Reakcija supstitucije alkana u alkene. Zasićeni ugljikovodici

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

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

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

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtz-ova sinteza. Kada haloalkani stupaju u interakciju 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 molekulama u kojima je atom halogena vezan na primarni atom ugljika.

6. Hidroliza karbida. Kada se neki karbidi koji sadrže ugljik u oksidacijskom stanju -4 (na primjer, aluminijev karbid) tretiraju vodom, nastaje metan:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fizička svojstva

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

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

Navedimo jednadžbe najkarakterističnijih reakcija.

Halogeniranje:

SN4 + S12 -> SN3Sl + HCl

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

SN3Sl + S12 -> HCl + SN2Sl2
diklorometan metilen klorid

SN2Sl2 + Cl2 -> HCl + CHCl3
triklorometan kloroform

SNSl3 + Sl2 -> HCl + SCl4
ugljik tetraklorid ugljikov tetraklorid

Dobivene tvari naširoko se koriste kao otapala i početni materijali u organskim sintezama.

2. Dehidrogenacija (eliminacija vodika). Kada alkani prolaze preko katalizatora (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) na visokim temperaturama (400-600 °C), molekula vodika se eliminira i nastaje alken:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reakcije popraćene razaranjem ugljikovog lanca. Svi zasićeni ugljikovodici izgaraju stvarajući ugljikov dioksid i vodu. Plinoviti ugljikovodici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati. Izgaranje zasićenih ugljikovodika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se kao gorivo koriste alkani.

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

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

Reakcije toplinske razgradnje 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. Zagrijavanjem 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 atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora da bi formirali benzen i njegove derivate:

Koji je razlog zašto alkani podliježu reakcijama 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. Ne sadrže područja s povećanom ili smanjenom gustoćom elektrona, niti lako polarizirajuće veze, tj. takve veze u kojima se gustoća elektrona može pomaknuti pod utjecajem vanjskih utjecaja (elektrostatska 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 utjecajem slobodnih radikala - čestica s nesparenim elektronima - proučavao je izvanredni ruski kemičar N. N. Semenov. Za te je studije dobio Nobelovu nagradu za kemiju.

Tipično, mehanizam reakcija supstitucije slobodnih radikala predstavljen je u tri glavne faze:

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

2. Razvoj lanca (lanac sekvencijalnih 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, prestanak razvoja 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 proučavanje kemijskih procesa, katalizu, lančane reakcije, teoriju toplinske eksplozije i izgaranja plinskih smjesa.

Razmotrimo ovaj mehanizam na primjeru reakcije kloriranja metana:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

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

Sl: Sl -> Sl· + Sl·

Nastali slobodni radikali napadaju molekule metana, otkidajući njihov 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, njihova "smrt" nastaje kao rezultat procesa rekombinacije - formiranja neaktivne molekule iz dva radikala:

SN3+ Sl -> SN3Sl

Sl· + Sl· -> Sl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

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

Obratite pažnju na posljednji primjer reakcije rekombinacije – nastanak molekule etana. Ovaj primjer pokazuje da je reakcija koja uključuje organske spojeve prilično složen proces, pri čemu se uz glavni produkt reakcije vrlo često stvaraju nusprodukti, što dovodi do potrebe za razvojem složenih i skupih metoda pročišćavanja. i izolacija ciljnih 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 monoklor derivat, tada 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? Ispada da u konačnoj smjesi prevladava produkt supstitucije atoma vodika koji se nalazi na sekundarnom ugljiku, tj. 2-brompropan (CH3-CHBg-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 ugljiku.

Radikal s nesparenim elektronom na sekundarnom ugljikovom atomu (b) stabilniji je u usporedbi s slobodnim radikalom s nesparenim elektronom na primarnom ugljikovom atomu (a). Stvara se u većim količinama. Iz tog razloga, glavni produkt reakcije bromiranja propana je 2-brompropan, spoj do čijeg stvaranja dolazi kroz stabilniju intermedijarnu vrstu.

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

Te su reakcije osnova najvažnijih industrijskih procesa za proizvodnju aldehida, ketona i 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 relativno jeftino gorivo, sirovina za proizvodnju velikog broja važnih 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 osnova mazivih ulja, kao sirovina za proizvodnju sintetičkih masti itd.

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

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

Kada ugljikovodici dođu u dodir s atmosferskim kisikom, s njim polagano stvaraju spojeve – perokside. Ovo je polagana 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 sagorijevanja slobodnih radikala ranije nego što je potrebno. Klip i dalje 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 i trošenja.

Dakle, glavni uzrok detonacije je prisutnost peroksidnih spojeva, čija je sposobnost stvaranja maksimalna u linearnim ugljikovodicima.

C-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 možemo dodati da korištenje visokooktanskog benzina omogućuje povećanje kompresijskog omjera (tlaka na kraju kompresijskog takta), što dovodi do povećanja snage i učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem.

Biti u prirodi i primati

U današnjoj lekciji upoznali ste se s pojmom alkana, a naučili ste i njegov kemijski sastav i načine dobivanja. Stoga se sada detaljnije osvrnimo na temu prisutnosti alkana u prirodi i saznajmo kako i gdje su alkani pronašli primjenu.

Glavni izvori za proizvodnju 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 sadrži i mali udio etana, propana i butana. Metan se može naći u emisijama iz slojeva ugljena, močvara i pratećih naftnih plinova.

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

Industrijska izolacija alkana preuzima se iz prirodnih izvora, koji su, na sreću, još uvijek neiscrpni. Dobivaju se katalitičkom hidrogenacijom ugljikovih oksida. Metan se također može proizvesti u laboratoriju metodom zagrijavanja natrijevog acetata s čvrstom alkalijom ili hidrolizom određenih karbida. Ali alkani se mogu dobiti i dekarboksilacijom karboksilnih kiselina i njihovom elektrolizom.

Primjena alkana

Alkani na razini kućanstva naširoko se koriste u mnogim područjima ljudske djelatnosti. Uostalom, 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. Acetilen dobiven iz metana koristi se za zavarivanje i rezanje metala.

Sada već znate da se alkani koriste kao gorivo. Prisutni su u benzinu, kerozinu, dizelskom ulju i loživom ulju. Osim toga, nalaze se i u uljima za podmazivanje, vazelinu i parafinu.

Cikloheksan je pronašao široku primjenu kao otapalo i za sintezu raznih polimera. Ciklopropan se koristi u anesteziji. Skvalan, kao visokokvalitetno mazivo ulje, sastavni je dio mnogih farmaceutskih i kozmetičkih pripravaka. Alkani su sirovine koje se koriste za proizvodnju organskih spojeva kao što su alkohol, aldehidi i kiseline.

Parafin je mješavina viših alkana, a budući da nije otrovan, široko se koristi u prehrambenoj industriji. Koristi se za impregnaciju ambalaže za mliječne proizvode, sokove, žitarice i sl., ali i u proizvodnji žvakaćih guma. A zagrijani parafin koristi se u medicini za liječenje parafinom.

Osim navedenog, glave šibica se impregniraju parafinom radi boljeg gorenja, 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 se široko koristi u parfumeriji i kozmetologiji, kao iu medicini. Koristi se za pripremu raznih masti, krema i gelova. Koriste se i za toplinske postupke u medicini.

Praktični zadaci

1. Napiši opću formulu ugljikovodika homolognog niza alkana.

2. Napišite formule mogućih izomera heksana i imenujte ih prema sustavnoj nomenklaturi.

3. Što je krekiranje? Koje vrste krekiranja poznajete?

4. Napiši formule mogućih produkata krekiranja heksana.

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

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

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

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

9. Prisjetite se što znate o korištenju metana i objasnite zašto se curenje plina iz kućanstva 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.S.) smjese etana i propana. U ovom slučaju nastalo je 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.

Struktura alkana

Alkani su ugljikovodici u čijim su molekulama atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju općoj formuli CnH2n+2. U molekulama alkana svi su atomi ugljika u stanju sp 3 -hibridizacija.

To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene prema uglovima jednakostrane trokutaste piramide - tetraedar. Kutovi između orbitala su 109° 28′. Gotovo slobodna rotacija moguća je oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekule alkana mogu poprimiti različite oblike s kutovima na ugljikovim atomima blizu tetraedarskih (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentana.

Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulama alkana. Sve veze u molekulama zasićenih ugljikovodika su jednostruke. Preklapanje se događa duž osi koja povezuje jezgre atoma, tj σ obveznice. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo se polariziraju. Duljina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je malo pomaknuta prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarni.

Homologne serije metana

Homolozi- tvari koje su slične po strukturi i svojstvima, a razlikuju se po jedna ili više CH grupa 2 .

Zasićeni ugljikovodicičine homologni niz metana.

Izomerija i nomenklatura alkana

Za alkane je karakteristična tzv strukturna izomerija. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljikovog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan.

Razmotrimo detaljnije osnovnu nomenklaturu za alkane IUPAC.

1. Izbor glavnog kruga. Formiranje imena ugljikovodika započinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca ugljikovih atoma u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.

2. Numeriranje atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeriranje atoma glavnog lanca počinje od kraja kojemu je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, tada numeriranje počinje od kraja na kojem ih je više (struktura B). Ako su različiti supstituenti smješteni na jednakoj udaljenosti od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojemu je stariji najbliži (struktura D). Seniornost supstituenata ugljikovodika određena je redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihov naziv: metil (-CH 3), zatim propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etil (-CH 2 -CH3) itd.

Imajte na umu da se naziv supstituenta tvori zamjenom sufiksa -an sa sufiksom -il u nazivu odgovarajućeg alkana.

3. Tvorba imena. Na početku naziva navedeni su brojevi - brojevi ugljikovih atoma na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na danom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, crticom se označava broj supstituenata (di - dva, tri - tri, tetra - četiri, penta - pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac naziva se ugljikovodik - član homologne serije metana (metan, etan, propan itd.).

Nazivi tvari čije su strukturne formule navedene gore su sljedeći:

Struktura A: 2-metilpropan;

Struktura B: 3-etilheksan;

Struktura B: 2,2,4-trimetilpentan;

Struktura D: 2-metil 4-etilheksan.

Odsutnost zasićenih ugljikovodika u molekulama polarne veze vodi do njih slabo topljiv u vodi, ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (ionima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodni radikali.

Fizikalna svojstva alkana

Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su plinovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "plina", kada ga osjetite, trebate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju metanu koji se koristi u kućanskim i industrijskim plinskim uređajima kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mirisom mogli otkriti curenje).

Ugljikovodici sastava iz S 5 N 12 prije S 15 N 32 - tekućine; teži ugljikovodici su čvrste 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 alkana

Supstitucijske reakcije.

Najkarakterističnije reakcije za alkane su supstitucija slobodnih radikala, pri čemu se atom vodika zamjenjuje atomom halogena ili nekom skupinom.

Navedimo karakteristične jednadžbe reakcije halogeniranja:

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

Dobivene tvari naširoko se koriste kao otapala i početni materijali u organskim sintezama.

Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodika).

Kada alkani prolaze preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), molekula vodika se eliminira i alkena:

Reakcije popraćene razaranjem ugljikovog lanca. Svi zasićeni ugljikovodici gori uz stvaranje ugljičnog dioksida i vode. Plinoviti ugljikovodici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.

1. Izgaranje zasićenih ugljikovodika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se koriste alkani kao gorivo:

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

2. Toplinsko cijepanje ugljikovodika.

Proces se odvija prema mehanizam slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.

Ovi radikali međusobno djeluju međusobno, izmjenjujući atom vodika, da bi formirali molekulu alkan i molekula alkena:

Reakcije toplinske razgradnje temelj su industrijskog procesa - krekiranje ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.

3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, piroliza metana- razgradnja na jednostavne tvari:

Zagrijavanjem na temperaturu od 1500 °C dolazi do stvaranja acetilen:

4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju s katalizatorom izomerizacije (aluminijev klorid), tvari s razgranati karbonski skelet:

5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora da bi formirali benzen i njegove derivate:

Alkani stupaju u reakcije koje se odvijaju prema mehanizmu slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulama alkana 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. Ne sadrže područja s povećanom ili smanjenom gustoćom elektrona, niti lako polarizirajuće veze, tj. takve veze u kojima se gustoća elektrona može pomaknuti pod utjecajem vanjskih čimbenika (elektrostatska polja iona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, budući da se veze u molekulama alkana ne prekidaju heterolitičkim mehanizmom.

Zasićeni ugljikovodici ili parafini su oni biospojevi u čijim su molekulama atomi ugljika povezani jednostavnom (jednostrukom) vezom, a sve ostale valentne jedinice zasićene su atomima vodika.

Alkani: fizikalna svojstva

Odvajanje vodika iz molekule alkana, ili dehidrogenacija, u prisutnosti katalizatora i nakon zagrijavanja (do 460 °C) omogućuje dobivanje potrebnih alkena. Razvijene su metode za oksidaciju alkana na niskim temperaturama u prisutnosti katalizatora (magnezijeve soli). To vam omogućuje da specifično utječete na tijek reakcije i dobijete potrebne oksidacijske proizvode u procesu kemijske sinteze. Na primjer, oksidacijom viših alkana nastaju različiti viši alkoholi ili više masne kiseline.

Do cijepanja alkana dolazi i pod drugim uvjetima (izgaranje, krekiranje). Zasićeni ugljikovodici gore plavim plamenom, oslobađajući ogromne količine topline. Ova svojstva omogućuju njihovu upotrebu kao visokokalorično gorivo kako u svakodnevnom životu tako iu industriji.

Ugljikovodici su najjednostavniji organski spojevi. Sastoje se od ugljika i vodika. Spojevi ova dva elementa nazivaju se zasićeni ugljikovodici ili alkani. Njihov sastav izražava se formulom CnH2n+2, uobičajenom za alkane, gdje je n broj ugljikovih atoma.

U kontaktu s

Alkani - međunarodni naziv za ove spojeve. Ovi spojevi se također nazivaju parafini i zasićeni ugljikovodici. Veze u molekulama alkana su jednostavne (ili jednostruke). Preostale valencije su zasićene atomima vodika. Svi alkani su zasićeni vodikom do granice, njegovi atomi su u stanju sp3 hibridizacije.

Homologne serije zasićenih ugljikovodika

Prvi u homolognom nizu zasićenih ugljikovodika je metan. Njegova formula je CH4. Završetak -an u nazivu zasićenih ugljikovodika posebno je obilježje. Nadalje, u skladu s danom formulom, etan - C2H6, propan - C3H8, butan - C4H10 nalaze se u homološkom nizu.

Od petog alkana u homolognom nizu nazivi spojeva tvore se na sljedeći način: grčki broj koji označava broj atoma ugljikovodika u molekuli + završetak -an. Dakle, na grčkom je broj 5 pende, pa nakon butana dolazi pentan - C5H12. Sljedeći je heksan C6H14. heptan - C7H16, oktan - C8H18, nonan - C9H20, dekan - C10H22 itd.

Fizikalna svojstva alkana zamjetno se mijenjaju u homolognom nizu: povećavaju se tališta i vrelišta, a povećava se i gustoća. Metan, etan, propan, butan u normalnim uvjetima, tj. na temperaturi od približno 22 stupnja Celzijusa, su plinovi, uključujući pentan do heksadekan su tekućine, a heptadekan su krutine. Počevši od butana, alkani imaju izomere.

Postoje tablice koje pokazuju promjene u homolognom nizu alkana, koji jasno odražavaju njihova fizička svojstva.

Nomenklatura zasićenih ugljikovodika, njihovih derivata

Ako se atom vodika odvoji od molekule ugljikovodika, nastaju jednovalentne čestice koje se nazivaju radikali (R). Ime radikala dobiva se prema ugljikovodiku iz kojeg je taj radikal proizveden, a završetak -an mijenja se u završetak -yl. Na primjer, iz metana, kada se ukloni atom vodika, nastaje metilni radikal, iz etana - etil, iz propana - propil itd.

Radikale također tvore anorganski spojevi. Na primjer, uklanjanjem hidroksilne skupine OH iz dušične kiseline, možete dobiti monovalentni radikal -NO2, koji se naziva nitro skupina.

Kada se odvoji od molekule alkana od dva atoma vodika, nastaju dvovalentni radikali, čiji se nazivi također tvore od naziva odgovarajućih ugljikovodika, ali se završetak mijenja u:

• ylen, ako su atomi vodika uklonjeni iz jednog atoma ugljika,
• ylen, u slučaju kada su dva atoma vodika uklonjena iz dva susjedna atoma ugljika.

Alkani: kemijska svojstva

Razmotrimo reakcije karakteristične za alkane. Svi alkani imaju zajednička kemijska svojstva. Ove tvari su neaktivne.

Sve poznate reakcije koje uključuju ugljikovodike dijele se u dvije vrste:

• cijepanje C-H veze (primjer je reakcija supstitucije);
• kidanje C-C veze (pucanje, stvaranje odvojenih dijelova).

Radikali su vrlo aktivni u trenutku formiranja. Sami po sebi postoje djelić sekunde. Radikali lako reagiraju jedni s drugima. Njihovi nespareni elektroni tvore novu kovalentnu vezu. Primjer: CH3 + CH3 → C2H6

Radikali lako reagiraju s molekulama organskih tvari. Oni se ili vežu za njih ili uklanjaju atom s nesparenim elektronom iz njih, zbog čega se pojavljuju novi radikali, koji zauzvrat mogu reagirati s drugim molekulama. Takvom lančanom reakcijom dobivaju se makromolekule koje prestaju rasti tek kada lanac pukne (primjer: spoj dvaju radikala)

Reakcije slobodnih radikala objašnjavaju mnoge važne kemijske procese, kao što su:

• Eksplozije;
• Oksidacija;
• Krekiranje nafte;
• Polimerizacija nezasićenih spojeva.

pojedinosti mogu se uzeti u obzir kemijska svojstva zasićenih ugljikovodika koristeći metan kao primjer. Iznad smo već razmotrili strukturu molekule alkana. Atomi ugljika u molekuli metana su u stanju sp3 hibridizacije, te se stvara prilično jaka veza. Metan je plin mirisa i boje. Lakši je od zraka. Slabo topljiv u vodi.

Alkani mogu gorjeti. Metan gori plavičastim blijedim plamenom. U tom će slučaju rezultat reakcije biti ugljični monoksid i voda. U miješanju sa zrakom, kao i u smjesi s kisikom, posebno ako je volumni omjer 1:2, ovi ugljikovodici stvaraju eksplozivne smjese, što ga čini izuzetno opasnim za korištenje u svakodnevnom životu i rudnicima. Ako metan ne izgori u potpunosti, stvara se čađa. U industriji se tako dobiva.

Formaldehid i metilni alkohol dobivaju se iz metana njegovom oksidacijom u prisutnosti katalizatora. Ako se metan jako zagrije, razlaže se prema formuli CH4 → C + 2H2

Raspad metana može se provesti do međuproizvoda u posebno opremljenim pećima. Međuprodukt će biti acetilen. Formula reakcije je 2CH4 → C2H2 + 3H2. Odvajanje acetilena od metana smanjuje troškove proizvodnje za gotovo polovicu.

Vodik se također proizvodi iz metana pretvorbom metana s vodenom parom. Reakcije supstitucije karakteristične su za metan. Tako pri uobičajenim temperaturama, na svjetlu, halogeni (Cl, Br) postupno istiskuju vodik iz molekule metana. Na taj način nastaju tvari koje se nazivaju halogeni derivati. Atomi klora Zamjenom atoma vodika u molekuli ugljikovodika tvore smjesu različitih spojeva.

Ova smjesa sadrži klorometan (CH3 Cl ili metil klorid), diklorometan (CH2Cl2 ili metilen klorid), triklorometan (CHCl3 ili kloroform), ugljikov tetraklorid (CCl4 ili ugljikov tetraklorid).

Bilo koji od ovih spojeva može se izolirati iz smjese. U proizvodnji su od velike važnosti kloroform i ugljikov tetraklorid, s obzirom na to da su otapala organskih spojeva (masti, smole, kaučuk). Halogeni derivati ​​metana nastaju mehanizmom lančanih slobodnih radikala.

Svjetlost utječe na molekule klora uslijed čega se raspadaju u anorganske radikale koji apstrahiraju atom vodika s jednim elektronom iz molekule metana. Pri tome nastaju HCl i metil. Metil reagira s molekulom klora, što rezultira halogenim derivatom i klorovim radikalom. Klorni radikal zatim nastavlja lančanu reakciju.

Na uobičajenim temperaturama metan je dovoljno otporan na lužine, kiseline i mnoga oksidirajuća sredstva. Iznimka je dušična kiselina. U reakciji s njim nastaju nitrometan i voda.

Reakcije adicije nisu tipične za metan, jer su sve valencije u njegovoj molekuli zasićene.

Reakcije u kojima sudjeluju ugljikovodici mogu se odvijati ne samo cijepanjem C-H veze, već i cijepanjem C-C veze. Takve se transformacije događaju u prisutnosti visokih temperatura i katalizatorima. Ove reakcije uključuju dehidrogenaciju i krekiranje.

Od zasićenih ugljikovodika oksidacijom se dobivaju kiseline – octena kiselina (iz butana), masne kiseline (iz parafina).

Proizvodnja metana

Metan u prirodi prilično široko rasprostranjen. Glavni je sastojak većine zapaljivih prirodnih i umjetnih plinova. Oslobađa se iz slojeva ugljena u rudnicima, s dna močvara. Prirodni plinovi (što je vrlo vidljivo kod pratećih plinova iz naftnih polja) sadrže ne samo metan, već i druge alkane. Primjene ovih tvari su različite. Koriste se kao gorivo u raznim industrijama, medicini i tehnologiji.

U laboratorijskim uvjetima ovaj se plin oslobađa zagrijavanjem smjese natrijev acetat + natrijev hidroksid, kao i reakcijom aluminijevog karbida i vode. Metan se također dobiva iz jednostavnih tvari. Za to, preduvjeti su grijanje i katalizator. Proizvodnja metana sintezom na bazi vodene pare od industrijske je važnosti.

Metan i njegovi homolozi mogu se dobiti kalcinacijom soli odgovarajućih organskih kiselina s alkalijama. Druga metoda za proizvodnju alkana je Wurtzova reakcija, u kojoj se monohalogeni derivati ​​zagrijavaju s metalnim natrijem.