SHPORA.net :: PDA

Login:
регистрация

Main
FAQ

гуманитарные науки
естественные науки
математические науки
технические науки
Search:
Title: | Body:

Алканы




Углеводороды - простейшие органические соединения, состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Предельными углеводородами,

или алканами (международное название), называются соединения, состав которых выражается общей формулой С n Н2n+2, где n - число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы угле­рода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы называют также насыщенными углеводородами или парафинами (Термин «парафины» означает «имеющие малое сродство»).



Первым членом гомологического ряда алканов является метан СН4. Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следует этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Начи­ная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окон­чания -ан. Это пентан С5Н12 гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т. д.



В гомологическом ряду наблюдается постепенное изменение физи­ческих свойств углеводородов: повышаются температуры кипения и плавления, возрастает плотность. При обычных условиях (температура ~ 22°С) первые четыре члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) — газы, с С5Н12 до С16Н34 - жидкости, а с С17Н36 — твердые вещества.



Алканы, начиная с четвертого члена ряда (бутана), имеют изомеры .



Все алканы насыщены водородом до предела (максимально). Их атомы углерода находятся в состоянии sp 3 —гибридизации, а значит, имеют простые (одинарные) связи.











Физические свойства. В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С1 — С4) — газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C5 — C17) — жидкости, начиная с С18 и выше — твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной моле­кулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле ал­каны с разветвленным строением имеют более низкие температу­ры кипения, чем нормальные алканы.



Алканы практически нерастворимы в воде, так как их молеку­лы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды, они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом.



Основные природные источники алканов — нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C5H12 до С30Н62. Природный газ состоит из метана (95%) с примесью этана и пропана.



Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:



1. Получение из ненасыщенных углеводородов. Взаимодействие алкенов или алкинов с водородом ("гидрирование") происходит в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd) при

нагревании:



t?. Ni

СН3-СН=СН2 + Н2 > СН3-СН2-СН3,



СНз-C?СН + 2Н2 > СН3-СН2-СН3.



2. Получение из галогенпротводных. При нагревании моногалогензамещенных алканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):



С2Н5Br + 2Na + Br-C2H5 > C2H5-C2H5 + 2NaBr.



Подобную реакцию не проводят с двумя разными галогензамещенными алканами, поскольку при этом получается смесь трех различных алканов



3. Получение из солей карбоновых кислот. При сплавлении безводных солей карбоновых кислот с щелочами получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот:





CH3COONa + NaOH > СН4^ + Na2CO3.



4.Получение метана. В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:



С + 2Н2 > СН4.



Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере водорода до 400-500 °С при повышенном давлении в присутствии катализатора.



В лабораторных условиях метан часто получают из карбида алюминия:



Аl4С3 + 12Н2О = ЗСН4^ + 4Аl(ОН)3.



Химические свойства. В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями - перманганатом калия KMnО4 и т.п.



Химическая устойчивость алканов объясняется высокой проч­ностью s-связей С-С и С-Н, а также их неполярностью. Непо­лярные связи С-С и С-Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому для алканов характер­ны радикальные реакции, в результате которых получаются сое­динения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. Следовательно, алканы вступают в реакции, про­текающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом SR (от англ, substitution radicalic). По этому механизму легче всего замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.



1. Галогенирование. При взаимодействии алканов с галогена­ми (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов. Общая схема этой реакции показана на примере метана:



<> <>

Сl2 Сl2 Сl2 Сl2

СН4 > СН3Сl > СН2Сl2 > СНСl3 > ССl4 (*)

-HCl -HCl -НСl -HCl



Реакция образования хлорметана протекает по цепному механизму, который характеризуется следующими стадиями:



а) инициирование цепи:

hv

Сl2 > 2Сl·



б) Рост цепи. Радикал хлора отнимает у молекулы алкана атом водорода:



Cl·+ СН4>НСl + СН3·



При этом образуется алкильный радикал, который отнимает атом хлора у молекулы хлора:



СН3· + Сl2>СН3Сl + Сl·



Эти реакции повторяются до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи по одной из реакций:



Cl· + Cl· > Сl2, СН3· + СН3· > С2Н6, СН3· + Cl· > СН3Сl·



Суммарное уравнение реакции:



hv

СН4 + Сl2 > СН3Сl + НСl.



Образующийся хлорметан может подвергаться дальнейшему хло­рированию, давая смесь продуктов CH2Cl2, CHCl3, ССl4 по схеме (*).



Развитие теории цепных свободнорадикальных реакций тесно связа­но с именем выдающегося русского ученого, лауреата Нобелевской премии Н.И. Семенова (1896-1986).



2. Нитрование (реакция Коновалова). При действии разбав­ленной азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом дав­лении протекает радикальная реакция:



t °

CH3-CH3 + HNO3 > CH3-CH2-NO2 + H2O.



При радикальных реакциях (галогенирование, нитрование) в первую очередь замешаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода. Это объясняется тем, что легче всего разрывается гомолитически связь третичного атома углерода с водородом (энергия связи 376 кДж/моль), затем — вторичного (390 кДж/моль) и только потом — первичного (415 кДж/моль).



3. Изомеризация. Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:



4. Крекинг — это гемолитический разрыв связей С-С, который протекает при нагревании и под действием катализаторов.

При крекинге высших алканов образуются алкены и низшие ал­каны, при крекинге метана и этана образуются ацетилен:



C8H18 > C4H10 + С4Н8,



2СН4 > С2Н2 + ЗН2,



С2Н6 > С2Н2 + 2Н2.



Эти реакции имеют большое промышленное значение. Таким путем высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в бензин, керосин и другие ценные продукты.



5. Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получе­ны метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:





Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха - один из промышленных способов получения уксусной кислоты:





2C4H 10 + 5O2 > 4CH3COOH + 2Н2О .

кат



На воздухе алканы сгорают до СО2 и Н2О:



СnН2n+2 + (Зn+1)/2О2 = nСО2 + (n+1)Н2О.