Получаване на наситени въглеводороди. Научна библиотека - резюмета - резюме: получаване на въглеводороди

Въглеводородите са най-простите органични съединения. Те са съставени от въглерод и водород. Съединенията на тези два елемента се наричат ​​наситени въглеводороди или алкани. Техният състав се изразява с общата за алканите формула CnH2n+2, където n е броят на въглеродните атоми.

Във връзка с

Съученици

Алкани - международното наименование на тези съединения. Освен това тези съединения се наричат ​​парафини и наситени въглеводороди. Връзката в молекулите на алкани е проста (или единична). Останалите валенции са наситени с водородни атоми. Всички алкани са наситени с водород до границата, неговите атоми са в състояние на sp3 хибридизация.

Хомоложна серия от наситени въглеводороди

Първият в хомоложната серия от наситени въглеводороди е метанът. Формулата му е CH4. Окончанието -an в името на наситените въглеводороди е отличителна черта. Освен това, в съответствие с горната формула, етан - C2H6, пропан C3H8, бутан - C4H10 са разположени в хомоложната серия.

От петия алканв хомоложната серия имената на съединенията се образуват, както следва: гръцко число, показващо броя на въглеводородните атоми в молекулата + окончание -an. И така, на гръцки числото 5 е пенде, съответно бутанът е последван от пентан - C5H12. Следва - хексан C6H14. хептан - C7H16, октан - C8H18, нонан - C9H20, декан - C10H22 и др.

Физичните свойства на алканите се променят значително в хомоложната серия: температурата на топене и точката на кипене се увеличават, плътността се увеличава. Метан, етан, пропан, бутан при нормални условия, т.е. при температура от приблизително 22 градуса по Целзий, са газове, от пентан до хексадекан включително - течности, от хептадекан - твърди вещества. Започвайки с бутан, алканите имат изомери.

Има таблици, показващи промени в хомоложната серия на алкани, които ясно отразяват физическите им свойства.

Номенклатура на наситените въглеводороди, техните производни

Ако водороден атом се отдели от въглеводородна молекула, тогава се образуват едновалентни частици, които се наричат ​​радикали (R). Името на радикала се дава от въглеводорода, от който се получава този радикал, докато окончанието -an се променя на окончанието -yl. Например от метан, когато се отстрани водороден атом, се образува метилов радикал, от етан - етил, от пропан - пропил и т.н.

Радикали се образуват и в неорганичните съединения. Например, като се отнеме хидроксилната група OH от азотната киселина, може да се получи едновалентен радикал -NO2, който се нарича нитро група.

Когато се отдели от молекулаалкан от два водородни атома се образуват двувалентни радикали, имената на които също се формират от имената на съответните въглеводороди, но краят се променя на:

• илиен, в случай че водородните атоми са откъснати от един въглероден атом,
• илен, в случай че два водородни атома са откъснати от два съседни въглеродни атома.

Алкани: химични свойства

Помислете за реакциите, характерни за алканите. Всички алкани имат общи химични свойства. Тези вещества са неактивни.

Всички известни реакции, включващи въглеводороди, са разделени на два вида:

• разрушаване на връзката С-Н (пример е реакция на заместване);
• разкъсване на връзката C-C (напукване, образуване на отделни части).

Много активен по време на образуването на радикали. Сами по себе си те съществуват за части от секундата. Радикалите лесно реагират един с друг. Техните несдвоени електрони образуват нова ковалентна връзка. Пример: CH3 + CH3 → C2H6

Радикалите реагират с готовностс органични молекули. Те или се прикрепят към тях, или откъсват атом с несдвоен електрон от тях, в резултат на което се появяват нови радикали, които от своя страна могат да реагират с други молекули. При такава верижна реакция се получават макромолекули, които спират да растат само когато веригата се скъса (пример: свързването на два радикала)

Реакциите на свободните радикали обясняват много важни химични процеси като:

• експлозии;
• окисление;
• Крекинг на масло;
• Полимеризация на ненаситени съединения.

подробно химичните свойства могат да бъдат разгледанинаситени въглеводороди на примера на метан. По-горе вече разгледахме структурата на молекулата на алкана. Въглеродните атоми са в състояние на sp3 хибридизация в молекулата на метана и се образува достатъчно силна връзка. Метанът е газ с основен мирис и цвят. По-лек е от въздуха. Той е слабо разтворим във вода.

Алканите могат да горят. Метанът гори със синкав блед пламък. В този случай резултатът от реакцията ще бъде въглероден окис и вода. При смесване с въздух, както и в смес с кислород, особено ако обемното съотношение е 1:2, тези въглеводороди образуват експлозивни смеси, поради което е изключително опасно за използване в бита и мини. Ако метанът не изгори напълно, тогава се образуват сажди. В индустрията се получава по този начин.

Формалдехидът и метиловият алкохол се получават от метана чрез окисляването му в присъствието на катализатори. Ако метанът се нагрее силно, той се разлага по формулата CH4 → C + 2H2

Разпадане на метанможе да се извърши до междинен продукт в специално оборудвани пещи. Междинният продукт е ацетилен. Формула на реакцията 2CH4 → C2H2 + 3H2. Отделянето на ацетилена от метана намалява производствените разходи почти наполовина.

Водородът също се произвежда от метан чрез превръщане на метан с пара. Метанът се характеризира с реакции на заместване. И така, при нормална температура, на светлина, халогените (Cl, Br) изместват водорода от молекулата на метана на етапи. По този начин се образуват вещества, наречени халогенопроизводни. Хлорни атоми, замествайки водородните атоми във въглеводородна молекула, образуват смес от различни съединения.

Такава смес съдържа хлорометан (CH3 Cl или метилен хлорид), дихлорометан (CH2Cl2 или метилен хлорид), трихлорометан (CHCl3 или хлороформ), тетрахлорметан (CCl4 или тетрахлорметан).

Всяко от тези съединения може да бъде изолирано от смес. В производството хлороформът и тетрахлоридът са от голямо значение, поради факта, че те са разтворители на органични съединения (мазнини, смоли, каучук). Халогенните производни на метана се образуват по верижен свободен радикален механизъм.

Светлината влияе върху молекулите на хлора, карайки ги да се разпаднатв неорганични радикали, които извличат водороден атом с един електрон от молекула метан. Това произвежда HCl и метил. Метилът реагира с хлорна молекула, което води до халогенно производно и хлорен радикал. Освен това хлорният радикал продължава верижната реакция.

При обикновени температури метанът има достатъчна устойчивост на основи, киселини и много окислители. Изключение прави азотната киселина. При реакцията с него се образуват нитрометан и вода.

Реакциите на присъединяване не са характерни за метана, тъй като всички валенции в неговата молекула са наситени.

Реакциите, включващи въглеводороди, могат да протичат не само с разцепване на връзката С-Н, но и с разкъсване на връзката С-С. Тези трансформации се извършват при високи температури.и катализатори. Тези реакции включват дехидрогениране и крекинг.

От наситени въглеводороди чрез окисление се получават киселини – оцетна (от бутан), мастни киселини (от парафин).

Получаване на метан

В природата метаншироко разпространен. Той е основната съставка на повечето горими природни и изкуствени газове. Изпуска се от въглищните пластове в мините, от дъното на блатата. Природните газове (което е много забележимо в свързаните газове от нефтени находища) съдържат не само метан, но и други алкани. Използването на тези вещества е разнообразно. Те се използват като гориво, в различни индустрии, в медицината и технологиите.

В лабораторни условия този газ се отделя при нагряване на смес от натриев ацетат + натриев хидроксид, както и при реакция на алуминиев карбид и вода. Метанът се получава и от прости вещества. За това предпоставкитеса отопление и катализатор. Промишлено значение има производството на метан чрез синтез на базата на пара.

Метанът и неговите хомолози могат да бъдат получени чрез калциниране на соли на съответните органични киселини с основи. Друг начин за получаване на алкани е реакцията на Wurtz, при която монохалогенопроизводните се нагряват с метален натрий.

Източници на наситени въглеводороди са нефтът и природният газ. Основният компонент на природния газ е най-простият въглеводород, метанът, който се използва директно или преработен. Нефтът, извлечен от недрата на земята, също се подлага на обработка, ректификация и крекинг. Повечето въглеводороди се получават от преработката на нефт и други природни ресурси. Но значително количество ценни въглеводороди се получава изкуствено, синтетиченначини.

Изомеризация на въглеводороди

Наличието на изомеризационни катализатори ускорява образуването на разклонени въглеводороди от линейни въглеводороди. Добавянето на катализатори позволява донякъде да се намали температурата, при която протича реакцията.
Изооктанът се използва като добавка при производството на бензин, за подобряване на техните антидетонационни свойства, а също и като разтворител.

Хидрогениране (присъединяване на водород) на алкени

В резултат на крекинг се образува голямо количество ненаситени въглеводороди с двойна връзка, алкени. Техният брой може да бъде намален чрез добавяне на водород към системата и катализатори за хидрогениране- метали (платина, паладий, никел):

Нарича се крекинг в присъствието на катализатори за хидрогениране с добавяне на водород редукционно напукване. Основните му продукти са наситени въглеводороди. По този начин увеличаването на налягането по време на крекинг ( крекинг под високо налягане) ви позволява да намалите количеството газообразни (CH 4 - C 4 H 10) въглеводороди и да увеличите съдържанието на течни въглеводороди с дължина на веригата от 6-10 въглеродни атома, които формират основата на бензина.

Това бяха промишлени методи за получаване на алкани, които са в основата на промишлената преработка на основната въглеводородна суровина - нефт.

Сега разгледайте няколко лабораторни метода за получаване на алкани.

Декарбоксилиране на натриеви соли на карбоксилни киселини

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

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

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 халогенни въглеводороди (например бромоетан и бромометан) ще доведе до образуването на смес от алкани (етан, пропан и бутан).

!!! Реакцията на синтез на Wurtz води до удължаване на веригата от наситени въглеводороди.

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.

Хидролиза на карбиди

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

ПРОИЗВОДСТВО НА БУТАДИЕН-1,3 (ДИВИНИЛ)

Бутадиен-1,3 CH 2 = CH-CH-CH 2 е основният мономер за производството на синтетичен каучук.

Синтезът на бутадиен-1,3 от етанол, разработен от С. В. Лебедев, е първият промишлен метод за производство на мономер, въз основа на който през 1932 г. за първи път в света е пуснат завод за производство на синтетичен каучук. .

Общото уравнение на реакцията може да бъде написано като

2C 2 H 5 OH ® C 4 H 6 + H 2 + 2H 2 O, ΔH = 85 kJ

От уравнението може да се види, че общата реакция е комбинация от кондензация, дехидрогениране и дехидратация. На тези изисквания отговаря бифункционалният оксиден катализатор, предложен от Лебедев, който съдържа дехидрогениращи и дехидратиращи компоненти. Сега обаче методът е загубил своята практическа стойност. Основният недостатък на метода е неговата ниска селективност (дори теоретичният добив на дивинил от 100% етанол е 58,7%).

Понастоящем основните методи за синтез на дивинил са дехидрогенирането н- бутан, изолиран от природен газ и комплексна обработка на бутан-бутиленови пиролизни фракции на петролни продукти, включително екстракция на бутадиен, изолиране на изобутилен и дехидрогениране н-бутилени към бутадиен.

При дехидрогенирането на бутан термодинамичните ограничения играят важна роля, в резултат на което е почти невъзможно да се получи бутадиен-1,3 на един етап с технически приемлив добив при нормални условия и само с помощта на специални методи ( използване на вакуум, окислително дехидрогениране) може ли добивът да бъде повишен до необходимото ниво.

Повечето индустриални инсталации за производство на дивинил от бутан работят по двустепенна схема. Първият етап на дехидрогениране на бутан е превръщането му в бутилен, а вторият е процесът на получаване на дивинил от бутилен.

Дехидрогенирането на бутан до бутилен върху катализатор, стимулиран от хромен оксид, нанесен върху алуминиев оксид, протича съгласно реакцията

C 4 H 10 ® C 4 H 8 + H 2, ΔH = 131 kJ

Състав ...... Al 2 O 3 Fe 2 O 3 Cr 2 O 3 SiO 2 KNO 3 CaO H 2 O

Масова част, % 66,10 1,72 15,8 7,9 4,93 0,14 3,34

В процеса на дехидрогениране на бутан катализаторът се покрива с въглеродни отлагания и променя химичния си състав. В този случай активността на катализатора рязко намалява. За целите на повторното активиране, катализаторът непрекъснато се изтегля от реактора и се калцинира в поток от въздух в регенератор с кипящ слой. В този случай въглеродните съединения изгарят и по-ниските хромни оксиди се окисляват до Cr 2 Oz. Технологичната схема на инсталацията за дехидрогениране на бутан е показана на фиг. един.

Бутанът в течна форма влиза в сушилнята 1 напълнен с адсорбент (A1 2 O 3, зеолити) и след това в изпарителя 2. Получените пари се нагряват в тръбна пещ 3 до температура 780-820 К и влизат под разпределителната решетка на реактора 4 за обезводняване. Количеството топлина, необходимо за протичане на реакцията, се доставя с потока от нагрят регенериран катализатор от регенератора 5. Температурата в регенератора е 890-920 K. Регенерираният катализатор се подава към горната разпределителна решетка и следователно катализаторът и реакционните газове се движат в противоток. В горната част има намотка за охлаждане на реакционните газове. Благодарение на това температурата на газовете бързо се понижава до 720-750 K и се предотвратява по-нататъшното им разлагане.

Катализаторът се транспортира до регенератора от въздушен поток, а до реактора от първоначалните въглеводородни пари или азот. Контактният газ от реактора се изпраща в котела за отпадна топлина 6 за получаване на вторична пара и след това за улавяне на праха от катализатора и по-нататъшно охлаждане - в скрубера 7, напоен с вода. Димните газове от регенератора се освобождават от каталитичен прах в електростатичен филтър 8, след това преминават през скрубера и се изпускат в атмосферата.

За компенсиране на загубите и поддържане на активността ежедневно се добавя пресен катализатор към катализатора, циркулиращ в системата. Пречистеният контактен газ постъпва в турбокомпресора 9, чието изпускателно налягане е около 0,5 MPa, и след това в кондензационната система 10, където вода и кипящ пропан се използват последователно като хладилен агент. Некондензиралият продукт се изпраща към абсорбера 11 . Абсорбцията се осъществява от смес от въглеводороди C 6 -C 12 . Разтвореният бутилен се дестилира в десорбер 12 и смеси с втечнен продукт от кондензатора 10 влиза в системата от дестилационни колони 13 и 14. В колоните ниско- и висококипящи примеси се дестилират от дехидрогенния продукт (последните се добавят към циркулиращия абсорбент, за да компенсират загубите). Продуктите от дехидрогениране на бутан се изпращат в секция за екстракционна дестилация 15 за изолиране на бутиленовата фракция.

Дехидрогенирането на бутилен до дивинил продължава
калциев хром фосфатен катализатор чрез реакцията
C4H8®C4H8 + H2, ΔH=119kJ.

Технологичната схема на дехидрогениране на бутилен е показана на фиг.2.

Първоначалната бутиленова фракция и водната пара се прегряват в тръбни пещи 1 и 2 до 770 и 990 К, съответно, смесени директно преди реактора в инжекционен миксер 3 и се изпраща в реакторния блок 4. Газо-парната смес на изхода на реактора се "гаси" от воден кондензат, като веднага се охлажда до 810 K. Всеки реактор е оборудван с котел за отпадна топлина 5, след преминаване през който контактният газ се охлажда допълнително и се пречиства в система от два скрубера 6 и 7, от които първият се напоява с дизелово гориво, а вторият с вода. Водната пара се кондензира напълно в скруберите. След като напусне скрубера 7, газът се компресира в компресора 8 и кондензира в кондензационната система 9. Некондензираните въглеводороди се извличат допълнително в блока абсорбер-десорбер 10 и 11 . Абсорбентите са С6-С12 въглеводороди, образувани като странични продукти. Общият втечнен поток се изпраща към колоните 12 и 13 за предварително отделяне на ниско- и висококипящи примеси и по-нататък към екстрактивната дестилационна единица 14. Конверсията на бутилен е средно 40-45% със селективност за дивинил около 85%.

ХЛОРИРАНЕ НА ПАРАФИНИ И ТЕХНИТЕ ХАЛИДОПРОИЗВОДНИ

В промишлеността термичното хлориране се извършва в газовата фаза при температура, необходима за активирането на хлорните молекули, което води до радикална верижна реакция: C1 2 ® C1× + C1×

RH + C1×® R + HCl

R + Cl 2 ® RCl + C1× и т.н.

Реакцията на заместване на водородни атоми с хлорни атоми води до
до образуването на смес от моно-, ди- и полихлорни продукти и отделянето на хлороводород.

Преобладаващото образуване на един или друг продукт се определя от условията на реакцията; температурен режим и молекулно съотношение на въглеводород и хлор (фиг. 3).

Хлорирането на метан се извършва в хлоратор (фиг. 4), който представлява стоманено цилиндрично тяло, облицовано отвътре с шамотни тухли. 2, в горната част на която има накрайник от порцеланови рингове 3, допринасяйки за еднаква реакция. Половината от височината на вътрешността на хлоратора е заета от отворен керамичен вертикален цилиндър 4 с отвори на дъното, в които се спуска керамична тръба със стеснен пръстен, доставящ суровини. Процесът започва с предварително загряване на вътрешността на хлоратора (за иницииране на реакцията). Нагряването се извършва чрез изгаряне на част от метана, смесен с въздух, последвано от заместване на въздуха с хлор. Впоследствие реакцията протича автотермално. Продуктите от хлорирането се отстраняват от горната част на апарата, след това хлороводородът се улавя от газовата смес в киселинни абсорбери (получава се солна киселина), газовата смес се неутрализира с алкали, лиофилизира се, компресира се и се втечнява чрез дълбоко охлаждане. От течна смес, съдържаща 28-32% метилхлорид, 50-53% метиленхлорид, 12-14% хлороформ и 3-5% въглероден тетрахлорид, отделни продукти се изолират чрез ректификация.

Всички хлор-заместени метани са широко използвани. И така, метилхлоридът CH 3 C1 се използва като разтворител при производството на бутилкаучук, като метилиращ агент в органичния синтез, за ​​получаване на метилхлорсилани, които служат като суровина при производството на органосилициеви полимери - силикони. Метиленхлорид CH 2 C1 2 е ценен промишлен разтворител за целулозен ацетат, мазнини, масла, парафин, каучук; не е запалим и не образува експлозивни смеси с въздуха.

Хлориране с бензен

Чрез хлориране на бензен се получават монохлоробензен или други производни на хлора в зависимост от условията на хлориране. Така при 310–330 K и моларно съотношение на бензен и хлор 1:0,6 се образува монохлоробензен върху железен катализатор; с по-ниско съотношение и катализатор A1C1 3 се получава главно о-дихлоробензен (използван при синтеза на багрила и агенти за борба с вредителите); при същата температура при ултравиолетово облъчване се получава хексахлорциклохексан. На фиг. Фигура 5 показва схема за производство на хлоробензен с отстраняване на топлината от екзотермичната реакция поради изпаряването на излишния бензен.

Хлорирането се извършва в стоманен цилиндричен апарат,

облицована с киселиноустойчиви тухли, с накрайник от желязо и керамични халки. Смес от пресен и рециклиран бензен, дехидратиран чрез азеотропна дестилация, и сух електрически хлор се подават непрекъснато в хлоратора 1. Железният хлорид, образуван от корозията на железните пръстени на опаковката, катализира процеса на хлориране; температурата на реакцията, поддържана в рамките на 76-85 ° C, причинява изпаряване на излишния бензен. Разделянето на реакционната маса става в горната част на апарата 2. Чистият хлоробензен се получава чрез последователно промиване на суров хлоробензен с вода и разтвор на сода, последвано от фракциониране. Хлоробензенът се използва като разтворител за производството на фенол, багрила и инсектициди.

ПРОБЛЕМЪТ С ИЗПОЛЗВАНЕТО НА ХЛОР ВОДОРОД, ПРОИЗВЕДЕН В ПРОЦЕСИТЕ НА ХЛОРИРАНЕ НА ВЪГЛЕВОДОРОДИ

Хлороводородът е отпадъчен продукт от хлорирането на парафинови и ароматни въглеводороди при рафиниране на нефт, който се използва широко в промишления органичен синтез. Рециклирането е спешна задача, свързана с намаляване на разходите за продукти за хлориране, подобряване на санитарните условия и борба с корозията на металите.

Част от хлороводорода се използва за производство на солна киселина чрез противотокова абсорбция на НС1 във вода. Въпреки това местното търсене на солна киселина обикновено е много по-малко от капацитета за производството й от хлороводород. Транспортирането на солна киселина на дълги разстояния е трудно поради високата й корозивност.

Обещаващ начин за използване на НС1 е методът на окислителното хлориране. Този метод се използва в съвременната индустрия за синтезиране на винилхлорид от етилен: в реактор за окислително хлориране етиленът се превръща в 1,2-дихлороетан, чрез каталитично разлагане на който се получава винилхлорид; полученият НС1 отново се изпраща в реактора:

2CH 2 \u003d CH 2 + 4HC1 + O 2 ® 2CH 2 C1-CH 2 C1 + 2H 2 O, ΔH = -238 kJ / mol CH 2 C1-CH 2 C1 ® CH 2 \u003d CHCI + HC1.

Процесът на окислително хлориране протича при 530-570 K в присъствието на катализатор (меден хлорид върху инертен носител); пиролизата на дихлороетан се извършва при 770 K върху порест катализатор (пемза).

На фиг. 6 показва опростена схема за синтез на винилхлорид от етилен. В миксера 1 етилен, рециклиран газ и хлороводород се смесват с кислород и се подават в реактора 2 с флуидизиран катализатор; парите на образувания дихлоретан и нереагиралия етилен, кислород и НС1 се охлаждат в хладилник с директно смесване 3 смес от вода и дихлороетан, идваща от хладилника 4. След това сместа газ-пари преминава през горещ алкален скрубер 5, в който се пречиства от HCl и CO 2, охлажда се в хладилник и преминава през газов сепаратор 6, отделени от газове - смес от етилен и кислород, които се връщат обратно в реактора (рециклиран газ). Дихлороетанът в сепаратора 7 се отделя от водата, влиза в сушилната колона 8, където, с помощта на азеотропна дестилация, накрая се дехидратира и се подава в дестилационна колона 9; дихлоретан се събира в колекция 10. Последващата пиролиза на дихлороетан за получаване на винилхлорид се извършва в тръбна пещ 11 ; реакционната смес от пещта влиза в хладилника за директно смесване, охлажда се чрез циркулиращ охладен дихлороетан и след преминаване през хладилника 4, влиза в дестилационната колона 12, където се отделя НС1, който се връща в реактора за окислително хлориране, а винилхлоридът и непревърнатият дихлороетан се отделят в дестилационна колона 13; дихлороетан се връща в колоната 9, и винилхлоридът отива в полимеризацията.

От значителен интерес за рециклирането е комбинацията от предприятия, базирани на рафинерни газове, по-специално съвместната обработка на етилен и ацетилен и винилхлорид; Хлороводородът, образуван при производството на винилхлорид от етилен, се използва за хидрохлориране на ацетилен:

CH 2 \u003d CH 2 + C1 2 ® CH 2 C1-CH 2 C1 (пиролиза)® CH 2 \u003d CHC1 + HCI

CHºCH + HC1 ® CH 2 = CHC1

Икономичен начин за използване на хлороводород е да се комбинира хлориране на метан с окислително хлориране, за да се получи заместен с хлор метан:

CH4 + 4C1 2 ® CCI 4 + 4HC1

CH 4 + 4HC1 + O 2 ® SS! 4 + 2H 2 O

При този процес освен въглероден тетрахлорид се получават метиленхлорид и хлороформ. Тетрахлорметанът се използва като разтворител, в селското стопанство (фумигант), за гасене на пожари и др. Хлороформът е ценен междинен продукт при синтеза на феноли, флуоропласти и др.

Окислителното хлориране също така произвежда хлоробензен от смес газ-пара от бензен, хлороводород и въздух (кислород) при 500 K върху смесен катализатор (A1 2 O 3 -CuC1 2 - FeCl 3):

C 6 H 6 + HC1 + 1/ 2 O 2 ® C 6 H 5 C1 + H 2 O

Хлороводородът може да се използва чрез електрохимичното му окисление до хлор.

Предложен е хром-цезиев катализатор и метод за използването му за окисление на хлороводород до хлор, т.е. регенериране на хлор от отпадъчни газове от хлорирането на органични съединения.

ПРОИЗВОДСТВО И ПРЕРАБОТКА НА АЦЕТИЛЕН

Производството на ацетилен чрез разлагане на калциев карбид се извършва в ацетиленови генератори чрез мокри и сухи методи съгласно уравнението на реакцията:

CaC2 + 2H2O ® C2H2 + Ca (OH)2 ΔH = -127 kJ.

При мокрия метод, в генераторите, работещи на принципа "карбид към вода", натрошеният калциев карбид се подава равномерно в генератора, съдържащ голямо количество вода, чрез нагряване на което се отстранява отделената по време на процеса топлина. Оборудването, използвано по тази схема, и особено комуникациите за отстраняване на получената утайка и циркулация на водата, са много тромави. Освен това транспортирането и използването на течно варно мляко, съдържащо до 70% вода, създава големи затруднения.

Разработени са и ефективни индустриални методи за производство на ацетилен от въглеводороди. Ацетиленът се образува от парафини чрез следните обратими ендотермични реакции:

2CH 4 D C 2 H 2 + H 2 ΔH = 376 kJ

C 2 H 6 D C 2 H 2 + 2H 2 ΔH = 311 kJ

C 3 H 8 D C 2 H 2 + CH 4 + H 2 ΔH = 255 kJ

CH 4 D C + 2H 2 ΔH = 88 kJ

Реакция (d) е странична реакция.

Равновесието на реакциите с повишаване на температурата се измества към образуването на ацетилен. Висока степен на равновесна конверсия за метан се постига при T>1670 K, за етан - 1170 K. Но при температури> 1680 K ацетиленът и въглеводородите стават нестабилни и се разлагат на сажди и въглерод.

Реакцията на превръщане на метан в ацетилен при температури от 1670-1770 K, приети в производството, е по-бърза от реакцията на разлагане на ацетилена в елементи, поради което реакционните продукти се охлаждат бързо, което позволява да се предотврати разлагането на ацетилена, за същата цел се използват високи обемни скорости на газа, при които суровината трябва да бъде в реакционната зона само хилядни от секундата.

Според метода на подаване на топлина за осъществяване на екзотермичната реакция на образуване на ацетилен се разграничават следните методи за провеждане на процеса: 1) електрокрекинг на газообразни въглеводороди или течни продукти; 2) хомогенна пиролиза; 3) термично-окислителна пиролиза.

електрокрекингИзвършва се с помощта на волтова дъга в електродъгови пещи с постоянен ток.

Хомогенна пиролизасе състои в разлагане на суровини в поток от горещи димни газове при температура от около 2200 K.

При термична окислителна пиролизанеобходимата топлина се получава чрез изгаряне на част от метана.

Основните недостатъци на карбидния метод за производство на ацетилен са високата консумация на енергия при производството на калциев карбид и значително количество консумирани суровини (варовик и кокс), преработени на няколко етапа. В същото време с карбидния метод се получава концентриран ацетилен, чието пречистване от малки примеси не създава затруднения.

Методите за термично разлагане на въглеводороди използват по-малко количество суровина, която се превръща в ацетилен на един етап, но ацетиленът се разрежда и изисква сложна система за неговото пречистване и концентриране. Трябва да се отбележи, че карбидният метод осигурява около 70% от световното производство на ацетилен.

Съществуват следните основни методи за първична обработка на ацетилена.

Хидратация:

а) с производството на ацеталдехид и оцетна киселина (катализатор (HgSO 4):

б) с производството на ацетон (ZnO катализатор върху активен въглен)

2CH \u003d CH + 3H 2 O ® CH 3 COCH 3 + CO 2 + 2H 2

Полимеризацияв линейни и циклични вещества за получаване на мономери и влакна от синтетичен каучук.

Хлориранеза получаване на разтворители и мономери.

Винилиране с ацетиленразлични вещества за получаване на мономери:

ROH ® ROCH=CH 2

RCOOH ® RCOOCH=CH 2

Въглеводородите са много голям клас органични съединения. Те включват няколко основни групи вещества, сред които почти всяко е широко използвано в промишлеността, бита и природата. От особено значение са халогенираните въглеводороди, които ще бъдат разгледани в статията. Те са не само от голямо промишлено значение, но също така са важни суровини за много химични синтези, получаване на лекарства и други важни съединения. Ще обърнем специално внимание на структурата на техните молекули, свойства и други особености.

Халогенирани въглеводороди: обща характеристика

От гледна точка на химическата наука, този клас съединения включва всички онези въглеводороди, в които един или повече водородни атоми са заменени с един или друг халоген. Това е много широка категория вещества, тъй като те са от голямо промишлено значение. За сравнително кратко време хората се научиха да синтезират почти всички халогенни производни на въглеводороди, чиято употреба е необходима в медицината, химическата промишленост, хранително-вкусовата промишленост и ежедневието.

Основният метод за получаване на тези съединения е синтетичният път в лабораторията и индустрията, тъй като практически нито едно от тях не се среща в природата. Поради наличието на халогенен атом, те са силно реактивни. Това до голяма степен определя областите на тяхното приложение в химическия синтез като междинни продукти.

Тъй като има много представители на халогенирани въглеводороди, е обичайно да се класифицират според различни критерии. Тя се основава както на структурата на веригата, така и на множеството връзки, както и на разликата в халогенните атоми и тяхната позиция.

Халогенни производни на въглеводороди: класификация

Първата опция за разделяне се основава на общоприети принципи, които се прилагат за всички.Класификацията се основава на разликата във вида на въглеродната верига, нейната цикличност. На тази основа разграничете:

• наситени халогенирани въглеводороди;
• ненаситени;
• ароматен;
• алифатни;
• ацикличен.

Следващото разделение се основава на вида на халогенния атом и неговото количествено съдържание в състава на молекулата. И така, разпределете:

• монопроизводни;
• производни;
• три-;
• тетра-;
• пента производни и така нататък.

Ако говорим за вида на халогена, тогава името на подгрупата се състои от две думи. Например, монохлоро производно, трийодо производно, тетрабромохалоалкен и т.н.

Съществува и друга опция за класификация, според която се отделят предимно халогенни производни на наситени въглеводороди. Това е номерът на въглеродния атом, към който е прикрепен халогенът. И така, разпределете:

• първични производни;
• втори;
• висше образование и така нататък.

Всеки конкретен представител може да бъде класиран по всички признаци и да определи пълното място в системата на органичните съединения. Така, например, съединение със състав CH3 - CH2 -CH=CH-CCL3 може да се класифицира както следва. Това е ненаситено алифатно трихлоро производно на пентен.

Структурата на молекулата

Наличието на халогенни атоми не може да не повлияе както на физичните и химичните свойства, така и на общите характеристики на структурата на молекулата. Общата формула за този клас съединения е R-Hal, където R е свободен въглеводороден радикал с произволна структура, а Hal е халогенен атом, един или повече. Връзката между въглерода и халогена е силно поляризирана, в резултат на което молекулата като цяло е склонна към два ефекта:

• отрицателна индуктивна;
• мезомерно положителен.

В този случай първият от тях е изразен много по-силно, следователно атомът на Hal винаги проявява свойствата на електрон-оттеглящ заместител.

В противен случай всички структурни характеристики на молекулата не се различават от тези на обикновените въглеводороди. Свойствата се обясняват със структурата на веригата и нейното разклонение, броя на въглеродните атоми и силата на ароматните характеристики.

Специално внимание заслужава номенклатурата на халогенните производни на въглеводородите. Какво е правилното име за тези връзки? За да направите това, трябва да следвате няколко правила.

1. Номерирането на веригата започва от ръба, който е най-близо до халогенния атом. Ако има някаква кратна връзка, тогава броенето започва от нея, а не от електрон-оттеглящия заместител.
2. Името Hal е посочено в префикса и трябва да се посочи и номерът на въглеродния атом, от който се отклонява.
3. Последната стъпка е името на основната верига от атоми (или пръстен).

Пример за подобно име: CH 2 \u003d CH-CHCL 2 - 3-дихлоропропен-1.

Името може да бъде дадено и според В този случай името на радикала се произнася, а след това името на халогена с наставката -id. Пример: CH3-CH2-CH2Br - пропил бромид.

Подобно на други класове органични съединения, халогенираните въглеводороди имат специална структура. Това позволява много представители да бъдат обозначени с исторически имена. Например халотан CF3CBrClH. Наличието на три халогена наведнъж в състава на молекулата осигурява на това вещество специални свойства. Използва се в медицината, следователно най-често се използва историческото име.

Методи за синтез

Методите за получаване на халогенни производни на въглеводороди са доста разнообразни. Има пет основни метода за синтез на тези съединения в лабораторията и индустрията.

1. Халогениране на конвенционални нормални въглеводороди. Обща реакционна схема: R-H + Hal 2 → R-Hal + HHal. Характеристиките на процеса са следните: с хлор и бром е необходимо ултравиолетово облъчване, с йод реакцията е почти невъзможна или много бавна. Взаимодействието с флуор е твърде активно, така че този халоген не може да се използва в чиста форма. В допълнение, при халогениране на ароматни производни е необходимо да се използват специални катализатори на процеса - киселини на Люис. Например железен или алуминиев хлорид.
2. Получаването на халогенни производни на въглеводороди също се извършва чрез хидрохалогениране. За това обаче изходното съединение трябва непременно да бъде ненаситен въглеводород. Пример: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Най-често това се използва за получаване на хлоретилен или винилхлорид, тъй като това съединение е важна суровина за промишлени синтези.
3. Ефектът на хидрохалогените върху алкохолите. Общата форма на реакцията: R-OH + HHal → R-Hal + H 2 O. Характеристика е задължителното присъствие на катализатор. Примери за ускорители на процеса, които могат да се използват: хлориди на фосфор, сяра, цинк или желязо, сярна киселина, разтвор в солна киселина - реактив на Лукас.
4. Декарбоксилиране на киселинни соли с окислител. Друго име на метода е реакцията на Бородин-Хънсдикер. Долната линия е отстраняването на молекула въглероден диоксид от сребърни производни, когато е изложена на окислител - халоген. В резултат на това се образуват халогенни производни на въглеводородите. Реакциите най-общо изглеждат така: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO 2 + AgHal.
5. Синтез на халоформи. С други думи, това е производството на трихалогенни производни на метана. Най-лесният начин да ги произведете е да обработите ацетон с алкален разтвор на халогени. В резултат на това се образуват халоформени молекули. По същия начин в промишлеността се синтезират халогенни производни на ароматни въглеводороди.

Особено внимание трябва да се обърне на синтеза на неограничен брой представители на разглеждания клас. Основният метод е обработката на алкини с живачни и медни соли в присъствието на халогени, което води до образуването на продукт с двойна връзка във веригата.

Халогенните производни на ароматните въглеводороди се получават чрез реакции на халогениране на арени или алкиларени в странична верига. Това са важни промишлени продукти, тъй като се използват като инсектициди в селското стопанство.

Физически свойства

Халогенните производни на въглеводородите директно зависят от структурата на молекулата. Точките на кипене и топене, състоянието на агрегиране се влияят от броя на въглеродните атоми във веригата и възможните разклонения встрани. Колкото повече от тях, толкова по-високи са резултатите. Като цяло физическите параметри могат да се характеризират в няколко точки.

1. Агрегатно състояние: първите долни представители са газове, следващите до C 12 са течности, по-горе са твърди вещества.
2. Почти всички представители имат остра неприятна специфична миризма.
3. Те са много слабо разтворими във вода, но самите те са отлични разтворители. Те се разтварят много добре в органични съединения.
4. Точките на кипене и топене се увеличават с увеличаване на броя на въглеродните атоми в основната верига.
5. Всички съединения, с изключение на флуорните производни, са по-тежки от водата.
6. Колкото повече разклонения има в главната верига, толкова по-ниска е точката на кипене на веществото.

Трудно е да се идентифицират много общи прилики, тъй като представителите се различават значително по състав и структура. Следователно е по-добре да се дават стойности за всяко конкретно съединение от дадена серия от въглеводороди.

Химични свойства

Един от най-важните параметри, които трябва да се вземат предвид в химическата промишленост и реакциите на синтез, са химичните свойства на халогенираните въглеводороди. Те не са еднакви за всички представители, тъй като има редица причини за разликата.

1. Структурата на въглеродната верига. Най-простите реакции на заместване (от нуклеофилен тип) протичат във вторични и третични халоалкили.
2. Видът на халогенния атом също е важен. Връзката между въглерода и Hal е силно поляризирана, което я прави лесна за прекъсване с освобождаването на свободни радикали. Въпреки това, връзката между йод и въглерод се разрушава най-лесно, което се обяснява с редовна промяна (намаляване) на енергията на връзката в серията: F-Cl-Br-I.
3. Наличието на ароматен радикал или множество връзки.
4. Структурата и разклонението на самия радикал.

Като цяло, халогенираните алкили реагират най-добре чрез реакции на нуклеофилно заместване. В края на краищата, частично положителен заряд се концентрира върху въглеродния атом след разкъсване на връзката с халогена. Това позволява на радикала като цяло да стане акцептор на електроотрицателни частици. Например:

• ТОЙ - ;
• SO42-;
• NO 2 - ;
• CN - и др.

Това обяснява факта, че може да се премине от халогенни производни на въглеводороди до почти всеки клас органични съединения, необходимо е само да се избере подходящият реагент, който ще осигури желаната функционална група.

Като цяло можем да кажем, че химичните свойства на халогенните производни на въглеводородите са способността да влизат в следните взаимодействия.

1. С нуклеофилни частици от различни видове - реакции на заместване. Резултатът може да бъде: алкохоли, прости и нитро съединения, амини, нитрили, карбоксилни киселини.
2. Реакции на елиминиране или дехидрохалогениране. В резултат на излагане на алкохолен разтвор на алкали, молекулата на халогеноводорода се разцепва. Така се образува алкен, странични продукти с ниско молекулно тегло - сол и вода. Пример за реакция: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 Br + NaOH (алкохол) → CH 3 -CH 2 -CH \u003d CH 2 + NaBr + H 2 O. Тези процеси са един от основните методи за синтез на важни алкени. Процесът винаги е придружен от високи температури.
3. нормална структура според метода на синтез на Wurtz. Същността на реакцията е ефектът върху халоген-заместен въглеводород (две молекули) с метален натрий. Като силно електроположителен йон, натрият приема халогенни атоми от съединението. В резултат на това освободените въглеводородни радикали са свързани помежду си чрез връзка, образувайки алкан с нова структура. Пример: CH 3 -CH 2 Cl + CH 3 -CH 2 Cl + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaCl.
4. Синтез на хомолози на ароматни въглеводороди по метода на Фридел-Крафтс. Същността на процеса е действието на халоалкил върху бензен в присъствието на алуминиев хлорид. В резултат на реакцията на заместване се образуват толуен и хлороводород. В този случай е необходимо наличието на катализатор. Освен самия бензен, по този начин могат да се окислят и неговите хомолози.
5. Приготвяне на течността на Greignard. Този реагент е халоген-заместен въглеводород с магнезиев йон в състава. Първоначално металният магнезий в етер действа върху халоалкиловото производно. В резултат на това се образува комплексно съединение с обща формула RMgHal, наречено реактив на Greignard.
6. Редукционни реакции до алкан (алкен, арен). Извършва се при излагане на водород. В резултат на това се образува въглеводород и страничен продукт, халогеноводород. Общ пример: R-Hal + H 2 → R-H + HHal.

Това са основните взаимодействия, в които могат лесно да влязат халогенни производни на въглеводороди с различни структури. Разбира се, има специфични реакции, които трябва да се вземат предвид за всеки отделен представител.

Изомерия на молекулите

Изомерията на халогенните производни на въглеводородите е напълно естествено явление. В крайна сметка е известно, че колкото повече въглеродни атоми във веригата, толкова по-голям е броят на изомерните форми. В допълнение, ненаситените представители имат множество връзки, което също причинява появата на изомери.

За този клас съединения могат да се разграничат две основни разновидности на това явление.

1. Изомерия на въглеродния скелет на радикала и основната верига. Това включва и позицията на множествената връзка, ако тя съществува в молекулата. Както при простите въглеводороди, като се започне от третия представител, могат да се напишат формули на съединения, които имат еднакви молекулни, но различни изрази на структурни формули. Освен това, за халоген-заместените въглеводороди, броят на изомерните форми е с порядък по-голям, отколкото за съответните им алкани (алкени, алкини, арени и т.н.).
2. Положението на халогена в молекулата. Мястото му в името се обозначава с число и дори ако се промени само с едно, тогава свойствата на такива изомери вече ще бъдат напълно различни.

Тук не говорим за пространствена изомерия, тъй като халогенните атоми правят това невъзможно. Както всички други органични съединения, халоалкиловите изомери се различават не само по структура, но и по физични и химични характеристики.

Производни на ненаситени въглеводороди

Има, разбира се, много такива връзки. Ние обаче се интересуваме от халогенни производни на ненаситени въглеводороди. Те също могат да бъдат разделени на три основни групи.

1. Винил - когато атомът Hal е разположен директно при въглеродния атом на множествената връзка. Пример за молекула: CH 2 =CCL 2.
2. С изолирана позиция. Халогенният атом и кратната връзка са разположени в противоположни части на молекулата. Пример: CH2=CH-CH2-CH2-Cl.
3. Алилови производни - халогенният атом е разположен към двойната връзка през един въглероден атом, тоест той е в алфа позиция. Пример: CH 2 =CH-CH 2 -CL.

От особено значение е съединение като винилхлорид CH2=CHCL. Той е способен да образува важни продукти като изолационни материали, водоустойчиви тъкани и т.н.

Друг представител на ненаситените халогенни производни е хлоропренът. Формулата му е CH₂=CCL-CH=CH2. Това съединение е изходна суровина за синтеза на ценни видове каучук, които се отличават с огнеустойчивост, дълъг експлоатационен живот и лоша газопропускливост.

Тетрафлуоретилен (или тефлон) е полимер с висококачествени технически параметри. Използва се за направата на ценно покритие на технически части, съдове, различни уреди. Формула - CF 2 \u003d CF 2.

Ароматни въглеводороди и техните производни

Ароматните съединения са тези съединения, които съдържат бензенов пръстен. Сред тях има и цяла група халогенни производни. Според тяхната структура могат да се разграничат два основни вида.

1. Ако атомът Hal е свързан директно с ядрото, тоест ароматния пръстен, тогава съединенията обикновено се наричат ​​халоарени.
2. Халогенният атом не е свързан с пръстена, а със страничната верига от атоми, тоест радикалът, който отива към страничния клон. Такива съединения се наричат ​​арилалкил халиди.

Сред разглежданите вещества могат да бъдат посочени няколко представители с най-голямо практическо значение.

1. Хексахлоробензен - C 6 Cl 6. От началото на 20 век се използва като силен фунгицид, а също и като инсектицид. Има добър дезинфекционен ефект, така че се използва за обработка на семена преди сеитба. Има неприятна миризма, течността е доста разяждаща, прозрачна и може да предизвика сълзене.
2. Бензил бромид C 6 H 5 CH 2 Br. Използва се като важен реагент в синтеза на органометални съединения.
3. Хлоробензен C 6 H 5 CL. Течно безцветно вещество със специфична миризма. Използва се в производството на бои, пестициди. Той е един от най-добрите органични разтворители.

Промишлена употреба

Халогенните производни на въглеводородите се използват широко в промишлеността и химическия синтез. Вече говорихме за ненаситени и ароматни представители. Сега нека да посочим най-общо областите на използване на всички съединения от тази серия.

1. В строителството.
2. като разтворители.
3. Чрез производство на тъкани, каучук, каучуци, багрила, полимерни материали.
4. За синтеза на много органични съединения.
5. Флуорните производни (фреони) са хладилни агенти в хладилните агрегати.
6. Използва се като пестициди, инсектициди, фунгициди, масла, изсушаващи масла, смоли, лубриканти.
7. Те отиват за производството на изолационни материали и др.

Характерни химични свойства на въглеводородите: алкани, алкени, диени, алкини, ароматни въглеводороди

Алкани

Алканите са въглеводороди, в чиито молекули атомите са свързани с единични връзки и които отговарят на общата формула $C_(n)H_(2n+2)$.

Хомоложна серия на метан

както вече знаете, хомолозиса вещества, които са подобни по структура и свойства и се различават по една или повече $CH_2$ групи.

Пределните въглеводороди съставляват хомоложната серия на метана.

Изомерия и номенклатура

Алканите се характеризират с така наречената структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Както вече знаете, най-простият алкан, който се характеризира със структурни изомери, е бутанът:

Нека разгледаме по-подробно основите на номенклатурата на IUPAC за алканите:

1. Избор на главна верига.

Образуването на името на въглеводорода започва с дефинирането на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата, която е, така да се каже, нейната основа.

2.

На атомите на основната верига са присвоени номера. Номерирането на атомите на главната верига започва от най-близкия край до заместителя (структури А, В). Ако заместителите са на еднакво разстояние от края на веригата, тогава номерирането започва от края, в който има повече от тях (структура B). Ако различните заместители са на еднакво разстояние от краищата на веригата, тогава номерирането започва от края, до който е по-близо по-старият (структура G). Старшинството на въглеводородните заместители се определя от реда, в който буквата, с която започва името им, следва в азбуката: метил (—$CH_3$), след това пропил ($—CH_2—CH_2—CH_3$), етил ($—CH_2 —CH_3$ ) и т.н.

Имайте предвид, че името на заместителя се образува чрез заместване на наставката -enкъм суфикс -тиняв името на съответния алкан.

3. Образуване на имена.

Номерата са посочени в началото на името - номерата на въглеродните атоми, при които се намират заместителите. Ако има няколко заместителя при даден атом, тогава съответното число в името се повтаря два пъти, разделени със запетаи ($2,2-$). След числото тире показва броя на заместителите ( ди- две, три- три, тетра- четири, пента- пет) и името на заместника ( метил, етил, пропил). След това без интервали и тирета - името на основната верига. Основната верига се нарича въглеводород - член на хомоложната серия на метана ( метан, етан, пропан и др.).

Имената на веществата, чиито структурни формули са дадени по-горе, са както следва:

- структура A: $2$ -метилпропан;

- Структура B: $3$ -етилхексан;

- Структура B: $2,2,4$ -триметилпентан;

- структура Г: $2$ -метил$4$-етилхексан.

Физични и химични свойства на алканите

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, при миризмата на която трябва да се обадите $104$, се определя от миризмата на меркаптани - съдържащи сяра съединения, специално добавени към метана, използван в домакинството и промишлени газови уреди, така че хората в близост до тях да усетят миризмата на теча).

Въглеводородите със състав от $С_5Н_(12)$ до $С_(15)Н_(32)$ 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:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

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

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"дихлорометан(метиленхлорид)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"трихлорометан(хлороформ)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"тетрахлорометан (тетрахлорметан)")$.

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

2. Дехидрогениране (елиминиране на водород).По време на преминаването на алкани през катализатора ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при висока температура ($400-600°C$), водородна молекула се отделя и се образува алкен:

$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$

3. Реакции, придружени от разрушаване на въглеродната верига.Всички наситени въглеводороди горятс 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:

$CH_4+2O_2→CO_2+2H_2O+880 kJ.$

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

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термично разграждане на въглеводороди:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Процесът протича по свободния радикален механизъм. Повишаването на температурата води до хомолитично разкъсване на връзката въглерод-въглерод и образуването на свободни радикали:

$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2+CH_2—R$.

Тези радикали взаимодействат един с друг, обменяйки водороден атом, с образуването на молекула алкан и молекула алкен:

$R—CH_2CH_2+CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

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 метана - разлагане на прости вещества:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

При нагряване до температура $1500°C$ е възможно образуването на ацетилен:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

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 алканите са в състояние на хибридизация $sp^3$. 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 не съдържат области с висока и ниска електронна плътност, лесно поляризуеми връзки, т.е. такива връзки, електронната плътност на които може да бъде изместена под въздействието на външни фактори (електростатични полета на йони). Следователно алканите няма да реагират със заредени частици, т.к връзките в алкановите молекули не се разкъсват чрез хетеролитичен механизъм.

Алкени

Ненаситените въглеводороди включват въглеводороди, съдържащи множество връзки между въглеродни атоми в молекули. Неограничени са алкени, алкадиени (полиени), алкини.Цикличните въглеводороди, съдържащи двойна връзка в цикъла (циклоалкени), както и циклоалканите с малък брой въглеродни атоми в цикъла (три или четири атома) също имат ненаситен характер. Свойството на ненаситеност се свързва със способността на тези вещества да влизат в реакции на добавяне, предимно водород, с образуването на наситени или наситени въглеводороди - алкани.

Алкените са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, една двойна връзка между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n)$.

Второто му име олефини- алкените са получени по аналогия с ненаситени мастни киселини (олеинова, линолова), остатъците от които са част от течни мазнини - масла (от лат. олеум- масло).

Хомоложна серия на етена

Неразклонените алкени съставляват хомоложната серия на етена (етилена):

$C_2H_4$ е етен, $C_3H_6$ е пропен, $C_4H_8$ е бутен, $C_5H_(10)$ е пентен, $C_6H_(12)$ е хексен и др.

Изомерия и номенклатура

За алкените, както и за алканите, е характерна структурната изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Най-простият алкен, който се характеризира със структурни изомери, е бутен:

Специален вид структурна изомерия е изомерията на позицията на двойната връзка:

$CH_3—(CH_2)↙(бутен-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(бутен-2)—CH_3$

Възможно е почти свободно въртене на въглеродните атоми около една връзка въглерод-въглерод, така че молекулите на алканите могат да приемат голямо разнообразие от форми. Въртенето около двойната връзка е невъзможно, което води до появата на друг вид изомерия в алкените - геометрична или цис-транс изомерия.

цис-изомерите са различни от транс-изомери чрез пространственото разположение на фрагментите на молекулата (в този случай метиловите групи) спрямо равнината на $π$-връзката и, следователно, чрез свойствата.

Алкените са изомерни на циклоалканите (междукласова изомерия), например:

Номенклатурата на алкените, разработена от IUPAC, е подобна на номенклатурата на алканите.

1. Избор на главна верига.

Образуването на името на въглеводорода започва с дефинирането на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата. В случай на алкени основната верига трябва да съдържа двойна връзка.

2. Номериране на атоми на основната верига.

Номерирането на атомите на главната верига започва от края, до който е най-близо двойната връзка. Например правилното име на връзката е:

$5$-метилхексен-$2$, а не $2$-метилхексен-$4$, както може да се очаква.

Ако е невъзможно да се определи началото на номерирането на атомите във веригата от позицията на двойната връзка, тогава тя се определя от позицията на заместителите, точно както при наситените въглеводороди.

3. Образуване на имена.

Имената на алкените се образуват по същия начин като имената на алканите. В края на името посочете номера на въглеродния атом, при който започва двойната връзка, и наставката, показваща, че съединението принадлежи към класа на алкените - -en.

Например:

Физични и химични свойства на алкените

физични свойства.Първите три представителя на хомоложната серия алкени са газове; вещества от състава $C_5H_(10)$ - $C_(16)H_(32)$ са течности; висшите алкени са твърди вещества.

Точките на кипене и топене естествено се повишават с увеличаване на молекулното тегло на съединенията.

Химични свойства.

Реакции на присъединяване.Спомнете си, че отличителна черта на представителите на ненаситените въглеводороди - алкените е способността да влизат в реакции на добавяне. Повечето от тези реакции протичат по механизма

1. хидрогениране на алкени.Алкените могат да добавят водород в присъствието на катализатори за хидрогениране, метали - платина, паладий, никел:

$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.

Тази реакция протича при атмосферно и повишено налягане и не изисква висока температура, т.к е екзотермична. При повишаване на температурата на същите катализатори може да настъпи обратната реакция, дехидрогениране.

2. Халогениране (добавяне на халогени).Взаимодействието на алкен с бромна вода или разтвор на бром в органичен разтворител ($CCl_4$) води до бързо обезцветяване на тези разтвори в резултат на добавянето на халогенна молекула към алкена и образуването на дихалогенни алкани:

$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(пропен)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-бромопропен)-CH_3$

Тази реакция подлежи на Правилото на Марковников:

Когато водороден халогенид се добави към алкен, водородът се свързва с по-хидрогениран въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече водородни атоми, а халогенът - към по-малко хидрогенирания.

Хидратирането на алкените води до образуването на алкохоли. Например добавянето на вода към етена е в основата на един от индустриалните методи за производство на етилов алкохол:

$(CH_2)↙(етен)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(етанол)$

Обърнете внимание, че първичен алкохол (с хидроксо група при първичния въглерод) се образува само когато етенът е хидратиран. Когато пропен или други алкени се хидратират, се образуват вторични алкохоли.

Тази реакция също протича в съответствие с правилото на Марковников - водородният катион е прикрепен към по-хидрогенирания въглероден атом, а хидроксогрупата към по-малко хидрогенирания.

5. Полимеризация.Специален случай на добавяне е реакцията на полимеризация на алкени:

$nCH_2(=)↙(етен)CH_2(→)↖(UV светлина,R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(полиетилен)...)_n$

Тази реакция на присъединяване протича по свободен радикален механизъм.

6. Окислителна реакция.

Като всички органични съединения, алкените изгарят в кислород, за да образуват $CO_2$ и $H_2O$:

$CH_2=CH_2+3O_2→2CO_2+2H_2O$.

Общо взето:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

За разлика от алканите, които са устойчиви на окисляване в разтвори, алкените лесно се окисляват под действието на разтвори на калиев перманганат. В неутрални или алкални разтвори алкените се окисляват до диоли (двувалентни алкохоли) и хидроксилните групи се прикрепват към онези атоми, между които съществува двойна връзка преди окислението:

Алкадиени (диенови въглеводороди)

Алкадиените са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, две двойни връзки между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n-2)$.

В зависимост от взаимното разположение на двойните връзки има три вида диени:

- алкадиени с натрупаниподреждане на двойни връзки:

- алкадиени с спрегнатидвойни връзки;

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

- алкадиени с изолирандвойни връзки

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

И трите вида алкадиени се различават значително един от друг по структура и свойства. Централният въглероден атом (атом, който образува две двойни връзки) в алкадиените с кумулирани връзки е в състояние на $sp$-хибридизация. Той образува две $σ$-връзки, лежащи на една права линия и насочени в противоположни посоки, и две $π$-връзки, лежащи в перпендикулярни равнини. $π$-връзките се образуват поради нехибридизирани p-орбитали на всеки въглероден атом. Свойствата на алкадиените с изолирани двойни връзки са много специфични, т.к спрегнатите $π$-връзки си влияят значително една на друга.

p-орбиталите, образуващи спрегнати $π$-връзки, съставляват практически една система (тя се нарича $π$-система), т.к. p-орбиталите на съседните $π$-връзки частично се припокриват.

Изомерия и номенклатура

Алкадиените се характеризират както със структурна изомерия, така и с цис- и транс-изомерия.

Структурна изомерия.

— изомерия на въглеродния скелет:

— изомерия на позицията на множество връзки:

$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(бутадиен-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(бутадиен-1,2)$

цис-, транс-изомерия (пространствена и геометрична)

Например:

Алкадиените са изомерни съединения от класовете алкини и циклоалкени.

При формирането на името на алкадиена се посочват числата на двойните връзки. Основната верига задължително трябва да съдържа две кратни връзки.

Например:

Физични и химични свойства на алкадиените

физични свойства.

При нормални условия пропандиен-1,2, бутадиен-1,3 са газове, 2-метилбутадиен-1,3 е летлива течност. Алкадиените с изолирани двойни връзки (най-простият от тях е пентадиен-1,4) са течности. Висшите диени са твърди вещества.

Химични свойства.

Химичните свойства на алкадиените с изолирани двойни връзки се различават малко от тези на алкените. Алкадиените с конюгирани връзки имат някои специални характеристики.

1. Реакции на присъединяване.Алкадиените са способни да присъединяват водород, халогени и водородни халиди.

Характеристика на добавянето към алкадиени с конюгирани връзки е способността за прикрепване на молекули както в позиции 1 и 2, така и в позиции 1 и 4.

Съотношението на продуктите зависи от условията и начина на провеждане на съответните реакции.

2.реакция на полимеризация.Най-важното свойство на диените е способността да полимеризират под въздействието на катиони или свободни радикали. Полимеризацията на тези съединения е в основата на синтетичния каучук:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(бутадиен-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"синтетичен бутадиенов каучук")$ .

Полимеризацията на спрегнатите диени протича като 1,4-присъединяване.

В този случай двойната връзка се оказва централна в връзката, а елементарната връзка от своя страна може да поеме и двете цис-, и транс-конфигурация.

Алкини

Алкините са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, една тройна връзка между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n-2)$.

Хомоложна серия на етин

Неразклонените алкини съставляват хомоложната серия на етин (ацетилен):

$C_2H_2$ - етин, $C_3H_4$ - пропин, $C_4H_6$ - бутин, $C_5H_8$ - пентин, $C_6H_(10)$ - хексин и др.

Изомерия и номенклатура

За алкините, както и за алкените, е характерна структурна изомерия: изомерия на въглеродния скелет и изомерия на позицията на кратната връзка. Най-простият алкин, който се характеризира със структурни изомери на позицията на множествената връзка на класа на алкините, е бутин:

$CH_3—(CH_2)↙(бутин-1)—C≡CH$ $CH_3—(C≡C)↙(бутин-2)—CH_3$

Изомерията на въглеродния скелет в алкините е възможна, като се започне от пентин:

Тъй като тройната връзка приема линейна структура на въглеродната верига, геометричната ( цис-, транс-) изомерията не е възможна за алкини.

Наличието на тройна връзка във въглеводородни молекули от този клас се отразява от наставката -във, а позицията му във веригата - номерът на въглеродния атом.

Например:

Алкините са изомерни съединения от някои други класове. И така, хексин (алкин), хексадиен (алкадиен) и циклохексен (циклоалкен) имат химична формула $С_6Н_(10)$:

Физични и химични свойства на алкините

физични свойства.Точките на кипене и топене на алкините, както и на алкените, естествено се увеличават с увеличаване на молекулното тегло на съединенията.

Алкините имат специфична миризма. Те са по-разтворими във вода от алканите и алкените.

Химични свойства.

Реакции на присъединяване.Алкините са ненаситени съединения и влизат в реакции на присъединяване. По принцип това са реакции. електрофилно добавяне.

1. Халогениране (присъединяване на халогенна молекула).Алкинът може да свързва две халогенни молекули (хлор, бром):

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-дибромоетан),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-тетрабромоетан)$

2. Хидрохалогениране (добавяне на халогеноводород).Реакцията на добавяне на халогеноводород, протичаща по електрофилния механизъм, също протича на два етапа, като и на двата етапа е изпълнено правилото на Марковников:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-бромопропен),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-дибромопропан)$

3. Хидратация (добавяне на вода).От голямо значение за промишления синтез на кетони и алдехиди е реакцията на добавяне на вода (хидратация), която се нарича Реакцията на Кучеров:

4. хидрогениране на алкини.Алкините добавят водород в присъствието на метални катализатори ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Тъй като тройната връзка съдържа две реактивни $π$ връзки, алканите добавят водород на стъпки:

1) тримеризация.

Когато етинът се прекара върху активен въглен, се образува смес от продукти, един от които е бензен:

2) димеризация.

Освен тримеризация на ацетилена е възможна и неговата димеризация. Под действието на едновалентни медни соли се образува винилацетилен:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"бутен-1-ин-3(винилацетилен)")$

Това вещество се използва за производството на хлоропрен:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(хлоропрен)=CH_2$

при чиято полимеризация се получава хлоропренов каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Алкинно окисление.

Етин (ацетилен) изгаря в кислород с отделяне на много голямо количество топлина:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ Тази реакция се основава на действието на окси-ацетиленова горелка, чийто пламък има много висока температура (повече от $3000°C$), което прави възможно използването й за рязане и заваряване на метали.

Във въздуха ацетиленът гори с димен пламък, т.к. съдържанието на въглерод в неговата молекула е по-високо, отколкото в молекулите на етан и етен.

Алкините, подобно на алкените, обезцветяват подкислени разтвори на калиев перманганат; в този случай настъпва разрушаване на множествената връзка.

Реакции, характеризиращи основните методи за получаване на кислородсъдържащи съединения

1. Хидролиза на халоалкани.Вече знаете, че образуването на халокеналкани при взаимодействието на алкохоли с халогеноводороди е обратима реакция. Следователно е ясно, че алкохолите могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани- реакции на тези съединения с вода:

$R-Cl+NaOH(→)↖(H_2O)R-OH+NaCl+H_2O$

Многовалентните алкохоли могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани, съдържащи повече от един халогенен атом в молекулата. Например:

2. Хидратация на алкени- добавянето на вода към $π$-връзката на молекулата на алкена - вече ви е познато, например:

$(CH_2=CH_2)↙(етен)+H_2O(→)↖(H^(+))(C_2H_5OH)↙(етанол)$

Хидратирането на пропена води, в съответствие с правилото на Марковников, до образуването на вторичен алкохол - пропанол-2:

3. Хидрогениране на алдехиди и кетони.Вече знаете, че окисляването на алкохолите при меки условия води до образуването на алдехиди или кетони. Очевидно алкохолите могат да бъдат получени чрез хидрогениране (редукция на водород, добавяне на водород) на алдехиди и кетони:

4. Окисление на алкени.Гликолите, както вече беше отбелязано, могат да бъдат получени чрез окисляване на алкени с воден разтвор на калиев перманганат. Например, етилен гликол (етандиол-1,2) се образува по време на окисляването на етилен (етен):

$CH_2=CH_2+[O]+H_2O(→)↖(KMnO_4)HO-CH_2-CH_2-OH$

5. Специфични методи за получаване на алкохоли.Някои алкохоли се получават по характерни само за тях начини. И така, метанолът се произвежда в промишлеността чрез взаимодействие на водород с въглероден оксид (II) (въглероден оксид) при повишено налягане и висока температура на повърхността на катализатора (цинков оксид):

$CO+2H_2(→)↖(t,p,ZnO)CH_3-OH$

Сместа от въглероден оксид и водород, необходима за тази реакция, наричана още синтезен газ ($CO + nH_2O$), се получава чрез преминаване на водна пара върху горещ въглен:

$C+H_2O(→)↖(t)CO+H_2-Q$

6. Ферментация на глюкоза.Този метод за получаване на етилов (винен) алкохол е известен на човека от древни времена:

$(C_6H_(12)O_6)↙(глюкоза)(→)↖(дрожди)2C_2H_5OH+2CO_2$

Методи за получаване на алдехиди и кетони

Могат да се получат алдехиди и кетони окисляванеили дехидрогениране на алкохол. Още веднъж отбелязваме, че алдехидите могат да бъдат получени по време на окисляването или дехидрогенирането на първични алкохоли, а кетоните могат да бъдат получени от вторични алкохоли:

Реакцията на Кучеров. От ацетилен, в резултат на реакцията на хидратация, се получава ацеталдехид, от хомолози на ацетилен - кетони:

При нагряване калцийили бариеви соликарбоксилните киселини образуват кетон и метален карбонат:

Методи за получаване на карбоксилни киселини

Карбоксилните киселини могат да бъдат получени чрез окисляване на първични алкохоли на алдехиди:

Ароматните карбоксилни киселини се образуват при окисляването на бензенови хомолози:

Хидролизата на различни производни на карбоксилни киселини също води до киселини. И така, по време на хидролизата на естер се образуват алкохол и карбоксилна киселина. Както бе споменато по-горе, киселинно катализираните реакции на естерификация и хидролиза са обратими:

Хидролизата на естер под действието на воден разтвор на алкали протича необратимо, в този случай от естера се образува не киселина, а нейната сол.