Unul dintre primele tipuri de compuși chimici studiati în programa școlară de chimie organică sunt alcanii. Ele aparțin grupului de hidrocarburi saturate (cunoscute altfel ca alifatice). Moleculele lor conțin doar legături simple. Atomii de carbon sunt caracterizați prin hibridizare sp³.
Omologuri sunt substanțe chimice care au proprietăți și structură chimică comune, dar diferă în una sau mai multe grupe CH2.
În cazul metanului CH4, se poate da o formulă generală pentru alcani: CnH (2n+2), unde n este numărul de atomi de carbon din compus.
Iată un tabel de alcani în care n este în intervalul de la 1 la 10.
Izomeria alcanilor
Izomerii sunt acele substanțe a căror formulă moleculară este aceeași, dar a căror structură sau structură este diferită.
Clasa alcanilor este caracterizată de 2 tipuri de izomerie: schelet de carbon și izomerie optică.
Să dăm un exemplu de izomer structural (adică, o substanță care diferă doar în structura scheletului de carbon) pentru butanul C4H10.
Izomerii optici sunt două substanțe ale căror molecule au o structură similară, dar nu pot fi combinate în spațiu. Fenomenul de izomerie optică sau oglindă are loc în alcani, începând cu heptanul C7H16.
Pentru a da alcanului numele corect, Trebuie utilizată nomenclatura IUPAC. Pentru a face acest lucru, utilizați următoarea secvență de acțiuni:
Folosind planul de mai sus, vom încerca să numim următorul alcan.
În condiții normale, alcanii neramificati de la CH4 la C4H10 sunt substanțe gazoase, de la C5H12 la C13H28 sunt lichizi și au un miros specific, toți cei ulterioare sunt solizi. Se pare că Pe măsură ce lungimea lanțului de carbon crește, punctele de fierbere și de topire cresc. Cu cât structura unui alcan este mai ramificată, cu atât temperatura la care fierbe și se topește este mai scăzută.
Alcanii gazoși nu au culoare. Și, de asemenea, toți reprezentanții acestei clase nu se pot dizolva în apă.
Alcanii care au stare gazoasă pot arde, iar flacăra va fi fie incoloră, fie va avea o nuanță de albastru pal.
Proprietăți chimice
În condiții normale, alcanii sunt destul de inactivi. Acest lucru se explică prin puterea legăturilor σ dintre atomii C-C și C-H. Prin urmare, este necesar să se asigure condiții speciale (de exemplu, temperatură sau lumină destul de ridicată) pentru a face posibilă reacția chimică.
Reacții de substituție
Reacțiile de acest tip includ halogenarea și nitrarea. Halogenarea (reacția cu Cl2 sau Br2) are loc atunci când este încălzit sau expus la lumină. În timpul reacției, care se desfășoară secvenţial, se formează haloalcani.
Ca exemplu, putem nota reacția de clorurare a etanului.
Bromurarea se va desfășura într-un mod similar.
Nitrarea este o reacție cu o soluție slabă (10%) de HNO3 sau cu oxid nitric (IV) NO2. Condițiile pentru efectuarea reacțiilor sunt temperatura 140 °C și presiunea.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
Ca rezultat, se formează două produse - apă și aminoacizi.
Reacții de descompunere
Când se efectuează reacții de descompunere, sunt întotdeauna necesare temperaturi ridicate. Acest lucru este necesar pentru a rupe legăturile dintre atomii de carbon și hidrogen.
Deci, când crapă va fi necesară o temperatură cuprinsă între 700 și 1000 °C. În timpul reacției, legăturile -C-C- sunt distruse, se formează un nou alcan și alchenă:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Excepția este crăparea metanului și a etanului. Ca rezultat al acestor reacții, se eliberează hidrogen și se formează acetilenă alchină. O condiție prealabilă este încălzirea la 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Dacă depășiți temperatura de 1000 °C, puteți realiza piroliza cu ruperea completă a legăturilor din compus:
În timpul pirolizei propilului, a fost produs carbon C și a fost eliberat și hidrogen H2.
Reacții de dehidrogenare
Dehidrogenarea (eliminarea hidrogenului) are loc diferit pentru diferiți alcani. Condițiile de reacție sunt o temperatură cuprinsă între 400 și 600 °C, precum și prezența unui catalizator, care poate fi nichel sau platină.
O alchenă se formează dintr-un compus cu 2 sau 3 atomi de carbon în scheletul său de carbon:
C2H6 = C2H4 + H2.
Dacă există 4-5 atomi de carbon în lanțul unei molecule, atunci după dehidrogenare veți obține alcadienă și hidrogen.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Începând cu hexan, reacția produce benzen sau derivații săi.
C6H14 = C6H6 + 4H2
De asemenea, merită menționată reacția de conversie efectuată pentru metan la o temperatură de 800 °C și în prezența nichelului:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Conversia nu este tipică pentru alcani.
Oxidare și ardere
Dacă un alcan, încălzit la o temperatură de cel mult 200 °C, reacționează cu oxigenul în prezența unui catalizator, atunci, în funcție de alte condiții de reacție, produsele rezultate vor diferi: aceștia pot fi reprezentanți ai claselor de aldehide, acizi carboxilici, alcooli sau cetone.
În cazul oxidării complete, alcanul arde până la produsele finale - apă și CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Dacă cantitatea de oxigen este insuficientă în timpul oxidării, produsul final va fi cărbune sau CO în loc de dioxid de carbon.
Efectuarea izomerizării
Dacă asigurați o temperatură de aproximativ 100-200 de grade, o reacție de rearanjare devine posibilă pentru alcanii neramificati. A doua condiție prealabilă pentru izomerizare este prezența unui catalizator AlCl3. În acest caz, structura moleculelor substanței se modifică și se formează izomerul acesteia.
Semnificativ ponderea alcanilor se obţine prin izolarea acestora din materii prime naturale. Cel mai adesea, gazul natural este procesat, a cărui componentă principală este metanul, sau petrolul este supus la fisurare și rectificare.
De asemenea, ar trebui să vă amintiți proprietățile chimice ale alchenelor. În clasa a X-a, una dintre primele metode de laborator studiate la lecțiile de chimie este hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate.
C3H6 + H2 = C3H8
De exemplu, ca urmare a adăugării de hidrogen la propilenă, se obține un singur produs - propan.
Folosind reacția Wurtz, se obțin alcani din monohaloalcani, în al căror lanț structural se dublează numărul de atomi de carbon:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
O altă metodă de preparare este interacțiunea unei sări de acid carboxilic cu un alcali atunci când este încălzită:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
În plus, metanul este uneori produs într-un arc electric (C + 2H2 = CH4) sau prin reacția carburei de aluminiu cu apa:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Alcanii sunt utilizați pe scară largă în industrie ca combustibili cu preț redus. De asemenea, sunt folosite ca materii prime pentru sinteza altor substanțe organice. În acest scop, se folosește de obicei metanul, care este necesar pentru gazul de sinteză. Unele alte hidrocarburi saturate sunt folosite pentru a produce grăsimi sintetice și, de asemenea, ca bază pentru lubrifianți.
Pentru o mai bună înțelegere a subiectului „Alcani”, au fost create mai mult de o lecție video, în care sunt discutate în detaliu subiecte precum structura materiei, izomerii și nomenclatura, precum și mecanismele reacțiilor chimice.
Conținutul articolului
ALCANI ŞI CICLOALCANI– hidrocarburi în care toți atomii de carbon sunt legați între ei și de atomii de hidrogen prin legături simple (single). Alcani (sinonime - hidrocarburi saturate, hidrocarburi saturate, parafine) - hidrocarburi cu formula generala C n H 2 n+2, unde n– numărul de atomi de carbon. Polietilena familiară are aceeași formulă, doar dimensiunea n este foarte mare și poate ajunge la zeci de mii. În plus, polietilena conține molecule de diferite lungimi. În cicloalcani, atomii de carbon formează un lanț închis; dacă există un ciclu, formula cicloalcanului este C n H 2 n .
În funcție de ordinea conexiunii atomilor de carbon într-un lanț, alcanii sunt împărțiți în liniari și ramificați. În consecință, pentru alcanii cu nі 4 este posibil să existe mai multe substanțe cu aceeași formulă. Astfel de substanțe se numesc izomeri (din greacă. isis– egal, identic și meros – share, part.
Denumiri de alcani.
Cuvântul „alcan” este de aceeași origine cu „alcool” ( vezi mai jos). Termenul învechit „parafină” provine din latinescul parum – puțin, nesemnificativ și affinis – înrudit; parafinele au reactivitate scăzută față de majoritatea reactivilor chimici. Multe parafine sunt omologi; în seria omoloagă de alcani, fiecare membru ulterior diferă de cel anterior printr-un grup metilen CH2. Termenul provine din grecescul homologos – corespunzător, asemănător.
Nomenclatură (din lat. nomenclatură– pictura numelor) denumirile alcanilor sunt construite după anumite reguli, care nu sunt întotdeauna clare. Deci, dacă există diverși substituenți într-o moleculă de alcan, atunci în numele alcanului sunt enumerați în ordine alfabetică. Cu toate acestea, această ordine poate varia în diferite limbi. De exemplu, hidrocarbura CH 3 –CH(CH 3)–CH(C 2 H 5)–CH 2 –CH 2 –CH 3 în conformitate cu această regulă va fi numită 2-metil-3-etilhexan în rusă, iar în engleză 3-etil-2-metilhexan...
În conformitate cu denumirea hidrocarburii, radicalii alchil mai sunt numiți: metil (CH 3 -), etil (C 2 H 5 -), izopropil (CH 3) 2 CH-, marţi-butil C2H5-CH (CH3)-, freacă-butil (CH3)3C- etc. Radicalii alchil sunt incluși ca un întreg în compoziția multor compuși organici; în stare liberă, aceste particule cu un electron nepereche sunt extrem de active.
Unii izomeri ai alcanilor au, de asemenea, nume banale ( cm. DENUMIRE DE SUBSTANȚE TRIVIALE, de exemplu izobutan (2-metilpropan), izooctan (2,2,4-trimetilpentan), neopentan (2,3-dimetilpropan), squalan (2,6,10,15,19,23-hexametiltetracosan) , numele provine din latină scual– rechin (un derivat nesaturat al squalan – squalen, un compus important pentru metabolism, a fost descoperit pentru prima dată în ficatul unui rechin). Numele trivial pentru radicalul pentil (C5H11) este amil. Vine din greacă. amilon– amidon: pe vremuri, alcoolul izoamil C 5 H 11 OH (3-metilbutanol-1) era numit „alcool amilic de fermentație”, deoarece formează baza uleiului de fusel și se formează ca urmare a fermentației. a substanțelor zaharoase - produse ale hidrolizei amidonului.
Cel mai simplu membru al seriei cicloalcanilor C n H 2 n– ciclopropan ( n= 3). Omologii săi sunt numiți la fel ca alcanii cu adăugarea prefixului „ciclo” (ciclobutan, ciclopentan etc.). În cicloalcani, izomeria este posibilă datorită prezenței grupărilor alchil laterale și a locației acestora în inel. De exemplu, ciclohexanul, metilciclopentanul, 1,1-, 1,2- şi 1,3-dimetilciclobutanii, 1,1,2- şi 1,2,3-trimetilciclopropanii sunt izomeri.
Numărul de izomeri alcani crește brusc odată cu creșterea numărului de atomi de carbon. Denumirile unor alcani, precum și numărul teoretic al posibililor izomeri ai acestora sunt date în tabel.
| Formulă | Nume | Numărul de izomeri | Formulă | Nume | Numărul de izomeri |
| CH 4 | Metan | 1 | C 11 N 24 | Undekan | 159 |
| C2H6 | Etan | 1 | C 12 N 26 | Dodecan | 355 |
| C3H8 | propan | 1 | C 13 N 28 | Tridecan | 802 |
| C4H10 | Butan | 2 | C 14 N 30 | tetradecan | 1858 |
| C5H12 | Pentan | 3 | C 15 N 32 | Pentadecan | 4347 |
| C6H14 | hexan | 5 | C 20 N 42 | Eikosan | 366319 |
| C7H16 | heptan | 9 | C 25 N 52 | Pentacosan | 36797588 |
| C8H18 | Octan | 18 | C 30 N 62 | Triacontan | 4111846763 |
| C9H20 | Nonan | 35 | C 40 N 82 | Tetracontan | 62481801147341 |
| C10H22 | Decan | 75 | C 100 N 202 | hectan | aproximativ 5.921 10 39 |
Înțelegerea majorității numelor de nomenclatură ale hidrocarburilor saturate nu este foarte dificilă nici măcar pentru cei care nu au studiat greaca într-un gimnaziu clasic. Aceste nume provin de la cifre grecești cu adăugarea sufixului -an. Este mai dificil cu primii membri ai seriei: ei nu folosesc numere, ci alte rădăcini grecești asociate cu numele alcoolilor sau acizilor corespunzători. Acești alcooli și acizi erau cunoscuți cu mult înainte de descoperirea alcanilor corespunzători; un exemplu este alcoolul etilic și etanul (obținute abia în 1848).
Metanul (precum și metanolul, metilul, metilenul etc.) au o rădăcină comună „met”, care în chimie denotă o grupare care conține un atom de carbon: metil CH 3, metilen (metilidenă) CH 2, metină (metilidină) CH. Din punct de vedere istoric, prima astfel de substanță a fost alcoolul metilic (cunoscut și sub numele de lemn), metanolul, care a fost obținut anterior prin distilarea uscată a lemnului. Numele său provine de la cuvintele grecești methy - a intoxica vinul și hile - pădure (ca să spunem așa, „vin de lemn”). Cel mai uimitor lucru aici este că metanul, ametistul și mierea au o rădăcină comună! În cele mai vechi timpuri, pietrele prețioase erau înzestrate cu proprietăți magice (și mulți încă mai cred în acest lucru). Astfel, se credea că pietrele mov frumoase protejează împotriva intoxicației, mai ales dacă din această piatră se făcea o cană de băut. Împreună cu prefixul negativ, sa dovedit ametistos - contracarând intoxicația. Cuvântul miere, se pare, este prezent în aproape toate limbile europene: engleză. mied - miere (sub formă de băutură), german Met (în germană veche metu), mede olandez, mjöd suedez, mjød danez, medus lituanian și leton, ca să nu mai vorbim de limbile slave. Toate aceste cuvinte, inclusiv grecescul, provin din indo-europeanul medhu, care înseamnă băutură dulce. Coniacul grecesc Metaxa nu este departe de ei, deși nu este deloc dulce.
Etanul (precum și eterul, etanolul, alcoolul, alcanul) au o origine comună. Filosofii greci antici au folosit cuvântul aither pentru a descrie o anumită substanță care pătrunde în cosmos. Când alchimiştii în secolul al VIII-lea. Ei au obținut un lichid ușor de evaporat din alcool de vin și acid sulfuric, acesta se numea eter sulfuric. În secolul 19 a aflat că eterul sulfuric (în engleză eter) aparține așa-numiților eteri și conține un grup de doi atomi de carbon - la fel ca alcoolul etilic (etanol); acest grup a fost numit etil. Astfel, denumirea substanței „eter etilic” (C 2 H 5 –O–C 2 H 5) este în esență „ulei de ulei”.
Numele de etan provine de la „etil”. Unul dintre denumirile pentru etanol, alcool, este de aceeași origine cu cuvântul alcan (de asemenea, alchenă, alchină, alchil). În arabă, al-kohl înseamnă pulbere, pulbere, praf. La cea mai mică suflare se ridică în aer, la fel ca vaporii de vin - „alcoolul vinului”, care în timp s-a transformat pur și simplu în alcool.
De ce există un „t” în „etan” și „etanol”, iar „f” în „eter”? La urma urmei, în engleză, spre deosebire de rusă, cuvintele „eter” și „etil” au ortografii și sunete similare. Combinația th se întoarce la litera grecească q (theta); în limba rusă până în 1918, litera „fita” avea același stil, care, totuși, era pronunțată ca „f” și era folosită cu scopul exclusiv de a distinge cuvintele în care această literă provine din grecescul q și 247 („ phi”). În limbile vest-europene, greacă. j a mers la ph și q la th. În limba rusă, multe cuvinte conțin „fita” încă din secolul al XVIII-lea. a fost înlocuită cu litera „f”: teatru în loc de „qeaftr”, matematică în loc de „maqematics”, teorie în loc de „qeory”... În acest sens, este interesant că în dicționarul lui Dahl, publicat în 1882, este eqir scris, iar în dicționarul enciclopedic al lui Brockhaus și Efron (1904) – „eter”.
Apropo, esterii în limbile occidentale sunt esteri, nu eter. Dar cuvântul „ester” nu există în limba rusă, așa că ochii oricărui chimist sunt răniți de traducerea analfabetă a poliesterului englez pe etichetele produselor textile ca „poliester” în loc de „poliester”, „fibră de poliester” (poliester). includ, de exemplu, lavsan, terylene, dacron).
Denumirile „propan” și „butan” provin de la denumirile acizilor corespunzători – propionic și butanoic (butiric). Acidul propionic este „primul” (adică cel mai scurt lanț) găsit în grăsimi ( cm. GRASIMI SI ULEIURI), iar numele sau este derivat din limba greaca. protos- în primul rând și pion- gras. Butan și acid butanoic butiric acid) – din greacă. butiron- ulei; În rusă, butirații sunt săruri și esteri ai acidului butiric. Acest acid este eliberat atunci când uleiul devine rânced.
În plus, începând cu pentan, numele sunt derivate din cifre grecești. O excepție rară este cetanul, unul dintre denumirile pentru hexadecanul C16. Acest cuvânt provine de la denumirea de alcool cetilic, care a fost obținut în 1823 de chimistul francez Michel Eugene Chevreul. Chevreul a izolat această substanță din spermaceti, o substanță ceară din capul cașalotului. Cuvântul spermaceti provine din grecescul sperma - sămânță și ketos - animal marin mare (balenă, delfin). Din scrierea latină a celui de-al doilea cuvânt (cetus) provine alcoolul cetilic C 16 H 33 OH (hexadecanol) și cetanul.
În limba rusă există multe cuvinte cu aceleași rădăcini ca și alcanii: Pentagon, heptacord (scara sonoră de 7 trepte), dodecafonie (metoda de compunere muzicală), octava, decima și undecima (intervale muzicale), octet și nonet (ansambluri de 8 și 9 muzicieni), pentode, hexode și heptode (tuburi radio); hexametru (metru poetic), octaedru, deceniu, decan, hectar, octombrie, decembrie etc. și așa mai departe.
Alcanul cu cele mai lungi molecule a fost sintetizat de chimiștii englezi în 1985. Acesta este nonacontatrictan C 390 H 782, care conține un lanț de 390 de atomi de carbon. Cercetătorii au fost interesați de modul în care astfel de lanțuri lungi s-ar împacheta în timpul cristalizării (lanțurile de hidrocarburi flexibile se pot plia cu ușurință).
Numărul de izomeri ai alcanilor.
Problema numărului posibil teoretic de izomeri ai alcanilor a fost rezolvată pentru prima dată de matematicianul englez Arthur Cayley (1821–1895), unul dintre fondatorii unei ramuri importante a matematicii - topologia (în 1879 a publicat primul articol despre faimosul „ problema celor patru culori”: sunt suficiente pentru a colora vreo carte geografică această problemă a fost rezolvată abia în 1976). S-a dovedit că nu există o formulă prin care se poate utiliza numărul de atomi de carbon dintr-un alcan C n H 2 n+2 calculează numărul izomerilor săi. Există doar așa-numitele formule recurente (din latină recidive– revenire), care vă permit să calculați numărul de izomeri n al-lea membru al seriei, dacă numărul de izomeri ai membrului anterior este deja cunoscut. Prin urmare, calcule pentru mari n au fost obținute relativ recent folosind computere și reduse la hidrocarbură C 400 H 802; pentru aceasta, ținând cont de izomerii spațiali, s-a obținut o valoare greu de imaginat: 4.776·10 199. Și pornind de la alcanul C 167 H 336, numărul de izomeri depășește numărul de particule elementare din partea vizibilă a Universului, care este estimat la 1080. Numărul de izomeri indicat în tabel pentru majoritatea alcanilor va crește semnificativ dacă luăm în considerare și moleculele simetrice în oglindă - stereoizomerii ( cm. IZOMERISME OPTICĂ): pentru heptan - de la 9 la 11, pentru decan - de la 75 la 136, pentru eicosan - de la 366.319 la 3.396.844, pentru hectan - de la 5.921 10 39 la 1.373 10 46, etc.
Din punctul de vedere al unui chimist, numărul de izomeri structurali ai hidrocarburilor saturate prezintă interes practic doar pentru primii membri ai seriei. Chiar și pentru un alcan relativ simplu care conține doar o duzină și jumătate de atomi de carbon, numărul copleșitor de izomeri nu a fost obținut și este puțin probabil să fie sintetizați vreodată. De exemplu, ultimii dintre cei 75 de izomeri ai decanului posibil teoretic au fost sintetizați abia în 1968. Și acest lucru a fost făcut în scopuri practice - pentru a avea un set mai complet de compuși standard prin care diferite hidrocarburi, de exemplu, cele găsite în ulei, pot fi identificat. Apropo, toți cei 18 izomeri octanici posibili au fost găsiți în diferite tipuri de ulei.
Dar cel mai interesant lucru este că, începând cu heptadecanul C 17 H 36, la început doar o parte din numărul teoretic posibil de izomeri, apoi mulți și, în final, aproape toți sunt un exemplu izbitor de „chimie a hârtiei”, adică. nu poate exista în realitate. Faptul este că, pe măsură ce numărul de atomi de carbon din moleculele de izomeri ramificati crește, apar probleme serioase de împachetare spațială. La urma urmei, matematicienii au tratat atomii de carbon și hidrogen ca puncte, când de fapt au o rază finită. Astfel, o „bilă” de metan are 4 atomi de hidrogen pe „suprafața” sa, care sunt așezați liber pe ea. În neopentan C(CH 3) 4 există deja 12 atomi de hidrogen pe „suprafață”, situați mult mai aproape unul de celălalt; dar mai este loc pentru a le pune. Dar pentru alcanul 4 (C 17 H 36), nu există suficient spațiu pe suprafață pentru a găzdui toți cei 36 de atomi de hidrogen din 12 grupări metil; Acest lucru este ușor de verificat dacă desenați o imagine plată (sau, și mai bine, faceți un model tridimensional din plastilină și chibrituri) pentru izomeri similari, menținând constanta lungimii legăturilor C–C și C–H și toate unghiuri dintre ele). Odată cu creșterea n probleme de plasare apar și pentru atomii de carbon. Ca rezultat, în ciuda faptului că numărul de izomeri posibili cu creștere n crește foarte repede, ponderea izomerilor „de hârtie” crește mult mai repede. O evaluare pe computer a arătat că ca n raportul dintre numărul de izomeri cu adevărat posibili și numărul celor „de hârtie” se apropie rapid de zero. De aceea, calculul numărului exact de izomeri ai hidrocarburilor saturate pentru mari n, care odată a stârnit un interes considerabil, are acum doar semnificație teoretică pentru chimiști.
Structura și proprietățile fizice ale alcanilor.
Alcanii au patru orbiti hibrizi sp 3 ai atomului de carbon ( cm. ORBITALE) sunt îndreptate spre vârfurile tetraedrului cu un unghi între ele de aproximativ 109°28" - în acest caz respingerea dintre electroni și energia sistemului sunt minime. Ca urmare a suprapunerii acestor orbitali. unul cu celălalt, precum și cu s-orbitalii atomilor de hidrogen formează legături s C–C și C–H. Aceste legături în moleculele de alcan sunt covalente nepolare sau cu polar scăzut.
Alcanii sunt împărțiți în atomi de carbon primari (sunt legați doar de un atom de C vecin), secundari (legați la doi atomi de C), terțiari (legați la trei atomi de C) și cuaternari (legați la patru atomi de C). Astfel, în 2,2-dimetil-3-metilpentanul CH 3 –C(CH 3) 2 –CH(CH 3) – CH 2 –CH 3 există un atomi de carbon cuaternar, unul terțiar, unul secundar și cinci primari. Diferitele medii ale atomilor de carbon afectează foarte mult reactivitatea atomilor de hidrogen asociati acestora.
Dispunerea spațială a orbitalilor sp 3 duce, pornind de la propan, la o configurație în zig-zag a lanțurilor de carbon. În acest caz, este posibilă rotația fragmentelor moleculare în jurul legăturilor C-C (într-o moleculă de etan la 20 ° C - cu o viteză de milioane de rotații pe secundă!), ceea ce face ca moleculele de alcani superiori să fie flexibile. Îndreptarea unor astfel de lanțuri are loc, de exemplu, la întinderea polietilenei, care constă dintr-un amestec de alcani cu lanțuri lungi, moleculele de alcani interacționează slab între ele, prin urmare, alcanii se topesc și fierb la temperaturi mult mai scăzute decât substanțele similare cu molecule polare. Primii 4 membri ai seriei omoloage de metan sunt gaze în condiții normale propanul și butanul sunt ușor lichefiați la presiune scăzută (un amestec lichid propan-butan este conținut în buteliile de gaz de uz casnic). Omologii superiori sunt lichide cu miros de benzină sau solide care sunt insolubile în apă și plutesc pe suprafața acesteia. Punctele de topire și de fierbere ale alcanilor cresc odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din moleculă, în timp ce creșterea temperaturii încetinește treptat, de exemplu, C 100 H 202 se topește la 115 ° C, C 150 H 302 - la 123 ° C. Topire iar punctele de fierbere pentru primii 25 de alcani sunt date în tabel - este clar că pornind de la octadecan, alcanii sunt solide.
| Masa. TEMPERATURILE DE TOPIRE ȘI DE FIERBERE A ALCANII | ||
| alcan | T pl | T balot |
| Metan | –182,5 | –161,5 |
| Etan | –183,3 | –88,6 |
| propan | –187,7 | –42,1 |
| Butan | –138,4 | –0,5 |
| Pentan | –129,7 | 36,1 |
| hexan | –95,3 | 68,7 |
| heptan | –90,6 | 98,4 |
| Octan | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| Decan | –29,7 | 174,1 |
| Undekan | –25,6 | 195,9 |
| Dodecan | –9,6 | 216,3 |
| Tridecan | –5,5 | 235,4 |
| tetradecan | +5,9 | 253,7 |
| Pentadecan | +9,9 | 270,6 |
| hexadecan | 18,2 | 286,8 |
| heptadecan | 22,0 | 301,9 |
| Octadecan | 28,2 | 316,1 |
| nonadecan | 32,1 | 329,7 |
| Eikosan | 36,8 | 342,7 |
| Geneikozan | 40,5 | 356,5 |
| Docozan | 44,4 | 368,6 |
| Tricozan | 47,6 | 378,3 |
| tetracosan | 50,9 | 389,2 |
| Pentacosan | 53,7 | 399,7 |
Prezența unei ramuri în lanț modifică dramatic proprietățile fizice, în special punctul de topire. Deci, dacă hexanul are o structură normală ( n-hexan) se topește la –95,3° C, apoi izomerul său 2-metilpentan se topește la –153,7° C. Acest lucru se datorează dificultății de împachetare a moleculelor ramificate în timpul cristalizării lor. Ca urmare, alcanii cu ramuri de lanț nu cristalizează la răcirea rapidă, ci se transformă în starea sticloasă a unui lichid suprarăcit ( cm. STICLĂ). De exemplu, dacă o fiolă subțire de pentan este scufundată în azot lichid (temperatura -196 ° C), substanța se va transforma într-o masă albă asemănătoare zăpezii, în timp ce izopentanul (2-metilbutan) se solidifică într-o „sticlă” transparentă.
O metodă originală de separare a acestora se bazează pe diferența de formă geometrică a alcanilor liniari și ramificati: cristalele de uree au canale în care alcanii cu catenă dreaptă pot încadra, dar cei ramificați nu.
Cicloalcani cu n= 2, 3 – gaze, mai mare – lichide sau solide. Cel mai mare ciclu pe care chimiștii l-au putut sintetiza este ciclooctaoctacontadictanul C 288 H 576. Diferitele forme ale moleculelor de cicloalcan cu numere par și impar de atomi de carbon în moleculă duc la un efect puternic par-impar în ceea ce privește punctul de topire, așa cum se poate observa din tabel. Acest efect se explică prin diferența de „conveniență” de ambalare a moleculelor de diferite forme într-un cristal: cu cât împachetarea este mai compactă, cu atât cristalul este mai puternic și cu atât punctul său de topire este mai mare. De exemplu, ciclododecanul se topește cu aproape 70° mai sus decât cel mai apropiat omolog al său, cicloundecanul. Desigur, contează și masa moleculei: moleculele ușoare se topesc la o temperatură mai scăzută.
| C3H6 | –127,5 |
| C4H8 | –50 |
| C5H10 | –93,9 |
| C6H12 | +6,5 |
| C7H14 | –12 |
| C8H16 | 14,3 |
| S9H18 | 9,7 |
| C10N20 | 10,8 |
| C 11 N 22 | –7,2 |
| C12H24 | 61,6 |
| C 13 N 26 | 23,5 |
| C 14 N 28 | 54 |
| C 15 N 30 | 62,1 |
Ușurința de rotație în jurul legăturii C–C duce la faptul că moleculele de cicloalcani nu sunt plane (cu excepția ciclopropanului), în acest fel evită distorsiunile puternice ale unghiurilor de legătură. Astfel, la ciclohexan și omologii săi superiori unghiurile de legătură sunt relaxate și apropiate de tetraedric (109°), în timp ce într-un hexagon unghiurile sunt de 120°, într-un octogon - 135° etc. Atomii de carbon individuali din astfel de cicloalcani nu ocupă o poziție fixă rigidă: inelul pare să fie într-o mișcare constantă ca undă. Astfel, o moleculă de ciclohexan poate fi sub forma unor structuri geometrice diferite (conformers) care se pot transforma unele în altele (inversie de ciclu). Datorită asemănării lor externe, au fost numite „cadă” și „scaun” (în literatura engleză, o „cadă” se numește „barcă”):
Forma scaunului este mai stabilă; La temperaturi obișnuite, 99,9% din ciclohexan există sub formă de scaun mai stabil. Tranziția între două forme are loc printr-o „conformație de răsucire” intermediară (din engleză. răsucire- răsucire).
În ciclopropan, unghiul scade de la 108° la 60°, rezultând legături de tensiune ridicată și „îndoiți” care sunt intermediare între legăturile s și p normale; Datorită formei lor, aceste legături sunt numite legături „banane”. În acest caz, orbitalii sp 3 ai atomilor de carbon se suprapun doar parțial. Rezultatul este dualitatea proprietăților chimice ale ciclopropanului. Pe de o parte, înlocuirea atomilor de hidrogen este posibilă în ea (o reacție tipică alcanilor), pe de altă parte, este posibilă adăugarea cu deschidere a inelului (reacție tipică alchenelor, de exemplu: ciclo-C3H6 + Br2® BrCH2CH2CH2Br).
Cicloalcanii cu două inele și un atom de carbon comun se numesc spiroalcani. Dacă există mai mult de doi atomi de carbon comuni, atunci se formează bicicloalcani, tricicloalcani etc. Ca urmare a unei astfel de „reticulare” a mai multor cicluri simultan, chimiștii au reușit să obțină hidrocarburi, a căror structură spațială corespunde diverselor. poliedre: tetraedru, cub, prismă etc. Derivații biciclici ciclohexanul se găsesc în uleiurile esențiale, rășina de conifere și terebentina. Un ciclu de șase și cinci atomi de carbon se găsește în camfor, colesterol, zaharină, piperină (oferă gustul iute piperului negru), baze azotate - nucleotide și alți compuși (unii atomi de carbon din cicluri pot fi legați prin legături duble). , iar unii sunt substituiți cu alți atomi, cum ar fi zaharina). Un ciclu de 17 atomi de carbon (doi dintre ei legați printr-o legătură dublă) este conținut în civeton, o substanță mirositoare, o componentă a moscului, care este folosită în parfumerie. Frumoasa moleculă de adamantan conține trei inele cu șase membri, iar structura sa corespunde rețelei cristaline a diamantului. Structura adamantanului se găsește în medicamentul antiviral rimantadină, în hexametilentetramină (în acest din urmă compus, 4 atomi de carbon sunt înlocuiți cu atomi de azot, care sunt legați între ei prin punți de metilen – CH 2 –). Mai jos sunt structurile unor cicloalcani, ale căror molecule au mai mult de un inel conectat diferit.
Biciclodecan (tetrahidronaftalină, decalină)
Adamantan
Proprietățile chimice ale alcanilor.
Alcanii sunt compușii organici cel mai puțin activi din punct de vedere chimic. Toate legăturile C-C și C-H din alcani sunt simple, deci alcanii sunt incapabili de reacții de adiție. Alcanii se caracterizează prin reacții de înlocuire a atomilor de hidrogen cu alți atomi și grupuri de atomi. Astfel, când metanul este clorurat, se formează clorură de metil CH3CI, clorură de metilen CH2CI2, triclormetan (cloroform) CHCI3 şi tetraclorura de carbon (tetraclorura de carbon) CCl4. Aceste reacții urmează un mecanism în lanț cu formarea intermediară a radicalilor liberi.
La clorurarea alcanilor, începând cu propanul, primul atom de clor poate înlocui diferiți atomi de hidrogen. Direcția de substituție depinde de puterea legăturii C–H: cu cât este mai slabă, cu atât mai rapidă este înlocuirea acestui atom particular. Legăturile primare C–H sunt de obicei mai puternice decât cele secundare, iar cele secundare sunt mai puternice decât cele terțiare. Ca urmare, clorurarea la 25° C de-a lungul legăturii secundare (CH 3) 2 CH–H are loc de 4,5 ori mai rapid decât prin legătura primară C 2 H 5 –H, iar legătura terțiară (CH 3) 3 C–H – de 6,7 ori mai rapid. Reactivitatea diferită a atomilor de hidrogen primari, secundari și terțiari poate avea ca rezultat predominarea doar a unuia dintre mai mulți produși de clorurare posibili. De exemplu, când 2,3-dimetilbutanul este clorurat într-o soluție de disulfură de carbon (CS 2), se formează 95% din derivatul 2-clor și numai 5% din derivatul 1-clor, adică. de 19 ori mai puțin. Dacă luăm în considerare că în alcanul original există de 6 ori mai mulți atomi de hidrogen primari decât cei terțiari, atunci raportul reactivității lor va fi și mai mare (19 ґ 6 = 114). Disulfura de carbon ca solvent reduce reactivitatea atomilor de clor și, în consecință, îi crește selectivitatea. Scăderea temperaturii funcționează în același mod.
Atomii de brom sunt mai puțin activi; Energia de activare vizibilă a acestei reacții duce la faptul că bromurarea alcanilor, deși are loc printr-un mecanism în lanț, este mult mai lentă decât clorurarea și numai la temperaturi ridicate sau la lumină. Activitatea mai scăzută a atomilor de brom duce, de asemenea, la o selectivitate crescută a bromurarii. Astfel, dacă viteza relativă de bromurare fotochimică a etanului la 40°C este considerată egală cu 1, atunci viteza de bromurare a propanului (la atomul de H secundar) va fi deja de 220 în aceleași condiții, iar viteza de bromurare a izobutanul (la atomul de H terțiar) va fi de 19.000
Atomii de iod sunt cei mai puțin activi, de aceea reacția de iodare a alcanilor RH + I 2 ® RI + HI este endotermă, posibilă doar la temperaturi ridicate și are loc cu lanțuri foarte scurte. Mai mult, reacția exotermă inversă RI + HI ® RH + I 2 are loc foarte ușor. Când alcanii sunt iodați, se formează și compuși nesaturați. De exemplu, la 685°C, etanul, reacționând cu iodul, formează 72% etilenă și 10% acetilenă. Aceleași rezultate au fost obținute cu propan, butan și pentan.
Reacția de fluorurare a alcanilor are loc la o viteză foarte mare, adesea explozivă, cu formarea tuturor derivaților polifluorurați posibili ai alcanului original. Energia eliberată în timpul fluorurarii alcanilor este atât de mare încât poate duce la descompunerea moleculelor de produs în radicali care încep lanțuri noi. Ca urmare, viteza de reacție crește ca o avalanșă și aceasta duce la o explozie chiar și la temperaturi scăzute. Particularitatea fluorurarii alcanilor este posibilitatea distrugerii scheletului de carbon de către atomi de fluor cu formarea CF 4 ca produs final cu alți halogeni, o astfel de reacție nu are loc.
Nitrarea alcanilor (reacția lui Konovalov) urmează, de asemenea, un mecanism radical: RH + NO 2 ® R· + HNO 2, R· + NO 2 ® RNO 2. Sursa de NO 2 este acidul azotic, care se descompune atunci când este încălzit. Reacția se desfășoară în soluție la temperaturi peste 150° C sau în vapori sub presiune de până la 10 atm și la o temperatură de 400 – 500° C. În acest din urmă caz, legăturile C–C din alcani sunt de asemenea rupte și un amestec de se formează nitroalcani.
Toți alcanii ard prin eliberarea de căldură, de exemplu: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Această reacție are loc, în special, în cilindrii motoarelor cu ardere internă. Pentru a preveni pătrunderea în atmosferă a resturilor de alcani nearși, în țevile de eșapament se folosește arderea lor catalitică (în același timp, CO este ars și oxizii de azot sunt transformați în azot inofensiv). Reacția oxigenului cu alcanii superiori (în parafină) are loc atunci când arde o lumânare. Alcanii gazoși, cum ar fi metanul, formează amestecuri explozive cu aerul. Astfel de amestecuri se pot forma în mine, precum și în clădirile rezidențiale din cauza unei scurgeri de gaz de uz casnic, dacă conținutul acestuia în aer ajunge la 5%.
Eforturile semnificative ale chimiștilor au vizat un studiu detaliat al reacției de oxidare la temperatură scăzută a alcanilor pentru a o opri în stadiul de formare a produselor intermediare valoroase - aldehide, cetone, alcooli, acizi carboxilici. Astfel, în prezența sărurilor Co(II) și Mn(II), butanul poate fi oxidat la acid acetic și parafina la acizi grași C12-C18. Oxidarea ciclohexanului produce caprolactamă, un monomer pentru producerea capronei și acid adipic.
O reacție industrială importantă este sulfoclorurarea fotochimică a alcanilor: o reacție radicalică comună în lanț cu Cl 2 și SO 2 cu formarea clorurilor de acid alcansulfonic RSO 2 Cl. Această reacție este utilizată pe scară largă în producția de detergenți. La înlocuirea clorului cu oxigen, are loc o reacție radicală în lanț de oxidare sulfonica a alcanilor cu formarea acizilor alcansulfonici R–SO 2 –OH. Sărurile de sodiu ale acestor acizi sunt utilizate ca detergenți și agenți de emulsionare.
La temperaturi ridicate, are loc descompunerea (piroliza) alcanilor, de exemplu: CH 4 ® C + 2H 2 (1000° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500° C), C 2 H 6 ® C 2H4 +H2. Ultima reacție are loc la 500°C în prezența unui catalizator (Ni). În mod similar, din butan se poate obține 2-butenă CH 3 CH = CHCH 3, în același timp se formează un amestec de etilenă și etan. Spre deosebire de această reacție radicală, cracarea catalitică a alcanilor are loc printr-un mecanism ionic și servește la producerea de benzină din fracții mai grele de petrol. Când sunt încălziți în prezența acizilor Lewis, de exemplu, AlCl 3, are loc izomerizarea: alcanii neramificati (normali) sunt transformați în acizi ramificati cu același număr de atomi de carbon. Această reacție este de mare importanță practică pentru obținerea de combustibil de înaltă calitate ( cm. NUMĂR OCTANĂ). Dehidrogenarea alcanilor poate fi însoțită de închiderea inelului (dehidrociclizare). În cazul dehidrociclizării hexanului, produsul principal este benzenul.
Metanul la temperatură ridicată în prezența unui catalizator reacționează cu vaporii de apă și monoxidul de carbon (IV) pentru a forma gaz de sinteză: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Gazul de sinteză este folosit pentru a produce carburanți și alcool metilic.
În ultimii ani, eforturile chimiștilor au vizat crearea de catalizatori care activează legăturile C–H în moleculele de alcan în condiții blânde. Unele microorganisme „pot” efectua astfel de reacții, ale căror enzime sunt capabile să „digere” chiar și parafina cu formarea de compuși proteici. Sarcina chimiștilor este să înțeleagă cum funcționează catalizatorii naturali și să modeleze reacțiile enzimatice care pot avea loc la temperaturi obișnuite. În acest caz, diverși compuși organometalici sunt utilizați ca catalizatori. De exemplu, în prezența unor compuși de platină, metanolul CH3OH poate fi obținut direct din metan și în prezența unui complex de trifenilfosfină Rh[(C6H5)3P] de rodiu asociat cu molecule de CO; În timpul reacției, moleculele de CO sunt introduse în legăturile C-H ale alcanilor pentru a forma aldehide.
Cicloalcanii au proprietăți chimice similare cu alcanii. Astfel, sunt inflamabile, pot fi halogenate printr-un mecanism radical, iar la temperaturi ridicate în prezența catalizatorilor sunt dehidrogenate - se desprind hidrogenul și se transformă în hidrocarburi nesaturate. După cum am menționat, ciclopropanul are proprietăți speciale. Spre deosebire de alcani, cicloalcanii sunt hidrogenați, atunci când inelul se deschide și se formează alcani, de exemplu: ciclo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reacţia are loc când este încălzită în prezenţa unui catalizator de platină). Pe măsură ce dimensiunea ciclului crește, reacția devine mai dificilă - astfel, ciclopentanul este deja hidrogenat (la pentan) cu mare dificultate și la temperatură ridicată (300 ° C).
A fi în natură și a primi.
Principalele surse de alcani sunt petrolul și gazele naturale. Metanul constituie cea mai mare parte a gazelor naturale, de asemenea, conține cantități mici de etan, propan și butan. Metanul se găsește în emisiile din mlaștini și straturile de cărbune. Alături de omologii ușoare, metanul este prezent în gazele petroliere asociate. Aceste gaze sunt dizolvate în ulei sub presiune și sunt, de asemenea, situate deasupra acestuia. Alcanii reprezintă o parte semnificativă a produselor petroliere. Uleiul conține și cicloalcani - se numesc naftene (din greacă. nafta- ulei). Hidrații de gaz ai alcanilor, în principal metanul, sunt, de asemenea, răspândiți în natură, se găsesc în rocile sedimentare de pe continente și pe fundul oceanelor. Rezervele lor depășesc probabil rezervele cunoscute de gaze naturale și, în viitor, pot deveni o sursă de metan și cei mai apropiați omologi ai săi.
Alcanii se obțin și prin piroliza (cocsificarea) cărbunelui și hidrogenarea acestuia (producția de combustibil lichid sintetic). Alcanii solizi se găsesc în natură sub formă de depozite de ceară de munte - ozokerită, în învelișurile ceroase ale frunzelor, florilor și semințelor plantelor și fac parte din ceara de albine.
În industrie, alcanii sunt produși prin hidrogenarea catalitică a oxizilor de carbon CO și CO 2 (metoda Fischer–Tropsch). În laborator, metanul poate fi obținut prin încălzirea acetatului de sodiu cu un alcali solid: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3 , precum și prin hidroliza unor carburi: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al(OH)3. Omologii metanului pot fi obținuți prin reacția Wurtz, de exemplu: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. În cazul dihaloalcanilor se obțin cicloalcani, de exemplu: Br–CH 2 –(CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® ciclo-C6H12+2NaBr. Alcanii se formează și în timpul decarboxilării acizilor carboxilici și în timpul electrolizei acestora.
Aplicarea alcanilor.
Ca combustibil sunt utilizați alcanii din benzină, kerosen, motorină și păcură. Alcanii mai mari se găsesc în uleiurile lubrifiante, vaselina și parafină. Un amestec de pentani izomeri și hexani se numește eter de petrol și este folosit ca solvent. Ciclohexanul este, de asemenea, utilizat pe scară largă ca solvent și pentru sinteza polimerilor (nailon, nailon). Ciclopropanul este utilizat pentru anestezie. Squalanul este un ulei lubrifiant de înaltă calitate, o componentă a preparatelor farmaceutice și cosmetice și un adsorbant în cromatografia gaz-lichid.
Alcanii servesc drept materii prime pentru producerea multor compuși organici, inclusiv alcooli, aldehide și acizi. Derivații de clor ai alcanilor sunt utilizați ca solvenți, de exemplu, triclormetan (cloroform) CHCI3, tetraclorură de carbon CCl4. Un amestec de alcani superiori - parafină este netoxic și este utilizat pe scară largă în industria alimentară pentru impregnarea recipientelor și materialelor de ambalare (de exemplu, cutii de lapte) și în producția de gumă de mestecat. Creioanele și partea superioară (lângă cap) a chibriturilor sunt impregnate cu parafină pentru o ardere mai bună. Parafina încălzită este utilizată în scopuri medicinale (terapie cu parafină). Oxidarea parafinei în condiții controlate în prezența catalizatorilor (săruri organice ale metalelor de tranziție) duce la producerea de produse care conțin oxigen, în principal acizi organici.
Ilya Leenson
Literatură:
Petrov A.A. Chimia alcanilor. M., Nauka, 1974
Azerbaev I.N. si etc. Sinteze pe bază de hidrocarburi petroliere. Alma-Ata, Știință, 1974
Rudakov E.S. Reacții ale alcanilor cu agenți oxidanți, complecși metalici și radicali în soluții. Kiev, Naukova Dumka, 1985
Parauşanu V. Producția și utilizarea hidrocarburilor. M., Chimie, 1987
Tabelul prezintă câțiva reprezentanți ai unui număr de alcani și radicalii acestora.
|
Formulă |
Nume |
Nume radical |
|||||||||||
|
CH3 metil |
|||||||||||||
|
C3H7 tăiat |
|||||||||||||
|
C4H9 butii |
|||||||||||||
|
izobutan |
izobutil |
||||||||||||
|
izopentan |
izopentil |
||||||||||||
|
neopentan |
neopentil |
||||||||||||
|
Tabelul arată că aceste hidrocarburi diferă între ele prin numărul de grupe - CH2 -. O astfel de serie de structuri similare, având proprietăți chimice similare și care diferă unele de altele prin numărul acestor grupe, se numește serie omoloagă. Iar substanțele care îl compun se numesc omologi. Omologuri - substanțe similare ca structură și proprietăți, dar care diferă ca compoziție prin una sau mai multe diferențe omoloage (- CH2 -)
Lanț de carbon - în zig-zag (dacă n ≥ 3) σ - legături (rotație liberă în jurul legăturilor) lungime (-C-C-) 0,154 nm energie de legare (-C-C-) 348 kJ/mol Toți atomii de carbon din moleculele de alcan sunt într-o stare de hibridizare sp3
unghiul dintre legăturile C-C este de 109°28", deci moleculele de alcani normali cu un număr mare de atomi de carbon au o structură în zigzag (zigzag). Lungimea legăturii C-C în hidrocarburile saturate este de 0,154 nm (1 nm = 1). *10-9 m). a) formule electronice și structurale; b) structura spatiala
4. Izomerie- Izomeria STRUCTURALA a lantului cu C4 este caracteristica Unul dintre acești izomeri ( n-butan) conține un lanț carbonic neramificat, iar celălalt, izobutan, conține unul ramificat (izostructură). Atomii de carbon dintr-un lanț ramificat diferă prin tipul de legătură cu alți atomi de carbon. Astfel, se numește un atom de carbon legat doar de un alt atom de carbon primar, cu alți doi atomi de carbon - secundar, cu trei - terţiar, cu patru - cuaternar. Odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din molecule, crește posibilitățile de ramificare a lanțului, adică. numărul de izomeri crește odată cu numărul de atomi de carbon. Caracteristici comparative ale omologilor și izomerilor
1. Au propria nomenclatură radicali(radicali de hidrocarburi)
| |||||||||||||
Utilizarea alcanilor este destul de diversă - sunt folosiți ca combustibil, precum și în mecanică, medicină etc. Rolul acestor compuși chimici în viața omului modern poate fi cu greu supraestimat.
Alcani: proprietăți și scurtă descriere
Alcanii sunt compuși de carbon neciclici în care atomii de carbon sunt legați prin legături saturate simple. Aceste substanțe reprezintă o întreagă gamă cu anumite proprietăți și caracteristici. după cum urmează:
N aici reprezintă numărul de atomi de carbon. De exemplu, CH3, C2H6.
Primii patru reprezentanți ai seriei alcanilor sunt substanțe gazoase: metan, etan, propan și butan. Următorii compuși (C5 până la C17) sunt lichizi. Seria continuă cu compuși care sunt solizi în condiții normale.
În ceea ce privește proprietățile chimice, alcanii sunt slab activi - practic nu interacționează cu alcalii și acizii. Apropo, proprietățile chimice determină utilizarea alcanilor.
Cu toate acestea, acești compuși sunt caracterizați prin anumite reacții, inclusiv înlocuirea atomilor de hidrogen, precum și procese de scindare moleculară.
- Cea mai caracteristică reacție este halogenarea, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu halogeni. Reacțiile de clorurare și bromurare ale acestor compuși sunt de mare importanță.
- Nitrarea este înlocuirea unui atom de hidrogen cu o grupare nitro în timpul unei reacții cu un diluat (concentrație de 10%). În condiții normale, alcanii nu reacţionează cu acizii. Pentru a realiza o astfel de reacție, este necesară o temperatură de 140 °C.
- Oxidare - în condiții normale, alcanii nu sunt afectați de oxigen. Cu toate acestea, după aprinderea în aer, aceste substanțe intră în produsele finale ale cărora sunt apa și
- Cracare - această reacție are loc numai în prezența catalizatorilor necesari. Procesul implică scindarea legăturilor omoloage stabile între atomii de carbon. De exemplu, atunci când butanul este crapat, reacția poate produce etan și etilenă.
- Izomerizarea - ca urmare a acțiunii anumitor catalizatori, este posibilă o oarecare rearanjare a scheletului de carbon al alcanului.
Aplicații ale alcanilor
Principala sursă naturală a acestor substanțe sunt produse atât de valoroase precum gazele naturale și petrolul. Domeniile de aplicare ale alcanilor astăzi sunt foarte largi și variate.
De exemplu, substanțe gazoase folosit ca o sursă valoroasă de combustibil. Un exemplu este metanul, din care este făcut gazul natural, precum și un amestec propan-butan.
O altă sursă de alcani este ulei , a cărui importanță pentru umanitatea modernă este greu de supraestimat. Produsele petroliere includ:
- benzină - folosită drept combustibil;
- kerosen;
- motorină sau motorină ușoară;
- motorina grea, care este folosită ca ulei lubrifiant;
- resturile sunt folosite pentru a face asfalt.
Produsele petroliere sunt folosite și pentru a produce materiale plastice, fibre sintetice, cauciucuri și unii detergenți.
Vaselina și vaselina sunt produse care constau dintr-un amestec de alcani. Sunt utilizate în medicină și cosmetologie (în principal pentru prepararea unguentelor și cremelor), precum și în parfumerie.
Parafina este un alt produs binecunoscut, care este un amestec de alcani solizi. Aceasta este o masă albă solidă, a cărei temperatură de încălzire este de 50 - 70 de grade. În producția modernă, parafina este folosită pentru a face lumânări. Chibriturile sunt impregnate cu aceeași substanță. În medicină, se efectuează diverse proceduri termice folosind parafină.
Proprietăți fizice. În condiții normale, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C 1 - C 4) sunt gaze. Alcani normali de la pentan la heptadecan ( C 5 - C 17 ) - lichide, începând de la C 18 și mai sus - solide. Pe măsură ce numărul de atomi de carbon din lanț crește, de ex. Pe măsură ce greutatea moleculară relativă crește, punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc. Cu același număr de atomi de carbon în moleculă, alcanii ramificati au puncte de fierbere mai mici decât alcanii normali.
Alcanipractic insolubile în apă, deoarece moleculele lor sunt ușor polare și nu interacționează cu moleculele de apă, se dizolvă bine în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzenul, tetraclorura de carbon etc. Alcanii lichizi se amestecă ușor între ei.
Principalele surse naturale de alcani sunt petrolul și gazele naturale. Diverse fracții de petrol conțin alcani din C5H12 până la C30H62. Gazul natural este format din metan (95%) cu un amestec de etan și propan.
Din metode sintetice de obţinere alcani Se pot distinge următoarele:/>
1 . Obținut din hidrocarburi nesaturate. Interacțiunea alchenelor sau alchinelor cu hidrogenul („hidrogenarea”) are loc în prezența catalizatorilor metalici (/>Ni, Pd ) la
Incalzi:
CH z - C ≡CH+ 2H2 → CH3-CH2-CH3.
2. Primind de la condus de halogen. Când alcanii monohalogenați sunt încălziți cu sodiu metalic, se obțin alcani cu un număr dublu de atomi de carbon (reacția Wurtz):
C 2 H 5 Br + 2 Na + Br - C 2 H 5 → C 2 H 5 - C 2 H 5 + 2 NaBr.
O reacție similară nu este efectuată cu două diferite halogenate alcani, deoarece aceasta produce un amestec de trei alcani diferiți
3. Preparare din săruri ale acizilor carboxilici. Când sărurile anhidre ale acizilor carboxilici sunt topite cu alcalii, se obțin alcani care conțin un atom de carbon mai puțin în comparație cu lanțul de carbon al acizilor carboxilici originali:
4. Producția de metan. Un arc electric care arde într-o atmosferă de hidrogen produce o cantitate semnificativă de metan:
C + 2H2 → CH 4 .
Aceeași reacție are loc atunci când carbonul este încălzit într-o atmosferă de hidrogen la 400-500 °C la presiune ridicată în prezența unui catalizator.
În condiții de laborator, metanul este adesea obținut din carbură de aluminiu:
A l 4 C3 + 12H20 = ZSN4 + 4A l (OH)3.
Proprietăți chimice. În condiții normale, alcanii sunt inerți din punct de vedere chimic. Sunt rezistenți la acțiunea multor reactivi: nu interacționează cu acizii sulfuric și azotic concentrați, cu alcalii concentrați și topiți și nu sunt oxidați de agenți oxidanți puternici - permanganat de potasiuKMn O 4 etc.
Stabilitatea chimică a alcanilor se explică prin rezistența lor ridicatăs—Legăturile C-C și C-H, precum și nepolaritatea acestora. Legăturile C-C și C-H nepolare din alcani nu sunt predispuse la scindarea ionică, dar sunt capabile de scindare omolotică sub influența radicalilor liberi activi. Prin urmare, alcanii sunt caracterizați prin reacții radicalice, care au ca rezultat compuși în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu alți atomi sau grupuri de atomi. În consecință, alcanii intră în reacții care se desfășoară prin mecanismul de substituție radicalică, notat cu simbolul S R ( din engleza, substituţie radicală). Conform acestui mecanism, atomii de hidrogen sunt cel mai ușor înlocuiți la atomi de carbon terțiar, apoi la atomi de carbon secundari și primari.
1. Halogenare. Atunci când alcanii interacționează cu halogenii (clor și brom) sub influența radiațiilor UV sau a temperaturii ridicate, un amestec de produse de la mono-la substituit cu polihalogen alcani Schema generală a acestei reacții este prezentată folosind metanul ca exemplu:
b) Creșterea lanțului. Radicalul de clor elimină un atom de hidrogen din molecula de alcan:
Cl· + CH4 →HC/>l + CH3 ·
În acest caz, se formează un radical alchil, care elimină un atom de clor din molecula de clor:
CH3 + Cl2 →CH3Cl + C l·
Aceste reacții se repetă până când lanțul se rupe într-una dintre reacțiile:
Cl· + Cl· → С l/> 2, СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6, СН 3 · + Cl· → CH 3 С l ·
Ecuația generală a reacției:
| hv | ||
| CH4 + CI2 | → | CH3CI + HCI. |
Clormetanul rezultat poate fi clorurat în continuare, dând un amestec de produse CH 2 Cl 2, CHCl 3, CC l 4 conform schemei (*).
Dezvoltarea teoriei lanțurilor radical liber reacțiile este strâns legată de numele remarcabilului om de știință rus, laureatul Premiului Nobel N.I. Semenov (1896-1986).
2. Nitrare (reacția Konovalov). Când acidul azotic diluat acționează asupra alcanilor la 140°C și presiune joasă, are loc o reacție radicală:
În reacțiile radicalice (halogenare, nitrare), atomii de hidrogen de la atomii de carbon terțiari sunt mai întâi amestecați, apoi la atomii de carbon secundari și primari.Acest lucru se explică prin faptul că legătura dintre atomul de carbon terțiar și hidrogen se rupe cel mai ușor homolitic (energia de legătură 376 kJ/mol), apoi cea secundară (390 kJ/mol) și abia apoi cea primară (415 kJ). /mol).
3. Izomerizare. Alcanii normali se pot transforma, în anumite condiții, în alcani cu lanț ramificat:
4. Cracarea este o scindare hemolitică a legăturilor C-C, care apare atunci când este încălzită și sub influența catalizatorilor.
Când alcanii superiori sunt crapați, se formează alchene și alcani inferiori când metanul și etanul sunt crapați, se formează acetilenă:
C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + C 4 H 8 ,/>
2CH4 → C2H2 + ZN2,
C2H6 → C2H2 + 2H2.
Aceste reacții sunt de mare importanță industrială. În acest fel, fracțiunile de ulei cu punct de fierbere ridicat (pacură) sunt transformate în benzină, kerosen și alte produse valoroase.
5. Oxidarea. Prin oxidarea ușoară a metanului cu oxigenul atmosferic în prezența diferiților catalizatori, se poate obține alcool metilic, formaldehidă și acid formic:
 |
Oxidarea catalitică ușoară a butanului cu oxigenul atmosferic este una dintre metodele industriale de producere a acidului acetic:
t°
2 C 4/>H/>10 + 5 O/>2 → 4 CH/>3 COOH/>+ 2H 2O .
pisică
Alcani în aer arde la CO2 şi H2O:/>
С n Н 2 n +2 + (З n+1)/2O2 = n CO2 + (n +1) H2O.
