Alkanai visos formulės. Alkanų struktūrinė izomerija. Problemų sprendimo pavyzdžiai
Acikliniai angliavandeniliai vadinami alkanais. Iš viso yra 390 alkanų. Nonakontatrictan (C 390 H 782) turi ilgiausią struktūrą. Halogenai gali prisijungti prie anglies atomų ir sudaryti halogenalkanus.
Struktūra ir nomenklatūra
Pagal apibrėžimą alkanai yra sotieji arba sotieji angliavandeniliai, turintys linijinę arba šakotą struktūrą. Taip pat vadinamas parafinu. Alkanuose yra tik vienas kovalentiniai ryšiai tarp anglies atomų. Bendroji formulė -
Norėdami pavadinti medžiagą, turite laikytis taisyklių. Pagal tarptautinę nomenklatūrą vardai formuojami naudojant galūnę -an. Pirmųjų keturių alkanų pavadinimai susiklostė istoriškai. Pradedant nuo penktojo atstovo, pavadinimus sudaro priešdėlis, nurodantis anglies atomų skaičių, ir priesaga -an. Pavyzdžiui, okta (aštuoni) sudaro oktaninį skaičių.
Šakotoms grandinėms pavadinimai pridedami:
- iš skaičių, nurodančių anglies atomų, aplink kuriuos stovi radikalai, skaičių;
- nuo radikalų pavadinimo;
- nuo pagrindinės grandinės pavadinimo.
Pavyzdys: 4-metilpropanas – ketvirtasis anglies atomas propano grandinėje turi radikalą (metilą).
Ryžiai. 1. Struktūrinės formulės su alkanų pavadinimais.
Kas dešimtas alkanas įvardija kitus devynis alkanus. Po dekano atsiranda undekanas, dodekanas ir t. t.; po eikozanas, genekozanas, dokozanas, trikozanas ir kt.
homologinės serijos
Pirmasis atstovas yra metanas, todėl alkanai taip pat vadinami homologine metano serija. Alkanų lentelėje rodomi pirmieji 20 atstovų.
|
vardas |
Formulė |
vardas |
Formulė |
|
Tridecan |
|||
|
Tetradekanas |
|||
|
Pentadekanas |
|||
|
Heksadekanas |
|||
|
Heptadekanas |
|||
|
oktadekanas |
|||
|
Nanadekanas |
|||
Pradedant nuo butano, visi alkanai turi struktūrinius izomerus. Prie pavadinimo pridedamas priešdėlis iso-: izobutanas, izopentanas, izoheksanas.
Ryžiai. 2. Izomerų pavyzdžiai.
Fizinės savybės
Suminė medžiagų būsena homologų sąraše keičiasi iš viršaus į apačią. Kuo daugiau yra anglies atomų ir, atitinkamai, kuo didesnė junginių molekulinė masė, tuo aukštesnė virimo temperatūra ir kietesnė medžiaga.
Likusios medžiagos, turinčios daugiau nei 15 anglies atomų, yra kietos būsenos.
Dujiniai alkanai dega mėlyna arba bespalve liepsna.
Kvitas
Alkanai, kaip ir kitos angliavandenilių klasės, gaunami iš naftos, dujų ir anglies. Tam naudojami laboratoriniai ir pramoniniai metodai:
- dujinimas kietuoju kuru:
C + 2H2 → CH4;
- anglies monoksido hidrinimas (II):
CO + 3H2 → CH4 + H2O;
- aliuminio karbido hidrolizė:
Al4C3 + 12H2O → 4Al (OH)3 + 3CH4;
- aliuminio karbido reakcija su stipriomis rūgštimis:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
- halogenalkanų redukcija (pakeitimo reakcija):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
- halogenalkanų hidrinimas:
CH3Cl + H2 → CH4 + HCl;
- acto rūgšties druskų susiliejimas su šarmais (Dumas reakcija):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Alkanus galima gauti hidrinant alkenus ir alkinus, esant katalizatoriui – platinai, nikeliui, paladžiui.
Cheminės savybės
Alkanai reaguoja su neorganinėmis medžiagomis:
- degimas:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O;
- halogeninimas:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl;
- nitravimas (Konovalov reakcija):
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H2O;
- ryšys:
Vienas iš pirmųjų cheminių junginių tipų, tirtų m mokyklos mokymo programa pagal organinę chemiją yra alkanai. Jie priklauso sočiųjų (kitaip – alifatinių) angliavandenilių grupei. Jų molekulėse yra tik pavienės jungtys. Anglies atomams būdinga sp³ hibridizacija.
Homologai vadinami cheminių medžiagų kas turi bendrosios savybės ir cheminė struktūra, tačiau skiriasi viena ar keliomis CH2 grupėmis.
Metano CH4 atveju galima pateikti bendrą alkanų formulę: CnH (2n+2), kur n yra anglies atomų skaičius junginyje.
Čia yra alkanų lentelė, kurioje n yra nuo 1 iki 10.
Alkanų izomerizmas
Izomerai yra tos medžiagos, kurių molekulinė formulė yra vienoda, bet skiriasi struktūra ar struktūra.
Alkanų klasei būdingi 2 izomerijos tipai: anglies skeletas ir optinė izomerija.
Pateiksime butano C4H10 struktūrinio izomero (t. y. medžiagos, kuri skiriasi tik anglies karkaso struktūra) pavyzdį.
Optiniais izomerais vadinamos tokios 2 medžiagos, kurių molekulės yra panašios struktūros, bet negali būti sujungtos erdvėje. Optinės arba veidrodinės izomerijos reiškinys atsiranda alkanuose, pradedant nuo heptano C7H16.
Norėdami suteikti alkanui teisingą pavadinimą, naudoti IUPAC nomenklatūrą. Norėdami tai padaryti, naudokite šią veiksmų seką:
Pagal minėtą planą pabandykime duoti pavadinimą kitam alkanui.
Normaliomis sąlygomis nešakotieji alkanai nuo CH4 iki C4H10 yra dujinės medžiagos, nuo C5H12 iki C13H28 – skysti ir specifinio kvapo, visi vėlesni – kietieji. Paaiškėjo, kad didėjant anglies grandinės ilgiui, didėja virimo ir lydymosi temperatūra. Kuo šakotesnė alkano struktūra, tuo žemesnė temperatūra, kurioje jis verda ir lydosi.
Dujiniai alkanai yra bespalviai. Taip pat visi šios klasės atstovai negali būti ištirpinti vandenyje.
Alkanai, kurie turi agregacijos būsena dujos, gali degti, o liepsna bus bespalvė arba šviesiai mėlynos spalvos.
Cheminės savybės
Normaliomis sąlygomis alkanai yra gana neaktyvūs. Tai paaiškinama σ ryšių stiprumu tarp atomai C-C ir C-H. Todėl būtina sudaryti specialias sąlygas (pavyzdžiui, gana aukštą temperatūrą ar šviesą), kad būtų galima atlikti cheminė reakcija tapo įmanoma.
Pakeitimo reakcijos
Tokio tipo reakcijos apima halogeninimą ir nitrinimą. Halogeninimas (reakcija su Cl2 arba Br2) vyksta kaitinant arba veikiant šviesai. Reakcijai vykstant nuosekliai, susidaro halogenalkanai.
Pavyzdžiui, galite parašyti etano chlorinimo reakciją.
Bromavimas vyks panašiai.
Nitrinimas – tai reakcija su silpnu (10%) HNO3 tirpalu arba su azoto oksidu (IV) NO2. Reakcijų vykdymo sąlygos – temperatūra 140 °C ir slėgis.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Dėl to susidaro du produktai – vanduo ir aminorūgštis.
Skilimo reakcijos
Skilimo reakcijoms visada reikalinga aukšta temperatūra. Tai būtina norint nutraukti ryšius tarp anglies ir vandenilio atomų.
Taigi, kai krekingas reikalinga temperatūra nuo 700 iki 1000 °C. Reakcijos metu sunaikinamos -C-C- ryšiai, susidaro naujas alkanas ir alkenas:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Išimtis yra metano ir etano krekingas. Dėl šių reakcijų išsiskiria vandenilis ir susidaro alkinacetilenas. Būtina sąlyga yra šildymas iki 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Jei viršijate 1000 ° C temperatūrą, pirolizę galite pasiekti visiškai nutrūkę junginio jungtims:
Propilo pirolizės metu buvo gauta anglis C, taip pat išsiskyrė vandenilis H2.
Dehidrogenavimo reakcijos
Dehidrogenacija (vandenilio pašalinimas) skirtingiems alkanams vyksta skirtingai. Reakcijos sąlygos yra temperatūra nuo 400 iki 600 ° C, taip pat katalizatoriaus, kuris gali būti nikelis arba platina, buvimas.
Iš junginio, kurio anglies skelete yra 2 arba 3 C atomai, susidaro alkenas:
C2H6 = C2H4 + H2.
Jei molekulės grandinėje yra 4-5 anglies atomai, tai po dehidrogenavimo bus gaunamas alkadienas ir vandenilis.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Pradedant nuo heksano, reakcijos metu susidaro benzenas arba jo dariniai.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Taip pat turėtume paminėti metano konversijos reakciją, atliktą 800 °C temperatūroje ir esant nikeliui:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Kitų alkanų konversija nebūdinga.
Oksidacija ir degimas
Jei alkanas, pašildytas iki ne aukštesnės kaip 200 ° C temperatūros, sąveikauja su deguonimi esant katalizatoriui, tada gauti produktai skirsis priklausomai nuo kitų reakcijos sąlygų: tai gali būti aldehidų, karboksirūgščių, alkoholių klasių atstovai. arba ketonai.
Kada visiška oksidacija alkanas nudegina galutinius produktus – vandenį ir CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Jei oksidacijos metu deguonies kiekis buvo nepakankamas, galutinis produktas vietoj anglies dvideginis taps anglimi arba CO.
Izomerizacijos vykdymas
Jei numatoma apie 100-200 laipsnių temperatūra, nešakotiems alkanams tampa įmanoma persitvarkymo reakcija. Antroji privaloma izomerizacijos sąlyga yra AlCl3 katalizatoriaus buvimas. Tokiu atveju pakinta medžiagos molekulių struktūra ir susidaro jos izomeras.
Reikšmingas alkanų dalis gaunama atskiriant juos nuo natūralių žaliavų. Dažniausiai apdorojamos gamtinės dujos, kurių pagrindinis komponentas yra metanas, arba nafta yra krekinguojama ir rektifikuojama.
Taip pat turėtumėte prisiminti apie chemines alkenų savybes. 10 klasėje vienas pirmųjų laboratorinių metodų, tiriamų chemijos pamokose, yra nesočiųjų angliavandenilių hidrinimas.
C3H6 + H2 = C3H8
Pavyzdžiui, į propileną pridedant vandenilio, gaunamas vienas produktas - propanas.
Naudojant Wurtz reakciją, alkanai gaunami iš monohalogenalkanų, kurių struktūrinėje grandinėje anglies atomų skaičius padvigubėja:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Kitas būdas gauti yra karboksirūgšties druskos sąveika su šarmu kaitinant:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Be to, kartais metanas susidaro elektros lanku (C + 2H2 = CH4) arba aliuminio karbidui reaguojant su vandeniu:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Alkanai plačiai naudojami pramonėje kaip pigus kuras. Jie taip pat naudojami kaip žaliava kitų sintezei organinės medžiagos. Tam dažniausiai naudojamas metanas, būtinas dujoms ir sintezei. Kai kurie kiti sotieji angliavandeniliai naudojami sintetiniams riebalams gauti, taip pat kaip tepalų pagrindas.
Geriausiam temos „Alkanai“ supratimui sukurta ne viena video pamoka, kurioje išsamiai aptariamos tokios temos kaip materijos sandara, izomerai ir nomenklatūra, taip pat parodomi cheminių reakcijų mechanizmai.
Alkanai yra sotieji angliavandeniliai, kurių molekulėse visus anglies atomus paprastais ryšiais užima vandenilio atomai. Todėl metano serijos homologams būdinga alkanų struktūrinė izomerija.
Anglies skeleto izomerizmas
Homologams, turintiems keturis ar daugiau anglies atomų, būdinga struktūrinė izomerija pagal anglies skeleto pokyčius. Metilo grupės -CH2 gali prisijungti prie bet kurios grandinės anglies, sudarydamos naujas medžiagas. Kuo daugiau anglies atomų grandinėje, tuo daugiau gali susidaryti izomerų homologų. Teorinis homologų skaičius apskaičiuojamas matematiškai.
Ryžiai. 1. Apytikslis metano homologų izomerų skaičius.
Be metilo grupių, prie anglies atomų gali būti prijungtos ilgos anglies grandinės, sudarydamos sudėtingas šakotas medžiagas.
Alkanų izomerijos pavyzdžiai:
- normalus butanas arba n-butanas (CH3-CH2-CH2-CH3) ir 2-metilpropanas (CH3-CH(CH3)-CH3);
- n-pentanas (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilbutanas (CH3-CH2-CH (CH3)-CH3), 2,2-dimetilpropanas (CH3-C (CH3)2-CH3);
- n-heksanas (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilpentanas (CH3-CH (CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-metilpentanas ( CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3), 2,3-dimetilbutanas (CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetilbutanas ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Ryžiai. 2. Struktūrinių izomerų pavyzdžiai.
Išsišakoję izomerai skiriasi nuo linijinių molekulių savo fizinėmis savybėmis. Šakotieji alkanai lydosi ir verda žemesnėje temperatūroje nei jų linijiniai analogai.
Nomenklatūra
Tarptautinė IUPAC nomenklatūra nustatė šakotų grandinių pavadinimų taisykles. Norint pavadinti struktūrinį izomerą, reikėtų:
- surask ilgiausią grandinę ir pavadink ją;
- suskaičiuokite anglies atomus, pradedant nuo galo, kur yra daugiausia pakaitų;
- nurodyti identiškų pakaitų skaičių su skaitiniais priešdėliais;
- vardo pakaitalai.
Pavadinimas susideda iš keturių dalių, einančių viena po kitos:
- skaičiai, žymintys grandinės atomus, turinčius pakaitų;
- skaitiniai priešdėliai;
- pakaitalo pavadinimas;
- pagrindinės grandinės pavadinimas.
Pavyzdžiui, CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 molekulėje pagrindinė grandinė turi penkis anglies atomus. Taigi tai pentanas. Dešinysis galas turi daugiau šakų, todėl atomų numeracija prasideda nuo čia. Šiuo atveju antrasis atomas turi du identiškus pakaitus, kurie taip pat atsispindi pavadinime. Pasirodo, ši medžiaga pavadinta 2,2,4-trimetilpentanu.
Įvairūs pakaitai (metilas, etilas, propilas) pavadinime išvardyti abėcėlės tvarka: 4,4-dimetil-3-etilheptanas, 3-metil-3-etiloktanas.
Paprastai naudojami skaitiniai priešdėliai nuo dviejų iki keturių: di- (du), tri- (trys), tetra- (keturi).
Ko mes išmokome?
Alkanams būdinga struktūrinė izomerija. Struktūriniai izomerai yra bendri visiems homologams, pradedant butanu. Struktūrinėje izomerijoje pakaitai yra prijungti prie anglies atomų anglies grandinėje, sudarydami sudėtingas šakotas grandines. Izomero pavadinimą sudaro pagrindinės grandinės pavadinimai, pakaitalai, žodinis pakaitų skaičiaus žymėjimas, anglies atomų, prie kurių yra prijungti pakaitai, skaitmeninis žymėjimas.
Paprasčiausi organiniai junginiai yra angliavandeniliai sudarytas iš anglies ir vandenilio. Priklausomai nuo angliavandenilių cheminių jungčių pobūdžio ir santykio tarp anglies ir vandenilio, jie skirstomi į sočiuosius ir nesočiuosius (alkenus, alkinus ir kt.)
ribojantis Angliavandeniliai (alkanai, metano serijos angliavandeniliai) yra anglies ir vandenilio junginiai, kurių molekulėse kiekvienas anglies atomas praleidžia ne daugiau kaip vieną valentą ryšiui su bet kuriuo kitu gretimu atomu, o visus valentus, kurie nėra skirti ryšiui su anglimi. yra prisotinti vandenilio. Visi alkanuose esantys anglies atomai yra sp 3 būsenos. Ribiniai angliavandeniliai sudaro homologinę seriją, kuri apibūdinama bendra formule NUO n H 2n+2. Šios serijos protėvis yra metanas.
Izomerizmas. Nomenklatūra.
Alkanai, kurių n = 1,2,3, gali egzistuoti tik kaip vienas izomeras
Pradedant nuo n=4, atsiranda struktūrinės izomerijos reiškinys.
Alkanų struktūrinių izomerų skaičius sparčiai didėja didėjant anglies atomų skaičiui, pavyzdžiui, pentanas turi 3 izomerus, heptanas – 9 ir t.t.
Alkano izomerų skaičius taip pat didėja dėl galimų stereoizomerų. Pradedant nuo C7H16, gali egzistuoti chiralinės molekulės, kurios sudaro du enantiomerus.
Alkanų nomenklatūra.
Dominuojanti nomenklatūra yra IUPAC nomenklatūra. Tuo pačiu metu jame yra trivialių pavadinimų elementų. Taigi, pirmieji keturi homologinės alkanų serijos nariai turi trivialius pavadinimus.
CH 4 – metanas
C 2 H 6 - etanas
C 3 H 8 - propanas
C 4 H 10 - butanas.
Likusių homologų pavadinimai yra kilę iš graikiškų lotyniškų skaitmenų. Taigi šiems normalios (nešakotosios) struktūros serijos nariams naudojami pavadinimai:
C5H12 – pentanas, C6H14 – heksanas, C7H18 – heptanas,
C 14 H 30 – tetradekanas, C 15 H 32 – pentadekanas ir kt.
Pagrindinės šakotųjų alkanų IUPAC taisyklės
a) pasirinkti ilgiausią nešakotą grandinę, kurios pavadinimas yra pagrindas (šaknis). Prie šio kamieno pridedama priesaga „an“.
b) sunumeruokite šią grandinę pagal mažiausios vietos principą,
c) pakaitalas nurodomas priešdėlių forma abėcėlės tvarka, nurodant vietą. Jei pirminėje struktūroje yra keli identiški pakaitalai, tada jų skaičius nurodomas graikiškais skaitmenimis.
Priklausomai nuo kitų anglies atomų, su kuriais nagrinėjamas anglies atomas yra tiesiogiai susijęs, skaičiaus, išskiriami pirminiai, antriniai, tretiniai ir ketvirtiniai anglies atomai.
Kaip pakaitai šakotuose alkanuose atsiranda alkilo grupės arba alkilo radikalai, kurie laikomi vieno vandenilio atomo pašalinimo iš alkano molekulės rezultatu.
Alkilo grupių pavadinimas susidaro iš atitinkamų alkanų pavadinimo, paskutinę galūnę „an“ pakeičiant galūne „il“.
CH 3 - metilas
CH 3 CH 2 - etilas
CH 3 CH 2 CH 2 - propilas
Šakotųjų alkilo grupių pavadinimams taip pat naudojamas grandinės numeravimas:
Pradedant nuo etano, alkanai gali sudaryti konformerius, kurie atitinka trukdomą konformaciją. Galimybę pereiti iš vienos trukdomos konformacijos į kitą per užtemdytą konformaciją lemia sukimosi barjeras. Konformacinės analizės uždaviniai yra konformerių struktūros, sudėties ir sukimosi barjerų nustatymas. Alkanų gavimo būdai.
1. Frakcinis distiliavimas gamtinių dujų arba benzino frakcija naftos. Tokiu būdu galima išskirti atskirus alkanus, turinčius iki 11 anglies atomų.
2. Anglies hidrinimas. Procesas vykdomas esant katalizatoriams (molibdeno oksidams ir sulfidams, volframui, nikeliui) 450-470 C temperatūroje ir iki 30 MPa slėgyje. Anglis ir katalizatorius sumalami į miltelius ir hidrinami suspensijoje, per suspensiją burbuliuojant vandenilį. Gauti alkanų ir cikloalkanų mišiniai naudojami kaip variklių kuras.
3. CO ir CO hidrinimas 2 .
CO + H 2 alkanai
CO 2 + H 2 alkanai
Šių reakcijų katalizatoriai naudojami Co, Fe ir kt.. d – elementai.
4.Alkenų ir alkinų hidrinimas.
5.organometalinė sintezė.
a). Wurtz sintezė.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Ši sintezė yra mažai naudinga, jei kaip organiniai reagentai naudojami du skirtingi halogenalkanai.
b). Grignardo reagentų protolizė.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
in). Ličio dialkilkupratų (LiR 2 Cu) sąveika su alkilhalogenidais
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Patys ličio dialkilkupratai gaunami dviejų pakopų metodu
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Karboksirugščių druskų elektrolizė (Kolbės sintezė).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Karboksirūgščių druskų lydymas su šarmais.
Reakcija naudojama žemesniųjų alkanų sintezei.
8.Karbonilo junginių ir halogenalkanų hidrogenolizė.
a). karbonilo junginiai. Clemmens sintezė.
b). Halogenalkanai. katalizinė hidrogenolizė.
Ni, Pt, Pd naudojami kaip katalizatoriai.
c) halogenalkanai. Reaktyvus atkūrimas.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Alkanų cheminės savybės.
Visi alkanuose esantys ryšiai yra mažo poliškumo, todėl jiems būdingos radikalios reakcijos. Dėl pi jungčių nebuvimo sudėjimo reakcijos tampa neįmanomos. Alkanams būdingos pakeitimo, pašalinimo ir degimo reakcijos.
|
Reakcijos tipas ir pavadinimas | |
|
1. Pakeitimo reakcijos | |
|
A) su halogenais(Su chloroCl 2 - šviesoje, Br 2 - kai šildomas) reakcija paklūsta Markovniko taisyklė (Markovnikovo taisyklės) - pirmiausia halogenas pakeičia vandenilį mažiausiai hidrintame anglies atome. Reakcija vyksta etapais – vienoje stadijoje pakeičiamas ne daugiau kaip vienas vandenilio atomas. Sunkiausiai reaguoja jodas, be to, reakcija nesibaigia, nes, pavyzdžiui, metanui reaguojant su jodu, susidaro vandenilio jodidas, kuris reaguoja su metilo jodidu ir susidaro metanas ir jodas (grįžtama reakcija): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormetanas) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormetanas) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (trichlormetanas) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetrachlormetanas). |
|
B) Nitravimas (Konovalovo reakcija) Alkanai reaguoja su 10% azoto rūgšties arba azoto oksido N 2 O 4 tirpalu dujų fazėje, esant 140 ° temperatūrai ir žemam slėgiui, sudarydami nitro darinius. Reakcija taip pat paklūsta Markovnikovo taisyklei. Vienas iš vandenilio atomų pakeičiamas NO 2 liekana (nitro grupe) ir išsiskiria vanduo |
|
|
2. Eliminacijos reakcijos | |
|
A) dehidrinimas- vandenilio pašalinimas. Reakcijos sąlygos katalizatorius-platina ir temperatūra. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 |
|
B) įtrūkimai angliavandenilių terminio skilimo procesas, pagrįstas didelių molekulių anglies grandinės suskaidymo reakcijomis, susidarant junginiams su trumpesne grandine. 450–700 o C temperatūroje nutrūkus C–C ryšiams alkanai suyra (šioje temperatūroje išlieka stipresni C–H ryšiai) ir susidaro alkanai bei alkenai su mažesniu anglies atomų skaičiumi. |
C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8 |
|
C) visiškas terminis skilimas |
CH4C + 2H2 |
|
3. Oksidacijos reakcijos | |
|
A) degimo reakcija Uždegę (t = 600 o C) alkanai reaguoja su deguonimi, o oksiduojasi į anglies dioksidą ir vandenį. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––> CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
B) Katalizinė oksidacija- esant santykinai žemai temperatūrai ir naudojant katalizatorius, nutrūksta tik dalis C–C ryšių, maždaug molekulės viduryje ir C–H, ir naudojamas vertingiems produktams gauti: karboksirūgštys, ketonai, aldehidai, alkoholiai. |
Pavyzdžiui, nevisiškai oksiduojant butaną (nutraukiant C 2-C 3 ryšį), gaunama acto rūgštis. |
|
4. Izomerizacijos reakcijos nebūdinga visiems alkanams. Atkreipiamas dėmesys į galimybę vienus izomerus paversti kitais, katalizatorių buvimą. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. Alkanai, turintys 6 ar daugiau anglies pagrindų taip pat reaguoti dehidrociklizacija, bet visada sudaro 6 narių ciklą (cikloheksanas ir jo dariniai). Reakcijos sąlygomis šis ciklas toliau dehidrogenuojamas ir virsta energetiškai stabilesniu aromatinio angliavandenilio (areno) benzeno ciklu. |
|
Halogeninimo reakcijos mechanizmas:
Halogeninimas
Alkanų halogeninimas vyksta radikaliu mechanizmu. Norint pradėti reakciją, alkano ir halogeno mišinys turi būti apšvitintas UV šviesa arba kaitinamas. Metano chlorinimas nesibaigia metilo chlorido gavimo stadijoje (jei imamas ekvimolinis chloro ir metano kiekis), bet susidaro visi galimi pakaitos produktai – nuo metilo chlorido iki anglies tetrachlorido. Chloruojant kitus alkanus susidaro vandenilio pakeitimo produktų mišinys skirtingi atomai anglies. Chlorinimo produktų santykis priklauso nuo temperatūros. Pirminių, antrinių ir tretinių atomų chlorinimo greitis priklauso nuo temperatūros, žemoje temperatūroje greitis mažėja eilėse: tretinis, antrinis, pirminis. Kylant temperatūrai, greičių skirtumas mažėja, kol tampa toks pat. Be kinetinio faktoriaus, chlorinimo produktų pasiskirstymui įtakos turi ir statistinis veiksnys: chloro atakos tretiniam anglies atomui tikimybė yra 3 kartus mažesnė nei pirminio ir du kartus mažesnė nei antrinio. Taigi alkanų chlorinimas yra nestereoselektyvi reakcija, išskyrus atvejus, kai galimas tik vienas monochlorinimo produktas.
Halogeninimas yra viena iš pakeitimo reakcijų. Alkanų halogeninimas paklūsta Markovniko taisyklei (Markovnikovo taisyklės) – pirmiausia halogeninamas mažiausiai hidrintas anglies atomas. Alkanų halogeninimas vyksta etapais – per vieną etapą halogeninamas ne daugiau kaip vienas vandenilio atomas.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormetanas)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormetanas)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (trichlormetanas)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetrachlormetanas).
Veikiant šviesai, chloro molekulė skyla į atomus, tada jie puola metano molekules, atplėšdami jų vandenilio atomą, dėl ko susidaro metilo radikalai CH 3, kurie susiduria su chloro molekulėmis, jas sunaikindami ir sudarydami naujus radikalus. .
Nitravimas (Konovalovo reakcija)
Alkanai reaguoja su 10% azoto rūgšties arba azoto oksido N 2 O 4 tirpalu dujų fazėje, esant 140 ° temperatūrai ir žemam slėgiui, sudarydami nitro darinius. Reakcija taip pat paklūsta Markovnikovo taisyklei.
RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O
y., vienas iš vandenilio atomų pakeičiamas NO 2 liekana (nitrogrupe) ir išsiskiria vanduo.
Izomerų struktūrinės ypatybės stipriai įtakoja šios reakcijos eigą, nes SI liekanoje vandenilio atomas lengviausiai pakeičiamas nitrogrupe (galima tik kai kuriuose izomeruose), vandenilis yra ne taip lengvai pakeičiamas CH. 2 grupėje ir dar sunkiau – CH 3 liekanoje.
Parafinai gana lengvai nitrinami dujinėje fazėje 150-475°C temperatūroje azoto dioksidu arba azoto rūgšties garais; kartu pasireiškia iš dalies ir. oksidacija. Nitruojant metaną gaunamas beveik vien tik nitrometanas:
Visi turimi duomenys rodo laisvųjų radikalų mechanizmą. Dėl reakcijos susidaro produktų mišiniai. Azoto rūgštis įprastoje temperatūroje beveik neturi įtakos parafininiams angliavandeniliams. Kaitinamas, jis daugiausia veikia kaip oksidatorius. Tačiau, kaip nustatė M. I. Konovalovas (1889), kaitinama azoto rūgštis iš dalies veikia „nitruojančiai“; nitrinimo reakcija su silpna azoto rūgštimi ypač gerai vyksta kaitinant ir esant padidintam slėgiui. Nitrinimo reakcija išreiškiama lygtimi.
Homologai po metano sudaro skirtingų nitroparafinų mišinį dėl lydinčio skilimo. Nitrinus etaną, gaunamas nitroetanas CH 3 -CH 2 -NO 2 ir nitrometanas CH 3 -NO 2. Iš propano susidaro nitropafinų mišinys:
Dabar parafinų nitravimas dujų fazėje vykdomas pramoniniu mastu.
Sulfachlorinimas:
Praktiškai svarbi reakcija yra alkanų sulfochlorinimas. Kai alkanas sąveikauja su chloru ir sieros dioksidu švitinimo metu, vandenilis pakeičiamas chlorosulfonilo grupe:
Šios reakcijos žingsniai yra šie:
Cl+R:H→R+HCl
R + SO 2 → RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Alkansulfonchloridai lengvai hidrolizuojami iki alkansulfoksilatų (RSO 2 OH), kurių natrio druskos (RSO 3 ¯ Na + - natrio alkano sulfonatas) pasižymi panašiomis savybėmis kaip muilai ir yra naudojamos kaip plovikliai.
APIBRĖŽIMAS
Alkanai vadinami sotieji angliavandeniliai, kurių molekulės susideda iš anglies ir vandenilio atomų, tarpusavyje sujungtų tik σ-ryšiais.
Normaliomis sąlygomis (esant 25 o C ir atmosferos slėgiui) pirmieji keturi homologinės alkanų serijos nariai (C 1 - C 4) yra dujos. Įprasti alkanai nuo pentano iki heptadekano (C 5 - C 17) - skysčiai, pradedant nuo C 18 ir daugiau - kietosios medžiagos. Didėjant santykinei molekulinei masei, didėja alkanų virimo ir lydymosi taškai. Kai molekulėje yra tiek pat anglies atomų, šakotieji alkanai turi žemesnę virimo temperatūrą nei įprasti alkanai. Alkanų molekulės struktūra, kaip pavyzdys naudojant metaną, parodyta fig. vienas.
Ryžiai. 1. Metano molekulės sandara.
Alkanai praktiškai netirpsta vandenyje, nes jų molekulės yra mažo poliškumo ir nesąveikauja su vandens molekulėmis. Skysti alkanai lengvai maišosi tarpusavyje. Jie gerai tirpsta nepoliniuose organiniuose tirpikliuose, tokiuose kaip benzenas, anglies tetrachloridas, dietilo eteris ir kt.
Alkanų gavimas
Pagrindiniai įvairių sočiųjų angliavandenilių, turinčių iki 40 anglies atomų, šaltiniai yra nafta ir gamtinės dujos. Alkanus, turinčius nedidelį anglies atomų skaičių (1–10), galima išskirti frakciniu gamtinių dujų arba naftos benzino frakcijos distiliavimu.
Alkanams gauti naudojami pramoniniai (I) ir laboratoriniai (II) metodai.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (kat, t 0).
— nesočiųjų angliavandenilių hidrinimas
CH3-CH \u003d CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
— halogenalkanų mažinimas
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- vienbazių organinių rūgščių druskų šarminės lydymosi reakcijos
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- halogenalkanų sąveika su metaliniu natriu (Wurtz reakcija)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– vienbazių organinių rūgščių druskų elektrolizė
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH-;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Alkanų cheminės savybės
Alkanai yra vieni mažiausiai reaktyvių organinių junginių, tai paaiškinama jų struktūra.
Alkanai normaliomis sąlygomis rūgščioje aplinkoje nereaguoja su koncentruotomis rūgštimis, išlydytais ir koncentruotais šarmais, šarminiais metalais, halogenais (išskyrus fluorą), kalio permanganatu ir kalio dichromatu.
Alkanams būdingiausios reakcijos, vykstančios pagal radikalų mechanizmą. Energetiškai palankesnis homolizinis atotrūkis C-H ryšiai ir C-C nei jų heterolizinis tarpas.
Radikalių pakeitimų reakcijos lengviausiai vyksta tretiniame anglies atome, lengviau antriniame anglies atome ir galiausiai pirminiame anglies atome.
Visos cheminės alkanų transformacijos vyksta skaidant:
1) C-H ryšiai
- halogeninimas (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH3-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrinimas (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (atskiesti) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
– sulfochlorinimas (SR)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– dehidrinimas
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
- dehidrociklizacija
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H ir C-C ryšiai
- izomerizacija (intramolekulinis pertvarkymas)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C (CH3) H-CH3 (kat \u003d AlCl3, t 0).
- oksidacija
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5 n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Alkanų taikymas
Alkanai buvo pritaikyti įvairiose pramonės šakose. Panagrinėkime išsamiau, naudodamiesi kai kurių homologinių serijų atstovų pavyzdžiu, taip pat alkanų mišiniais.
Metanas yra svarbiausių chemijos pramonės procesų žaliava, gaminant anglį ir vandenilį, acetileną, deguonies turinčius organinius junginius – alkoholius, aldehidus, rūgštis. Propanas naudojamas kaip automobilių kuras. Butanas naudojamas butadienui, kuris yra sintetinio kaučiuko gamybos žaliava, gaminti.
Skystų ir kietų alkanų mišinys iki C 25, vadinamas vazelinu, medicinoje naudojamas kaip tepalų pagrindas. Kietųjų alkanų C 18 - C 25 (parafino) mišinys naudojamas įvairioms medžiagoms (popieriui, audiniams, medžiui) impregnuoti, suteikiant joms hidrofobines savybes, t.y. vandens nepralaidumas. Medicinoje jis naudojamas fizioterapinėms procedūroms (gydymui parafinu).
Problemų sprendimo pavyzdžiai
1 PAVYZDYS
| Pratimas | Chloruojant metaną gauta 1,54 g junginio, kurio garų tankis ore yra 5,31. Apskaičiuokite mangano dioksido MnO 2 masę, kurios reikės chlorui gaminti, jei į reakciją įleidžiamo metano ir chloro tūrių santykis yra 1:2. |
| Sprendimas | Tam tikrų dujų masės ir kitų dujų, paimtų tame pačiame tūryje, toje pačioje temperatūroje ir slėgyje, masės santykis vadinamas santykiniu pirmųjų dujų tankiu antrųjų atžvilgiu. Ši vertė parodo, kiek kartų pirmosios dujos yra sunkesnės arba lengvesnės už antrąsias dujas. Santykinė oro molekulinė masė laikoma lygi 29 (atsižvelgiant į azoto, deguonies ir kitų dujų kiekį ore). Reikėtų pažymėti, kad sąvoka „santykinė oro molekulinė masė“ vartojama sąlyginai, nes oras yra dujų mišinys. Raskime dujų, susidariusių chloruojant metaną, molinę masę: M dujos = 29 × D oras (dujos) = 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Tai anglies tetrachloridas - CCl 4 . Rašome reakcijos lygtį ir išdėstome stechiometrinius koeficientus: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Apskaičiuokite anglies tetrachlorido kiekį: n(CCl4) = m(CCl4)/M(CCl4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Pagal reakcijos lygtį n (CCl 4) : n (CH 4) = 1:1, tada n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Tada chloro medžiagos kiekis turi būti lygus n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), t.y. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Rašome chloro gamybos reakcijos lygtį: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Mangano dioksido molių skaičius yra 0,08 molio, nes n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Raskite mangano dioksido masę: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) = Ar (Mn) + 2 × Ar (O) = 55 + 2 × 16 \u003d 87 g / mol; m (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Atsakymas | Mangano dioksido masė yra 10,4 g. |
2 PAVYZDYS
