Алкани кут зв'язку. Розподіл заступників у бензольному кільці на два типи

Не зайве розпочати з визначення поняття алканів. Це насичені чи граничні Також можна сказати, що це вуглецю, у яких з'єднання атомів C здійснюється у вигляді простих зв'язків. Загальна формула має вигляд: CnH₂n+2.

Відомо, що співвідношення кількості атомів H та C у їх молекулах максимально, якщо порівнювати з іншими класами. Зважаючи на те, що всі валентності зайняті або C, або H, хімічні властивості алканів виражені недостатньо яскраво, тому їх другою назвою виступає словосполучення граничні або насичені вуглеводні.

Також існує більш давнє найменування, яке найкраще відображає їхню відносну хімінертність - парафіни, що в перекладі означає «позбавлені спорідненості».

Отже, тема нашої сьогоднішньої розмови: "Алкани: гомологічний ряд, номенклатура, будова, ізомерія". Також будуть представлені дані щодо їх фізичних властивостей.

Алкани: будова, номенклатура

Вони атоми C перебувають у такому стані, як sp3-гибридизация. У зв'язку з цим молекулу алканів можна продемонструвати як набір тетраедричних структур C, які пов'язані не тільки між собою, але і H.

Між атомами C і H присутні міцні, малополярні s-зв'язку. Атоми навколо простих зв'язків завжди обертаються, через що молекули алканів приймають різноманітні форми, причому довжина зв'язку, кут між ними - постійні величини. Форми, які трансформуються одна в одну через обертання молекули, що відбувається навколо σ-зв'язків, прийнято називати її конформаціями.

У процесі відриву атома H від молекули, що розглядається, формуються 1-валентні частинки, звані вуглеводневими радикалами. Вони виникають у результаті сполук як і неорганічних. Якщо відібрати 2 атоми водню від молекули граничного вуглеводню, то вийдуть 2-валентні радикали.

Таким чином, номенклатура алканів може бути:

радіальної (старий варіант);
замісною (міжнародна, систематична). Вона запропонована ІЮПАК.

Особливості радіальної номенклатури

У першому випадку номенклатура алканів характеризується таким:

Розгляд вуглеводнів як похідних метану, у якого заміщено 1 чи кілька атомів H радикалами.
Високий ступінь зручності у випадку не дуже складних сполук.

Особливості замісної номенклатури

Замісна номенклатура алканів має такі особливості:

Основа для назви - 1 вуглецевий ланцюг, інші ж молекулярні фрагменти розглядаються як заступники.
За наявності кількох ідентичних радикалів перед їх найменуванням вказується число (суворо прописом), а радикальні номери поділяються комами.

Хімія: номенклатура алканів

Для зручності інформація представлена у вигляді таблиці.

Назва речовини	Основа назви (корінь)	Молекулярна формула	Назва вуглецевого заступника	Формула вуглецевого заступника

Вищевказана номенклатура алканів включає назви, що склалися історично (перші 4 члени низки граничних вуглеводнів).

Найменування нерозгорнутих алканів з 5 і більше атомами C утворені від грецьких числівників, які відображають це число атомів C. Так, суфікс -ан говорить про те, що речовина з низки насичених сполук.

При складанні назв розгорнутих алканів у ролі основного ланцюга вибирається той, який містить максимальну кількість атомів C. Він нумерується так, щоб заступники були з найменшим номером. У разі двох і більше ланцюгів однакової довжини головною стає та, яка містить найбільшу кількість заступників.

Ізомерія алканів

Як вуглеводень-родоначальник їх ряду виступає метан CH₄. З кожним наступним представником метанового ряду спостерігається відмінність від попереднього на метиленову групу - CH₂. Ця закономірність простежується у всьому ряді алканів.

Німецький вчений Шиль висунув пропозицію назвати цей ряд гомологічним. У перекладі з грецької означає «подібний, подібний».

Таким чином, гомологічний ряд - набір споріднених органічних сполук, що мають однотипну структуру з близькими хім властивостями. Гомологи - члени цього ряду. Гомологічна різниця - метиленова група, на яку відрізняються 2 сусідні гомологи.

Як згадувалося раніше, склад будь-якого насиченого вуглеводню може бути виражений за допомогою загальної формули CnH₂n + 2. Так, наступним за метаном членом гомологічного ряду є етан - C₂H₆. Щоб вивести його структуру з метанової необхідно замінити 1 атом H на CH₃ (рисунок нижче).

Структура кожного наступного гомолога може бути виведена з попереднього так само. У результаті етану утворюється пропан - C₃H₈.

Що таке ізомери?

Це речовини, які мають ідентичний якісний і кількісний молекулярний склад (ідентичну молекулярну формулу), проте різна хімічна будова, а також мають різні хімвластивості.

Вищерозглянуті вуглеводні відрізняються таким параметром, як температура кипіння: -0,5° - бутан, -10° - изобутан. Цей вид ізомерії називається як ізомерія вуглецевого скелета, вона відноситься до структурного типу.

Число структурних ізомерів зростає швидкими темпами зі збільшенням кількості вуглецевих атомів. Таким чином, C₁₀H₂₂ буде відповідати 75 ізомерам (не включаючи просторові), а для C₁₅H₃₂ вже відомі 4347 ізомерів, для C₂₀H₄₂ - 366319.

Отже, стало зрозуміло, що таке алкани, гомологічний ряд, ізомерія, номенклатура. Тепер варто перейти до правил складання назв щодо ІЮПАК.

Номенклатура ІЮПАК: правила освіти назв

По-перше, необхідно знайти у вуглеводневій структурі вуглецевий ланцюг, який найбільш довгий і містить максимальну кількість заступників. Потім потрібно пронумерувати атоми C ланцюга, починаючи з кінця, якого ближче всього розташований заступник.

По-друге, основа - назва нерозгалуженого насиченого вуглеводню, якому за кількістю атомів C відповідає найголовніший ланцюг.

По-третє, перед основою необхідно вказати номери локантів біля яких розташовані заступники. За ними записуються через дефіс назви заступників.

По-четверте, у разі наявності ідентичних заступників при різних атомах C локанти об'єднуються, при цьому перед назвою з'являється приставка, що множить: ді - для двох ідентичних заступників, три - для трьох, тетра - чотирьох, пента - для п'яти і т. д. Цифри повинні бути відокремлені одна від одної комою, а від слів - дефісом.

Якщо той самий атом C міститься відразу два заступника, локант теж записується двічі.

Відповідно до цих правил і формується міжнародна номенклатура алканів.

Проекції Ньюмена

Цей американський вчений запропонував для графічної демонстрації конформацій спеціальні проекційні формули – проекції Ньюмена. Вони відповідають формам А та Б і представлені на малюнку нижче.

У першому випадку це А-затулена конформація, а в другому - Б-загальмована. У позиції А атоми розташовуються на мінімальній відстані один від одного. Даній формі відповідає найбільше значення енергії, тому що відштовхування між ними найбільше. Це енергетично невигідний стан, внаслідок чого молекула прагне залишити його і перейти до більш стійкого положення Б. Тут атоми H максимально віддалені один від одного. Так, енергетична різниця цих положень - 12 кДж/моль, завдяки чому вільне обертання навколо осі в молекулі етану, що з'єднує метильні групи, виходить нерівномірним. Після потрапляння в енергетично вигідне становище молекула там затримується, тобто «гальмується». Саме тому воно і називається загальмованим. Результат – 10 тис. молекул етану перебувають у загальмованій формі конформації за умови кімнатної температури. Тільки одна має іншу форму – заслоненную.

Отримання граничних вуглеводнів

Зі статті вже стало відомо, що це алкани (будова, номенклатура їх докладно описані раніше). Не зайве буде розглянути способи їх отримання. Вони виділяються з таких природних джерел, як нафта, природне кам'яне вугілля. Застосовуються також синтетичні методи. Наприклад, H₂ 2H₂:

Процес гідрування CnH₂n (алкени)→ CnH₂n+2 (алкани)← CnH₂n-2 (алкіни).
З суміші монооксиду C і H - синтез-газу: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
З карбонових кислот (їх солей): електроліз на аноді, на катоді:

електроліз Кольбе: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
реакція Дюма (сплав із лугом): CH₃COONa+NaOH (t)→CH₄+Na₂CO₃.

Крекінг нафти: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
Газифікація палива (твердого): C+2H₂→CH₄.
Синтез складних алканів (галогеновиробних), які мають меншу кількість атомів C: 2CH₃Cl (хлорметан) +2Na →CH₃- CH₃ (етан) +2NaCl.
Розкладання водою метанідів (карбідів металів): Al₄C₃+12H₂O→4Al(OH₃)↓+3CH₄.

Фізичні властивості граничних вуглеводнів

Для зручності дані згруповані до таблиці.

Формула	Алкан	Температура плавлення у °С	Температура кипіння у °С	Щільність, г/мл
				0,415 при t = -165 ° С
				0,561 при t=-100°C
				0,583 при t = -45°C
				0,579 при t=0°C
	2-Метилпропан			0,557 при t = -25°C
	2,2-Диметил-пропан

	2-Метилбутан

	2-Метілпентан


	2,2,3,3-Тетра-метилбутан
	2,2,4-Триметил-пентан

н-C₁₀H₂₂
н-C₁₁H₂₄	н-Ундекан
н-C₁₂H₂₆	н-Додекан
н-C₁₃H₂₈	н-Трідекан
н-C₁₄H₃₀	н-Тетрадекан
н-C₁₅H₃₂	н-Пентадекан
н-C₁₆H₃₄	н-Гексадекан
н-C₂₀H₄₂	н-Ейкозан
н-C₃₀H₆₂	н-Тріаконтан		1 мм рт. ст
н-C₄₀H₈₂	н-Тетраконтан		3 мм рт. ст.
н-C₅₀H₁₀₂	н-Пентаконтан		15 мм рт. ст.
н-C₆₀H₁₂₂	н-Гексаконтан
н-C₇₀H₁₄₂	н-Гептаконтан
н-C₁₀₀H₂₀₂

Висновок

У статті було розглянуто таке поняття, як алкани (будова, номенклатура, ізомерія, гомологічний ряд та ін.). Трохи розказано про особливості радіальної та замісної номенклатур. Описано способи одержання алканів.

Крім того, у статті докладно перераховано всю номенклатуру алканів (тест може допомогти засвоїти отриману інформацію).

Алкани (метан та його гомологи) мають загальну формулу C n H 2 n+2. Перші чотири вуглеводні називають метан, етан, пропан, бутан. Назви вищих членів цього ряду складаються з кореня – грецького чисельного та суфіксу -ан. Назви алканів покладено основою номенклатури IUPAC.

Правила систематичної номенклатури:

Правило головного кола.

Головний ланцюг вибирають, керуючись послідовно такими критеріями:

Максимальна кількість функціональних заступників.
Максимальна кількість кратних зв'язків.
Максимальна довжина.
Максимальна кількість бічних вуглеводневих груп.

Правило найменших номерів (локантів).

Головний ланцюг нумерують від кінця до іншого арабськими цифрами. Кожен заступник отримує номер атома вуглецю головного ланцюга, до якого він приєднаний. Послідовність нумерації вибирають таким чином, щоб сума номерів заступників (локантів) була найменшою. Це правило застосовується і за нумерації моноциклічних сполук.

Правило радикалів

Усі вуглеводневі бічні групи розглядають як одновалентні (однозв'язні) радикали. Якщо бічний радикал сам містить бічні ланцюги, то в ньому за наведеними вище правилами вибирається додатковий головний ланцюг, який нумерується, починаючи з атома вуглецю, приєднаного до головного ланцюга.

Правило алфавітного порядку.

Назва з'єднання починають із перерахування заступників, вказуючи їх назви в алфавітному порядку. Назві кожного заступника передує його номер у головному ланцюзі. Наявність кількох заступників позначають префіксами-числителями: ді-, три-, тетра-і т. д. Після цього називають вуглеводень, що відповідає головному ланцюгу.

У табл. 12.1 наведено назви перших п'яти вуглеводнів, їх радикалів, можливих ізомерів та відповідні їм формули. Назви радикалів закінчуються суфіксом -іл.

Формула		Назва
вуглеводню	радикала	вугіллі- водню	радикала


			Ізопропіл
		Метилпропан (ізо-бутан)	Метилпропіл (Ізо-бутил) Трет-бутил

		метилбутан (ізопентан)	метилбутил (ізопентил)
		диметилпропан (Неопентан)	диметилпропіл (Неопентіл)

Таблиця 12.1.

Алкани ациклопічного ряду C n H 2 n +2 .

приклад. Назвати всі ізомери гексану.

приклад. Назвати алкан наступної будови

У цьому прикладі з двох дванадцятиатомних ланцюгів обрано той, у якому сума номерів найменша (правило 2).

Використовуючи назви розгалужених радикалів, наведених у таблиці. 12.2,

Радикал	Назва	Радикал	Назва
	ізопропіл		ізопентіл
	ізобутил		неопентіл
	друг-бутил		трет-пентил
	трет-бутил		ізогексил

Таблиця 12.2.

Назви розважених радикалів.

назва цього алкану дещо спрощується:

10-трет-бутил-2,2-(диметил)-7-пропіл-4-ізопропіл-3-етил-додекан.

При замиканні вуглеводневого ланцюга в цикл із втратою двох атомів водню утворюються моноциклоалкани із загальною формулою C n H 2 n. Циклізація починається з C 3 назви утворюються від C nз префіксом цикло:

Поліциклічні алкани.Їх назви утворюються за допомогою приставки біцикло-, трицикло-і т. д. Біциклічні та трициклічні сполуки містять відповідно два і три цикли в молекулі, для опису їх будови у квадратних дужках вказують у порядку зменшення число атомів вуглецю в кожному з ланцюгів, що з'єднують вузлові атоми ; під формулою назва атома:

Цей трициклічний вуглеводень зазвичай називають адамантаном (від чеського адамант – алмаз), оскільки він представляє комбінацію трьох сконденсованих циклогексанових кілець у формі, що призводить до такого розташування атомів вуглецю в кристалічній решітці, яка властива алмазу.

Циклічні вуглеводні з одним загальним атомом вуглецю називаються спіранами, наприклад, спіро-5,5-ундекан:

Плоскі циклічні молекули нестійкі, тому утворюються різні конформаційні ізомери. На відміну від конфігураційних ізомерів (просторове розташування атомів у молекулі без урахування орієнтації) конформаційні ізомери різняться між собою лише поворотом атомів або радикалів навколо формально простих зв'язків за збереження конфігурації молекул. Енергія утворення стабільного конформера називається конформаційної.

Конформери перебувають у динамічному рівновазі і перетворюються друг на друга через нестабільні форми. Нестійкість плоских циклів спричинена значною деформацією валентних кутів. При збереженні тетраедричних валентних кутів для циклогексану C 6H 12 можливі дві стійкі конформації: у формі крісла (а) та у формі ванни (б):

Ациклічні вуглеводні називаються алканами. Усього налічується 390 алканів. Найдовшу структуру має нонаконтатриктан (C 390 H 782). До атомів вуглецю можуть приєднуватися галогени, утворюючи галогеналкани.

Будова та номенклатура

За визначенням алкани - граничні чи насичені вуглеводні, мають лінійну чи розгалужену структуру. Також називають парафінами. Молекули алканів містять лише одинарні ковалентні зв'язки між атомами вуглецю. Загальна формула -

Щоб назвати речовину, необхідно дотриматися правил. За міжнародною номенклатурою назви формуються за допомогою суфікса -ан. Назви перших чотирьох алканів склалися історично. Починаючи з п'ятого представника, назви складаються з приставки, що означає кількість атомів вуглецю, і суфікса -ан. Наприклад, окта (вісім) утворює октан.

Для розгалужених ланцюгів назви складаються:

із цифр, що вказують номери атомів вуглецю, біля яких стоять радикали;
із назви радикалів;
із назви головного ланцюга.

Приклад: 4-метилпропан – у четвертого атома вуглецю в ланцюзі пропану знаходиться радикал (метил).

Мал. 1. Структурні формули із назвами алканів.

Кожен десятий алкан дає назву наступним дев'яти алканам. Після декана йдуть ундекан, додекан і далі, після ейкозану – генейкозан, докозан, трикозан тощо.

Гомологічний ряд

Перший представник – метан, тому алкани також називають гомологічним рядом метану. У таблиці алканів наведено перші 20 представників.

*Назва*	*Формула*	*Назва*	*Формула*


		Тридекан
		Тетрадекан
		Пентадекан
		Гексадекан
		Гептадекан
		Октадекан
		Нанадекан

Починаючи з бутану, усі алкани мають структурні ізомери. До назви додається приставка ізо-: ізобутан, ізопропан, ізогексан.

Мал. 2. Приклади ізомерів.

Фізичні властивості

Агрегатний стан речовин змінюється у списку гомологів зверху донизу. Чим більше міститься атомів вуглецю і, що більше молекулярна маса сполук, то вище температура кипіння і твердіше речовина.

Інші речовини, що містять більше 15 атомів вуглецю, знаходяться у твердому стані.

Газоподібні алкани горять блакитним чи безбарвним полум'ям.

Отримання

Алкани, як і інші класи вуглеводнів, одержують із нафти, газу, кам'яного вугілля. Для цього використовують лабораторні та промислові методи:

газифікація твердого палива:
C + 2H 2 → CH 4;
гідрування оксиду вуглецю (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;

гідроліз карбіду алюмінію:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ;
реакція карбіду алюмінію із сильними кислотами:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
відновлення галогеналканів (реакція заміщення):
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;
гідрування галогеналканів:
CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;
сплавлення солей оцтової кислоти з лугами (реакція Дюма):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4 .

Алкани можна отримати гідруванням алкенів та алкінів у присутності каталізатора – платини, нікелю, паладію.

Хімічні властивості

Алкани вступають у реакції з неорганічними речовинами:

горіння:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
галогенування:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
нітрування (реакція Коновалова):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
приєднання:

Визначення 1

Алканаминазивають такі вуглеводні, атоми вуглецю, у молекулах яких з'єднані між собою простими (одинарними) $sigma $- зв'язками. Решта одиниць валентності атомів вуглецю у цих сполуках зайняті (насичені) атомами водню.

Атоми вуглецю в молекулах насичених вуглеводнів перебувають у першому валентному стані, тобто може $sp3$-гибридизации. Такі насичені вуглеводні ще називають парафінами.

Парафінами ці органічні сполуки називають тому, що тривалий час їх вважали малореакційними (від лат. parum- мало і affinis- має спорідненість).

Стара назва насичених вуглеводнів – аліфатичні чи жирні, вуглеводні (від лат. alifatic- жирний). Ця назва походить від назви перших вивчених сполук, які колись відносили до цих речовин – жирів.

Насичені вуглеводні утворюють ряд сполук із загальною формулою $C_nH_((2_n+2))$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$. Простим з'єднанням цього ряду є метан $CH_4$. Тому ряд цих сполук називають ще рядом метанових вуглеводнів.

Гомологічні ряди

Сполуки ряду метану мають подібні будову та властивості. Такий ряд сполук, представники якого мають близькі хімічні властивості і характеризуються закономірною зміною фізичних властивостей, мають однотипну структуру і відрізняються один від одного на одну або декілька груп-CH_2$-груп, називають гомологічним рядом (від грец. гомос»- подібність). Кожен наступний вуглеводень цього ряду відрізняється від попереднього групу $-CH_2$. Ця група називається гомологічною різницею, а окремі члени цього ряду – гомологами.

Походження назв алканів

Назви перших чотирьох насичених вуглеводнів (метан, етан, пропан, бутан) виникли випадково. Наприклад, корінь слова «етан» походить від латинського слова ether- Ефія, так як залишок етану $-C_2H_5$ входить до складу медичного ефіру. Починаючи з $C_5H_(12)$, назви алканів утворені від грецьких чи латинських числівників, які вказують кількість вуглецевих атомів у молекулі цього насиченого вуглеводню з додаванням до цих назв суфіксу -ан. Так, вуглеводень $C_5H_(12)$ називається пентан (від грец. пента» - п'ять), $ C_6H_ (14) $ - гексан (від грец. « гекса» - шість), $ C_7H_ (10) $ - гептан (від грец. « гепта»- сім) тощо.

Правила систематичної номенклатури

Для назви органічних речовин комісією Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (IUPAC) було розроблено правила систематичної (наукової) номенклатури. Згідно з цими правилами, назви вуглеводням дають таким чином:

У молекулі вуглеводню вибирають основну - довгу і складну (яка має найбільшу кількість відгалужень) - вуглецевий ланцюг.

Нумерують атоми вуглецю основного ланцюга.Нумерацію здійснюють послідовно з кінця ланцюга, який дає радикалу найменший номер. Якщо існує кілька алкільних радикалів, то порівнюють величину цифр двох можливих послідовних нумерацій. І нумерація, в якій першою зустрічається менше цифра, ніж у другій послідовній нумерації, вважається меншою і використовується для складання назви вуглеводню.

Нумерація праворуч наліво буде «меншою», ніж нумерація зліва направо.

Називають вуглеводневі радикали, які утворюють бічні ланцюги.Перед назвою кожного радикала ставлять цифру, яка вказує номер вуглецевого атома головного ланцюга, у якого знаходиться даний радикал. Цифру від назви відокремлюють дефісом. Назви алкільних радикалів перераховують за абеткою. Якщо вуглеводень має у своєму складі кілька однакових радикалів, то записують у порядку зростання номера вуглецевих атомів, які мають ці радикали. Цифри відокремлюють один від одного комами. Після цифр записують префікси: ді-(якщо однакових радикалів два), три-(коли однакових радикалів три), тетра-, пента-і т. д. (якщо однакових радикалів відповідно чотири, п'ять і т. д.). Префікси вказують, скільки однакових радикалів має цей вуглеводень. Після префіксу ставлять назву радикалу. У тому випадку, якщо два однакові радикали знаходяться в одного вуглецевого атома, номер цього атома вуглецю ставиться в назві двічі.

Називають вуглеводень основний пронумерований вуглецевий ланцюг, пам'ятаючи при цьому, що назви всіх насичених вуглеводнів мають суфікс -ан.

Наведений нижче приклад допоможе усвідомити ці правила:

Малюнок 1.

Алкільні радикали бічних ланцюгів

Іноді алкільні радикали бічних ланцюгів розгалужені. У цьому випадку їх називають так, як відповідні насичені вуглеводні, тільки замість суфіксу-ан приймають суфікс-іл.

Вуглецевий ланцюг розгалуженого радикалу нумерують. Атом вуглецю цього радикала, з'єднаний із основним ланцюгом, отримує номер $1$. Для зручності вуглецевий ланцюг розгалуженого радикалу нумерують цифрами зі штрихами і повну назву такого радикала беруть у дужки:

Малюнок 2.

Раціональна номенклатура

Крім систематичної назви насичених вуглеводнів використовують ще раціональну номенклатуру. За цією номенклатурою насичені вуглеводні розглядають як похідні метану, у молекулі якого один або кілька атомів водню заміщені на радикали. Назву насиченого вуглеводню за раціональною номенклатурою утворюють таким чином: називають за ступенем складності всі радикали, які знаходяться у атома вуглецю з найбільшою кількістю заступників (відзначаючи їх кількість, якщо вони однакові), а потім додають основу назви вуглеводню за цією номенклатурою – слово «метан» . Наприклад:

Малюнок 3.

Раціональну номенклатуру користуються назви порівняно простих вуглеводнів. Ця номенклатура негаразд удосконалена і набагато менш зручна у користуванні проти систематичної номенклатурою. За раціональною номенклатурою одна й та сама речовина може мати різні назви, що дуже незручно. Крім того, за цією номенклатурою можна назвати далеко не всі насичені вуглеводні.

Нагрівання натрієвої солі оцтової кислоти (ацетату натрію) з надлишком лугу призводить до відщеплення карбоксильної групи та утворення метану:

СН3СОNа+NаОН СН4+Nа2С03

Якщо замість ацетату натрію взяти пропіонат натрію, утворюється етан, з бутаноату натрію - пропан і т. д.

RСН2СОNа +NаОН -> RСН3 + Nа2С03

5. Синтез Вюрца. При взаємодії галогеналканів з лужним металом натрієм утворюються граничні вуглеводні та галогенід лужного металу, наприклад:

Дія лужного металу на суміш галогенвуглеводнів (наприклад, брометану та бромметану) призведе до утворення суміші алканів (етану, пропану та бутану).

Реакція, на якій заснований синтез Вюрца, добре протікає тільки з галогеналканами, молекулах яких атом галогену приєднаний до первинного атома вуглецю.

6. Гідроліз карбідів. При обробці деяких карбідів, що містять вуглець у ступені окислення -4 (наприклад, карбіду алюмінію), утворюється водою метан:

Аl4С3 + 12Н20 = ЗСН4 + 4Аl(ОН)3 Фізичні властивості

Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них - метан - газ без кольору, смаку і запаху (запах «газу», відчувши який треба дзвонити по телефону 04, визначається запахом меркаптанів - серусодержа-щих сполук, спеціально додаються до метану, що використовується в побутових і промислових газових приладах, щоб люди, що знаходяться поруч з ними, могли по запаху визначити витік).

Вуглеводні складу від С5Н12 до С15Н32 – рідини, більш важкі вуглеводні – тверді речовини.

Температури кипіння та плавлення алканів поступово збільшуються із зростанням довжини вуглецевого ланцюга. Усі вуглеводні погано розчиняються у воді, рідкі вуглеводні є поширеними органічними розчинниками.

Хімічні властивості

1. Реакція заміщення. Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході яких атом водню заміщається на атом галогену або будь-яку групу.

Наведемо рівняння найхарактерніших реакцій.

Галогенування:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

У разі надлишку галогену хлорування може піти далі, аж до повного заміщення всіх атомів водню на хлор:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
дихлорметан хлористий метилен

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
трихлорметан хлороформ

СНСl3 + Сl2 -> HCl + ССl4
тетрахлорметан чотирихлористий вуглець

Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.

2. Дегідрування (відщеплення водню). При пропущенні алканів над каталізатором (Pt, Ni, А1203, Сг2O3) при високій температурі (400-600 °С) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:

СН3-СН3 -> СН2 = СН2 + Н2

3. Реакції, що супроводжуються руйнуванням вуглецевого ланцюга. Усі граничні вуглеводні горять з утворенням вуглекислого газу та води. Газоподібні вуглеводні, змішані з повітрям у певних співвідношеннях, можуть вибухати. Горіння граничних вуглеводнів - це вільнорадикальна екзотермічна реакція, яка має дуже велике значення при використанні алканів як паливо.

СН4 + 2O2 -> С02 + 2Н2O + 880кДж

У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати так:

Реакції термічного розщеплення лежать в основі промислового процесу – крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.

При нагріванні метану до температури 1000 С починається піроліз метану - розкладання на прості речовини. При нагріванні до температури 1500 °С можливе утворення ацетилену.

4. Ізомеризація. При нагріванні лінійних вуглеводнів з каталізатором ізомеризації (хлоридом алюмінію) відбувається утворення речовин із розгалуженим вуглецевим скелетом:

5. Ароматизація. Алкани з шістьма або більше вуглецевими атомами в ланцюгу в присутності каталізатора циклізуються з утворенням бензолу та його похідних:

У чому причина того, що алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом? Усі атоми вуглецю в молекулах алканів перебувають у стані sр 3 -гібридизації. Молекули цих речовин побудовані за допомогою ковалентних неполярних С-С (вуглець-вуглець) зв'язків та слабополярних С-Н (вуглець-водень) зв'язків. Вони немає ділянок з підвищеною і зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, т. е. таких зв'язків, електронна щільність у яких може зміщуватися під впливом зовнішніх впливів (електростатичних полів іонів). Отже, алкани не реагуватимуть із зарядженими частинками, оскільки зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом.

Найбільш характерними реакціями алканів є реакції вільнорадикального заміщення. У цих реакцій атом водню заміщається на атом галогену чи якусь групу.

Кінетика і механізм вільнорадикальних ланцюгових реакцій, тобто реакцій, що протікають під дією вільних радикалів - частинок, що мають неспарені електрони, - вивчав чудовий російський хімік Н. Н. Семенов. Саме за ці дослідження йому було присуджено Нобелівську премію з хімії.

Зазвичай механізм реакції вільнорадикального заміщення є трьома основними стадіями:

1. Ініціювання (зародження ланцюга, утворення вільних радикалів під впливом джерела енергії - ультрафіолетового світла, нагрівання).

2. Розвиток ланцюга (ланцюг послідовних взаємодій вільних радикалів та неактивних молекул, у результаті яких утворюються нові радикали та нові молекули).

3. Обрив ланцюга (об'єднання вільних радикалів у неактивні молекули (рекомбінація), загибель радикалів, припинення розвитку ланцюга реакцій).

Наукові дослідження Н.М. Семенова

Семенов Микола Миколайович

(1896 - 1986)

Радянський фізик та фізикохімік, академік. Лауреат Нобелівської премії (1956). Наукові дослідження відносяться до вчення про хімічні процеси, каталіз, ланцюгові реакції, теорію теплового вибуху і горіння газових сумішей.

Розглянемо цей механізм з прикладу реакції хлорування метану:

СН4 + Сl2 -> СН3Сl + НСl

Ініціювання ланцюга відбувається внаслідок того, що під дією ультрафіолетового опромінення або при нагріванні відбувається гомолітичний розрив зв'язку Сl-Сl і молекула хлору розпадається на атоми:

Сl: Сl -> Сl · + Сl ·

Вільні радикали, що утворилися, атакують молекули метану, відриваючи у них атом водню:

СН4 + Сl · -> СН3 · + НСl

і перетворюючи на радикали СН3, які, у свою чергу, стикаючись з молекулами хлору, руйнують їх з утворенням нових радикалів:

СН3 · + Сl2 -> СН3Сl + Сl · і т. д.

Відбувається розвиток ланцюга.

Поряд із утворенням радикалів відбувається їх «загибель» в результаті процесу рекомбінації – утворення неактивної молекули з двох радикалів:

СН3 · + Сl · -> СН3Сl

Сl + Сl · -> Сl2

СН3 · СН3 · -> СН3-СН3

Цікаво відзначити, що при рекомбінації виділяється рівно стільки енергії, скільки необхідно для руйнування зв'язку, що щойно утворився. У зв'язку з цим рекомбінація можлива тільки в тому випадку, якщо в зіткненні двох радикалів бере участь третя частка (інша молекула, стінка реакційної судини), яка забирає на себе надлишок енергії. Це дозволяє регулювати і навіть зупиняти вільнорадикальні ланцюгові реакції.

Зверніть увагу на останній приклад реакції рекомбінації – утворення молекули етану. Цей приклад показує, що реакція за участю органічних сполук є досить складним процесом, в результаті якого, поряд з основним продуктом реакції, дуже часто утворюються побічні продукти, що призводить до необхідності розробляти складні та дорогі методики очищення та виділення цільових речовин.

У реакційній суміші, отриманій при хлоруванні метану, поряд з хлорметаном (СН3Сl) і хлороводнем, будуть міститися: дихлорметан (СН2Сl2), трихлорметан (СНСl3), тетрахлорметан (ССl4), етан та продукти його хлорування.

Тепер спробуємо розглянути реакцію галогенування (наприклад, бромування) складнішої органічної сполуки - пропану.

Якщо у разі хлорування метану можливе лише одне моно-хлорпохідне, то в цій реакції може утворитися вже два монобромпохідні:

Видно, що у першому випадку відбувається заміщення атома водню при первинному атомі вуглецю, тоді як у другому - при вторинному. Чи однакові швидкості цих реакцій? Виявляється, що в кінцевій суміші переважає продукт заміщення атома водню, який знаходиться при вторинному вуглеці, тобто 2-бромпропан (СН3-СНВг-СН3). Спробуємо пояснити це.

Для того, щоб це зробити, нам доведеться скористатися уявленням про стійкість проміжних частинок. Ви звернули увагу, що при описі механізму реакції хлорування метану ми згадали метил радикал - СН3·? Цей радикал є проміжною частинкою між метаном СН4 та хлорметаном СН3Сl. Проміжною частинкою між пропаном і 1-бромпропаном є радикал з неспареним електроном при первинному вуглеці, а між пропаном та 2-бромпропаном - при вторинному.

Радикал з неспареним електроном при вторинному атомі вуглецю (б) є стійкішим порівняно з вільним радикалом з неспареним електроном при первинному атомі вуглецю (а). Він і утворюється у більшій кількості. Тому основним продуктом реакції бромування пропану є 2-бром-пропан - з'єднання, утворення якого протікає через більш стійку проміжну частинку.

Наведемо кілька прикладів вільнорадикальних реакцій:

Реакція нітрування (реакція Коновалова)

Реакція застосовується для отримання нітросполук - розчинників, вихідних речовин для багатьох синтезів.

Каталітичне окиснення алканів киснем

Ці реакції є основою найважливіших промислових процесів одержання альдегідів, кетонів, спиртів безпосередньо з граничних вуглеводнів, наприклад:

СН4 + [О] -> СН3ОН

Застосування

Граничні вуглеводні, особливо метан, знаходять дуже широке застосування у промисловості (схема 2). Вони є простим та досить дешевим паливом, сировиною для отримання великої кількості найважливіших сполук.

З'єднання, отримані з метану, найдешевшої вуглеводневої сировини, застосовують для отримання безлічі інших речовин та матеріалів. Метан використовують як джерело водню в синтезі аміаку, а також для отримання синтез-газу (суміш СО та Н2), що застосовується для промислового синтезу вуглеводнів, спиртів, альдегідів та інших органічних сполук.

Вуглеводні більш висококиплячих фракцій нафти використовуються як пальне для дизельних, турбореактивних двигунів, як основа мастил, як сировина для виробництва синтетичних жирів і т.д.

Наведемо кілька промислово значимих реакцій, які відбуваються з участю метану. Метан використовують для отримання хлороформу, нітрометану, кисневмісних похідних. Спирти, альдегіди, карбонові кислоти можуть утворюватися за безпосередньої взаємодії алканів з киснем залежно від умов проведення реакцій (каталізатора, температури, тиску):

Як ви вже знаєте, вуглеводні складу від С5Н12 до С11Н24 входять до бензинової фракції нафти і застосовуються в основному як пальне для двигунів внутрішнього згоряння. Відомо, що найбільш цінними компонентами бензину є ізомерні вуглеводні, так як вони мають максимальну детонаційну стійкість.

Вуглеводні при контакті з киснем повітря повільно утворюють із нею сполуки - перекису. Це вільнорадикальна реакція, що повільно протікає, ініціатором якої є молекула кисню:

Зверніть увагу на те, що гідропероксидна група утворюється при вторинних атомах вуглецю, яких найбільше в лінійних або нормальних вуглеводнях.

При різкому підвищенні тиску і температури, що відбувається в кінці такту стиснення, починається розкладання цих перекисних сполук з утворенням великої кількості вільних радикалів, які «запускають» вільнорадикальну ланцюгову реакцію горіння раніше, ніж це необхідно. Поршень ще йде вгору, а продукти горіння бензину, які вже встигли утворитися внаслідок передчасного запалювання суміші, штовхають його вниз. Це призводить до різкого зменшення потужності двигуна, його зносу.

Таким чином, основною причиною детонації є наявність перекисних сполук, здатність утворювати які максимальна у лінійних вуглеводнів.

Найменшою детонаційною стійкістю серед вуглеводнів бензинової фракції (С5Н14 - С11Н24) має к-гептан. Найбільш стійкий (тобто найменшою мірою утворює перекису) так званий ізооктан (2,2,4-триметилпентан).

Загальноприйнятою характеристикою детонаційної стійкості бензину є октанове число. Октанове число 92 (наприклад, бензин А-92) означає, що даний бензин має ті ж властивості, що і суміш, що складається з 92% ізооктану і 8% гептану.

На закінчення можна додати, що використання високооктанового бензину дає можливість підвищити ступінь стиснення (тиск в кінці такту стиснення), що призводить до підвищення потужності та ККД двигуна внутрішнього згоряння.

Знаходження в природі та отримання

На сьогоднішньому уроці ви познайомилися з таким поняттям, як алкани, а також дізналися про його хімічний склад та методи отримання. Тому давайте зараз детальніше зупинимося на темі знаходження алканів у природі і дізнаємося, як і де алкани знайшли застосування.

Головними джерелами для одержання алканів є природний газ та нафта. Вони становлять основну частину продуктів від нафтопереробки. Поширений, у покладах осадових порід метан також є газовим гідратом алканів.

Основною складовою природного газу є метан, але в його складі є і невелика частка етану, пропану та бутану. Метан можна виявити у виділеннях вугільних пластів, боліт та у попутних нафтових газах.

Також анкан можна отримати методом коксування кам'яного вугілля. У природі зустрічаються і звані тверді алкани – озокерити, які представлені як покладів гірського воску. Озокерит можна виявити у воскових покриттях рослин або їхнього насіння, а також у складі бджолиного воску.

Промислове виділення алканів береться з природних джерел, які на щастя поки що невичерпні. Їх одержують методом каталітичного гідрування оксидів вуглецю. Також метан можна отримати в лабораторних умовах, використовуючи метод нагрівання ацетату натрію з твердим лугом або гідролізом деяких карбідів. Але і також алкани можна отримати способом декарбоксилювання карбонових кислот та при їх електролізі.

Застосування алканів

Алкани на побутовому рівні широко застосовуються в багатьох сферах діяльності людини. Адже дуже складно уявити наше життя без природного газу. І ні для кого не буде секретом, що основою природного газу є метан, з якого виробляють технічний вуглець, що використовується при виробництві фарб та шин. Холодильник, який є в будинку у кожного, також працює завдяки з'єднанням алканів, які застосовують як холодоагенти. А отриманий з метану ацетилен використовують для зварювання та різання металів.

Тепер ви вже знаєте, що алкани використовуються як паливо. Вони присутні у складі бензину, гасу, солярової олії та мазуту. Крім цього, вони є і у складі мастил, вазеліну та парафіну.

Як розчинник і для синтезу різних полімерів, широке застосування знайшов циклогексан. На наркозі використовують циклопропан. Сквалан, як високоякісне мастило, є компонентом багатьох фармацевтичних та косметичних препаратів. Алкани є сировиною, за допомогою якої одержують такі органічні сполуки, як спирт, альдегіди та кислоти.

Парафін є сумішшю вищих алканів, а оскільки він нетоксичний, то широко використовується в харчовій промисловості. Його застосовують для просочення упаковок для молочної продукції, соків, круп і так далі, але навіть при виготовленні жувальних гумок. А розігрітий парафін використовують у медицині при парафінолікуванні.

Крім вище сказаного, парафіном просочені головки сірників, для їхнього кращого горіння, олівці і з нього виготовляють свічки.

За допомогою окислення парафіну отримують кисневмісні продукти, в основному органічні кислоти. При змішуванні рідких вуглеводнів з певним числом атомів вуглецю отримують вазелін, який знайшов широке застосування як парфумерії та косметології, так і в медицині. Його застосовують для приготування різних мазей, кремів та гелів. А також використовують для теплових процедур у медицині.

Практичні завдання

1. Запишіть загальну формулу вуглеводнів гомологічного ряду алканів.

2. Напишіть формули можливих ізомерів гексану та назвіть їх за систематичною номенклатурою.

3. Що таке крекінг? Які види крекінгу ви знаєте?

4. Напишіть формули можливих продуктів крекінгу гексану.

5. Розшифруйте наступний ланцюжок перетворень. Назвіть сполуки А, Б та В.

6. Наведіть структурну формулу вуглеводню С5Н12, що утворює при бромуванні тільки одне монобром-похідне.

7. На повне згоряння 0,1 моль алкану невідомої будови витрачено 11,2 л кисню (за н. у.). Яка структурна формула алкану?

8. Якою є структурна формула газоподібного граничного вуглеводню, якщо 11 г цього газу займає об'єм 5,6 л (при н. у.)?

9. Згадайте, що вам відомо про застосування метану, і поясніть, чому витік побутового газу може бути виявлений запахом, хоча його складові запаху не мають.

10*. Які сполуки можуть бути одержані каталітичним окисненням метану в різних умовах? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

11*. Продукти повного згоряння (надлишок кисню) 10,08 л (н. у.) суміші етану та пропану пропустили через надлишок вапняної води. При цьому утворилося 120 г осаду. Визначте об'ємний склад вихідної суміші.

12*. Щільність за етаном суміші двох алканів дорівнює 1,808. При бромуванні цієї суміші виділено лише дві пари ізомерних монобромалканів. Сумарна маса легших ізомерів у продуктах реакції дорівнює сумарній масі важчих ізомерів. Визначте об'ємну частку важчого алкану у вихідній суміші.