Алкани температури кипіння. Фізичні та хімічні властивості алканів

23.04.2021

алкани :

Алкани - це граничні вуглеводні, в молекулах яких всі атоми пов'язані одинарними зв'язками. Формула -

Фізичні властивості :

Температури плавлення і кипіння збільшуються з молекулярної масою і довжиною більшої вуглецевого ланцюга
При нормальних умовах нерозгалужені алкани з CH 4 до C 4 H 10 - гази; з C 5 H 12 до C 13 H 28 - рідини; після C 14 H 30 - тверді тіла.
Температури плавлення і кипіння знижуються від менш розгалужених до більш розгалуженим. Так, наприклад, при 20 ° C н-пентан - рідина, а неопентана - газ.

Хімічні властивості:

· Галогенування

це одна з реакцій заміщення. В першу чергу галогеніруются найменш гідрування атом вуглецю (третинний атом, потім вторинний, первинні атому галогеніруются в останню чергу). Галогенування алканів проходить поетапно - за один етап заміщається не більше одного атома водню:

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (тріхлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (Тетрахлорметан).

Під дією світла молекула хлору розпадається на радикали, потім вони атакують молекули алкана, забираючи у них атом водню, в результаті цього утворюються метильние радикали · СН 3, які стикаються з молекулами хлору, руйнуючи їх і утворюючи нові радикали.

· горіння

Основним хімічним властивістю граничних вуглеводнів, що визначають їх використання в якості палива, є реакція горіння. приклад:

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q

У разі нестачі кисню замість вуглекислого газувиходить чадний газ або вугілля (в залежності від концентрації кисню).

У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати в такий спосіб:

З nН 2 n +2 +(1,5n+0,5) O 2 = n CO 2 + ( n+1) H 2 O

· розкладання

Реакції розкладу відбуваються лише під впливом високих температур. Підвищення температури призводить до розриву вуглецевого зв'язку і утворення вільних радикалів.

приклади:

CH 4 → C + 2H 2 (T> 1000 ° C)

C 2 H 6 → 2C + 3H 2

алкени :

Алкени-це ненасичені вуглеводні, що містять в молекулі, крім одинарних зв'язків, одну подвійну вуглець-вуглецевий связь.Формула- C n H 2n

Належність вуглеводню до класу алкенів відображають родовим суфіксом-ен в його назві.

Фізичні властивості :

Температури плавлення і кипіння алкенов (спрощено) збільшуються з молекулярної масою і довжиною більшої вуглецевого ланцюга.
При нормальних умовах алкени з C 2 H 4 до C 4 H 8 - гази; з C 5 H 10 до C 17 H 34 - рідини, після C 18 H 36 - тверді тіла. Алкени не розчиняються у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках.

Хімічні властивості :

· дегідратаціяце процес відщеплення молекули води від молекули органічної сполуки.

· полімеризаціяце хімічний процес з'єднання безлічі вихідних молекул низькомолекулярної речовини в великі молекули полімеру.

полімерце високомолекулярна сполука, молекули якого складаються з безлічі однакових структурних ланок.

алкадіени :

Алкадіени це ненасичені вуглеводні, що містять в молекулі, крім одінрних зв'язків, дведвойние вуглець-вуглецеві связі.Формула-

. Дієни є структурними ізомераміалкінов.

Фізичні властивості :

Бутадієн - газ (t кип -4,5 ° C), ізопрен - рідина, що кипить при 34 ° C, діметілбутадіен - рідина, що кипить при 70 ° C. Изопрен і інші дієнових вуглеводні здатні полимеризоваться в каучук. Натуральний каучук в очищеному стані є полімером із загальною формулою (С5Н8) n і виходить з молочного соку деяких тропічних рослин.

Каучук добре розчинний в бензолі, бензині, сірковуглеці. При низькій температурі стає ламким, при нагріванні липким. Для поліпшення механічних і хімічних властивостей каучуку його перетворюють в гуму, піддаючи вулканізації. Для отримання гумових виробів спочатку їх формують з суміші каучуку з сіркою, а також з наповнювачами: сажею, крейдою, глиною і деякими органічними сполуками, що служать для прискорення вулканізації. Потім вироби нагрівають - гаряча вулканізація. При вулканізації сірка хімічно зв'язується з каучуком. Крім того, в вулканізованої каучуку сірка міститься у вільному стані у вигляді найдрібніших частинок.

Дієнових вуглеводні легко полімеризуються. Реакція полімеризації дієнових вуглеводнів лежить в основі синтезу каучуку. Вступають в реакції приєднання (гідрування, галогенування, гідрогалогенірованіе):

H 2 C = CH-CH = CH 2 + H 2 -> H 3 C-CH = CH-CH 3

алкіни :

Алкіни-етонепредельние вуглеводні молекули яких містять, крім одинарних зв'язків, одну потрійну вуглець-глеродную связь.Формула-C n H 2n-2

Фізичні властивості :

Алкіни за своїми фізичними властивостями нагадують відповідні алкени. Нижчі (до С 4) - гази без кольору і запаху, що мають більш високі температури кипіння, ніж аналоги в алкенів.

Алкіни погано розчиняються у воді, краще - в органічних розчинниках.

Хімічні властивості :

· Реакції галогенування

Алкіни здатні приєднувати одну або дві молекули галогену з утворенням відповідних галогенопохідних:

· Гідратація

У присутності солей ртуті Алкіни приєднують воду з утворенням ацетальдегіду (для ацетилену) або кетону (для інших алкинов)

Зміст статті

Алка І Циклоалкани- вуглеводні, в яких всі атоми вуглецю з'єднані один з одним і з атомами водню простими (одинарними) зв'язками. Алкани (синоніми - граничні вуглеводні, насичені вуглеводні, парафіни) - вуглеводні із загальною формулою C n H 2 n+2, де n- число атомів вуглецю. Таку ж формулу має і всім знайомий поліетилен, тільки величина nу нього дуже велика і може досягати десятків тисяч. Крім того, поліетилен містить молекули різної довжини. У циклоалканами атоми вуглецю утворюють замкнену ланцюг; якщо цикл один, формула Циклоалкани C n H 2 n .

Залежно від порядку з'єднання атомів вуглецю в ланцюг алкани діляться на лінійні і розгалужені. Відповідно для алканів з nі 4 можливе існування більше одного речовини з однаковою формулою. Такі речовини називаються ізомерами (від грец. isis- рівний, однаковий і meros - частка, частина.

Назви алканів.

Слово «алкан» того ж походження, що і «алкоголь» ( див. нижче). Застарілий термін «парафін» походить від латинських parum - мало, незначно і affinis - родинний; парафіни мають малу реакційною здатністю по відношенню до більшості хімічних реагентів. Багато парафіни є гомологами; в гомологічної ряду алканів кожний наступний член відрізняється від попереднього на одну метиленовую групу СН 2. Термін походить від грецького homologos - відповідний, подібний.

Номенклатурні (від лат. nomenclatura- список імен) назви алканів будуються за певними правилами, які не завжди однозначні. Так, якщо в молекулі алкана ecть різні заступники, то в назві алкана вони перераховуються в алфавітному порядку. Однак в різних мовах цей порядок може відрізнятися. Наприклад, вуглеводень СН 3-СН (СН 3) -СН (С 2 Н 5) СН 2-СН 2-СН 3 відповідно до цього правила по-російськи буде називатися 2-метил-3-етілгексан, а по-англійськи 3-ethyl-2-methylhexane ...

Відповідно до назви вуглеводню називаються і алкільні радикали: метил (СН 3 -), етил (С 2 Н 5 -), ізопропіл (СН 3) 2 СН, втор-бутил З 2 Н 5 СН (СН 3) -, тре-бутил (СН 3) 3 С і т.д. Алкільні радикали входять як ціле до складу багатьох органічних сполук; у вільному стані ці частки з неспареним електроном виключно активні.

Деякі ізомери алканів мають і тривіальні назви ( см. Тривіальні назви РЕЧОВИН), наприклад, ізобутан (2-метілпропан), ізооктан (2,2,4-триметилпентан), неопентана (2,3-діметілпропан), сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметілтетракозан) , назва якого походить від лат squalus- акула (неграничне похідне сквалану - сквален, важливе для обміну речовин з'єднання, було вперше виявлено в печінки акули). Часто використовується і тривіальне назва радикала Пента (С 5 Н 11) - аміл. Воно походить від грец. amylon- крохмаль: колись ізоаміловий спирт С 5 Н 11 ОН (3-метілбутанол-1) називали «амільним алкоголем бродіння», так як він складає основу сивушного масла, а воно утворюється в результаті бродіння цукристих речовин - продуктів гідролізу крохмалю.

Найпростіший член ряду циклоалканов C n H 2 n- циклопропан ( n= 3). Його гомологи називаються так само, як алкани з додаванням приставки «цикло» (циклобутану, циклопентан і т.д.). У циклоалканов можлива ізомерія, пов'язана з наявністю бічних алкільних груп і їх розташуванням в кільці. Наприклад, ізомерні циклогексан, метілціклопентан, 1,1-, 1,2- і 1,3-діметілціклобутани, 1,1,2- і 1,2,3-тріметілціклопропани.

Число ізомерів алканів різко зростає зі збільшенням числа атомів вуглецю. Назви деяких алканів, а також теоретичне число їх можливих ізомерів наведені в таблиці.

Таблиця: Теоретичне число можливих ізомерів алканів

Формула	Назва	число ізомерів	Формула	Назва	число ізомерів
СН 4	метан	1	З 11 Н 24	ундекан	159
З 2 Н 6	Етан	1	З 12 Н 26	додекан	355
З 3 Н 8	пропан	1	З 13 Н 28	тридекан	802
З 4 Н 10	Бутан	2	З 14 Н 30	тетрадекан	1858
З 5 Н 12	пентан	3	З 15 Н 32	Пентадекан	4347
З 6 Н 14	гексан	5	З 20 Н 42	ейкозан	366319
З 7 Н 16	гептан	9	З 25 Н 52	пентакозан	36797588
З 8 Н 18	октан	18	З 30 Н 62	тріаконтан	4111846763
З 9 Н 20	Нонан	35	З 40 Н 82	Тетраконтан	62481801147341
З 10 Н 22	декан	75	З 100 Н 202	Гектан	близько 5,921 · 10 39

Розібратися з більшістю номенклатурних назв насичених вуглеводнів не дуже складно навіть тим, хто не вивчав грецьку мову в класичній гімназії. Ці назви походять від грецьких числівників з додатком суфікса-ан. Складніше з першими членами ряду: в них використано не числівники, а інші грецькі коріння, пов'язані з назвами відповідних спиртів або кислот. Ці спирти і кислоти були відомі задовго до відкриття відповідних алканів; прикладом може служити етиловий спирт і етан (отримано лише в 1848).

Метан (а також метанол, метил, метилен і т.д.) мають спільний корінь «мет», який в хімії позначає угруповання, що містить один атом вуглецю: метил СН 3, метилен (метіліден) СН 2, Метін (метілідін) СН. Першим таким речовиною історично був металевий (він же деревне) спирт, метанол, який раніше отримували сухий перегонкою деревини. Його назва походить від грецьких слів methy - п'янить вино і hile - ліс (так би мовити, «деревна вино»). Найдивовижніше тут те, що метан, аметист і мед мають спільний корінь! У давнину дорогоцінні камені наділяли магічними властивостями(І до цих пір багато хто вірить в це). Так, вважали, що красиві фіолетові камені оберігають від сп'яніння, особливо якщо з цього каменю зроблений кубок для пиття. Разом з негативною приставкою вийшло amethystos - протидіє сп'яніння. Слово ж мед присутній, виявляється, мало не у всіх європейських мовах: Англ. mead - мед (в якості напою), німецьке Met (в старонімецькою metu), голландське mede, шведське mjöd, датське mjød, литовське і латиський medus, не кажучи вже про слов'янських мовах. Всі ці слова, включаючи грецьке, походить від індоєвропейського medhu, що означає солодке питво. Недалеко від них пішов і грецький бренді Метакса, хоча він зовсім не солодкий.

Етан (а також ефір, етанол, алкоголь, алкан) мають спільне походження. Давньогрецькі філософи словом aither називали якусь субстанцію, яка пронизує космос. Коли алхіміки в 8 в. отримали легко випаровується рідина з винного спирту і сірчаної кислоти, її назвали сірчаним ефіром. У 19 ст. з'ясували, що сірчаний ефір (по-англійськи ether) відноситься до так званою простою ефірів і містить угруповання з двох атомів вуглецю - таку ж, як і етиловий спирт (етанол); це угруповання назвали етилен (ethyl). Таким чином, назва речовини «етиловий ефір» (З 2 Н 5 О-С 2 Н 5) - по суті справи «масло масляне».

Від «етилу» походить назва етану. Одна з назв етанолу, алкоголь, того ж походження, що і слово алкан (а також алкен, Алкін, алкіл). По-арабськи al-kohl - порошок, пудра, пил. Від найменшого подуву вони піднімаються в повітря, як і винні пари - «алкоголь вина», який згодом перетворився просто в алкоголь.

Чому ж в «етан» і «етанолі» - буква «т», а в «ефірі» - «ф»? Адже англійською мовою, на відміну від російського, слова «ефір» (ether) і «етил» (ethyl) мають схожу написання і звучання. Поєднання th сходить до грецької букви q (тета); в російській мові до 1918 таке ж накреслення мала літера «фіта», яку, однак, вимовляли як «ф» і використовували з єдиною метою відрізнити слова, в яких ця літера походить від грецьких q і 247 ( «фе»). У західноєвропейських мовах грец. j перейшла в ph, а q - в th. У російській мові в багатьох словах «фіта» ще в 18 ст. була замінена буквою «ф»: театр замість «qеафтр», математика замість «маqематіка», теорія замість «qеорія» ... У зв'язку з цим цікаво, що в словнику Даля, виданому в 1882, написано еqір', а в енциклопедичному словнику Брокгауза і Ефрона (1904) - «ефір'».

До речі, складні ефіри в західних мовах - ester, а не ether. Але слова «естер» в російській мові немає, тому будь-якому хіміку ріже око неграмотний переклад на етикетках текстильних виробів англійської polyester як «поліестер» замість «поліефір», «поліестер» (до поліефіру відносяться, наприклад, лавсан, терилен, дакрон).

Назви «пропан» і «бутан» походять від назв відповідних кислот - пропіонової і бутанової (масляної). Пропіонова кислота - «перша» (тобто з найкоротшою ланцюгом), яка зустрічається в жирах ( см. Жири та олії), і її назва вироблено від грец. protos- перший і pion- жир. Бутан і бутанова кислота (англ. butyric acid) - від грец. butyron- олія; в російській мові бутират називаються солі і ефіри масляної кислоти. Ця кислота виділяється при прогоркании масла.

Далі, починаючи з пентану, назви виробляються від грецьких числівників. Рідкісний виняток - цетан, одна з назв гексадекану З 16. Це слово походить від назви цетилового спирту, який в 1823 отримав французький хімік Мішель Ежен Шеврель. Шеврель виділив цю речовину з спермацету - воскоподобние речовини з голови кашалота. Слово спермацет походить від грецьких sperma - насіння і ketos - велике морська тварина (кит, дельфін). Від латинського написання другого слова (cetus) відбуваються цетиловий спирт З 16 Н 33 ОН (гексадеканол) і цетан.

У російській мові чимало слів з тими ж країнами, що і у алканів: Пентагон, гептахорд (звукоряд з 7 ступенів), додекафонія (метод музичної композиції), октава, децима і ундеціма (музичні інтервали), октет і нонет (ансамблі з 8 і 9 музикантів), пентод, гексод і гептод (радіолампи); гекзаметр (віршований розмір), октаедр, декада, декан, гектар, жовтень, грудень і т.д. і т.п.

Алкана з найдовшими молекулами був синтезований англійськими хіміками в 1985. Це нонаконтатріктан З 390 Н 782, що містить ланцюжок з 390 вуглецевих атомів. Дослідників цікавило, як будуть упаковуватися такі довгі ланцюги при кристалізації (гнучкі вуглеводневі ланцюжка можуть легко складатися).

Число ізомерів алканів.

Завдання про теоретично можливий числі ізомерів алканів вперше була вирішена англійським математиком Артуром Келі (1821-1895), одним з основоположників важливого розділу математики - топології (в 1879 він опублікував першу статтю по знаменитій «проблеми чотирьох кольорів»: чи достатньо їх для розмальовки будь-якій географічній карти; ця проблема була вирішена лише в 1976). Виявилося, що не існує формули, за якою можна по числу атомів вуглецю в алканів С n H 2 n+2 розрахувати число його ізомерів. Є тільки так звані рекурентні формули (від латинського recurrens- повертається), які дозволяють розрахувати число ізомерів n-го члена ряду, якщо вже відомо число ізомерів попереднього члена. Тому розрахунки для великих nбули отримані порівняно недавно за допомогою комп'ютерів і доведені до вуглеводню С 400 Н 802; для нього, з урахуванням просторових ізомерів, отримано значення, яке важко піддається уяві: 4,776 · 10 199. А вже починаючи з алкана З 167 Н 336, число ізомерів перевищує число елементарних частинок у видимій частині Всесвіту, яке оцінюється як 10 80. Зазначене в таблиці число ізомерів для більшості алканів значно зросте, якщо розглядати також дзеркально-симетричні молекули - стереоізомери ( см. Оптичні ізомери): для гептана - з 9 до 11, для декана - з 75 до 136, для ейкозан - з 366 319 до 3 396 844 для гектана - з 5,921 · 10 39 до 1,373 · 10 46 і т.д.

З точки зору хіміка число структурних ізомерів граничних вуглеводнів становить практичний інтерес тільки для перших членів ряду. Навіть для порівняно простого алкана, що містить всього півтора десятка атомів вуглецю, переважна кількість ізомерів ніхто не почув і навряд чи буде коли-небудь синтезовано. Наприклад, останні з теоретично можливих 75 ізомерів декана були синтезовані лише до 1968. І зроблено це було для практичних цілей - щоб мати більш повний набір стандартних з'єднань, за якими можна ідентифікувати різні вуглеводні, наприклад, ті, що зустрічаються в нафті. До речі, в різних видах нафти були виявлені всі 18 можливих ізомерів октану.

Але найцікавіше, що, починаючи з гептадекан З 17 Н 36, спочатку лише деякі з теоретично можливого числа ізомерів, потім - багато, і, нарешті, майже всі є яскравим прикладом «паперової хімії», тобто не можуть існувати в дійсності. Справа в тому, що в міру зростання числа атомів вуглецю в молекулах розгалужених ізомерів виникають серйозні проблеми просторової упаковки. Адже математики розглядали атоми вуглецю і водню як точки, тоді як насправді вони мають кінцевий радіус. Так, метановий «кулька» має на «поверхні» 4 атома водню, які вільно на ній розміщуються. У неопентане C (CH 3) 4 на «поверхні» вже 12 атомів водню, розташовані значно ближче один до одного; але для них ще є місце для розміщення. А ось у алкана 4 (С 17 Н 36) на поверхні стає мало місця для розміщення всіх 36 атомів водню в 12 метильних групах; це легко перевірити, якщо намалювати плоске зображення (а ще краще - зліпити об'ємну модель з пластиліну і сірників) для подібних ізомерів, дотримуючись сталість довжин зв'язків С-С і С-Н і всіх кутів між ними). З ростом nпроблеми розміщення виникають і для атомів вуглецю. В результаті, не дивлячись на те, що число можливих ізомерів з ростом nзбільшується дуже швидко, частка «паперових» ізомерів зростає значно швидше. Проведена за допомогою комп'ютерів оцінка показала, що з ростом nвідношення числа дійсно можливих ізомерів до числа «паперових» швидко наближається до нуля. Саме тому розрахунок точного числа ізомерів граничних вуглеводнів для великих n, Яке колись викликало значний інтерес, зараз має для хіміків лише теоретичне значення.

Будова і фізичні властивості алканів.

У алканах чотири sp 3 -гібрідние орбіталі атома вуглецю ( см. Орбіталі) спрямовані до вершин тетраедра з кутом між ними близько 109 ° 28 "- саме в цьому випадку відштовхування між електронами і енергія системи мінімальні. В результаті перекривання цих орбіталей один з одним, а також з s-орбіталей атомів водню утворюються s-зв'язку С-С і С-Н. Ці зв'язки в молекулах алканів - ковалентні неполярні або малополярние.

У алканах розрізняють первинні атоми вуглецю (вони пов'язані тільки з одним сусіднім атомом С), вторинні (пов'язані з двома атомами С), третинні (пов'язані з трьома атомами С) і четвертинні (пов'язані з чотирма атомами С). Так, в 2,2-диметил-3-метілпентане СН 3-С (СН 3) 2-СН (СН 3) -СН 2 -СН 3 є один четвертинний, один третинний, один вторинний і п'ять первинних атомів вуглецю. Різне оточення атомів вуглецю дуже сильно відбивається на реакційної здатності пов'язаних з ними атомів водню.

Просторове розташування sp 3 -орбіталей призводить, починаючи з пропану, до зиґзаґоподібної конфігурації вуглецевих ланцюгів. При цьому можливе обертання фрагментів молекул навколо зв'язків С-С (в молекулі етану при 20 ° С - зі швидкістю мільйонів оборотів в секунду!), Що робить молекули вищих алканів гнучкими. Розпрямлення таких ланцюгів відбувається, наприклад, при розтягуванні поліетилену, який складається з суміші алканів з довгими цепямі.Молекули алканів слабо взаємодіють один з одним, тому алкани плавляться і киплять при значно нижчих температурах, ніж близькі їм по масі речовини з полярними молекулами. Перші 4 члени гомологічного ряду метану - гази при звичайних умовах, пропан і бутан легко сжижаются під невеликим тиском (пропан-бутанова суміш міститься в побутових газових балонах). Вищі гомологи - рідини з запахом бензину або тверді речовини, що не розчиняються у воді і плаваючі на її поверхні. Температури плавлення і кипіння алканів зростають зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі, при цьому зростання температури поступово сповільнюється, так, С 100 Н 202 плавиться при 115 ° С, С 150 Н 302 - при 123 ° С. температури плавлення і кипіння для перших 25 алканів наведені в таблиці - видно, що починаючи з октадекан, алкани - тверді речовини.

Таблиця: Температури плавлення і кипіння алканів

Таблиця. ТЕМПЕРАТУРИ ПЛАВЛЕННЯ І КИПІННЯ АЛКАНОВ
Алкана	Тпл	Ткип
метан	–182,5	–161,5
Етан	–183,3	–88,6
пропан	–187,7	–42,1
Бутан	–138,4	–0,5
пентан	–129,7	36,1
гексан	–95,3	68,7
гептан	–90,6	98,4
октан	–56,8	125,7
Нонан	–51,0	150,8
декан	–29,7	174,1
ундекан	–25,6	195,9
додекан	–9,6	216,3
тридекан	–5,5	235,4
тетрадекан	+5,9	253,7
Пентадекан	+9,9	270,6
гексадекан	18,2	286,8
гептадекан	22,0	301,9
октадекан	28,2	316,1
нонадекан	32,1	329,7
ейкозан	36,8	342,7
Генейкозан	40,5	356,5
докозан	44,4	368,6
трікозан	47,6	378,3
Тетракозан	50,9	389,2
пентакозан	53,7	399,7

Наявність розгалуження в ланцюзі різко змінює Фізичні властивості, Особливо температуру плавлення. Так, якщо гексан нормального будови ( н-гексан) плавиться при -95,3 ° С, то ізомерний йому 2-метилпентан - при -153,7 ° С. Пов'язано це з труднощами упаковки розгалужених молекул при їх кристалізації. В результаті алкани з розгалуженнями ланцюга при швидкому охолодженні НЕ кристалізуються, а переходять в склоподібний стан переохолодженої рідини ( см. СКЛО). Наприклад, якщо тонку ампулу з пентаном занурити в рідкий азот (температура -196 ° С), речовина перетвориться в білу снегообразную масу, тоді як ізопентан (2-метилбутан) застигає в прозоре «скло».

На відмінності геометричної форми лінійних і розгалужених алканів заснований оригінальний спосіб їх поділу: в кристалах сечовини є канали, в яких можуть поміститися алкани з прямим ланцюгом і не поміщаються розгалужені.

Циклоалкани з n= 2, 3 - гази, вищі - рідини або тверді речовини. Найбільший цикл, який вдалося синтезувати хімікам, - це ціклооктаоктаконтадіктан З 288 Н 576. Різна форма молекул циклоалканов з парних і непарних числом атомів вуглецю в молекулі призводить до сильного парному-непарному ефекту щодо температури плавлення, що видно з таблиці. Пояснюється цей ефект різницею в «зручність» упаковки молекул різної форми в кристалі: чим упаковка компактніше, тим міцніше кристал і тим вище його температура плавлення. Наприклад, ціклододекан плавиться майже на 70 ° вище його найближчого гомолога - ціклоундекана. Має значення, звичайно, і маса молекули: легкі молекули плавляться при більш низькій температурі.

З 3 Н 6	–127,5
З 4 Н 8	–50
З 5 Н 10	–93,9
З 6 Н 12	+6,5
З 7 Н 14	–12
З 8 Н 16	14,3
З 9 Н 18	9,7
З 10 Н 20	10,8
З 11 Н 22	–7,2
З 12 Н 24	61,6
З 13 Н 26	23,5
З 14 Н 28	54
З 15 Н 30	62,1

Легкість повороту навколо зв'язку С-С призводить до того, що молекули циклоалканов не плоскі (за винятком циклопропана), таким способом вони уникають сильного спотворення валентних кутів. Так, в циклогексане і його вищих гомологах валентні кути ненапружені і близькі до тетраєдраїческому (109 °), тоді як в шестикутнику кути рівні 120 °, в восьмикутник - 135 ° і т.д. Окремі атоми вуглецю в таких циклоалканами не займають жорстко закріпленого положення: кільце як би знаходиться в постійному хвилеподібне русі. Так, молекула циклогексана може перебувати у вигляді різних геометричних структур (конформеров), здатних переходити один в одного (інверсія циклу). За зовнішню схожість їх назвали «ванній» і «кріслом» (в англомовній літературі «ванну» називають «човном» - boat):

Форма крісла більш стійка; при звичайній температурі циклогексан на 99,9% існує в більш стійкою формою крісла. Перехід між двома формами здійснюється через проміжну «твіст-конформацію» (від англ. twist- скручувати).

У циклопропаном кут зменшується з 108 ° до 60 °, що призводить до сильного напруження і «зігнутості» зв'язків, які займають проміжне положення між звичайними s- і p-зв'язками; завдяки їх формі ці зв'язки називають «банановим». При цьому sp 3 орбіталі атомів вуглецю перекриваються лише частково. Результатом є подвійність хімічних властивостей циклопропану. З одного боку, в ньому можливо заміщення атомів водню (реакція, типова для алканів), з іншого - можливо приєднання з розкриттям циклу (реакція, типова для алкенів, наприклад: цикло-З 3 Н 6 + Br 2 ® BrCH 2 CH 2 CH 2 Br).

Циклоалкани з двома циклами і одним загальним атомом вуглецю називаються спіроалканамі. Якщо ж загальних вуглецевих атомів більше двох, то утворюються біціклоалкани, тріціклоалкани і т.д .. У результаті такої «зшивання» відразу декількох циклів хімікам вдалося отримати вуглеводні, просторова будова яких відповідає різним многогранників: тетраедр, кубу, призмі і ін. Біциклічні похідні циклогексана містяться в ефірних маслах, живиці хвойних дерев, скипидарі. Біцикло з шести і п'яти атомів вуглецю міститься в камфори, холестерин, сахарин, пиперин (він надає пекучий смак чорного перцю), азотистих підставах - нуклеотидах, інших з'єднаннях (при цьому деякі атоми вуглецю в циклах можуть бути з'єднані подвійними зв'язками, а частина - заміщена іншими атомами як, наприклад, в сахарин). Цикл з 17 атомів вуглецю (два з них з'єднані подвійним зв'язком) міститься в ціветоне - пахучому речовині, складової частини мускусу, який застосовується в парфумерії. Красива молекула адамантана містить три шестичленних циклу і за структурою відповідає кристалічній решітці алмазу. Адамантанового структура міститься в противірусний ліки ремантадин, в Гексаметілентетрамін (в останньому з'єднанні 4 атома вуглецю замінені атомами азоту, які з'єднані один з одним метиленовими містками СН2- -). Нижче представлені структури деяких циклоалканов, в молекулах яких більше одного по-різному з'єднаних циклу.

Біціклодекан (тетрагідронафталін, декалін)

адамантан

Хімічні властивості алканів.

Алкани - хімічно найменш активні органічні сполуки. Все зв'язку С-С і С-Н в алканах одинарні, тому алкани нездатні до реакцій приєднання. Для алканів характерні реакції заміщення атомів водню на інші атоми і групи атомів. Так, під час хлорування метану утворюються метилхлорид CH 3 Cl, метиленхлорид CH 2 Cl 2, тріхлорметан (хлороформ) CHCl 3 і тетрахлорид вуглецю (чотирихлористий вуглець) CCl 4. Ці реакції йдуть по ланцюговому механізму з проміжним утворенням вільних радикалів.

При хлоруванні алканів, починаючи з пропану, перший же атом хлору може замістити різні атоми водню. Напрямок заміщення залежить від міцності зв'язку С-Н: чим вона слабше, тим швидше заміщення саме цього атома. Первинні зв'язку С-Н, як правило, міцніше вторинних, а вторинні міцніше теоретичних. В результаті хлорування при 25 ° С по вторинної зв'язку (СН 3) 2 СН-Н відбувається в 4,5 рази швидше, ніж по первинній зв'язку З 2 Н 5-Н, а третинної зв'язку (СН 3) 3 СН - в 6,7 рази швидше. Різна реакційна здатність первинних, вторинних і третинних атомів водню може призводити до того, що з кількох можливих продуктів хлорування переважатиме тільки один. Наприклад, під час хлорування 2,3-діметілбутана в розчині сірковуглецю (CS 2) утворюється 95% 2-хлорпохідне і тільки 5% 1-хлорпохідне, тобто в 19 разів менше. Якщо ж врахувати, що в початковому алканами первинних атомів водню в 6 разів більше, ніж теоретичних, то ставлення їх реакційних здібностей виявиться ще більше (19 ґ 6 = 114). Сірковуглець як розчинник знижує реакційну здатність атомів хлору і відповідно підвищує його селективність. Аналогічно діє зниження температури.

Атоми брому менш активні; помітна енергія активації цієї реакції призводить до того, що бромування алканів хоча і йде по ланцюговому механізму, але значно повільніше, ніж хлорування, і тільки при підвищеній температурі або на світлі. Менша активність атомів брому приводить і до посилення селективності бромирования. Так, якщо відносну швидкість фотохімічного бромирования етану при 40 ° С прийняти рівною 1, то швидкість бромування пропану (по вторинному атому Н) складе в тих же умовах вже 220, а швидкість бромування ізобутану (по третичному атому Н) - 19000

Атоми йоду найменш активні, тому реакція йодування алканів RH + I 2 ® RI + HI - ендотермічна, можлива тільки при високих температурах і йде з дуже короткими ланцюгами. Більш того, дуже легко йде зворотна екзотермічна реакція RI + HI ® RH + I 2. При йодування алканів утворюються і ненасичені сполуки. Наприклад, при 685 ° С етан, реагуючи з йодом, утворить 72% етилену і 10% ацетилену. Такі ж результати отримані з пропаном, бутаном і пентаном.

Реакція фторування алканів йде з дуже високою, часто вибуховою, швидкістю з утворенням всіх можливих поліфторпроізводних вихідного алкана. Енергія, що виділяється при фторування алканів, настільки велика, що може привести до розпаду молекул продуктів на радикали, які починають нові ланцюги. В результаті швидкість реакції лавиноподібно наростає і це призводить до вибуху навіть при низьких температурах. Особливість фторування алканів - в можливості руйнування вуглецевого скелета атомами фтору з утворенням в якості кінцевого продукту CF 4 з іншими галогенами така реакція не йде.

Нітрування алканів (реакція Коновалова) також йде по радикальному механізму: RH + NO 2 ® R · + HNO 2, R · + NO 2 ® RNO 2. Джерелом NO 2 служить азотна кислота, яка при нагріванні розпадається. Реакцію проводять в розчині при температурі вище 150 ° С або в парах під тиском до 10 атм і температурі 400 - 500 ° С. В останньому випадку відбувається також розрив С-С-зв'язків в алканах і утворюється суміш нітроалканів.

Все алкани горять в виділенням тепла, наприклад: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Ця реакція відбувається, зокрема, в циліндрах двигунів внутрішнього згоряння. Щоб залишки незгорілих алканів не потрапляли в атмосферу, застосовують їх каталітичне допалювання в вихлопних трубах (одночасно відбувається згорання СО і перетворення оксидів азоту в нешкідливий азот). Реакпія кисню з вищими алканами (в складі парафіну) відбувається при горінні свічки. Газоподібні алкани, наприклад, метан, утворюють з повітрям вибухові суміші. Такі суміші можуть утворитися в шахтах, а також в житлових будинках при витоку побутового газу, якщо його вміст у повітрі досягне 5%.

Значні зусилля хіміків були спрямовані на детальне вивчення реакції низькотемпературного окислення алканів з метою зупинити її на стадії освіти цінних проміжних продуктів - альдегідів, кетонів, спиртів, карбонових кислот. Так, в присутності солей Co (II), Mn (II) можна окислити бутан до оцтової кислоти, парафін - до жирних кислот З 12 - З 18. Окисленням циклогексана отримують капролактам - мономер для виробництва капрону і адипінової кислоти.

Важлива промислова реакція - фотохімічні сульфохлорування алканів: спільна радикально-ланцюгова реакція з Cl 2 і SO 2 з утворенням хлорангидридов алкансульфонових кислот RSO 2 Cl. Ця реакція широко використовується у виробництві миючих речовин. При заміні хлору на кисень відбувається ланцюгова радикальна реакція сульфоокісленія алканів з утворенням алкансульфонових кислот R-SO 2 -OH. Натрієві солі цих кислот -Застосовується як миючі та емульгуючі засоби.

При високих температурах відбувається розкладання (піроліз) алканів, наприклад: CH 4 ® C + 2H 2 (1000 ° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500 ° C), C 2 H 6 ® C 2 H 4 + H 2. Остання реакція йде при 500 ° С в присутності каталізатора (Ni). Аналогічно з бутану можна отримати 2-бутен СН 3 СН = СНСН 3, одночасно утворюється суміш етилену і етану. На відміну від цієї радикальної реакції, каталітичний крекінг алканів протікає по іонному механізму і служить для отримання бензину з більш важких нафтових фракцій. При нагріванні в присутності кислот Льюїса, наприклад, AlCl 3 відбувається ізомеризація: нерозгалужені (нормальні) алкани перетворюються в розгалужені з тим же числом атомів вуглецю. Ця реакція має велике практичне значення для отримання високоякісного моторного палива ( см. ОКТАНОВЕ ЧИСЛО). Дегидрирование алканів може супроводжуватися замиканням циклу (дегидроциклизация). У разі дегидроциклизации гексана основним продуктом є бензол.

Метан при високій температурі в присутності каталізатора реагує з водяною парою і оксидом вуглецю (IV) з утворенням синтез-газу: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Синтез-газ використовують для отримання моторних палив і метилового спирту.

В останні роки зусилля хіміків спрямовані на створення каталізаторів, що активують зв'язку С-Н в молекулах алканів в м'яких умовах. Подібні реакції «вміють» здійснювати деякі мікроорганізми, ферменти яких здатні «перетравлювати» навіть парафін з утворенням білкових з'єднань. Завдання хіміків - зрозуміти, як діють природні каталізатори і змоделювати ферментативні реакції, які можуть йти при звичайній температурі. При цьому в якості каталізаторів використовуються різні металоорганічні сполуки. Наприклад, в присутності деяких платинових з'єднань можна отримувати метанол СН 3 ОН безпосередньо з метану, а в присутності тріфенілфосфінового комплексу родію Rh [(C 6 H 5) 3 P], пов'язаного з молекулами СО; в ході реакції молекули СО впроваджуються по зв'язку С-Н алканів з утворенням альдегідів.

Циклоалкани за хімічними властивостями нагадують алкани. Так, вони горючі, можуть галогеновані по радикальному механізму, при підвищеній температурі в присутності каталізаторів дегидрируются - отщепляют водень і перетворюються в ненасичені вуглеводні. Особливими властивостями, як говорилося, має циклопропан. На відміну від алканів, Циклоалкани гидрируются, при цьому цикл розкривається і утворюються алкани, наприклад: цикло-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (реакція йде при нагріванні в присутності платинового каталізатора). Зі збільшенням розміру циклу реакція ускладнюється - так, вже циклопентан гідруван (до пентану) з великими труднощами і при високій температурі (300 ° С).

Знаходження в природі і отримання.

Основні джерела алканів - нафта і природний газ. Метан складає основну масу природного газу, в ньому присутні також в невеликих кількостях етан, пропан і бутан. Метан міститься в виділеннях боліт і вугільних пластів. Поряд з легкими гомологами метан присутній в попутних нафтових газах. Ці гази розчинені в нафті під тиском і знаходяться також над нею. Алкани складають значну частину продуктів переробки нафти. Містяться в нафті і Циклоалкани - вони називаються нафтенами (від грец. naphtha- нафта). У природі широко поширені також газові гідрати алканів, в основному метану, вони залягають в осадових породах на материках і на дні океанів. Їх запаси, ймовірно, перевищують відомі запаси природного газу і в майбутньому можуть злучити джерелом метану і його найближчих гомологів.

Алкани отримують і піролізу (коксуванням) кам'яного вугілля та його гідрування (отримання синтетичного рідкого палива). Тверді алкани зустрічаються в природі у вигляді покладів гірського воску - озокериту, в воскових покриттях листя, квітів і насіння рослин, входять до складу бджолиного воску.

У промисловості алкани отримують каталітичним гідруванням оксидів вуглецю СО і СО 2 (метод Фішера - Тропша). У лабораторії метан можна отримати нагріванням ацетату натрію з твердим лугом: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3, а також гідролізом деяких карбідів: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al (OH) 3. Гомологи метану можна отримати по реакції Вюрца, наприклад: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 -CH 3 + 2NaBr. У разі дігалогеналканов виходять Циклоалкани, наприклад: Br-CH 2 - (CH 2) 4 -CH 2 Br + 2Na ® цикло-C 6 H 12 + 2NaBr. Алкани утворюються також при декарбоксилюванні карбонових кислот і при електролізі їх.

Застосування алканів.

Алкани в складі бензину, гасу, солярового масла, мазуту використовуються в якості палива. Вищі алкани входять до складу мастил, вазеліну і парафіну. Суміш ізомерних пентанов і гексанов називається петролейним ефіром і застосовується як розчинник. Циклогексан також широко застосовується як розчинник і для синтезу полімерів (капрон, нейлон). Циклопропан використовується для наркозу. Сквалан - високоякісне мастило, компонент фармацевтичних і косметичних препаратів, адсорбент в газорідинної хроматографії.

Алкани служать сировиною для отримання багатьох органічних сполук, в тому числі спиртів, альдегідів, кислот. Хлорпохідні алканів використовують як розчинники, наприклад, тріхлорметан (хлороформ) CHCl 3, Тетрахлорметан CCl 4. Суміш вищих алканів - парафін нетоксичний і широко застосовується в харчовій промисловості для просочення тари і пакувальних матеріалів (наприклад, пакетів для молока), при виробництві жувальних гумок. Парафіном просочують олівці, верхню (поблизу головки) частина сірників для їх кращого горіння. Розігрітий парафін використовують в лікувальних цілях (парафінолікування). Окислення парафіну в контрольованих умовах в присутності каталізаторів (органічні солі перехідних металів) призводить до отримання кисневмісних продуктів, головним чином, органічних кислот.

Ілля Леенсон

література:

Петров А.А. хімія алканів. М., Наука, 1974
Азербаев І.М. та ін. Синтези на основі нафтових вуглеводнів. Алма-Ата, Наука, 1974
Рудаков Є.С. Реакції алканів з окислювачами, металокомплексів і радикалами в розчинах. Київ, Наукова думка, 1985
Переушану В. Виробництво і використання вуглеводнів. М., Хімія, 1987

ВУГЛЕВОДНІ. Алка

1. Класифікація вуглеводнів.

2. Алкани.

3. Відповідний ряд, номенклатура, одержання.

4. Ізомерія, будова.

5. Властивості.

Вуглеводні - органічні сполуки, що складаються з атомів двох елементів - вуглецю і водню. Тому загальну формулу вуглеводнів можна представити у вигляді С х Н y.

Класифікацію органічних речовин, розглянуту раніше, можна поширити і на вуглеводні. Вивчення вуглеводнів починається з класу ациклічних граничних з'єднань - алканів.

КЛАСИФІКАЦІЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

ВУГЛЕВОДНІ

аліфатичні

циклічні

граничні

ненасичені

ароматичні

аліциклічні

Алкани Алкени Циклоалкани Арени

алкадіени

Алка

Алкани (парафіни) - насичені або граничні вуглеводні з відкритою вуглецевої ланцюгом загальною формулою - С n H 2n + 2.

Відповідний ряд:

метан - СН 4

етан - СН 3 СН 3

пропан - СН 3-СН 2-СН 3

бутан - СН 3-СН 2-СН 2-СН 3

пентан - СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 і т. д.

Номенклатура.Назви нормальних алканів, за винятком чотирьох членів ряду (метан, етан, пропан, бутан) утворені від грецьких і латинських числівників з додаванням суфікса - ан.Розгалужені вуглеводні називають по номенклатурі ІЮПАК.

Загальна формула радикалів З n H 2n + 1. Назви радикалів утворюють, замінюючи суфікс «ан» в назві відповідного алкана на суфікс «мул». Наприклад, СН 4 - метан, радикал СН 3 - метил. Детально матеріал з цього розділу представлений в. При наявності в алканів або алкільні радикала фрагмента СН 3-СН (СН 3) - до його назви додають префікс з,фрагмента СН 3-С (СН 3) 2 - префікс нео,наприклад,

СН 3-СН (СН 3) СН 3 - ізобутан, СН 3-С (СН 3) 2 СН 3 - неопентана.

За раціональної номенклатурі алканами дають назви як похідним метану, отриманим в результаті заміщення одного або декількох атомів водню на алкільні радикали. Наприклад, пропан СН 3 - СН 2 СН 3 по раціональної номенклатурі матиме назву - діметілметан.

Знаходження і застосування алканів в природі.Алкани широко поширені в природі, є головними компонентами нафти, природного газу, попутного нафтового газу, горючих сланців, природних восків, озокериту.

Основні області застосування алканів вказуються при розгляді властивостей цих сполук.

Отримання алканів.

1. Промислові способи отримання:

а) переробка різними методами природних джерел (перегонка і крекінг нафти, риформінг, піроліз);

б) гідрування ненасичених вуглеводнів:

в) синтез Фішера-Тропша:

2. Лабораторні способи отримання:

а) реакція Вюрца:

2RHal + 2Na → R-R + 2NaHal

б) декарбоксилирование солей карбонових кислот:

В) електроліз солей карбонових кислот (синтез Кольбе):

2RCOONa + 2H 2 O → R-R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2

г) відновлення галогеналканов, карбонільних сполук:

RHal + H 2 → R-H + HHal

Ізомерія алканів.

1. Структурна ізомерія

Для алканів, починаючи з бутану, існують структурні ізомери, що відрізняються будовою вуглецевого ланцюга. Наприклад, молекулярної формулі З 4 Н 10 відповідає два з'єднання -

СН 3-СН 2-СН 2-СН 3 нормальний бутан і СН 3-СН (СН 3) СН 3 изобутан (2-метілпропан).

Число ізомерів зростає зі збільшенням числа атомів вуглецю в складі молекули.

Таблиця 4.

Кількість структурних ізомерів алканів

Атоми вуглецю в молекулах алканів підрозділяються на первинні, вторинні, третинні, четвертинні в залежності від числа сусідніх З-атомів.

2. Конформаційна ізомерія

Цей вид ізомерії характерний для вуглеводнів з числом атомів вуглецю два і більше. Наприклад, молекула етану існує у вигляді двох просторових конформаційних ізомерів заслоненной і загальмованою конформаций:

1. заслоненная конформація етану; 2. загальмована конформація етану.

Молекули з довгими вуглецевими ланцюгами існують, в основному, у формі зиґзаґоподібних конформаций. При цьому близько виявляються атоми 1-5 або 1-6, що сприяє циклізації вуглеводневого ланцюга.

3. Оптична ізомерія

Молекули розгалужених алканів (С 7 і більше) можуть бути хіральними з одним або декількома асиметричними атомами вуглецю. наприклад:

СН 3 - СН 2 - * СН - СН 2 - СН 2 - СН 3 3-метілгексан

Це з'єднання існує у вигляді двох оптичних ізомерів - енантіомерів (R, S-конфігурації).

Будова алканів.

Відповідно до теорії гібридизації для атомів вуглецю в граничних вуглеводнях характерна sp 3-гібридизація. Тому в з'єднаннях даного типу існують тільки ковалентні σ-зв'язку: С-С (sp 3 -sp 3 - перекривання) і С-Н (sp 3 -s - перекривання).

Ковалентні зв'язки в алканах мало поляризованість, неполярні. Дипольні моменти молекул граничних з'єднань дорівнюють нулю. У зв'язку з цим міжмолекулярні взаємодії дуже слабкі, що і зумовлює фізичні властивості алканів.

Для σ-зв'язків С-Н і С-С характерна висока міцність (Е С-С - 347 кДж / моль; Е С-Н - 415 кДж / моль), яка залежить від типу атомів вуглецю. Найменш міцними є зв'язки у третинного атома вуглецю, що робить такі зв'язки найбільш уразливими в хімічних перетвореннях.

Просторова будова алканів обумовлено тетраедричних конфігурацією атомів вуглецю (валентний кут - 109 0 28 /).

Фізичні властивості.

Оскільки міжмолекулярні взаємодії в алканах дуже слабкі, для них характерні низькі температури кипіння і плавлення, низька щільність (менше води). У гомологическом ряду фізичні константи вуглеводнів закономірно збільшуються. Розгалуження вуглецевого ланцюга знижують значення зазначених характеристик. Алкани практично нерозчинні в воді, проте легко розчиняються в мало полярних і неполярних органічних розчинниках. Рідкі вуглеводні мають «бензиновий» запах.

Хімічні властивості.

Алкани мають низьку реакційною здатністю (парафіни - «низьку спорідненість»). Їх перетворення здійснюються в жорстких умовах. Причому гомолитически розрив зв'язків вимагає значно менших енергетичних витрат, ніж гетеролітичною розрив, тому для алканів характерні радикальні реакції (заміщення атомів водню, розщеплення вуглецевого скелета, окислення). Однак в полярних середовищах можуть відбуватися гетеролітичні реакції. У звичайних умовах алкани стійкі до дії концентрованих кислот і лугів, окислювачів, лужних металів.

Фізичні властивості алканів

У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (С1 - З 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекан (С 5 - С 17) - рідини, починаючи з З 18 і вище - тверді речовини. У міру збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто з ростом відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння і плавлення алканів.

При однаковому числі атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженим будовою мають більш низькі температури кипіння, ніж нормальні алкани.

Алкани практично нерозчинні в воді, тому що їх молекули малополярни і не взаємодіють з молекулами води. Рідкі алкани легко змішуються один з одним. Вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких, як бензол, Тетрахлорметан і т.п.

будова

Молекула найпростішого алкана - метану - має форму правильного тетраедра, в центрі якого знаходиться атом вуглецю, а в вершинах - атоми водню. Кути між осями зв'язків С-Н становлять 109 ° 28 "(рис. 29).

У молекулах інших граничних вуглеводнів кути між зв'язками (як С-Н, так і С-С) мають таке ж значення. Для опису форми молекул використовується поняття гібридизації атомних орбіталей(Див. Частину I, §6).

У алканах все атоми вуглецю знаходяться в стані sp 3 -гібридизації (рис. 30).

Таким чином, атоми вуглецю в вуглецевого ланцюга не перебувають на одній прямій. Відстань між сусідніми атомами вуглецю (між ядрами атомів) строго фіксоване - це довжина хімічного зв'язку(0,154 нм). Відстань З 1 - З 3, З 2 - З 4 і т.д. (Через один атом) теж постійні, тому що постійний кут між зв'язками - валентний кут.

Відстані між більш віддаленими атомами вуглецю можуть змінюватися (в деяких межах) в результаті обертання навколо s-зв'язків. Таке обертання не порушує перекривання орбіталей, що утворюють s-зв'язок, оскільки цей зв'язок має осьову симетрію.

Різні просторові форми однієї молекули, які утворюються при обертанні груп атомів навколо s-зв'язків, називають конформаціями(Рис. 31).

Конформації розрізняють по енергії, але ця різниця невелика (12-15 кДж / моль). Більш стійкі такі конформації алканів, в яких атоми розташовані можливо далі один від одного (відштовхування електронних оболонок). Перехід від однієї конформації в іншу здійснюється за рахунок енергії теплового руху. Для зображення конформації використовують спеціальні просторові формули (формули Ньюмена).

Не плутати!

Слід розрізняти поняття конформація і конфігурація.

Різні конформації можуть перетворюватися один в одного без розриву хімічних зв'язків. Для перетворення молекули з одного конфігурацією в молекулу з іншою конфігурацією потрібно розрив хімічних зв'язків.

З чотирьох видів ізомеріїдля алканів характерні два: ізомерія вуглецевого скелета і оптична ізомерія (див. частину

Хімічні зв'язку в алканах, їх розрив і утворення визначають хімічні властивості алканів. Зв'язки С-С і С-Н ковалентні, прості (s-зв'язку), практично неполярні, досить міцні, тому:

1) алкани вступають найчастіше в такі реакції, які йдуть з гемолітичним розривом зв'язків;

2) в порівнянні з органічними сполуками інших класів алкани мають низьку реакційною здатністю (їх за це називають парафинами- «позбавленими властивості»). Так, алкани стійкі до дії водних розчинів кислот, лугів і окисників (наприклад, перманганату калію) навіть при кип'ятінні.

Алкани не вступають в реакції приєднання до них інших молекул, тому алкани не мають в своїх молекулах кратних зв'язків.

Алкани піддаються розкладанню при сильному нагріванні в присутності каталізаторів у вигляді платини або нікелю, при цьому від алканів отщепляется водень.

Алкани можуть вступати в реакції ізомеризації. Характерною реакцією для них є реакція заміщення,протікає по радикальному механізму.

Хімічні властивості

Реакції радикального заміщення

Як приклад розглянемо взаємодія алканів з галогенами.Фтор реагує дуже енергійно (як правило, з вибухом) - при цьому рвуться все З-Н і С-С зв'язку, і в результаті утворюються сполуки CF 4 і HF. Практичного значення реакція не має. Йод з алканами не взаємодіє. Реакції з хлором або бромом йдуть або при освітленні, або при сильному нагріванні; при цьому відбувається утворення від моно- до полігалогензамещенних алканів, наприклад:

СН 3 СН 3 + Сl 2 ® hv СН 3-СН 2 -Сl + НСl

Освіта галогенопроізводних метану протікає по ланцюговому свободнорадикальномумеханізму. Під дією світла молекули хлору розпадаються на неорганічні радикали:

Неорганічний радикал Сl. відриває від молекули метану атом водню з одним електроном, утворюючи НС1 і вільний радикал СН 3

Вільний радикал взаємодіє з молекулою хлору Сl 2, утворюючи галогенопроїзводниє і радикал хлору.

Реакція окислення починається з відриву атома водню молекулою кисню (яка являє собою бірадікал) і далі йде як розгалужена ланцюгова реакція. Кількість радикалів в ході реакції збільшується. процес супроводжується

виділенням великої кількості теплоти, рвуться вже не тільки С-Н, але і С-С зв'язку, так що в результаті утворюється оксид вуглецю (IV) і вода. Реакція може протікати як горіння або призводить до вибуху.

2С n Н2 n + 2 + (3n + 1) О2 ®2nСO 2 + (2n + 2) Н 2 O

При звичайній температурі реакція окислення не йде; її можна ініціювати або підпалом, або дією електричного розряду.

При сильному нагріванні (понад 1000 ° С) алкани повністю розкладаються на вуглець і водень. Ця реакція називається пиролизом.

СН 4 ® 1200 ° С + 2Н 2

При м'якому окисленні алканів, зокрема метану, киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота.

Якщо метан пропускати через нагріту зону дуже швидко, а потім відразу охолоджувати водою, то в результаті утворюється ацетилен.

Ця реакція - основа промислового синтезу, який називається крекингом(Неповним розкладанням) метану.

Крекінг гомологів метану проводять при більш низькій температурі (близько 600 ° С). Наприклад, крекінг пропану включає наступні стадії:

Отже, крекінг алканів приводить до утворення суміші алканів і алкенів меншою молекулярної маси.

Нагрівання алканів до 300-350 ° С (крекінг ще не йде) в присутності каталізатора (Pt або Ni) приводить до дегидрированию- отщеплению водню.

При дії розбавленої азотної кислоти на алкани при 140 ° С і невеликому тиску протікає радикальна реакція:

СН 3 СН 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + Н 2 О ізомеризація

При певних умовах алкани нормальної будови можуть перетворюватися в алкани з розгалуженим ланцюгом.

отримання алканів

Розглянемо отримання алканів на прикладі отримання метану. Метан широко поширений в природі. Він є головною складовою частиною багатьох горючих газів, як природних (90-98%), так і штучних, що виділяються при сухій перегонці дерева, торфу, кам'яного вугілля, а також при крекінгу нафти. Природні гази, особливо попутні гази нафтових родовищ, крім метану містять етан, пропан, бутан і пентан.

Метан виділяється з дна боліт і з кам'яновугільних пластів в рудниках, де він утворюється при повільному розкладанні рослинних залишків без доступу повітря. Тому метан часто називають болотним газом або рудниковим газом.

У лабораторії метан отримують при нагріванні суміші ацетату натрію з гідроксидом натрію:

CH 3 COONa + NaOH® 200 ° Na 2 CO 3 + CH 4

або при взаємодії карбіду алюмінію з водою: Аl 4 Сl 3 + 12H 2 O®4Аl (ОН) 3 + 3CH 4

В останньому випадку метан виходить вельми чистим.

Метан може бути отриманий з простих речовин при нагріванні в присутності каталізатора:

З + 2Н 2 ® Ni СН4 8 також синтезом на основі водяного газу

CO + 3H 2 ® Ni CH 4 + H 2 O

Цей спосіб має промислове значення. Однак використовують зазвичай метан природних газів або газів, що утворюються при коксуванні кам'яного вугілля і при переробці нафти.

Гомологи метану, як і метан, в лабораторних умовах отримують прожарювання солей відповідних органічних кислот з лугами. Інший спосіб - реакція Вюрца, тобто нагрівання моногалогенопохідних з металевим натрієм, наприклад:

З 2 Н 5 Br + 2Na + BrC 2 H 6 ® З 2 Н 5 С 2 Н 5 + 2NaBr

В техніці для отримання технічного бензину (суміш вуглеводнів, що містять 6-10 атомів вуглецю) застосовують синтез

з оксиду вуглецю (II) і водню в присутності каталізатора (з'єднання кобальту) і при підвищеному тиску. процес

можна виразити рівнянням

nСО + (2n + 1) Н 2 ® 200 ° C n H 2n + 2 + N Н 2 O

I Отже, основним джерелом алканів служать природний газ і нафту. Однак деякі граничні вуглеводні синтезують з інших з'єднань.

застосування алканів

Велика частина алканів використовується як паливо. крекінг і

Дегидрирование їх призводить до ненасичених вуглеводнів, на

базі яких отримують безліч інших органічних речовин.

Метан - основна частина природних газів (60-99%). До складу

природних газів входять пропан і бутан. рідкі вуглеводні

застосовуються в якості пального в двигунах внутрішнього згоряння а автомашинах, літаках і ін. Очищена суміш рідких

і твердих алканів утворює вазелін. Вищі алкани є

вихідними речовинами при отриманні синтетичних миючих засобів. Алкани, отримані шляхом ізомеризації, використовуються у виробництві високоякісних бензинів і каучуку. Нижче наведена схема застосування метану

Циклоалкани

будова

Циклоалкани - насичені вуглеводні, в молекулах яких є замкнуте кільце з вуглецевих атомів.

Циклоалкани (циклопарафіни) утворюють гомологічний ряд із загальною формулою С n Н 2 n, в якому першим членом є

циклопропан З 3 Н 6, тому що для освіти кільця необхідна наявність не менше трьох атомів вуглецю.

Циклоалкани мають кілька назв: циклопарафіни, нафти, циклани, поліметилен. Приклади деяких з'єднань:

Формула З n Н 2 n характерна для циклопарафинов, і точно така ж формула описує гомологічний ряд алкенів (ненасичених вуглеводнів, що мають одну кратну зв'язок). З цього можна зробити висновок, що кожному циклоалканами ізомерів відповідний алкен - це приклад «міжкласової» ізомерії.

Циклоалкани за розміром циклу діляться на ряд груп, з яких розглянемо дві: малі (С 3, С 4) і звичайні (С5-7) цикли.

Назви циклоалканов будуються шляхом додавання приставки цикло- до назви алкана з відповідним числом атомів вуглецю. Нумерацію в циклі проводять так, щоб заступники отримали найменші номери.

Структурні формули циклоалканов зазвичай записуються в скороченому вигляді, використовуючи геометричну форму циклу і опускаючи символи атомів вуглецю і водню. наприклад:

Структурна ізомерія циклоалканов обумовлена розміром циклу (циклобутану і метілціклопропан - ізомери) і положенням заступників в циклі (наприклад, 1,1- і 1,2-діметілбутан), а також їх будовою.

Просторова ізомерія також характерна для циклоалканов, тому що вона пов'язана з різним розташуванням заступників відносно площини циклу. При розташуванні заступників по одну сторону від площини циклу виходять цис-ізомери, по різні боки - транс-ізомери.

Алкани - сполуки гомологічного ряду метану. Це насичені нециклічні вуглеводні. Хімічні властивості алканів залежать від будови молекули і фізичного стану речовин.

будова алканів

Молекула алкана складається з атомів вуглецю і водню, які утворюють метиленові (-CH 2 -) і метильние (-CH 3) групи. Вуглець може створювати чотири ковалентні неполярні зв'язку з сусідніми атомами. Саме наявність міцних σ-зв'язків -С-С- і -С-Н обумовлює інертність гомологічного ряду алканів.

Мал. 1. Будова молекули алкана.

З'єднання реагують на світлі або при нагріванні. Реакції протікають по ланцюговому (вільно-радикальному) механізму. Таким чином, зв'язку здатні розщеплюватися тільки під дією вільних радикалів. В результаті заміщення водню утворюються галогеналкани, солі, Циклоалкани.

Алкани відносяться до граничних або насиченим вуглецю. Це означає, що молекули містять максимальну кількість атомів водню. Через відсутність вільних зв'язків реакції приєднання для алканів не характерні.

Хімічні властивості

Загальні властивості алканів наведені в таблиці.

*Типи хімічних реакцій*	*опис*	*рівняння*
Галогенування	Реагують з F 2, Cl 2, Br 2. Реакція з йодом не йде. Галогени заміщають атом водню. Реакція з фтором супроводжується вибухом. Хлорування і бромування відбувається при температурі 300-400 ° C. В результаті утворюються галогеналкани	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Нітрування (реакція Коновалова)	Взаємодія з розведеною азотною кислотою при температурі 140 ° C. Атом водню заміщується нітрогрупою NO 2. В результаті утворюються нітроалкани	CH 3 -CH 3 + HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O
сульфохлорування	Супроводжується окисленням з утворенням алкансульфонілхлорідов	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Сульфоокісленіе	Освіта алкансульфонових кислот в надлишку кисню. Атом водню заміщується групою SO 3 H	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Відбувається в присутності каталізатора при високих температурах. В результаті розриву зв'язків С-С утворюються алкани і алкени	C 4 H 10 → C 2 H 6 + C 2 H 4
	В надлишку кисню відбувається повне окислення до вуглекислого газу. При нестачі кисню відбувається неповне окислення з утворенням чадного газу, сажі	CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O
каталітичне окислення	Відбувається часткове окислення алканів при невеликій температурі і в присутності каталізаторів. Можуть утворюватися кетони, альдегіди, спирти, карбонові кислоти	C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O
дегидрирование	Відщеплення водню в результаті розриву зв'язків С-Н в присутності каталізатора (платини, оксиду алюмінію, оксиду хрому) при температурі 400-600 ° С. утворюються алкени	C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
ароматизація	Реакція дегидрирования з утворенням циклоалканов	C 6 H 14 → C 6 H 6 + 4H 2
ізомеризація	Освіта ізомерів під дією температури і каталізаторів	C 5 H 12 → CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3

Щоб розуміти, як проходить реакція та які радикали заміщуються, рекомендується записувати структурні формули.

Мал. 2. Структурні формули.

застосування

Алкани широко застосовуються в промисловій хімії, косметології, будівництві. З сполук виготовляють:

паливо (бензин, гас);
асфальт;
мастила;
вазелін;
парафін;
мило;
лаки;
фарби;
емалі;
спирти;
синтетичні тканини;
каучук;
адьдегіди;
пластмаси;
миючі засоби;
кислоти;
пропелленти;
косметичні засоби.

Мал. 3. Продукція, що отримується з алканів.

Що ми дізналися?

Дізналися про хімічні властивості та застосування алканів. Через міцних ковалентних зв'язків між атомами вуглецю, а також між атомами вуглецю і водню, алкани проявляють інертність. Можливі реакції заміщення і розкладання в присутності каталізатора при високих температурах. Алкани - граничні вуглеводні, тому реакції приєднання неможливі. Алкани використовуються для виробництва матеріалів, миючих засобів, органічних сполук.

Тест по темі

оцінка доповіді

Середня оцінка: 4. Всього отримано оцінок: 68.