Alkanların tüm formülleri vardır. Alkanların yapısal izomerizmi. Problem çözme örnekleri
Asiklik hidrokarbonlara alkanlar denir. Toplamda 390 alkan vardır. Nonacontatrictan en uzun yapıya sahiptir (C 390 H 782). Halojenler haloalkanlar oluşturmak için karbon atomlarına bağlanabilir.
Yapı ve isimlendirme
Tanım gereği alkanlar, doğrusal veya dallanmış bir yapıya sahip doymuş veya doymuş hidrokarbonlardır. Parafinler de denir. Alkan molekülleri karbon atomları arasında yalnızca tek kovalent bağlar içerir. Genel formül -
Bir maddeye isim vermek için kurallara uymanız gerekir. Uluslararası terminolojiye göre isimler -an eki kullanılarak oluşturulur. İlk dört alkanın isimleri tarihsel olarak oluşmuştur. Beşinci temsilciden başlayarak isimler karbon atomu sayısını belirten bir önek ve -an ekinden oluşur. Örneğin okta (sekiz) oktanı oluşturur.
Dallanmış zincirler için isimler toplanır:
- radikallerin yakınında bulunduğu karbon atomlarının sayısını gösteren sayılardan;
- radikallerin adından;
- ana devrenin adından.
Örnek: 4-metilpropan - propan zincirindeki dördüncü karbon atomu bir radikale (metil) sahiptir.
Pirinç. 1. Alkanların adlarını içeren yapısal formüller.
Her onuncu alkan, sonraki dokuz alkanın adını verir. Dekandan sonra undekan, dodekan gelir ve ardından eikosandan sonra heneikosane, dokosane, trikosan vb. gelir.
Homolog seri
İlk temsilci metandır, bu nedenle alkanlara metan'ın homolog serisi de denir. Alkanların tablosu ilk 20 temsilciyi göstermektedir.
|
İsim |
Formül |
İsim |
Formül |
|
Tridekan |
|||
|
Tetradekan |
|||
|
Pentadekan |
|||
|
Heksadekan |
|||
|
Heptadekan |
|||
|
Oktadekan |
|||
|
Nanadekan |
|||
Bütandan başlayarak tüm alkanların yapısal izomerleri vardır. İsme izo- öneki eklenir: izobütan, izopentan, izoheksan.
Pirinç. 2. İzomer örnekleri.
Fiziki ozellikleri
Homologlar listesinde maddelerin toplanma durumu yukarıdan aşağıya doğru değişir. Ne kadar çok karbon atomu içerirse ve buna bağlı olarak bileşiklerin moleküler ağırlığı ne kadar büyükse, kaynama noktası o kadar yüksek ve madde o kadar sert olur.
15'ten fazla karbon atomu içeren geri kalan maddeler katı haldedir.
Gaz halindeki alkanlar mavi veya renksiz bir alevle yanar.
Fiş
Alkanlar, diğer hidrokarbon sınıfları gibi petrol, gaz ve kömürden elde edilir. Bu amaçla laboratuvar ve endüstriyel yöntemler kullanılır:
- Katı yakıtın gazlaştırılması:
C + 2H2 → CH4;
- karbon monoksitin hidrojenasyonu (II):
CO + 3H2 → CH4 + H20;
- alüminyum karbürün hidrolizi:
Al4C3 + 12H20 → 4Al(OH)3 + 3CH4;
- alüminyum karbürün güçlü asitlerle reaksiyonu:
Al4C3 + H2Cl → CH4 + AlCl3;
- haloalkanların indirgenmesi (ikame reaksiyonu):
2CH3Cl + 2Na → CH3-CH3 + 2NaCl;
- haloalkanların hidrojenasyonu:
CH3Cl + H2 → CH4 + HC1;
- asetik asit tuzlarının alkalilerle füzyonu (Dumas reaksiyonu):
CH3COONa + NaOH → Na2C03 + CH4.
Alkanlar, alkenlerin ve alkinlerin bir katalizör (platin, nikel, paladyum) varlığında hidrojenlenmesiyle elde edilebilir.
Kimyasal özellikler
Alkanlar inorganik maddelerle reaksiyona girer:
- yanma:
CH4 + 2O2 → C02 + 2H20;
- halojenasyon:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HC1;
- nitrasyon (Konovalov reaksiyonu):
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H20;
- katılım:
İncelenen ilk kimyasal bileşik türlerinden biri Okul müfredatı organik kimyada alkanlardır. Bunlar doymuş (alifatik olarak da bilinir) hidrokarbonlar grubuna aittirler. Molekülleri yalnızca tek tahvil. Karbon atomları sp³ hibridizasyonu ile karakterize edilir.
Homologlara denir kimyasal maddeler Kimde var Genel Özellikler ve kimyasal yapı, ancak bir veya daha fazla CH2 grubu açısından farklılık gösterir.
Metan CH4 durumunda alkanlar için genel bir formül verilebilir: CnH (2n+2), burada n, bileşikteki karbon atomlarının sayısıdır.
Burada n'nin 1 ile 10 arasında olduğu alkanların bir tablosu verilmiştir.
Alkanların izomerizmi
İzomerler, molekül formülleri aynı ancak yapısı veya yapısı farklı olan maddelerdir.
Alkanların sınıfı 2 tip izomerizm ile karakterize edilir: karbon iskeleti ve optik izomerizm.
Bütan C4H10 için yapısal bir izomerin (yani yalnızca karbon iskeletinin yapısında farklılık gösteren bir madde) bir örneğini verelim.
Optik izomerler, molekülleri benzer yapıya sahip olan ancak uzayda birleştirilemeyen iki maddedir. Optik veya ayna izomerizm olgusu, heptan C7H16'dan başlayarak alkanlarda meydana gelir.
Alkana doğru adı vermek için, IUPAC terminolojisi kullanılmalıdır. Bunu yapmak için aşağıdaki eylem sırasını kullanın:
Yukarıdaki planı kullanarak bir sonraki alkanı adlandırmaya çalışacağız.
Normal koşullar altında CH4'ten C4H10'a kadar dallanmamış alkanlar gaz halindeki maddelerdir, C5H12'den C13H28'e kadar sıvıdır ve belirli bir kokuya sahiptir, sonrakilerin tümü katıdır. Şekline dönüştü Karbon zincirinin uzunluğu arttıkça kaynama ve erime noktaları artar. Bir alkanın yapısı ne kadar dallıysa kaynama ve erime sıcaklığı da o kadar düşük olur.
Gaz halindeki alkanların rengi yoktur. Ayrıca bu sınıfın tüm temsilcileri suda çözünemez.
sahip olan alkanlar toplama durumu gaz, yanabilir ve alev ya renksiz olacak ya da soluk mavi bir renk tonuna sahip olacaktır.
Kimyasal özellikler
Normal koşullar altında alkanlar oldukça aktif değildir. Bu, aralarındaki σ bağlarının gücü ile açıklanmaktadır. C-C atomları ve C-H. Bu nedenle, işlemi gerçekleştirmek için özel koşulların (örneğin, oldukça yüksek sıcaklık veya ışık) sağlanması gerekir. Kimyasal reaksiyon mümkün hale geldi.
İkame reaksiyonları
Bu tip reaksiyonlar arasında halojenasyon ve nitrasyon yer alır. Halojenasyon (Cl2 veya Br2 ile reaksiyon) ısıtıldığında veya ışığa maruz bırakıldığında meydana gelir. Ardışık olarak ilerleyen reaksiyon sırasında haloalkanlar oluşur.
Örnek olarak etanın klorlanması reaksiyonunu yazabiliriz.
Bromlama da benzer şekilde ilerleyecektir.
Nitrasyon, zayıf (%10) HNO3 çözeltisi veya nitrik oksit (IV) NO2 ile reaksiyondur. Reaksiyonların gerçekleştirilmesi için koşullar 140 °C sıcaklık ve basınçtır.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Sonuç olarak iki ürün oluşur: su ve amino asit.
Ayrışma reaksiyonları
Ayrışma reaksiyonlarını gerçekleştirirken her zaman yüksek sıcaklıklar gerekir. Bu, karbon ve hidrojen atomları arasındaki bağları kırmak için gereklidir.
Yani çatlarken 700 ila 1000 °C aralığında bir sıcaklık gerekli olacaktır. Reaksiyon sırasında -C-C- bağları yıkılır, yeni bir alkan ve alken oluşur:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Bunun istisnası metan ve etanın çatlamasıdır. Bu reaksiyonlar sonucunda hidrojen açığa çıkar ve alkin asetilen oluşur. Ön koşul 1500 °C'ye ısıtmadır.
C2H4 = C2H2 + H2
1000 °C'lik sıcaklığı aşarsanız, bileşikteki bağların tamamen kopmasıyla piroliz elde edebilirsiniz:
Propilin pirolizi sırasında karbon C üretildi ve hidrojen H2 de açığa çıktı.
Dehidrojenasyon reaksiyonları
Dehidrojenasyon (hidrojenin uzaklaştırılması) farklı alkanlar için farklı şekilde gerçekleşir. Reaksiyon koşulları, 400 ila 600 °C arasında değişen bir sıcaklığın yanı sıra nikel veya platin olabilen bir katalizörün varlığıdır.
Bir alken, karbon iskeletinde 2 veya 3 C atomu bulunan bir bileşikten oluşur:
C2H6 = C2H4 + H2.
Bir molekülün zincirinde 4-5 karbon atomu varsa, dehidrojenasyondan sonra alkadien ve hidrojen elde edersiniz.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Heksanla başlayan reaksiyon benzen veya türevlerini üretir.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Ayrıca metan için 800 °C sıcaklıkta ve nikel varlığında gerçekleştirilen dönüşüm reaksiyonundan da bahsetmeye değer:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Dönüşüm diğer alkanlar için tipik değildir.
Oksidasyon ve yanma
200 °C'den fazla olmayan bir sıcaklığa ısıtılan bir alkan, bir katalizör varlığında oksijenle reaksiyona girerse, diğer reaksiyon koşullarına bağlı olarak ortaya çıkan ürünler farklı olacaktır: bunlar aldehit sınıflarının temsilcileri olabilir, karboksilik asitler, alkoller veya ketonlar.
Ne zaman tam oksidasyon alkan yanarak son ürünlere (su ve CO2) dönüşür:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Oksidasyon sırasında oksijen miktarı yetersizse nihai ürün yerine karbon dioksit kömür veya CO2 haline gelecektir.
İzomerizasyonun gerçekleştirilmesi
Yaklaşık 100-200 derecelik bir sıcaklık sağlarsanız dallanmamış alkanlar için yeniden düzenlenme reaksiyonu mümkün hale gelir. İzomerizasyon için ikinci ön koşul, bir AlCl3 katalizörünün varlığıdır. Bu durumda maddenin moleküllerinin yapısı değişir ve izomeri oluşur.
Önemli alkanların payı doğal hammaddelerden izole edilerek elde edilir. Çoğu zaman, ana bileşeni metan olan doğal gaz işlenir veya yağ çatlama ve düzeltmeye tabi tutulur.
Alkenlerin kimyasal özelliklerini de hatırlamanız gerekir. 10. sınıfta kimya derslerinde çalışılan ilk laboratuvar yöntemlerinden biri doymamış hidrokarbonların hidrojenasyonudur.
C3H6 + H2 = C3H8
Örneğin propilene hidrojen eklenmesi sonucunda tek bir ürün elde edilir - propan.
Wurtz reaksiyonu kullanılarak, yapısal zincirde karbon atomlarının sayısı iki katına çıkan monohaloalkanlardan alkanlar elde edilir:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Başka bir hazırlama yöntemi, bir karboksilik asit tuzunun ısıtıldığında bir alkali ile etkileşimidir:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Ek olarak metan bazen bir elektrik arkında (C + 2H2 = CH4) veya alüminyum karbürün suyla reaksiyona sokulmasıyla üretilir:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Alkanlar endüstride düşük maliyetli yakıtlar olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca diğer maddelerin sentezinde hammadde olarak kullanılırlar. organik madde. Bu amaçla genellikle sentez gazı için gerekli olan metan kullanılır. Diğer bazı doymuş hidrokarbonlar, sentetik yağların üretilmesinde ve ayrıca yağlayıcıların temeli olarak kullanılır.
“Alkanlar” konusunun daha iyi anlaşılması için maddenin yapısı, izomerler ve isimlendirme gibi konuların detaylı olarak tartışıldığı ve kimyasal reaksiyonların mekanizmalarının gösterildiği birden fazla video dersi oluşturulmuştur.
Alkanlar, moleküllerindeki tüm karbon atomlarının hidrojen atomları tarafından basit bağlarla işgal edildiği doymuş hidrokarbonlardır. Bu nedenle metan serisinin homologları, alkanların yapısal izomerizmi ile karakterize edilir.
Karbon iskeletinin izomerizmi
Dört veya daha fazla karbon atomuna sahip homologlar, karbon iskeletindeki değişikliklere bağlı olarak yapısal izomerizm ile karakterize edilir. Metil grupları -CH2, zincirin herhangi bir karbonuna bağlanarak yeni maddeler oluşturabilir. Zincirde ne kadar çok karbon atomu olursa, o kadar çok izomer homologu oluşabilir. Homologların teorik sayısı matematiksel olarak hesaplanır.
Pirinç. 1. Metan homologlarının yaklaşık izomer sayısı.
Metil gruplarına ek olarak, karbon atomlarına uzun karbon zincirleri bağlanarak karmaşık dallanmış maddeler oluşturulabilir.
Alkanların izomerizmine örnekler:
- normal bütan veya n-bütan (CH3-CH2-CH2-CH3) ve 2-metilpropan (CH3-CH(CH3)-CH3);
- n-pentan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilbütan (CH3-CH2-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetilpropan (CH3-C) (CH3)2-CH3);
- n-heksan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilpentan (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-metilpentan ( CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3), 2,3-dimetilbutan (CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetilbutan ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).
Pirinç. 2. Yapısal izomer örnekleri.
Dallanmış izomerler fiziksel özellikler bakımından doğrusal moleküllerden farklıdır. Dallanmış alkanlar doğrusal alkanlara göre daha düşük sıcaklıklarda erir ve kaynar.
İsimlendirme
IUPAC uluslararası terminoloji, dallanmış zincirlerin isimlendirilmesine yönelik kurallar oluşturmuştur. Bir yapısal izomeri adlandırmak için:
- en uzun zinciri bulun ve adlandırın;
- karbon atomlarını en çok ikame edicinin bulunduğu sondan başlayarak numaralandırın;
- sayısal önekleri kullanarak aynı ikame edicilerin sayısını belirtin;
- yedeklerin isimlerini verin.
İsim birbirini takip eden dört bölümden oluşur:
- ikame edicilere sahip zincirdeki atomları gösteren sayılar;
- sayısal önekler;
- vekilin adı;
- ana devrenin adı.
Örneğin CH3-CH(CH3)-CH2-C(CH3)2-CH3 molekülünde ana zincir beş karbon atomuna sahiptir. Yani pentan. Sağ uçta daha fazla dal vardır, dolayısıyla atomların numaralandırılması buradan başlar. Bu durumda, ikinci atomun iki özdeş ikame edicisi vardır ve bu da isme de yansır. Bu maddenin 2,2,4-trimetilpentan olarak adlandırıldığı ortaya çıktı.
Çeşitli ikame ediciler (metil, etil, propil) isimde alfabetik olarak listelenmiştir: 4,4-dimetil-3-etilheptan, 3-metil-3-etiloktan.
Tipik olarak ikiden dörde kadar sayısal önekler kullanılır: di- (iki), tri- (üç), tetra- (dört).
Ne öğrendik?
Alkanlar yapısal izomerizm ile karakterize edilir. Yapısal izomerler, bütandan başlayarak tüm homologların karakteristiğidir. Yapısal izomerizmde, ikame ediciler karbon zincirindeki karbon atomlarına bağlanarak karmaşık dallı zincirler oluşturur. İzomerin adı, ana zincirin adlarından, ikame edicilerden, ikame edicilerin sayısının sözlü olarak belirtilmesinden ve ikame edicilerin bağlı olduğu karbon atomlarının dijital olarak belirtilmesinden oluşur.
En basit organik bileşikler hidrokarbonlar, karbon ve hidrojenden oluşur. Hidrokarbonlardaki kimyasal bağların doğasına ve karbon ile hidrojen arasındaki orana bağlı olarak doymuş ve doymamış (alkenler, alkinler vb.)
Sınır hidrokarbonlar (alkanlar, metan hidrokarbonlar), moleküllerdeki her karbon atomunun diğer komşu atomlarla birleşmek için birden fazla değer harcamadığı ve karbonla birleşmek için harcanmayan tüm değerlerin hidrojen ile doyurulduğu, hidrojenli karbon bileşikleridir. Alkanlardaki tüm karbon atomları sp3 durumundadır. Doymuş hidrokarbonlar, genel formülle karakterize edilen homolog bir seri oluşturur İLE N N 2n+2. Bu serinin atası metandır.
İzomerizm. İsimlendirme.
n=1,2,3 olan alkanlar yalnızca bir izomer olarak mevcut olabilir
n=4'ten başlayarak yapısal izomerizm olgusu ortaya çıkar.
Alkanların yapısal izomerlerinin sayısı, artan karbon atomu sayısıyla birlikte hızla artar; örneğin, pentanın 3 izomeri vardır, heptanın 9 izomeri vardır, vb.
Alkanların izomerlerinin sayısı da olası stereoizomerlerden dolayı artar. C7H16'dan başlayarak iki enantiyomer oluşturan kiral moleküllerin varlığı mümkündür.
Alkanların isimlendirilmesi.
Baskın isimlendirme IUPAC isimlendirmesidir. Aynı zamanda önemsiz isimlerin unsurlarını da içerir. Bu nedenle alkanların homolog serisinin ilk dört üyesinin önemsiz isimleri vardır.
CH 4 - metan
C 2 H 6 - etan
C3H8 - propan
C4H10 - bütan.
Geriye kalan homologların isimleri Yunan Latin rakamlarından türetilmiştir. Bu nedenle, bir dizi normal (dallanmamış) yapının aşağıdaki üyeleri için isimler kullanılır:
C5H12 - pentan, C6H14 - heksan, C7H18 - heptan,
C14H30 - tetradekan, C15H32 - pentadekan, vb.
Dallanmış Alkanlar için Temel IUPAC Kuralları
a) adı tabanı (kök) oluşturan en uzun dallanmamış zinciri seçin. Bu köke “an” eki eklenir.
b) Bu zinciri en küçük yer belirleyiciler ilkesine göre numaralandırın,
c) ikame edici, konumu belirten alfabetik sıraya göre önekler şeklinde belirtilir. Orijinal yapıda birkaç özdeş ikame edici varsa, bunların sayısı Yunan rakamlarıyla gösterilir.
Söz konusu karbon atomunun doğrudan bağlandığı diğer karbon atomlarının sayısına bağlı olarak birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül karbon atomları vardır.
Alkan molekülünden bir hidrojen atomunun çıkarılması sonucu olduğu düşünülen dallanmış alkanlarda alkil grupları veya alkil radikalleri ikame edici olarak karşımıza çıkar.
Alkil gruplarının adı, karşılık gelen alkanların adından, "an" son ekinin "yl" son ekiyle değiştirilmesiyle oluşturulur.
CH3 - metil
CH3CH2 - etil
CH 3 CH 2 CH 2 - kesme
Dallanmış alkil gruplarını adlandırmak için zincir numaralandırması da kullanılır:
Etandan başlayarak alkanlar, engellenmiş bir konformasyona karşılık gelen konformerler oluşturabilirler. Engellenmiş bir konformasyondan, gölgelenmiş bir konformasyon aracılığıyla diğerine geçiş olasılığı, dönme bariyeri tarafından belirlenir. Yapının belirlenmesi, konformerlerin bileşimi ve dönme engelleri konformasyonel analizin görevleridir. Alkan elde etme yöntemleri.
1. Kademeli damıtma doğal gaz veya yağın benzin fraksiyonu. Bu şekilde 11 karbon atomuna kadar tek tek alkanlar izole edilebilir.
2. Kömürün hidrojenasyonu.İşlem, katalizörlerin (molibden oksitleri ve sülfürleri, tungsten, nikel) varlığında 450-470 o C'de ve 30 MPa'ya kadar basınçlarda gerçekleştirilir. Kömür ve katalizör toz haline getirilir ve süspansiyon halinde hidrojenlenir, süspansiyon yoluyla hidrojen borlanır. Elde edilen alkan ve sikloalkan karışımları motor yakıtı olarak kullanılır.
3. CO ve CO'nun hidrojenasyonu 2 .
CO + H 2 alkanlar
CO 2 + H 2 alkanlar
Bu reaksiyonlarda katalizör olarak Co, Fe ve diğer d elementleri kullanılır.
4.Alkenlerin ve alkinlerin hidrojenasyonu.
5.Organometalik sentez.
A). Wurtz sentezi.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Organik reaktifler olarak iki farklı haloalkan kullanıldığında bu sentezin pek faydası yoktur.
B). Grignard reaktiflerinin protolizi.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
V). Lityum dialkil kupratların (LiR2Cu) alkil halojenürlerle etkileşimi
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Lityum dialkilkupratların kendisi iki aşamalı bir işlemle üretilir
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Karboksilik asit tuzlarının elektrolizi (Kolbe sentezi).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Karboksilik asit tuzlarının alkalilerle füzyonu.
Reaksiyon düşük alkanların sentezi için kullanılır.
8.Karbonil bileşiklerinin ve haloalkanların hidrojenolizi.
A). Karbonil bileşikleri. Clemmens sentezi.
B). Haloalkanlar. Katalitik hidrojenoliz.
Katalizör olarak Ni, Pt, Pd kullanılır.
c) Haloalkanlar. Reaktif kurtarma.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Alkanların kimyasal özellikleri.
Alkanlardaki tüm bağlar düşük kutupludur, bu nedenle radikal reaksiyonlarla karakterize edilirler. Pi bağlarının yokluğu, ekleme reaksiyonlarını imkansız hale getirir. Alkanlar ikame, eliminasyon ve yanma reaksiyonları ile karakterize edilir.
|
Reaksiyonun türü ve adı | |
|
1. İkame reaksiyonları | |
|
A) halojenlerle(İle klorCl 2 -ışıkta, kardeşim 2 - ısıtıldığında) reaksiyon itaat eder Markovnik kuralı (Markovnikov Kuralları)) - her şeyden önce, en az hidrojenlenmiş karbon atomunda hidrojenin yerini bir halojen alır. Reaksiyon aşamalar halinde gerçekleşir; bir aşamada birden fazla hidrojen atomu değiştirilmez. İyot en zor reaksiyona girer ve ayrıca reaksiyon tamamlanmaz, çünkü örneğin metan iyotla reaksiyona girdiğinde, metan ve iyot oluşturmak üzere metil iyodür ile reaksiyona giren hidrojen iyodür oluşur (geri dönüşümlü reaksiyon): |
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (klorometan) CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl (diklorometan) CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (triklorometan) CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HC1 (karbon tetraklorür). |
|
B) Nitrasyon (Konovalov reaksiyonu) Alkanlar, nitro türevleri oluşturmak üzere 140° sıcaklıkta ve düşük basınçta gaz fazında %10'luk bir nitrik asit veya nitrojen oksit N204 çözeltisi ile reaksiyona girer. Reaksiyon aynı zamanda Markovnikov kuralına da uyuyor. Hidrojen atomlarından birinin yerini NO 2 kalıntısı (nitro grubu) alır ve su açığa çıkar |
|
|
2. Eliminasyon reaksiyonları | |
|
A) dehidrojenasyon– hidrojenin ortadan kaldırılması. Reaksiyon koşulları: katalizör – platin ve sıcaklık. |
CH3 - CH3 → CH2 = CH2 + H2 |
|
B) çatlama Daha kısa zincirli bileşikler oluşturmak için büyük moleküllerin karbon zincirinin bölünmesi reaksiyonlarına dayanan hidrokarbonların termal ayrışma süreci. 450-700 o C sıcaklıkta, C-C bağlarının bölünmesi nedeniyle alkanlar ayrışır (bu sıcaklıkta daha güçlü C-H bağları korunur) ve daha az sayıda karbon atomuna sahip alkanlar ve alkenler oluşur. |
C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8 |
|
B) tamamlandı termal ayrışma |
CH 4 C + 2H 2 |
|
3. Oksidasyon reaksiyonları | |
|
A) yanma reaksiyonu Alkanlar tutuşturulduğunda (t=600 o C) oksijenle reaksiyona girer ve karbondioksit ve suya oksitlenir. |
C n H 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q CH 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
B) Katalitik oksidasyon- nispeten düşük bir sıcaklıkta ve katalizörlerin kullanımıyla, molekülün yaklaşık olarak ortasındaki C-C bağlarının sadece bir kısmının ve C-H'nin kopması eşlik eder ve değerli ürünler elde etmek için kullanılır: karboksilik asitler, ketonlar, aldehitler, alkoller. |
Örneğin, bütanın eksik oksidasyonu (C2 –C3 bağının bölünmesi) ile asetik asit elde edilir. |
|
4. İzomerizasyon reaksiyonları tüm alkanlar için tipik değildir. Bazı izomerlerin diğerlerine dönüştürülme olasılığına ve katalizörlerin varlığına dikkat çekilmektedir. |
C 4 H 10 C 4 H 10 |
|
5.. Ana zinciri 6 veya daha fazla karbon atomundan oluşan alkanlar ayrıca tepki ver dehidrosiklizasyon ancak her zaman 6 üyeli bir halka oluşturur (sikloheksan ve türevleri). Reaksiyon koşulları altında, bu döngü daha fazla dehidrojenasyona uğrar ve aromatik bir hidrokarbonun (aren) enerji açısından daha kararlı benzen halkasına dönüşür. |
|
Halojenasyon reaksiyonunun mekanizması:
Halojenasyon
Alkanların halojenlenmesi radikal bir mekanizma yoluyla gerçekleşir. Reaksiyonu başlatmak için alkan ve halojen karışımının UV ışığına maruz bırakılması veya ısıtılması gerekir. Metanın klorlanması, metil klorürün elde edilmesi aşamasında durmaz (eş molar miktarda klor ve metan alınırsa), ancak metil klorürden karbon tetraklorüre kadar olası tüm ikame ürünlerinin oluşumuna yol açar. Diğer alkanların klorlanması, hidrojen ikame ürünlerinin bir karışımıyla sonuçlanır farklı atomlar karbon. Klorlama ürünlerinin oranı sıcaklığa bağlıdır. Birincil, ikincil ve üçüncül atomların klorlama hızı sıcaklığa bağlıdır; düşük sıcaklıklarda oran şu sırayla azalır: üçüncül, ikincil, birincil. Sıcaklık arttıkça hızlar arasındaki fark aynı oluncaya kadar azalır. Kinetik faktöre ek olarak, klorlama ürünlerinin dağılımı istatistiksel bir faktörden de etkilenir: klorun üçüncül bir karbon atomuna saldırma olasılığı birincil olandan 3 kat, ikincil olandan iki kat daha azdır. Bu nedenle alkanların klorlanması, yalnızca bir monoklorlama ürününün mümkün olduğu durumlar dışında, stereoselektif olmayan bir reaksiyondur.
Halojenlenme ikame reaksiyonlarından biridir. Alkanların halojenlenmesi Markovnik kuralına (Markovnikov Kuralı) uyar; en az hidrojenlenmiş karbon atomu ilk önce halojenlenir. Alkanların halojenlenmesi aşamalar halinde gerçekleşir; bir aşamada birden fazla hidrojen atomu halojenlenmez.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (klorometan)
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl (diklorometan)
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (triklorometan)
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HC1 (karbon tetraklorür).
Işığın etkisi altında, bir klor molekülü atomlara ayrılır, daha sonra metan moleküllerine saldırarak hidrojen atomlarını koparır, bunun sonucunda klor molekülleriyle çarpışan, onları yok eden ve yeni radikaller oluşturan metil radikalleri CH3 oluşur. .
Nitrasyon (Konovalov reaksiyonu)
Alkanlar, nitro türevleri oluşturmak üzere 140° sıcaklıkta ve düşük basınçta gaz fazında %10'luk bir nitrik asit veya nitrojen oksit N204 çözeltisi ile reaksiyona girer. Reaksiyon aynı zamanda Markovnikov kuralına da uyuyor.
RH + HNO3 = RNO2 + H20
yani hidrojen atomlarından birinin yerini N02 kalıntısı (nitro grubu) alır ve su açığa çıkar.
İzomerlerin yapısal özellikleri, bu reaksiyonun gidişatını güçlü bir şekilde etkiler, çünkü bu, SI kalıntısındaki hidrojen atomunun (yalnızca bazı izomerlerde bulunur) bir nitro grubu ile değiştirilmesine en kolay şekilde yol açar; hidrojenin yerini alması daha az kolaydır. CH2 grubunda ve hatta CH3 kalıntısında daha da zordur.
Parafinler, nitrojen dioksit veya nitrik asit buharı ile 150-475°C'de gaz fazında oldukça kolay bir şekilde nitratlanır; bu durumda kısmen olur. oksidasyon. Metanın nitrasyonu neredeyse yalnızca nitrometan üretir:
Mevcut tüm veriler serbest radikal mekanizmasına işaret etmektedir. Reaksiyon sonucunda ürün karışımları oluşur. Normal sıcaklıklarda nitrik asidin parafin hidrokarbonları üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. Isıtıldığında esas olarak oksitleyici bir madde görevi görür. Bununla birlikte, M.I. Konovalov'un (1889) bulduğu gibi, ısıtıldığında nitrik asit kısmen "nitratlayıcı" bir şekilde etki eder; Zayıf nitrik asitle nitrasyon reaksiyonu özellikle ısıtıldığında ve yüksek basınç altında iyi bir şekilde gerçekleşir. Nitratlama reaksiyonu denklemle ifade edilir.
Metanı takip eden homologlar, eşlik eden bölünme nedeniyle çeşitli nitroparafinlerin bir karışımını verir. Etan nitratlandığında nitroetan CH3-CH2-NO2 ve nitrometan CH3-NO2 elde edilir. Propandan bir nitroparafin karışımı oluşur:
Parafinlerin gaz fazında nitrasyonu artık endüstriyel ölçekte gerçekleştirilmektedir.
Sülfaklorlama:
Pratik olarak önemli bir reaksiyon, alkanların sülfoklorinasyonudur. Bir alkan ışınlama sırasında klor ve kükürt dioksit ile reaksiyona girdiğinde hidrojenin yerini bir klorosülfonil grubu alır:
Bu reaksiyonun aşamaları şunlardır:
Cl +R:H→R +HCl
R+S02 →RSO2
RSO2 + Cl:Cl→RSO2 Cl+Cl
Alkansülfonil klorürler, sodyum tuzları (RSO 3¯ Na + - sodyum alkansülfonat) sabunlara benzer özellikler sergileyen ve deterjan olarak kullanılan alkansülfoksilosta (RSO2OH) kolayca hidrolize edilir.
TANIM
Alkanlar Molekülleri birbirine yalnızca σ bağlarıyla bağlanan karbon ve hidrojen atomlarından oluşan doymuş hidrokarbonlar denir.
Normal koşullar altında (25 o C'de ve atmosferik basınçta), homolog alkan serisinin (C1 - C4) ilk dört üyesi gazdır. Pentandan heptadekan'a kadar normal alkanlar (C 5 - C 17) - C 18 ve üzeri sıvılar - katılar. Bağıl molekül ağırlığı arttıkça alkanların kaynama ve erime noktaları artar. Molekülünde aynı sayıda karbon atomu bulunan dallı alkanların kaynama noktaları normal alkanlara göre daha düşüktür. Örnek olarak metan kullanan alkan molekülünün yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.
Pirinç. 1. Metan molekülünün yapısı.
Alkanlar, molekülleri düşük kutuplu olduğundan ve su molekülleri ile etkileşime girmediğinden suda pratik olarak çözünmezler. Sıvı alkanlar birbirleriyle kolayca karışır. Benzen, karbon tetraklorür, dietil eter vb. gibi polar olmayan organik çözücülerde iyi çözünürler.
Alkanların hazırlanması
40'a kadar karbon atomu içeren çeşitli doymuş hidrokarbonların ana kaynakları petrol ve doğal gazdır. Az sayıda karbon atomuna (1 - 10) sahip alkanlar, doğal gazın veya yağın benzin fraksiyonunun fraksiyonel damıtılmasıyla izole edilebilir.
Alkanların üretimi için endüstriyel (I) ve laboratuvar (II) yöntemleri vardır.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H2 → CH4 + H20 (kat = Ni, t0 = 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t0).
- doymamış hidrokarbonların hidrojenasyonu
CH3-CH=CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
- haloalkanların azaltılması
C2H5I + HI →C2H6 + I2 (t 0);
- monobazik organik asitlerin tuzlarının alkali erime reaksiyonları
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2C03 (t 0);
- haloalkanların sodyum metali ile etkileşimi (Wurtz reaksiyonu)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
- monobazik organik asitlerin tuzlarının elektrolizi
2C2H5COONa + 2H20 → H2 + 2NaOH + C4H10+2C02;
K(-): 2H20 + 2e → H2 + 2OH-;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanlar, yapıları ile açıklanabilen, en az reaktif organik bileşikler arasındadır.
Normal koşullar altında alkanlar, asidik bir ortamda konsantre asitler, erimiş ve konsantre alkaliler, alkali metaller, halojenler (flor hariç), potasyum permanganat ve potasyum dikromat ile reaksiyona girmez.
Alkanlar için en tipik reaksiyonlar radikal bir mekanizmayla ilerleyen reaksiyonlardır. Homolitik bölünme enerji açısından daha uygundur C-H bağları ve C-C bunların heterolitik kırılmasından daha fazladır.
Radikal ikame reaksiyonları en kolay şekilde üçüncül karbon atomunda, daha sonra ikincil karbon atomunda ve son olarak birincil karbon atomunda meydana gelir.
Alkanların tüm kimyasal dönüşümleri bölünmeyle devam eder:
1) C-H bağları
— halojenasyon (SR)
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl ( hv);
CH3 -CH2 -CH3 + Br2 → CH3 -CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrasyon (SR)
CH3-C(CH3)H-CH3 + HONO2 (seyreltik) → CH3-C(NO2)H-CH3 + H20 (t 0).
- sülfoklorlama (SR)
R-H + S02 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- dehidrojenasyon
CH3-CH3 → CH2 =CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- dehidrosiklizasyon
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr203, t0).
2) C-H ve C-C bağları
- izomerizasyon (molekül içi yeniden düzenleme)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C(CH3)H-CH3 (kat=AlCl3, t 0).
- oksidasyon
2CH3-CH2-CH2-CH3+502 → 4CH3COOH + 2H20 (t0,p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5) Ö 2 → nC02 + (n+1) H 2 Ö (t 0).
Alkanların uygulamaları
Alkanlar çeşitli endüstrilerde uygulama alanı bulmuştur. Homolog serilerin bazı temsilcilerinin yanı sıra alkan karışımlarının örneğini kullanarak daha ayrıntılı olarak ele alalım.
Metan, karbon ve hidrojen, asetilen, oksijen içeren organik bileşikler - alkoller, aldehitler, asitlerin üretimi için en önemli kimyasal endüstriyel süreçlerin hammadde temelini oluşturur. Propan otomobil yakıtı olarak kullanılır. Bütan, sentetik kauçuk üretiminin hammaddesi olan bütadien üretmek için kullanılır.
Tıpta merhemlerin temeli olarak Vazelin adı verilen C 25'e kadar sıvı ve katı alkanların bir karışımı kullanılır. Çeşitli malzemeleri (kağıt, kumaş, ahşap) hidrofobik özellikler kazandırmak için emprenye etmek için katı alkanlar C 18 - C 25 (parafin) karışımı kullanılır; su ile ıslanmaz. Tıpta fizyoterapötik prosedürler (parafin tedavisi) için kullanılır.
Problem çözme örnekleri
ÖRNEK 1
| Egzersiz yapmak | Metanın klorlanması sırasında, havadaki buhar yoğunluğu 5.31 olan 1.54 g bileşik elde edildi. Reaksiyona katılan metan ve klor hacimlerinin oranı 1:2 ise, klor üretmek için gerekli olacak manganez dioksit MnO2 kütlesini hesaplayın. |
| Çözüm | Belirli bir gazın kütlesinin, aynı hacimde, aynı sıcaklıkta ve aynı basınçta alınan başka bir gazın kütlesine oranına, birinci gazın ikinciye göreli yoğunluğu denir. Bu değer, birinci gazın ikinci gazdan kaç kat daha ağır veya daha hafif olduğunu gösterir. Havanın bağıl moleküler ağırlığı 29 olarak alınır (havadaki nitrojen, oksijen ve diğer gazların içeriği dikkate alınarak). Hava bir gaz karışımı olduğundan “havanın bağıl moleküler kütlesi” kavramının şartlı olarak kullanıldığına dikkat edilmelidir. Metanın klorlanması sırasında oluşan gazın molar kütlesini bulalım: M gaz = 29 ×D hava (gaz) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Bu karbon tetraklorür - CCl4'tür. Reaksiyon denklemini yazalım ve stokiyometrik katsayıları düzenleyelim: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Karbon tetraklorür maddesinin miktarını hesaplayalım: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n(CCl4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Reaksiyon denklemine göre n(CCl4) : n(CH4) = 1:1, yani n(CH4) = n(CCl4) = 0,01 mol. O halde klor maddesi miktarı n(Cl2) = 2 × 4 n(CH4)'e eşit olmalıdır, yani. n(Cl2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Klor üretimi için reaksiyon denklemini yazalım: MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H20. Manganez dioksitin mol sayısı 0,08 mol'dür, çünkü n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Manganez dioksitin kütlesini bulun: m(Mn02) = n(Mn02) × M(Mn02); M(MnO2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Cevap | Manganez dioksitin kütlesi 10,4 g'dır. |
ÖRNEK 2
