Алканы химия. Физические и химические свойства алканов
Химические свойства. Физические свойства алканов
Физические свойства алканов
В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С 1 - С 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С 5 - С 17) - жидкости, начиная с С 18 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, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких, как бензол, тетрахлорметан и т.п.
Строение
Молекула простейшего алкана - метана - имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах - атомы водорода. Углы между осями связей С-Н составляют 109°28" (рис. 29).
В молекулах других предельных углеводородов углы между связями (как С-Н, так и С-С) имеют такое же значение. Для описания формы молекул используется понятие гибридизации атомных орбиталей (см. часть I, §6).
В алканах все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 - гибридизации (рис. 30).
Таким образом, атомы углерода в углеродной цепи не находятся на одной прямой. Расстояние между соседними атомами углерода (между ядрами атомов) строго фиксировано - это длина химической связи (0,154 нм). Расстояние С 1 - С 3 , С 2 - С 4 и т.д. (через один атом) тоже постоянны, т.к. постоянен угол между связями -валентный угол.
Расстояния между более удаленными атомами углерода могут изменяться (в некоторых пределах) в результате вращения вокруг s-связей. Такое вращение не нарушает перекрывания орбиталей, образующих s-связь, поскольку эта связь имеет осевую симметрию.
Разные пространственные формы одной молекулы, образующиеся при вращении групп атомов вокруг s-связей, называют конформациями (рис. 31).
Конформации различают по энергии, но это различие невелико (12-15 кДж/моль). Более устойчивы такие конформации алканов, в которых атомы расположены возможно дальше друг от друга (отталкивание электронных оболочек). Переход от одной конформации к другой осуществляется за счет энергии теплового движения. Для изображения конформации используют специальные пространственные формулы (формулы Ньюмена).
Не путать!
Следует различать понятия конформация и конфигурация.
Разные конформации могут превращаться друг в друга без разрыва химических связей. Для превращения молекулы с одной конфигурацией в молекулу с другой конфигурацией требуется разрыв химических связей.
Из четырех видов изомерии для алканов характерны два: изомерия углеродного скелета и оптическая изомерия (см. часть
Химические связи в алканах, их разрыв и образование определяют химические свойства алканов. Связи С-С и С-Н ковалентные, простые (s-связи), практически неполярные, достаточно прочные, поэтому:
1) алканы вступают чаще всего в такие реакции, которые идут с гемолитическим разрывом связей;
2) по сравнению с органическими соединениями других классов алканы обладают низкой реакционной способностью (их за это называют парафинами - «лишенными свойства»). Так, алканы устойчивы к действию водных растворов кислот, щелочей и окислителей (например, перманганата калия) даже при кипячении.
Алканы не вступают в реакции присоединения к ним других молекул, т.к. алканы не имеют в своих молекулах кратных связей.
Алканы подвергаются разложению при сильном нагревании в присутствии катализаторов в виде платины или никеля, при этом от алканов отщепляется водород.
Алканы могут вступать в реакции изомеризации. Характерной реакцией для них является реакция замещения, протекающая по радикальному механизму.
Химические свойства
Реакции радикального замещения
В качестве примера рассмотрим взаимодействие алканов с галогенами. Фтор реагирует очень энергично (как правило, со взрывом) - при этом рвутся все С-Н и С-С связи, и в результате образуются соединения CF 4 и HF. Практического значения реакция не имеет. Иод с алканами не взаимодействует. Реакции с хлором или бромом идут либо при освещении, либо при сильном нагревании; при этом происходит образование от моно- до полигалогензамещенных алканов, например:
СН 3 -СН 3 +Сl 2 ® hv СН 3 -СН 2 -Сl+НСl
Образование галогенопроизводных метана протекает по цепному свободнорадикальному механизму. Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:
Неорганический радикал Сl . отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя НС1 и свободный радикал СН 3
Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Сl 2 , образуя галогенопроизводное и радикал хлора.
Реакция окисления начинается с отрыва атома водорода молекулой кислорода (которая представляет собой бирадикал) и далее идет как разветвленная цепная реакция. Количество радикалов в ходе реакции увеличивается. Процесс сопровождается
выделением большого количества теплоты, рвутся уже не только С-Н, но и С-С связи, так что в результате образуется оксид углерода (IV) и вода. Реакция может протекать как горение или приводит к взрыву.
2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСO 2 +(2n+2)Н 2 O
При обычной температуре реакция окисления не идет; ее можно инициировать либо поджиганием, либо действием электрического разряда.
При сильном нагревании (свыше 1000°С) алканы полностью разлагаются на углерод и водород. Эта реакция называется пиролизом.
СН 4 ® 1200° С+2Н 2
При мягком окислении алканов, в частности метана, кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота.
Если метан пропускать через нагретую зону очень быстро, а затем сразу охлаждать водой, то в результате образуется ацетилен.
Эта реакция - основа промышленного синтеза, который называется крекингом (неполным разложением) метана.
Крекинг гомологов метана проводят при более низкой температуре (около 600°С). Например, крекинг пропана включает следующие стадии:
Итак, крекинг алканов приводит к образованию смеси алканов и алкенов меньшей молекулярной массы.
Нагревание алканов до 300-350°С (крекинг еще не идет) в присутствии катализатора (Pt или Ni) приводит к дегидрированию - отщеплению водорода.
При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:
СН 3 -СН 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + Н 2 О Изомеризация
При определенных условиях алканы нормального строения могут превращаться в алканы с разветвленной цепью.
Получение алканов
Рассмотрим получение алканов на примере получения метана. Метан широко распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов, как природных (90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Природные газы, особенно попутные газы нефтяных месторождений, помимо метана содержат этан, пропан, бутан и пентан.
Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом.
В лаборатории метан получают при нагревании смеси ацетата натрия с гидроксидом натрия:
CH 3 COONa+NaOH® 200° Na 2 CO 3 +CH 4
или при взаимодействии карбида алюминия с водой: Аl 4 Сl 3 +12H 2 O®4Аl(ОН) 3 +3CH 4
В последнем случае метан получается весьма чистым.
Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора:
С+2Н 2 ® Ni СН 4 8 также синтезом на основе водяного газа
CO+3H 2 ® Ni CH 4 +H 2 O
Этот способ имеет промышленное значение. Однако используют обычно метан природных газов или газов, образующихся при коксовании каменных углей и при переработке нефти.
Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами. Другой способ - реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием, например:
С 2 Н 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® С 2 Н 5 -С 2 Н 5 +2NaBr
В технике для получения технического бензина (смесь углеводородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез
из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении. Процесс
можно выразить уравнением
nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O
I Итак, основным источником алканов служат природный газ и нефть. Однако некоторые предельные углеводороды синтезируют из других соединений.
Применение алканов
Большая часть алканов используется как топливо. Крекинг и
Дегидрирование их приводит к непредельным углеводородам, на
базе которых получают множество других органических веществ.
Метан - основная часть природных газов (60-99%). В состав
природных газов входят пропан и бутан. Жидкие углеводороды
применяются в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания а автомашинах, самолетах и др. Очищенная смесь жидких
и твердых алканов образует вазелин. Высшие алканы являются
исходными веществами при получении синтетических моющих средств. Алканы, полученные путем изомеризации, используются в производстве высококачественных бензинов и каучука. Ниже приведена схема применения метана
Циклоалканы
Строение
Циклоалканы - насыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется замкнутое кольцо из углеродных атомов.
Циклоалканы (циклопарафины) образуют гомологический ряд с общей формулой С n Н 2 n , в котором первым членом является
циклопропан С 3 Н 6 , т.к. для образования кольца необходимо наличие не менее трех атомов углерода.
Циклоалканы имеют несколько названий: циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены. Примеры некоторых соединений:
Формула С n Н 2 n характерна для циклопарафинов, и точно такая же формула описывает гомологический ряд алкенов (непредельных углеводородов, имеющих одну кратную связь). Из этого можно сделать вывод, что каждому циклоалкану изомерен соответствующий алкен - это пример «межклассовой» изомерии.
Циклоалканы по размеру цикла делятся на ряд групп, из которых рассмотрим две: малые (С 3 , С 4) и обычные (С 5 -С 7) циклы.
Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода. Нумерацию в цикле проводят так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
Структурные формулы циклоалканов обычно записываются в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водорода. Например:
Структурная изомерия циклоалканов обусловлена размером цикла (циклобутан и метилциклопропан - изомеры) и положением заместителей в цикле (например, 1,1- и 1,2-диметилбутан), а также их строением.
Пространственная изомерия также характерна для циклоалканов, т.к. она связана с различным расположением заместителей относительно плоскости цикла. При расположении заместителей по одну сторону от плоскости цикла получаются цис-изомеры, по разные стороны - транс-изомеры.
Предельные углеводороды - это такие соединения, которые представляют собой молекулы, состоящие из атомов углерода, находящихся в состоянии гибридизации sp 3 . Они связаны между собой исключительно ковалентными сигма-связями. Название «предельные» или «насыщенные» углеводороды исходит из того факта, что эти соединения не имеют возможности присоединять какие-либо атомы. Они предельны, полностью насыщены. Исключение составляют циклоалканы.
Что такое алканы?
Алканы - это углеводороды предельные, а их углеродная цепь незамкнута и состоит из атомов углерода, связанных между собой при помощи одинарных связей. Она не содержит иных (то есть двойных, как у алкенов, или же тройных, как у алкилов) связей. Алканы также называют парафинами. Это название они получили, так как общеизвестные парафины являются смесью преимущественно данных предельных углеводородов С 18 -С 35 с особой инертностью.
Общие сведения об алканах и их радикалах
Их формула: С n Р 2 n +2 , здесь n больше или равно 1. Молярная масса вычисляется по формуле: М = 14n + 2. Характерная особенность: окончания в их названиях - «-ан». Остатки их молекул, которые образуются в результате замещения водородных атомов на иные атомы, имеют название алифатических радикалов, или алкилов. Их обозначают буквой R. Общая формула одновалентных алифатических радикалов: С n Р 2 n +1 , здесь n больше или равно 1. Молярная масса алифатических радикалов вычисляется по формуле: М = 14n + 1. Характерная особенность алифатических радикалов: окончания в названиях «-ил». Молекулы алканов имеют свои особенности строения:
- связь С-С характеризуется длиной 0,154 нм;
- связь С-Н характеризуется длиной 0,109 нм;
- валентный угол (угол между связями углерод-углерод) равен 109 градусов и 28 минут.
Начинают гомологический ряд алканы: метан, этан, пропан, бутан и так далее.
Физические свойства алканов
Алканы - это вещества, которые не имеют цвета и нерастворимы в воде. Температура, при которой алканы начинают плавиться, и температура, при которой они закипают, повышаются в соответствии с увеличением молекулярной массы и длины углеводородной цепи. От менее разветвленных к более разветвленным алканам температуры кипения и плавления понижаются. Газообразные алканы способны гореть бледно-голубым либо бесцветным пламенем, при этом выделяется довольно много тепла. СН 4 -С 4 Н 10 представляют собой газы, у которых отсутствует также и запах. С 5 Н 12 -С 15 Н 32 - это жидкости, которые обладают специфическим запахом. С 15 Н 32 и так далее - это твердые вещества, которые также не имеют запаха.
Химические свойства алканов
Данные соединения являются малоактивными в химическом плане, что можно объяснить прочностью трудноразрываемых сигма-связей - С-С и С-Н. Также стоит учитывать, что связи С-С неполярны, а С-Н малополярны. Это малополяризуемые виды связей, относящиеся к сигма-виду и, соответственно, разрываться по наибольшей вероятности они станут по механизму гомолитическому, в результате чего будут образовываться радикалы. Таким образом, химические свойства алканов в основном ограничиваются реакциями радикального замещения.
Реакции нитрования
Алканы взаимодействуют только с азотной кислотой с концентрацией 10% либо с оксидом четырехвалентного азота в газовой среде при температуре 140°С. Реакция нитрования алканов носит название реакции Коновалова. В результате образуются нитросоединения и вода: CH 4 + азотная кислота (разбавленная) = CH 3 - NO 2 (нитрометан) + вода.
Реакции горения
Предельные углеводороды очень часто применяются как топливо, что обосновано их способностью к горению: С n Р 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n СО 2 .
Реакции окисления
В химические свойства алканов также входит их способность к окислению. В зависимости от того, какие условия сопровождают реакцию и как их изменяют, можно из одного и того же вещества получить различные конечные продукты. Мягкое окисление метана кислородом при наличии катализатора, ускоряющего реакцию, и температуры около 200 °С может дать в результате следующие вещества:
1) 2СН 4 (окисление кислородом) = 2СН 3 ОН (спирт - метанол).
2) СН 4 (окисление кислородом) = СН 2 О (альдегид - метаналь или формальдегид) + Н 2 О.
3) 2СН 4 (окисление кислородом) = 2НСООН (карбоновая кислота - метановая или муравьиная) + 2Н 2 О.
Также окисление алканов может производиться в газообразной или жидкой среде воздухом. Такие реакции приводят к образованию высших жирных спиртов и соответствующих кислот.
Отношение к нагреванию
При температурах, не превышающих +150-250°С, обязательно в присутствии катализатора, происходит структурная перестройка органических веществ, которая заключается в изменении порядка соединения атомов. Данный процесс называется изомеризацией, а вещества, полученные в результате реакции - изомерами. Таким образом, из нормального бутана получается его изомер - изобутан. При температурах 300-600°С и наличии катализатора происходит разрыв связей С-Н с образованием молекул водорода (реакции дегидрирования), молекул водорода с замыканием углеродной цепи в цикл (реакции циклизации или ароматизации алканов):
1) 2СН 4 = С 2 Н 4 (этен) + 2Н 2.
2) 2СН 4 = С 2 Н 2 (этин) + 3Н 2.
3) С 7 Н 16 (нормальный гептан) = С 6 Н 5 - СН 3 (толуол) + 4Н 2 .
Реакции галогенирования
Такие реакции заключаются во введении в молекулу органического вещества галогенов (их атомов), в результате чего образуется связь С-галоген. При взаимодействии алканов с галогенами образуются галогенпроизводные. Данная реакция обладает специфическими особенностями. Она протекает по механизму радикальному, и чтобы ее проинициировать, необходимо на смесь галогенов и алканов воздействовать ультрафиолетовым излучением или же просто нагреть ее. Свойства алканов позволяют реакции галогенирования протекать, пока не будет достигнуто полное замещение на атомы галогена. То есть хлорирование метана не закончится одной стадией и получением метилхлорида. Реакция пойдет далее, будут образовываться все возможные продукты замещения, начиная с хлорметана и заканчивая тетрахлорметаном. Воздействие хлора при данных условиях на другие алканы приведет к образованию различных продуктов, полученных в результате замещения водорода у различных атомов углерода. От температуры, при которой идет реакция, будет зависеть соотношение конечных продуктов и скорость их образования. Чем длиннее углеводородная цепь алкана, тем легче будет идти данная реакция. При галогенировании сначала будет замещаться атом углерода наименее гидрированый (третичный). Первичный вступит в реакцию после всех остальных. Реакция галогенирования будет происходить поэтапно. На первом этапе заместиться только один атом водорода. C растворами галогенов (хлорной и бромной водой) алканы не взаимодействуют.
Реакции сульфохлорирования
Химические свойства алканов также дополняются реакцией сульфохлорирования (она носит название реакции Рида). При воздействии ультрафиолетового излучения алканы способны реагировать со смесью хлора и диоксида серы. В результате образуется хлороводород, а также алкильный радикал, который присоединяет к себе диоксид серы. В результате получается сложное соединение, которое становится стабильным благодаря захвату атома хлора и разрушения очередной его молекулы: R-H + SO 2 + Cl 2 + ультрафиолетовое излучение = R-SO 2 Cl + HCl. Образовавшиеся в результате реакции сульфонилхлориды находят широкое применение в производстве поверхностно-активных веществ.
Химические свойства насыщенных углеводородов обусловлены наличием в их молекулах атомов углерода, водорода и связей $C-H$ и $C-C$.
В молекуле простейшего алкана метана химические связи образуют 8 валентных электронов (4 электрона атома углерода и 4 - атомов водорода), которые размещены на четырех связующих молекулярных орбиталях.
Итак, в молекуле метана из четырех $sp3$-гибридизированных орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуются четыре $sp3-s (C-H)$ ковалентные связи (рис 1.).
Молекула этана образуется из двух углеродных тетраэдров - одной $sp3-sp3 (C-C)$ ковалентной связи и шести $sp3-s (C-H)$ ковалентных связей (рис. 2).
Рисунок 2. Строение молекулы этана: а - размещение $\sigma $-связей в молекуле; б - тетраэдрическое модель молекулы; в - шаростержневая модель молекулы; г- масштабная модель молекулы по Стюарту - Бриглебу
Особенности химических связей в алканах
В рассмотренных типах ковалентных связей области наибольшей электронной плотности находятся на линии, соединяющей ядра атомов. Эти ковалентные связи образованы локализованными $\sigma $-${\rm M}$${\rm O}$ и называются $\sigma $-связями. Важной особенностью этих связей является то, что электронная плотность в них распределена симметрично относительно оси, проходящей через ядра атомов (цилиндрическая симметрия электронной плотности). Благодаря этому атомы или группы атомов, которые соединены этой связью, могут свободно вращаться не вызывая деформации связи. Угол между направлениями валентностей атомов углерода в молекулах алканов составляет $109^\circ 28"$. Поэтому в молекулах этих веществ даже с прямой углеродной цепью атомы углерода в действительности размещаются не по прямой. Эта цепь имеет зигзагообразную форму, которая связана с сохранением межвалентных углов атомов углерода (рис. 3).
Рисунок 3. Схема строения углеродной цепи нормального алкана
В молекулах алканов с достаточно длинной углеродной цепью этот угол увеличен на $2^\circ$ вследствие отталкивания валентно не соединенных между собой атомов углерода.
Замечание 1
Каждая химическая связь характеризуется определенной энергией. Экспериментально установлено, что энергия связи $C-H$ в молекуле метана составляет 422,9 кДж/моль, этана - 401,9 кДж/моль, других алканов - около 419 кДж/моль. Энергия связи $C-C$ равен 350 кДж / моль.
Взаимосвязь строения алканов с их реакционной способностью
Высокая энергия связей $C-C$ и $C-H$ обуславливает низкую реакционную способность насыщенных углеводородов при комнатной температуре. Так, алканы не обесцвечивают бромную воду, раствор перманганата калия, не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), не реагируют с окислителями, с активными металлами. Поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине, который представляет собой смесь насыщенных углеводородов. Даже концентрированная серная кислота, которая обугливает много органических веществ, при комнатной температуре не действует на алканы. Учитывая сравнительно малую реакционную способность насыщенных углеводородов, их в свое время назвали парафинами. Алканы не имеют способности присоединять водород, галогены и другие реагенты. Поэтому этот класс органических веществ назвали насыщенными углеводородами.
Химические реакции насыщенных углеводородов могут происходить за счет разрыва связей $C-C$ или $C-H$. Разрыв $C-H$-связей сопровождается отщеплением атомов водорода с образованием ненасыщеных соединений или последующим замещением отщеплений атомов водорода другими атомами или группами атомов.
В зависимости от строения алкана и условий реакции в молекулах насыщенных углеводородов связь $C-H$ может разрываться гомолитично:
Рисунок 4. Химические свойства алканов
И гетеролитично с образованием анионов и катионов:
Рисунок 5. Химические свойства алканов
При этом могут образовываться свободные радикалы, имеющие неспаренный электрон, но не имеют электрического заряда, или карбкатионы или карбанионы, которые имеют соответствующие электрические заряды. Свободные радикалы образуются в качестве промежуточных частиц в реакциях радикального механизма, а карбкатионы и карбанионы - в реакциях ионного механизма.
Вследствие того, что связи $C-C$ неполярные, а $C-H$-связи - малополярные и эти $\sigma $-связи имеют низкую поляризуемость, гетеролитический разрыв $\sigma $-связей в молекулах алканов с образованием ионов требует большой затраты энергии. Гемолитическое расщепление этих связей требует меньше енергии. Поэтому для насыщенных углеводородов более характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Расщепление $\sigma $-связи $C-C$ требует меньшей затраты энергии, чем расщепление связи $C-H$, поскольку энергия $C-C$-связи меньше энергии $C-H$-связи. Однако химические реакции чаще происходят с расщеплением $C-H$-связей, поскольку они более доступны для реагентов.
Влияние разветвленности и размеров алканов на их реакционную способность
Реакционная способность $C-H$-связи меняется при переходе от алканов линейной структуры к алканам-разветвленной структуры. Например, энергия диссоциации связи $C-H$ (кДж / моль) при образовании свободных радикалов меняется следующим образом:
Рисунок 6. Химические свойства алканов
Кроме того, значение энергии ионизации (ЭИ) для алканов показывает, что рост общего количества $\sigma $-связей повышает их донорные свойства и отколоть электрон становится легче для соединений с большей молекулярной массой, например:
Рисунок 7. Химические свойства алканов
Итак, в свободнорадикальных процессах реакции происходят преимущественно у третичного атома углерода, затем у вторичного и в последнюю очередь у первичного, что совпадает с рядом устойчивости свободных радикалов. Однако с повышением температуры наблюдаемая тенденция уменьшается или совсем нивелируется.
Таким образом, для алканов характерны два типа химических реакций:
- замещения водорода, в основном по радикальному механизму и
- расщепление молекулы за связями $C-C$ или $C-H$.
Одним из первых типов химических соединений, изучаемых в школьной программе по органической химии, являются алканы. Они относятся к группе предельных (иначе - алифатических) углеводородов. В их молекулах присутствуют только одинарные связи. Атомам углерода свойственна sp³-гибридизация.
Гомологами называют химические вещества, которые имеют общие свойства и химическое строение, но при этом отличающиеся на одну или несколько CH2-групп.
В случае с метаном CH4 можно привести общую формулу для алканов: CnH (2n+2), где n - это количество атомов углерода в соединении.
Приведём таблицу алканов, в которых n находится в пределах от 1 до 10.
Изомерия алканов
Изомерами называют те вещества, молекулярная формула которых совпадает, однако строение или структура отличается.
Для класса алканов характерны 2 типа изомерии: углеродного скелета и оптическая изомерия.
Приведём пример структурного изомера (т. е. вещества, отличающимся лишь строением углеродного скелета) для бутана C4H10.
Оптическими изомерами называют такие 2 вещества, молекулы которых имеют похожую структуру, но не могут быть совмещены в пространстве. Явление оптической или зеркальной изомерии возникает у алканов, начиная с гептана C7H16.
Чтобы дать алкану правильное название, необходимо воспользоваться номенклатурой ИЮПАК . Для этого использоваться следующая последовательность действий:
По приведённому выше плану попробуем дать название следующему алкану.
В обычных условиях неразветвленные алканы с CH4 до C4H10 - это газообразные вещества, начиная с С5Н12 и до C13H28 - жидкие и обладающие специфическим запахом, все последующие - твёрдые. Получается, что с увеличением длины углеродной цепи растут температуры кипения и плавления
. Чем сильнее разветвлена структура алкана, тем при более низкой температуре он кипит и плавится.
Газообразные алканы не обладают цветом. А также все представители этого класса не могут растворяться в воде.
Алканы, имеющие агрегатное состояние газа, могут гореть , при этом пламя будет либо бесцветным, либо обладать бледно-голубым оттенком.
Химические свойства
В обычных условиях алканы достаточно малоактивны. Это объясняется прочностью σ-связей между атомами C-C и C-H. Поэтому необходимо обеспечить специальные условия (например, довольно высокую температуру или свет), чтобы проведение химической реакции стало возможным.
Реакции замещения
К реакциям этого типа относятся галогенирование и нитрование. Галогенирование (взаимодействие с Cl2 или Br2) происходит при нагревании или же под воздействием света. Во время реакции, протекающей последовательно, образуются галогеналканы.
Для примера можно записать реакцию хлорирования этана.
Бромирование будет проходить аналогичным образом.
Нитрование - это реакция со слабым (10%) раствором HNO3 или с оксидом азота (IV) NO2. Условия для проведения реакций - температура 140 °C и давление.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
В результате образуются два продукта - вода и аминокислота.
Реакции разложения
При проведении реакций разложения всегда требуется обеспечивать высокую температуру. Это необходимо для разрыва связей между атомами углерода и водорода .
Так, при проведении крекинга потребуется температура в интервале от 700 до 1000 °C . Во время реакции разрушаются -С-С- связи, образуется новый алкан и алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Исключение - крекинг метана и этана. В результате этих реакций выделяется водород и образуется алкин ацетилен. Обязательным условием является нагревание до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Если превысить температуру в 1000 °C, можно добиться пиролиза с полным разрывом связей в соединении:
Во время пиролиза пропила был получен углерод C, а также выделился водород H2.
Реакции дегидрирования
Дегидрирование (отщепление водорода) происходит по-разному для различных алканов. Условия проведения реакции - температура в пределах от 400 до 600 °C, а также присутствие катализатора, в роли которого могут выступать никель или платина.
Из соединения, в углеродном скелете которого 2 или 3 атома C, образуется алкен:
C2H6 = C2H4 + H2.
Если в цепи молекулы 4-5 атомов углерода, то после дегидрирования получится алкадиен и водород.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Начиная с гексана, во время реакции образуется бензол или производные от него вещества.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Следует также упомянуть реакцию конверсии, проводящуюся для метана при температуре 800 °C и в присутствии никеля:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Для других алканов конверсия нехарактерна.
Окисление и горение
Если алкан, нагретый до температуры не более 200 °C, будет взаимодействовать с кислородом в присутствии катализатора, то в зависимости от прочих условий проведения реакции будут различаться получаемые продукты: это могут быть представители классов альдегидов, карбоновых кислот, спиртов или кетонов.
В случае полного окисления алкан сгорает до конечных продуктов - воды и CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Если во время окисления количество кислорода оказалось недостаточным, конечным продуктом вместо углекислого газа станет уголь или CO.
Проведение изомеризации
Если обеспечить температуру около 100-200 градусов, для неразветвленных алканов становится возможна реакция перегруппировки. Второе обязательное условие для проведения изомеризации - присутствие катализатора AlCl3. В таком случае происходит изменение структуры молекул вещества и образуется его изомер.
Значительную долю алканов получают, выделяя их из природного сырья
. Чаще всего перерабатывают природный газ, главным компонентом, которого является метан или же подвергают крекингу и ректификации нефть.
А также следует вспомнить о химических свойствах алкенов. В 10 классе одним из первых лабораторных способов, изучаемых на уроках химии, является гидрирование непредельных углеводородов.
C3H6 + H2 = C3H8
Например, в результате присоединения водорода к пропилену получается единственный продукт - пропан.
При помощи реакции Вюрца из моногалогеналканов получают алканы, в структурной цепи которых число углеродных атомов удвоено:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Ещё один способ получения - взаимодействие соли карбоновой кислоты со щёлочью при нагревании:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Кроме того, метан иногда получают в электрической дуге (C + 2H2 = CH4) или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Алканы широко применяются в промышленности в качестве низкого по стоимости топлива. А также их используют как сырьё для синтеза других органических веществ. С этой целью обычно применяют метан, необходимый для и синтез-газа. Некоторые другие предельные углеводороды используют, чтобы получать синтетические жиры, а также как основу для смазочных материалов.
Для наилучшего понимания темы «Алканы» создан не один видеоурок, в котором подробно рассмотрены такие темы, как структура вещества, изомеры и номенклатура, а также показаны механизмы химических реакций.
В таблице представлены некоторые представители ряда алканов и их радикалы.
|
Формула |
Название |
Название радикала |
|||||||||||
|
CH3 метил |
|||||||||||||
|
C3H7 пропил |
|||||||||||||
|
C4H9 бутил |
|||||||||||||
|
изобутан |
изобутил |
||||||||||||
|
изопентан |
изопентил |
||||||||||||
|
неопентан |
неопентил |
||||||||||||
|
Из таблицы видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН2 -.Такой ряд сходных по строению, обладающих близкими химическими свойствами и отличающихся друг от друга числом данных групп называется гомологическим рядом. А вещества, составляющие его называются гомологами. Гомологи - вещества сходные по строению и свойствам, но отличающиеся по составу на одну или несколько гомологических разностей (- СН2 -)
Углеродная цепь - зигзаг (если n ≥ 3) σ - связи (свободное вращение вокруг связей) длина (-С-С-) 0,154 нм энергия связи (-С-С-) 348 кДж/моль Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр3-гибридизации
угол между связями С-C составляет 109°28", поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах равна 0,154 нм (1нм=1*10-9м). а) электронная и структурная формулы; б) пространственное строение
4. Изомерия - характерна СТРУКТУРНАЯ изомерия цепи с С4 Один из этих изомеров (н -бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение). Атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным , с двумя другими атомами углерода - вторичным , с тремя - третичным , с четырьмя - четвертичным . С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет с ростом числа углеродных атомов. Сравнительная характеристика гомологов и изомеров
1. Свою номенклатуру имеют радикалы (углеводородные радикалы)
| |||||||||||||
