Alkany wszystkie wzory. Izomeria strukturalna alkanów. Przykłady rozwiązywania problemów
Węglowodory acykliczne nazywane są alkanami. W sumie jest 390 alkanów. Najdłuższą strukturę ma nonakontatrytan (C 390 H 782). Halogeny mogą przyłączać się do atomów węgla, tworząc haloalkany.
Struktura i nazewnictwo
Z definicji alkany to nasycone lub nasycone węglowodory o strukturze liniowej lub rozgałęzionej. Zwane także parafinami. Alkany zawierają tylko pojedyncze wiązania kowalencyjne pomiędzy atomami węgla. Ogólna formuła -
Aby nazwać substancję, musisz przestrzegać zasad. Zgodnie z nomenklaturą międzynarodową nazwy tworzy się za pomocą przyrostka -an. Nazwy pierwszych czterech alkanów ewoluowały historycznie. Począwszy od piątego przedstawiciela, nazwy składają się z przedrostka wskazującego liczbę atomów węgla i przyrostka -an. Na przykład okta (osiem) tworzy oktan.
W przypadku łańcuchów rozgałęzionych nazwy sumują się:
- z liczb wskazujących liczbę atomów węgla, wokół których stoją rodniki;
- od imienia radykałów;
- od nazwy głównego łańcucha.
Przykład: 4-metylopropan – czwarty atom węgla w łańcuchu propanu ma rodnik (metylowy).
Ryż. 1. Wzory strukturalne z nazwami alkanów.
Co dziesiąty alkan wymienia kolejnych dziewięć alkanów. Po dekanie następuje undekan, dodekan i tak dalej; po eikozanie, geneikosanie, dokozanie, trikozanie itp.
szereg homologiczny
Pierwszym przedstawicielem jest metan, dlatego alkany nazywane są również serią homologiczną metanu. Tabela alkanów pokazuje pierwszych 20 przedstawicieli.
|
Nazwa |
Formuła |
Nazwa |
Formuła |
|
Tridekan |
|||
|
Tetradekan |
|||
|
Pentadekan |
|||
|
Heksadekan |
|||
|
Heptadekan |
|||
|
Oktadekan |
|||
|
Nanadekan |
|||
Począwszy od butanu, wszystkie alkany mają izomery strukturalne. Do nazwy dodaje się przedrostek iso-: izobutan, izopentan, izoheksan.
Ryż. 2. Przykłady izomerów.
Właściwości fizyczne
Łączny stan substancji zmienia się na liście homologów od góry do dołu. Im więcej atomów węgla zawiera i odpowiednio, im większa masa cząsteczkowa związków, tym wyższa temperatura wrzenia i tym twardsza substancja.
Pozostałe substancje zawierające więcej niż 15 atomów węgla są w stanie stałym.
Gazowe alkany palą się niebieskim lub bezbarwnym płomieniem.
Paragon
Alkany, podobnie jak inne klasy węglowodorów, otrzymuje się z ropy naftowej, gazu i węgla. W tym celu stosuje się metody laboratoryjne i przemysłowe:
- zgazowanie paliw stałych:
C + 2H2 → CH4;
- uwodornienie tlenku węgla (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2O;
- hydroliza węglika glinu:
Al 4C 3 + 12H 2O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4;
- reakcja węglika glinu z mocnymi kwasami:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;
- redukcja haloalkanów (reakcja podstawienia):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
- uwodornienie haloalkanów:
CH3Cl + H2 → CH4 + HCl;
- fuzja soli kwasu octowego z zasadami (reakcja Dumasa):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Alkany można otrzymać przez uwodornienie alkenów i alkinów w obecności katalizatora - platyny, niklu, palladu.
Właściwości chemiczne
Alkany reagują z substancjami nieorganicznymi:
- spalanie:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
- halogenowanie:
CH 4 + Cl 2 → CH 3Cl + HCl;
- nitrowanie (reakcja Konovalova):
CH 4 + HNO 3 → CH 3NO 2 + H 2 O;
- połączenie:
Jeden z pierwszych rodzajów związków chemicznych badany w program nauczania według chemii organicznej są alkany. Należą do grupy węglowodorów nasyconych (inaczej - alifatycznych). Ich cząsteczki zawierają tylko wiązania pojedyncze. Atomy węgla charakteryzują się hybrydyzacją sp3.
Nazywa się homologi substancje chemiczne kto ma właściwości ogólne i strukturę chemiczną, ale różniące się jedną lub większą liczbą grup CH2.
W przypadku metanu CH4 można podać wzór ogólny na alkany: CnH (2n+2), gdzie n jest liczbą atomów węgla w związku.
Oto tabela alkanów, w której n mieści się w zakresie od 1 do 10.
Izomeria alkanów
Izomery to substancje, których wzór cząsteczkowy jest taki sam, ale struktura lub struktura jest inna.
Klasę alkanów charakteryzują 2 rodzaje izomerii: szkielet węglowy i izomeria optyczna.
Podajmy przykład izomeru strukturalnego (czyli substancji różniącej się jedynie budową szkieletu węglowego) dla butanu C4H10.
Izomery optyczne nazywane są takimi 2 substancjami, których cząsteczki mają podobną strukturę, ale nie można ich łączyć w przestrzeni. Zjawisko izomerii optycznej lub lustrzanej występuje w alkanach, począwszy od heptanu C7H16.
Aby nadać alkanowi poprawną nazwę, użyj nomenklatury IUPAC. Aby to zrobić, użyj następującej sekwencji działań:
Zgodnie z powyższym planem spróbujmy nadać nazwę kolejnemu alkanowi.
W normalnych warunkach nierozgałęzione alkany od CH4 do C4H10 są substancjami gazowymi, od C5H12 do C13H28 są cieczami i mają specyficzny zapach, wszystkie kolejne są ciałami stałymi. Okazało się, że wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego wzrastają temperatury wrzenia i topnienia. Im bardziej rozgałęziona struktura alkanu, tym niższa temperatura wrzenia i topienia.
Alkany gazowe są bezbarwne. A także wszystkich przedstawicieli tej klasy nie można rozpuścić w wodzie.
Alkany, które mają stan skupienia gaz, może się zapalić, podczas gdy płomień będzie albo bezbarwny, albo będzie miał bladoniebieski odcień.
Właściwości chemiczne
W normalnych warunkach alkany są raczej nieaktywne. Wyjaśnia to siła wiązań σ pomiędzy atomy C-C i CH. Dlatego konieczne jest zapewnienie specjalnych warunków (na przykład dość wysokiej temperatury lub światła), aby móc przewodzić Reakcja chemiczna stało się możliwe.
Reakcje podstawienia
Reakcje tego typu obejmują halogenowanie i nitrowanie. Halogenowanie (reakcja z Cl2 lub Br2) zachodzi pod wpływem ogrzewania lub pod wpływem światła. W trakcie reakcji przebiegającej sekwencyjnie powstają haloalkany.
Można na przykład napisać reakcję chlorowania etanu.
Bromowanie przebiega w podobny sposób.
Nitrowanie to reakcja ze słabym (10%) roztworem HNO3 lub z tlenkiem azotu (IV) NO2. Warunki prowadzenia reakcji - temperatura 140°C i ciśnienie.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
W rezultacie powstają dwa produkty - woda i aminokwas.
Reakcje rozkładu
Reakcje rozkładu zawsze wymagają wysokiej temperatury. Jest to konieczne do rozerwania wiązań między atomami węgla i wodoru.
Tak więc podczas pękania wymagana temperatura od 700 do 1000°C. Podczas reakcji wiązania -C-C- ulegają zniszczeniu, powstaje nowy alkan i alken:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Wyjątkiem jest kraking metanu i etanu. W wyniku tych reakcji wydziela się wodór i powstaje alkinoacetylen. Warunkiem jest podgrzanie do 1500°C.
C2H4 = C2H2 + H2
Jeśli przekroczysz temperaturę 1000°C, można osiągnąć pirolizę z całkowitym zerwaniem wiązań w związku:
Podczas pirolizy propylu otrzymano węgiel C, a także uwolnił się wodór H2.
Reakcje odwodornienia
Odwodornienie (eliminacja wodoru) przebiega inaczej dla różnych alkanów. Warunki reakcji to temperatura w zakresie od 400 do 600°C, a także obecność katalizatora, którym może być nikiel lub platyna.
Ze związku zawierającego 2 lub 3 atomy C w szkielecie węglowym powstaje alken:
C2H6 = C2H4 + H2.
Jeżeli w łańcuchu cząsteczki znajduje się 4-5 atomów węgla, to po odwodornieniu otrzyma się alkadien i wodór.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Wychodząc z heksanu, podczas reakcji tworzy się benzen lub jego pochodne.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Należy jeszcze wspomnieć o reakcji konwersji metanu prowadzonej w temperaturze 800°C i w obecności niklu:
CH4 + H2O = CO + 3H2
W przypadku innych alkanów konwersja jest nietypowa.
Utlenianie i spalanie
Jeśli alkan ogrzany do temperatury nie wyższej niż 200 ° C oddziałuje z tlenem w obecności katalizatora, wówczas otrzymane produkty będą się różnić w zależności od innych warunków reakcji: mogą to być przedstawiciele klas aldehydów, kwasów karboksylowych, alkoholi lub ketony.
Gdy całkowite utlenianie Alkan spala się do produktów końcowych – wody i CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Jeśli podczas utleniania ilość tlenu była niewystarczająca, produkt końcowy zamiast dwutlenek węgla stanie się węglem lub CO.
Przeprowadzenie izomeryzacji
Jeśli zapewniona zostanie temperatura około 100-200 stopni, możliwa staje się reakcja przegrupowania nierozgałęzionych alkanów. Drugim obowiązkowym warunkiem izomeryzacji jest obecność katalizatora AlCl3. W tym przypadku zmienia się struktura cząsteczek substancji i powstaje jej izomer.
Istotne część alkanów uzyskuje się poprzez wydzielenie ich z surowców naturalnych. Najczęściej przetwarza się gaz ziemny, którego głównym składnikiem jest metan lub ropa naftowa poddawana jest krakingowi i rektyfikacji.
Należy także pamiętać o właściwościach chemicznych alkenów. W klasie 10 jedną z pierwszych metod laboratoryjnych poznanych na lekcjach chemii jest uwodornienie węglowodorów nienasyconych.
C3H6 + H2 = C3H8
Przykładowo w wyniku dodania wodoru do propylenu otrzymuje się pojedynczy produkt – propan.
Stosując reakcję Wurtza, alkany otrzymuje się z monohaloalkanów, w których łańcuchu strukturalnym liczba atomów węgla jest podwojona:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Innym sposobem uzyskania jest oddziaływanie soli kwasu karboksylowego z zasadą po podgrzaniu:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Ponadto metan czasami wytwarza się w łuku elektrycznym (C + 2H2 = CH4) lub w wyniku reakcji węglika glinu z wodą:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Alkany są szeroko stosowane w przemyśle jako tanie paliwo. Są one również wykorzystywane jako surowce do syntezy innych materia organiczna. W tym celu zwykle wykorzystuje się metan, niezbędny do produkcji gazu syntezowego. Niektóre inne węglowodory nasycone wykorzystywane są do otrzymywania tłuszczów syntetycznych, a także jako baza do smarów.
Dla jak najlepszego zrozumienia tematu „Alkany” stworzono niejeden film instruktażowy, w którym szczegółowo omawiane są takie tematy jak budowa materii, izomery i nazewnictwo, a także ukazane są mechanizmy reakcji chemicznych.
Alkany to węglowodory nasycone, w których cząsteczkach wszystkie atomy węgla są zajęte przez atomy wodoru poprzez proste wiązania. Dlatego izomeria strukturalna alkanów jest charakterystyczna dla homologów serii metanu.
Izomeria szkieletu węglowego
Homologie posiadające cztery lub więcej atomów węgla charakteryzują się izomerią strukturalną pod względem zmian w szkielecie węglowym. Grupy metylowe -CH2 mogą przyłączać się do dowolnego węgla w łańcuchu, tworząc nowe substancje. Im więcej atomów węgla w łańcuchu, tym więcej może powstać homologów izomerów. Teoretyczną liczbę homologów oblicza się matematycznie.
Ryż. 1. Przybliżona liczba izomerów homologów metanu.
Oprócz grup metylowych długie łańcuchy węglowe mogą być przyłączone do atomów węgla, tworząc złożone substancje rozgałęzione.
Przykłady izomerii alkanów:
- normalny butan lub n-butan (CH 3-CH 2-CH 2-CH 3) i 2-metylopropan (CH 3-CH(CH 3) -CH 3);
- n-pentan (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-metylobutan (CH 3 -CH 2 -CH (CH 3) -CH 3), 2,2-dimetylopropan (CH 3 -C (CH3)2-CH3);
- n-heksan (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3), 2-metylopentan (CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 2 -CH 3), 3-metylopentan ( CH 3 -CH 2 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3), 2,3-dimetylobutan (CH 3 -CH (CH 3) -CH (CH 3) -CH 3), 2,2-dimetylobutan ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Ryż. 2. Przykłady izomerów strukturalnych.
Izomery rozgałęzione różnią się od cząsteczek liniowych właściwościami fizycznymi. Rozgałęzione alkany topią się i wrzą w niższych temperaturach niż ich liniowe odpowiedniki.
Nomenklatura
Międzynarodowa nomenklatura IUPAC ustaliła zasady nazewnictwa łańcuchów rozgałęzionych. Aby nazwać izomer strukturalny, należy:
- znajdź najdłuższy łańcuch i nazwij go;
- ponumeruj atomy węgla, zaczynając od końca, gdzie jest najwięcej podstawników;
- wskazać liczbę identycznych podstawników za pomocą przedrostków numerycznych;
- zamienniki nazw.
Nazwa składa się z czterech części, następujących po sobie:
- liczby oznaczające atomy łańcucha, które mają podstawniki;
- przedrostki numeryczne;
- nazwa zastępcy;
- nazwa obwodu głównego.
Na przykład w cząsteczce CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 główny łańcuch ma pięć atomów węgla. Więc to jest pentan. Prawy koniec ma więcej rozgałęzień, więc numeracja atomów zaczyna się od tego miejsca. W tym przypadku drugi atom ma dwa identyczne podstawniki, co również znajduje odzwierciedlenie w nazwie. Okazuje się, że substancja ta ma nazwę 2,2,4-trimetylopentan.
W nazwie wymienione są w kolejności alfabetycznej różne podstawniki (metyl, etyl, propyl): 4,4-dimetylo-3-etyloheptan, 3-metylo-3-etyloktan.
Zwykle stosuje się przedrostki numeryczne od dwóch do czterech: di- (dwa), tri- (trzy), tetra- (cztery).
Czego się nauczyliśmy?
Alkany charakteryzują się izomerią strukturalną. Izomery strukturalne są wspólne dla wszystkich homologów, począwszy od butanu. W izomerii strukturalnej podstawniki są przyłączone do atomów węgla w łańcuchu węglowym, tworząc złożone łańcuchy rozgałęzione. Nazwa izomeru składa się z nazw głównego łańcucha, podstawników, słownego oznaczenia liczby podstawników, cyfrowego oznaczenia atomów węgla, do których przyłączone są podstawniki.
Najprostsze związki organiczne to węglowodory złożony z węgla i wodoru. W zależności od charakteru wiązań chemicznych w węglowodorach oraz stosunku węgla do wodoru dzielimy je na nasycone i nienasycone (alkeny, alkiny itp.)
ograniczające Węglowodory (alkany, węglowodory z szeregu metanu) to związki węgla z wodorem, w cząsteczkach których każdy atom węgla ma nie więcej niż jedną wartościowość na połączeniu z jakimkolwiek innym sąsiednim atomem, a wszystkie wartościowości nie są wydawane na połączenie z węglem są nasycone wodorem. Wszystkie atomy węgla w alkanach są w stanie sp3. Węglowodory graniczne tworzą serię homologiczną charakteryzującą się wzorem ogólnym Z N H 2n+2. Przodkiem tej serii jest metan.
Izomeria. Nomenklatura.
Alkany o n=1,2,3 mogą istnieć tylko jako jeden izomer
Począwszy od n=4 pojawia się zjawisko izomerii strukturalnej.
Liczba izomerów strukturalnych alkanów szybko wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomów węgla, na przykład pentan ma 3 izomery, heptan ma 9 itd.
Liczba izomerów alkanów również wzrasta ze względu na możliwe stereoizomery. Począwszy od C 7 H 16 możliwe jest istnienie cząsteczek chiralnych, które tworzą dwa enancjomery.
Nazewnictwo alkanów.
Dominującą nomenklaturą jest nomenklatura IUPAC. Jednocześnie zawiera elementy o banalnych nazwach. Zatem pierwszych czterech członków homologicznej serii alkanów ma trywialne nazwy.
CH 4 - metan
C2H6 - etan
C3H8 - propan
C 4 H 10 - butan.
Nazwy pozostałych homologów pochodzą od greckich cyfr łacińskich. Zatem dla następujących członków szeregu normalnej (nierozgałęzionej) struktury stosuje się nazwy:
C 5 H 12 - pentan, C 6 H 14 - heksan, C 7 H 18 - heptan,
C 14 H 30 - tetradekan, C 15 H 32 - pentadekan itp.
Podstawowe zasady IUPAC dla rozgałęzionych alkanów
a) wybierz najdłuższy nierozgałęziony łańcuch, którego nazwa jest podstawą (korzeń). Do tego rdzenia dodawany jest przyrostek „an”.
b) ponumerować ten łańcuch zgodnie z zasadą najmniejszych lokantów,
c) zamiennik jest oznaczony w formie przedrostków w kolejności alfabetycznej, wskazujących lokalizację. Jeżeli w strukturze macierzystej znajduje się kilka identycznych podstawników, wówczas ich liczba jest oznaczona cyframi greckimi.
W zależności od liczby innych atomów węgla, z którymi dany atom węgla jest bezpośrednio związany, wyróżnia się: pierwszorzędowe, drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe atomy węgla.
Jako podstawniki w rozgałęzionych alkanach pojawiają się grupy alkilowe lub rodniki alkilowe, które uważa się za wynik eliminacji jednego atomu wodoru z cząsteczki alkanu.
Nazwy grup alkilowych powstają z nazw odpowiednich alkanów poprzez zastąpienie ostatniego przyrostka „an” przyrostkiem „il”.
CH3 - metyl
CH3CH2 - etyl
CH 3 CH 2 CH 2 - propyl
W przypadku nazw rozgałęzionych grup alkilowych stosuje się również numerację łańcuchów:
Wychodząc z etanu, alkany mogą tworzyć konformery, które odpowiadają konformacji z przeszkodą. Możliwość przejścia od jednej konformacji z zawadą do drugiej poprzez konformację zaćmioną jest określona przez barierę rotacji. Określenie struktury, składu konformerów i barier dla rotacji to zadania analizy konformacyjnej. Metody otrzymywania alkanów.
1. Destylacja frakcyjna gazu ziemnego lub frakcja benzynowa oleju. W ten sposób można wyodrębnić pojedyncze alkany zawierające do 11 atomów węgla.
2. Uwodornienie węgla. Proces prowadzi się w obecności katalizatorów (tlenków i siarczków molibdenu, wolframu, niklu) w temperaturze 450-470°C i pod ciśnieniem do 30 MPa. Węgiel i katalizator miele się na proszek i uwodornia w zawiesinie poprzez barbotowanie wodoru przez zawiesinę. Powstałe mieszaniny alkanów i cykloalkanów wykorzystuje się jako paliwa silnikowe.
3. Uwodornienie CO i CO 2 .
CO + H 2 alkany
CO 2 + H 2 alkany
Jako katalizatory tych reakcji stosuje się Co, Fe itp. d - pierwiastki.
4.Uwodornianie alkenów i alkinów.
5.synteza metaloorganiczna.
A). Synteza Wurtza.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Synteza ta jest mało przydatna, jeśli jako odczynniki organiczne stosuje się dwa różne haloalkany.
B). Protoliza odczynników Grignarda.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
V). Oddziaływanie dialkilomiedzianów litu (LiR 2 Cu) z halogenkami alkilu
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Same dialkilomiedziany litu otrzymywane są metodą dwuetapową
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Elektroliza soli kwasów karboksylowych (synteza Kolbego).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Fuzja soli kwasów karboksylowych z zasadami.
Reakcja służy do syntezy niższych alkanów.
8.Hydrogenoliza związków karbonylowych i haloalkanów.
A). związki karbonylowe. Synteza Clemmensa.
B). Halogenalkany. katalityczna wodoroliza.
Jako katalizatory stosuje się Ni, Pt, Pd.
c) Halogenalkany. Reaktywne odzyskiwanie.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Właściwości chemiczne alkanów.
Wszystkie wiązania w alkanach mają niską polarność, dlatego charakteryzują się reakcjami rodnikowymi. Brak wiązań pi uniemożliwia reakcje addycji. Alkany charakteryzują się reakcjami podstawienia, eliminacji i spalania.
|
Rodzaj i nazwa reakcji | |
|
1. Reakcje podstawienia | |
|
A) z halogenami(Z chlorkl 2 - w świetle, br 2 - po podgrzaniu) reakcja jest posłuszna Reguła Markownika (Reguły Markownikowa) - po pierwsze, halogen zastępuje wodór przy najmniej uwodornionym atomie węgla. Reakcja przebiega etapowo – w jednym etapie wymieniany jest nie więcej niż jeden atom wodoru. Jod reaguje najtrudniej, a ponadto reakcja nie dochodzi do końca, ponieważ np. Podczas reakcji metanu z jodem powstaje jodowodór, który reaguje z jodkiem metylu, tworząc metan i jod (reakcja odwracalna): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlorometan) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlorometan) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (trichlorometan) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetrachlorometan). |
|
B) Nitrowanie (reakcja Konovalowa) Alkany reagują z 10% roztworem kwasu azotowego lub tlenku azotu N 2 O 4 w fazie gazowej w temperaturze 140 ° i pod niskim ciśnieniem, tworząc pochodne nitrowe. Reakcja również podlega regule Markownikowa. Jeden z atomów wodoru zostaje zastąpiony resztą NO2 (grupa nitrowa) i uwalnia się woda |
|
|
2. Reakcje eliminacji | |
|
A) odwodornienie- usuwanie wodoru. Warunki reakcji katalizator-platyna i temperatura. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 |
|
B) pękanie proces termicznego rozkładu węglowodorów, który polega na reakcjach rozszczepienia łańcucha węglowego dużych cząsteczek z utworzeniem związków o krótszym łańcuchu. W temperaturze 450–700 o C alkany ulegają rozkładowi na skutek rozerwania wiązań C–C (w tej temperaturze zatrzymują się silniejsze wiązania C–H) i powstają alkany i alkeny o mniejszej liczbie atomów węgla |
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8 |
|
B) kompletny Rozkład termiczny |
CH4C + 2H2 |
|
3. Reakcje utleniania | |
|
A) reakcja spalania Po zapaleniu (t = 600 o C) alkany reagują z tlenem, podczas gdy ulegają utlenieniu do dwutlenku węgla i wody. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––> CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––> CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
B) Utlenianie katalityczne- w stosunkowo niskiej temperaturze i przy użyciu katalizatorów towarzyszy rozerwaniu tylko części wiązań C–C, mniej więcej w środku cząsteczki oraz C–H, i służy do otrzymania wartościowych produktów: kwasy karboksylowe, ketony, aldehydy, alkohole. |
Na przykład przy niepełnym utlenieniu butanu (zerwanie wiązania C2-C3) otrzymuje się kwas octowy |
|
4. Reakcje izomeryzacji nie jest typowe dla wszystkich alkanów. Zwrócono uwagę na możliwość przekształcenia niektórych izomerów w inne, obecność katalizatorów. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. Alkany posiadające 6 lub więcej szkieletów węglowych także zareaguj dehydrocyklizacja, ale zawsze tworzą cykl 6-członowy (cykloheksan i jego pochodne). W warunkach reakcji cykl ten ulega dalszemu odwodornieniu i zamienia się w energetycznie bardziej stabilny cykl benzenowy węglowodoru aromatycznego (arenu). |
|
Mechanizm reakcji halogenowania:
Halogenowanie
Halogenowanie alkanów przebiega w sposób radykalny. Aby zapoczątkować reakcję, mieszaninę alkanu i halogenu należy napromieniować światłem UV lub ogrzać. Chlorowanie metanu nie kończy się na etapie otrzymywania chlorku metylu (jeśli przyjąć równomolowe ilości chloru i metanu), ale prowadzi do powstania wszystkich możliwych produktów podstawienia, od chlorku metylu do czterochlorku węgla. Chlorowanie innych alkanów prowadzi do mieszaniny produktów podstawienia wodoru w temp różne atomy węgiel. Stosunek produktów chlorowania zależy od temperatury. Szybkość chlorowania atomów pierwszorzędowych, drugorzędowych i trzeciorzędowych zależy od temperatury, w niskich temperaturach szybkość maleje w szeregu: trzeciorzędowy, wtórny, pierwotny. Wraz ze wzrostem temperatury różnica między prędkościami maleje, aż stanie się taka sama. Oprócz czynnika kinetycznego na rozkład produktów chlorowania wpływa czynnik statystyczny: prawdopodobieństwo ataku chloru na trzeciorzędowy atom węgla jest 3 razy mniejsze niż pierwotne i dwa razy mniejsze niż wtórne. Zatem chlorowanie alkanów jest reakcją niestereoselektywną, z wyjątkiem przypadków, w których możliwy jest tylko jeden produkt monochlorowania.
Halogenowanie jest jedną z reakcji podstawienia. Halogenowanie alkanów odbywa się zgodnie z regułą Markownika (Reguły Markownikowa) - najpierw chlorowcowany jest najmniej uwodorniony atom węgla. Halogenowanie alkanów przebiega etapowo – w jednym etapie halogenowaniu ulega nie więcej niż jeden atom wodoru.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlorometan)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlorometan)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (trichlorometan)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetrachlorometan).
Pod wpływem światła cząsteczka chloru rozkłada się na atomy, następnie atakują cząsteczki metanu, odrywając ich atom wodoru, w wyniku czego powstają rodniki metylowe CH 3, które zderzają się z cząsteczkami chloru, niszcząc je i tworząc nowe rodniki .
Nitrowanie (reakcja Konovalova)
Alkany reagują z 10% roztworem kwasu azotowego lub tlenku azotu N 2 O 4 w fazie gazowej w temperaturze 140 ° i pod niskim ciśnieniem, tworząc pochodne nitrowe. Reakcja również podlega regule Markownikowa.
RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O
tj. jeden z atomów wodoru zostaje zastąpiony resztą NO2 (grupa nitrowa) i zostaje uwolniona woda.
Cechy strukturalne izomerów silnie wpływają na przebieg tej reakcji, gdyż najłatwiej prowadzi ona do podstawienia grupy nitrowej w miejsce atomu wodoru w reszcie SI (dostępnego tylko w niektórych izomerach), wodór trudniej jest zastąpić w CH 2 i jeszcze trudniej - w reszcie CH 3.
Parafiny dość łatwo ulegają nitrowaniu w fazie gazowej w temperaturze 150-475°C za pomocą dwutlenku azotu lub par kwasu azotowego; jednocześnie występuje częściowo i. utlenianie. W wyniku azotowania metanu powstaje prawie wyłącznie nitrometan:
Wszystkie dostępne dane wskazują na mechanizm wolnorodnikowy. W wyniku reakcji powstają mieszaniny produktów. Kwas azotowy w zwykłej temperaturze prawie nie ma wpływu na węglowodory parafinowe. Po podgrzaniu działa głównie jako środek utleniający. Jednakże, jak stwierdził M. I. Konovalov (1889), po podgrzaniu kwas azotowy działa częściowo w sposób „nitrujący”; reakcja nitrowania słabym kwasem azotowym przebiega szczególnie dobrze po podgrzaniu i pod podwyższonym ciśnieniem. Reakcję nitrowania wyraża równanie.
Homologi następujące po metanie dają mieszaninę różnych nitroparafin w wyniku towarzyszącego rozszczepienia. Po nitrowaniu etanu otrzymuje się nitroetan CH 3 -CH 2 -NO 2 i nitrometan CH 3 -NO 2. Z propanu powstaje mieszanina nitroparafin:
Nitrowanie parafin w fazie gazowej jest obecnie prowadzone na skalę przemysłową.
Sulfochlorowanie:
Praktycznie ważną reakcją jest sulfochlorowanie alkanów. Kiedy alkan oddziałuje z chlorem i dwutlenkiem siarki podczas napromieniania, wodór zastępuje się grupą chlorosulfonylową:
Etapy tej reakcji są następujące:
Cl+R:H → R+HCl
R + SO 2 → RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl → RSO 2 Cl+Cl
Chlorki alkanosulfonowe łatwo hydrolizują do alkanosulfonianów (RSO 2 OH), których sole sodowe (RSO 3 ¯ Na + - alkanosulfonian sodu) wykazują właściwości podobne do mydeł i znajdują zastosowanie jako detergenty.
DEFINICJA
Alkany nazywane są węglowodorami nasyconymi, których cząsteczki składają się z atomów węgla i wodoru, połączonych ze sobą jedynie wiązaniami σ.
W normalnych warunkach (w temperaturze 25 o C i pod ciśnieniem atmosferycznym) pierwszymi czterema członkami homologicznego szeregu alkanów (C 1 - C 4) są gazy. Normalne alkany od pentanu do heptadekanu (C 5 - C 17) - ciecze, począwszy od C 18 i więcej - ciała stałe. Wraz ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej wzrastają temperatury wrzenia i topnienia alkanów. Przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce rozgałęzione alkany mają niższą temperaturę wrzenia niż zwykłe alkany. Strukturę cząsteczki alkanów na przykładzie metanu pokazano na ryc. 1.
Ryż. 1. Struktura cząsteczki metanu.
Alkany są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, ponieważ ich cząsteczki mają niską polarność i nie oddziałują z cząsteczkami wody. Ciekłe alkany łatwo się ze sobą mieszają. Dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzen, czterochlorek węgla, eter dietylowy itp.
Otrzymywanie alkanów
Głównymi źródłami różnych węglowodorów nasyconych zawierających do 40 atomów węgla są ropa naftowa i gaz ziemny. Alkany o małej liczbie atomów węgla (1 - 10) można wyizolować poprzez destylację frakcyjną gazu ziemnego lub frakcji benzynowej oleju.
Istnieją przemysłowe (I) i laboratoryjne (II) metody otrzymywania alkanów.
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).
— uwodornienie węglowodorów nienasyconych
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni, t 0);
— odzysk haloalkanów
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- alkaliczne reakcje topnienia soli jednozasadowych kwasów organicznych
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- oddziaływanie haloalkanów z metalicznym sodem (reakcja Wurtza)
2C 2H 5 Br + 2Na → CH 3-CH 2-CH 2-CH 3 + 2NaBr;
– elektroliza soli jednozasadowych kwasów organicznych
2C 2 H 5 COONa + 2 H 2 O → H 2 + 2 NaOH + C 4 H 10 + 2 CO 2;
K (-): 2H 2O + 2e → H 2 + 2OH -;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Właściwości chemiczne alkanów
Alkany należą do najmniej reaktywnych związków organicznych, co tłumaczy się ich budową.
Alkany w normalnych warunkach nie reagują ze stężonymi kwasami, stopionymi i stężonymi zasadami, metalami alkalicznymi, halogenami (z wyjątkiem fluoru), nadmanganianem potasu i dichromianem potasu w środowisku kwaśnym.
W przypadku alkanów najbardziej charakterystyczne są reakcje przebiegające według mechanizmu rodnikowego. Energetycznie korzystniejsza luka homolityczna Wiązania CH i C-C niż ich przerwa heterolityczna.
Radykalne reakcje podstawienia przebiegają najłatwiej na trzeciorzędowym, dplee - na drugorzędowym i wreszcie na pierwszorzędowym atomie węgla.
Wszystkie przemiany chemiczne alkanów przebiegają w wyniku rozszczepienia:
1) Wiązania CH
- halogenowanie (SR)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- nitrowanie (SR)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (rozcieńczony) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
– sulfochlorowanie (SR)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– odwodornienie
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
— dehydrocyklizacja
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat \u003d Cr 2 O 3, t 0).
2) Wiązania C-H i C-C
- izomeryzacja (przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- utlenianie
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5 n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Zastosowanie alkanów
Alkany znalazły zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Rozważmy bardziej szczegółowo, na przykładzie niektórych przedstawicieli serii homologicznej, a także mieszanin alkanów.
Metan jest podstawą surowcową najważniejszych chemicznych procesów przemysłowych do produkcji węgla i wodoru, acetylenu, związków organicznych zawierających tlen – alkoholi, aldehydów, kwasów. Propan jest stosowany jako paliwo samochodowe. Butan wykorzystywany jest do produkcji butadienu, który jest surowcem do produkcji kauczuku syntetycznego.
W medycynie jako bazę do maści stosuje się mieszaninę alkanów ciekłych i stałych do C 25, zwaną wazeliną. Mieszanina stałych alkanów C 18 - C 25 (parafina) służy do impregnacji różnych materiałów (papieru, tkanin, drewna) w celu nadania im właściwości hydrofobowych, tj. nieprzepuszczalność wody. W medycynie wykorzystuje się go do zabiegów fizjoterapeutycznych (leczenie parafiną).
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenia | Po chlorowaniu metanu otrzymano 1,54 g związku, którego gęstość pary w powietrzu wynosi 5,31. Oblicz masę dwutlenku manganu MnO 2 potrzebną do wytworzenia chloru, jeśli stosunek objętości metanu i chloru wprowadzonych do reakcji wynosi 1:2. |
| Rozwiązanie | Stosunek masy danego gazu do masy innego gazu w tej samej objętości, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem nazywa się gęstością względną pierwszego gazu w stosunku do drugiego. Wartość ta pokazuje, ile razy pierwszy gaz jest cięższy lub lżejszy od drugiego gazu. Przyjmuje się względną masę cząsteczkową powietrza równą 29 (biorąc pod uwagę zawartość azotu, tlenu i innych gazów w powietrzu). Należy zauważyć, że pojęcie „względnej masy cząsteczkowej powietrza” jest stosowane warunkowo, ponieważ powietrze jest mieszaniną gazów. Znajdźmy masę molową gazu powstającego podczas chlorowania metanu: M gaz \u003d 29 × D powietrze (gaz) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Jest to czterochlorek węgla - CCl 4 . Piszemy równanie reakcji i porządkujemy współczynniki stechiometryczne: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Oblicz ilość substancji czterochlorku węgla: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Zgodnie z równaniem reakcji n (CCl 4): n (CH 4) = 1: 1 n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Wówczas ilość substancji chlorowej powinna być równa n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), tj. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Piszemy równanie reakcji wytwarzania chloru: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Liczba moli dwutlenku manganu wynosi 0,08 mola, ponieważ n (Cl 2): n (MnO 2) = 1: 1. Znajdź masę dwutlenku manganu: 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. |
| Odpowiedź | Masa dwutlenku manganu wynosi 10,4 g. |
PRZYKŁAD 2
