Alkanai reaguoja su vandeniliu. Tarptautinė alkanų nomenklatūra. Alkanai: struktūra, savybės. Aromatinių angliavandenilių cheminės savybės

Ribiniai angliavandeniliai yra junginiai, kurie yra molekulės, susidedančios iš sp 3 hibridizacijos būsenos anglies atomų. Juos jungia tik kovalentiniai sigma ryšiai. Pavadinimas „sotieji“ arba „sotieji“ angliavandeniliai kilo dėl to, kad šie junginiai neturi galimybės prijungti jokių atomų. Jie yra galutiniai, visiškai prisotinti. Išimtis yra cikloalkanai.

Kas yra alkanai?

Alkanai yra sotieji angliavandeniliai, o jų anglies grandinė yra atvira ir susideda iš anglies atomų, sujungtų viengubais ryšiais. Jame nėra kitų (ty dvigubų, kaip alkenuose, arba trigubų, kaip alkiluose) jungčių. Alkanai taip pat vadinami parafinais. Jie gavo šį pavadinimą, nes gerai žinomi parafinai yra daugiausia šių sočiųjų angliavandenilių C 18-C 35 mišinys, turintis ypatingą inertiškumą.

Bendra informacija apie alkanus ir jų radikalus

Jų formulė: C n P 2 n +2, čia n yra didesnis arba lygus 1. Molinė masė apskaičiuojama pagal formulę: M = 14n + 2. Būdingas bruožas: galūnės jų pavadinimuose yra „-an“ . Jų molekulių liekanos, susidarančios pakeitus vandenilio atomus kitais atomais, vadinamos alifatiniais radikalais arba alkilais. Jie žymimi raide R. Bendroji vienavalenčių alifatinių radikalų formulė: C n P 2 n +1, čia n yra didesnis arba lygus 1. Alifatinių radikalų molinė masė apskaičiuojama pagal formulę: M = 14n + 1. Būdingas alifatinių radikalų bruožas: pavadinimų galūnės „- dumblas“. Alkanų molekulės turi savo struktūrines savybes:

• C-C jungtis pasižymi 0,154 nm ilgiu;
• C-H jungtis pasižymi 0,109 nm ilgiu;
• ryšio kampas (kampas tarp anglies-anglies ryšių) yra 109 laipsniai ir 28 minutės.

Alkanai pradeda homologines serijas: metanas, etanas, propanas, butanas ir kt.

Alkanų fizinės savybės

Alkanai yra bespalvės ir vandenyje netirpios medžiagos. Temperatūra, kurioje alkanai pradeda lydytis, ir temperatūra, kurioje jie verda, didėja proporcingai didėjant molekulinei masei ir angliavandenilių grandinės ilgiui. Nuo mažiau šakotų iki labiau šakotų alkanų virimo ir lydymosi temperatūra mažėja. Dujiniai alkanai gali degti blyškiai mėlyna arba bespalve liepsna ir išsiskiria gana daug šilumos. CH 4 -C 4 H 10 yra dujos, kurioms taip pat trūksta kvapo. C 5 H 12 -C 15 H 32 yra skysčiai, turintys specifinį kvapą. C 15 H 32 ir tt yra kietos medžiagos, kurios taip pat yra bekvapės.

Alkanų cheminės savybės

Šie junginiai yra chemiškai neaktyvūs, tai galima paaiškinti sunkiai nutrūkstančių sigma ryšių – C-C ir C-H – stiprumu. Taip pat verta atsižvelgti į tai, kad C-C jungtys yra nepolinės, o C-H yra šiek tiek polinės. Tai yra mažai poliarizuojami ryšių tipai, susiję su sigmos tipu, todėl jie greičiausiai nutrūksta pagal homolizinį mechanizmą, dėl kurio susidarys radikalai. Taigi alkanų cheminės savybės daugiausia apsiriboja radikalų pakeitimo reakcijomis.

Nitravimo reakcijos

Alkanai sąveikauja tik su 10% koncentracijos azoto rūgštimi arba su keturvalenčiu azoto oksidu dujinėje terpėje 140°C temperatūroje. Alkanų nitrinimo reakcija vadinama Konovalovo reakcija. Dėl to susidaro nitro junginiai ir vanduo: CH 4 + azoto rūgštis (praskiesta) \u003d CH 3 - NO 2 (nitrometanas) + vanduo.

Degimo reakcijos

Ribiniai angliavandeniliai labai dažnai naudojami kaip kuras, o tai pateisinama jų gebėjimu degti: C n P 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n CO 2 .

Oksidacijos reakcijos

Alkanų cheminės savybės taip pat apima jų gebėjimą oksiduotis. Priklausomai nuo to, kokios sąlygos lydi reakciją ir kaip jos keičiamos, iš tos pačios medžiagos galima gauti skirtingus galutinius produktus. Nestipriai oksiduojant metaną deguonimi esant katalizatoriui, kuris pagreitina reakciją, ir esant maždaug 200 °C temperatūrai, gali susidaryti šios medžiagos:

1) 2CH 4 (deguonies oksidacija) = 2CH 3 OH (alkoholis – metanolis).

2) CH 4 (oksidacija deguonimi) \u003d CH 2 O (aldehidas - metanalis arba formaldehidas) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oksidacija deguonimi) \u003d 2HCOOH (karboksirūgštis - metanas arba skruzdžių rūgštis) + 2H 2 O.

Taip pat alkanų oksidacija gali būti atliekama dujinėje arba skystoje terpėje su oru. Dėl tokių reakcijų susidaro aukštesni riebalų alkoholiai ir atitinkamos rūgštys.

Ryšys su šiluma

Esant ne aukštesnei kaip + 150–250 ° C temperatūrai, būtinai esant katalizatoriui, įvyksta organinių medžiagų struktūrinis pertvarkymas, kurį sudaro atomų sujungimo tvarkos pakeitimas. Šis procesas vadinamas izomerizacija, o reakcijos metu gautos medžiagos – izomerai. Taigi iš normalaus butano gaunamas jo izomeras izobutanas. Esant 300–600 ° C temperatūrai ir esant katalizatoriui, C-H ryšiai nutrūksta susidarant vandenilio molekulėms (dehidrogenavimo reakcijos), vandenilio molekulėms užsidarius anglies grandinei cikle (alkanų ciklizacijos arba aromatinimo reakcijos):

1) 2CH4 \u003d C2H4 (etenas) + 2H2.

2) 2CH4 \u003d C2H2 (etinas) + 3H2.

3) C 7 H 16 (normalus heptanas) \u003d C 6 H 5 - CH 3 (toluenas) + 4H 2.

Halogeninimo reakcijos

Tokios reakcijos susideda iš halogenų (jų atomų) įvedimo į organinės medžiagos molekulę, dėl kurios susidaro C-halogeno jungtis. Alkanams reaguojant su halogenais susidaro halogeno dariniai. Ši reakcija turi specifinių savybių. Jis vyksta radikaliu mechanizmu, o norint jį inicijuoti, reikia paveikti halogenų ir alkanų mišinį ultravioletine spinduliuote arba tiesiog šildyti. Alkanų savybės leidžia halogeninimo reakcijai vykti tol, kol pasiekiamas visiškas pakeitimas halogeno atomais. Tai reiškia, kad metano chlorinimas nesibaigs vienu etapu ir metilchlorido gamyba. Reakcija vyks toliau, susidarys visi galimi pakaitų produktai, pradedant chlormetanu ir baigiant anglies tetrachloridu. Chlorui tokiomis sąlygomis veikiant kitus alkanus, susidarys įvairūs produktai, gaunami pakeitus vandenilį įvairiuose anglies atomuose. Temperatūra, kurioje vyksta reakcija, nulems galutinių produktų santykį ir jų susidarymo greitį. Kuo ilgesnė alkano angliavandenilių grandinė, tuo lengviau vyks ši reakcija. Halogeninant pirmiausia pakeičiamas mažiausiai hidrintas (tretinis) anglies atomas. Pirminis reaguos po visų kitų. Halogeninimo reakcija vyks etapais. Pirmajame etape pakeičiamas tik vienas vandenilio atomas. Alkanai nereaguoja su halogeno tirpalais (chloro ir bromo vandeniu).

Sulfochlorinimo reakcijos

Alkanų chemines savybes papildo ir sulfochlorinimo reakcija (ji vadinama Reed reakcija). Veikiami ultravioletinių spindulių, alkanai gali reaguoti su chloro ir sieros dioksido mišiniu. Dėl to susidaro vandenilio chloridas, taip pat alkilo radikalas, kuris sieros dioksidą prijungia prie savęs. Rezultatas yra sudėtingas junginys, kuris tampa stabilus dėl chloro atomo gaudymo ir kitos jo molekulės sunaikinimo: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultravioletinė spinduliuotė = R-SO 2 Cl + HCl. Reakcijos metu susidarę sulfonilchloridai plačiai naudojami paviršinio aktyvumo medžiagų gamyboje.

Paprasčiausi organiniai junginiai yra angliavandeniliai sudarytas iš anglies ir vandenilio. Priklausomai nuo angliavandenilių cheminių jungčių pobūdžio ir santykio tarp anglies ir vandenilio, jie skirstomi į sočiuosius ir nesočiuosius (alkenus, alkinus ir kt.)

ribojantis Angliavandeniliai (alkanai, metano serijos angliavandeniliai) yra anglies ir vandenilio junginiai, kurių molekulėse kiekvienas anglies atomas praleidžia ne daugiau kaip vieną valentą ryšiui su bet kuriuo kitu gretimu atomu, o visus valentus, kurie nėra skirti ryšiui su anglimi. yra prisotinti vandenilio. Visi alkanuose esantys anglies atomai yra sp 3 būsenos. Ribiniai angliavandeniliai sudaro homologinę seriją, kuri apibūdinama bendra formule NUO n H 2n+2. Šios serijos protėvis yra metanas.

Izomerizmas. Nomenklatūra.

Alkanai, kurių n = 1,2,3, gali egzistuoti tik kaip vienas izomeras

Pradedant nuo n=4, atsiranda struktūrinės izomerijos reiškinys.

Alkanų struktūrinių izomerų skaičius sparčiai didėja didėjant anglies atomų skaičiui, pavyzdžiui, pentanas turi 3 izomerus, heptanas – 9 ir t.t.

Alkano izomerų skaičius taip pat didėja dėl galimų stereoizomerų. Pradedant nuo C7H16, gali egzistuoti chiralinės molekulės, kurios sudaro du enantiomerus.

Alkanų nomenklatūra.

Dominuojanti nomenklatūra yra IUPAC nomenklatūra. Tuo pačiu metu jame yra trivialių pavadinimų elementų. Taigi, pirmieji keturi homologinės alkanų serijos nariai turi trivialius pavadinimus.

CH 4 – metanas

C 2 H 6 - etanas

C 3 H 8 - propanas

C 4 H 10 - butanas.

Likusių homologų pavadinimai yra kilę iš graikiškų lotyniškų skaitmenų. Taigi šiems normalios (nešakotosios) struktūros serijos nariams naudojami pavadinimai:

C5H12 – pentanas, C6H14 – heksanas, C7H18 – heptanas,

C 14 H 30 – tetradekanas, C 15 H 32 – pentadekanas ir kt.

Pagrindinės šakotųjų alkanų IUPAC taisyklės

a) pasirinkti ilgiausią nešakotą grandinę, kurios pavadinimas yra pagrindas (šaknis). Prie šio kamieno pridedama priesaga „an“.

b) sunumeruokite šią grandinę pagal mažiausios vietos principą,

c) pakaitalas nurodomas priešdėlių forma abėcėlės tvarka, nurodant vietą. Jei pirminėje struktūroje yra keli identiški pakaitalai, tada jų skaičius nurodomas graikiškais skaitmenimis.

Priklausomai nuo kitų anglies atomų, su kuriais nagrinėjamas anglies atomas yra tiesiogiai susijęs, skaičiaus, išskiriami pirminiai, antriniai, tretiniai ir ketvirtiniai anglies atomai.

Kaip pakaitai šakotuose alkanuose atsiranda alkilo grupės arba alkilo radikalai, kurie laikomi vieno vandenilio atomo pašalinimo iš alkano molekulės rezultatu.

Alkilo grupių pavadinimas susidaro iš atitinkamų alkanų pavadinimo, paskutinę galūnę „an“ pakeičiant galūne „il“.

CH 3 - metilas

CH 3 CH 2 - etilas

CH 3 CH 2 CH 2 - propilas

Šakotųjų alkilo grupių pavadinimams taip pat naudojamas grandinės numeravimas:

Pradedant nuo etano, alkanai gali sudaryti konformerius, kurie atitinka trukdomą konformaciją. Galimybę pereiti iš vienos trukdomos konformacijos į kitą per užtemdytą konformaciją lemia sukimosi barjeras. Konformacinės analizės uždaviniai yra konformerių struktūros, sudėties ir sukimosi barjerų nustatymas. Alkanų gavimo būdai.

1. Frakcinis gamtinių dujų arba naftos benzino frakcijos distiliavimas. Tokiu būdu galima išskirti atskirus alkanus, turinčius iki 11 anglies atomų.

2. Anglies hidrinimas. Procesas vykdomas esant katalizatoriams (molibdeno oksidams ir sulfidams, volframui, nikeliui) 450-470 C temperatūroje ir iki 30 MPa slėgyje. Anglis ir katalizatorius sumalami į miltelius ir hidrinami suspensijoje, per suspensiją burbuliuojant vandenilį. Gauti alkanų ir cikloalkanų mišiniai naudojami kaip variklių kuras.

3. CO ir CO hidrinimas 2 .

CO + H 2  alkanai

CO 2 + H 2  alkanai

Šių reakcijų katalizatoriai naudojami Co, Fe ir kt.. d – elementai.

4.Alkenų ir alkinų hidrinimas.

5.organometalinė sintezė.

a). Wurtz sintezė.

2RHal + 2Na  R R + 2NaHal

Ši sintezė yra mažai naudinga, jei kaip organiniai reagentai naudojami du skirtingi halogenalkanai.

b). Grignardo reagentų protolizė.

R Hal + Mg  RMgHal

RMgHal + HOH  RH + Mg(OH)Hal

in). Ličio dialkilkupratų (LiR 2 Cu) sąveika su alkilhalogenidais

LiR 2 Cu + R X  R R + RCu + LiX

Patys ličio dialkilkupratai gaunami dviejų pakopų metodu

2R Li + CuI  LiR 2 Cu + LiI

6. Karboksirugščių druskų elektrolizė (Kolbės sintezė).

2RCOONa + 2H 2 O  R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2

7. Karboksirūgščių druskų lydymas su šarmais.

Reakcija naudojama žemesniųjų alkanų sintezei.

8.Karbonilo junginių ir halogenalkanų hidrogenolizė.

a). karbonilo junginiai. Clemmens sintezė.

b). Halogenalkanai. katalizinė hidrogenolizė.

Ni, Pt, Pd naudojami kaip katalizatoriai.

c) halogenalkanai. Reaktyvus atkūrimas.

RHal + 2HI  RH + HHal + I 2

Alkanų cheminės savybės.

Visi alkanuose esantys ryšiai yra mažo poliškumo, todėl jiems būdingos radikalios reakcijos. Dėl pi jungčių nebuvimo sudėjimo reakcijos tampa neįmanomos. Alkanams būdingos pakeitimo, pašalinimo ir degimo reakcijos.

Halogeninimo reakcijos mechanizmas:

Halogeninimas

Alkanų halogeninimas vyksta radikaliu mechanizmu. Norint pradėti reakciją, alkano ir halogeno mišinys turi būti apšvitintas UV šviesa arba kaitinamas. Metano chlorinimas nesibaigia metilo chlorido gavimo stadijoje (jei imamas ekvimolinis chloro ir metano kiekis), bet susidaro visi galimi pakaitos produktai – nuo ​​metilo chlorido iki anglies tetrachlorido. Chloruojant kitus alkanus susidaro vandenilio pakeitimo produktų mišinys skirtinguose anglies atomuose. Chlorinimo produktų santykis priklauso nuo temperatūros. Pirminių, antrinių ir tretinių atomų chlorinimo greitis priklauso nuo temperatūros, žemoje temperatūroje greitis mažėja eilėse: tretinis, antrinis, pirminis. Kylant temperatūrai, greičių skirtumas mažėja, kol tampa toks pat. Be kinetinio faktoriaus, chlorinimo produktų pasiskirstymui įtakos turi ir statistinis veiksnys: chloro atakos tretiniam anglies atomui tikimybė yra 3 kartus mažesnė nei pirminio ir du kartus mažesnė nei antrinio. Taigi alkanų chlorinimas yra nestereoselektyvi reakcija, išskyrus atvejus, kai galimas tik vienas monochlorinimo produktas.

Halogeninimas yra viena iš pakeitimo reakcijų. Alkanų halogeninimas paklūsta Markovniko taisyklei (Markovnikovo taisyklės) – pirmiausia halogeninamas mažiausiai hidrintas anglies atomas. Alkanų halogeninimas vyksta etapais – per vieną etapą halogeninamas ne daugiau kaip vienas vandenilio atomas.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlormetanas)

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormetanas)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (trichlormetanas)

CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (tetrachlormetanas).

Veikiant šviesai, chloro molekulė skyla į atomus, tada jie puola metano molekules, atplėšdami jų vandenilio atomą, dėl ko susidaro metilo radikalai CH 3, kurie susiduria su chloro molekulėmis, jas sunaikindami ir sudarydami naujus radikalus. .

Nitravimas (Konovalovo reakcija)

Alkanai reaguoja su 10% azoto rūgšties arba azoto oksido N 2 O 4 tirpalu dujų fazėje, esant 140 ° temperatūrai ir žemam slėgiui, sudarydami nitro darinius. Reakcija taip pat paklūsta Markovnikovo taisyklei.

RH + HNO 3 \u003d RNO 2 + H 2 O

y., vienas iš vandenilio atomų pakeičiamas NO 2 liekana (nitrogrupe) ir išsiskiria vanduo.

Izomerų struktūrinės ypatybės stipriai įtakoja šios reakcijos eigą, nes SI liekanoje vandenilio atomas lengviausiai pakeičiamas nitrogrupe (galima tik kai kuriuose izomeruose), vandenilis yra ne taip lengvai pakeičiamas CH. 2 grupėje ir dar sunkiau – CH 3 liekanoje.

Parafinai gana lengvai nitrinami dujinėje fazėje 150-475°C temperatūroje azoto dioksidu arba azoto rūgšties garais; kartu pasireiškia iš dalies ir. oksidacija. Nitruojant metaną gaunamas beveik vien tik nitrometanas:

Visi turimi duomenys rodo laisvųjų radikalų mechanizmą. Dėl reakcijos susidaro produktų mišiniai. Azoto rūgštis įprastoje temperatūroje beveik neturi įtakos parafininiams angliavandeniliams. Kaitinamas, jis daugiausia veikia kaip oksidatorius. Tačiau, kaip nustatė M. I. Konovalovas (1889), kaitinama azoto rūgštis iš dalies veikia „nitruojančiai“; nitrinimo reakcija su silpna azoto rūgštimi ypač gerai vyksta kaitinant ir esant padidintam slėgiui. Nitrinimo reakcija išreiškiama lygtimi.

Homologai po metano sudaro skirtingų nitroparafinų mišinį dėl lydinčio skilimo. Nitrinus etaną, gaunamas nitroetanas CH 3 -CH 2 -NO 2 ir nitrometanas CH 3 -NO 2. Iš propano susidaro nitropafinų mišinys:

Dabar parafinų nitravimas dujų fazėje vykdomas pramoniniu mastu.

Sulfachlorinimas:

Praktiškai svarbi reakcija yra alkanų sulfochlorinimas. Kai alkanas sąveikauja su chloru ir sieros dioksidu švitinimo metu, vandenilis pakeičiamas chlorosulfonilo grupe:

Šios reakcijos žingsniai yra šie:

Cl+R:H→R+HCl

R + SO 2 → RSO 2

RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl

Alkansulfonchloridai lengvai hidrolizuojami iki alkansulfoksilatų (RSO 2 OH), kurių natrio druskos (RSO 3 ¯ Na + - natrio alkano sulfonatas) pasižymi panašiomis savybėmis kaip muilai ir yra naudojamos kaip plovikliai.

Fizinės savybės. Normaliomis sąlygomis pirmieji keturi homologinės alkanų serijos nariai (C 1 - C 4) yra dujos. Įprasti alkanai nuo pentano iki heptadekano ( C5 - C17 ) - skysčiai, pradedant nuo C 18 ir daugiau - kietos medžiagos. Didėjant anglies atomų skaičiui grandinėje, t.y. didėjant santykinei molekulinei masei, didėja alkanų virimo ir lydymosi taškai. Tam pačiam anglies atomų skaičiui molekulėje šakotieji alkanai turi žemesnę virimo temperatūrą nei įprasti alkanai.

Alkanaipraktiškai netirpsta vandenyje, kadangi jų molekulės yra mažo poliškumo ir nesąveikauja su vandens molekulėmis, gerai tirpsta nepoliniuose organiniuose tirpikliuose, tokiuose kaip benzenas, anglies tetrachloridas ir kt. Skystieji alkanai lengvai susimaišo vienas su kitu.

Pagrindiniai natūralūs alkanų šaltiniai yra nafta ir gamtinės dujos. Įvairiose aliejaus frakcijose yra alkanų iš C5H12 iki C 30 H 62. Gamtinės dujos susideda iš metano (95%) su etano ir propano mišiniu.

Iš sintetiniai gavimo būdai alkanai galima išskirti šiuos dalykus:

vienas . Gaunama iš nesočiųjų angliavandenilių. Alkenų arba alkinų sąveika su vandeniliu („hidrinimas“) vyksta esant metaliniams katalizatoriams (/>Ni, Pd ) adresu
šildymas:

CH s - C ≡ CH+ 2H2 → CH3-CH2-CH3.

2. Gaunasi iš halogenams laidūs. Kaitinant monohalogenintus alkanus su natrio metalu, gaunami dvigubai daugiau anglies atomų turintys alkanai (Wurtz reakcija): />

C 2 H 5 Br + 2 Na + Br - C 2 H 5 → C 2 H 5 - C 2 H 5 + 2 NaBr.

Panaši reakcija neatliekama su dviem skirtingais halogeninti alkanai, nes taip susidaro trijų skirtingų alkanų mišinys

3 . Gaunama iš karboksirūgščių druskų. Kai bevandenės karboksirūgšties druskos sulydomos su šarmais, gaunami alkanai, turintys vienu anglies atomu mažiau, palyginti su pradinių karboksirūgščių anglies grandine: />

4. Metano gavimas. Vandenilio atmosferoje degant elektros lankui susidaro nemažas metano kiekis: />

C + 2H 2 → CH 4 .

Ta pati reakcija vyksta, kai anglis kaitinama vandenilio atmosferoje iki 400–500 °C, esant padidintam slėgiui, esant katalizatoriui.

Laboratorinėmis sąlygomis metanas dažnai gaunamas iš aliuminio karbido:

A l 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4A l (OH) 3 .

Cheminės savybės. Normaliomis sąlygomis alkanai yra chemiškai inertiški. Jie yra atsparūs daugelio reagentų veikimui: nesąveikauja su koncentruotomis sieros ir azoto rūgštimis, su koncentruotais ir išlydytais šarmais, jų neoksiduoja stiprūs oksidatoriai – kalio permanganatas.KMn Apie 4 ir pan.

Cheminis alkanų stabilumas yra dėl didelio stiprumos-C-C ir C-H ryšiai, taip pat jų nepoliškumas. Nepolinės C-C ir C-H jungtys alkanuose nėra linkusios į joninį skilimą, tačiau gali skilti homolitiškai, veikiant aktyviems laisviesiems radikalams. Todėl alkanams būdingos radikalinės reakcijos, kurių metu gaunami junginiai, kuriuose vandenilio atomai pakeičiami kitais atomais ar atomų grupėmis. Todėl alkanai vyksta į reakcijas, vykstančias pagal radikalų pakeitimo mechanizmą, pažymėtą simboliu S R ( iš anglų kalbos, pakeitimas radikalus). Pagal šį mechanizmą vandenilio atomai lengviausiai pakeičiami tretiniais, vėliau antriniais ir pirminiais anglies atomais.

1. Halogeninimas. Kai alkanai reaguoja su halogenais (chloru ir bromu) veikiant UV spinduliuotei arba aukštai temperatūrai, susidaro produktų mišinys nuo mono- iki polihalogeninti alkanai. Bendra šios reakcijos schema parodyta naudojant metaną kaip pavyzdį: />

b) Grandinės augimas. Chloro radikalas atima vandenilio atomą iš alkano molekulės:

Cl+ CH 4 → HC/> l + CH 3

Tokiu atveju susidaro alkilo radikalas, kuris atima chloro atomą iš chloro molekulės:

CH 3 + C l 2 → CH 3 C l + C l·

Šios reakcijos kartojamos tol, kol grandinė nutrūksta vienoje iš šių reakcijų:

Cl· + Cl→ C l /> 2, CH 3 + CH 3 → C 2 H 6, CH 3 + Cl· → CH 3 С l ·

Bendra reakcijos lygtis:

Gautas chlormetanas gali būti toliau chloruojamas ir gaunamas produktų mišinys CH 2 Cl 2, CHCl 3, SS l 4 pagal schemą (*).

Grandinės teorijos raida laisvųjų radikalų reakcija yra glaudžiai susijusi su iškilaus rusų mokslininko, Nobelio premijos laureato N. I. vardu. Semenovas (1896-1986).

2. Nitravimas (Konovalov reakcija). Praskiesta azoto rūgštimi veikiant alkanus 140 ° C temperatūroje ir žemame slėgyje, vyksta radikali reakcija: />

Radikaliosiose reakcijose (halogeninimas, nitrinimas) pirmiausia vandenilio atomai susimaišo ties tretiniu, paskui antriniu ir pirminiu anglies atomais.Tai paaiškinama tuo, kad lengviausiai homolitiškai nutrūksta tretinio anglies atomo ryšys su vandeniliu (ryšio energija 376 kJ / mol), tada antrinis (390 kJ / mol) ir tik tada pirminis (415 kJ / mol). mol).

3. Izomerizacija. Tam tikromis sąlygomis normalūs alkanai gali virsti šakotosios grandinės alkanais: />

4. Krekingas – tai hemolizinis C-C ryšių plyšimas, atsirandantis kaitinant ir veikiant katalizatoriams.
Krekingo aukštesni alkanai susidaro alkenai ir žemesnieji alkanai; krekingo metanas ir etanas susidaro acetilenas: />

C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + C 4 H 8,/>

2CH 4 → C 2 H 2 + ZH 2,

C 2 H 6 → C 2 H 2 + 2H 2.

Šios reakcijos turi didelę pramoninę reikšmę. Tokiu būdu aukštai verdančios alyvos frakcijos (mazutas) paverčiamos benzinu, žibalu ir kitais vertingais produktais.

5. Oksidacija. Lengvai oksiduojant metaną atmosferos deguonimi, esant įvairiems katalizatoriams, galima gauti metilo alkoholį, formaldehidą ir skruzdžių rūgštį:

Minkšta katalizinė butano oksidacija atmosferos deguonimi yra vienas iš pramoninių acto rūgšties gamybos būdų:

t°
2 C 4/> H/> 10 + 5 O/> 2 → 4 CH/> 3 COOH/> + 2 H 2 O .
katė

Ore alkanai sudeginti iki CO 2 ir H 2 O: />

C n H 2 n +2 + (Z n+ 1) / 2O 2 \u003d n CO 2 + (n + 1) H 2 O.

ALKANAS (sotieji angliavandeniliai, parafinai)

• Alkanai yra alifatiniai (acikliniai) sotieji angliavandeniliai, kuriuose anglies atomai yra sujungti paprastais (viengubais) ryšiais į nešakotas arba šakotas grandines.

Alkanai- sočiųjų angliavandenilių pavadinimas pagal tarptautinę nomenklatūrą.
Parafinai- istoriškai nusistovėjęs pavadinimas, atspindintis šių junginių savybes (iš lot. parrum affinis- mažai giminingas, neaktyvus).
ribojantis, arba turtingas, šie angliavandeniliai pavadinti dėl visiško anglies grandinės prisotinimo vandenilio atomais.

Paprasčiausi alkanų atstovai:

Molekulių modeliai:

Palyginus šiuos junginius, akivaizdu, kad jie skiriasi vienas nuo kito grupe -CH2- (metilenas). Dar vienos grupės pridėjimas prie propano -CH2-, gauname butaną C 4 H 10, tada alkanai C5H12, C6H14 ir tt

Dabar galite gauti bendrą alkanų formulę. Anglies atomų skaičius alkanų serijoje bus laikomas n , tada vandenilio atomų skaičius bus 2n+2 . Todėl alkanų sudėtis atitinka bendrą formulę C n H 2n+2.
Todėl dažnai vartojamas toks apibrėžimas:

Alkanai- angliavandeniliai, kurių sudėtis išreiškiama bendra formule C n H 2n+2, kur n yra anglies atomų skaičius.

Alkanų struktūra

Cheminė struktūra(atomų jungimosi molekulėse tvarka) iš paprasčiausių alkanų – metano, etano ir propano – parodytos jų struktūrinės formulės, pateiktos 2 skyriuje. Iš šių formulių matyti, kad alkanuose yra dviejų tipų cheminiai ryšiai:

S–S ir S–N.

C-C ryšys yra kovalentinis nepolinis. C–H ryšys yra kovalentinis, silpnai polinis, nes anglies ir vandenilio elektronegatyvumas yra artimas (2,5 anglies ir 2,1 vandenilio). Kovalentinių ryšių susidarymą alkanuose dėl bendrų anglies ir vandenilio atomų elektronų porų galima parodyti naudojant elektronines formules:

Elektroninės ir struktūrinės formulės atspindi cheminė struktūra, bet nesuvokia erdvinė molekulių struktūra, kuris labai paveikia medžiagos savybes.

Erdvinė struktūra, t.y. abipusis molekulės atomų išsidėstymas erdvėje priklauso nuo šių atomų atominių orbitalių (AO) krypties. Angliavandeniliuose pagrindinis vaidmuo tenka anglies atominių orbitalių erdvinei orientacijai, nes vandenilio atomo sferinis 1s-AO neturi konkrečios orientacijos.

Anglies AO erdvinis išsidėstymas savo ruožtu priklauso nuo jo hibridizacijos tipo (I dalis, 4.3 skirsnis). Alkanuose esantis prisotintas anglies atomas yra prijungtas prie keturių kitų atomų. Todėl jo būsena atitinka sp 3 hibridizaciją (I dalis, 4.3.1 skirsnis). Šiuo atveju kiekvienas iš keturių sp 3 -hibridinių anglies AO dalyvauja ašiniu (σ-) sutapimu su vandenilio s-AO arba su kito anglies atomo sp 3 -AO, sudarydamas σ-jungtis С-Н arba С. -С.

Keturios anglies σ ryšiai yra nukreipti erdvėje 109 apie 28 " kampu, o tai atitinka mažiausią elektronų atstūmimą. Todėl paprasčiausio alkanų atstovo - metano CH 4 - molekulė turi tetraedro formą, t. kurių centre yra anglies atomas, o viršūnėse - vandenilio atomai:

H-C-H ryšio kampas yra 109 o 28". Erdvinė metano struktūra gali būti parodyta naudojant tūrinius (mastelinius) ir rutulio ir lazdos modelius.

Įrašymui patogu naudoti erdvinę (stereocheminę) formulę.

Kito homologo molekulėje - etanas C 2 H 6 - dvi tetraedrinės sp 3 anglies atomai sudaro sudėtingesnę erdvinę struktūrą:

Alkanai, turintys daugiau nei 2 anglies atomus, pasižymi išlenktomis formomis. Tai galima parodyti pavyzdžiu n-butanas (VRML modelis) arba n-pentanas:

Alkanų izomerizmas

• Izomerizmas yra reiškinys, kai egzistuoja junginiai, kurių sudėtis yra tokia pati (ta pati molekulinė formulė), bet skirtinga struktūra. Tokios jungtys vadinamos izomerai.

Atomų jungimosi eilės molekulėse (t. y. cheminėje struktūroje) skirtumai lemia struktūrinė izomerija. Struktūrinių izomerų struktūrą atspindi struktūrinės formulės. Alkanų serijoje struktūrinė izomerija pasireiškia, kai grandinėje yra 4 ir daugiau anglies atomų, t.y. pradedant butanu C 4 H 10 .
Jei tos pačios sudėties ir tos pačios cheminės struktūros molekulėse įmanomas skirtingas atomų tarpusavio išsidėstymas erdvėje, tada erdvinė izomerija (stereoizomerija). Šiuo atveju struktūrinių formulių naudojimo neužtenka ir reikėtų naudoti molekulinius modelius arba specialias formules – stereochemines (erdvines) arba projekcines.

Alkanai, pradedant nuo etano H 3 C – CH 3, egzistuoja įvairiomis erdvinėmis formomis ( konformacijos) sukelia intramolekulinis sukimasis išilgai C–C σ-jungčių ir pasižymi vadinamuoju. rotacinė (konformacinė) izomerija.

Be to, jei molekulėje yra anglies atomas, susietas su 4 skirtingais pakaitais, galimas kitas erdvinės izomerijos tipas, kai du stereoizomerai yra susiję vienas su kitu kaip objektas ir jo veidrodinis vaizdas (panašiai kaip kairė ranka yra susijusi su teisingai). Tokie molekulių sandaros skirtumai vadinami optinė izomerija.

Alkanų struktūrinė izomerija

• Struktūriniai izomerai – tos pačios sudėties junginiai, besiskiriantys atomų surišimo tvarka, t.y. molekulių cheminė struktūra.

Struktūrinės izomerijos pasireiškimo alkanų serijoje priežastis yra anglies atomų gebėjimas formuoti įvairių struktūrų grandines.Šis struktūrinės izomerijos tipas vadinamas anglies skeleto izomerija.

Pavyzdžiui, C4H10 sudėties alkanas gali egzistuoti formoje du struktūriniai izomerai:

ir alkanas C 5 H 12 – formoje trys struktūriniai izomerai, kurie skiriasi anglies grandinės struktūra:

Didėjant anglies atomų skaičiui molekulių sudėtyje, didėja grandinės šakojimosi galimybės, t.y. izomerų skaičius didėja didėjant anglies atomų skaičiui.

Struktūriniai izomerai skiriasi fizinėmis savybėmis. Šakotosios struktūros alkanai dėl mažiau tankios molekulių pakuotės ir atitinkamai mažesnės tarpmolekulinės sąveikos verda žemesnėje temperatūroje nei jų neišsišakoję izomerai.

Išvedant izomerų struktūrines formules, naudojami šie metodai.

Angliavandeniliai yra paprasčiausi organiniai junginiai. Jie sudaryti iš anglies ir vandenilio. Šių dviejų elementų junginiai vadinami sočiaisiais angliavandeniliais arba alkanais. Jų sudėtis išreiškiama alkanams būdinga formule CnH2n+2, kur n yra anglies atomų skaičius.

Susisiekus su

Klasės draugai

Alkanai – tarptautinis šių junginių pavadinimas. Taip pat šie junginiai vadinami parafinais ir sočiaisiais angliavandeniliais. Ryšys alkano molekulėse yra paprastas (arba viengubas). Likę valentai yra prisotinti vandenilio atomų. Visi alkanai yra prisotinti vandenilio iki ribos, jo atomai yra sp3 hibridizacijos būsenoje.

Homologinė sočiųjų angliavandenilių serija

Pirmasis homologinėje sočiųjų angliavandenilių serijoje yra metanas. Jo formulė yra CH4. Sočiųjų angliavandenilių pavadinime esanti galūnė -an yra išskirtinis bruožas. Be to, pagal aukščiau pateiktą formulę etanas - C2H6, propanas C3H8, butanas - C4H10 yra homologinėse serijose.

Nuo penktojo alkano homologinėje serijoje junginių pavadinimai formuojami taip: Graikiškas skaičius, nurodantis angliavandenilių atomų skaičių molekulėje + galūnė -an. Taigi graikų kalba skaičius 5 yra atitinkamai pende, o po butano seka pentanas - C5H12. Kitas - heksanas C6H14. heptanas - C7H16, oktanas - C8H18, nonanas - C9H20, dekanas - C10H22 ir kt.

Alkanų fizinės savybės homologinėje serijoje ryškiai keičiasi: didėja lydymosi ir virimo temperatūra, didėja tankis. Metanas, etanas, propanas, butanas normaliomis sąlygomis, t. y. esant maždaug 22 laipsnių Celsijaus temperatūrai, yra dujos, nuo pentano iki heksadekano imtinai - skysčiai, nuo heptadekano - kietosios medžiagos. Pradedant nuo butano, alkanai turi izomerų.

Yra parodytos lentelės pakitimai homologinėje alkanų serijoje, kurie aiškiai atspindi jų fizines savybes.

Sočiųjų angliavandenilių, jų darinių nomenklatūra

Jei nuo angliavandenilio molekulės atsiskiria vandenilio atomas, susidaro vienavalentės dalelės, kurios vadinamos radikalais (R). Radikalo pavadinimą suteikia angliavandenilis, iš kurio kilęs šis radikalas, o galūnė -an pakeičiama į galūnę -il. Pavyzdžiui, iš metano, pašalinus vandenilio atomą, susidaro metilo radikalas, iš etano – etilo, iš propano – propilo ir kt.

Radikalų susidaro ir neorganiniuose junginiuose. Pavyzdžiui, iš azoto rūgšties atėmus hidroksilo grupę OH, galima gauti monovalentinį radikalą -NO2, kuris vadinamas nitro grupe.

Kai atitrūksta nuo molekulės susidaro dviejų vandenilio atomų alkanas, dvivalenčiai radikalai, kurių pavadinimai taip pat susidaro iš atitinkamų angliavandenilių pavadinimų, bet galūnė pasikeičia į:

• ilien, jei vandenilio atomai būtų atplėšti nuo vieno anglies atomo,
• ilene, tuo atveju, jei du vandenilio atomai būtų atplėšti nuo dviejų gretimų anglies atomų.

Alkanai: cheminės savybės

Apsvarstykite reakcijas, būdingas alkanams. Visi alkanai turi bendrų cheminių savybių. Šios medžiagos yra neaktyvios.

Visos žinomos reakcijos, kuriose dalyvauja angliavandeniliai, skirstomos į du tipus:

• C-H jungties nutraukimas (pavyzdys yra pakeitimo reakcija);
• C-C jungties plyšimas (skilimas, atskirų dalių susidarymas).

Labai aktyvus radikalų formavimosi metu. Patys savaime jie egzistuoja sekundės dalį. Radikalai lengvai reaguoja vienas su kitu. Jų nesuporuoti elektronai sudaro naują kovalentinį ryšį. Pavyzdys: CH3 + CH3 → C2H6

Radikalai lengvai reaguoja su organinėmis molekulėmis. Jie arba prisitvirtina prie jų, arba atplėšia nuo jų atomą su nesuporuotu elektronu, dėl to atsiranda naujų radikalų, kurie savo ruožtu gali reaguoti su kitomis molekulėmis. Su tokia grandinine reakcija gaunamos makromolekulės, kurios nustoja augti tik grandinei nutrūkus (pavyzdys: dviejų radikalų ryšys)

Laisvųjų radikalų reakcijos paaiškina daugelį svarbių cheminių procesų, tokių kaip:

• Sprogimai;
• oksidacija;
• Alyvos krekingas;
• Nesočiųjų junginių polimerizacija.

detaliai Galima atsižvelgti į chemines savybes sočiųjų angliavandenilių, pavyzdžiui, metano. Aukščiau jau aptarėme alkano molekulės struktūrą. Anglies atomai metano molekulėje yra sp3 hibridizacijos būsenoje ir susidaro pakankamai stiprus ryšys. Metanas yra kvapo ir spalvos bazių dujos. Jis lengvesnis už orą. Jis šiek tiek tirpsta vandenyje.

Alkanai gali degti. Metanas dega melsva blyškia liepsna. Tokiu atveju reakcijos rezultatas bus anglies monoksidas ir vanduo. Maišant su oru, taip pat mišinyje su deguonimi, ypač jei tūrio santykis yra 1:2, šie angliavandeniliai sudaro sprogius mišinius, todėl yra itin pavojingi naudoti kasdieniame gyvenime ir kasyklose. Jei metanas nesudega iki galo, susidaro suodžiai. Pramonėje jis gaunamas tokiu būdu.

Formaldehidas ir metilo alkoholis gaunami iš metano oksiduojant jį esant katalizatoriams. Jei metanas stipriai kaitinamas, jis skyla pagal formulę CH4 → C + 2H2

Metano skilimas gali būti atliekamas iki tarpinio produkto specialiai įrengtose krosnyse. Tarpinis produktas yra acetilenas. Reakcijos formulė 2CH4 → C2H2 + 3H2. Acetileno atskyrimas nuo metano gamybos sąnaudas sumažina beveik perpus.

Vandenilis taip pat gaminamas iš metano, metaną paverčiant garais. Metanui būdingos pakeitimo reakcijos. Taigi įprastoje temperatūroje, šviesoje, halogenai (Cl, Br) etapais išstumia vandenilį iš metano molekulės. Tokiu būdu susidaro medžiagos, vadinamos halogeno dariniais. Chloro atomai, pakeisdami vandenilio atomus angliavandenilio molekulėje, sudaro skirtingų junginių mišinį.

Tokiame mišinyje yra chlormetano (CH3 Cl arba metilo chlorido), dichlormetano (CH2Cl2 arba metileno chlorido), trichlormetano (CHCl3 arba chloroformo), anglies tetrachlorido (CCl4 arba anglies tetrachlorido).

Bet kuris iš šių junginių gali būti išskirtas iš mišinio. Gamyboje didelę reikšmę turi chloroformas ir anglies tetrachloridas, nes jie yra organinių junginių (riebalų, dervų, gumos) tirpikliai. Metano halogeniniai dariniai susidaro grandinės laisvųjų radikalų mechanizmu.

Šviesa veikia chloro molekules, todėl jie subyrėjoį neorganinius radikalus, kurie vienu elektronu abstrahuoja vandenilio atomą iš metano molekulės. Taip susidaro HCl ir metilas. Metilas reaguoja su chloro molekule, todėl susidaro halogeno darinys ir chloro radikalas. Be to, chloro radikalas tęsia grandininę reakciją.

Esant įprastoms temperatūroms, metanas pakankamai atsparus šarmams, rūgštims ir daugeliui oksiduojančių medžiagų. Išimtis yra azoto rūgštis. Reakcijoje su juo susidaro nitrometanas ir vanduo.

Sudėjimo reakcijos nėra būdingos metanui, nes visi jo molekulės valentai yra prisotinti.

Reakcijos, kuriose dalyvauja angliavandeniliai, gali vykti ne tik suskaidžius C-H ryšiui, bet ir nutrūkus C-C ryšiui. Šios transformacijos vyksta aukštoje temperatūroje. ir katalizatoriai. Šios reakcijos apima dehidrogenavimą ir krekingą.

Rūgštys gaunamos iš sočiųjų angliavandenilių oksidacijos būdu – acto (iš butano), riebalų rūgščių (iš parafino).

Metano gavimas

Gamtoje metanas plačiai paplitęs. Tai yra pagrindinė daugumos degiųjų gamtinių ir dirbtinių dujų sudedamoji dalis. Jis išsiskiria iš anglies siūlių kasyklose, iš pelkių dugno. Gamtinėse dujose (o tai labai pastebima susijusiose naftos telkinių dujose) yra ne tik metano, bet ir kitų alkanų. Šių medžiagų naudojimas yra įvairus. Jie naudojami kaip kuras, įvairiose pramonės šakose, medicinoje ir technologijose.

Laboratorinėmis sąlygomis šios dujos išsiskiria kaitinant natrio acetato + natrio hidroksido mišinį, taip pat aliuminio karbido ir vandens reakcijai. Metanas taip pat gaunamas iš paprastų medžiagų. Tam būtinos sąlygos yra šildymas ir katalizatorius. Pramonei svarbi metano gamyba sintezės būdu garų pagrindu.

Metaną ir jo homologus galima gauti kalcinuojant atitinkamų organinių rūgščių druskas su šarmais. Kitas būdas gauti alkanus yra Wurtz reakcija, kai monohalogeno dariniai kaitinami su natrio metalu.