Барлық формулалар алкандар. Алкандардың құрылымдық изомериясы. Есептерді шешу мысалдары
Ациклді көмірсутектер алкандар деп аталады. Барлығы 390 алкан бар. Nonacontatrictan (C 390 H 782) ең ұзын құрылымға ие. Галогендер көміртек атомдарына қосылып галоалкандар түзе алады.
Құрылымы және номенклатурасы
Анықтау бойынша, алкандар сызықты немесе тармақталған құрылымы бар қаныққан немесе қаныққан көмірсутектер. Парафиндер деп те атайды. Алкандардың құрамында тек жалғыз коваленттік байланыстаркөміртек атомдары арасында. Жалпы формула -
Затқа атау беру үшін ережелерді сақтау керек. Халықаралық номенклатура бойынша атаулар -ан жұрнағы арқылы жасалады. Алғашқы төрт алканның атаулары тарихи түрде дамыды. Бесінші өкілден бастап атаулар көміртегі атомдарының санын білдіретін префикс пен -an жұрнағынан жасалған. Мысалы, окта (сегіз) октанды құрайды.
Тармақталған тізбектер үшін атаулар қосылады:
- радикалдар айналасында орналасқан көміртегі атомдарының сандарын көрсететін сандардан;
- радикалдардың атынан;
- негізгі тізбектің атынан.
Мысалы: 4-метилпропан – пропан тізбегіндегі төртінші көміртек атомының радикалы (метил) бар.
Күріш. 1. Алкандардың атаулары бар құрылымдық формулалар.
Әрбір оныншы алкан келесі тоғыз алканды атайды. Деканнан кейін ундекан, додекан және т.б., эйкозаннан кейін генейкозан, докозан, трикозан және т.б.
гомологтық қатар
Бірінші өкілі метан, сондықтан алкандарды метанның гомологиялық қатары деп те атайды. Алкандар кестесінде алғашқы 20 өкіл көрсетілген.
|
Аты |
Формула |
Аты |
Формула |
|
Тридекан |
|||
|
Тетрадекан |
|||
|
Пентадекан |
|||
|
Гексадекан |
|||
|
Гептадекан |
|||
|
Октадекан |
|||
|
Нанадекан |
|||
Бутаннан бастап барлық алкандардың құрылымдық изомерлері болады. Атауға iso- префиксі қосылады: изобутан, изопентан, изогексан.
Күріш. 2. Изомерлердің мысалдары.
Физикалық қасиеттері
Заттардың жиынтық күйі гомологтар тізімінде жоғарыдан төмен қарай өзгереді. Құрамында көміртегі атомдары неғұрлым көп болса және сәйкесінше қосылыстардың молекулалық массасы неғұрлым көп болса, қайнау температурасы соғұрлым жоғары және зат соғұрлым қатты болады.
Құрамында 15-тен астам көміртек атомы бар заттардың қалған бөлігі қатты күйде болады.
Газ тәрізді алкандар көк немесе түссіз жалынмен жанады.
Түбіртек
Алкандар көмірсутектердің басқа кластары сияқты мұнайдан, газдан және көмірден алынады. Ол үшін зертханалық және өндірістік әдістер қолданылады:
- қатты отынды газдандыру:
C + 2H 2 → CH 4;
- көміртек тотығын гидрлеу (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;
- алюминий карбидінің гидролизі:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4;
- алюминий карбидінің күшті қышқылдармен әрекеттесуі:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
- галоалкандардың тотықсыздануы (алмасу реакциясы):
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;
- галоалкандардың гидрогенизациясы:
CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;
- Сірке қышқылының тұздарының сілтілермен қосылуы (Дюма реакциясы):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Алкандарды катализатор – платина, никель, палладий қатысуымен алкендер мен алкиндерді гидрлеу арқылы алуға болады.
Химиялық қасиеттері
Алкандар бейорганикалық заттармен әрекеттеседі:
- жану:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
- галогендеу:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
- нитрлеу (Коновалов реакциясы):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
- байланыс:
Химиялық қосылыстардың алғашқы түрлерінің бірі зерттелген мектеп бағдарламасыорганикалық химия бойынша алкандар. Олар қаныққан (әйтпесе – алифатты) көмірсутектер тобына жатады. Олардың молекулаларында бір ғана байланыс бар. Көміртек атомдары sp³ будандастыруымен сипатталады.
Гомологтар деп аталады химиялық заттаркімде бар жалпы қасиеттеріжәне химиялық құрылымы, бірақ бір немесе бірнеше CH2 топтарымен ерекшеленеді.
Метан CH4 жағдайында алкандардың жалпы формуласын беруге болады: CnH (2n+2), мұндағы n – қосылыстағы көміртек атомдарының саны.
Мұнда n 1-ден 10-ға дейінгі аралықта болатын алкандар кестесі берілген.
Алкандардың изомериясы
Изомерлер - молекулалық формуласы бірдей, бірақ құрылымы немесе құрылымы әртүрлі заттар.
Алкандар класы изомерияның 2 түрімен сипатталады: көміртек қаңқасы және оптикалық изомерия.
Бутан С4Н10 үшін құрылымдық изомерге мысал келтірейік (яғни, тек көміртек қаңқасының құрылымымен ерекшеленетін зат).
Оптикалық изомерлер осындай 2 зат деп аталады, олардың молекулалары құрылымы ұқсас, бірақ кеңістікте біріктірілмейді. Оптикалық немесе айна изомерия құбылысы гептан С7Н16 бастап алкандарда кездеседі.
Алканға дұрыс атау беру үшін, IUPAC номенклатурасын қолданыңыз. Ол үшін келесі әрекеттер тізбегін пайдаланыңыз:
Жоғарыдағы жоспар бойынша келесі алканға ат қойып көрейік.
Қалыпты жағдайда СН4-тен С4Н10-ға дейінгі тармақталмаған алкандар газ тәрізді заттар, С5Н12-ден С13Н28-ге дейін олар сұйық және ерекше иісі бар, одан кейінгілердің барлығы қатты. Солай екен көміртегі тізбегінің ұзындығы ұлғайған сайын қайнау және балқу температуралары артады. Алканның құрылымы неғұрлым тармақталған болса, соғұрлым оның қайнау және балқу температурасы төмен болады.
Газ тәрізді алкандар түссіз. Сондай-ақ бұл кластың барлық өкілдерін суда еріту мүмкін емес.
бар алкандар біріктіру жағдайыгаз, күйіп қалуы мүмкін, ал жалын түссіз немесе бозғылт көк реңкке ие болады.
Химиялық қасиеттері
Қалыпты жағдайда алкандар белсенді емес. Бұл арасындағы σ-байланыстың күшімен түсіндіріледі атомдар C-Cжәне C-H. Сондықтан өткізу үшін арнайы жағдайларды (мысалы, жеткілікті жоғары температура немесе жарық) қамтамасыз ету қажет химиялық реакциямүмкін болды.
Орынбасу реакциялары
Бұл түрдегі реакцияларға галогендеу және нитрлеу жатады. Галогендеу (Cl2 немесе Br2-мен реакция) қыздырғанда немесе жарықтың әсерінен жүреді. Реакция ретімен жүріп жатқанда галогеналкандар түзіледі.
Мысалы, этанды хлорлау реакциясын жазуға болады.
Бромдау дәл осылай жалғасады.
Нитрлеу – HNO3 әлсіз (10%) ерітіндісімен немесе азот оксиді (IV) NO2 реакциясы. Реакцияларды жүргізу шарттары – температура 140 °С және қысым.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Нәтижесінде екі өнім пайда болады - су және амин қышқылы.
Ыдырау реакциялары
Ыдырау реакциялары әрқашан жоғары температураны қажет етеді. Бұл көміртегі мен сутегі атомдары арасындағы байланысты үзу үшін қажет.
Сонымен, крекинг кезінде 700 және 1000 °C аралығында қажет температура. Реакция кезінде -С-С- байланыстары бұзылып, жаңа алкан мен алкен түзіледі:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Ерекшелік - метан мен этанның крекингі. Осы реакциялардың нәтижесінде сутегі бөлініп, алкинацетилен түзіледі. Міндетті шарт - 1500 ° C дейін қыздыру.
C2H4 = C2H2 + H2
Егер сіз 1000 ° C температурадан асып кетсеңіз, қосылыстағы байланыстардың толық үзілуімен пиролизге қол жеткізуге болады:
Пропилдің пиролизі кезінде көміртегі С алынды, сонымен қатар сутегі Н2 бөлінді.
Сутексіздену реакциялары
Дегидрлеу (сутегінің жойылуы) әртүрлі алкандар үшін әртүрлі жүреді. Реакция шарттары 400-ден 600 ° C-қа дейінгі диапазондағы температура, сондай-ақ никель немесе платина болуы мүмкін катализатордың болуы.
Көміртек қаңқасында 2 немесе 3 С атомы бар қосылыстан алкен түзіледі:
C2H6 = C2H4 + H2.
Молекула тізбегінде 4-5 көміртек атомы болса, дегидрлеуден кейін алкадиен мен сутегі алынады.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Гексаннан бастап, реакция кезінде бензол немесе оның туындылары түзіледі.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Сондай-ақ 800 °C температурада және никельдің қатысуымен метан үшін жүргізілген конверсия реакциясын атап өткен жөн:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Басқа алкандар үшін конверсия тән емес.
Тотығу және жану
Егер 200°С жоғары емес температураға дейін қыздырылған алкан катализатордың қатысуымен оттегімен әрекеттессе, онда алынған өнімдер басқа реакция жағдайларына байланысты ерекшеленеді: бұл альдегидтер, карбон қышқылдары, спирттер кластарының өкілдері болуы мүмкін. немесе кетондар.
Егер толық тотығуалкан соңғы өнімге дейін күйеді - су және СО2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Егер тотығу кезінде оттегінің мөлшері жеткіліксіз болса, оның орнына соңғы өнім Көмір қышқыл газыкөмір немесе СО болады.
Изомерленуді жүргізу
Егер шамамен 100-200 градус температура қамтамасыз етілсе, тармақталмаған алкандар үшін қайта құрылымдау реакциясы мүмкін болады. Изомерленудің екінші міндетті шарты - AlCl3 катализаторының болуы. Бұл жағдайда заттың молекулаларының құрылымы өзгеріп, оның изомері түзіледі.
Маңызды алкандардың үлесін табиғи шикізаттан бөлу арқылы алады. Көбінесе табиғи газ өңделеді, оның негізгі құрамдас бөлігі метан немесе мұнай крекингке және ректификацияға ұшырайды.
Сондай-ақ алкендердің химиялық қасиеттері туралы есте сақтау керек. 10-сыныпта химия сабақтарында зерттелетін алғашқы зертханалық әдістердің бірі қанықпаған көмірсутектерді гидрлеу болып табылады.
C3H6 + H2 = C3H8
Мысалы, пропиленге сутекті қосу нәтижесінде бір ғана өнім – пропан алынады.
Вюрц реакциясының көмегімен құрылымдық тізбегіндегі көміртек атомдарының саны екі еселенген моногалоалкандардан алкандар алынады:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Алудың тағы бір тәсілі - қыздыру кезінде карбон қышқылының тұзының сілтімен әрекеттесуі:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Сонымен қатар, метан кейде электр доғасында (C + 2H2 = CH4) немесе алюминий карбидін сумен әрекеттесу арқылы өндіріледі:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Алкандар өнеркәсіпте арзан отын ретінде кеңінен қолданылады. Және олар басқаларды синтездеу үшін шикізат ретінде де қолданылады органикалық заттар. Осы мақсатта әдетте газды синтездеу үшін қажетті метан қолданылады. Кейбір басқа қаныққан көмірсутектер синтетикалық майларды алу үшін, сонымен қатар майлау материалдарының негізі ретінде қолданылады.
«Алкандар» тақырыбын жақсы түсіну үшін заттың құрылымы, изомерлер мен номенклатура сияқты тақырыптарды егжей-тегжейлі талқылайтын, сондай-ақ химиялық реакциялардың механизмдерін көрсететін бір емес бірнеше бейне сабақ жасалды.
Алкандар қаныққан көмірсутектер болып табылады, олардың молекулаларында барлық көміртек атомдары жай байланыстар арқылы сутегі атомдарымен орналасады. Сондықтан алкандардың құрылымдық изомериясы метан қатарының гомологтарына тән.
Көміртек қаңқасының изомериясы
Төрт немесе одан да көп көміртек атомдары бар гомологтар көміртек қаңқасының өзгеруі бойынша құрылымдық изомериямен сипатталады. Метил топтары -CH 2 тізбектің кез келген көміртегіне қосылып, жаңа заттар түзе алады. Тізбектегі көміртегі атомдары неғұрлым көп болса, соғұрлым көп изомерлердің гомологтары түзілуі мүмкін. Гомологтардың теориялық саны математикалық жолмен есептеледі.
Күріш. 1. Метан гомологтарының изомерлерінің шамалас саны.
Метил топтарынан басқа көміртек атомдарына ұзын көміртек тізбектері қосылып, күрделі тармақталған заттар түзе алады.
Алкандардың изомерия мысалдары:
- қалыпты бутан немесе n-бутан (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3) және 2-метилпропан (CH 3 -CH(CH 3) -CH 3);
- n-пентан (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-метилбутан (CH 3 -CH 2 -CH (CH 3) -CH 3), 2,2-диметилпропан (CH 3 -C) (CH 3) 2 -CH 3);
- n-гексан (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-метилпентан (CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 2 -CH 3), 3-метилпентан ( CH 3 -CH 2 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3), 2,3-диметилбутан (CH 3 -CH (CH 3) -CH (CH 3) -CH 3), 2,2-диметилбутан ( CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 2 -CH 3).
Күріш. 2. Құрылымдық изомерлердің мысалдары.
Тармақталған изомерлер сызықты молекулалардан физикалық қасиеттерімен ерекшеленеді. Тармақталған алкандар сызықтық аналогтарына қарағанда төмен температурада балқиды және қайнайды.
Номенклатура
Халықаралық IUPAC номенклатурасы тармақталған тізбектерді атау ережелерін белгіледі. Құрылымдық изомерді атау үшін:
- ең ұзын тізбекті тауып, оны ата;
- көміртегі атомдарын ең көп орынбасарлар болатын соңынан бастап нөмірлеңіз;
- сандық префикстермен бірдей алмастырғыштардың санын көрсету;
- атау алмастырғыштар.
Атау бірінен соң бірі жүретін төрт бөліктен тұрады:
- орынбасарлары бар тізбекті атомдарды белгілейтін сандар;
- сандық префикстер;
- алмастырушының атауы;
- негізгі тізбектің атауы.
Мысалы, CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 молекуласында негізгі тізбекте бес көміртегі атомы болады. Демек, бұл пентан. Оң жақ шетінде көбірек тармақтар бар, сондықтан атомдардың нөмірленуі осы жерден басталады. Бұл жағдайда екінші атомның екі бірдей орынбасарлары болады, бұл атауда да көрініс табады. Бұл заттың 2,2,4-триметилпентан деген атауы бар екен.
Әртүрлі алмастырғыштар (метил, этил, пропил) атауында алфавиттік ретпен берілген: 4,4-диметил-3-этилгептан, 3-метил-3-этилоктан.
Әдетте екіден төртке дейінгі сандық префикстер қолданылады: ди- (екі), три- (үш), тетра- (төрт).
Біз не үйрендік?
Алкандарға құрылымдық изомерия тән. Құрылымдық изомерлер бутаннан бастап барлық гомологтарға ортақ. Құрылымдық изомерияда орынбасарлар көміртек тізбегіндегі көміртек атомдарына қосылып, күрделі тармақталған тізбектер түзеді. Изомер атауы негізгі тізбектің, орынбасарлардың атауларынан, орынбасарлар санының ауызша белгіленуінен, алмастырғыштар жалғанатын көміртегі атомдарының цифрлық белгілеуінен тұрады.
Ең қарапайым органикалық қосылыстар көмірсутектеркөміртек пен сутектен тұрады. Көмірсутектердегі химиялық байланыстардың табиғатына және көміртек пен сутегінің арақатынасына қарай олар қаныққан және қанықпаған (алкендер, алкиндер, т.б.) болып бөлінеді.
шектеуКөмірсутектер (алкандар, метан қатарындағы көмірсутектер) көміртегінің сутегімен қосылыстары, олардың молекулаларында әрбір көміртек атомы кез келген басқа көрші атоммен байланыста бір валенттіліктен артық емес, ал көміртекпен байланыста жұмсалмаған барлық валенттіліктері бар. сутегімен қаныққан. Алкандардағы барлық көміртек атомдары sp 3 күйінде болады. Лимиттік көмірсутектер жалпы формуламен сипатталатын гомологиялық қатарды құрайды FROM n Х 2n+2. Бұл қатардың арғы атасы - метан.
Изомерия. Номенклатура.
n=1,2,3 алкандар бір изомер ретінде ғана өмір сүре алады
n=4-тен бастап құрылымдық изомерия құбылысы пайда болады.
Алкандардың құрылымдық изомерлерінің саны көміртегі атомдарының санының артуымен тез өседі, мысалы, пентанда 3 изомер, гептанда 9, т.б.
Мүмкін болатын стереоизомерлер есебінен алкан изомерлерінің саны да артады. C 7 H 16 бастап екі энантиомер түзетін хиральды молекулалардың болуы мүмкін.
Алкандардың номенклатурасы.
Үстем номенклатура - IUPAC номенклатурасы. Сонымен қатар оның құрамында тривиальды атаулардың элементтері бар. Сонымен, алкандардың гомологтық қатарының алғашқы төрт мүшесінің тривиальды атаулары бар.
CH 4 - метан
C 2 H 6 - этан
C 3 H 8 - пропан
C 4 H 10 - бутан.
Қалған гомологтардың атаулары грек латын цифрларынан алынған. Сонымен, қалыпты (тармақталмаған) құрылым қатарының келесі мүшелері үшін атаулар қолданылады:
C 5 H 12 - пентан, C 6 H 14 - гексан, C 7 H 18 - гептан,
C 14 H 30 - тетрадекан, C 15 H 32 - пентадекан және т.б.
Тармақталған алкандарға арналған негізгі IUPAC ережелері
а) ең ұзын тармақталмаған тізбекті таңдаңыз, оның атауы негіз (түбір). Бұл түбірге «ан» жұрнағы жалғанады.
б) бұл тізбекті ең аз орналасу принципі бойынша нөмірлеу;
в) орынын көрсете отырып, алфавиттік тәртіпте орынбасар префикстер түрінде көрсетіледі. Егер ата-аналық құрылымда бірнеше бірдей алмастырғыштар болса, онда олардың саны грек цифрларымен көрсетіледі.
Қарастырылып отырған көміртек атомы тікелей байланысқан басқа көміртек атомдарының санына қарай: біріншілік, екіншілік, үшіншілік және төрттік көміртегі атомдары болып бөлінеді.
Тармақталған алкандарда орынбасарлар ретінде алкан молекуласынан бір сутегі атомының жойылуының нәтижесі ретінде қарастырылатын алкил топтары немесе алкил радикалдары пайда болады.
Алкил топтарының атауы сәйкес алкандардың атауынан соңғы «ан» жұрнағын «ил» жұрнағымен алмастыру арқылы жасалады.
СН 3 - метил
CH 3 CH 2 - этил
CH 3 CH 2 CH 2 - пропил
Тармақталған алкил топтарының атауы үшін тізбекті нөмірлеу де қолданылады:
Этаннан бастап алкандар кедергі келтіретін конформацияға сәйкес келетін конформерлер түзе алады. Бір кедергі конформациядан екіншісіне тұтылған конформация арқылы өту мүмкіндігі айналу тосқауылымен анықталады. Конформерлердің құрылымын, құрамын және айналу кедергілерін анықтау конформациялық талдаудың міндеттері болып табылады. Алкандарды алу әдістері.
1. Фракциялық дистилляция табиғи газнемесе мұнайдың бензиндік үлесі.Осылайша 11 көміртек атомына дейінгі жеке алкандарды бөліп алуға болады.
2. Көмірді гидрогенизациялау.Процесс катализаторлардың (молибденнің, вольфрамның, никельдің оксидтері мен сульфидтерінің) 450-470 С шамасында және 30 МПа-ға дейінгі қысымның қатысуымен жүргізіледі. Көмір мен катализатор ұнтаққа айналады және суспензия арқылы сутегінің көпіршігі арқылы суспензияда гидрленеді. Алкандар мен циклоалкандардың алынған қоспалары мотор отыны ретінде пайдаланылады.
3. CO және CO гидрогенизациясы 2 .
CO + H 2 алкандар
CO 2 + H 2 алкандар
Бұл реакциялардың катализаторы ретінде Co, Fe және т.б.d – элементтер.
4.Алкендер мен алкиндердің гидрленуі.
5.металлорганикалық синтез.
а). Вюрц синтезі.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Егер органикалық реагенттер ретінде екі түрлі галоалкан қолданылса, бұл синтездің пайдасы шамалы.
б). Гринард реагенттерінің протолизі.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
жылы). Литий диалкилкупраттарының (LiR 2 Cu) алкилгалогенидтерімен әрекеттесуі
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Литий диалкилкупраттарының өзі екі сатылы әдіспен алынады
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Карбон қышқылдарының тұздарының электролизі (Кольбе синтезі).
2RCOona + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Карбон қышқылдары тұздарының сілтілермен қосылуы.
Реакция төменгі алкандарды синтездеу үшін қолданылады.
8.Карбонилді қосылыстар мен галоалкандардың гидрогенолизі.
а). карбонил қосылыстары. Клемменс синтезі.
б). Галогеналкандар. каталитикалық гидрогенолиз.
Катализатор ретінде Ni, Pt, Pd қолданылады.
в) Галогеналкандар. Реактивті қалпына келтіру.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Алкандардың химиялық қасиеттері.
Алкандардағы барлық байланыстар төмен полярлы, сондықтан олар радикалды реакциялармен сипатталады. Пи байланыстарының болмауы қосу реакцияларын мүмкін емес етеді. Алкандар алмастыру, жою және жану реакцияларымен сипатталады.
|
Реакцияның түрі және аты | |
|
1. Орынбасу реакциялары | |
|
A) Галогендермен(Бірге хлорCl 2 – жарықта, Бр 2 - қыздырылған кезде) реакция бағынады Марковник ережесі (Марковников ережесі) - ең алдымен, галоген сутекті ең аз гидрленген көміртегі атомымен алмастырады. Реакция кезең-кезеңімен жүреді – бір сатыда бір сутегі атомынан артық алмастырылмайды. Йод ең қиын әрекеттеседі, сонымен қатар реакция соңына дейін бармайды, өйткені, мысалы, метан йодпен әрекеттескенде, метил йодидпен әрекеттесіп, метан мен йод түзетін йодид сутегі пайда болады (қайтымды реакция): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан). |
|
B) Нитрлеу (Коновалов реакциясы) Алкандар азот қышқылының немесе N 2 O 4 азот оксидінің 10% ерітіндісімен газ фазасында 140° температурада және төмен қысымда әрекеттесіп, азот туындыларын түзеді. Реакция да Марковников ережесіне бағынады. Сутегі атомдарының бірі NO 2 қалдығымен (нитротоп) ауыстырылып, су бөлінеді |
|
|
2. Элиминация реакциялары | |
|
A) дегидрлеу- сутекті жою. Реакция шарттары катализатор-платина және температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 |
|
В) крекингкөмірсутектердің термиялық ыдырау процесі, ол үлкен молекулалардың көміртегі тізбегінің қысқартылған тізбегі бар қосылыстардың түзілуімен бөліну реакцияларына негізделген. 450–700 oС температурада С–С байланыстарының үзілуіне байланысты алкандар ыдырайды (бұл температурада күштірек С–Н байланыстары сақталады) және көміртегі атомдарының саны аз алкандар мен алкендер түзіледі. |
C 6 Х 14 C 2 Х 6 + C 4 Х 8 |
|
C) толық термиялық ыдырау |
CH 4 C + 2H 2 |
|
3. Тотығу реакциялары | |
|
A) жану реакциясыТұтанған кезде (t = 600 o C) алкандар оттегімен әрекеттеседі, ал көмірқышқыл газы мен суға дейін тотығады. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––> CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
B) Каталитикалық тотығу- салыстырмалы түрде төмен температурада және катализаторларды қолдану кезінде ол С–С байланыстарының тек бір бөлігінің, шамамен молекуланың және С–Н ортасында үзілуімен бірге жүреді және бағалы өнімдерді алу үшін қолданылады: карбон қышқылдары, кетондар, альдегидтер, спирттер. |
Мысалы, бутанды толық тотықтырмағанда (С 2 -С 3 байланысын үзгенде) сірке қышқылы алынады. |
|
4. Изомерлену реакциялары барлық алкандарға тән емес. Кейбір изомерлердің басқаларға айналу мүмкіндігіне, катализаторлардың болуына назар аударылады. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. 6 немесе одан да көп көміртек магистральдары бар алкандар да реакция жасайды дегидроциклизация, бірақ әрқашан 6 мүшелі цикл құрайды (циклогексан және оның туындылары). Реакция жағдайында бұл цикл ары қарай дегидрлеуден өтеді және ароматты көмірсутектің (ареннің) энергетикалық тұрақты бензол цикліне айналады. |
|
Галогендеу реакциясының механизмі:
Галогендеу
Алкандардың галогенденуі радикалды механизм бойынша жүреді. Реакцияны бастау үшін алкан мен галоген қоспасын ультракүлгін сәулемен сәулелендіру немесе қыздыру керек. Метанды хлорлау метилхлоридті алу сатысында тоқтамайды (егер хлор мен метанның эквимолярлы мөлшері алынса), метилхлоридтен төрт хлорлы көміртегіге дейінгі барлық мүмкін болатын алмастыру өнімдерінің түзілуіне әкеледі. Басқа алкандарды хлорлау кезінде сутегі алмастыру өнімдерінің қоспасы пайда болады әртүрлі атомдаркөміртегі. Хлорлау өнімдерінің қатынасы температураға байланысты. Біріншілік, екіншілік және үшінші реттік атомдардың хлорлану жылдамдығы температураға байланысты, төмен температурада жылдамдық қатарда төмендейді: үшіншілік, екіншілік, біріншілік. Температура көтерілген сайын жылдамдықтар арасындағы айырмашылық бірдей болғанша азаяды. Хлорлау өнімдерінің таралуына кинетикалық фактордан басқа статистикалық фактор әсер етеді: үшінші реттік көміртегі атомына хлордың әсер ету ықтималдығы біріншіліктен 3 есе және екіншіден екі есе аз. Осылайша, алкандарды хлорлау тек бір монохлорлау өнімі мүмкін болатын жағдайларды қоспағанда, стереоселективті емес реакция болып табылады.
Галогендеу - алмастыру реакцияларының бірі. Алкандардың галогенденуі Марковник ережесіне бағынады (Марковников ережелері) – ең аз гидрленген көміртек атомы алдымен галогенденеді. Алкандардың галогенденуі кезең-кезеңімен жүреді – бір сатыда бір сутегі атомынан артық галогенленбейді.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Жарық әсерінен хлор молекуласы атомдарға ыдырайды, содан кейін олар метан молекулаларына шабуыл жасайды, олардың сутегі атомын үзеді, нәтижесінде хлор молекулаларымен соқтығысатын CH 3 метил радикалдары түзіліп, оларды бұзады және жаңа радикалдар түзеді. .
Нитрлеу (Коновалов реакциясы)
Алкандар азот қышқылының немесе N 2 O 4 азот оксидінің 10% ерітіндісімен газ фазасында 140° температурада және төмен қысымда әрекеттесіп, азот туындыларын түзеді. Реакция да Марковников ережесіне бағынады.
RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O
яғни сутегі атомдарының бірі NO 2 қалдығымен (нитротоп) ауыстырылып, су бөлінеді.
Изомерлердің құрылымдық ерекшеліктері бұл реакцияның жүруіне қатты әсер етеді, өйткені ол SI қалдығында сутегі атомы үшін нитротопты алмастыруға оңай әкеледі (кейбір изомерлерде ғана бар), сутегі CH оңай ауыстырылады. 2 топ және одан да қиын - CH 3 қалдығында.
Парафиндер газ фазасында 150-475°С азот диоксиді немесе азот қышқылының буымен жеткілікті жеңіл нитрленеді; бір мезгілде ішінара орын алады және. тотығу. Метанды нитрлеу тек дерлік нитрометан шығарады:
Барлық қолжетімді деректер бос радикал механизмін көрсетеді. Реакция нәтижесінде өнімдер қоспалары түзіледі. Кәдімгі температурадағы азот қышқылы парафинді көмірсутектерге дерлік әсер етпейді. Қыздырған кезде ол негізінен тотықтырғыш ретінде әрекет етеді. Алайда, М.И.Коновалов (1889) анықтағандай, қыздырған кезде азот қышқылы ішінара «нитрлеуші» әсер етеді; әлсіз азот қышқылымен нитрлеу реакциясы әсіресе қыздырғанда және жоғары қысымда жақсы жүреді. Нитрлеу реакциясы теңдеумен өрнектеледі.
Метаннан кейінгі гомологтар ілеспе бөлінуіне байланысты әртүрлі нитропарафиндердің қоспасын береді. Этанды нитрлегенде нитроэтан CH 3 -CH 2 -NO 2 және нитрометан CH 3 -NO 2 алынады. Пропаннан нитропафиндер қоспасы түзіледі:
Газ фазасында парафиндерді нитрлеу қазір өнеркәсіптік ауқымда жүзеге асырылады.
Сульфахлорлау:
Іс жүзінде маңызды реакция - алкандардың сульфохлорлануы. Сәулелену кезінде алкан хлор және күкірт диоксидімен әрекеттескенде, сутегі хлорсульфонил тобына ауыстырылады:
Бұл реакцияның қадамдары:
Cl+R:H→R+HCl
R + SO 2 → RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Алкансульфохлоридтер алкансульфоксилаттарға (RSO 2 OH) оңай гидролизденеді, олардың натрий тұздары (RSO 3 ¯ Na + - натрий алкан сульфонаты) сабынға ұқсас қасиеттерді көрсетеді және жуғыш заттар ретінде қолданылады.
АНЫҚТАУ
Алкандарқаныққан көмірсутектер деп аталады, олардың молекулалары көміртек және сутегі атомдарынан тұрады, бір-бірімен тек σ-байланыстар арқылы байланысады.
Қалыпты жағдайда (25 o C және атмосфералық қысымда) алкандардың гомологтық қатарының алғашқы төрт мүшесі (C 1 - C 4) газдар болып табылады. Пентаннан гептадеканға дейінгі қалыпты алкандар (C 5 - C 17) - C 18 және одан жоғары сұйықтықтар - қатты заттар. Салыстырмалы молекулалық массасы артқан сайын алкандардың қайнау және балқу температуралары артады. Молекуладағы көміртегі атомдарының саны бірдей болса, тармақталған алкандардың қайнау температурасы қалыпты алкандарға қарағанда төмен болады. Мысал ретінде метанды қолданатын алкандар молекуласының құрылымы күріш. бір.
Күріш. 1. Метан молекуласының құрылысы.
Алкандар суда іс жүзінде ерімейді, өйткені олардың молекулалары төмен полярлы және су молекулаларымен әрекеттеспейді. Сұйық алкандар бір-бірімен оңай араласады. Олар полярлы емес органикалық еріткіштерде жақсы ериді, мысалы, бензол, төрт хлорлы көміртек, диэтил эфирі және т.б.
Алкандарды алу
Құрамында 40-қа дейін көміртек атомы бар әртүрлі қаныққан көмірсутектердің негізгі көздері мұнай мен табиғи газ болып табылады. Көміртек атомдарының саны аз (1 - 10) алкандарды табиғи газды немесе мұнайдың бензиндік фракциясын фракциялық айдау арқылы бөліп алуға болады.
Алкандарды алудың өнеркәсіптік (I) және зертханалық (II) әдістері бар.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— қанықпаған көмірсутектерді гидрлеу
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni, t 0);
— галоалкандардың тотықсыздануы
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- бір негізді органикалық қышқылдар тұздарының сілтілі балқу реакциялары
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- галогеналкандардың металдық натриймен әрекеттесуі (Вюрц реакциясы)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
– бір негізді органикалық қышқылдардың тұздарының электролизі
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K (-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Алкандардың химиялық қасиеттері
Алкандар ең аз реактивті органикалық қосылыстар қатарына жатады, бұл олардың құрылымымен түсіндіріледі.
Қалыпты жағдайда алкандар қышқыл ортада концентрлі қышқылдармен, балқыған және концентрлі сілтілермен, сілтілік металдармен, галогендермен (фтордан басқа), калий перманганатымен және калий бихроматымен әрекеттеспейді.
Алкандар үшін радикалды механизм бойынша жүретін реакциялар өте тән. Энергетикалық жағынан қолайлы гомолитикалық саңылау C-H байланыстарыжәне C-C олардың гетеролитикалық саңылауына қарағанда.
Радикалды орын басу реакциялары үшінші реттік көміртегі атомында, екінші реттік көміртек атомында және ең соңында біріншілік көміртек атомында оңай жүреді.
Алкандардың барлық химиялық түрленулері бөлінумен жүреді:
1) С-Н байланыстары
- галогендеу (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- нитрлеу (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (сұйылтылған) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
– сульфохлорлау (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– дегидрлеу
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
— дегидроциклизация
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) С-Н және С-С байланыстары
- изомерлену (молекулалық қайта құрылымдау)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- тотығу
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Алкандардың қолданылуы
Алкандар әртүрлі салаларда қолданыс тапты. Гомологтық қатардың кейбір өкілдерін, сондай-ақ алкандардың қоспаларын мысалға ала отырып, толығырақ қарастырайық.
Метан көміртегі мен сутегі, ацетилен, құрамында оттегі бар органикалық қосылыстар – спирттер, альдегидтер, қышқылдар алудың маңызды химиялық өнеркәсіптік процестерінің шикізат негізі болып табылады. Пропан автомобиль отыны ретінде пайдаланылады. Бутан синтетикалық каучук өндіруге арналған шикізат болып табылатын бутадиен алу үшін қолданылады.
С 25-ке дейінгі сұйық және қатты алкандардың қоспасы, вазелин деп аталады, медицинада жақпа негіз ретінде қолданылады. Қатты алкандардың C 18 - C 25 (парафин) қоспасы әртүрлі материалдарды (қағаз, маталар, ағаш) сіңіру үшін оларға гидрофобтық қасиет береді, т. су өткізбейтіндігі. Медицинада ол физиотерапиялық процедуралар үшін қолданылады (парафинді емдеу).
Есептерді шешу мысалдары
МЫСАЛ 1
| Жаттығу | Метанды хлорлау кезінде 1,54 г қосылыс алынды, оның ауадағы буының тығыздығы 5,31. Реакцияға енгізілген метан мен хлор көлемдерінің қатынасы 1:2 болса, хлор алу үшін қажет MnO 2 марганец диоксидінің массасын есептеңдер. |
| Шешім | Берілген газдың массасының сол көлемде, бірдей температурада және бірдей қысымда алынған басқа газдың массасына қатынасы бірінші газдың екіншісіне салыстырмалы тығыздығы деп аталады. Бұл мән бірінші газдың екінші газдан неше есе ауыр немесе жеңіл екенін көрсетеді. Ауаның салыстырмалы молекулалық массасы 29-ға тең қабылданады (ауадағы азоттың, оттегінің және басқа газдардың құрамын ескере отырып). Айта кету керек, «ауаның салыстырмалы молекулалық салмағы» ұғымы шартты түрде қолданылады, өйткені ауа газдардың қоспасы болып табылады. Метанды хлорлау кезінде түзілетін газдың молярлық массасын табайық: M газ \u003d 29 × D ауа (газ) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 г / моль. Бұл төрт хлорлы көміртек - CCl 4 . Реакция теңдеуін жазып, стехиометриялық коэффициенттерді орналастырамыз: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Төрт хлорлы көміртегінің мөлшерін есептеңіз: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 моль. Реакция теңдеуі бойынша n (CCl 4) : n (CH 4) = 1: 1, онда n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 моль. Сонда хлор затының мөлшері n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4) тең болуы керек, яғни. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 моль. Хлорды алу реакция теңдеуін жазамыз: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Марганец диоксидінің моль саны 0,08 моль, өйткені n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Марганец диоксидінің массасын табыңыз: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) \u003d 55 + 2 × 16 \u003d 87 г / моль; м (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 г. |
| Жауап | Марганец диоксидінің массасы 10,4 г. |
МЫСАЛ 2
