الألكانات لديها كل الصيغ. الأيزومرية الهيكلية للألكانات. أمثلة على حل المشكلات
تسمى الهيدروكربونات اللاحلقية الألكانات. هناك 390 ألكانات في المجموع. يمتلك النونكونتاتريكتان أطول هيكل (C 390 H 782). يمكن للهالوجينات أن تلتصق بذرات الكربون لتكوين الهالوجينات.
الهيكل والتسميات
بحكم التعريف، الألكانات عبارة عن هيدروكربونات مشبعة أو مشبعة لها بنية خطية أو متفرعة. وتسمى أيضًا البارافينات. تحتوي جزيئات الألكان على روابط تساهمية واحدة فقط بين ذرات الكربون. الصيغة العامة -
لتسمية مادة، يجب عليك اتباع القواعد. وفقا للتسميات الدولية، يتم تشكيل الأسماء باستخدام اللاحقة -an. وقد تشكلت أسماء الألكانات الأربعة الأولى تاريخيا. ابتداءً من الممثل الخامس، تتكون الأسماء من بادئة تشير إلى عدد ذرات الكربون واللاحقة -an. على سبيل المثال، أوكتا (ثمانية) تشكل الأوكتان.
بالنسبة للسلاسل المتفرعة تضاف الأسماء:
- من الأرقام التي تشير إلى أعداد ذرات الكربون التي تقع بالقرب منها الجذور؛
- من اسم المتطرفين.
- من اسم الدائرة الرئيسية.
مثال: 4- ميثيل بروبان - ذرة الكربون الرابعة في سلسلة البروبان لها جذري (ميثيل).
أرز. 1. الصيغ البنائية بأسماء الألكانات.
كل ألكان عاشر يعطي الاسم للألكانات التسعة التالية. بعد الديكان يأتي undecane، dodecane وبعد ذلك، بعد eicosane - heneicosane، docosane، tricosane، إلخ.
سلسلة متجانسة
الممثل الأول هو الميثان، ولهذا السبب تسمى الألكانات أيضًا بسلسلة الميثان المتماثلة. يوضح جدول الألكانات أول 20 ممثلًا.
|
اسم |
معادلة |
اسم |
معادلة |
|
تريديكان |
|||
|
تيتراديكان |
|||
|
بنتاديكان |
|||
|
هيكساديكان |
|||
|
هيبتاديكان |
|||
|
أوكتاديكان |
|||
|
ناناديكان |
|||
بدءًا من البيوتان، تحتوي جميع الألكانات على أيزومرات هيكلية. يتم إلحاق الاسم بالبادئة iso-: isobutane، isopentane، isohexane.
أرز. 2. أمثلة على الايزومرات.
الخصائص الفيزيائية
تتغير حالة تجميع المواد في قائمة المتماثلات من الأعلى إلى الأسفل. كلما زاد عدد ذرات الكربون التي تحتوي عليها، وبالتالي كلما زاد الوزن الجزيئي للمركبات، زادت درجة الغليان وأصبحت المادة أكثر صلابة.
أما المواد المتبقية التي تحتوي على أكثر من 15 ذرة كربون فهي في الحالة الصلبة.
تحترق الألكانات الغازية بلهب أزرق أو عديم اللون.
إيصال
يتم الحصول على الألكانات، مثل الفئات الأخرى من الهيدروكربونات، من النفط والغاز والفحم. وتستخدم الطرق المخبرية والصناعية لهذا:
- تغويز الوقود الصلب:
ج + 2 ح 2 → CH 4؛
- هدرجة أول أكسيد الكربون (II):
ثاني أكسيد الكربون + 3H2 → CH4 + H2O؛
- التحلل المائي لكربيد الألومنيوم:
آل 4 ج 3 + 12 ح 2 يا → 4 آل (أوه) 3 + 3CH 4؛
- تفاعل كربيد الألومنيوم مع الأحماض القوية:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3؛
- اختزال الهالوكانات (تفاعل الاستبدال):
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl؛
- هدرجة الهالوكانات:
CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + حمض الهيدروكلوريك؛
- اندماج أملاح حمض الخليك مع القلويات (تفاعل دوماس):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
يمكن الحصول على الألكانات عن طريق هدرجة الألكينات والألكينات في وجود محفز - البلاتين والنيكل والبلاديوم.
الخواص الكيميائية
تتفاعل الألكانات مع المواد غير العضوية:
- الإحتراق:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O؛
- الهلجنة:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + حمض الهيدروكلوريك؛
- النتروجين (رد فعل كونوفالوف):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O؛
- الانضمام:
أحد الأنواع الأولى من المركبات الكيميائية التي تمت دراستها المنهج المدرسيفي الكيمياء العضوية، هي الألكانات. وهي تنتمي إلى مجموعة الهيدروكربونات المشبعة (المعروفة أيضًا باسم الأليفاتية). تحتوي جزيئاتها فقط سندات واحدة. تتميز ذرات الكربون بتهجين sp³.
يتم استدعاء المتماثلين المواد الكيميائيةالذين لديهم الخصائص العامةوالتركيب الكيميائي، ولكن تختلف بواحدة أو أكثر من مجموعات CH2.
في حالة الميثان CH4، يمكن إعطاء الصيغة العامة للألكانات: CnH (2n+2)، حيث n هو عدد ذرات الكربون في المركب.
فيما يلي جدول الألكانات التي تتراوح فيها n من 1 إلى 10.
ايزومرية الألكانات
الأيزومرات هي تلك المواد التي لها الصيغة الجزيئية نفسها، ولكن هيكلها أو هيكلها مختلف.
تتميز فئة الألكانات بنوعين من الأيزومرية: الهيكل الكربوني والأيزومرية الضوئية.
دعونا نعطي مثالا على الأيزومر الهيكلي (أي مادة تختلف فقط في بنية الهيكل الكربوني) للبيوتان C4H10.
الأيزومرات الضوئية هي مادتان لجزيئاتهما بنية مماثلة، لكن لا يمكن دمجهما في الفضاء. تحدث ظاهرة الأيزومرية الضوئية أو المرآة في الألكانات، بدءا بالهبتان C7H16.
لإعطاء الألكان الاسم الصحيح، يجب استخدام تسميات IUPAC. للقيام بذلك، استخدم تسلسل الإجراءات التالي:
باستخدام الخطة المذكورة أعلاه، سنحاول تسمية الألكان التالي.
في الظروف العادية، تكون الألكانات غير المتفرعة من CH4 إلى C4H10 مواد غازية، ومن C5H12 إلى C13H28 تكون سائلة ولها رائحة معينة، وجميع المواد اللاحقة صلبة. لقد أتضح أن مع زيادة طول سلسلة الكربون، تزداد نقاط الغليان والانصهار. كلما زاد تشعب بنية الألكان، انخفضت درجة الحرارة التي يغلي فيها ويذوب.
الألكانات الغازية ليس لها لون. وأيضًا لا يمكن لجميع ممثلي هذه الفئة أن يذوبوا في الماء.
وجود الألكانات حالة التجميعالغاز، قد يحترقوسيكون اللهب إما عديم اللون أو ذو لون أزرق شاحب.
الخواص الكيميائية
في الظروف العادية، تكون الألكانات غير نشطة تمامًا. ويفسر ذلك قوة الروابط بين ذرات C-Cو سي-إتش. لذلك، من الضروري توفير شروط خاصة (على سبيل المثال، درجة حرارة عالية أو ضوء مرتفع إلى حد ما) من أجل التنفيذ تفاعل كيميائيأصبح ممكنا.
ردود الفعل الاستبدال
تشمل التفاعلات من هذا النوع الهلجنة والنترة. تحدث الهلجنة (التفاعل مع Cl2 أو Br2) عند تسخينها أو تعريضها للضوء. أثناء التفاعل، الذي يحدث بالتتابع، تتشكل الهالوكانات.
على سبيل المثال، يمكننا كتابة رد فعل كلورة الإيثان.
ستتم عملية المعالجة بالبروم بطريقة مماثلة.
النترات هي تفاعل مع محلول ضعيف (10%) من HNO3 أو مع أكسيد النيتريك (IV) NO2. شروط تنفيذ التفاعلات هي درجة الحرارة 140 درجة مئوية والضغط.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
ونتيجة لذلك، يتم تشكيل منتجين - الماء والأحماض الأمينية.
تفاعلات التحلل
عند إجراء تفاعلات التحلل، تكون درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة دائمًا. وهذا ضروري لكسر الروابط بين ذرات الكربون والهيدروجين.
لذلك، عندما تكسير ستكون هناك حاجة إلى درجة حرارة تتراوح بين 700 إلى 1000 درجة مئوية. أثناء التفاعل، يتم تدمير روابط -C-C-، ويتشكل ألكان وألكين جديد:
C8H18 = C4H10 + C4H8
الاستثناء هو تكسير الميثان والإيثان. ونتيجة لهذه التفاعلات، يتم إطلاق الهيدروجين وتكوين الأسيتيلين الألكيني. الشرط الأساسي هو التسخين إلى 1500 درجة مئوية.
C2H4 = C2H2 + H2
إذا تجاوزت درجة الحرارة 1000 درجة مئوية، يمكنك تحقيق الانحلال الحراري مع التمزق الكامل للروابط في المركب:
أثناء الانحلال الحراري للبروبيل، يتم إنتاج الكربون C ويتم إطلاق الهيدروجين H2 أيضًا.
تفاعلات نزع الهيدروجين
تحدث عملية نزع الهيدروجين (إزالة الهيدروجين) بشكل مختلف بالنسبة للألكانات المختلفة. ظروف التفاعل هي درجة حرارة تتراوح من 400 إلى 600 درجة مئوية، بالإضافة إلى وجود محفز يمكن أن يكون النيكل أو البلاتين.
يتكون الألكين من مركب يحتوي على 2 أو 3 ذرات C في هيكله الكربوني:
C2H6 = C2H4 + H2.
إذا كانت هناك 4-5 ذرات كربون في سلسلة الجزيء، فبعد نزع الهيدروجين ستحصل على الألكاديين والهيدروجين.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
بدءًا بالهكسان، ينتج عن التفاعل البنزين أو مشتقاته.
C6H14 = C6H6 + 4H2
ومن الجدير بالذكر أيضًا تفاعل التحويل الذي تم إجراؤه للميثان عند درجة حرارة 800 درجة مئوية وبوجود النيكل:
CH4 + H2O = CO + 3H2
التحويل ليس نموذجيًا بالنسبة للألكانات الأخرى.
الأكسدة والاحتراق
إذا تفاعل الألكان، الذي تم تسخينه إلى درجة حرارة لا تزيد عن 200 درجة مئوية، مع الأكسجين في وجود محفز، فستختلف المنتجات الناتجة اعتمادًا على ظروف التفاعل الأخرى: يمكن أن تكون هذه ممثلين لفئات الألدهيدات، الأحماض الكربوكسيلية أو الكحوليات أو الكيتونات.
متى أكسدة كاملةيحترق الألكان إلى المنتجات النهائية - الماء وثاني أكسيد الكربون:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
إذا كانت كمية الأكسجين غير كافية أثناء الأكسدة، يتم استخدام المنتج النهائي بدلاً من ذلك ثاني أكسيد الكربونسوف يصبح الفحم أو ثاني أكسيد الكربون.
إجراء الأيزومرية
إذا قمت بتوفير درجة حرارة حوالي 100-200 درجة، يصبح تفاعل إعادة الترتيب ممكنًا للألكانات غير المتفرعة. الشرط الثاني لعملية الأيزومرة هو وجود محفز AlCl3. في هذه الحالة يتغير هيكل جزيئات المادة ويتشكل الأيزومر الخاص بها.
بارِز ويتم الحصول على حصة الألكانات عن طريق عزلها عن المواد الخام الطبيعية. في أغلب الأحيان، تتم معالجة الغاز الطبيعي، والمكون الرئيسي منه هو الميثان، أو يتعرض النفط للتكسير والتصحيح.
يجب أن تتذكر أيضًا الخواص الكيميائية للألكينات. في الصف العاشر، إحدى الطرق المعملية الأولى التي تمت دراستها في دروس الكيمياء هي هدرجة الهيدروكربونات غير المشبعة.
C3H6 + H2 = C3H8
على سبيل المثال، نتيجة لإضافة الهيدروجين إلى البروبيلين، يتم الحصول على منتج واحد - البروبان.
باستخدام تفاعل فورتز، يتم الحصول على الألكانات من الألكانات أحادية الهالة، والتي يتضاعف عدد ذرات الكربون فيها في السلسلة الهيكلية:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
طريقة أخرى للتحضير هي تفاعل ملح حمض الكربوكسيل مع القلويات عند تسخينه:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
بالإضافة إلى ذلك، يتم إنتاج الميثان أحيانًا في قوس كهربائي (C + 2H2 = CH4) أو عن طريق تفاعل كربيد الألومنيوم مع الماء:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
وتستخدم الألكانات على نطاق واسع في الصناعة كوقود منخفض التكلفة. كما أنها تستخدم كمواد خام لتركيب مواد أخرى المواد العضوية. لهذا الغرض، عادة ما يتم استخدام الميثان، وهو ضروري لغاز التخليق. وتستخدم بعض الهيدروكربونات المشبعة الأخرى لإنتاج الدهون الاصطناعية، وأيضا كأساس لمواد التشحيم.
لفهم أفضل لموضوع "الألكانات"، تم إنشاء أكثر من درس فيديو، يتم فيه مناقشة موضوعات مثل بنية المادة والأيزومرات والتسميات بالتفصيل، وكذلك يتم عرض آليات التفاعلات الكيميائية.
الألكانات عبارة عن هيدروكربونات مشبعة في جزيئاتها، حيث تشغل جميع ذرات الكربون من خلال روابط بسيطة بواسطة ذرات الهيدروجين. لذلك، تتميز متجانسات سلسلة الميثان بالتصاوغ البنيوي للألكانات.
الايزومرية للهيكل العظمي الكربوني
تتميز المتماثلات التي تحتوي على أربع ذرات كربون أو أكثر بالتصاوغ البنيوي بسبب التغيرات في الهيكل الكربوني. يمكن لمجموعات الميثيل -CH 2 أن تلتصق بأي كربون في السلسلة، لتشكل مواد جديدة. كلما زاد عدد ذرات الكربون في السلسلة، زاد عدد الأيزومرات المتماثلة. يتم حساب العدد النظري للمتماثلات رياضيا.
أرز. 1. العدد التقريبي لأيزومرات متجانسات الميثان.
بالإضافة إلى مجموعات الميثيل، يمكن ربط سلاسل الكربون الطويلة بذرات الكربون، مما يشكل مواد متفرعة معقدة.
أمثلة على ايزومرية الألكانات:
- البيوتان العادي أو البوتان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3) و2-ميثيل بروبان (CH 3 -CH(CH 3)-CH 3)؛
- ن-بنتان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3)، 2-ميثيل بوتان (CH 3 -CH 2 -CH(CH 3) -CH 3)، 2،2 ثنائي ميثيل بروبان (CH 3 -C) (الفصل 3) 2 -الفصل 3)؛
- ن-هكسان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3)، 2-ميثيل بنتان (CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 2 -CH 3)، 3-ميثيل بنتان ( CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3)، 2،3-ثنائي ميثيل البيوتان (CH 3 -CH(CH 3)-CH(CH 3)-CH 3)، 2،2-ثنائي ميثيل بوتان ( CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 2 -CH 3).
أرز. 2. أمثلة على الايزومرات الهيكلية.
تختلف الأيزومرات المتفرعة عن الجزيئات الخطية في الخواص الفيزيائية. تنصهر الألكانات المتفرعة وتغلي عند درجات حرارة أقل من نظيراتها الخطية.
التسميات
وضعت التسميات الدولية IUPAC قواعد لتسمية السلاسل المتفرعة. لتسمية الأيزومر الهيكلي:
- العثور على أطول سلسلة وتسميتها؛
- ترقيم ذرات الكربون بدءاً من النهاية بأكبر عدد من البدائل؛
- الإشارة إلى عدد البدائل المتطابقة باستخدام البادئات الرقمية؛
- إعطاء أسماء للبدائل.
يتكون الاسم من أربعة أجزاء يتبع كل منها الآخر:
- الأرقام التي تشير إلى ذرات السلسلة التي لها بدائل؛
- البادئات الرقمية؛
- اسم النائب؛
- اسم الدائرة الرئيسية.
على سبيل المثال، في جزيء CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3، تحتوي السلسلة الرئيسية على خمس ذرات كربون. لذلك فهو البنتان. الطرف الأيمن لديه المزيد من الفروع، وبالتالي فإن ترقيم الذرات يبدأ من هنا. في هذه الحالة، تحتوي الذرة الثانية على بديلين متطابقين، وهو ما ينعكس أيضًا في الاسم. وتبين أن هذه المادة تسمى 2،2،4-تريميثيلبنتان.
البدائل المختلفة (ميثيل، إيثيل، بروبيل) مدرجة في الاسم أبجديًا: 4،4-ثنائي ميثيل-3-إيثيل هبتان، 3-ميثيل-3-إيثيلوكتان.
عادة، يتم استخدام البادئات الرقمية من اثنين إلى أربعة: دي- (اثنان)، ثلاثي (ثلاثة)، رباعي- (أربعة).
ماذا تعلمنا؟
تتميز الألكانات بالإيزومرية الهيكلية. تعتبر الأيزومرات الهيكلية من سمات جميع المتماثلات، بدءًا من البيوتان. في الأيزومرية الهيكلية، ترتبط البدائل بذرات الكربون في سلسلة الكربون، وتشكل سلاسل متفرعة معقدة. يتكون اسم الأيزومر من أسماء السلسلة الرئيسية والبدائل وتسمية لفظية لعدد البدائل وتسمية رقمية لذرات الكربون التي ترتبط بها البدائل.
أبسط المركبات العضوية هي الهيدروكربونات، مكونة من الكربون والهيدروجين. اعتمادًا على طبيعة الروابط الكيميائية في الهيدروكربونات والنسبة بين الكربون والهيدروجين، فإنها تنقسم إلى مشبعة وغير مشبعة (ألكينات، ألكينات، إلخ).
حدالهيدروكربونات (الألكانات وهيدروكربونات الميثان) هي مركبات من الكربون مع الهيدروجين، في جزيئاتها لا تنفق كل ذرة كربون أكثر من تكافؤ واحد على الاتحاد مع أي ذرة مجاورة أخرى، وجميع التكافؤات التي لا تنفق على الاتحاد مع الكربون مشبعة بالهيدروجين. جميع ذرات الكربون في الألكانات تكون في الحالة sp3. تشكل الهيدروكربونات المشبعة سلسلة متجانسة تتميز بالصيغة العامة مع ن ن 2ن+2. سلف هذه السلسلة هو الميثان.
الايزومرية. التسميات.
الألكانات التي عددها n = 1,2,3 يمكن أن توجد فقط كأيزومر واحد
وابتداء من n=4 تظهر ظاهرة الايزومرية الهيكلية.
يتزايد عدد الأيزومرات الهيكلية للألكانات بسرعة مع زيادة عدد ذرات الكربون، على سبيل المثال، يحتوي البنتان على 3 أيزومرات، والهبتان لديه 9 أيزومرات، وما إلى ذلك.
يزداد أيضًا عدد أيزومرات الألكانات بسبب الأيزومرات الفراغية المحتملة. بدءا من C 7 H 16، من الممكن وجود جزيئات مراوانية، والتي تشكل اثنين من المتصاوغات الضوئية.
تسميات الألكانات.
التسمية السائدة هي تسمية IUPAC. وفي الوقت نفسه، يحتوي على عناصر ذات أسماء تافهة. وبالتالي، فإن الأعضاء الأربعة الأوائل في سلسلة الألكانات المتماثلة لها أسماء تافهة.
CH 4 - الميثان
ج 2 ح 6 - الإيثان
ج3 ح8 - البروبان
ج4 ح10 - البيوتان.
أسماء المتماثلات المتبقية مشتقة من الأرقام اللاتينية اليونانية. وبالتالي، بالنسبة للأعضاء التاليين في سلسلة البنية العادية (غير المتفرعة)، يتم استخدام الأسماء:
C 5 H 12 - البنتان، C 6 H 14 - الهكسان، C 7 H 18 - الهيبتان،
C 14 H 30 - رباعي ديكان، C 15 H 32 - خماسي، إلخ.
قواعد IUPAC الأساسية للألكانات المتفرعة
أ) اختر أطول سلسلة غير متفرعة، والتي يشكل اسمها القاعدة (الجذر). تتم إضافة اللاحقة "an" إلى هذا الجذع.
ب) ترقيم هذه السلسلة وفقا لمبدأ أصغر المواقع،
ج) يشار إلى البديل على شكل بادئات حسب الترتيب الأبجدي مع الإشارة إلى الموقع. إذا كان هناك العديد من البدائل المتطابقة في الهيكل الأصلي، فسيتم الإشارة إلى عددهم بالأرقام اليونانية.
اعتمادًا على عدد ذرات الكربون الأخرى التي ترتبط بها ذرة الكربون المعنية بشكل مباشر، هناك ذرات كربون أولية وثانوية وثلاثية ورباعية.
تظهر مجموعات الألكيل أو جذور الألكيل كبدائل في الألكانات المتفرعة، والتي تعتبر نتيجة لحذف ذرة هيدروجين واحدة من جزيء الألكان.
يتم تشكيل اسم مجموعات الألكيل من اسم الألكانات المقابلة عن طريق استبدال اللاحقة الأخيرة "an" باللاحقة "yl".
CH 3 - ميثيل
CH 3 CH 2 - إيثيل
CH 3 CH 2 CH 2 - قطع
لتسمية مجموعات الألكيل المتفرعة، يتم أيضًا استخدام الترقيم التسلسلي:
بدءًا من الإيثان، تكون الألكانات قادرة على تكوين مطابقات تتوافق مع التشكل المثبط. يتم تحديد إمكانية الانتقال من شكل مثبط إلى آخر من خلال شكل مكسوف بواسطة حاجز الدوران. إن تحديد الهيكل وتكوين المطابقات وحواجز الدوران هي مهام التحليل المطابق. طرق الحصول على الألكانات
1. التقطير التجزيئي غاز طبيعيأو جزء من البنزين من النفط.وبهذه الطريقة، يمكن عزل الألكانات الفردية التي تحتوي على ما يصل إلى 11 ذرة كربون.
2. هدرجة الفحم .يتم تنفيذ العملية في وجود محفزات (أكاسيد وكبريتيدات الموليبدينوم والتنغستن والنيكل) عند درجة حرارة 450-470 درجة مئوية وضغوط تصل إلى 30 ميجا باسكال. يتم طحن الفحم والمحفز إلى مسحوق ثم يتم هدرجتهما في صورة معلقة، ويتم بورنة الهيدروجين من خلال المعلق. يتم استخدام الخلائط الناتجة من الألكانات والألكانات الحلقية كوقود للسيارات.
3. هدرجة ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون 2 .
CO + H 2 الألكانات
CO 2 + H 2 الألكانات
يتم استخدام Co وFe وعناصر d الأخرى كمحفزات لهذه التفاعلات.
4.هدرجة الألكينات والألكينات.
5.التوليف العضوي المعدني.
أ). توليف ورتز.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
يكون هذا التوليف قليل الفائدة إذا تم استخدام اثنين من الهالوكانات المختلفة ككواشف عضوية.
ب). التحلل البروتيني لكواشف جرينارد.
R هال + ملغم RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
الخامس). تفاعل كبريتات ثنائي ألكيل الليثيوم (LiR 2 Cu) مع هاليدات الألكيل
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
يتم إنتاج كبرات ثنائي ألكيل الليثيوم نفسها في عملية مكونة من خطوتين
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. التحليل الكهربائي لأملاح الأحماض الكربوكسيلية (تخليق كولبي).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. اندماج أملاح الأحماض الكربوكسيلية مع القلويات.
يستخدم التفاعل لتخليق الألكانات السفلية.
8.التحلل الهيدروجيني لمركبات الكربونيل والهالوكانات.
أ). مركبات الكربونيل. توليف كليمنس.
ب). الهالوكانات. التحلل الهيدروجيني التحفيزي.
يتم استخدام Ni، Pt، Pd كمحفزات.
ج) الهالوكانات. استرداد الكاشف.
RHal + 2HI RH + HHal + I2
الخواص الكيميائية للألكانات.
جميع الروابط في الألكانات منخفضة القطبية، ولهذا السبب تتميز بتفاعلات جذرية. غياب روابط باي يجعل تفاعلات الإضافة مستحيلة. تتميز الألكانات بتفاعلات الاستبدال والإزالة والاحتراق.
|
نوع واسم التفاعل | |
|
1. ردود الفعل الاستبدال | |
|
أ) مع الهالوجينات(مع الكلورCl 2 -في ضوء, ر 2 - عند تسخينه) رد الفعل يطيع قاعدة ماركوفنيك (قواعد ماركوفنيكوف) - أولا وقبل كل شيء، يحل الهالوجين محل الهيدروجين على أقل ذرة كربون مهدرجة. يتم التفاعل على مراحل - لا يتم استبدال أكثر من ذرة هيدروجين واحدة في مرحلة واحدة. يتفاعل اليود بشكل أكثر صعوبة، وعلاوة على ذلك، لا يكتمل التفاعل، لأنه، على سبيل المثال، عندما يتفاعل الميثان مع اليود، يتم تشكيل يوديد الهيدروجين، الذي يتفاعل مع يوديد الميثيل لتكوين الميثان واليود (تفاعل عكسي): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + حمض الهيدروكلوريك (كلوروميثان) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + حمض الهيدروكلوريك (ثنائي كلورو ميثان) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + حمض الهيدروكلوريك (ثلاثي كلورو ميثان) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + حمض الهيدروكلوريك (رابع كلوريد الكربون). |
|
ب) النتروجين (تفاعل كونوفالوف) تتفاعل الألكانات مع محلول 10% من حمض النيتريك أو أكسيد النيتروجين N2O4 في الطور الغازي عند درجة حرارة 140° وضغط منخفض لتكوين مشتقات النيترو. رد الفعل يطيع أيضًا قاعدة ماركوفنيكوف. يتم استبدال إحدى ذرات الهيدروجين ببقايا NO 2 (مجموعة النيترو) ويتم إطلاق الماء |
|
|
2. ردود الفعل القضاء | |
|
أ) نزع الهيدروجين– القضاء على الهيدروجين. ظروف التفاعل: المحفز – البلاتين ودرجة الحرارة. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 |
|
ب) تكسيرعملية التحلل الحراري للهيدروكربونات، والتي تقوم على تفاعلات تجزئة السلسلة الكربونية للجزيئات الكبيرة لتكوين مركبات ذات سلسلة أقصر. عند درجة حرارة 450-700 درجة مئوية، تتحلل الألكانات بسبب انقسام روابط C-C (يتم الاحتفاظ بروابط C-H الأقوى عند درجة الحرارة هذه) وتتشكل الألكانات والألكانات التي تحتوي على عدد أقل من ذرات الكربون |
ج 6 ح 14 ج 2 ح 6 +ج 4 ح 8 |
|
ب) كاملة التحلل الحراري |
CH 4 ج + 2 ح 2 |
|
3. تفاعلات الأكسدة | |
|
أ) تفاعل الاحتراقعند اشتعالها (ر = 600 درجة مئوية)، تتفاعل الألكانات مع الأكسجين، وتتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. |
C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
ب) الأكسدة الحفزية- عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا ومع استخدام المحفزات، يكون مصحوبًا بتمزق جزء فقط من روابط C-C تقريبًا في منتصف الجزيء وC-H ويستخدم للحصول على منتجات قيمة: الأحماض الكربوكسيلية، الكيتونات، الألدهيدات، الكحولات. |
على سبيل المثال، عند الأكسدة غير الكاملة للبيوتان (انقسام الرابطة C2 –C3)، يتم الحصول على حمض الأسيتيك |
|
4. تفاعلات الأيزومرة ليست نموذجية لجميع الألكانات. ويلفت الانتباه إلى إمكانية تحويل بعض الأيزومرات إلى أخرى ووجود المواد الحفازة. |
ج4ح10ج4ح10 |
|
5.. ألكانات تحتوي السلسلة الرئيسية على 6 ذرات كربون أو أكثر تتفاعل أيضا إزالة التدوير المائي ولكن دائمًا تشكل حلقة مكونة من 6 أعضاء (الهكسان الحلقي ومشتقاته). في ظل ظروف التفاعل، تخضع هذه الدورة لمزيد من نزع الهيدروجين وتتحول إلى حلقة بنزين أكثر ثباتًا من الهيدروكربون العطري (أرين). |
|
آلية تفاعل الهلجنة:
الهلجنة
تحدث هالوجين الألكانات عبر آلية جذرية. لبدء التفاعل، يجب تشعيع خليط الألكان والهالوجين بالأشعة فوق البنفسجية أو تسخينه. لا تتوقف كلورة الميثان عند مرحلة الحصول على كلوريد الميثيل (إذا تم أخذ كميات متساوية من الكلور والميثان)، ولكنها تؤدي إلى تكوين جميع المنتجات البديلة الممكنة، من كلوريد الميثيل إلى رابع كلوريد الكربون. ينتج عن كلورة الألكانات الأخرى خليط من منتجات استبدال الهيدروجين ذرات مختلفةكربون. تعتمد نسبة منتجات الكلورة على درجة الحرارة. يعتمد معدل كلورة الذرات الأولية والثانوية والثالثية على درجة الحرارة، وفي درجات الحرارة المنخفضة ينخفض المعدل بالترتيب: الثالثي والثانوي والابتدائي. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يقل الفرق بين السرعات حتى تصبح متساوية. بالإضافة إلى العامل الحركي، يتأثر توزيع نواتج الكلورة بعامل إحصائي: احتمال مهاجمة الكلور لذرة الكربون الثالثية أقل بثلاث مرات من الذرة الأولية وأقل مرتين من الثانوية. وبالتالي، فإن كلورة الألكانات هي تفاعل غير انتقائي مجسم، إلا في الحالات التي يكون فيها منتج الكلورة الأحادية ممكنًا واحدًا فقط.
الهالوجين هو أحد تفاعلات الاستبدال. تخضع هلوجينة الألكانات لقاعدة ماركوفنيك (قاعدة ماركوفنيكوف) - ذرة الكربون الأقل هدرجة هي المهلجنة أولاً. تحدث هلوجين الألكانات على مراحل - حيث لا يتم هلوجين أكثر من ذرة هيدروجين واحدة في مرحلة واحدة.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + حمض الهيدروكلوريك (كلوروميثان)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + حمض الهيدروكلوريك (ثنائي كلورو ميثان)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + حمض الهيدروكلوريك (ثلاثي كلورو ميثان)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + حمض الهيدروكلوريك (رابع كلوريد الكربون).
تحت تأثير الضوء يتحلل جزيء الكلور إلى ذرات ثم تهاجم جزيئات الميثان وتمزق ذرة الهيدروجين الخاصة بها، ونتيجة لذلك تتكون جذور الميثيل CH 3 التي تصطدم بجزيئات الكلور فتدمرها وتشكل جذور جديدة .
النتروجين (تفاعل كونوفالوف)
تتفاعل الألكانات مع محلول 10% من حمض النيتريك أو أكسيد النيتروجين N2O4 في الطور الغازي عند درجة حرارة 140° وضغط منخفض لتكوين مشتقات النيترو. رد الفعل يطيع أيضًا قاعدة ماركوفنيكوف.
RH + HNO3 = RNO2 + H2O
أي أنه يتم استبدال إحدى ذرات الهيدروجين ببقايا NO 2 (مجموعة النيترو) ويتم إطلاق الماء.
تؤثر السمات الهيكلية للأيزومرات بشدة على مسار هذا التفاعل، لأنه يؤدي بسهولة إلى استبدال ذرة الهيدروجين في بقايا SI (الموجودة فقط في بعض الأيزومرات) بمجموعة نيترو؛ ومن السهل استبدال الهيدروجين في مجموعة CH 2 وأكثر صعوبة في بقايا CH 3.
يتم نترات البارافينات بسهولة تامة في الطور الغازي عند 150-475 درجة مئوية مع ثاني أكسيد النيتروجين أو بخار حمض النيتريك؛ في هذه الحالة، يحدث جزئيا. أكسدة. تنتج نترتة الميثان بشكل حصري تقريبًا نيتروميثان:
تشير جميع البيانات المتاحة إلى آلية الجذور الحرة. نتيجة للتفاعل، يتم تشكيل مخاليط المنتجات. حمض النيتريك في درجات الحرارة العادية ليس له أي تأثير تقريبًا على هيدروكربونات البارافين. عند تسخينه، فإنه يعمل بشكل رئيسي كعامل مؤكسد. ومع ذلك، كما وجد M. I. Konovalov (1889)، عند تسخينه، يعمل حمض النيتريك جزئيًا بطريقة "النترات". يحدث تفاعل النترات مع حمض النيتريك الضعيف بشكل جيد عند تسخينه وتحت ضغط مرتفع. يتم التعبير عن تفاعل النترات بالمعادلة.
المتجانسات التي تتبع الميثان تعطي خليطًا من النيتروبارافينات المختلفة بسبب الانقسام المصاحب. عند نترات الإيثان، يتم الحصول على نيتروإيثان CH 3 -CH 2 -NO 2 ونيتروميثان CH 3 -NO 2. يتكون خليط من النيتروبارافينات من البروبان:
يتم الآن تنفيذ نترات البارافينات في الطور الغازي على نطاق صناعي.
المعالجة بالكبريت:
رد الفعل المهم عمليا هو سلفوكلور الألكانات. عندما يتفاعل الألكان مع الكلور وثاني أكسيد الكبريت أثناء التشعيع، يتم استبدال الهيدروجين بمجموعة الكلوروسلفونيل:
مراحل رد الفعل هذا هي:
الكلور + R: H → R + حمض الهيدروكلوريك
آر+SO 2 →RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl → RSO 2 Cl+Cl
يتم تحلل كلوريدات الألكان سلفونيل بسهولة إلى ألكان سلفوكسيلوست (RSO 2 OH)، حيث تظهر أملاح الصوديوم (RSO 3¯ Na + - ألكان سلفونات الصوديوم) خصائص مشابهة للصابون وتستخدم كمنظفات.
تعريف
الألكاناتتسمى الهيدروكربونات المشبعة، والتي تتكون جزيئاتها من ذرات الكربون والهيدروجين المرتبطة ببعضها البعض فقط بواسطة روابط σ.
في الظروف العادية (عند 25 درجة مئوية والضغط الجوي)، تكون الأعضاء الأربعة الأولى في سلسلة الألكانات المتماثلة (C1 - C4) غازات. الألكانات العادية من البنتان إلى السباعيكان (C5 - C17) - السوائل ابتداء من C18 فما فوق - المواد الصلبة. مع زيادة الوزن الجزيئي النسبي، تزداد نقاط الغليان والانصهار للألكانات. مع وجود نفس العدد من ذرات الكربون في الجزيء، تكون للألكانات المتفرعة نقاط غليان أقل من الألكانات العادية. يظهر الشكل هيكل جزيء الألكان باستخدام الميثان كمثال. 1.
أرز. 1. هيكل جزيء الميثان.
الألكانات غير قابلة للذوبان عمليا في الماء، لأن جزيئاتها منخفضة القطبية ولا تتفاعل مع جزيئات الماء. تمتزج الألكانات السائلة بسهولة مع بعضها البعض. تذوب جيدًا في المذيبات العضوية غير القطبية مثل البنزين ورابع كلوريد الكربون وإيثر ثنائي إيثيل وما إلى ذلك.
تحضير الألكانات
المصادر الرئيسية لمختلف الهيدروكربونات المشبعة التي تحتوي على ما يصل إلى 40 ذرة كربون هي النفط والغاز الطبيعي. يمكن عزل الألكانات التي تحتوي على عدد قليل من ذرات الكربون (1 - 10) عن طريق التقطير التجزيئي للغاز الطبيعي أو جزء البنزين من الزيت.
هناك طرق صناعية (I) ومختبرية (II) لإنتاج الألكانات.
C + H 2 → CH 4 (كات = ني، ر 0)؛
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni، t 0 = 200 - 300)؛
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (كات، ر 0).
- هدرجة الهيدروكربونات غير المشبعة
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
- الحد من الهالوكانات
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (ر 0)؛
- تفاعلات الذوبان القلوية لأملاح الأحماض العضوية الأحادية القاعدة
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (ر 0)؛
— تفاعل الهالوكانات مع معدن الصوديوم (تفاعل ورتز)
2C 2 H 5 بر + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr؛
- التحليل الكهربائي لأملاح الأحماض العضوية أحادية القاعدة
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2 ;
ك(-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH - ;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
الخواص الكيميائية للألكانات
تعتبر الألكانات من بين المركبات العضوية الأقل تفاعلاً، وهذا ما يفسره تركيبها.
لا تتفاعل الألكانات في الظروف العادية مع الأحماض المركزة والقلويات المنصهرة والمركزة والمعادن القلوية والهالوجينات (باستثناء الفلور) وبرمنجنات البوتاسيوم وثنائي كرومات البوتاسيوم في بيئة حمضية.
بالنسبة للألكانات، فإن التفاعلات الأكثر شيوعًا هي تلك التي تحدث بآلية جذرية. الانقسام المتماثل هو أكثر ملاءمة بقوة روابط C-Hو CC من كسرهم المتغاير.
تحدث تفاعلات الاستبدال الجذري بسهولة عند ذرة الكربون الثالثية، ثم عند ذرة الكربون الثانوية، وأخيرًا عند ذرة الكربون الأولية.
جميع التحولات الكيميائية للألكانات تتم بالانقسام:
1) روابط CH
— الهلجنة (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + حمض الهيدروكلوريك ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- النتروجين (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (مخفف) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H2 O (t 0).
— الكلورة الكبريتية (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + حمض الهيدروكلوريك ( hv).
- نزع الهيدروجين
CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 (كات = ني، ر 0).
- إزالة التدوير المائي
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3، t 0).
2) روابط CH وCC
- الأيزومرية (إعادة الترتيب داخل الجزيئات)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3, t 0).
- الأكسدة
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (ر 0، ص)؛
C n H 2n+2 + (1.5n + 0.5) O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
تطبيقات الألكانات
وقد وجدت الألكانات التطبيق في مختلف الصناعات. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل، باستخدام مثال بعض ممثلي السلسلة المتماثلة، وكذلك مخاليط الألكانات.
يشكل الميثان أساس المادة الخام لأهم العمليات الصناعية الكيميائية لإنتاج الكربون والهيدروجين والأسيتيلين والمركبات العضوية المحتوية على الأكسجين - الكحوليات والألدهيدات والأحماض. يستخدم البروبان كوقود للسيارات. ويستخدم البيوتان لإنتاج البيوتادين، وهو مادة خام لإنتاج المطاط الصناعي.
يتم استخدام خليط من الألكانات السائلة والصلبة تصل إلى C 25، يسمى الفازلين، في الطب كأساس للمراهم. يتم استخدام خليط من الألكانات الصلبة C 18 - C 25 (البارافين) لتشريب المواد المختلفة (الورق، الأقمشة، الخشب) لمنحها خصائص كارهة للماء، أي. عدم التبليل بالماء. في الطب يتم استخدامه في إجراءات العلاج الطبيعي (علاج البارافين).
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
| يمارس | عند كلورة الميثان، تم الحصول على 1.54 جرام من مركب تبلغ كثافة بخاره في الهواء 5.31. احسب كتلة ثاني أكسيد المنغنيز MnO 2 اللازمة لإنتاج الكلور إذا كانت نسبة أحجام الميثان والكلور المدخلين في التفاعل هي 1:2. |
| حل | تسمى نسبة كتلة غاز معين إلى كتلة غاز آخر مأخوذة في نفس الحجم ونفس درجة الحرارة ونفس الضغط بالكثافة النسبية للغاز الأول إلى الثاني. توضح هذه القيمة عدد المرات التي يكون فيها الغاز الأول أثقل أو أخف من الغاز الثاني. يعتبر الوزن الجزيئي النسبي للهواء 29 (مع الأخذ بعين الاعتبار محتوى النيتروجين والأكسجين والغازات الأخرى في الهواء). تجدر الإشارة إلى أن مفهوم "الكتلة الجزيئية النسبية للهواء" يستخدم بشكل مشروط، لأن الهواء عبارة عن خليط من الغازات. دعنا نوجد الكتلة المولية للغاز المتكون أثناء كلورة الميثان: M غاز = 29 ×D هواء (غاز) = 29 × 5.31 = 154 جم / مول. هذا هو رابع كلوريد الكربون - CCl 4. لنكتب معادلة التفاعل ونرتب المعاملات المتكافئة: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. دعونا نحسب كمية مادة رابع كلوريد الكربون: ن(CCl 4) = م(CCl 4) / M(CCl 4); ن (CCl 4) = 1.54 / 154 = 0.01 مول. حسب معادلة التفاعل n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1 مما يعني n(CH 4) = n(CCl 4) = 0.01 مول. ومن ثم يجب أن تكون كمية مادة الكلور مساوية لـ n(Cl2) = 2×4 n(CH4) أي. n(Cl2) = 8 × 0.01 = 0.08 مول. دعونا نكتب معادلة التفاعل لإنتاج الكلور: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. عدد مولات ثاني أكسيد المنغنيز هو 0.08 مول، لأن n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. أوجد كتلة ثاني أكسيد المنغنيز: م(MnO 2) = n(MnO 2) × M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 جم/مول؛ م (MnO 2) = 0.08 × 87 = 10.4 جم. |
| إجابة | كتلة ثاني أكسيد المنغنيز 10.4 جم. |
مثال 2
