Γωνία δεσμού αλκανίων. Διαίρεση των υποκαταστατών στον δακτύλιο βενζολίου σε δύο τύπους

Πίνακας 12.1.

Αλκάνια της ακυκλώπειας σειράς C n H 2 n +2 .

Πίνακας 12.2.

Ονόματα διακλαδισμένων ριζών.

Οι άκυκλοι υδρογονάνθρακες ονομάζονται αλκάνια. Υπάρχουν 390 αλκάνια συνολικά. Το Nonacontatrictan έχει τη μεγαλύτερη δομή (C 390 H 782). Τα αλογόνα μπορούν να προσκολληθούν σε άτομα άνθρακα για να σχηματίσουν αλογονοαλκάνια.

Δομή και ονοματολογία

Εξ ορισμού, τα αλκάνια είναι κορεσμένοι ή κορεσμένοι υδρογονάνθρακες που έχουν γραμμική ή διακλαδισμένη δομή. Ονομάζονται και παραφίνες. Τα μόρια αλκανίων περιέχουν μόνο μεμονωμένα ομοιοπολικούς δεσμούςμεταξύ ατόμων άνθρακα. Γενικός τύπος -

Για να ονομάσετε μια ουσία, πρέπει να ακολουθήσετε τους κανόνες. Σύμφωνα με τη διεθνή ονοματολογία, τα ονόματα σχηματίζονται χρησιμοποιώντας το επίθημα -an. Τα ονόματα των πρώτων τεσσάρων αλκανίων σχηματίστηκαν ιστορικά. Ξεκινώντας από τον πέμπτο εκπρόσωπο, τα ονόματα αποτελούνται από ένα πρόθεμα που υποδεικνύει τον αριθμό των ατόμων άνθρακα και το επίθημα -an. Για παράδειγμα, το οκτα (οκτώ) σχηματίζει οκτάνιο.

Για διακλαδισμένες αλυσίδες, τα ονόματα προστίθενται:

• από αριθμούς που υποδεικνύουν τον αριθμό των ατόμων άνθρακα κοντά στα οποία βρίσκονται οι ρίζες.
• από το όνομα των ριζοσπαστών?
• από το όνομα του κύριου κυκλώματος.

Παράδειγμα: 4-μεθυλοπροπάνιο - το τέταρτο άτομο άνθρακα στην αλυσίδα προπανίου έχει μια ρίζα (μεθύλιο).

Ρύζι. 1. Δομικοί τύποι με τα ονόματα των αλκανίων.

Κάθε δέκατο αλκάνιο δίνει το όνομα στα επόμενα εννέα αλκάνια. Μετά το δεκανό έρχονται το ενδεκάνιο, το δωδεκάνιο και μετά, μετά το εικοσάνιο - χενικόσαν, το δοκοσάνιο, το τρικοζάνιο κ.λπ.

Ομόλογη σειρά

Ο πρώτος εκπρόσωπος είναι το μεθάνιο, γι' αυτό και τα αλκάνια ονομάζονται και ομόλογες σειρές μεθανίου. Ο πίνακας των αλκανίων δείχνει τους πρώτους 20 αντιπροσώπους.

Ξεκινώντας από το βουτάνιο, όλα τα αλκάνια έχουν δομικά ισομερή. Το πρόθεμα ισο- προστίθεται στο όνομα: ισοβουτάνιο, ισοπροπάνιο, ισοεξάνιο.

Ρύζι. 2. Παραδείγματα ισομερών.

Φυσικές ιδιότητες

Η κατάσταση συνάθροισης των ουσιών αλλάζει στη λίστα των ομολόγων από πάνω προς τα κάτω. Όσο περισσότερα άτομα άνθρακα περιέχει και, κατά συνέπεια, τόσο περισσότερα μοριακή μάζαενώσεις, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού και τόσο πιο σκληρή είναι η ουσία.

Οι υπόλοιπες ουσίες που περιέχουν περισσότερα από 15 άτομα άνθρακα βρίσκονται σε στερεή κατάσταση.

Τα αέρια αλκάνια καίγονται με μπλε ή άχρωμη φλόγα.

Παραλαβή

Τα αλκάνια, όπως και άλλες κατηγορίες υδρογονανθράκων, λαμβάνονται από πετρέλαιο, αέριο, κάρβουνο. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται εργαστηριακές και βιομηχανικές μέθοδοι:

• αεριοποίηση στερεών καυσίμων:

  C + 2H2 → CH4;

• υδρογόνωση μονοξειδίου του άνθρακα (II):

  CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;

• υδρόλυση καρβιδίου του αργιλίου:

  Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH4;

• αντίδραση καρβιδίου του αργιλίου με ισχυρά οξέα:

  Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;

• αναγωγή αλογονοαλκανίων (αντίδραση υποκατάστασης):

  2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;

• υδρογόνωση αλογονοαλκανίων:

  CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;

• σύντηξη αλάτων οξικό οξύμε αλκάλια (αντίδραση Dumas):

  CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.

Τα αλκάνια μπορούν να ληφθούν με υδρογόνωση αλκενίων και αλκυνίων παρουσία καταλύτη - πλατίνα, νικέλιο, παλλάδιο.

Χημικές ιδιότητες

Τα αλκάνια αντιδρούν με ανόργανες ουσίες:

• καύση:

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;

• αλογόνωση:

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• νίτρωση (αντίδραση Konovalov):

  CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;

• ένταξη:

Ορισμός 1

ΑλκάνιαΠρόκειται για υδρογονάνθρακες, άτομα άνθρακα των οποίων τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους με απλούς (μονούς) δεσμούς $\sigma $-. Όλες οι άλλες μονάδες σθένους των ατόμων άνθρακα σε αυτές τις ενώσεις είναι κατειλημμένες (κορεσμένες) με άτομα υδρογόνου.

Τα άτομα άνθρακα στα μόρια κορεσμένων υδρογονανθράκων βρίσκονται στην πρώτη κατάσταση σθένους, δηλαδή σε κατάσταση $sp3$-υβριδισμού. Τέτοιοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες ονομάζονται επίσης παραφίνες.

Αυτές οι παραφίνες ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣκάλεσε επειδή για πολύ καιρόθεωρήθηκαν χαμηλής αντίδρασης (από λατ. parum- λίγο και affinis- έχει συγγένεια).

Το παλιό όνομα για τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες είναι αλειφατικοί ή λιπαροί υδρογονάνθρακες (από το λατ. αλιφατικός- Λίπος). Αυτό το όνομα προέρχεται από το όνομα των πρώτων μελετημένων ενώσεων που κάποτε ταξινομήθηκαν ως αυτές οι ουσίες - λίπη.

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες σχηματίζουν μια σειρά από ενώσεις με τον γενικό τύπο $C_nH_((2_n+2))$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$. Μια απλή ένωση αυτής της σειράς είναι το μεθάνιο $CH_4$. Ως εκ τούτου, ένας αριθμός από αυτές τις ενώσεις ονομάζεται επίσης ένας αριθμός υδρογονανθράκων μεθανίου.

Ομόλογη σειρά

Οι ενώσεις της σειράς μεθανίου έχουν παρόμοιες δομές και ιδιότητες. Μια τέτοια σειρά ενώσεων, οι εκπρόσωποι των οποίων έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες και χαρακτηρίζονται από κανονική αλλαγή στις φυσικές ιδιότητες, έχουν την ίδια δομή και διαφέρουν μεταξύ τους κατά μία ή περισσότερες $-CH_2$-ομάδες, ονομάζεται ομόλογη σειρά (από τα ελληνικά" homos" - ομοιότητα). Κάθε επόμενος υδρογονάνθρακας αυτής της σειράς διαφέρει από τον προηγούμενο κατά την ομάδα $-CH_2$. Αυτή η ομάδα ονομάζεται ομόλογη διαφορά και τα μεμονωμένα μέλη αυτής της σειράς ονομάζονται ομόλογα.

Προέλευση των ονομάτων των αλκανίων

Τα ονόματα των πρώτων τεσσάρων κορεσμένων υδρογονανθράκων (μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο) προέκυψαν τυχαία. Για παράδειγμα, η ρίζα της λέξης «αιθάνιο» προέρχεται από Λατινική λέξη αιθέρας- αιθέρας, αφού το υπόλοιπο αιθανίου $-C_2H_5$ είναι μέρος του ιατρικού αιθέρα. Ξεκινώντας με $C_5H_(12)$, τα ονόματα των αλκανίων προέρχονται από ελληνικούς ή λατινικούς αριθμούς που υποδεικνύουν τον αριθμό των ατόμων άνθρακα στο μόριο ενός δεδομένου κορεσμένου υδρογονάνθρακα, με το επίθημα -ane να προστίθεται σε αυτά τα ονόματα. Έτσι, ο υδρογονάνθρακας $C_5H_(12)$ ονομάζεται πεντάνιο (από το ελληνικό « πεντά" - πέντε), $C_6H_(14)$ - εξάνιο (από τα ελληνικά " εξάγωνο" - έξι), $C_7H_(10)$ - επτάνιο (από τα ελληνικά " επτά" - επτά), κ.λπ.

Κανόνες συστηματικής ονοματολογίας

Για τον τίτλο οργανική ύληεπιτροπή Διεθνής ΈνωσηΤο Ινστιτούτο Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) ανέπτυξε κανόνες για τη συστηματική (επιστημονική) ονοματολογία. Σύμφωνα με αυτούς τους κανόνες, οι υδρογονάνθρακες ονομάζονται ως εξής:

Σε ένα μόριο υδρογονάνθρακα επιλέγεται η κύρια - μακρά και σύνθετη (που έχει τον μεγαλύτερο αριθμό διακλαδώσεων) - αλυσίδα άνθρακα.

Τα άτομα άνθρακα της κύριας αλυσίδας είναι αριθμημένα.Η αρίθμηση πραγματοποιείται διαδοχικά από το άκρο της αλυσίδας που δίνει στη ρίζα τον μικρότερο αριθμό. Εάν υπάρχουν πολλές ρίζες αλκυλίου, τότε συγκρίνετε το μέγεθος των ψηφίων δύο πιθανών διαδοχικών αριθμών. Και η αρίθμηση στην οποία ο πρώτος αριθμός εμφανίζεται μικρότερος από ό,τι στη δεύτερη διαδοχική αρίθμηση θεωρείται «λιγότερη» και χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του ονόματος του υδρογονάνθρακα.

Η αρίθμηση από τα δεξιά προς τα αριστερά θα είναι "μικρότερη" από την αρίθμηση από αριστερά προς τα δεξιά.

Οι ρίζες υδρογονάνθρακα που σχηματίζουν πλευρικές αλυσίδες ονομάζονται.Πριν από το όνομα κάθε ρίζας, τοποθετείται ένας αριθμός που δείχνει τον αριθμό του ατόμου άνθρακα της κύριας αλυσίδας στην οποία βρίσκεται η δεδομένη ρίζα. Ο αριθμός διαχωρίζεται από το όνομα με παύλα. Τα ονόματα των ριζών αλκυλίου παρατίθενται με αλφαβητική σειρά. Εάν ένας υδρογονάνθρακας περιέχει πολλές ίδιες ρίζες, τότε οι αριθμοί των ατόμων άνθρακα που περιέχουν αυτές τις ρίζες γράφονται με αύξουσα σειρά. Οι αριθμοί χωρίζονται μεταξύ τους με κόμμα. Μετά τους αριθμούς γράφονται τα προθέματα: δι- (αν υπάρχουν δύο ίδιες ρίζες), τρι- (όταν υπάρχουν τρεις ίδιες ρίζες), τετρα-, πεντα- κ.λπ. (αν υπάρχουν τέσσερις, πέντε κ.λπ., ταυτόσημες ριζοσπάστες, αντίστοιχα). Τα προθέματα δείχνουν πόσες ίδιες ρίζες έχει ένας δεδομένος υδρογονάνθρακας. Μετά το πρόθεμα τοποθετείται το όνομα της ρίζας. Σε περίπτωση που δύο ίδιες ρίζες βρίσκονται στο ίδιο άτομο άνθρακα, ο αριθμός αυτού του ατόμου άνθρακα τοποθετείται δύο φορές στο όνομα.

Ονομάστε τον υδρογονάνθρακα της κύριας αριθμημένης ανθρακικής αλυσίδας, μην ξεχνάτε ότι τα ονόματα όλων των κορεσμένων υδρογονανθράκων έχουν το επίθημα -an.

Το ακόλουθο παράδειγμα θα βοηθήσει στην αποσαφήνιση αυτών των κανόνων:

Εικόνα 1.

Αλκυλικές ρίζες πλευρικών αλυσίδων

Μερικές φορές οι ρίζες αλκυλίου των πλευρικών αλυσίδων είναι διακλαδισμένες. Στην περίπτωση αυτή ονομάζονται το ίδιο με τους αντίστοιχους κορεσμένους υδρογονάνθρακες, μόνο που αντί για το επίθημα -an χρησιμοποιείται το επίθημα -il.

Η ανθρακική αλυσίδα μιας διακλαδισμένης ρίζας είναι αριθμημένη. Το άτομο άνθρακα αυτής της ρίζας που συνδέεται με την κύρια αλυσίδα λαμβάνει τον αριθμό $1$. Για ευκολία, η ανθρακική αλυσίδα μιας διακλαδισμένης ρίζας αριθμείται με αριθμούς με πρώτους και το πλήρες όνομα μιας τέτοιας ρίζας τοποθετείται σε αγκύλες:

Σχήμα 2.

Ορθολογική ονοματολογία

Εκτός από τη συστηματική, η ορθολογική ονοματολογία χρησιμοποιείται επίσης για την ονομασία κορεσμένων υδρογονανθράκων. Σύμφωνα με αυτή την ονοματολογία, οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες θεωρούνται παράγωγα του μεθανίου, στο μόριο του οποίου ένα ή περισσότερα άτομα υδρογόνου αντικαθίστανται από ρίζες. Το όνομα ενός κορεσμένου υδρογονάνθρακα σύμφωνα με την ορθολογική ονοματολογία σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο: από τον βαθμό πολυπλοκότητας, ονομάζονται όλες οι ρίζες που βρίσκονται στο άτομο άνθρακα με τον μεγαλύτερο αριθμό υποκαταστατών (σημειώνοντας τον αριθμό τους εάν είναι ίδιες). και στη συνέχεια προστίθεται η βάση του ονόματος του υδρογονάνθρακα σύμφωνα με αυτήν την ονοματολογία - η λέξη "μεθάνιο" . Π.χ:

Εικόνα 3.

Η ορθολογική ονοματολογία χρησιμοποιείται για την ονομασία σχετικά απλών υδρογονανθράκων. Αυτή η ονοματολογία δεν είναι τόσο προηγμένη και πολύ λιγότερο βολική στη χρήση σε σύγκριση με τη συστηματική ονοματολογία. Σύμφωνα με την ορθολογική ονοματολογία, η ίδια ουσία μπορεί να έχει διαφορετικά ονόματα, το οποίο είναι πολύ άβολο. Επιπλέον, δεν μπορούν να ονομαστούν όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες σύμφωνα με αυτήν την ονοματολογία.

Θέρμανση αλάτι νατρίουοξικό οξύ (οξικό νάτριο) με περίσσεια αλκαλίου οδηγεί στην εξάλειψη της καρβοξυλικής ομάδας και στο σχηματισμό μεθανίου:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Εάν πάρετε προπιονικό νάτριο αντί για οξικό νάτριο, τότε σχηματίζεται αιθάνιο, από βουτανοϊκό νάτριο - προπάνιο κ.λπ.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Σύνθεση Wurtz. Όταν τα αλογονοαλκάνια αλληλεπιδρούν με το αλκαλικό νάτριο, σχηματίζονται κορεσμένοι υδρογονάνθρακες και ένα αλογονίδιο αλκαλιμέταλλο, Για παράδειγμα:

Η δράση ενός μετάλλου αλκαλίου σε ένα μείγμα αλογονανθράκων (π.χ. βρωμοαιθάνιο και βρωμομεθάνιο) θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μείγματος αλκανίων (αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο).

Η αντίδραση στην οποία βασίζεται η σύνθεση του Wurtz προχωρά καλά μόνο με αλογονοαλκάνια στα μόρια των οποίων ένα άτομο αλογόνου είναι συνδεδεμένο με ένα πρωτογενές άτομο άνθρακα.

6. Υδρόλυση καρβιδίων. Όταν ορισμένα καρβίδια που περιέχουν άνθρακα σε κατάσταση οξείδωσης -4 (για παράδειγμα, καρβίδιο του αργιλίου) υποβάλλονται σε επεξεργασία με νερό, σχηματίζεται μεθάνιο:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Φυσικές ιδιότητες

Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι αέρια. Το πιο απλό από αυτά είναι το μεθάνιο - ένα αέριο χωρίς χρώμα, γεύση και οσμή (η μυρωδιά του "αερίου", που πρέπει να καλέσετε 04, καθορίζεται από τη μυρωδιά των μερκαπτανών - ενώσεων που περιέχουν θείο, που προστίθενται ειδικά στο μεθάνιο που χρησιμοποιείται στα νοικοκυριά και βιομηχανικές συσκευές αερίου, για να μπορούν οι κοντινοί άνθρωποι να ανιχνεύουν μια διαρροή από τη μυρωδιά).

Οι υδρογονάνθρακες με σύνθεση από C5H12 έως C15H32 είναι υγροί, οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες είναι στερεοί.

Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκανίων αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι ελάχιστα διαλυτοί στο νερό· οι υγροί υδρογονάνθρακες είναι κοινοί οργανικοί διαλύτες.

Χημικές ιδιότητες

1. Αντιδράσεις υποκατάστασης. Οι πιο χαρακτηριστικές αντιδράσεις για τα αλκάνια είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, κατά τις οποίες ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.

Ας παρουσιάσουμε τις εξισώσεις των πιο χαρακτηριστικών αντιδράσεων.

Αλογόνωση:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Σε περίπτωση περίσσειας αλογόνου, η χλωρίωση μπορεί να προχωρήσει περαιτέρω, μέχρι την πλήρη αντικατάσταση όλων των ατόμων υδρογόνου με χλώριο:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
διχλωρομεθάνιο μεθυλενοχλωρίδιο

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
τριχλωρομεθάνιο χλωροφόρμιο

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
τετραχλωράνθρακας τετραχλωράνθρακας

Οι ουσίες που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ευρέως ως διαλύτες και πρώτες ύλες σε οργανικές συνθέσεις.

2. Αφυδρογόνωση (αποβολή υδρογόνου). Όταν διέρχονται αλκάνια πάνω από έναν καταλύτη (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) σε υψηλή θερμοκρασία(400-600 °C) ένα μόριο υδρογόνου εξαλείφεται και σχηματίζεται ένα αλκένιο:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Αντιδράσεις που συνοδεύονται από την καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες καίγονται για να σχηματιστούν διοξείδιο του άνθρακακαι νερό. Αέριοι υδρογονάνθρακες αναμεμειγμένοι με αέρα σε ορισμένες αναλογίες μπορούν να εκραγούν. Η καύση κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι μια εξώθερμη αντίδραση ελεύθερων ριζών, η οποία είναι πολύ σημαντική όταν χρησιμοποιούνται αλκάνια ως καύσιμο.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

ΣΕ γενική εικόναΗ αντίδραση καύσης των αλκανίων μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Οι αντιδράσεις θερμικής αποσύνθεσης αποτελούν τη βάση της βιομηχανικής διαδικασίας πυρόλυσης υδρογονανθράκων. Αυτή η διαδικασία είναι το πιο σημαντικό στάδιο της διύλισης λαδιού.

Όταν το μεθάνιο θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1000 °C, αρχίζει η πυρόλυση μεθανίου - αποσύνθεση σε απλές ουσίες. Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1500 °C, είναι δυνατός ο σχηματισμός ακετυλενίου.

4. Ισομερισμός. Όταν οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες θερμαίνονται με καταλύτη ισομερισμού (χλωριούχο αργίλιο), σχηματίζονται ουσίες με διακλαδισμένο σκελετό άνθρακα:

5. Αρωματικό. Τα αλκάνια με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην αλυσίδα κυκλοποιούνται παρουσία καταλύτη για να σχηματίσουν βενζόλιο και τα παράγωγά του:

Ποιος είναι ο λόγος που τα αλκάνια υφίστανται αντιδράσεις ελεύθερων ριζών; Όλα τα άτομα άνθρακα στα μόρια αλκανίου βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp 3. Τα μόρια αυτών των ουσιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ομοιοπολικό μη πολικό C-CΔεσμοί (άνθρακας-άνθρακας) και ασθενώς πολικοί δεσμοί C-H (άνθρακας-υδρογόνο). Δεν περιέχουν περιοχές με αυξημένη ή μειωμένη πυκνότητα ηλεκτρονίων ή εύκολα πολωμένους δεσμούς, δηλαδή τέτοιους δεσμούς στους οποίους η πυκνότητα των ηλεκτρονίων μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση εξωτερικές επιρροές(ηλεκτροστατικά πεδία ιόντων). Κατά συνέπεια, τα αλκάνια δεν θα αντιδράσουν με φορτισμένα σωματίδια, αφού οι δεσμοί στα μόρια αλκανίων δεν διασπώνται από έναν ετερολυτικό μηχανισμό.

Πλέον χαρακτηριστικές αντιδράσειςΤα αλκάνια είναι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών. Κατά τη διάρκεια αυτών των αντιδράσεων, ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.

Η κινητική και ο μηχανισμός των αλυσιδωτών αντιδράσεων ελεύθερων ριζών, δηλαδή αντιδράσεων που συμβαίνουν υπό την επίδραση ελεύθερων ριζών - σωματιδίων με ασύζευκτα ηλεκτρόνια - μελετήθηκαν από τον αξιόλογο Ρώσο χημικό N. N. Semenov. Ήταν για αυτές τις σπουδές που του απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας.

Συνήθως, ο μηχανισμός των αντιδράσεων υποκατάστασης ελεύθερων ριζών αντιπροσωπεύεται από τρία κύρια στάδια:

1. Έναρξη (πυρήνωση αλυσίδας, σχηματισμός ελεύθερων ριζών υπό την επίδραση πηγής ενέργειας - υπεριώδες φως, θέρμανση).

2. Ανάπτυξη αλυσίδας (αλυσίδα διαδοχικών αλληλεπιδράσεων ελεύθερων ριζών και ανενεργών μορίων, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται νέες ρίζες και νέα μόρια).

3. Τερματισμός αλυσίδας (συνδυασμός ελεύθερων ριζών σε ανενεργά μόρια (ανασυνδυασμός), «θάνατος» ριζών, παύση ανάπτυξης αλυσίδας αντιδράσεων).

Επιστημονική έρευνα του Ν.Ν. Σεμένοφ

Σεμένοφ Νικολάι Νικολάεβιτς

(1896 - 1986)

Σοβιετικός φυσικός και φυσικοχημικός, ακαδημαϊκός. Δαφνοστεφής βραβείο Νόμπελ (1956). Επιστημονική έρευνασχετίζονται με το δόγμα του χημικές διεργασίες, κατάλυση, αλυσιδωτές αντιδράσεις, θεωρία θερμικής έκρηξης και καύσης μιγμάτων αερίων.

Ας εξετάσουμε αυτόν τον μηχανισμό χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της αντίδρασης χλωρίωσης μεθανίου:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Η έναρξη της αλυσίδας συμβαίνει ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας ή της θέρμανσης, λαμβάνει χώρα ομολυτική διάσπαση του δεσμού Cl-Cl και το μόριο χλωρίου αποσυντίθεται σε άτομα:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Οι ελεύθερες ρίζες που προκύπτουν επιτίθενται στα μόρια μεθανίου, αποκόπτοντας το άτομο υδρογόνου τους:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

και μετασχηματίζονται σε ρίζες CH3·, οι οποίες, με τη σειρά τους, συγκρούοντας με μόρια χλωρίου, τα καταστρέφουν με το σχηματισμό νέων ριζών:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl κ.λπ.

Η αλυσίδα αναπτύσσεται.

Μαζί με το σχηματισμό ριζών, ο "θάνατός" τους συμβαίνει ως αποτέλεσμα της διαδικασίας ανασυνδυασμού - ο σχηματισμός ενός ανενεργού μορίου από δύο ρίζες:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια του ανασυνδυασμού, απελευθερώνεται μόνο όση ενέργεια είναι απαραίτητη για να σπάσει ο νεοσχηματισμένος δεσμός. Από αυτή την άποψη, ο ανασυνδυασμός είναι δυνατός μόνο εάν ένα τρίτο σωματίδιο (άλλο μόριο, το τοίχωμα του δοχείου αντίδρασης) συμμετέχει στη σύγκρουση δύο ριζών, που απορροφά την περίσσεια ενέργειας. Αυτό καθιστά δυνατή τη ρύθμιση και ακόμη και τη διακοπή των αλυσιδωτών αντιδράσεων ελεύθερων ριζών.

δώσε προσοχή στο τελευταίο παράδειγμααντιδράσεις ανασυνδυασμού - ο σχηματισμός ενός μορίου αιθανίου. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ότι μια αντίδραση που περιλαμβάνει οργανικές ενώσεις είναι μια μάλλον πολύπλοκη διαδικασία, ως αποτέλεσμα της οποίας, μαζί με το κύριο προϊόν αντίδρασης, σχηματίζονται πολύ συχνά υποπροϊόντα, γεγονός που οδηγεί στην ανάγκη ανάπτυξης πολύπλοκων και δαπανηρών μεθόδων για τον καθαρισμό και απομόνωση ουσιών-στόχων.

Το μείγμα αντίδρασης που λαμβάνεται από τη χλωρίωση του μεθανίου, μαζί με το χλωρομεθάνιο (CH3Cl) και το υδροχλώριο, θα περιέχει: διχλωρομεθάνιο (CH2Cl2), τριχλωρομεθάνιο (CHCl3), τετραχλωράνθρακα (CCl4), αιθάνιο και τα προϊόντα χλωρίωσης του.

Τώρα ας προσπαθήσουμε να εξετάσουμε την αντίδραση αλογόνωσης (για παράδειγμα, βρωμίωση) μιας πιο πολύπλοκης οργανικής ένωσης - προπανίου.

Εάν στην περίπτωση της χλωρίωσης μεθανίου είναι δυνατό μόνο ένα μονοχλωρικό παράγωγο, τότε σε αυτή την αντίδραση μπορούν να σχηματιστούν δύο μονοβρωμοπαράγωγα:

Μπορεί να φανεί ότι στην πρώτη περίπτωση, το άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται στο πρωτεύον άτομο άνθρακα και στη δεύτερη περίπτωση, στο δευτερεύον. Είναι τα ίδια ποσοστά αυτών των αντιδράσεων; Αποδεικνύεται ότι το προϊόν της υποκατάστασης του ατόμου υδρογόνου, το οποίο βρίσκεται στον δευτερογενή άνθρακα, κυριαρχεί στο τελικό μείγμα, δηλαδή το 2-βρωμοπροπάνιο (CH3-CHBg-CH3). Ας προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε αυτό.

Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την ιδέα της σταθερότητας των ενδιάμεσων σωματιδίων. Παρατηρήσατε ότι όταν περιγράφαμε τον μηχανισμό της αντίδρασης χλωρίωσης μεθανίου αναφέραμε τη ρίζα μεθυλίου - CH3·; Αυτή η ρίζα είναι ένα ενδιάμεσο σωματίδιο μεταξύ μεθανίου CH4 και χλωρομεθανίου CH3Cl. Το ενδιάμεσο σωματίδιο μεταξύ προπανίου και 1-βρωμοπροπανίου είναι μια ρίζα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στον πρωτεύοντα άνθρακα και μεταξύ προπανίου και 2-βρωμοπροπανίου στον δευτερογενή άνθρακα.

Μια ρίζα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο δευτερεύον άτομο άνθρακα (b) είναι πιο σταθερή σε σύγκριση με μια ελεύθερη ρίζα με ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο στο πρωτεύον άτομο άνθρακα (α). Σχηματίζεται σε περισσότερο. Για το λόγο αυτό, το κύριο προϊόν της αντίδρασης βρωμίωσης προπανίου είναι το 2-βρωμοπροπάνιο, μια ένωση της οποίας ο σχηματισμός συμβαίνει μέσω ενός πιο σταθερού ενδιάμεσου είδους.

Ακολουθούν μερικά παραδείγματα αντιδράσεων ελεύθερων ριζών:

Αντίδραση νίτρωσης (αντίδραση Konovalov)

Η αντίδραση χρησιμοποιείται για να ληφθούν νιτροενώσεις - διαλύτες, πρώτες ύλες για πολλές συνθέσεις.

Καταλυτική οξείδωση αλκανίων με οξυγόνο

Αυτές οι αντιδράσεις είναι η βάση των πιο σημαντικών βιομηχανικές διεργασίεςλαμβάνοντας αλδεΰδες, κετόνες, αλκοόλες απευθείας από κορεσμένους υδρογονάνθρακες, για παράδειγμα:

CH4 + [O] -> CH3OH

Εφαρμογή

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, ιδιαίτερα το μεθάνιο, χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία (Σχήμα 2). Είναι απλά και αρκετά φθηνά καύσιμα, πρώτες ύλες για απόκτηση μεγάλη ποσότητατις πιο σημαντικές συνδέσεις.

Οι ενώσεις που λαμβάνονται από το μεθάνιο, τη φθηνότερη πρώτη ύλη υδρογονανθράκων, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολλών άλλων ουσιών και υλικών. Το μεθάνιο χρησιμοποιείται ως πηγή υδρογόνου στη σύνθεση αμμωνίας, καθώς και για την παραγωγή αερίου σύνθεσης (μίγμα CO και H2), που χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική σύνθεση υδρογονανθράκων, αλκοολών, αλδεϋδών και άλλων οργανικών ενώσεων.

Οι υδρογονάνθρακες των κλασμάτων λαδιού υψηλότερου βρασμού χρησιμοποιούνται ως καύσιμο για κινητήρες ντίζελ και στροβιλοκινητήρες, ως βάση λιπαντικών ελαίων, ως πρώτες ύλες για την παραγωγή συνθετικών λιπών κ.λπ.

Ακολουθούν αρκετές βιομηχανικά σημαντικές αντιδράσεις που συμβαίνουν με τη συμμετοχή του μεθανίου. Το μεθάνιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή χλωροφορμίου, νιτρομεθανίου και παραγώγων που περιέχουν οξυγόνο. Οι αλκοόλες, οι αλδεΰδες, τα καρβοξυλικά οξέα μπορούν να σχηματιστούν από την άμεση αλληλεπίδραση των αλκανίων με το οξυγόνο, ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης (καταλύτης, θερμοκρασία, πίεση):

Όπως ήδη γνωρίζετε, οι υδρογονάνθρακες της σύνθεσης από C5H12 έως C11H24 περιλαμβάνονται στο κλάσμα βενζίνης του λαδιού και χρησιμοποιούνται κυρίως ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Είναι γνωστό ότι τα πιο πολύτιμα συστατικά της βενζίνης είναι οι ισομερείς υδρογονάνθρακες, αφού έχουν μέγιστη αντοχή στην έκρηξη.

Όταν οι υδρογονάνθρακες έρχονται σε επαφή με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, σχηματίζουν σιγά-σιγά ενώσεις με αυτό - υπεροξείδια. Αυτή είναι μια αργά εξελισσόμενη αντίδραση ελεύθερων ριζών, που ξεκινά από ένα μόριο οξυγόνου:

Λάβετε υπόψη ότι η ομάδα υδροϋπεροξειδίου σχηματίζεται σε δευτερεύοντα άτομα άνθρακα, τα οποία είναι πιο άφθονα σε γραμμικούς ή κανονικούς υδρογονάνθρακες.

Με μια απότομη αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας που εμφανίζεται στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης, η αποσύνθεση αυτών των ενώσεων υπεροξειδίου αρχίζει με το σχηματισμό μεγάλος αριθμόςελεύθερες ρίζες που «εκτοξεύουν» ελεύθερες ρίζες αλυσιδωτή αντίδρασηκαύση νωρίτερα από όσο χρειάζεται. Το έμβολο εξακολουθεί να ανεβαίνει και τα προϊόντα καύσης της βενζίνης, που έχουν ήδη σχηματιστεί ως αποτέλεσμα της πρόωρης ανάφλεξης του μείγματος, το σπρώχνουν προς τα κάτω. Αυτό οδηγεί σε απότομη μείωση της ισχύος και της φθοράς του κινητήρα.

Έτσι, η κύρια αιτία της έκρηξης είναι η παρουσία ενώσεων υπεροξειδίου, η ικανότητα σχηματισμού η οποία είναι μέγιστη στους γραμμικούς υδρογονάνθρακες.

Το C-επτάνιο έχει τη χαμηλότερη αντίσταση στην έκρηξη μεταξύ των υδρογονανθράκων του κλάσματος της βενζίνης (C5H14 - C11H24). Το πιο σταθερό (δηλαδή, σχηματίζει υπεροξείδια στο μικρότερο βαθμό) είναι το λεγόμενο ισοοκτάνιο (2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο).

Ένα γενικά αποδεκτό χαρακτηριστικό της αντίστασης κρούσης της βενζίνης είναι ο αριθμός οκτανίων. Ένας αριθμός οκτανίων 92 (για παράδειγμα, βενζίνη A-92) σημαίνει ότι αυτή η βενζίνη έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα μείγμα που αποτελείται από 92% ισοοκτάνιο και 8% επτάνιο.

Συμπερασματικά, μπορούμε να προσθέσουμε ότι η χρήση βενζίνης υψηλών οκτανίων καθιστά δυνατή την αύξηση του λόγου συμπίεσης (πίεση στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης), γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη ισχύ και απόδοση του κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Το να είσαι στη φύση και να λαμβάνεις

Στο σημερινό μάθημα, μυηθήκατε στην έννοια των αλκανίων και επίσης μάθετε για αυτήν χημική σύνθεσηκαι μεθόδους απόκτησης. Επομένως, ας σταθούμε τώρα λεπτομερέστερα στο θέμα της παρουσίας αλκανίων στη φύση και ας μάθουμε πώς και πού έχουν βρει εφαρμογή τα αλκάνια.

Οι κύριες πηγές για την παραγωγή αλκανίων είναι το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο. Αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των προϊόντων διύλισης πετρελαίου. Ευρέως διαδεδομένο, σε καταθέσεις ιζηματογενή πετρώματατο μεθάνιο είναι επίσης ένυδρη αέριααλκάνια.

Το κύριο συστατικό φυσικό αέριοείναι μεθάνιο, αλλά περιέχει επίσης μια μικρή αναλογία αιθανίου, προπανίου και βουτανίου. Το μεθάνιο μπορεί να βρεθεί σε εκπομπές από ραφές άνθρακα, βάλτους και συναφή αέρια πετρελαίου.

Τα Ankan μπορούν επίσης να ληφθούν με άνθρακα οπτανθρακοποίησης. Στη φύση, υπάρχουν επίσης τα λεγόμενα στερεά αλκάνια - οζοκερίτες, τα οποία παρουσιάζονται με τη μορφή αποθέσεων κεριού του βουνού. Ο οζοκερίτης μπορεί να βρεθεί στις κηρώδεις επικαλύψεις των φυτών ή των σπόρων τους, καθώς και στο κερί μέλισσας.

Η βιομηχανική απομόνωση των αλκανίων λαμβάνεται από φυσικές πηγές, οι οποίες, ευτυχώς, είναι ακόμη ανεξάντλητες. Λαμβάνονται με την καταλυτική υδρογόνωση οξειδίων του άνθρακα. Το μεθάνιο μπορεί επίσης να ληφθεί από εργαστηριακές συνθήκες, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο θέρμανσης οξικού νατρίου με στερεό αλκάλιο ή υδρόλυση ορισμένων καρβιδίων. Αλλά τα αλκάνια μπορούν επίσης να ληφθούν με αποκαρβοξυλίωση καρβοξυλικών οξέων και με ηλεκτρόλυση τους.

Εφαρμογές αλκανίων

Τα αλκάνια σε επίπεδο νοικοκυριού χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Εξάλλου, είναι πολύ δύσκολο να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς φυσικό αέριο. Και δεν θα είναι μυστικό για κανέναν ότι η βάση του φυσικού αερίου είναι το μεθάνιο, από το οποίο παράγεται η αιθάλη, η οποία χρησιμοποιείται στην παραγωγή τοπογραφικών χρωμάτων και ελαστικών. Το ψυγείο που έχει ο καθένας στο σπίτι του λειτουργεί επίσης χάρη σε ενώσεις αλκανίων που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά μέσα. Το ακετυλένιο που λαμβάνεται από μεθάνιο χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση και την κοπή μετάλλων.

Τώρα γνωρίζετε ήδη ότι τα αλκάνια χρησιμοποιούνται ως καύσιμο. Υπάρχουν στη βενζίνη, την κηροζίνη, το ντίζελ και το μαζούτ. Επιπλέον, βρίσκονται επίσης σε λιπαντικά έλαια, βαζελίνη και παραφίνη.

Το κυκλοεξάνιο έχει βρει ευρεία χρήση ως διαλύτης και για τη σύνθεση διαφόρων πολυμερών. Το κυκλοπροπάνιο χρησιμοποιείται στην αναισθησία. Το Squalane, ως υψηλής ποιότητας λιπαντικό, είναι συστατικό πολλών φαρμακευτικών και καλλυντικών σκευασμάτων. Τα αλκάνια είναι οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή οργανικών ενώσεων όπως αλκοόλη, αλδεΰδες και οξέα.

Η παραφίνη είναι ένα μείγμα ανώτερων αλκανίων και επειδή είναι μη τοξική, χρησιμοποιείται ευρέως Βιομηχανία τροφίμων. Χρησιμοποιείται για εμποτισμό συσκευασιών γαλακτοκομικών προϊόντων, χυμών, δημητριακών κ.λπ., αλλά και στην κατασκευή τσίχλας. Και η θερμαινόμενη παραφίνη χρησιμοποιείται στην ιατρική για θεραπεία παραφίνης.

Εκτός από τα παραπάνω, οι κεφαλές των σπίρτων είναι εμποτισμένες με παραφίνη για καλύτερη καύση, από αυτήν κατασκευάζονται μολύβια, και κεριά.

Με την οξείδωση της παραφίνης, λαμβάνονται προϊόντα που περιέχουν οξυγόνο, κυρίως οργανικά οξέα. Όταν αναμιγνύονται υγροί υδρογονάνθρακες με ορισμένο αριθμό ατόμων άνθρακα, λαμβάνεται βαζελίνη, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην αρωματοποιία και την κοσμετολογία, καθώς και στην ιατρική. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή διαφόρων αλοιφών, κρεμών και τζελ. Χρησιμοποιούνται επίσης για θερμικές διαδικασίες στην ιατρική.

Πρακτικές εργασίες

1. Να γράψετε τον γενικό τύπο των υδρογονανθράκων της ομόλογης σειράς των αλκανίων.

2. Να γράψετε τους τύπους των πιθανών ισομερών του εξανίου και να τους ονομάσετε σύμφωνα με τη συστηματική ονοματολογία.

3. Τι είναι το σπάσιμο; Τι είδους ρωγμές γνωρίζετε;

4. Γράψτε τύπους πιθανά προϊόνταπυρόλυση εξανίου.

5. Αποκρυπτογραφήστε την ακόλουθη αλυσίδα μετασχηματισμών. Να ονομάσετε τις ενώσεις Α, Β και Γ.

6. Δώστε τον συντακτικό τύπο του υδρογονάνθρακα C5H12, ο οποίος σχηματίζει μόνο ένα μονοβρωμικό παράγωγο κατά τη βρωμίωση.

7. Για την πλήρη καύση 0,1 mol αλκανίου άγνωστης δομής, καταναλώθηκαν 11,2 λίτρα οξυγόνου (σε συνθήκες περιβάλλοντος). Τι είναι δομικός τύποςαλκάνιο;

8. Ποιος είναι ο δομικός τύπος ενός αέριου κορεσμένου υδρογονάνθρακα εάν 11 g αυτού του αερίου καταλαμβάνουν όγκο 5,6 λίτρων (σε τυπικές συνθήκες);

9. Θυμηθείτε τι γνωρίζετε για τη χρήση του μεθανίου και εξηγήστε γιατί μια διαρροή οικιακού αερίου μπορεί να ανιχνευθεί από τη μυρωδιά, αν και τα συστατικά του είναι άοσμα.

10*. Σε ποιες ενώσεις μπορούν να ληφθούν με καταλυτική οξείδωση του μεθανίου διαφορετικές συνθήκες? Να γράψετε τις εξισώσεις για τις αντίστοιχες αντιδράσεις.

έντεκα*. Προϊόντα πλήρους καύσης (σε περίσσεια οξυγόνου) 10,08 λίτρα (N.S.) μίγματος αιθανίου και προπανίου πέρασαν από περίσσεια ασβεστόνερου. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίστηκαν 120 g ιζήματος. Προσδιορίστε την ογκομετρική σύνθεση του αρχικού μείγματος.

12*. Η πυκνότητα αιθανίου ενός μείγματος δύο αλκανίων είναι 1,808. Κατά τη βρωμίωση αυτού του μίγματος, απομονώθηκαν μόνο δύο ζεύγη ισομερών μονοβρωμοαλκανίων. Η συνολική μάζα των ελαφρύτερων ισομερών στα προϊόντα αντίδρασης είναι ίση με τη συνολική μάζα των βαρύτερων ισομερών. Προσδιορίστε το κλάσμα όγκου του βαρύτερου αλκανίου στο αρχικό μείγμα.

Δεν βρήκατε απάντηση στην ερώτησή σας; Κοιτάξτε εδώ

"Η ηθική αναζήτηση των ηρώων του Kuprin χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των ηρώων της ιστορίας "The Duel"

Ποιήματα του Robert Rozhdestvensky

Πού και πότε εμφανίστηκαν οι Cortes στην Ισπανία;