Ъгъл на свързване на алкани. Разделянето на заместителите в бензеновия пръстен на два вида

Би било полезно да започнем с определение на понятието алкани. Това са наситени или ограничаващи.Можем също така да кажем, че това са въглероди, в които връзката на С атоми се осъществява чрез прости връзки. Общата формула е: CnH₂n+ 2.

Известно е, че съотношението на броя на атомите Н и С в техните молекули е максимално в сравнение с други класове. Поради факта, че всички валенции са заети от С или Н, химичните свойства на алканите не са изразени достатъчно ясно, поради което фразата наситени или наситени въглеводороди е тяхното второ име.

Съществува и едно по-старо наименование, което най-добре отразява тяхната относителна химическа инертност - парафини, което означава "лишени от афинитет".

И така, темата на днешния ни разговор: "Алкани: хомоложни серии, номенклатура, структура, изомерия." Ще бъдат представени и данни за техните физични свойства.

Алкани: структура, номенклатура

В тях С атомите са в състояние като sp3 хибридизация. В това отношение молекулата на алканите може да се демонстрира като набор от тетраедрични структури C, които са свързани не само една с друга, но и с H.

Има силни връзки с много ниска полярност между С и Н атомите. Атомите, от друга страна, винаги се въртят около прости връзки, поради което молекулите на алканите приемат различни форми, а дължината на връзката и ъгълът между тях са постоянни стойности. Формите, които се трансформират една в друга поради въртенето на молекулата около σ-връзките, обикновено се наричат нейни конформации.

В процеса на отделяне на Н атома от разглежданата молекула се образуват 1-валентни частици, наречени въглеводородни радикали. Те се появяват в резултат на не само съединения, но и неорганични. Ако извадим 2 водородни атома от наситена въглеводородна молекула, получаваме 2-валентни радикали.

По този начин номенклатурата на алканите може да бъде:

радиална (стара версия);
заместване (международно, системно). Предложено е от IUPAC.

Характеристики на радиалната номенклатура

В първия случай номенклатурата на алканите се характеризира със следното:

Разглеждане на въглеводородите като производни на метана, в които 1 или повече Н атоми са заменени с радикали.
Висока степен на удобство при не много сложни връзки.

Характеристики на заместващата номенклатура

Заместителната номенклатура на алканите има следните характеристики:

Основата за името е 1 въглеродна верига, докато останалите молекулни фрагменти се считат за заместители.
Ако има няколко еднакви радикала, номерът се посочва пред името им (строго с думи), а числата на радикалите се разделят със запетаи.

Химия: номенклатура на алкани

За удобство информацията е представена под формата на таблица.

Име на веществото	Основа на името (корен)	Молекулярна формула	Име на въглеродния заместител	Формула на въглеродния заместител

Горната номенклатура на алканите включва имена, които са се развили исторически (първите 4 члена от серията наситени въглеводороди).

Имената на разгънати алкани с 5 или повече С атома произлизат от гръцки цифри, които отразяват дадения брой атоми С. По този начин суфиксът -ан показва, че веществото е от серия от наситени съединения.

При именуването на разгънатите алкани за главна верига се избира този, който съдържа максимален брой атоми С. Той се номерира така, че заместителите да са с най-малък брой. При две или повече вериги с еднаква дължина основната е тази, която съдържа най-голям брой заместители.

Изомерия на алкани

Метанът CH₄ действа като въглеводороден прародител на тяхната серия. При всеки следващ представител на метановата серия има разлика от предходния в метиленовата група - CH₂. Тази закономерност може да се проследи в цялата серия от алкани.

Германският учен Шиел предложи тази серия да се нарече хомологична. В превод от гръцки означава "подобен, подобен".

По този начин хомоложната серия е набор от свързани органични съединения, които имат един и същи тип структура със сходни химични свойства. Хомолозите са членове на дадена серия. Хомоложната разлика е метиленовата група, по която се различават 2 съседни хомолози.

Както бе споменато по-рано, съставът на всеки наситен въглеводород може да бъде изразен с общата формула CnH₂n + 2. По този начин следващият член на хомоложната серия след метана е етанът - C₂H₆. За да се получи структурата му от метан, е необходимо да се замени 1 Н атом с CH3 (фигурата по-долу).

Структурата на всеки следващ хомолог може да бъде извлечена от предишния по същия начин. В резултат на това от етан се образува пропан - C₃H₈.

Какво представляват изомерите?

Това са вещества, които имат идентичен качествен и количествен молекулен състав (идентична молекулна формула), но различна химична структура, както и различни химични свойства.

Горните въглеводороди се различават по такъв параметър като точката на кипене: -0,5 ° - бутан, -10 ° - изобутан. Този тип изомерия се нарича изомерия на въглероден скелет, принадлежи към структурния тип.

Броят на структурните изомери нараства бързо с увеличаването на броя на въглеродните атоми. Така C₁₀H₂₂ ще съответства на 75 изомера (без пространствените), а за C₁₅H3₃₂ вече са известни 4347 изомера, за C₂₀H₄₂ - 366 319.

И така, вече стана ясно какви са алканите, хомоложна серия, изомерия, номенклатура. Сега е време да преминем към конвенциите за именуване на IUPAC.

IUPAC номенклатура: правила за образуване на имена

Първо, в структурата на въглеводорода е необходимо да се намери въглеродната верига, която е най-дълга и съдържа максимален брой заместители. След това е необходимо да се номерират С атомите на веригата, като се започне от края, до който заместителят е най-близо.

Второ, основата е името на наситен въглеводород с права верига, който съответства на най-главната верига по отношение на броя на С атомите.

Трето, преди основата е необходимо да се посочат номерата на локантите, близо до които се намират заместителите. Те са последвани от имената на заместителите с тире.

Четвърто, в случай на еднакви заместители при различни С атоми, локантите се комбинират и пред името се появява умножаващ префикс: ди - за два еднакви заместителя, три - за три, тетра - четири, пента - за пет и т.н. Цифрите трябва да бъдат отделени едно от друго със запетая, а думите - с тире.

Ако един и същ С атом съдържа два заместителя наведнъж, локантът също се записва два пъти.

Според тези правила се формира международната номенклатура на алканите.

Проекции на Нюман

Този американски учен предложи специални проекционни формули за графично представяне на конформациите - проекции на Нюман. Те съответстват на форми A и B и са показани на фигурата по-долу.

В първия случай това е A-екранирана конформация, а във втория е B-инхибирана конформация. В позиция А атомите Н са разположени на минимално разстояние един от друг. Тази форма съответства на най-голямата стойност на енергията, поради факта, че отблъскването между тях е най-голямо. Това е енергийно неблагоприятно състояние, в резултат на което молекулата се стреми да го напусне и да се премести в по-стабилна позиция B. Тук Н-атомите са възможно най-далеч един от друг. И така, енергийната разлика между тези позиции е 12 kJ / mol, поради което свободното въртене около оста в молекулата на етана, което свързва метиловите групи, е неравномерно. След като влезе в енергийно благоприятна позиция, молекулата се задържа там, с други думи, „забавя“. Ето защо се нарича инхибиран. Резултатът - 10 хиляди молекули етан са в затруднена форма на конформация при стайна температура. Само един е с различна форма - затъмнен.

Получаване на наситени въглеводороди

От статията вече стана известно, че това са алкани (тяхната структура, номенклатура са описани подробно по-рано). Би било полезно да помислите как да ги получите. Те са изолирани от такива природни източници като нефт, природни, въглища. Използват се и синтетични методи. Например H₂ 2H₂:

Процес на хидрогениране CnH₂n (алкени)→ CnH₂n+2 (алкани) ← CnH₂n-2 (алкини).
От смес от монооксид С и Н - синтезен газ: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH2O.
От карбоксилни киселини (техните соли): електролиза на анода, на катода:

Електролиза на Колбе: 2RCOONa+2H2O→R-R+2CO2+H2+2NaOH;
Реакция на Дюма (алкална сплав): CH3COONa+NaOH (t)→CH4+Na2CO3.

Крекинг на нефт: CnH₂n+2 (450-700°) → CmH₂m+2+ Cn-mH2(n-m).
Газификация на гориво (твърдо): C+2H₂→CH4.
Синтез на сложни алкани (халогенни производни), които имат по-малко С атоми: 2CH₃Cl (хлорометан) +2Na →CH3- CH3 (етан) +2NaCl.
Водно разлагане на метаниди (метални карбиди): Al₄C3+12H₂O→4Al(OH3)↓+3CH₄.

Физични свойства на наситените въглеводороди

За удобство данните са групирани в таблица.

Формула	Алкан	Точка на топене в °C	Точка на кипене в °C	Плътност, g/ml
				0,415 при t = -165°С
				0,561 при t= -100°C
				0,583 при t = -45°C
				0,579 при t =0°C
	2-метил пропан			0,557 при t = -25°C
	2,2-диметил пропан

	2-метилбутан

	2-Метилпентан


	2,2,3,3-тетра-метилбутан
	2,2,4-триметил-пентан

n-C1₀H2₂
n-C₁1H24	н-ундекан
n-C12H26	n-додекан
n-C13H28	n-тридекан
n-C1₄H30	n-тетрадекан
n-C15H32	n-пентадекан
n-C16H34	n-хексадекан
n-C₂₀H4₂	n-Eikosan
n-C3₀H6₆₂	n-триаконтан		1 mmHg ул
n-C₄₀H₈₂	n-тетраконтан		3 mmHg Изкуство.
n-C₅₀H₁0₀₂	n-пентаконтан		15 mmHg Изкуство.
n-C₆₀H₁₂₂	n-хексаконтан
n-C₇₀H₁₄₂	n-хептаконтан
n-C₁0₀H20₀₂

Заключение

Статията разглежда такова понятие като алкани (структура, номенклатура, изомерия, хомоложни серии и др.). Разказано е малко за характеристиките на радиалната и заместващата номенклатура. Описани са методи за получаване на алкани.

Освен това цялата номенклатура на алканите е описана подробно в статията (тестът може да помогне за асимилирането на получената информация).

Алкани (метан и неговите хомолози) имат обща формула С н H2 н+2. Първите четири въглеводорода се наричат метан, етан, пропан, бутан. Имената на висшите членове на тази серия се състоят от корена - гръцкото число и наставката -ан. Имената на алканите са в основата на номенклатурата на IUPAC.

Правила за систематична номенклатура:

Правило на основната верига.

Основната верига се избира въз основа на следните критерии в последователност:

Максималният брой функционални заместители.
Максималният брой множествени връзки.
Максимална дължина.
Максималният брой странични въглеводородни групи.

Правилото на най-малките числа (локанти).

Основната верига е номерирана от единия край до другия с арабски цифри. Всеки заместител получава номера на въглеродния атом на основната верига, към която е свързан. Номерационната последователност е избрана по такъв начин, че сумата от числата на заместителите (локанти) да е най-малка. Това правило важи и за номерирането на моноцикличните съединения.

Радикално правило.

Всички въглеводородни странични групи се считат за едновалентни (единично свързани) радикали. Ако самият страничен радикал съдържа странични вериги, тогава в него се избира допълнителна главна верига съгласно горните правила, която се номерира, започвайки от въглеродния атом, свързан с основната верига.

правило за азбучен ред.

Името на съединението започва със списък на заместителите, като имената им се посочват по азбучен ред. Името на всеки заместител се предхожда от неговия номер в главната верига. Наличието на няколко заместителя се обозначава с префикси-числители: ди-, три-, тетра- и т.н. След това се нарича въглеводородът, съответстващ на основната верига.

В табл. 12.1 показва имената на първите пет въглеводорода, техните радикали, възможни изомери и съответните им формули. Имената на радикалите завършват с наставката -yl.

Формула		Име
въглеводород	радикален	въглища- водород	радикален


			Изопропил
		Метилпропан (изобутан)	Метилпропил (изобутил) терт-бутил

		метилбутан (изопентан)	метилбутил (изопентил)
		диметилпропан (неопентан)	диметилпропил (неопентил)

Таблица 12.1.

Алкани от ациклопичната серия C н H2 н +2 .

Пример. Назовете всички изомери на хексан.

Пример. Назовете алкана със следната структура

В този пример от две вериги от дванадесет атома се избира тази, в която сборът от числата е най-малък (правило 2).

Използвайки имената на разклонени радикали, дадени в табл. 12.2,

Радикален	Име	Радикален	Име
	изопропил		изопентил
	изобутил		неопентил
	сек-бутил		терт-пентил
	терт-бутил		изохексил

Таблица 12.2.

Имена на разклонени радикали.

името на този алкан е донякъде опростено:

10-трет-бутил-2,2-(диметил)-7-пропил-4-изопропил-3-етил додекан.

Когато въглеводородната верига е затворена в цикъл със загуба на два водородни атома, се образуват моноциклоалкани с обща формула C н H2 н. Циклизирането започва от C 3, имената се образуват от C нс префикс цикло:

полициклични алкани.Имената им се образуват от префикса бицикло-, трицикло- и т.н. Бицикличните и трицикличните съединения съдържат съответно два и три цикъла в молекулата, за да опишат структурата си в квадратни скоби, посочват в низходящ ред броя на въглеродните атоми във всеки от веригите, свързващи възловите атоми; под формулата името на атома:

Този трицикличен въглеводород обикновено се нарича адамантан (от чешкия адамант, диамант), защото е комбинация от три кондензирани циклохексанови пръстена във форма, която води до диамантено подреждане на въглеродни атоми в кристалната решетка.

Цикличните въглеводороди с един общ въглероден атом се наричат спирани, например спиро-5,5-ундекан:

Планарните циклични молекули са нестабилни, така че се образуват различни конформационни изомери. За разлика от конфигурационните изомери (пространственото разположение на атомите в молекулата без оглед на ориентацията), конформационните изомери се различават един от друг само чрез въртенето на атоми или радикали около формално прости връзки, като същевременно запазват конфигурацията на молекулите. Енергията на образуване на стабилен конформер се нарича конформационен.

Конформерите са в динамично равновесие и се превръщат един в друг чрез нестабилни форми. Нестабилността на равнинните цикли се причинява от значителна деформация на ъглите на връзката. При запазване на тетраедричните ъгли на връзката за циклохексан C 6H 12 са възможни две стабилни конформации: под формата на стол (a) и под формата на баня (b):

Ацикличните въглеводороди се наричат алкани. Има общо 390 алкани. Nonacontatrictan (C 390 H 782) има най-дългата структура. Халогените могат да се прикрепят към въглеродни атоми, за да образуват халоалкани.

Структура и номенклатура

По дефиниция алканите са наситени или наситени въглеводороди с линейна или разклонена структура. Наричат се още парафини. Алканите съдържат само единични ковалентни връзки между въглеродните атоми. Обща формула -

За да назовете вещество, трябва да следвате правилата. Според международната номенклатура имената се образуват с помощта на наставката -an. Имената на първите четири алкани са се развили исторически. Започвайки от петия представител, имената се състоят от префикс, указващ броя на въглеродните атоми, и суфикс -an. Например окта (осем) прави октан.

За разклонените вериги имената се сумират:

от числата, показващи броя на въглеродните атоми, около които стоят радикалите;
от името на радикалите;
от името на основната верига.

Пример: 4-метилпропан - четвъртият въглероден атом в пропановата верига има радикал (метил).

Ориз. 1. Структурни формули с имената на алкани.

Всеки десети алкан назовава следващите девет алкана. След декан идват ундекан, додекан и т.н.; след ейкозан, генеикозан, докозан, трикозан и т.н.

хомоложни серии

Първият представител е метанът, поради което алканите се наричат още хомоложна серия на метана. Таблицата на алканите показва първите 20 представителя.

*Име*	*Формула*	*Име*	*Формула*


		Тридекан
		Тетрадекан
		Пентадекан
		хексадекан
		Хептадекан
		Октадекан
		Нанадекан

Започвайки с бутан, всички алкани имат структурни изомери. Префиксът изо- се добавя към името: изобутан, изопропан, изохексан.

Ориз. 2. Примери за изомери.

Физични свойства

Агрегатното състояние на веществата се променя в списъка на хомолозите отгоре надолу. Колкото повече въглеродни атоми се съдържат и съответно колкото по-голямо е молекулното тегло на съединенията, толкова по-висока е точката на кипене и по-твърдо е веществото.

Останалите вещества, съдържащи повече от 15 въглеродни атома, са в твърдо състояние.

Газообразните алкани горят със син или безцветен пламък.

Касова бележка

Алканите, подобно на други класове въглеводороди, се получават от нефт, газ и въглища. За това се използват лабораторни и индустриални методи:

газификация на твърдо гориво:
C + 2H 2 → CH 4;
хидрогениране на въглероден оксид (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;

хидролиза на алуминиев карбид:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4;
реакция на алуминиев карбид със силни киселини:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
редукция на халоалкани (реакция на заместване):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
хидрогениране на халоалкани:
CH3Cl + H2 → CH4 + HCl;
сливане на соли на оцетна киселина с основи (реакция на Дюма):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.

Алканите могат да се получат чрез хидрогениране на алкени и алкини в присъствието на катализатор - платина, никел, паладий.

Химични свойства

Алканите реагират с неорганични вещества:

изгаряне:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
халогениране:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
нитриране (реакция на Коновалов):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
Връзка:

Определение 1

Алканинаричани такива въглеводороди, въглеродни атоми, в молекулите на които са свързани помежду си с прости (единични) $\sigma $-връзки. Всички други валентни единици на въглеродни атоми в тези съединения са заети (наситени) с водородни атоми.

Въглеродните атоми в наситените въглеводородни молекули са в първото валентно състояние, тоест в $sp3$ хибридизационно състояние. Тези наситени въглеводороди се наричат още парафини.

Тези органични съединения се наричат парафини, тъй като дълго време се считат за нискореактивни (от лат. парум- малко и affinis- има афинитет).

Старото наименование на наситените въглеводороди е алифатни или мастни въглеводороди (от лат. алифатичен- получер). Това име идва от името на първите изследвани съединения, които някога са били приписвани на тези вещества - мазнини.

Наситените въглеводороди образуват поредица от съединения с общата формула $C_nH_((2_n+2))$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$. Просто съединение от тази серия е метан $CH_4$. Следователно редица от тези съединения се наричат също редица метанови въглеводороди.

Хомологични серии

Съединенията от серията метан имат подобни структури и свойства. Такава серия от съединения, чиито представители имат близки химични свойства и се характеризират с закономерна промяна на физичните свойства, имат еднакъв тип структура и се различават една от друга с една или повече $-CH_2$-групи, се нарича хомоложна серия (от гръцки.) homos"- сходство). Всеки следващ въглеводород от тази серия се различава от предишния с групата $-CH_2$. Тази група се нарича хомоложна разлика, а отделните членове на тази серия се наричат хомолози.

Произход на имената на алкани

Имената на първите четири наситени въглеводороди (метан, етан, пропан, бутан) са възникнали случайно. Например коренът на думата "етан" идва от латинската дума етер- етери, тъй като останалата част от етана $-C_2H_5$ е част от медицинския етер. Започвайки с $C_5H_(12)$, имената на алканите произлизат от гръцки или латински цифри, които показват броя на въглеродните атоми в дадена наситена въглеводородна молекула, като към тези имена се добавя суфикс -an. Така въглеводородът $C_5H_(12)$ се нарича пентан (от гръцки " пента"- пет), $ C_6H_ (14) $ - хексан (от гръцки. " хекса"- шест), $ C_7H_(10) $ - хептан (от гръцки. " хепта"- седем) и т.н.

Правила за систематична номенклатура

За наименованието на органичните вещества комисията на Международния съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) разработи правила за систематична (научна) номенклатура. Съгласно тези правила имената на въглеводородите се дават по следния начин:

В молекулата на въглеводорода се избира основната - дълга и сложна (която има най-голям брой разклонения) - въглеродна верига.

Въглеродните атоми на основната верига са номерирани.Номерирането се извършва последователно от края на веригата, което дава на радикала най-малкото число. Ако има няколко алкилови радикала, тогава се сравнява размерът на цифрите на две възможни последователни номерации. А номерирането, при което първото число е по-малко от второто поредно номериране, се счита за "по-малко" и се използва за съставяне на името на въглеводорода.

Номерирането отдясно наляво ще бъде "по-малко" от номерирането отляво надясно.

Те наричат въглеводородни радикали, които образуват странични вериги.Преди името на всеки радикал се поставя число, което показва номера на въглеродния атом на главната верига, на който се намира този радикал. Номерът е отделен от името с тире. Имената на алкиловите радикали са изброени по азбучен ред. Ако въглеводородът има няколко идентични радикала в състава си, тогава броят на въглеродните атоми, които имат тези радикали, се записват във възходящ ред. Числата са разделени едно от друго със запетаи. След числата се пишат префикси: ди- (ако има два еднакви радикала), три- (когато има три еднакви радикала), тетра-, пента- и т.н. (ако има съответно четири, пет еднакви радикала, и т.н.). Префиксите показват колко идентични радикали има даден въглеводород. След префикса поставете името на радикала. В случай, че два еднакви радикала са на един и същ въглероден атом, номерът на този въглероден атом се поставя два пъти в името.

Назовете въглеводорода на основната номерирана въглеродна верига, като помните, че имената на всички наситени въглеводороди имат наставка -an.

Следният пример ще ви помогне да разберете тези правила:

Снимка 1.

Алкилови радикали със странична верига

Понякога алкиловите радикали на страничните вериги са разклонени. В този случай те се наричат като съответните наситени въглеводороди, само че вместо наставката -an те приемат наставката -yl.

Въглеродната верига на разклонения радикал е номерирана. Въглеродният атом на този радикал, свързан с главната верига, получава числото $1$. За удобство въглеродната верига на разклонения радикал е номерирана с първични числа и пълното име на такъв радикал е взето в скоби:

Фигура 2.

Рационална номенклатура

В допълнение към систематичната номенклатура за наименованието на наситените въглеводороди се използва и рационална номенклатура. Съгласно тази номенклатура наситените въглеводороди се разглеждат като производни на метана, в чиято молекула един или повече водородни атоми са заменени с радикали. Името на наситен въглеводород според рационалната номенклатура се формира по този начин: според степента на сложност се наименуват всички радикали, които са на въглеродния атом с най-голям брой заместители (отбелязвайки броя им, ако са еднакви), и след това се добавя основата на името на въглеводорода според тази номенклатура - думата "метан" . Например:

Фигура 3

Рационалната номенклатура се използва за именуване на относително прости въглеводороди. Тази номенклатура не е толкова усъвършенствана и много по-малко удобна за използване от систематичната номенклатура. Според рационалната номенклатура едно и също вещество може да има различни имена, което е много неудобно. В допълнение, не всички наситени въглеводороди могат да бъдат наречени според тази номенклатура.

Нагряването на натриева сол на оцетна киселина (натриев ацетат) с излишък от алкали води до елиминиране на карбоксилната група и образуване на метан:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2CO3

Ако вместо натриев ацетат вземем натриев пропионат, тогава се образува етан, от натриев бутаноат - пропан и т.н.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2CO3

5. Синтез на Вюрц. Когато халоалканите реагират с натриев алкален метал, се образуват наситени въглеводороди и халид на алкален метал, например:

Действието на алкален метал върху смес от халокарбони (напр. бромоетан и бромометан) ще доведе до образуването на смес от алкани (етан, пропан и бутан).

Реакцията, на която се основава синтезът на Wurtz, протича добре само с халоалкани, в молекулите на които халогенният атом е свързан с първичния въглероден атом.

6. Хидролиза на карбиди. При обработката на някои карбиди, съдържащи въглерод в степен на окисление -4 (например алуминиев карбид), се образува метан с вода:

Al4C3 + 12H20 = ZCH4 + 4Al(OH)3 Физични свойства

Първите четири представителя на хомоложната серия на метана са газове. Най-простият от тях е метанът - газ без цвят, вкус и мирис (миризмата на "газ", като усетите, което трябва да се обадите на 04, се определя от миризмата на меркаптани - съдържащи сяра съединения, специално добавени към метан, използван в домакинството и промишлени газови уреди, за да могат хората в близост до тях да усетят миризмата на теча).

Въглеводородите със състав от C5H12 до C15H32 са течности, по-тежките въглеводороди са твърди вещества.

Точките на кипене и топене на алканите постепенно се увеличават с увеличаване на дължината на въглеродната верига. Всички въглеводороди са слабо разтворими във вода; течните въглеводороди са обикновени органични разтворители.

Химични свойства

1. Реакции на заместване. Най-характерните за алканите са реакциите на заместване на свободните радикали, по време на които водородният атом се замества с халогенен атом или някаква група.

Нека представим уравненията на най-типичните реакции.

Халогениране:

CH4 + C12 -> CH3Cl + HCl

В случай на излишък на халоген, хлорирането може да продължи, до пълното заместване на всички водородни атоми с хлор:

CH3Cl + C12 -> HCl + CH2Cl2
дихлорометан метилен хлорид

CH2Cl2 + Cl2 -> HCl + CHCl3
трихлорометан хлороформ

CHCl3 + Cl2 -> HCl + CCl4
въглероден тетрахлорид тетрахлорметан

Получените вещества се използват широко като разтворители и изходни материали в органичния синтез.

2. Дехидрогениране (елиминиране на водорода). Когато алкани преминават през катализатор (Pt, Ni, A12O3, Cr2O3) при висока температура (400-600 °C), водородната молекула се отделя и се образува алкен:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Реакции, придружени от разрушаване на въглеродната верига. Всички наситени въглеводороди изгарят с образуването на въглероден диоксид и вода. Газообразните въглеводороди, смесени с въздух в определени пропорции, могат да експлодират. Изгарянето на наситени въглеводороди е свободна радикална екзотермична реакция, която е от голямо значение при използване на алкани като гориво.

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 880kJ

Най-общо реакцията на горене на алканите може да се напише по следния начин:

Реакциите на термично разделяне са в основата на промишления процес - въглеводороден крекинг. Този процес е най-важният етап от рафинирането на петрол.

Когато метанът се нагрее до температура от 1000 ° C, започва пиролиза на метан - разлагане на прости вещества. При нагряване до температура от 1500 ° C е възможно образуването на ацетилен.

4. Изомеризация. Когато линейните въглеводороди се нагряват с изомеризационен катализатор (алуминиев хлорид), се образуват вещества с разклонен въглероден скелет:

5. Ароматизиране. Алканите с шест или повече въглеродни атома във веригата в присъствието на катализатор се циклизират, за да образуват бензен и неговите производни:

Каква е причината алканите да влизат в реакции, протичащи по механизма на свободните радикали? Всички въглеродни атоми в молекулите на алкани са в състояние на sp3 хибридизация. Молекулите на тези вещества са изградени с помощта на ковалентни неполярни C-C (въглерод-въглерод) връзки и слабо полярни C-H (въглерод-водород) връзки. Те нямат области с повишена и намалена електронна плътност, лесно поляризуеми връзки, т.е. такива връзки, в които електронната плътност може да се измества под въздействието на външни въздействия (електростатични полета на йони). Следователно алканите няма да реагират със заредени частици, тъй като връзките в молекулите на алканите не се разрушават чрез хетеролитичен механизъм.

Най-характерните реакции на алканите са реакциите на заместване на свободните радикали. По време на тези реакции водородният атом се заменя с халогенен атом или някаква група.

Кинетиката и механизмът на свободнорадикалните верижни реакции, т.е. реакциите, протичащи под действието на свободни радикали - частици с несдвоени електрони - са изследвани от забележителния руски химик Н. Н. Семенов. Именно за тези изследвания той е удостоен с Нобелова награда за химия.

Обикновено реакционният механизъм на заместване на свободните радикали е представен от три основни етапа:

1. Иницииране (нуклеация на верига, образуване на свободни радикали под действието на източник на енергия - ултравиолетова светлина, нагряване).

2. Развитие на верига (верига от последователни взаимодействия на свободни радикали и неактивни молекули, в резултат на което се образуват нови радикали и нови молекули).

3. Прекратяване на веригата (комбиниране на свободни радикали в неактивни молекули (рекомбинация), "смърт" на радикалите, прекъсване на веригата от реакции).

Научните изследвания на Н.Н. Семенов

Семенов Николай Николаевич

(1896 - 1986)

съветски физик и физикохимик, академик. Носител на Нобелова награда (1956). Научните изследвания са свързани с учението за химичните процеси, катализата, верижните реакции, теорията за топлинната експлозия и изгарянето на газови смеси.

Разгледайте този механизъм, като използвате примера на реакцията на хлориране на метан:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Започването на веригата възниква в резултат на факта, че под действието на ултравиолетово облъчване или нагряване настъпва хомолитично разцепване на връзката Cl-Cl и молекулата на хлора се разлага на атоми:

Cl: Cl -> Cl + + Cl

Получените свободни радикали атакуват молекулите на метана, откъсвайки техния водороден атом:

CH4 + Cl -> CH3 + HCl

и превръщайки се в радикали CH3, които от своя страна, сблъсквайки се с молекулите на хлора, ги унищожават с образуването на нови радикали:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl и т.н.

Веригата се развива.

Заедно с образуването на радикали, тяхната "смърт" настъпва в резултат на процеса на рекомбинация - образуването на неактивна молекула от два радикала:

CH3 + Cl -> CH3Cl

Cl+ + Cl+ -> Cl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Интересно е да се отбележи, че по време на рекомбинацията се отделя точно толкова енергия, колкото е необходима за разрушаване на новообразуваната връзка. В тази връзка рекомбинацията е възможна само ако в сблъсъка на два радикала участва трета частица (друга молекула, стената на реакционния съд), която поема излишната енергия. Това прави възможно регулирането и дори спирането на верижните реакции на свободните радикали.

Обърнете внимание на последния пример за реакция на рекомбинация - образуването на молекула етан. Този пример показва, че реакцията с участието на органични съединения е доста сложен процес, който наред с основния реакционен продукт често води до образуването на странични продукти, което води до необходимостта от разработване на сложни и скъпи методи за пречистване и изолиране на целеви вещества.

Реакционната смес, получена чрез хлориране на метан, заедно с хлорометан (CH3Cl) и хлороводород, ще съдържа: дихлорометан (CH2Cl2), трихлорометан (CHCl3), тетрахлорметан (CCl4), етан и неговите продукти на хлориране.

Сега нека се опитаме да разгледаме реакцията на халогениране (например бромиране) на по-сложно органично съединение - пропан.

Ако в случай на хлориране на метан е възможно само едно монохлорно производно, тогава в тази реакция вече могат да се образуват две монобромо производни:

Може да се види, че в първия случай водородният атом се замества при първичния въглероден атом, а във втория случай - при вторичния. Еднакви ли са скоростите на тези реакции? Оказва се, че в крайната смес преобладава продуктът от заместването на водородния атом, който се намира при вторичния въглерод, т.е. 2-бромопропан (CH3-CHBr-CH3). Нека се опитаме да обясним това.

За да направим това, ще трябва да използваме идеята за стабилността на междинните частици. Забелязахте ли, че когато описваме механизма на реакцията на хлориране на метан, споменахме метиловия радикал - CH3? Този радикал е междинна частица между метан CH4 и хлорометан CH3Cl. Междинна частица между пропан и 1-бромпропан е радикал с несдвоен електрон при първичния въглерод, а между пропан и 2-бромпропан - при вторичния.

Радикал с несдвоен електрон при вторичния въглероден атом (b) е по-стабилен от свободен радикал с несдвоен електрон при първичния въглероден атом (a). Произвежда се в по-големи количества. Поради тази причина основният продукт от реакцията на бромиране на пропан е 2-бромо-пропан, съединение, чието образуване протича чрез по-стабилна междинна частица.

Ето няколко примера за реакции на свободни радикали:

Реакция на нитриране (реакция на Коновалов)

Реакцията се използва за получаване на нитросъединения - разтворители, изходни материали за много синтези.

Каталитично окисление на алкани с кислород

Тези реакции са в основата на най-важните промишлени процеси за получаване на алдехиди, кетони, алкохоли директно от наситени въглеводороди, например:

CH4 + [O] -> CH3OH

Приложение

Наситените въглеводороди, особено метанът, се използват широко в промишлеността (схема 2). Те са просто и сравнително евтино гориво, суровина за получаване на голям брой от най-важните съединения.

Съединения, получени от метан, най-евтината въглеводородна суровина, се използват за производството на много други вещества и материали. Метанът се използва като източник на водород при синтеза на амоняк, както и за производство на синтезен газ (смес от CO и H2), използван за промишлен синтез на въглеводороди, алкохоли, алдехиди и други органични съединения.

Въглеводородите от маслените фракции с по-висока точка на кипене се използват като гориво за дизелови и турбореактивни двигатели, като основа за смазочни масла, като суровина за производството на синтетични мазнини и др.

Ето няколко индустриално значими реакции, включващи метан. Метанът се използва за производство на хлороформ, нитрометан, кислородсъдържащи производни. Алкохоли, алдехиди, карбоксилни киселини могат да се образуват чрез директно взаимодействие на алкани с кислород, в зависимост от реакционните условия (катализатор, температура, налягане):

Както вече знаете, въглеводородите със състав от C5H12 до C11H24 са включени в бензиновата фракция на петрола и се използват главно като гориво за двигатели с вътрешно горене. Известно е, че най-ценните компоненти на бензина са изомерните въглеводороди, тъй като те имат най-висока устойчивост на удар.

Въглеводородите, когато са в контакт с атмосферния кислород, бавно образуват съединения с него - пероксиди. Това е бавна свободна радикална реакция, инициирана от кислородна молекула:

Имайте предвид, че хидропероксидната група се образува при вторични въглеродни атоми, които са най-разпространени в линейните или нормалните въглеводороди.

При рязко повишаване на налягането и температурата, което се случва в края на такта на компресия, разграждането на тези пероксидни съединения започва с образуването на голям брой свободни радикали, които „стартират“ верижната реакция на изгаряне на свободните радикали по-рано от необходимото . Буталото все още се издига, а продуктите от горенето на бензина, които вече са се образували в резултат на преждевременно запалване на сместа, го тласкат надолу. Това води до рязко намаляване на мощността на двигателя, неговото износване.

По този начин основната причина за детонация е наличието на пероксидни съединения, чиято способност за образуване е максимална за линейните въглеводороди.

k-хептанът има най-ниската устойчивост на детонация сред въглеводородите от бензиновата фракция (C5H14 - C11H24). Най-стабилен (т.е. образува пероксиди в най-малка степен) е така нареченият изооктан (2,2,4-триметилпентан).

Общоприетата характеристика на устойчивостта на детонация на бензина е октановото число. Октаново число 92 (например бензин A-92) означава, че този бензин има същите свойства като смес, състояща се от 92% изооктан и 8% хептан.

В заключение може да се добави, че използването на високооктанов бензин дава възможност да се увеличи степента на компресия (налягането в края на такта на компресия), което води до увеличаване на мощността и ефективността на двигателя с вътрешно горене.

Да бъдеш сред природата и да получаваш

В днешния урок вие се запознахте с такова понятие като алкани, а също така научихте за неговия химичен състав и методи за получаване. Затова нека сега се спрем по-подробно на темата за намирането на алкани в природата и да разберем как и къде са намерили приложение алканите.

Основните източници за получаване на алкани са природният газ и нефтът. Те съставляват по-голямата част от продуктите от нефтопреработката. Метанът, често срещан в отлаганията на седиментни скали, също е газов хидрат на алкани.

Основният компонент на природния газ е метанът, но съдържа и малка част от етан, пропан и бутан. Метанът може да се намери в емисиите от въглищни пластове, блатата и свързаните с тях петролни газове.

Анканите могат да се получат и чрез коксуване на въглища. В природата има и така наречените твърди алкани - озоцерити, които се представят под формата на отлагания на планински восък. Озокеритът може да се намери във восъчните покрития на растенията или техните семена, както и в състава на пчелния восък.

Промишленото изолиране на алкани се взема от естествени източници, които за щастие все още са неизчерпаеми. Те се получават чрез каталитично хидрогениране на въглеродни оксиди. Също така метанът може да се получи в лабораторията, като се използва методът на нагряване на натриев ацетат с твърда основа или хидролиза на някои карбиди. Но също така алкани могат да бъдат получени чрез декарбоксилиране на карбоксилни киселини и чрез тяхната електролиза.

Приложение на алкани

Алканите на ниво домакинство се използват широко в много области на човешката дейност. Много е трудно да си представим нашия живот без природен газ. И за никого няма да е тайна, че основата на природния газ е метанът, от който се произвеждат сажди, които се използват в производството на топографски бои и гуми. Хладилникът, който всеки има в дома си също работи благодарение на алкановите съединения, използвани като хладилни агенти. А ацетиленът, получен от метан, се използва за заваряване и рязане на метали.

Сега вече знаете, че алканите се използват като гориво. Те присъстват в състава на бензин, керосин, соларно масло и мазут. В допълнение, те също са в състава на смазочни масла, вазелин и парафин.

Като разтворител и за синтеза на различни полимери циклохексанът е намерил широко приложение. Циклопропанът се използва при анестезия. Скваланът, като висококачествено смазочно масло, е съставка в много фармацевтични и козметични препарати. Алканите са суровините, с които се получават органични съединения като алкохол, алдехиди и киселини.

Парафинът е смес от висши алкани и тъй като е нетоксичен, се използва широко в хранително-вкусовата промишленост. Използва се за импрегниране на опаковки за млечни продукти, сокове, зърнени храни и т.н., но също така и при производството на дъвки. А загрятият парафин се използва в медицината за парафинолечение.

В допълнение към горното, кибритените глави се импрегнират с парафин, за по-добро изгаряне от него се правят моливи и свещи.

Чрез окисляване на парафина се получават кислородсъдържащи продукти, главно органични киселини. При смесване на течни въглеводороди с определен брой въглеродни атоми се получава вазелин, който намира широко приложение както в парфюмерията и козметологията, така и в медицината. Използва се за приготвяне на различни мехлеми, кремове и гелове. И също така се използва за термични процедури в медицината.

Практически задачи

1. Напишете общата формула за въглеводороди от хомоложната серия от алкани.

2. Напишете формулите за възможните изомери на хексана и ги наименувайте според систематичната номенклатура.

3. Какво е кракване? Какви видове крекинг познавате?

4. Напишете формули за възможни продукти от крекинг на хексан.

5. Дешифрирайте следната верига от трансформации. Назовете съединения A, B и C.

6. Дайте структурната формула на въглеводорода C5H12, който образува само едно монобромо производно по време на бромиране.

7. За пълното изгаряне на 0,1 mol алкан с неизвестна структура са изразходвани 11,2 литра кислород (при n.a.). Каква е структурната формула на алкан?

8. Каква е структурната формула на газообразен наситен въглеводород, ако 11 g от този газ заемат обем от 5,6 литра (при n.a.)?

9. Прегледайте какво знаете за употребата на метан и обяснете защо изтичането на битов газ може да се открие по миризмата, въпреки че неговите съставки са без мирис.

десет*. Какви съединения могат да бъдат получени чрез каталитично окисление на метан при различни условия? Напишете уравненията на съответните реакции.

единадесет*. Продукти от пълно изгаряне (в излишък на кислород) 10,08 литра (n.a.) смес от етан и пропан бяха прекарани през излишък от варовита вода. Това образува 120 g утайка. Определете обемния състав на първоначалната смес.

12*. Плътността на етана на смес от два алкана е 1,808. При бромиране на тази смес се изолират само две двойки изомерни монобромоалкани. Общата маса на по-леките изомери в реакционните продукти е равна на общата маса на по-тежките изомери. Определете обемната част на по-тежкия алкан в първоначалната смес.