Одним из первых типов химических соединений, изучаемых в школьной программе по органической химии, являются алканы. Они относятся к группе предельных (иначе - алифатических) углеводородов. В их молекулах присутствуют только одинарные связи. Атомам углерода свойственна sp³-гибридизация.
Гомологами называют химические вещества, которые имеют общие свойства и химическое строение, но при этом отличающиеся на одну или несколько CH2-групп.
В случае с метаном CH4 можно привести общую формулу для алканов: CnH (2n+2), где n - это количество атомов углерода в соединении.
Приведём таблицу алканов, в которых n находится в пределах от 1 до 10.
Изомерия алканов
Изомерами называют те вещества, молекулярная формула которых совпадает, однако строение или структура отличается.
Для класса алканов характерны 2 типа изомерии: углеродного скелета и оптическая изомерия.
Приведём пример структурного изомера (т. е. вещества, отличающимся лишь строением углеродного скелета) для бутана C4H10.
Оптическими изомерами называют такие 2 вещества, молекулы которых имеют похожую структуру, но не могут быть совмещены в пространстве. Явление оптической или зеркальной изомерии возникает у алканов, начиная с гептана C7H16.
Чтобы дать алкану правильное название, необходимо воспользоваться номенклатурой ИЮПАК . Для этого использоваться следующая последовательность действий:
По приведённому выше плану попробуем дать название следующему алкану.
В обычных условиях неразветвленные алканы с CH4 до C4H10 - это газообразные вещества, начиная с С5Н12 и до C13H28 - жидкие и обладающие специфическим запахом, все последующие - твёрдые. Получается, что с увеличением длины углеродной цепи растут температуры кипения и плавления
. Чем сильнее разветвлена структура алкана, тем при более низкой температуре он кипит и плавится.
Газообразные алканы не обладают цветом. А также все представители этого класса не могут растворяться в воде.
Алканы, имеющие агрегатное состояние газа, могут гореть , при этом пламя будет либо бесцветным, либо обладать бледно-голубым оттенком.
Химические свойства
В обычных условиях алканы достаточно малоактивны. Это объясняется прочностью σ-связей между атомами C-C и C-H. Поэтому необходимо обеспечить специальные условия (например, довольно высокую температуру или свет), чтобы проведение химической реакции стало возможным.
Реакции замещения
К реакциям этого типа относятся галогенирование и нитрование. Галогенирование (взаимодействие с Cl2 или Br2) происходит при нагревании или же под воздействием света. Во время реакции, протекающей последовательно, образуются галогеналканы.
Для примера можно записать реакцию хлорирования этана.
Бромирование будет проходить аналогичным образом.
Нитрование - это реакция со слабым (10%) раствором HNO3 или с оксидом азота (IV) NO2. Условия для проведения реакций - температура 140 °C и давление.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
В результате образуются два продукта - вода и аминокислота.
Реакции разложения
При проведении реакций разложения всегда требуется обеспечивать высокую температуру. Это необходимо для разрыва связей между атомами углерода и водорода .
Так, при проведении крекинга потребуется температура в интервале от 700 до 1000 °C . Во время реакции разрушаются -С-С- связи, образуется новый алкан и алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Исключение - крекинг метана и этана. В результате этих реакций выделяется водород и образуется алкин ацетилен. Обязательным условием является нагревание до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Если превысить температуру в 1000 °C, можно добиться пиролиза с полным разрывом связей в соединении:
Во время пиролиза пропила был получен углерод C, а также выделился водород H2.
Реакции дегидрирования
Дегидрирование (отщепление водорода) происходит по-разному для различных алканов. Условия проведения реакции - температура в пределах от 400 до 600 °C, а также присутствие катализатора, в роли которого могут выступать никель или платина.
Из соединения, в углеродном скелете которого 2 или 3 атома C, образуется алкен:
C2H6 = C2H4 + H2.
Если в цепи молекулы 4-5 атомов углерода, то после дегидрирования получится алкадиен и водород.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Начиная с гексана, во время реакции образуется бензол или производные от него вещества.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Следует также упомянуть реакцию конверсии, проводящуюся для метана при температуре 800 °C и в присутствии никеля:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Для других алканов конверсия нехарактерна.
Окисление и горение
Если алкан, нагретый до температуры не более 200 °C, будет взаимодействовать с кислородом в присутствии катализатора, то в зависимости от прочих условий проведения реакции будут различаться получаемые продукты: это могут быть представители классов альдегидов, карбоновых кислот, спиртов или кетонов.
В случае полного окисления алкан сгорает до конечных продуктов - воды и CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Если во время окисления количество кислорода оказалось недостаточным, конечным продуктом вместо углекислого газа станет уголь или CO.
Проведение изомеризации
Если обеспечить температуру около 100-200 градусов, для неразветвленных алканов становится возможна реакция перегруппировки. Второе обязательное условие для проведения изомеризации - присутствие катализатора AlCl3. В таком случае происходит изменение структуры молекул вещества и образуется его изомер.
Значительную долю алканов получают, выделяя их из природного сырья
. Чаще всего перерабатывают природный газ, главным компонентом, которого является метан или же подвергают крекингу и ректификации нефть.
А также следует вспомнить о химических свойствах алкенов. В 10 классе одним из первых лабораторных способов, изучаемых на уроках химии, является гидрирование непредельных углеводородов.
C3H6 + H2 = C3H8
Например, в результате присоединения водорода к пропилену получается единственный продукт - пропан.
При помощи реакции Вюрца из моногалогеналканов получают алканы, в структурной цепи которых число углеродных атомов удвоено:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Ещё один способ получения - взаимодействие соли карбоновой кислоты со щёлочью при нагревании:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Кроме того, метан иногда получают в электрической дуге (C + 2H2 = CH4) или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Алканы широко применяются в промышленности в качестве низкого по стоимости топлива. А также их используют как сырьё для синтеза других органических веществ. С этой целью обычно применяют метан, необходимый для и синтез-газа. Некоторые другие предельные углеводороды используют, чтобы получать синтетические жиры, а также как основу для смазочных материалов.
Для наилучшего понимания темы «Алканы» создан не один видеоурок, в котором подробно рассмотрены такие темы, как структура вещества, изомеры и номенклатура, а также показаны механизмы химических реакций.
Страница 1
Химические свойства алканов.
Все связи в алканах малополярные, по этому для них характерны радикальные реакции. Отсутствие пи-связей делает невозможными реакции присоединения. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления, горения.
|
Тип и название реакции |
Пример |
|
1. Реакции замещения | |
|
А) с галогенами (с хлором Cl 2 –на свету , Br 2 - при нагревании ) реакция подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова ) - в первую очередь галоген замещает водород у наименее гидрирован ного атом а углерода. Реакция проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода. Труднее всего реагирует иод, и притом реакция не идет до конца, так как, например, при взаимодействии метана с йодом образуется йодистый водород, реагирующий с йодистым метилом с образованием метана и йода(обратимая реакция): |
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 (трихлорметан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан). |
Б)Нитрование (Реакция Коновалова)Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова. О дин из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (нитрогруппа) и выделяется вода | |
|
2. Реакции отщепления | |
|
А) дегидрирование –отщепление водорода. Условия реакции катализатор –платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + Н 2
|
|
Б) крекинг процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С(более прочные связи С–Нпри такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов |
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8 |
|
В) полное термическое разложение |
СН 4 C + 2H 2 |
|
3. Реакции окисления | |
|
А) реакция горения При поджигании (t = 600 o С) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q СН 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитическое окисление - при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–Спримерно в середине молекулы и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. |
Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С 2 –С 3) получают уксусную кислоту |
|
4. Реакции изомеризациих арактерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов. |
С 4 Н 10 C 4 H 10 |
|
5.. Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). |
 |
Способы получения алканов.
Алканы в больших количествах получают из природного газа и нефти.
Из простых веществ в электрическом разряде:
Гидролиз карбида алюминия
Нагревание моногалогеноалканов с металлическим натрием(реакция Вюрца)
Если разные галогеноалканы, то результатом будет смесь трех продуктов:
Декарбоксилирование. Сплавление ацетата натрия со щелочью. Полученный этим способом алкан будет иметь на один атом углерода меньше.
Гидролиз реактива Гриньяра:
Алканы симметричного строения могут быть получены в результате электролиза солей карбоновых кислот. (реакция Кольба)
страница 1
Алканы :
Алканы - это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями. Формула -
Физические свойства :
- Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи
- При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH 4 до C 4 H 10 - газы; с C 5 H 12 до C 13 H 28 - жидкости; после C 14 H 30 - твёрдые тела.
- Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан - жидкость, а неопентан - газ.
Химические свойства:
· Галогенирование
это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атому галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода:
- 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 (трихлорметан)
- CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, забирая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы ·СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.
· Горение
Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:
С n Н 2n +2 +(1,5n +0,5)O 2 = n CO 2 + (n +1)H 2 O
· Разложение
Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.
Примеры:
CH 4 → C + 2H 2 (t > 1000 °C)
C 2 H 6 → 2C + 3H 2
Алкены :
Алкены-это непредельные углеводороды,содержащие в молекуле,кроме одинарных связей,одну двойную углерод-углеродную связь.Формула- C n H 2n
Принадлежность углеводорода к классу алкенов отражают родовым суффиксом –ен в его названии.
Физические свойства :
- Температуры плавления и кипения алкенов (упрощенно) увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
- При нормальных условиях алкены с C 2 H 4 до C 4 H 8 - газы; с C 5 H 10 до C 17 H 34 - жидкости, после C 18 H 36 - твёрдые тела. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Химические свойства :
· Дегидратация -это процесс отщепления молекулы воды от молекулы органического соединения.
· Полимеризация -это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества в крупные молекулы полимера.
Полимер -это высокомолекулярное соединение,молекулы которого состоят из множества одинаковых структурных звеньев.
Алкадиены :
Алкадиены -это непредельные углеводороды, содержащие в молекуле,кроме одинрных связей,дведвойные углерод-углеродные связи.Формула-
. Диены являются структурными изомерамиалкинов.Физические свойства :
Бутадие́н - газ (tкип −4,5 °C), изопрен - жидкость, кипящая при 34 °C, диметилбутадиен - жидкость, кипящая при 70 °C. Изопрен и другие диеновые углеводороды способны полимеризоваться в каучук. Натуральный каучук в очищенном состоянии является полимером с общей формулой (С5Н8)n и получается из млечного сока некоторых тропических растений.
Каучук хорошо растворим в бензоле, бензине, сероуглероде. При низкой температуре становится ломким, при нагревании липким. Для улучшения механических и химических свойств каучука его превращают в резину, подвергая вулканизации. Для получения резиновых изделий сначала их формуют из смеси каучука с серой, а также с наполнителями: сажей, мелом, глиной и некоторыми органическими соединениями, служащими для ускорения вулканизации. Затем изделия нагревают - горячая вулканизация. При вулканизации сера химически связывается с каучуком. Кроме того, в вулканизированном каучуке сера содержится в свободном состоянии в виде мельчайших частиц.
Диеновые углеводороды легко полимеризуются. Реакция полимеризации диеновых углеводородов лежит в основе синтеза каучука. Вступают в реакции присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование):
H 2 C=CH-CH=CH 2 + H 2 -> H 3 C-CH=CH-CH 3
Алкины :
Алкины-этонепредельные углеводороды молекулы которых содержат,помимо одинарных связей,одну тройную углерод-глеродную связь.Формула-C n H 2n-2
Физические свойства :
Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С 4) - газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах.
Алкины плохо растворимы в воде, лучше - в органических растворителях.
Химические свойства :
· Реакции галогенирования
Алкины способны присоединять одну или две молекулы галогена с образованием соответствующих галогенпроизводных:
· Гидратация
В присутствии солей ртути алкины присоединяют воду с образованием ацетальдегида (для ацетилена) или кетона (для прочих алкинов)
Что такое алканы
Алканами в химии называют предельные углеводороды, у которых углеродная цепь является незамкнутой и состоит из углерода, связанных друг с другом при помощи одинарных связей. Также характерной особенностью алканов есть то, что они совсем не содержат двойных либо тройных связей. Порой алканы называют парафинами, дело в том, что парафины собственно и являются смесью предельных углеродов, то есть алканов.
Формула алканов
Формулу алкана можно записать как:
При этом n больше или равно 1.
Алканам свойственна изомерия углеродного скелета. При этом соединения могут принимать разные геометрические формы, как например это показано на картинке ниже.
Изомерия углеродного скелета алканов
С увеличением роста углеродной цепи увеличивается и количество изомеров. Так, например, у бутана есть два изомера.
Получение алканов
Алкан как правило получают различными синтетическими методами. Скажем, один из способов получения алкана предполагает реакцию «гидрирования», когда алканы добываются из ненасыщенных углеводов под воздействием катализатора и при температуре.
Физические свойства алканов
Алканы от других веществ отличаются полным отсутствием цвета, также они не растворим в воде. Температура алканов повышается с увеличением их молекулярной массы и длины углеводородной цепи. То есть чем более разветвленным является алкан, тем у него большая температура горения и плавления. Газообразные алканы и вовсе горят бледно-голубым или бесцветным пламенем, при этом выделяя много тепла.
Химические свойства алканов
Алканы в химическом плане малоактивные вещества, по причине прочности крепких сигма связей С-С и С-Н. При этом связи С-С неполярны, а С-Н малополярны. А так как все это малополяризируемые виды связей, которые относятся к сигма виду, то разрываться они будут по механизму гомолитическому, в результате чего образуются радикалы. И как следствия химические свойства алканов представляют собой в основном реакции радикального замещения.
Так выглядит формула радикального замещения алканов (галогенирование алканов).
Помимо этого также можно выделить такие химические реакции как нитрирование алканов (реакция Коновалова).
Реакция эта протекает при температуре 140 С, причем лучше всего именно с третичным атомом углерода.
Крекинг алканов – эта реакция протекает при действии высоких температур и катализаторов. Тогда создаются условия, когда высшие алканы могут рвать свои связи образуя алканы более низкого порядка.
Окисление алканов – в различных условиях эта химическая реакция может привести к образованию , и уксусной кислоты. При полном окислении реакция протекает вплоть до образования воды и углекислого газа.
Применение алканов
Алканы имеют широкое применение в таких промышленных сферах как синтез нефти, топлива и т. д.
Алканы, видео
И в завершение видео урок о сущности алканов.
Рассмотрим получение и химические свойства алканов. В промышленности основным исходным сырьем для получения алканов служат такие природные источники как нефть и природный газ. Нефть – сложный природный объект, основную массу которого составляют углеводороды (УВ) трех гомологических рядов – алканы, циклоалканы и арены, однако наиболее широко представлены углеводороды смешанного гибридного строения. В составе различных фракций нефти содержатся алканы с числом углеродных атомов от 5 до 30. На 95% природный газ состоит из метана, остальные 5% — примесью этана и пропана.
Алканы выделяют из сырья путем фракционной перегонки, основанной на разности температур кипения. Однако выделение чистых индивидуальных алканов является сложным процессом, поэтому чаще всего получают их смеси. Другим способом их получения является крекинг — термическое разложение углеводородов, в результате которого в углеводородной цепи соединений с более высокой молекулярной массой происходит разрыв углерод-углеродной связи с образованием соединений с более низкой молекулярной массой.
Различают термический крекинг и каталитический крекинг.
Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г. Термический крекинг проводят п ри температуре 450–700 o С. При этом происходит разрыва С–С связей высококипящих алканов с образованием более низкокипящих алканов и алкенов:
C 12 H 26 → C 6 H 14 + C 6 H 12
При температуре более 1000°С происходит разрыв как С–С , так и более прочных С–Н связей.
Каталитический крекинг осуществляется при температуре 500°С, атмосферном давлении в присутствии катализаторов (чаще всего оксидов алюминия и кремния). В этом случае разрыв связей молекул сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования.
Синтетические методы получения алканов
1.Гидрирование ненасыщенных углеводородов .
Реакцию осуществляют в присутствии катализаторов (Ni, Pd) при нагревании:
СН 3 -СН=СН-СН 3 + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3
бутан бутен-2
СН з -C≡С-СН 3 + 2Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН
бутин-2 бутан
2.Дегалогенирование моногалогенпроизводных алканов.
В присутствии металлического натрия нагревание моногалогензамещенных алканов приводит к образованию алканов с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):
СН 3 -СН-СН-СН 2 -Cl + 2Na + Cl-СН 2 -СН-СН-СН 3 → СН 3 -СН-СН-СН 2 -СН 2 -СН-СН-СН 3 + 2NaCl.
3.Сплавление безводных солей карбоновых кислот с щелочами. При получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот (реакция Дюма):
CH 3 -CH 2 -COONa + NaOH→СН 3 -СН 3 + Na 2 CO 3
4.Получение смеси алканов из синтез-газа (СО + Н2) :
nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2n+2 + nH 2 O
5.Электролиз раствора солей карбоновых кислот (синтез Кольбе).