Vezni kut alkana. Podjela supstituenata u benzenskom prstenu na dvije vrste

Bilo bi korisno započeti s definicijom pojma alkana. To su zasićeni ili limitirajući.Možemo reći i da su to ugljici kod kojih se veza C atoma odvija jednostavnim vezama. Opća formula je: CnH₂n+ 2.

Poznato je da je omjer broja H i C atoma u njihovim molekulama maksimalan u usporedbi s drugim klasama. Zbog činjenice da su sve valencije zauzete ili C ili H, kemijska svojstva alkana nisu dovoljno jasno izražena, stoga je sintagma zasićeni ili zasićeni ugljikovodici njihov drugi naziv.

Postoji i stariji naziv koji najbolje odražava njihovu relativnu kemijsku inertnost - parafini, što znači "lišeni afiniteta".

Dakle, tema našeg današnjeg razgovora: "Alkani: homologne serije, nomenklatura, struktura, izomerija." Prikazat će se i podaci o njihovim fizikalnim svojstvima.

Alkani: struktura, nomenklatura

U njima su C atomi u takvom stanju kao što je sp3 hibridizacija. U tom smislu, molekula alkana može se prikazati kao skup tetraedarskih struktura C, koje su povezane ne samo jedna s drugom, već i s H.

Između C i H atoma postoje jake veze vrlo niskog polariteta. Atomi pak uvijek kruže oko jednostavnih veza, zbog čega molekule alkana poprimaju različite oblike, a duljina veze i kut između njih stalne su vrijednosti. Oblici koji se pretvaraju jedni u druge zbog rotacije molekule oko σ-veza obično se nazivaju njezine konformacije.

U procesu odvajanja H atoma od razmatrane molekule nastaju 1-valentne čestice koje se nazivaju ugljikovodični radikali. Pojavljuju se kao rezultat ne samo spojeva, već i anorganskih. Ako od zasićene molekule ugljikovodika oduzmemo 2 atoma vodika, dobivamo 2-valentne radikale.

Dakle, nomenklatura alkana može biti:

radijalna (stara verzija);
supstitucija (međunarodna, sustavna). Predložio ga je IUPAC.

Značajke radijalne nomenklature

U prvom slučaju, nomenklaturu alkana karakterizira sljedeće:

Razmatranje ugljikovodika kao derivata metana, u kojem je 1 ili više H atoma zamijenjeno radikalima.
Visok stupanj pogodnosti u slučaju ne baš složenih veza.

Značajke zamjenske nomenklature

Supstitucijska nomenklatura alkana ima sljedeće značajke:

Osnova za naziv je 1 ugljikov lanac, dok se ostali molekulski fragmenti smatraju supstituentima.
Ako postoji više identičnih radikala, broj se navodi ispred njihovog naziva (strogo riječima), a radikalni brojevi se odvajaju zarezima.

Kemija: nomenklatura alkana

Radi praktičnosti, podaci su prikazani u obliku tablice.

Naziv tvari	Baza imena (korijen)	Molekularna formula	Naziv supstituenta ugljika	Formula ugljikovog supstituenta

Gornja nomenklatura alkana uključuje imena koja su se razvila kroz povijest (prva 4 člana niza zasićenih ugljikovodika).

Nazivi razmotanih alkana s 5 ili više atoma C potječu od grčkih brojeva koji odražavaju zadani broj atoma C. Dakle, sufiks -an označava da je tvar iz niza zasićenih spojeva.

Pri imenovanju nenamotanih alkana kao glavni lanac bira se onaj koji sadrži najveći broj atoma C. Numerira se tako da supstituenti budu s najmanjim brojem. U slučaju dva ili više lanaca iste duljine, glavni je onaj koji sadrži najveći broj supstituenata.

Izomerija alkana

Metan CH₄ djeluje kao ugljikovodik-predak njihove serije. Kod svakog sljedećeg predstavnika niza metana postoji razlika od prethodnog u metilenskoj skupini - CH₂. Ova se pravilnost može pratiti u cijelom nizu alkana.

Njemački znanstvenik Schiel iznio je prijedlog da se ovaj niz nazove homološkim. Prevedeno s grčkog znači "slično, slično".

Dakle, homologni niz je skup povezanih organskih spojeva koji imaju isti tip strukture sa sličnim kemijskim svojstvima. Homolozi su članovi određenog niza. Homologna razlika je metilenska skupina po kojoj se razlikuju 2 susjedna homologa.

Kao što je ranije spomenuto, sastav bilo kojeg zasićenog ugljikovodika može se izraziti općom formulom CnH₂n + 2. Dakle, sljedeći član homolognog niza nakon metana je etan - C₂H₆. Za izvođenje njegove strukture iz metana, potrebno je zamijeniti 1 H atom sa CH3 (slika ispod).

Struktura svakog sljedećeg homologa može se izvesti iz prethodnog na isti način. Kao rezultat, propan nastaje iz etana - C3H₈.

Što su izomeri?

To su tvari koje imaju identičan kvalitativni i kvantitativni molekulski sastav (identičnu molekularnu formulu), ali različitu kemijsku strukturu, a imaju i različita kemijska svojstva.

Gore navedeni ugljikovodici razlikuju se u parametru kao što je vrelište: -0,5 ° - butan, -10 ° - izobutan. Ovaj tip izomerije naziva se izomerija ugljičnog skeleta, pripada strukturnom tipu.

Broj strukturnih izomera brzo raste s porastom broja ugljikovih atoma. Dakle, C₁₀H₂₂ će odgovarati 75 izomera (ne uključujući prostorne), a za C₁₅H3₃₂ već je poznato 4347 izomera, za C₂₀H₄₂ - 366.319.

Dakle, već je postalo jasno što su alkani, homologna serija, izomerija, nomenklatura. Sada je vrijeme da prijeđemo na IUPAC konvencije o imenovanju.

IUPAC nomenklatura: pravila za tvorbu naziva

Najprije je u strukturi ugljikovodika potrebno pronaći onaj ugljikov lanac koji je najduži i sadrži najveći broj supstituenata. Zatim je potrebno numerirati C atome lanca, počevši od kraja kojemu je supstituent najbliži.

Drugo, baza je naziv ravnolančanog zasićenog ugljikovodika, koji odgovara najvećem lancu u smislu broja C atoma.

Treće, prije baze potrebno je navesti brojeve lokanata u blizini kojih se supstituenti nalaze. Iza njih slijede nazivi zamjena s crticom.

Četvrto, u slučaju identičnih supstituenata na različitim C atomima, lokanti se kombiniraju, a ispred naziva se pojavljuje prefiks za množenje: di - za dva identična supstituenta, tri - za tri, tetra - četiri, penta - za pet, itd. Brojevi moraju biti međusobno odvojeni zarezom, a od riječi crticom.

Ako isti C atom sadrži dva supstituenta odjednom, lokant se također piše dva puta.

Prema tim pravilima formira se međunarodna nomenklatura alkana.

Newmanove projekcije

Ovaj američki znanstvenik predložio je posebne projekcijske formule za grafički prikaz konformacija - Newmanove projekcije. Oni odgovaraju oblicima A i B i prikazani su na donjoj slici.

U prvom slučaju radi se o A-oklopljenoj konformaciji, au drugom o B-inhibiranoj konformaciji. U položaju A, atomi H nalaze se na minimalnoj udaljenosti jedan od drugog. Ovaj oblik odgovara najvećoj vrijednosti energije, zbog činjenice da je odbijanje između njih najveće. To je energetski nepovoljno stanje, zbog čega molekula teži da ga napusti i premjesti se u stabilniju poziciju B. Ovdje su H atomi što je moguće udaljeniji. Dakle, energetska razlika između ovih položaja je 12 kJ / mol, zbog čega je slobodna rotacija oko osi u molekuli etana, koja povezuje metilne skupine, neravnomjerna. Nakon što dođe u energetski povoljan položaj, molekula se tu zadržava, drugim riječima, "usporava". Zato se zove inhibirana. Rezultat - 10 tisuća molekula etana je u otežanom obliku konformacije na sobnoj temperaturi. Samo jedan ima drugačiji oblik – zatamnjen.

Dobivanje zasićenih ugljikovodika

Iz članka je već postalo poznato da su to alkani (njihova struktura, nomenklatura detaljno su opisani ranije). Bilo bi korisno razmisliti kako ih nabaviti. Izolirani su od takvih prirodnih izvora kao što su nafta, prirodni, ugljen. Koriste se i sintetske metode. Na primjer, H₂ 2H₂:

Proces hidrogenacije CnH₂n (alkeni)→ CnH₂n+2 (alkani) ← CnH₂n-2 (alkini).
Iz smjese monoksida C i H - sintezni plin: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
Od karboksilnih kiselina (njihovih soli): elektroliza na anodi, na katodi:

Kolbeova elektroliza: 2RCOONa+2H2O→R-R+2CO2+H2+2NaOH;
Dumasova reakcija (alkalna legura): CH₃COONa+NaOH (t)→CH4+Na₂CO3.

Krekiranje nafte: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH2(n-m).
Rasplinjavanje goriva (kruto): C+2H₂→CH4.
Sinteza složenih alkana (halogenih derivata) koji imaju manje C atoma: 2CH3Cl (klorometan) +2Na →CH3- CH3 (etan) +2NaCl.
Vodena razgradnja metanida (metalni karbidi): Al₄C3+12H₂O→4Al(OH3)↓+3CH₄.

Fizikalna svojstva zasićenih ugljikovodika

Radi praktičnosti, podaci su grupirani u tablicu.

Formula	Alkan	Talište u °C	Vrelište u °C	Gustoća, g/ml
				0,415 pri t = -165°C
				0,561 pri t= -100°C
				0,583 pri t = -45°C
				0,579 pri t=0°C
	2-metil propan			0,557 pri t = -25°C
	2,2-dimetil propan

	2-metilbutan

	2-metilpentan


	2,2,3,3-tetra-metilbutan
	2,2,4-trimetil-pentan

n-C₁₀H2₂
n-C₁1H24	n-undekan
n-C12H26	n-dodekan
n-C13H28	n-tridekan
n-C1₄H30	n-tetradekan
n-C15H32	n-pentadekan
n-C₁6H34	n-heksadekan
n-C₂₀H42	n-eikosan
n-C3₀H6₆₂	n-triakontan		1 mmHg sv
n-C₄₀H₈₂	n-tetrakontan		3 mmHg Umjetnost.
n-C₅₀H₁0₀₂	n-pentakontan		15 mmHg Umjetnost.
n-C₆₀H₁₂₂	n-heksakontan
n-C₇₀H₁₄₂	n-heptakontan
n-C₁₀₀H₂0₀₂

Zaključak

Članak je razmatrao takav koncept kao što su alkani (struktura, nomenklatura, izomerija, homologna serija itd.). Malo je rečeno o značajkama radijalne i supstitucijske nomenklature. Opisane su metode dobivanja alkana.

Osim toga, u članku je detaljno navedena cijela nomenklatura alkana (test može pomoći u asimilaciji primljenih informacija).

alkani (metan i njegovi homolozi) imaju opću formulu C n H2 n+2. Prva četiri ugljikovodika nazivaju se metan, etan, propan i butan. Imena viših članova ove serije sastoje se od korijena - grčkog broja i sufiksa -an. Imena alkana čine osnovu IUPAC-ove nomenklature.

Pravila za sustavnu nomenklaturu:

Pravilo glavnog lanca.

Glavni krug odabire se na temelju sljedećih kriterija redom:

Najveći broj funkcionalnih supstituenata.
Maksimalan broj višestrukih veza.
Maksimalna duljina.
Najveći broj bočnih ugljikovodičnih skupina.

Pravilo najmanjih brojeva (lokanata).

Glavni lanac je numeriran od jednog do drugog kraja arapskim brojevima. Svaki supstituent dobiva broj ugljikovog atoma glavnog lanca na koji je vezan. Redoslijed numeriranja bira se tako da zbroj brojeva supstituenata (lokanata) bude najmanji. Ovo pravilo vrijedi i za numeriranje monocikličkih spojeva.

Radikalna vladavina.

Sve bočne skupine ugljikovodika smatraju se monovalentnim (jednostruko vezanim) radikalima. Ako sam bočni radikal sadrži bočne lance, tada se u njemu odabire dodatni glavni lanac prema gornjim pravilima, koji je numeriran počevši od ugljikovog atoma vezanog za glavni lanac.

pravilo abecednog reda.

Naziv spoja počinje popisom supstituenata, koji označava njihova imena abecednim redom. Imenu svakog supstituenta prethodi njegov broj u glavnom lancu. Prisutnost nekoliko supstituenata označena je prefiksima-brojnicima: di-, tri-, tetra- itd. Nakon toga se naziva ugljikovodik koji odgovara glavnom lancu.

U tablici. 12.1 prikazuje nazive prvih pet ugljikovodika, njihove radikale, moguće izomere i njihove odgovarajuće formule. Nazivi radikala završavaju sufiksom -il.

Formula		Ime
ugljikovodik	radikal	ugljen- vodik	radikal


			izopropil
		Metilpropan (izobutan)	Metilpropil (izo-butil) tert-butil

		metilbutan (izopentan)	metilbutil (izopentil)
		dimetilpropan (neopentan)	dimetilpropil (neopentil)

Tablica 12.1.

Alkani aciklopske serije C n H2 n +2 .

Primjer. Imenuj sve izomere heksana.

Primjer. Navedite alkan sljedeće strukture

U ovom primjeru, od dva lanca od dvanaest atoma, bira se onaj u kojem je zbroj brojeva najmanji (pravilo 2).

Koristeći imena razgranatih radikala danih u tablici. 12.2,

Radikal	Ime	Radikal	Ime
	izopropil		izopentil
	izobutil		neopentil
	sek-butil		tert-pentil
	tert-butil		izoheksil

Tablica 12.2.

Nazivi razgranatih radikala.

naziv ovog alkana je nešto pojednostavljen:

10-tert-butil-2,2-(dimetil)-7-propil-4-izopropil-3-etil dodekan.

Kada se ugljikovodični lanac zatvori u ciklus uz gubitak dva atoma vodika, nastaju monocikloalkani opće formule C n H2 n. Ciklizacija počinje od C 3, imena se tvore od C n s prefiksom ciklo:

policiklički alkani. Njihova su imena sastavljena od prefiksa biciklo-, triciklo-, itd. Biciklički i triciklički spojevi sadrže dva, odnosno tri ciklusa u molekuli, da bi se opisala njihova struktura u uglatim zagradama je u opadajućem redoslijedu naveden broj ugljikovih atoma u svakom od lanci koji povezuju nodalne atome; ispod formule ime atoma:

Ovaj triciklički ugljikovodik obično se naziva adamantan (od češkog adamant, dijamant) jer je kombinacija tri spojena cikloheksanska prstena u obliku koji rezultira rasporedom ugljikovih atoma u kristalnoj rešetki poput dijamanta.

Ciklički ugljikovodici s jednim zajedničkim atomom ugljika nazivaju se spirani, na primjer, spiro-5,5-undekan:

Planarne cikličke molekule su nestabilne, pa nastaju različiti konformacijski izomeri. Za razliku od konfiguracijskih izomera (prostorni raspored atoma u molekuli bez obzira na orijentaciju), konformacijski se izomeri međusobno razlikuju samo rotacijom atoma ili radikala oko formalno jednostavnih veza uz zadržavanje konfiguracije molekula. Energija nastanka stabilnog konformera naziva se konformacijski.

Konformeri su u dinamičkoj ravnoteži i pretvaraju se jedni u druge kroz nestabilne oblike. Nestabilnost planarnih ciklusa uzrokovana je značajnom deformacijom veznih kutova. Uz zadržavanje tetraedarskih veznih kutova za cikloheksan C 6H 12 moguće su dvije stabilne konformacije: u obliku stolice (a) i u obliku kupke (b):

Aciklički ugljikovodici nazivaju se alkani. Ukupno ima 390 alkana. Nonacontatrictan (C 390 H 782) ima najdužu strukturu. Halogeni se mogu vezati za atome ugljika i formirati haloalkane.

Struktura i nomenklatura

Po definiciji, alkani su zasićeni ili zasićeni ugljikovodici koji imaju linearnu ili razgranatu strukturu. Nazivaju se i parafini. Alkani sadrže samo jednostruke kovalentne veze između ugljikovih atoma. Opća formula -

Da biste imenovali tvar, morate slijediti pravila. Prema međunarodnoj nomenklaturi imena se tvore pomoću sufiksa -an. Imena prva četiri alkana razvila su se kroz povijest. Počevši od petog predstavnika, imena se sastoje od prefiksa koji označava broj ugljikovih atoma i sufiksa -an. Na primjer, okta (osam) čini oktane.

Za razgranate lance nazivi se zbrajaju:

od brojeva koji označavaju brojeve ugljikovih atoma oko kojih stoje radikali;
od imena radikala;
od naziva glavnog lanca.

Primjer: 4-metilpropan - četvrti ugljikov atom u propanskom lancu ima radikal (metil).

Riža. 1. Strukturne formule s nazivima alkana.

Svaki deseti alkan imenuje sljedećih devet alkana. Nakon dekana dolaze undekan, dodekan i tako dalje; nakon eikozana, geneikozan, dokosan, trikozan itd.

homologne serije

Prvi predstavnik je metan, stoga se alkani nazivaju i homolognim nizom metana. Tablica alkana prikazuje prvih 20 predstavnika.

*Ime*	*Formula*	*Ime*	*Formula*


		Tridekan
		tetradekan
		Pentadekan
		heksadekan
		heptadekan
		Octadecan
		Nanadekan

Počevši od butana, svi alkani imaju strukturne izomere. Nazivu se dodaje prefiks izo-: izobutan, izopropan, izoheksan.

Riža. 2. Primjeri izomera.

Fizička svojstva

Agregatno stanje tvari mijenja se u popisu homologa odozgo prema dolje. Što je više atoma ugljika sadržano i, sukladno tome, što je veća molekularna težina spojeva, to je više vrelište i tvar je tvrđa.

Ostatak tvari koje sadrže više od 15 atoma ugljika su u krutom stanju.

Plinoviti alkani gore plavim ili bezbojnim plamenom.

Priznanica

Alkani se, kao i druge klase ugljikovodika, dobivaju iz nafte, plina i ugljena. Za to se koriste laboratorijske i industrijske metode:

rasplinjavanje krutog goriva:
C + 2H2 → CH4;
hidrogeniranje ugljikovog monoksida (II):
CO + 3H2 → CH4 + H2O;

hidroliza aluminijeva karbida:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4;
reakcija aluminijeva karbida s jakim kiselinama:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
redukcija haloalkana (reakcija supstitucije):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
hidrogeniranje haloalkana:
CH3Cl + H2 → CH4 + HCl;
fuzija soli octene kiseline s alkalijama (Dumasova reakcija):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.

Alkani se mogu dobiti hidrogenacijom alkena i alkina u prisutnosti katalizatora - platine, nikla, paladija.

Kemijska svojstva

Alkani reagiraju s anorganskim tvarima:

izgaranje:
CH4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
halogeniranje:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl;
nitracija (Konovalovljeva reakcija):
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H2O;
veza:

Definicija 1

alkani nazivaju se takvi ugljikovodici, ugljikovi atomi, u molekulama kojih su međusobno povezani jednostavnim (jednostrukim) $\sigma $-vezama. Sve ostale valentne jedinice atoma ugljika u ovim spojevima su zauzete (zasićene) atomima vodika.

Ugljikovi atomi u zasićenim molekulama ugljikovodika nalaze se u prvom valentnom stanju, odnosno u $sp3$ hibridizacijskom stanju. Ovi zasićeni ugljikovodici se također nazivaju parafini.

Ovi organski spojevi nazivaju se parafinima jer su se dugo smatrali nisko reaktivnim (od lat. parum- nekoliko i affinis- ima afinitet).

Stari naziv za zasićene ugljikovodike je alifatski ili masni ugljikovodici (od lat. alifatski- podebljano). Ovaj naziv dolazi od naziva prvih proučavanih spojeva koji su se nekad pripisivali tim tvarima - masti.

Zasićeni ugljikovodici tvore niz spojeva opće formule $C_nH_((2_n+2))$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$. Jednostavan spoj ove serije je metan $CH_4$. Stoga se određeni broj ovih spojeva naziva i nizom metanskih ugljikovodika.

Homološke serije

Spojevi serije metana imaju slične strukture i svojstva. Takav niz spojeva, čiji predstavnici imaju bliska kemijska svojstva i karakterizirani su pravilnom promjenom fizikalnih svojstava, imaju isti tip strukture i međusobno se razlikuju za jednu ili više $-CH_2$-skupina, naziva se homologni niz (s grčkog." homos"- sličnost). Svaki sljedeći ugljikovodik ove serije razlikuje se od prethodnog skupinom $-CH_2$. Ta se skupina naziva homologna razlika, a pojedinačni članovi ovog niza nazivaju se homolozi.

Podrijetlo imena alkana

Imena prva četiri zasićena ugljikovodika (metan, etan, propan, butan) nastala su slučajno. Na primjer, korijen riječi "ethane" dolazi od latinske riječi eter- eteri, budući da je ostatak etana $-C_2H_5$ dio medicinskog etera. Počevši od $C_5H_(12)$, nazivi alkana izvedeni su iz grčkih ili latinskih brojeva koji označavaju broj atoma ugljika u određenoj molekuli zasićenog ugljikovodika, uz dodatak -an tim nazivima. Stoga se ugljikovodik $C_5H_(12)$ naziva pentan (od grčkog " penta"- pet), $ C_6H_ (14) $ - heksan (od grčkog. " heksa"- šest), $ C_7H_(10) $ - heptan (od grčkog. " hepta"- sedam), itd.

Pravila za sustavnu nomenklaturu

Za nazive organskih tvari komisija Međunarodne unije za čistu i primijenjenu kemiju (IUPAC) izradila je pravila za sustavnu (znanstvenu) nomenklaturu. Prema ovim pravilima nazivi ugljikovodika daju se na sljedeći način:

U molekuli ugljikovodika odabire se glavni - dugi i složeni (koji ima najveći broj grana) - ugljikov lanac.

Ugljikovi atomi glavnog lanca su numerirani. Numeriranje se provodi sekvencijalno od kraja lanca, što radikalu daje najmanji broj. Ako postoji više alkilnih radikala, uspoređuje se veličina znamenki dva moguća uzastopna numeriranja. A numeriranje u kojem je prvi broj manji od drugog uzastopnog numeriranja smatra se "manjim" i koristi se za sastavljanje imena ugljikovodika.

Numeriranje s desna na lijevo bit će "manje" od numeriranja s lijeva na desno.

Oni nazivaju ugljikovodične radikale koji tvore bočne lance. Ispred naziva svakog radikala nalazi se broj koji označava broj ugljikovog atoma glavnog lanca na kojem se taj radikal nalazi. Broj je od naziva odvojen crticom. Nazivi alkilnih radikala navedeni su abecednim redom. Ako ugljikovodik ima nekoliko identičnih radikala u svom sastavu, tada se brojevi ugljikovih atoma koji imaju te radikale pišu rastućim redoslijedom. Brojevi su međusobno odvojeni zarezima. Iza brojeva se pišu prefiksi: di- (ako postoje dva ista radikala), tri- (kada postoje tri ista radikala), tetra-, penta- itd. (ako postoje četiri, odnosno pet istih radikala, itd.). Prefiksi pokazuju koliko identičnih radikala ima određeni ugljikovodik. Nakon prefiksa stavite naziv radikala. U slučaju da se dva identična radikala nalaze na istom ugljikovom atomu, broj tog ugljikovog atoma stavlja se dva puta u ime.

Navedite ugljikovodik ugljikovog lanca s glavnim brojem, imajući na umu da nazivi svih zasićenih ugljikovodika imaju nastavak -an.

Sljedeći primjer pomoći će vam da razumijete ova pravila:

Slika 1.

Alkilni radikali bočnog lanca

Ponekad su alkilni radikali bočnih lanaca razgranati. U ovom slučaju nazivaju se odgovarajućim zasićenim ugljikovodicima, samo umjesto sufiksa -an uzimaju sufiks -il.

Ugljikov lanac razgranatog radikala je numeriran. Ugljikov atom ovog radikala, povezan s glavnim lancem, dobiva broj $1$. Radi praktičnosti, ugljikov lanac razgranatog radikala označen je brojevima s početnim brojevima, a puni naziv takvog radikala uzet je u zagradama:

Slika 2.

Racionalna nomenklatura

Uz sustavnu nomenklaturu za naziv zasićenih ugljikovodika koristi se i racionalna nomenklatura. Prema ovoj nomenklaturi, zasićeni ugljikovodici se smatraju derivatima metana, u čijoj je molekuli jedan ili više vodikovih atoma zamijenjeno radikalima. Naziv zasićenog ugljikovodika prema racionalnoj nomenklaturi oblikujemo na ovaj način: po stupnju složenosti imenuju se svi radikali koji se nalaze na ugljikovom atomu s najvećim brojem supstituenata (bilježi njihov broj ako su isti), a zatim se dodaje osnova naziva ugljikovodika prema ovoj nomenklaturi – riječ "metan" . npr.:

Slika 3

Racionalna nomenklatura koristi se za imenovanje relativno jednostavnih ugljikovodika. Ova nomenklatura nije tako rafinirana i mnogo manje prikladna za korištenje od sustavne nomenklature. Prema racionalnoj nomenklaturi, ista tvar može imati različita imena, što je vrlo nezgodno. Osim toga, ne mogu se svi zasićeni ugljikovodici imenovati prema ovoj nomenklaturi.

Zagrijavanje natrijeve soli octene kiseline (natrijev acetat) s viškom lužine dovodi do eliminacije karboksilne skupine i stvaranja metana:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2CO3

Ako umjesto natrijevog acetata uzmemo natrijev propionat, tada nastaje etan, iz natrijevog butanoata - propan itd.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2CO3

5. Wurtz-ova sinteza. Kada haloalkani reagiraju s alkalijskim metalom natrijem, nastaju zasićeni ugljikovodici i halid alkalijskog metala, na primjer:

Djelovanje alkalijskog metala na smjesu halougljika (npr. bromoetan i bromometan) rezultirat će stvaranjem smjese alkana (etan, propan i butan).

Reakcija na kojoj se temelji Wurtz-ova sinteza odvija se dobro samo s haloalkanima, u čijim je molekulama atom halogena vezan na primarni atom ugljika.

6. Hidroliza karbida. Pri obradi nekih karbida koji sadrže ugljik u oksidacijskom stanju -4 (na primjer, aluminijev karbid), s vodom nastaje metan:

Al4C3 + 12H20 = ZCH4 + 4Al(OH)3 Fizikalna svojstva

Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su plinovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "plina", osjetivši koji trebate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju metanu koji se koristi u kućanstvu i industrijski plinski uređaji, kako bi ljudi u njihovoj blizini mogli osjetiti miris curenja).

Ugljikovodici sastava od C5H12 do C15H32 su tekućine, a teži ugljikovodici su krute tvari.

Vrelište i talište alkana postupno se povećavaju s povećanjem duljine ugljikovog lanca. Svi ugljikovodici su slabo topljivi u vodi; tekući ugljikovodici su uobičajena organska otapala.

Kemijska svojstva

1. Supstitucijske reakcije. Najkarakterističnije za alkane su reakcije supstitucije slobodnih radikala, tijekom kojih dolazi do zamjene atoma vodika atomom halogena ili nekom skupinom.

Navedimo jednadžbe najkarakterističnijih reakcija.

Halogeniranje:

CH4 + C12 -> CH3Cl + HCl

U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika klorom:

CH3Cl + C12 -> HCl + CH2Cl2
diklorometan metilen klorid

CH2Cl2 + Cl2 -> HCl + CHCl3
triklorometan kloroform

CHCl3 + Cl2 -> HCl + CCl4
ugljik tetraklorid ugljikov tetraklorid

Dobivene tvari naširoko se koriste kao otapala i početni materijali u organskoj sintezi.

2. Dehidrogenacija (eliminacija vodika). Kada alkani prolaze preko katalizatora (Pt, Ni, A12O3, Cr2O3) na visokoj temperaturi (400-600 °C), molekula vodika se odvaja i nastaje alken:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reakcije popraćene razaranjem ugljikovog lanca. Svi zasićeni ugljikovodici izgaraju uz stvaranje ugljičnog dioksida i vode. Plinoviti ugljikovodici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati. Izgaranje zasićenih ugljikovodika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je od velike važnosti pri korištenju alkana kao goriva.

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

Općenito, reakcija izgaranja alkana može se napisati na sljedeći način:

Reakcije toplinskog cijepanja temelj su industrijskog procesa – krekiranja ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.

Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 ° C, počinje piroliza metana - razgradnja na jednostavne tvari. Kada se zagrije na temperaturu od 1500 ° C, moguće je stvaranje acetilena.

4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju s katalizatorom izomerizacije (aluminijev klorid), nastaju tvari s razgranatim ugljikovim skeletom:

5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više ugljikovih atoma u lancu u prisutnosti katalizatora cikliziraju se u benzen i njegove derivate:

Koji je razlog da alkani stupaju u reakcije koje se odvijaju prema mehanizmu slobodnih radikala? Svi atomi ugljika u molekulama alkana su u stanju sp 3 hibridizacije. Molekule ovih tvari izgrađene su pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodik) veza. Nemaju područja s povećanom i smanjenom gustoćom elektrona, lako polarizirajućih veza, tj. takvih veza u kojima se gustoća elektrona može pomaknuti pod utjecajem vanjskih utjecaja (elektrostatskih polja iona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, jer se veze u molekulama alkana ne prekidaju heterolitičkim mehanizmom.

Najkarakterističnije reakcije alkana su reakcije supstitucije slobodnih radikala. Tijekom ovih reakcija, atom vodika se zamjenjuje atomom halogena ili nekom skupinom.

Kinetiku i mehanizam lančanih reakcija slobodnih radikala, tj. reakcija koje se odvijaju pod djelovanjem slobodnih radikala - čestica s nesparenim elektronima - proučavao je izvanredni ruski kemičar N. N. Semenov. Za te je studije dobio Nobelovu nagradu za kemiju.

Obično je mehanizam reakcije supstitucije slobodnih radikala predstavljen u tri glavne faze:

1. Inicijacija (nukleacija lanca, stvaranje slobodnih radikala pod djelovanjem izvora energije - ultraljubičasto svjetlo, zagrijavanje).

2. Razvoj lanca (lanac uzastopnih interakcija slobodnih radikala i neaktivnih molekula, uslijed čega nastaju novi radikali i nove molekule).

3. Prekid lanca (kombinacija slobodnih radikala u neaktivne molekule (rekombinacija), "smrt" radikala, prekid lanca reakcija).

Znanstvena istraživanja N.N. Semenov

Semenov Nikolaj Nikolajevič

(1896 - 1986)

Sovjetski fizičar i fizikalni kemičar, akademik. Dobitnik Nobelove nagrade (1956). Znanstvena istraživanja odnose se na doktrinu kemijskih procesa, katalizu, lančane reakcije, teoriju toplinske eksplozije i izgaranja plinskih smjesa.

Razmotrite ovaj mehanizam na primjeru reakcije kloriranja metana:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Inicijacija lanca nastaje kao rezultat činjenice da pod djelovanjem ultraljubičastog zračenja ili zagrijavanja dolazi do homolitičkog cijepanja Cl-Cl veze i molekula klora se raspada na atome:

Cl: Cl -> Cl + + Cl

Nastali slobodni radikali napadaju molekule metana, otkidajući im atom vodika:

CH4 + Cl -> CH3 + HCl

i pretvarajući se u CH3 radikale, koji zauzvrat, sudarajući se s molekulama klora, uništavaju ih stvaranjem novih radikala:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl itd.

Lanac se razvija.

Zajedno sa stvaranjem radikala, dolazi do njihove "smrti" kao rezultat procesa rekombinacije - stvaranja neaktivne molekule iz dva radikala:

CH3 + Cl -> CH3Cl

Cl+ + Cl+ -> Cl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Zanimljivo je primijetiti da se tijekom rekombinacije oslobađa točno onoliko energije koliko je potrebno da se uništi novostvorena veza. S tim u vezi, rekombinacija je moguća samo ako u sudaru dvaju radikala sudjeluje treća čestica (druga molekula, stijenka reakcijske posude) koja preuzima višak energije. To omogućuje reguliranje, pa čak i zaustavljanje lančanih reakcija slobodnih radikala.

Obratite pozornost na posljednji primjer reakcije rekombinacije – nastanak molekule etana. Ovaj primjer pokazuje da je reakcija koja uključuje organske spojeve prilično složen proces, koji uz glavni produkt reakcije često rezultira stvaranjem nusproizvoda, što dovodi do potrebe za razvojem složenih i skupih metoda za pročišćavanje i izolaciju ciljne tvari.

Reakcijska smjesa dobivena kloriranjem metana, uz klorometan (CH3Cl) i klorovodik, sadržavat će: diklorometan (CH2Cl2), triklorometan (CHCl3), ugljikov tetraklorid (CCl4), etan i njegove produkte kloriranja.

Sada pokušajmo razmotriti reakciju halogeniranja (na primjer, bromiranje) složenijeg organskog spoja - propana.

Ako je u slučaju kloriranja metana moguć samo jedan derivat monoklora, tada već u ovoj reakciji mogu nastati dva monobromo derivata:

Vidi se da je u prvom slučaju atom vodika zamijenjen na primarnom atomu ugljika, au drugom slučaju na sekundarnom. Jesu li brzine ovih reakcija iste? Ispostavilo se da u konačnoj smjesi prevladava produkt supstitucije atoma vodika koji se nalazi na sekundarnom ugljiku, tj. 2-brompropan (CH3-CHBr-CH3). Pokušajmo ovo objasniti.

Da bismo to učinili, morat ćemo koristiti ideju o stabilnosti međučestica. Jeste li primijetili da smo pri opisivanju mehanizma reakcije kloriranja metana spomenuli metilni radikal - CH3 ? Ovaj radikal je intermedijarna čestica između metana CH4 i klorometana CH3Cl. Intermedijarna čestica između propana i 1-brompropana je radikal s nesparenim elektronom na primarnom ugljiku, a između propana i 2-brompropana - na sekundarnom.

Radikal s nesparenim elektronom na sekundarnom ugljikovom atomu (b) stabilniji je od slobodnog radikala s nesparenim elektronom na primarnom ugljikovom atomu (a). Proizvodi se u većim količinama. Iz tog razloga, glavni produkt reakcije bromiranja propana je 2-brom-propan, spoj čija se tvorba odvija kroz stabilniju međučesticu.

Evo nekoliko primjera reakcija slobodnih radikala:

Reakcija nitriranja (Konovalovljeva reakcija)

Reakcijom se dobivaju nitro spojevi - otapala, polazni materijali za mnoge sinteze.

Katalitička oksidacija alkana s kisikom

Ove reakcije temelj su najvažnijih industrijskih procesa za dobivanje aldehida, ketona, alkohola izravno iz zasićenih ugljikovodika, na primjer:

CH4 + [O] -> CH3OH

Primjena

Zasićeni ugljikovodici, posebice metan, imaju široku primjenu u industriji (shema 2). Oni su jednostavno i prilično jeftino gorivo, sirovina za dobivanje velikog broja najvažnijih spojeva.

Spojevi dobiveni iz metana, najjeftinije ugljikovodične sirovine, koriste se za proizvodnju mnogih drugih tvari i materijala. Metan se koristi kao izvor vodika u sintezi amonijaka, kao i za proizvodnju sinteznog plina (smjesa CO i H2) koji se koristi za industrijsku sintezu ugljikovodika, alkohola, aldehida i drugih organskih spojeva.

Ugljikovodici uljnih frakcija višeg vrelišta koriste se kao gorivo za dizelske i turbomlazne motore, kao baza za maziva ulja, kao sirovina za proizvodnju sintetičkih masti itd.

Evo nekoliko industrijski značajnih reakcija koje uključuju metan. Metan se koristi za proizvodnju kloroforma, nitrometana, derivata koji sadrže kisik. Alkoholi, aldehidi, karboksilne kiseline mogu nastati izravnom interakcijom alkana s kisikom, ovisno o reakcijskim uvjetima (katalizator, temperatura, tlak):

Kao što već znate, ugljikovodici sastava od C5H12 do C11H24 uključeni su u benzinsku frakciju nafte i uglavnom se koriste kao gorivo za motore s unutarnjim izgaranjem. Poznato je da su najvrjedniji sastojci benzina izomerni ugljikovodici, budući da imaju najveću otpornost na udarce.

Ugljikovodici u dodiru s atmosferskim kisikom polako stvaraju s njim spojeve – perokside. Ovo je spora reakcija slobodnih radikala koju pokreće molekula kisika:

Imajte na umu da se hidroperoksidna skupina formira na sekundarnim atomima ugljika, koji su najzastupljeniji u linearnim ili normalnim ugljikovodicima.

S naglim porastom tlaka i temperature, koji se događa na kraju takta kompresije, počinje razgradnja ovih peroksidnih spojeva uz stvaranje velikog broja slobodnih radikala, koji "pokreću" lančanu reakciju izgaranja slobodnih radikala ranije nego što je potrebno . Klip još uvijek ide gore, a produkti izgaranja benzina, koji su već nastali kao rezultat preranog paljenja smjese, guraju ga prema dolje. To dovodi do oštrog smanjenja snage motora, njegovog trošenja.

Dakle, glavni uzrok detonacije je prisutnost peroksidnih spojeva, čija je sposobnost stvaranja maksimalna za linearne ugljikovodike.

k-heptan ima najmanju otpornost na detonaciju među ugljikovodicima benzinske frakcije (C5H14 - C11H24). Najstabilniji (tj. u najmanjoj mjeri stvara perokside) je takozvani izooktan (2,2,4-trimetilpentan).

Općeprihvaćena karakteristika otpornosti na detonaciju benzina je oktanski broj. Oktanski broj 92 (na primjer, benzin A-92) znači da ovaj benzin ima ista svojstva kao smjesa koja se sastoji od 92% izooktana i 8% heptana.

Zaključno se može dodati da korištenje visokooktanskog benzina omogućuje povećanje kompresijskog omjera (tlak na kraju kompresijskog takta), što dovodi do povećanja snage i učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem.

Biti u prirodi i dobiti

U današnjoj lekciji upoznali ste se s takvim pojmom kao što su alkani, a također ste naučili o njegovom kemijskom sastavu i metodama dobivanja. Stoga se sada detaljnije osvrnimo na temu pronalaska alkana u prirodi i saznajmo kako i gdje su alkani pronašli primjenu.

Glavni izvori za dobivanje alkana su prirodni plin i nafta. Oni čine najveći dio proizvoda prerade nafte. Metan, čest u naslagama sedimentnih stijena, također je plinski hidrat alkana.

Glavna komponenta prirodnog plina je metan, ali također sadrži mali udio etana, propana i butana. Metan se može naći u emisijama slojeva ugljena, močvarama i pratećim naftnim plinovima.

Ankani se mogu dobiti i koksiranjem ugljena. U prirodi postoje i takozvani čvrsti alkani - ozoceriti, koji su prisutni u obliku naslaga planinskog voska. Ozokerit se nalazi u voštanim ovojnicama biljaka ili njihovim sjemenkama, kao iu sastavu pčelinjeg voska.

Industrijska izolacija alkana preuzima se iz prirodnih izvora, koji su, na sreću, još uvijek neiscrpni. Dobivaju se katalitičkim hidrogeniranjem ugljikovih oksida. Također, metan se može dobiti u laboratoriju metodom zagrijavanja natrijevog acetata s čvrstom alkalijom ili hidrolizom nekih karbida. Ali i alkani se mogu dobiti dekarboksilacijom karboksilnih kiselina i njihovom elektrolizom.

Primjena alkana

Alkani na razini kućanstva naširoko se koriste u mnogim područjima ljudske djelatnosti. Vrlo je teško zamisliti naš život bez prirodnog plina. I nikome neće biti tajna da je osnova prirodnog plina metan, iz kojeg se proizvodi čađa, koja se koristi u proizvodnji topografskih boja i guma. Hladnjak koji svatko ima u svom domu također radi zahvaljujući spojevima alkana koji se koriste kao rashladna sredstva. A acetilen dobiven iz metana koristi se za zavarivanje i rezanje metala.

Sada već znate da se alkani koriste kao gorivo. Prisutni su u sastavu benzina, kerozina, solarnog ulja i loživog ulja. Osim toga, nalaze se iu sastavu ulja za podmazivanje, vazelina i parafina.

Kao otapalo i za sintezu raznih polimera cikloheksan je našao široku primjenu. Ciklopropan se koristi u anesteziji. Skvalan, kao visokokvalitetno mazivo ulje, sastojak je mnogih farmaceutskih i kozmetičkih pripravaka. Alkani su sirovine pomoću kojih se dobivaju organski spojevi poput alkohola, aldehida i kiselina.

Parafin je mješavina viših alkana, a budući da nije otrovan, široko se koristi u prehrambenoj industriji. Koristi se za impregnaciju pakiranja mliječnih proizvoda, sokova, žitarica i sl., ali i u proizvodnji žvakaćih guma. A zagrijani parafin koristi se u medicini za liječenje parafinom.

Osim navedenog, glave šibica su impregnirane parafinom, za njihovo bolje gorenje, od njega se izrađuju olovke i svijeće.

Oksidacijom parafina dobivaju se produkti koji sadrže kisik, uglavnom organske kiseline. Kada se pomiješaju tekući ugljikovodici s određenim brojem ugljikovih atoma, dobiva se vazelin, koji je našao široku primjenu kako u parfumeriji i kozmetologiji, tako iu medicini. Koristi se za pripremu raznih masti, krema i gelova. Također se koristi za toplinske postupke u medicini.

Praktični zadaci

1. Napiši opću formulu ugljikovodika homolognog niza alkana.

2. Napišite formule za moguće izomere heksana i imenujte ih prema sustavnoj nomenklaturi.

3. Što je krekiranje? Koje vrste krekiranja poznajete?

4. Napiši formule za moguće produkte krekiranja heksana.

5. Dešifrirajte sljedeći lanac transformacija. Imenuj spojeve A, B i C.

6. Navedite strukturnu formulu ugljikovodika C5H12 koji bromiranjem tvori samo jedan monobrom derivat.

7. Za potpuno izgaranje 0,1 mola alkana nepoznate strukture utrošeno je 11,2 litre kisika (na n.p.). Koja je strukturna formula alkana?

8. Koja je strukturna formula plinovitog zasićenog ugljikovodika ako 11 g tog plina zauzima volumen od 5,6 litara (na n.p.)?

9. Ponovite što znate o upotrebi metana i objasnite zašto se curenje plina u kućanstvu može otkriti mirisom, iako su njegovi sastojci bez mirisa.

10*. Koji se spojevi mogu dobiti katalitičkom oksidacijom metana u različitim uvjetima? Napiši jednadžbe za odgovarajuće reakcije.

jedanaest*. Produkti potpunog izgaranja (u suvišku kisika) Kroz višak vapnene vode propušteno je 10,08 litara (n.a.) smjese etana i propana. Tako je nastalo 120 g taloga. Odredite volumenski sastav početne smjese.

12*. Gustoća etana smjese dvaju alkana je 1,808. Nakon bromiranja ove smjese izolirana su samo dva para izomernih monobromalkana. Ukupna masa lakših izomera u produktima reakcije jednaka je ukupnoj masi težih izomera. Odredite volumni udio težeg alkana u početnoj smjesi.