) застосовують синтез з оксиду вуглецю (II) і водню в присутності каталізатора (з'єднання кобальту) і при підвищеному тиску. Процес можна виразити рівнянням
nСО + (2n + 1) Н2200 ° CnH2n + 2 + nН2O
I Отже, основним джерелом алканів служать природний газ і нафту. Однак деякі граничні вуглеводні синтезують з інших з'єднань.
Велика частина алканів використовується як паливо. Крекінг і Дегидрирование їх призводить до ненасичених вуглеводнів, на базі яких отримують безліч інших органічних речовин.
Метан - основна частина природних газів (60-99%). До складу природних газів входять пропан і бутан.
"Ненасичені вуглеводні. Алкіни". 10-й клас
застосовуються в якості пального в двигунах внутрішнього згоряння а автомашинах, літаках і ін. Очищена суміш рідких і твердих алканів утворює вазелін. Вищі алкани є вихідними речовинами при отриманні синтетичних миючих засобів. Алкани, отримані шляхом ізомеризації, використовуються у виробництві високоякісних бензинів і каучуку. Нижче наведена схема застосування метану