Алкани сите формули. Структурен изомеризам на алканите. Примери за решавање проблеми
Ацикличните јаглеводороди се нарекуваат алкани. Вкупно има 390 алкани. Nonacontatrictan (C 390 H 782) има најдолга структура. Халогените можат да се прикачат на јаглеродните атоми за да формираат халоалкани.
Структура и номенклатура
По дефиниција, алканите се заситени или заситени јаглеводороди кои имаат линеарна или разгранета структура. Се нарекуваат и парафини. Алканите содржат само единечни ковалентни врскипомеѓу јаглеродните атоми. Општа формула -
За да именувате супстанција, мора да ги следите правилата. Според меѓународната номенклатура, имињата се формираат со наставката -ан. Имињата на првите четири алкани се развиле историски. Почнувајќи од петтиот претставник, имињата се составени од префикс што го означува бројот на јаглеродни атоми и суфиксот -an. На пример, окта (осум) прави октан.
За разгранетите синџири, имињата се собираат:
- од броевите што го означуваат бројот на јаглеродни атоми околу кои стојат радикалите;
- од името на радикалите;
- од името на главниот синџир.
Пример: 4-метилпропан - четвртиот јаглероден атом во синџирот на пропан има радикал (метил).
Ориз. 1. Структурни формули со имиња на алкани.
Секој десетти алкан ги именува следните девет алкани. По декан доаѓаат ундекан, додекан, и така натаму; по еикосан, генеикосан, докосан, трикосан итн.
хомологни серии
Првиот претставник е метанот, затоа алканите се нарекуваат и хомологна серија на метан. Табелата на алкани ги прикажува првите 20 претставници.
|
Име |
Формула |
Име |
Формула |
|
Тридекан |
|||
|
Тетрадекан |
|||
|
Пентадекан |
|||
|
Хексадекан |
|||
|
Хептадекан |
|||
|
Октадекан |
|||
|
Нанадекан |
|||
Почнувајќи од бутан, сите алкани имаат структурни изомери. На името се додава префиксот изо-: изобутан, изопентан, изохексан.
Ориз. 2. Примери на изомери.
Физички својства
Агрегатната состојба на супстанциите се менува во списокот на хомолози од врвот до дното. Колку повеќе јаглеродни атоми се содржани и, соодветно, колку е поголема молекуларната тежина на соединенијата, толку е поголема точката на вриење и потврда е супстанцијата.
Остатокот од супстанциите што содржат повеќе од 15 јаглеродни атоми се во цврста состојба.
Гасните алкани горат со син или безбоен пламен.
Потврда
Алканите, како и другите класи на јаглеводороди, се добиваат од нафта, гас и јаглен. За ова се користат лабораториски и индустриски методи:
- гасификација на цврсто гориво:
C + 2H2 → CH4;
- хидрогенизација на јаглерод моноксид (II):
CO + 3H2 → CH4 + H2O;
- хидролиза на алуминиум карбид:
Al4C3 + 12H2O → 4Al (OH) 3 + 3CH4;
- реакција на алуминиум карбид со силни киселини:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
- редукција на халоалканите (реакција на супституција):
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;
- хидрогенизација на халоалканите:
CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;
- фузија на соли на оцетна киселина со алкалии (реакција на Думас):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Алканите може да се добијат со хидрогенизација на алкени и алкини во присуство на катализатор - платина, никел, паладиум.
Хемиски својства
Алканите реагираат со неоргански материи:
- согорување:
CH4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
- халогенација:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
- нитрација (реакција на Коновалов):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
- врска:
Еден од првите типови на хемиски соединенија проучен во училишна наставна програмаспоред органската хемија се алкани. Тие спаѓаат во групата на заситени (инаку - алифатични) јаглеводороди. Нивните молекули содржат само единечни врски. Атомите на јаглеродот се карактеризираат со sp³ хибридизација.
Хомолози се нарекуваат хемиски супстанциикој има општи својстваи хемиска структура, но се разликуваат за една или повеќе CH2 групи.
Во случај на метан CH4, општата формула за алканите може да се даде: CnH (2n+2), каде што n е бројот на јаглеродни атоми во соединението.
Еве табела на алкани, во која n е во опсег од 1 до 10.
Изомеризам на алканите
Изомери се оние супстанции чија молекуларна формула е иста, но структурата или структурата се различни.
Класата на алкани се карактеризира со 2 вида изомеризам: јаглероден скелет и оптички изомеризам.
Да дадеме пример за структурен изомер (т.е. супстанца што се разликува само во структурата на јаглеродниот скелет) за бутанот C4H10.
Оптичките изомери се нарекуваат такви 2 супстанции, чии молекули имаат слична структура, но не можат да се комбинираат во вселената. Феноменот на оптички или огледален изомеризам се јавува кај алканите, почнувајќи од хептан C7H16.
За да му се даде на алканот точното име, користете ја номенклатурата IUPAC. За да го направите ова, користете ја следнава низа на дејства:
Според горенаведениот план, да се обидеме да му дадеме име на следниот алкан.
Во нормални услови, неразгранетите алкани од CH4 до C4H10 се гасовити материи, од C5H12 до C13H28 тие се течни и имаат специфичен мирис, сите наредни се цврсти. Излегува дека како што се зголемува должината на јаглеродниот синџир, точките на вриење и топење се зголемуваат. Колку е поразгранета структурата на алканот, толку е помала температурата на која тој врие и се топи.
Гасовитите алкани се безбојни. И, исто така, сите претставници на оваа класа не можат да се растворат во вода.
Алканите кои имаат состојба на агрегацијагас, може да изгори, додека пламенот или ќе биде безбоен или ќе има бледо сина нијанса.
Хемиски својства
Во нормални услови, алканите се прилично неактивни. Ова се објаснува со јачината на σ-врските помеѓу атоми C-Cи C-H. Затоа, неопходно е да се обезбедат посебни услови (на пример, прилично висока температура или светлина) за да се спроведе хемиска реакцијастана возможно.
Реакции на замена
Реакциите од овој тип вклучуваат халогенација и нитрација. Халогенацијата (реакција со Cl2 или Br2) се јавува кога се загрева или под влијание на светлината. За време на реакцијата која се одвива последователно, се формираат халоалкани.
На пример, можете да ја напишете реакцијата на хлорирање на етанот.
Бромирањето ќе се одвива на сличен начин.
Нитрацијата е реакција со слаб (10%) раствор на HNO3 или со азотен оксид (IV) NO2. Услови за спроведување на реакциите - температура 140 °C и притисок.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Како резултат на тоа, се формираат два производи - вода и амино киселина.
Реакции на распаѓање
Реакциите на распаѓање секогаш бараат висока температура. Ова е неопходно за да се прекинат врските помеѓу атомите на јаглерод и водород.
Значи, при пукање потребна температура помеѓу 700 и 1000 °C. За време на реакцијата, врските -C-C- се уништуваат, се формираат нов алкан и алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Исклучок е пукањето на метан и етан. Како резултат на овие реакции, се ослободува водород и се формира алкин ацетилен. Предуслов е загревање до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Ако ја надминете температурата од 1000 ° C, можете да постигнете пиролиза со целосно прекинување на врските во соединението:
При пиролиза на пропил, се добива јаглерод С, а се ослободува и водород H2.
Реакции на дехидрогенизација
Дехидрогенизацијата (елиминација на водород) се јавува различно за различни алкани. Условите за реакција се температура во опсег од 400 до 600 ° C, како и присуство на катализатор, кој може да биде никел или платина.
Од соединение со 2 или 3 атоми C во јаглеродниот скелет, се формира алкен:
C2H6 = C2H4 + H2.
Ако во синџирот на молекулата има 4-5 јаглеродни атоми, тогаш по дехидрогенизацијата ќе се добијат алкадиен и водород.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Почнувајќи со хексан, во текот на реакцијата се формира бензен или неговите деривати.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Треба да се спомене и реакцијата на конверзија спроведена за метан на температура од 800 °C и во присуство на никел:
CH4 + H2O = CO + 3H2
За другите алкани, конверзијата е некарактеристична.
Оксидација и согорување
Ако алканот загреан на температура од не повеќе од 200 ° C комуницира со кислород во присуство на катализатор, тогаш добиените производи ќе се разликуваат во зависност од другите услови на реакција: тоа може да бидат претставници на класите на алдехиди, карбоксилни киселини, алкохоли или кетони.
Кога целосна оксидацијаалканот ги согорува крајните производи - вода и CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Ако за време на оксидацијата количината на кислород била недоволна, финалниот производ наместо јаглерод диоксидќе стане јаглен или CO.
Спроведување на изомеризација
Ако се обезбеди температура од околу 100-200 степени, реакцијата на преуредување станува возможна за неразгранети алкани. Вториот задолжителен услов за изомеризација е присуството на катализатор AlCl3. Во овој случај, структурата на молекулите на супстанцијата се менува и се формира нејзиниот изомер.
Значајни учеството на алканите се добива со нивно одвојување од природните суровини. Најчесто се преработува природен гас чија главна компонента е метан или нафтата е подложена на пукање и исправување.
Треба да запомните и за хемиските својства на алкените. Во 10-то одделение, еден од првите лабораториски методи изучувани на часовите по хемија е хидрогенизацијата на незаситените јаглеводороди.
C3H6 + H2 = C3H8
На пример, како резултат на додавање на водород во пропилен, се добива единствен производ - пропан.
Со помош на Вурцовата реакција, алканите се добиваат од монохалоалканите, во структурниот синџир на кој бројот на јаглеродни атоми е двојно зголемен:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Друг начин да се добие е интеракцијата на сол на карбоксилна киселина со алкали кога се загрева:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Покрај тоа, метанот понекогаш се произведува во електричен лак (C + 2H2 = CH4) или со реакција на алуминиум карбид со вода:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Алканите се широко користени во индустријата како гориво со ниска цена. И тие се користат и како суровини за синтеза на други органска материја. За таа цел обично се користи метан, кој е неопходен за и синтеза на гас. Некои други заситени јаглеводороди се користат за добивање на синтетички масти, а исто така и како основа за лубриканти.
За најдобро разбирање на темата „Алкани“, создадена е повеќе од една видео лекција, која детално дискутира за теми како структурата на материјата, изомерите и номенклатурата, а исто така ги прикажува механизмите на хемиските реакции.
Алканите се заситени јаглеводороди, во чии молекули сите јаглеродни атоми се окупирани од атоми на водород преку едноставни врски. Затоа, структурниот изомеризам на алканите е карактеристичен за хомолозите од серијата на метан.
Изомеризам на јаглеродниот скелет
Хомолозите со четири или повеќе јаглеродни атоми се карактеризираат со структурен изомеризам во однос на промените во јаглеродниот скелет. Метил групите -CH 2 можат да се закачат на кој било јаглерод од синџирот, формирајќи нови супстанции. Колку повеќе јаглеродни атоми во синџирот, толку повеќе изомери може да се формираат хомолози. Теоретскиот број на хомологи се пресметува математички.
Ориз. 1. Приближен број на изомери на хомолози на метан.
Покрај метил групите, долгите јаглеродни синџири можат да се прикачат на јаглеродните атоми, формирајќи сложени разгранети супстанции.
Примери за изомеризам на алканите:
- нормален бутан или n-бутан (CH3-CH2-CH2-CH3) и 2-метилпропан (CH3-CH(CH3)-CH3);
- n-пентан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилбутан (CH3-CH2-CH (CH3) -CH3), 2,2-диметилпропан (CH3-C (CH3)2-CH3);
- n-хексан (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-метилпентан (CH3-CH (CH3) -CH2-CH2-CH3), 3-метилпентан ( CH3-CH2-CH (CH3) -CH2-CH3), 2,3-диметилбутан (CH3-CH (CH3) -CH (CH3) -CH3), 2,2-диметилбутан ( CH3-C(CH3) 2-CH2-CH3).
Ориз. 2. Примери на структурни изомери.
Разгранетите изомери се разликуваат од линеарните молекули по нивните физички својства. Разгранетите алкани се топат и вриеат на пониски температури од нивните линеарни колеги.
Номенклатура
Меѓународната номенклатура IUPAC има воспоставено правила за именување на разгранети синџири. За да се именува структурен изомер, треба:
- најдете го најдолгиот синџир и именувајте го;
- нумерирај ги атомите на јаглеродот, почнувајќи од крајот, каде што има најмногу супституенти;
- означете го бројот на идентични супституенти со нумерички префикси;
- замени за имиња.
Името се состои од четири дела, кои одат еден по друг:
- броеви што означуваат атоми на синџир што имаат супституенти;
- нумерички префикси;
- името на замената;
- името на главното коло.
На пример, во молекула CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3, главниот ланец има пет јаглеродни атоми. Значи, тоа е пентан. Десниот крај има повеќе гранки, така што нумерирањето на атомите започнува од тука. Во овој случај, вториот атом има два идентични супституенти, што се рефлектира и во името. Излегува дека оваа супстанца го има името 2,2,4-триметилпентан.
Различни супституенти (метил, етил, пропил) се наведени по азбучен ред во името: 4,4-диметил-3-етилхептан, 3-метил-3-етилоктан.
Вообичаено, се користат нумерички префикси од два до четири: ди- (два), три- (три), тетра- (четири).
Што научивме?
Алканите се карактеризираат со структурен изомеризам. Структурните изомери се заеднички за сите хомолози, почнувајќи од бутанот. Во структурниот изомеризам, супституентите се прикачени на јаглеродните атоми во јаглеродниот синџир, формирајќи сложени разгранети синџири. Името на изомерот се состои од имињата на главниот синџир, супституентите, вербалната ознака на бројот на супституенти, дигиталната ознака на јаглеродните атоми на кои се прикачени супституентите.
Наједноставните органски соединенија се јаглеводородисоставена од јаглерод и водород. Во зависност од природата на хемиските врски во јаглеводородите и односот помеѓу јаглеродот и водородот, тие се делат на заситени и незаситени (алкени, алкини итн.)
ограничувањеЈаглеводороди (алкани, јаглеводороди од метан серијата) се соединенија на јаглерод со водород, во чии молекули секој јаглероден атом троши не повеќе од една валентност на врската со кој било друг соседен атом, и сите валентни не потрошени на врската со јаглерод се заситени со водород. Сите јаглеродни атоми во алканите се во состојба sp 3. Граничните јаглеводороди формираат хомологна серија која се карактеризира со општата формула ОД n Х 2n+2. Предок на оваа серија е метанот.
Изомеризам. Номенклатура.
Алканите со n=1,2,3 можат да постојат само како еден изомер
Почнувајќи од n=4 се јавува феноменот на структурна изомерност.
Бројот на структурни изомери на алканите се зголемува брзо со зголемување на бројот на јаглеродни атоми, на пример, пентанот има 3 изомери, хептанот има 9 итн.
Бројот на алкански изомери исто така се зголемува поради можни стереоизомери. Почнувајќи од C 7 H 16, можно е постоење на хирални молекули, кои формираат два енантиомери.
Номенклатура на алкани.
Доминантна номенклатура е номенклатурата IUPAC. Во исто време, содржи елементи на тривијални имиња. Така, првите четири членови од хомологната серија на алкани имаат тривијални имиња.
CH 4 - метан
C 2 H 6 - етан
C 3 H 8 - пропан
C 4 H 10 - бутан.
Имињата на преостанатите хомолози се изведени од грчки латински броеви. Значи, за следните членови на серија на нормална (неразгранета) структура, се користат имињата:
C 5 H 12 - пентан, C 6 H 14 - хексан, C 7 H 18 - хептан,
C 14 H 30 - тетрадекан, C 15 H 32 - пентадекан, итн.
Основни правила на IUPAC за разгранети алкани
а) изберете го најдолгиот неразгранет ланец, чие име е основа (корен). На ова стебло се додава наставката „ан“.
б) нумерира овој синџир според принципот на најмалку локанти,
в) замената е означена во форма на префикси по азбучен ред, означувајќи ја локацијата. Ако има неколку идентични супституенти во матичната структура, тогаш нивниот број е означен со грчки бројки.
Во зависност од бројот на други јаглеродни атоми со кои е директно поврзан разгледуваниот јаглероден атом, се разликуваат: примарни, секундарни, терциерни и кватернерни јаглеродни атоми.
Како супституенти во разгранетите алкани, се појавуваат алкилни групи или алкилни радикали, кои се сметаат како резултат на елиминација на еден водороден атом од молекулата на алканот.
Името на алкилните групи се формира од името на соодветните алкани со замена на последната наставка „ан“ со наставката „ил“.
CH 3 - метил
CH 3 CH 2 - етил
CH 3 CH 2 CH 2 - пропил
За името на разгранетите алкилни групи, се користи и нумерирање на синџири:
Почнувајќи од етанот, алканите се способни да формираат конформери, кои одговараат на попречената конформација. Можноста за премин од една во друга попречена конформација преку затемнетата конформација се одредува со бариерата на ротација. Утврдувањето на структурата, составот на конформаторите и бариерите за ротација се задачи на конформациската анализа. Методи за добивање алкани.
1. Фракциона дестилација природен гасили бензинска фракција на нафта.На овој начин може да се изолираат поединечни алкани до 11 јаглеродни атоми.
2. Хидрогенизација на јаглен.Процесот се изведува во присуство на катализатори (оксиди и сулфиди на молибден, волфрам, никел) на 450-470 околу C и притисоци до 30 MPa. Јагленот и катализаторот се мелат во прав и се хидрогенизираат во суспензија со клокотот на водородот низ суспензијата. Добиените мешавини на алкани и циклоалкани се користат како моторни горива.
3. Хидрогенизација на CO и CO 2 .
CO + H 2 алкани
CO 2 + H 2 алкани
Како катализатори за овие реакции се користат Co, Fe и др.. г - елементи.
4.Хидрогенизација на алкени и алкини.
5.органометална синтеза.
а). Вурц синтеза.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Оваа синтеза е од мала корист ако два различни халоалкани се користат како органски реагенси.
б). Протолиза на Grignard реагенси.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
во). Интеракција на литиум диалкилкупрати (LiR 2 Cu) со алкил халиди
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Самите литиум диалкилкупрати се добиваат во двостепена метода
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Електролиза на соли на карбоксилни киселини (Синтеза на Колбе).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Спојување на соли на карбоксилни киселини со алкалии.
Реакцијата се користи за синтеза на пониски алкани.
8.Хидрогенолиза на карбонилни соединенија и халоалкани.
а). карбонилни соединенија. Синтеза на Клеменс.
б). Халогеналкани. каталитичка хидрогенолиза.
Ni, Pt, Pd се користат како катализатори.
в) Халогеналкани. Реактивно закрепнување.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Хемиски својства на алканите.
Сите врски во алканите се со низок поларитет, па затоа се карактеризираат со радикални реакции. Отсуството на пи врски ги прави невозможни реакциите на собирање. Алканите се карактеризираат со реакции на супституција, елиминација и согорување.
|
Вид и име на реакцијата | |
|
1. Реакции на замена | |
|
А) со халогени(Со хлорCl 2 – во светлината, Бр 2 - кога се загрева) реакцијата се покорува Правилата на Марковник (правилата на Марковников) - пред сè, халогенот го заменува водородот во најмалку хидрогенизираниот јаглероден атом. Реакцијата се одвива во фази - не повеќе од еден водороден атом се заменува во една фаза. Јодот реагира најтешко, а згора на тоа, реакцијата не оди до крај, бидејќи, на пример, кога метанот реагира со јод, се формира водород јодид, кој реагира со метил јодид за да формира метан и јод (реверзибилна реакција): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорометан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорометан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорометан). |
|
Б) Нитрација (реакција на Коновалов) Алканите реагираат со 10% раствор на азотна киселина или азотен оксид N 2 O 4 во гасната фаза на температура од 140 ° и низок притисок за да формираат нитро деривати. Реакцијата го почитува и правилото на Марковников. Еден од атомите на водород се заменува со остаток на NO 2 (нитро група) и се ослободува вода |
|
|
2. Реакции на елиминација | |
|
А) дехидрогенизација- отстранување на водород. Услови на реакција катализатор-платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 |
|
Б) пукањепроцесот на термичко распаѓање на јаглеводороди, кој се заснова на реакциите на разделување на јаглеродниот синџир на големи молекули со формирање на соединенија со пократок синџир. На температура од 450–700 o C, алканите се распаѓаат поради раскинувањето на врските C–C (на оваа температура се задржуваат посилни C–H врски) и се формираат алкани и алкени со помал број јаглеродни атоми. |
В 6 Х 14 В 2 Х 6 + В 4 Х 8 |
|
В) целосно термичко распаѓање |
CH 4 C + 2H 2 |
|
3. Реакции на оксидација | |
|
А) реакција на согорувањеКога ќе се запалат (t = 600 o C), алканите реагираат со кислород, додека тие се оксидираат до јаглерод диоксид и вода. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––> CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитичка оксидација- на релативно ниска температура и со употреба на катализатори, тоа е придружено со раскинување на само дел од C–C врските, приближно во средината на молекулата и C–H, и се користи за добивање вредни производи: карбоксилни киселини, кетони, алдехиди, алкохоли. |
На пример, со нецелосна оксидација на бутанот (кршење на врската C 2 - C 3), се добива оцетна киселина |
|
4. Реакции на изомеризација не е типично за сите алкани. Се привлекува внимание на можноста за претворање на некои изомери во други, присуството на катализатори. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. Алкани со 6 или повеќе јаглеродни столбови исто така реагираат дехидроциклизација, но секогаш формираат 6-член циклус (циклохексан и неговите деривати). Во услови на реакција, овој циклус се подложува на дополнителна дехидрогенизација и се претвора во енергетски постабилен бензен циклус на ароматичен јаглеводород (арен). |
|
Механизам на реакција на халогенација:
Халогенација
Халогенацијата на алканите се одвива со радикален механизам. За да се започне реакцијата, мешавината од алкан и халоген мора да се озрачи со УВ светлина или да се загрее. Хлорирањето на метанот не запира во фазата на добивање на метил хлорид (ако се земаат еквимоларни количества хлор и метан), туку доведува до формирање на сите можни супституциски производи, од метил хлорид до јаглерод тетрахлорид. Хлорирањето на другите алкани доведува до мешавина на производи за замена на водород кај различни атомијаглерод. Односот на производите за хлорирање зависи од температурата. Стапката на хлорирање на примарните, секундарните и терциерните атоми зависи од температурата, при ниски температури, стапката се намалува во сериите: терциерни, секундарни, примарни. Како што се зголемува температурата, разликата помеѓу брзините се намалува додека не стане иста. Покрај кинетичкиот фактор, распределбата на производите за хлорирање е под влијание на статистички фактор: веројатноста за напад на хлор врз терциерен јаглероден атом е 3 пати помала од примарниот и два пати помала од секундарниот. Така, хлорирањето на алканите е нестереоселективна реакција, освен во случаи кога е можен само еден производ за монохлорирање.
Халогенацијата е една од реакциите на супституција. Халогенирањето на алканите се покорува на правилото Марковник (Правила на Марковников) - најмал хидрогенизираниот јаглероден атом прво се халогенира. Халогенирањето на алканите се одвива во фази - не повеќе од еден водороден атом се халогенира во една фаза.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорометан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорометан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорометан).
Под дејство на светлината, молекулата на хлор се распаѓа на атоми, потоа тие ги напаѓаат молекулите на метан, откинувајќи го нивниот атом на водород, како резултат на што се формираат метил радикали CH 3, кои се судираат со молекулите на хлор, уништувајќи ги и формирајќи нови радикали .
Нитрација (реакција на Коновалов)
Алканите реагираат со 10% раствор на азотна киселина или азотен оксид N 2 O 4 во гасната фаза на температура од 140 ° и низок притисок за да формираат нитро деривати. Реакцијата го почитува и правилото на Марковников.
RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O
т.е., еден од атомите на водород се заменува со остаток NO 2 (нитро група) и се ослободува вода.
Структурните карактеристики на изомерите силно влијаат на текот на оваа реакција, бидејќи најлесно води до замена на нитрогрупа за атом на водород во остатокот SI (достапен само во некои изомери), водородот е помалку лесно заменет во CH 2 група и уште потешко - во CH 3 остаток.
Парафините прилично лесно се нитрираат во гасната фаза на 150-475°C со азот диоксид или пареа на азотна киселина; во исто време се јавува делумно и. оксидација. Нитрацијата на метанот произведува речиси исклучиво нитрометан:
Сите достапни податоци укажуваат на механизам за слободни радикали. Како резултат на реакцијата, се формираат мешавини на производи. Азотна киселина на обична температура речиси и да нема ефект врз парафинските јаглеводороди. Кога се загрева, делува главно како оксидирачки агенс. Меѓутоа, како што откри М. И. Коновалов (1889), кога се загрева, азотната киселина делува делумно на „нитрирачки“ начин; реакцијата на нитрација со слаба азотна киселина се одвива особено добро кога се загрева и при висок притисок. Реакцијата на нитрација се изразува со равенката.
Хомолозите по метанот даваат мешавина од различни нитропарафини поради придружното расцепување. Кога етанот се нитрира, се добиваат нитроетан CH 3 -CH 2 -NO 2 и нитрометан CH 3 -NO 2. Од пропан, се формира мешавина од нитропарафини:
Нитрацијата на парафините во гасната фаза сега се врши на индустриско ниво.
Сулфахлорирање:
Практично важна реакција е сулфохлорирањето на алканите. Кога алканот е во интеракција со хлор и сулфур диоксид за време на зрачење, водородот се заменува со хлоросулфонил група:
Чекорите за оваа реакција се:
Cl+R:H→R+HCl
R + SO 2 → RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Алкансулфонските хлориди лесно се хидролизираат до алкансулфоксилати (RSO 2 OH), чии натриумови соли (RSO 3 ¯ Na + - натриум алкан сулфонат) покажуваат својства слични на сапуните и се користат како детергенти.
ДЕФИНИЦИЈА
Алканитесе нарекуваат заситени јаглеводороди, чии молекули се состојат од атоми на јаглерод и водород, поврзани едни со други само со σ-врски.
Во нормални услови (на 25 o C и атмосферски притисок), првите четири членови од хомологната серија на алкани (C 1 - C 4) се гасови. Нормални алкани од пентан до хептадекан (C 5 - C 17) - течности, почнувајќи од C 18 и погоре - цврсти материи. Како што се зголемува релативната молекуларна тежина, точките на вриење и топење на алканите се зголемуваат. Со ист број на јаглеродни атоми во молекулата, разгранетите алкани имаат пониски точки на вриење од нормалните алкани. Структурата на молекулата на алканите користејќи метан како пример е прикажана на сл. еден.
Ориз. 1. Структурата на молекулата на метанот.
Алканите се практично нерастворливи во вода, бидејќи нивните молекули се со низок поларитет и не комуницираат со молекулите на водата. Течните алкани лесно се мешаат едни со други. Тие добро се раствораат во неполарни органски растворувачи како што се бензен, јаглерод тетрахлорид, диетил етер итн.
Добивање на алкани
Главните извори на различни заситени јаглеводороди кои содржат до 40 јаглеродни атоми се нафтата и природниот гас. Алканите со мал број јаглеродни атоми (1 - 10) може да се изолираат со фракциона дестилација на природен гас или бензинска фракција на нафта.
Постојат индустриски (I) и лабораториски (II) методи за добивање на алкани.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t0);
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).
- хидрогенизација на незаситени јаглеводороди
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni, t 0);
— обновување на халоалканите
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- алкални реакции на топење на соли на монобазни органски киселини
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t0);
- интеракција на халоалканите со метален натриум (Вурцова реакција)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– електролиза на соли на монобазни органски киселини
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.
Хемиски својства на алканите
Алканите се меѓу најмалку реактивните органски соединенија, што се објаснува со нивната структура.
Алканите во нормални услови не реагираат со концентрирани киселини, стопени и концентрирани алкалии, алкални метали, халогени (освен флуор), калиум перманганат и калиум дихромат во кисела средина.
За алканите, реакциите што се одвиваат според радикалниот механизам се најкарактеристични. Енергетски поповолен хомолитичен јаз C-H врскии C-C од нивниот хетеролитички јаз.
Реакциите на радикална супституција најлесно се одвиваат кај терциерниот јаглероден атом, полесно кај секундарниот јаглероден атом и на крај кај примарниот јаглероден атом.
Сите хемиски трансформации на алканите продолжуваат со разделување:
1) C-H врски
- халогенација (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).
- нитрација (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (разреден) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
- сулфохлорирање (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- дехидрогенизација
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
- дехидроциклизација
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H и C-C врски
- изомеризација (интрамолекуларно преуредување)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- оксидација
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).
Примена на алкани
Алканите нашле примена во различни индустрии. Да разгледаме подетално, користејќи го примерот на некои претставници на хомологната серија, како и мешавините на алкани.
Метанот е суровина основа на најважните хемиски индустриски процеси за производство на јаглерод и водород, ацетилен, органски соединенија што содржат кислород - алкохоли, алдехиди, киселини. Пропанот се користи како автомобилско гориво. Бутанот се користи за производство на бутадиен, кој е суровина за производство на синтетичка гума.
Мешавина од течни и цврсти алкани до C 25, наречена вазелин, се користи во медицината како основа за мази. Мешавина од цврсти алкани C 18 - C 25 (парафин) се користи за импрегнирање на различни материјали (хартија, ткаенини, дрво) за да им се дадат хидрофобни својства, т.е. водонепропустливост. Во медицината се користи за физиотерапевтски процедури (парафински третман).
Примери за решавање проблеми
ПРИМЕР 1
| Вежбајте | При хлорирање на метан, добиени се 1,54 g од соединението, чија густина на пареа во воздухот е 5,31. Пресметајте ја масата на манган диоксид MnO 2 што ќе биде потребна за производство на хлор ако односот на волумените на метан и хлор внесени во реакцијата е 1:2. |
| Решение | Односот на масата на даден гас со масата на друг гас земен во ист волумен, при иста температура и ист притисок, се нарекува релативна густина на првиот гас во однос на вториот. Оваа вредност покажува колку пати првиот гас е потежок или полесен од вториот гас. Релативната молекуларна тежина на воздухот се зема еднаква на 29 (земајќи ја предвид содржината на азот, кислород и други гасови во воздухот). Треба да се напомене дека концептот на „релативна молекуларна тежина на воздухот“ се користи условно, бидејќи воздухот е мешавина од гасови. Ајде да ја најдеме моларната маса на гасот формиран за време на хлорирањето на метанот: М гас \u003d 29 × D воздух (гас) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Ова е јаглерод тетрахлорид - CCl 4 . Ја пишуваме равенката на реакцијата и ги распоредуваме стехиометриските коефициенти: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Пресметајте ја количината на јаглерод тетрахлорид: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Според равенката на реакција n (CCl 4) : n (CH 4) = 1: 1, тогаш n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Потоа, количината на хлорната супстанција треба да биде еднаква на n(Cl 2) = 2 × 4 n (CH 4), т.е. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Ја пишуваме равенката за реакција за производство на хлор: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Бројот на молови на манган диоксид е 0,08 молови, бидејќи n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Најдете ја масата на манган диоксид: 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 g / mol; m (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Одговори | Масата на манган диоксид е 10,4 g. |
ПРИМЕР 2
