Jedným z prvých typov chemických zlúčenín študovaných v školských osnovách organickej chémie sú alkány. Patria do skupiny nasýtených (inak známych ako alifatické) uhľovodíkov. Ich molekuly obsahujú iba jednoduché väzby. Atómy uhlíka sú charakterizované sp3 hybridizáciou.
Homológy sú chemické látky, ktoré majú spoločné vlastnosti a chemickú štruktúru, ale líšia sa jednou alebo viacerými skupinami CH2.
V prípade metánu CH4 možno uviesť všeobecný vzorec pre alkány: CnH (2n+2), kde n je počet atómov uhlíka v zlúčenine.
Tu je tabuľka alkánov, v ktorých n je v rozsahu od 1 do 10.
Izoméria alkánov
Izoméry sú tie látky, ktorých molekulový vzorec je rovnaký, ale ich štruktúra alebo štruktúra je odlišná.
Trieda alkánov sa vyznačuje 2 typmi izomérie: uhlíkovým skeletom a optickou izomériou.
Uveďme príklad štruktúrneho izoméru (t. j. látky, ktorá sa líši len štruktúrou uhlíkového skeletu) pre bután C4H10.
Optické izoméry sú dve látky, ktorých molekuly majú podobnú štruktúru, ale nemožno ich kombinovať v priestore. Fenomén optickej alebo zrkadlovej izomérie sa vyskytuje v alkánoch, počnúc heptánom C7H16.
Ak chcete dať alkánu správny názov, Musí sa použiť nomenklatúra IUPAC. Ak to chcete urobiť, použite nasledujúcu postupnosť akcií:
Pomocou vyššie uvedeného plánu sa pokúsime pomenovať nasledujúci alkán.
Za normálnych podmienok sú nerozvetvené alkány od CH4 po C4H10 plynné látky, od C5H12 po C13H28 sú kvapalné a majú špecifický zápach, všetky nasledujúce sú pevné. Ukazuje sa, že So zvyšujúcou sa dĺžkou uhlíkového reťazca sa zvyšuje teplota varu a teplota topenia. Čím je štruktúra alkánu rozvetvenejšia, tým nižšia je teplota, pri ktorej vrie a topí sa.
Plynné alkány nemajú farbu. A tiež všetci zástupcovia tejto triedy sa nemôžu rozpustiť vo vode.
Alkány, ktoré majú plynný stav, môžu horieť a plameň bude buď bezfarebný, alebo bude mať bledomodrý odtieň.
Chemické vlastnosti
Za normálnych podmienok sú alkány dosť neaktívne. To sa vysvetľuje silou σ väzieb medzi atómami C-C a C-H. Preto je potrebné zabezpečiť špeciálne podmienky (napríklad dosť vysokú teplotu alebo svetlo), aby bola chemická reakcia možná.
Substitučné reakcie
Reakcie tohto typu zahŕňajú halogenáciu a nitráciu. Halogenácia (reakcia s Cl2 alebo Br2) nastáva pri zahrievaní alebo vystavení svetlu. Počas reakcie, ktorá prebieha postupne, vznikajú halogénalkány.
Ako príklad môžeme uviesť reakciu chlorácie etánu.
Bromácia bude prebiehať podobným spôsobom.
Nitrácia je reakcia so slabým (10%) roztokom HNO3 alebo s oxidom dusnatým (IV) NO2. Podmienky na uskutočnenie reakcií sú teplota 140 °C a tlak.
C3H8 + HN03 = C3H7N02 + H20.
V dôsledku toho vznikajú dva produkty - voda a aminokyselina.
Reakcie rozkladu
Pri uskutočňovaní rozkladných reakcií sú vždy potrebné vysoké teploty. To je nevyhnutné na prerušenie väzieb medzi atómami uhlíka a vodíka.
Takže pri praskaní bude potrebná teplota v rozmedzí 700 až 1000 °C. Počas reakcie sa zničia väzby -C-C-, vytvorí sa nový alkán a alkén:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Výnimkou je krakovanie metánu a etánu. V dôsledku týchto reakcií sa uvoľňuje vodík a vzniká alkínacetylén. Predpokladom je zahriatie na 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Ak prekročíte teplotu 1000 °C, môžete dosiahnuť pyrolýzu s úplným roztrhnutím väzieb v zmesi:
Pri pyrolýze propylu vznikal uhlík C a uvoľňoval sa aj vodík H2.
Dehydrogenačné reakcie
Dehydrogenácia (odstránenie vodíka) prebieha u rôznych alkánov odlišne. Reakčnými podmienkami sú teplota v rozmedzí od 400 do 600 °C, ako aj prítomnosť katalyzátora, ktorým môže byť nikel alebo platina.
Alkén vzniká zo zlúčeniny s 2 alebo 3 atómami uhlíka v uhlíkovom skelete:
C2H6 = C2H4 + H2.
Ak je v reťazci molekuly 4-5 atómov uhlíka, potom po dehydrogenácii získate alkadién a vodík.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Počnúc hexánom, reakcia produkuje benzén alebo jeho deriváty.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Za zmienku stojí aj konverzná reakcia pre metán pri teplote 800 °C a v prítomnosti niklu:
CH4 + H20 = CO + 3H2
Premena nie je typická pre iné alkány.
Oxidácia a spaľovanie
Ak alkán, zahriaty na teplotu nie vyššiu ako 200 °C, reaguje s kyslíkom v prítomnosti katalyzátora, potom sa v závislosti od iných reakčných podmienok budú výsledné produkty líšiť: môžu to byť zástupcovia tried aldehydov, karboxylové kyseliny, alkoholy alebo ketóny.
V prípade úplnej oxidácie sa alkán spáli na konečné produkty - vodu a CO2:
C9H20 + 1402 = 9C02 + 10H20
Ak je množstvo kyslíka počas oxidácie nedostatočné, konečným produktom bude uhlie alebo CO namiesto oxidu uhličitého.
Uskutočnenie izomerizácie
Ak poskytnete teplotu asi 100-200 stupňov, pre nerozvetvené alkány je možná prešmyková reakcia. Druhým predpokladom izomerizácie je prítomnosť katalyzátora AlCl3. V tomto prípade sa mení štruktúra molekúl látky a vzniká jej izomér.
Významné podiel alkánov sa získava ich izoláciou z prírodných surovín. Najčastejšie sa spracováva zemný plyn, ktorého hlavnou zložkou je metán, alebo ropa podlieha praskaniu a rektifikácii.
Mali by ste tiež pamätať na chemické vlastnosti alkénov. V 10. ročníku bola jednou z prvých laboratórnych metód študovaných na hodinách chémie hydrogenácia nenasýtených uhľovodíkov.
C3H6 + H2 = C3H8
Napríklad v dôsledku pridania vodíka do propylénu sa získa jediný produkt - propán.
Pomocou Wurtzovej reakcie sa alkány získajú z monohalogénalkánov, v ktorých štruktúrnom reťazci sa zdvojnásobí počet atómov uhlíka:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Ďalším spôsobom prípravy je interakcia soli karboxylovej kyseliny s alkáliou pri zahrievaní:
C2H5COONa + NaOH = Na2C03 + C2H6.
Okrem toho sa metán niekedy vyrába v elektrickom oblúku (C + 2H2 = CH4) alebo reakciou karbidu hliníka s vodou:
Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Alkány sú široko používané v priemysle ako nízkonákladové palivá. Používajú sa aj ako suroviny na syntézu iných organických látok. Na tento účel sa zvyčajne používa metán, ktorý je nevyhnutný pre syntézny plyn. Niektoré ďalšie nasýtené uhľovodíky sa používajú na výrobu syntetických tukov a tiež ako základ pre mazivá.
Pre lepšie pochopenie témy „Alkány“ bola vytvorená viac ako jedna video lekcia, v ktorej sa podrobne rozoberajú témy ako štruktúra hmoty, izoméry a nomenklatúra, ako aj mechanizmy chemických reakcií.
Obsah článku
ALKÁNY A CYKLOALKÁNY– uhľovodíky, v ktorých sú všetky atómy uhlíka spojené navzájom a s atómami vodíka jednoduchými (jednoduchými) väzbami. Alkány (synonymá - nasýtené uhľovodíky, nasýtené uhľovodíky, parafíny) - uhľovodíky so všeobecným vzorcom C n H 2 n+2 , kde n- počet atómov uhlíka. Známy polyetylén má rovnaký vzorec, len veľkosť n je veľmi veľký a môže dosiahnuť desaťtisíce. Okrem toho polyetylén obsahuje molekuly rôznych dĺžok. V cykloalkánoch tvoria atómy uhlíka uzavretý reťazec; ak existuje jeden cyklus, vzorec cykloalkánu je C n H 2 n .
V závislosti od poradia spojenia atómov uhlíka v reťazci sa alkány delia na lineárne a rozvetvené. V súlade s tým pre alkány s nі 4 je možné, že existuje viac ako jedna látka s rovnakým vzorcom. Takéto látky sa nazývajú izoméry (z gréčtiny. isis– rovný, rovnaký a meros – podiel, diel.
Názvy alkánov.
Slovo „alkán“ je rovnakého pôvodu ako „alkohol“ ( Pozri nižšie). Zastaraný výraz „parafín“ pochádza z latinského parum – málo, bezvýznamne a affinis – príbuzný; parafíny majú nízku reaktivitu vzhľadom na väčšinu chemických činidiel. Mnohé parafíny sú homológy; v homologickej sérii alkánov sa každý nasledujúci člen líši od predchádzajúceho o jednu metylénovú skupinu CH2. Termín pochádza z gréckeho homologos – zodpovedajúci, podobný.
Nomenklatúra (z lat. nomenklatúry– zoznam názvov) názvy alkánov sú konštruované podľa určitých pravidiel, ktoré nie sú vždy jednoznačné. Takže, ak sú v molekule alkánu rôzne substituenty, potom sú v názve alkánu uvedené v abecednom poradí. Toto poradie sa však môže v rôznych jazykoch líšiť. Napríklad uhľovodík CH 3 –CH(CH 3)–CH(C 2H 5)–CH 2 –CH 2 –CH 3 sa v súlade s týmto pravidlom bude v ruštine nazývať 2-metyl-3-etylhexán a v anglický 3-etyl-2-metylhexán…
V súlade s názvom uhľovodíka sa alkylové radikály nazývajú aj: metyl (CH 3 -), etyl (C 2 H 5 -), izopropyl (CH 3) 2 CH-, utorok-butyl C2H5-CH(CH3)-, drhne-butyl (CH3)3C- atď. Alkylové radikály sú zahrnuté ako celok v zložení mnohých organických zlúčenín; vo voľnom stave sú tieto častice s nespárovaným elektrónom mimoriadne aktívne.
Niektoré izoméry alkánov majú aj triviálne názvy ( cm. TRVIÁLNE NÁZVY LÁTOK), napr. izobután (2-metylpropán), izooktán (2,2,4-trimetylpentán), neopentán (2,3-dimetylpropán), skvalán (2,6,10,15,19,23-hexametyltetrakozán), ktorého názov pochádza z lat squalus– žralok (nenasýtený derivát skvalánu – skvalén, zlúčenina dôležitá pre metabolizmus, bola prvýkrát objavená v pečeni žraloka). Triviálny názov pre pentylový radikál (C5H11) je amyl. Pochádza z gréčtiny. amylon– škrob: kedysi sa izoamylalkohol C 5 H 11 OH (3-metylbutanol-1) nazýval „amylalkohol fermentácie“, pretože tvorí základ fuselového oleja a vzniká ako výsledok fermentácie cukrových látok - produktov hydrolýzy škrobu.
Najjednoduchší člen cykloalkánovej série C n H 2 n- cyklopropán ( n= 3). Jeho homológy sa nazývajú rovnako ako alkány s pridaním predpony „cyklo“ (cyklobután, cyklopentán atď.). V cykloalkánoch je izoméria možná vďaka prítomnosti bočných alkylových skupín a ich umiestneniu v kruhu. Napríklad cyklohexán, metylcyklopentán, 1,1-, 1,2- a 1,3-dimetylcyklobután, 1,1,2- a 1,2,3-trimetylcyklopropány sú izomérne.
Počet alkánových izomérov sa prudko zvyšuje so zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka. Názvy niektorých alkánov, ako aj teoretický počet ich možných izomérov sú uvedené v tabuľke.
| Vzorec | názov | Počet izomérov | Vzorec | názov | Počet izomérov |
| CH 4 | metán | 1 | C11N 24 | Undekan | 159 |
| C2H6 | Etan | 1 | C12N 26 | Dodecan | 355 |
| C3H8 | Propán | 1 | C13N 28 | Tridecan | 802 |
| C4H10 | bután | 2 | C14N30 | tetradekán | 1858 |
| C5H12 | pentán | 3 | C15N 32 | Pentadekán | 4347 |
| C6H14 | Hexán | 5 | C20N 42 | Eikosan | 366319 |
| C7H16 | heptán | 9 | C25N 52 | Pentacosan | 36797588 |
| C8H18 | Oktánový | 18 | C30N 62 | triacontan | 4111846763 |
| C9H20 | Nonan | 35 | C40N 82 | tetrakontan | 62481801147341 |
| C10H22 | dekan | 75 | C 100 N 202 | Hektán | približne 5,921 10 39 |
Pochopiť väčšinu názvoslovných názvov nasýtených uhľovodíkov nie je veľmi ťažké ani pre tých, ktorí neštudovali gréčtinu na klasickom gymnáziu. Tieto mená pochádzajú z gréckych číslic s pridaním prípony -an. S prvými členmi série je to ťažšie: nepoužívajú číslovky, ale iné grécke korene spojené s názvami zodpovedajúcich alkoholov alebo kyselín. Tieto alkoholy a kyseliny boli známe dlho pred objavením zodpovedajúcich alkánov; príkladom je etylalkohol a etán (získaný až v roku 1848).
Metán (rovnako ako metanol, metyl, metylén atď.) majú spoločný koreň „met“, ktorý v chémii označuje skupinu obsahujúcu jeden atóm uhlíka: metyl CH 3, metylén (metylidén) CH 2, metín (metylidín) CH. Historicky prvou takouto látkou bol metyl (známy aj ako drevný) alkohol, metanol, ktorý sa predtým získaval suchou destiláciou dreva. Jeho názov pochádza z gréckych slov methy - omámiť víno a hile - les (takpovediac „drevené víno“). Najúžasnejšie je, že metán, ametyst a med majú spoločný koreň! V dávnych dobách boli drahé kamene obdarené magickými vlastnosťami (a mnohí tomu stále veria). Verilo sa teda, že krásne fialové kamene chránia pred opojením, najmä ak bol z tohto kameňa vyrobený pohár na pitie. Spolu s negatívnou predponou sa ukázalo, že ametystos - pôsobí proti intoxikácii. Ukázalo sa, že slovo med je prítomné takmer vo všetkých európskych jazykoch: v angličtine. medovina - med (ako nápoj), nemecký Met (v staronemeckom metu), holandský mede, švédsky mjöd, dánsky mjød, litovský a lotyšský medus, nehovoriac o slovanských jazykoch. Všetky tieto slová, vrátane gréčtiny, pochádzajú z indoeurópskeho medhu, čo znamená sladký nápoj. Nezaostáva za nimi ani grécka pálenka Metaxa, hoci nie je vôbec sladká.
Etán (rovnako ako éter, etanol, alkohol, alkán) majú spoločný pôvod. Starovekí grécki filozofi používali slovo aither na označenie určitej látky, ktorá preniká kozmom. Keď alchymisti v 8. stor. Z vínneho liehu a kyseliny sírovej získavali ľahko odparujúcu kvapalinu, nazývala sa sírový éter. V 19. storočí zistil, že éter sírový (v angličtine ether) patrí medzi takzvané étery a obsahuje skupinu dvoch atómov uhlíka – rovnako ako etylalkohol (etanol); táto skupina sa nazývala etyl. Názov látky „etyléter“ (C 2 H 5 –O – C 2 H 5) je teda v podstate „olejový olej“.
Názov etán pochádza z „etylu“. Jeden z názvov etanolu, alkohol, je rovnakého pôvodu ako slovo alkán (tiež alkén, alkín, alkyl). V arabčine al-kohl znamená prášok, prášok, prach. Pri najmenšom nádychu stúpajú do vzduchu, rovnako ako výpary vína - „alkohol vína“, ktorý sa časom jednoducho zmenil na alkohol.
Prečo je „t“ v „etáne“ a „etanole“ a „f“ v „étere“? Koniec koncov, v angličtine, na rozdiel od ruštiny, slová „éter“ a „etyl“ majú podobné hláskovanie a zvuky. Kombinácia th sa vracia k gréckemu písmenu q (theta); v ruskom jazyku do roku 1918 malo písmeno „fita“ rovnaký štýl, ktorý sa však vyslovoval ako „f“ a používal sa výlučne na rozlíšenie slov, v ktorých toto písmeno pochádza z gréčtiny q a 247 („“ phi”). V západoeurópskych jazykoch gréčtina. j prešlo na ph a q na th. V ruštine veľa slov obsahuje slovo „fita“ v 18. storočí. bolo nahradené písmenom „f“: divadlo namiesto „qeaftr“, matematika namiesto „maqematika“, teória namiesto „qeory“... V tejto súvislosti je zaujímavé, že v Dahlovom slovníku, vydanom v roku 1882, je písaný eqir a v encyklopedickom slovníku Brockhausa a Efrona (1904) – „éter“.
Mimochodom, estery v západných jazykoch sú estery, nie étery. Ale slovo „ester“ v ruskom jazyku neexistuje, takže oči každého chemika bolí negramotný preklad anglického polyesteru na etiketách textilných výrobkov ako „polyester“ namiesto „polyester“, „polyesterové vlákno“ (polyestery zahŕňajú napríklad lavsan, terylén, dacron).
Názvy „propán“ a „bután“ pochádzajú z názvov zodpovedajúcich kyselín – propiónovej a butánovej (maslovej). Kyselina propiónová je „prvý“ (t.j. najkratší reťazec), ktorý sa nachádza v tukoch ( cm. TUKY A OLEJE) a jeho názov je odvodený z gréčtiny. protos- prvý a pion– tuk. Bután a kyselina butánová maslový kyselina) – z gréčtiny. butyron- olej; V ruštine sú butyráty soli a estery kyseliny maslovej. Táto kyselina sa uvoľňuje, keď olej žltne.
Ďalej, počnúc pentánom, názvy sú odvodené od gréckych číslic. Vzácnou výnimkou je cetán, jeden z názvov pre hexadekán C16. Toto slovo pochádza z názvu cetylalkohol, ktorý získal v roku 1823 francúzsky chemik Michel Eugene Chevreul. Chevreul izoloval túto látku zo spermaceti, voskovej látky z hlavy vorvaňa. Slovo spermaceti pochádza z gréckeho sperma – semeno a ketos – veľký morský živočích (veľryba, delfín). Z latinského písania druhého slova (cetus) pochádza cetylalkohol C 16 H 33 OH (hexadekanol) a cetán.
V ruskom jazyku existuje veľa slov s rovnakými koreňmi ako alkány: päťuholník, sedemuholník (zvuková stupnica 7 krokov), dodekafónia (spôsob hudobnej kompozície), oktáva, decima a undecima (hudobné intervaly), oktet a nonet (súbory 8 a 9 hudobníkov), pentóda, hexóda a heptóda (rádioelektrónky); hexameter (básnický meter), osemsten, dekáda, dekan, hektár, október, december atď. a tak ďalej.
Alkán s najdlhšími molekulami bol syntetizovaný anglickými chemikmi v roku 1985. Ide o nonakontatrictán C 390 H 782, obsahujúci reťazec 390 atómov uhlíka. Výskumníkov zaujímalo, ako sa takéto dlhé reťazce zbalia počas kryštalizácie (flexibilné uhľovodíkové reťazce sa môžu ľahko zložiť).
Počet izomérov alkánov.
Problém teoreticky možného počtu izomérov alkánov ako prvý vyriešil anglický matematik Arthur Cayley (1821–1895), jeden zo zakladateľov dôležitého odvetvia matematiky – topológie (v roku 1879 publikoval prvý článok o slávnom „ problém štyroch farieb“: je ich dostatok na vyfarbenie geografických kariet, tento problém bol vyriešený až v roku 1976? Ukázalo sa, že neexistuje žiadny vzorec, podľa ktorého by sa dal použiť počet atómov uhlíka v alkáne C n H 2 n+2 vypočíta počet jej izomérov. Existujú iba takzvané opakujúce sa vzorce (z lat recidív– vracajúci sa), ktoré vám umožňujú vypočítať počet izomérov nčlen série, ak je už známy počet izomérov predchádzajúceho člena. Preto výpočty pre veľké n boli získané relatívne nedávno pomocou počítačov a redukované na uhľovodík C 400 H 802; pre ňu, berúc do úvahy priestorové izoméry, bola získaná hodnota, ktorú je ťažké si predstaviť: 4,776·10 199. A vychádzajúc z alkánu C 167 H 336, počet izomérov prevyšuje počet elementárnych častíc vo viditeľnej časti vesmíru, ktorý sa odhaduje na 10 80. Počet izomérov uvedených v tabuľke pre väčšinu alkánov sa výrazne zvýši, ak vezmeme do úvahy aj zrkadlovo symetrické molekuly - stereoizoméry ( cm. OPTICKÁ IZOMERIZMUS): pre heptán - od 9 do 11, pre dekán - od 75 do 136, pre eikozán - od 366 319 do 3 396 844, pre hektán - od 5 921 10 39 do 1 373 10 46 atď.
Z pohľadu chemika je počet štruktúrnych izomérov nasýtených uhľovodíkov prakticky zaujímavý len pre prvých členov série. Dokonca aj pre relatívne jednoduchý alkán obsahujúci iba jeden a pol tucta uhlíkových atómov sa nezískal prevažný počet izomérov a je nepravdepodobné, že by sa niekedy syntetizoval. Napríklad posledný z teoreticky možných 75 izomérov dekánu bol syntetizovaný až v roku 1968. A to bolo urobené z praktických dôvodov - mať úplnejší súbor štandardných zlúčenín, pomocou ktorých môžu rôzne uhľovodíky, napríklad tie, ktoré sa nachádzajú v rope, byť identifikovaný. Mimochodom, všetkých 18 možných oktánových izomérov sa našlo v rôznych druhoch oleja.
Najzaujímavejšie však je, že počnúc heptadekánom C 17 H 36 sú najprv len niektoré z teoreticky možného počtu izomérov, potom mnohé a nakoniec takmer všetky sú nápadným príkladom „chémie papiera“, t.j. nemôže existovať v realite. Faktom je, že so zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka v molekulách rozvetvených izomérov vznikajú vážne problémy priestorového balenia. Koniec koncov, matematici považovali atómy uhlíka a vodíka za body, hoci v skutočnosti majú konečný polomer. Metánová „guľa“ má teda na svojom „povrchu“ 4 atómy vodíka, ktoré sú na nej voľne umiestnené. V neopentáne C(CH 3) 4 je na „povrchu“ už 12 atómov vodíka umiestnených oveľa bližšie k sebe; ale stále je priestor na ich umiestnenie. Ale pre alkán 4 (C 17 H 36) nie je na povrchu dostatok miesta na umiestnenie všetkých 36 atómov vodíka v 12 metylových skupinách; To sa dá ľahko skontrolovať, ak nakreslíte plochý obrázok (alebo ešte lepšie vytvoríte trojrozmerný model z plastelíny a zápaliek) pre podobné izoméry, pričom zachováte stálosť dĺžok väzieb C–C a C–H a všetky uhly medzi nimi). S rastom n problémy s umiestnením vznikajú aj pre atómy uhlíka. Výsledkom je, že napriek tomu, že počet možných izomérov sa zvyšuje n sa veľmi rýchlo zvyšuje, podiel „papierových“ izomérov rastie oveľa rýchlejšie. Počítačové hodnotenie ukázalo, že ako n pomer počtu skutočne možných izomérov k počtu „papierových“ sa rýchlo blíži k nule. To je dôvod, prečo výpočet presného počtu izomérov nasýtených uhľovodíkov pre veľké n, ktorý kedysi vzbudzoval značný záujem, má dnes pre chemikov už len teoretický význam.
Štruktúra a fyzikálne vlastnosti alkánov.
Alkány majú štyri sp 3 hybridné orbitály atómu uhlíka ( cm. ORBITALY) sú nasmerované k vrcholom štvorstenu s uhlom medzi nimi asi 109°28" - v tomto prípade je odpudzovanie medzi elektrónmi a energiou systému minimálne. V dôsledku prekrytia týchto orbitálov navzájom, ako aj so sebou s-orbitály atómov vodíka tvoria s-väzby C–C a C–H. Tieto väzby v molekulách alkánov sú kovalentné nepolárne alebo nízkopolárne.
Alkány sa delia na primárne uhlíkové atómy (sú viazané iba na jeden susedný C atóm), sekundárne (viazané na dva C atómy), terciárne (viazané na tri C atómy) a kvartérne (viazané na štyri C atómy). V 2,2-dimetyl-3-metylpentáne CH 3 –C(CH 3) 2 –CH(CH 3) – CH 2 –CH 3 je teda jeden kvartérny, jeden terciárny, jeden sekundárny a päť primárnych atómov uhlíka. Rôzne prostredia atómov uhlíka výrazne ovplyvňujú reaktivitu atómov vodíka, ktoré sú s nimi spojené.
Priestorové usporiadanie sp 3 orbitálov vedie, počnúc propánom, k cikcak konfigurácii uhlíkových reťazcov. V tomto prípade je možná rotácia molekulárnych fragmentov okolo väzieb C–C (v molekule etánu pri 20 °C - rýchlosťou miliónov otáčok za sekundu!), čo robí molekuly vyšších alkánov flexibilnými. K narovnaniu takýchto reťazcov dochádza napríklad pri naťahovaní polyetylénu, ktorý pozostáva zo zmesi alkánov s dlhými reťazcami, molekuly alkánov medzi sebou slabo interagujú, preto sa alkány topia a varia pri oveľa nižších teplotách ako podobné látky s polárnymi molekulami. Prvé 4 členy homologickej série metánu sú plyny za normálnych podmienok; propán a bután sa ľahko skvapalňujú pri nízkom tlaku (kvapalná zmes propán-bután je obsiahnutá v plynových fľašiach pre domácnosť). Vyššie homológy sú kvapaliny s vôňou benzínu alebo pevných látok, ktoré sú nerozpustné vo vode a plávajú na jej povrchu. Teploty topenia a varu alkánov sa zvyšujú so zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka v molekule, pričom nárast teploty sa postupne spomaľuje, napríklad C 100 H 202 sa topí pri 115 ° C, C 150 H 302 - pri 123 ° C. Topenie a body varu pre prvých 25 alkánov sú uvedené v tabuľke - je zrejmé, že vychádzajúc z oktadekánu sú alkány pevné látky.
| Tabuľka. TEPLOTY TANIA A VARU ALKÁNOV | ||
| Alkán | T pl | T balík |
| metán | –182,5 | –161,5 |
| Etan | –183,3 | –88,6 |
| Propán | –187,7 | –42,1 |
| bután | –138,4 | –0,5 |
| pentán | –129,7 | 36,1 |
| Hexán | –95,3 | 68,7 |
| heptán | –90,6 | 98,4 |
| Oktánový | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| dekan | –29,7 | 174,1 |
| Undekan | –25,6 | 195,9 |
| Dodecan | –9,6 | 216,3 |
| Tridecan | –5,5 | 235,4 |
| tetradekán | +5,9 | 253,7 |
| Pentadekán | +9,9 | 270,6 |
| Hexadekán | 18,2 | 286,8 |
| heptadekán | 22,0 | 301,9 |
| Octadecan | 28,2 | 316,1 |
| nonadekán | 32,1 | 329,7 |
| Eikosan | 36,8 | 342,7 |
| Geneikozan | 40,5 | 356,5 |
| Docozan | 44,4 | 368,6 |
| Tricozan | 47,6 | 378,3 |
| tetrakosán | 50,9 | 389,2 |
| Pentacosan | 53,7 | 399,7 |
Prítomnosť vetvy v reťazci dramaticky mení fyzikálne vlastnosti, najmä teplotu topenia. Takže, ak má hexán normálnu štruktúru ( n-hexán) sa topí pri –95,3 °C, potom sa jeho izomérny 2-metylpentán topí pri –153,7 °C. Je to kvôli obtiažnosti balenia rozvetvených molekúl počas ich kryštalizácie. Výsledkom je, že alkány s reťazovými vetvami po rýchlom ochladení nekryštalizujú, ale prechádzajú do sklovitého stavu podchladenej kvapaliny ( cm. SKLO). Napríklad, ak sa tenká ampulka pentánu ponorí do kvapalného dusíka (teplota -196 ° C), látka sa zmení na bielu snehovú hmotu, zatiaľ čo izopentán (2-metylbután) stuhne na priehľadné „sklo“.
Originálny spôsob ich oddeľovania je založený na rozdiele v geometrickom tvare lineárnych a rozvetvených alkánov: kryštály močoviny majú kanály, do ktorých sa zmestia alkány s priamym reťazcom, ale nie rozvetvené.
Cykloalkány s n= 2, 3 – plyny, vyššie – kvapaliny alebo tuhé látky. Najväčší cyklus, ktorý chemici dokázali syntetizovať, je cyklooktaoktakontadiktán C 288 H 576. Rôzne tvary molekúl cykloalkánu s párnym a nepárnym počtom atómov uhlíka v molekule vedú k silnému párnemu-nepárnemu účinku týkajúcemu sa teploty topenia, ako je možné vidieť z tabuľky. Tento efekt sa vysvetľuje rozdielom v „pohodlnosti“ balenia molekúl rôznych tvarov do kryštálu: čím kompaktnejšie je balenie, tým silnejší je kryštál a tým vyššia je jeho teplota topenia. Napríklad cyklododekán sa topí takmer o 70° vyššie ako jeho najbližší homológ, cykloundekán. Samozrejme, záleží aj na hmotnosti molekuly: molekuly svetla sa topia pri nižšej teplote.
| C3H6 | –127,5 |
| C4H8 | –50 |
| C5H10 | –93,9 |
| C6H12 | +6,5 |
| C7H14 | –12 |
| C8H16 | 14,3 |
| S 9 H 18 | 9,7 |
| C10N20 | 10,8 |
| CnH22 | –7,2 |
| C12H24 | 61,6 |
| C13N 26 | 23,5 |
| C14N 28 | 54 |
| C15N30 | 62,1 |
Ľahká rotácia okolo väzby C–C vedie k tomu, že molekuly cykloalkánov nie sú rovinné (s výnimkou cyklopropánu), čím sa vyhýbajú silnému skresleniu väzbových uhlov. V cyklohexáne a jeho vyšších homológoch sú teda väzbové uhly uvoľnené a blízke štvorstenu (109°), zatiaľ čo v šesťuholníku sú uhly 120°, v osemuholníku - 135° atď. Jednotlivé atómy uhlíka v takýchto cykloalkánoch nezaberajú pevne pevnú polohu: kruh sa zdá byť v neustálom vlnovom pohybe. Molekula cyklohexánu teda môže byť vo forme rôznych geometrických štruktúr (konformérov), ktoré sa môžu navzájom transformovať (inverzia cyklu). Kvôli ich vonkajšej podobnosti sa nazývali „vaňa“ a „stolička“ (v anglickej literatúre sa „vaňa“ nazýva „loď“):
Tvar stoličky je stabilnejší; Pri bežných teplotách existuje 99,9 % cyklohexánu v stabilnejšej forme stoličky. Prechod medzi dvoma formami nastáva prostredníctvom strednej „krútenej konformácie“ (z angl. krútiť– krútiť).
V cyklopropáne sa uhol zmenšuje zo 108° na 60°, čo vedie k vysokému napätiu a "ohnutým" väzbám, ktoré sú medzi normálnymi s- a p-väzbami; Vďaka svojmu tvaru sa tieto väzby nazývajú „banánové“. V tomto prípade sa sp 3 orbitály atómov uhlíka prekrývajú len čiastočne. Výsledkom je dualita chemických vlastností cyklopropánu. Na jednej strane je v ňom možná substitúcia atómov vodíka (reakcia typická pre alkány), na druhej strane je možná adícia s otvorením kruhu (reakcia typická pre alkény, napr.: cyklo-C3H6 + Br2® BrCH2CH2CH2Br).
Cykloalkány s dvoma kruhmi a jedným spoločným atómom uhlíka sa nazývajú spiroalkány. Ak existujú viac ako dva spoločné atómy uhlíka, potom vznikajú bicykloalkány, tricykloalkány atď. V dôsledku takéhoto „zosieťovania“ niekoľkých cyklov naraz sa chemikom podarilo získať uhľovodíky, ktorých priestorová štruktúra zodpovedá rôznym. mnohosten: štvorsten, kocka, hranol atď. Bicyklické deriváty cyklohexán sa nachádzajú v siliciach, živici ihličnanov a terpentíne. Cyklus šiestich a piatich atómov uhlíka sa nachádza v gáfor, cholesterole, sacharíne, piperíne (dodáva štipľavú chuť čiernemu koreniu), dusíkatých zásadách - nukleotidoch a iných zlúčeninách (niektoré atómy uhlíka v cykloch môžu byť spojené dvojitými väzbami a niektoré sú substituované inými atómami, ako napríklad v sacharíne). Cyklus 17 atómov uhlíka (z toho dva spojené dvojitou väzbou) obsahuje civeton, vonná látka, zložka pižma, ktorá sa používa v parfumérii. Krásna molekula adamantanu obsahuje tri šesťčlenné prstence a svojou štruktúrou zodpovedá kryštálovej mriežke diamantu. Štruktúra adamantánu sa nachádza v antivírusovom lieku rimantadín, v hexametyléntetramíne (v poslednej uvedenej zlúčenine sú 4 atómy uhlíka nahradené atómami dusíka, ktoré sú navzájom spojené metylénovými mostíkmi – CH 2 –). Nižšie sú uvedené štruktúry niektorých cykloalkánov, ktorých molekuly majú viac ako jeden rôzne pripojený kruh.
Bicyklodekán (tetrahydronaftalén, dekalín)
Adamantane
Chemické vlastnosti alkánov.
Alkány sú najmenej chemicky aktívne organické zlúčeniny. Všetky väzby C–C a C–H v alkánoch sú jednoduché, takže alkány nie sú schopné adičných reakcií. Pre alkány sú charakteristické reakcie nahradenia atómov vodíka inými atómami a skupinami atómov. Keď sa teda metán chlóruje, vzniká metylchlorid CH3CI, metylénchlorid CH2CI2, trichlórmetán (chloroform) CHCI3 a chlorid uhličitý (chlorid uhličitý) CCI4. Tieto reakcie sa riadia reťazovým mechanizmom so strednou tvorbou voľných radikálov.
Pri chlorácii alkánov, počnúc propánom, môže úplne prvý atóm chlóru nahradiť rôzne atómy vodíka. Smer substitúcie závisí od sily väzby C–H: čím je slabšia, tým rýchlejšie je substitúcia tohto konkrétneho atómu. Primárne väzby C–H sú zvyčajne silnejšie ako sekundárne a sekundárne sú silnejšie ako terciárne. Výsledkom je, že chlorácia pri 25 °C pozdĺž sekundárnej väzby (CH 3) 2 CH–H prebieha 4,5-krát rýchlejšie ako cez primárnu väzbu C 2 H 5 –H a terciárnu väzbu (CH 3) 3 C–H – 6,7-krát rýchlejšie. Rozdielna reaktivita primárnych, sekundárnych a terciárnych atómov vodíka môže viesť k tomu, že prevláda len jeden z niekoľkých možných produktov chlorácie. Napríklad, keď sa 2,3-dimetylbután chlóruje v roztoku sírouhlíka (CS 2), vznikne 95 % 2-chlórderivátu a len 5 % 1-chlórderivátu, t.j. 19 krát menej. Ak zoberieme do úvahy, že v pôvodnom alkáne je 6-krát viac primárnych atómov vodíka ako terciárnych, tak pomer ich reaktivity bude ešte väčší (19 ґ 6 = 114). Sirouhlík ako rozpúšťadlo znižuje reaktivitu atómov chlóru a tým zvyšuje jeho selektivitu. Zníženie teploty funguje rovnakým spôsobom.
Atómy brómu sú menej aktívne; Znateľná aktivačná energia tejto reakcie vedie k tomu, že bromácia alkánov, hoci prebieha reťazovým mechanizmom, je oveľa pomalšia ako chlorácia, a to len pri zvýšených teplotách alebo na svetle. Nižšia aktivita atómov brómu vedie aj k zvýšenej selektivite bromácie. Ak sa teda relatívna rýchlosť fotochemickej bromácie etánu pri 40 °C rovná 1, potom rýchlosť bromácie propánu (na sekundárnom atóme H) bude za rovnakých podmienok už 220 a rýchlosť bromácie izobutánu (na terciárnom atóme H) bude 19 000
Najmenej aktívne sú atómy jódu, preto je reakcia jodácie alkánov RH + I 2 ® RI + HI endotermická, možná len pri vysokých teplotách a prebieha s veľmi krátkymi reťazcami. Navyše k reverznej exotermickej reakcii RI + HI ® RH + I2 dochádza veľmi ľahko. Pri jódovaní alkánov vznikajú aj nenasýtené zlúčeniny. Napríklad pri 685 °C tvorí etán, ktorý reaguje s jódom, 72 % etylénu a 10 % acetylénu. Rovnaké výsledky sa dosiahli s propánom, butánom a pentánom.
Fluoračná reakcia alkánov prebieha veľmi vysokou, často výbušnou rýchlosťou za vzniku všetkých možných polyfluórovaných derivátov pôvodného alkánu. Energia uvoľnená pri fluorácii alkánov je taká veľká, že môže viesť k rozpadu molekúl produktu na radikály, ktoré začínajú nové reťazce. V dôsledku toho sa rýchlosť reakcie zvyšuje ako lavína a to vedie k výbuchu aj pri nízkych teplotách. Zvláštnosťou fluorácie alkánov je možnosť deštrukcie uhlíkového skeletu atómami fluóru za vzniku CF 4 ako konečného produktu s inými halogénmi, k takejto reakcii nedochádza.
Nitrácia alkánov (Konovalovova reakcia) má tiež radikálny mechanizmus: RH + NO 2 ® R· + HNO 2, R· + NO 2 ® RNO 2. Zdrojom NO 2 je kyselina dusičná, ktorá sa zahrievaním rozkladá. Reakcia prebieha v roztoku pri teplotách nad 150 °C alebo v pare pod tlakom do 10 atm a teplote 400 – 500 °C. V druhom prípade sa prerušia aj väzby C-C v alkánoch a zmes vznikajú nitroalkány.
Všetky alkány horia uvoľňovaním tepla, napr.: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. K tejto reakcii dochádza najmä vo valcoch spaľovacích motorov. Aby sa zvyšky nespálených alkánov nedostali do atmosféry, využíva sa ich katalytické dohorenie vo výfukových potrubiach (súčasne dochádza k spaľovaniu CO a k premene oxidov dusíka na neškodný dusík). K reakcii kyslíka s vyššími alkánmi (v parafíne) dochádza pri horení sviečky. Plynné alkány, ako je metán, tvoria so vzduchom výbušné zmesi. Takéto zmesi sa môžu tvoriť v baniach, ako aj v obytných budovách v dôsledku úniku plynu z domácnosti, ak jeho obsah vo vzduchu dosiahne 5%.
Značné úsilie chemikov smerovalo k podrobnému štúdiu reakcie nízkoteplotnej oxidácie alkánov s cieľom zastaviť ju v štádiu tvorby cenných medziproduktov - aldehydov, ketónov, alkoholov, karboxylových kyselín. V prítomnosti Co(II) a Mn(II) solí sa teda bután môže oxidovať na kyselinu octovú a parafín na C12-C18 mastné kyseliny. Oxidáciou cyklohexánu vzniká kaprolaktám, monomér na výrobu kaprónu, a kyselina adipová.
Dôležitou priemyselnou reakciou je fotochemická sulfochlorácia alkánov: spoločná radikálová reťazová reakcia s Cl 2 a SO 2 za vzniku chloridov alkánsulfónových kyselín RSO 2 Cl. Táto reakcia je široko používaná pri výrobe detergentov. Pri nahradení chlóru kyslíkom dochádza k reťazovej radikálovej reakcii sulfónovej oxidácie alkánov za vzniku alkánsulfónových kyselín R–SO 2 –OH. Sodné soli týchto kyselín sa používajú ako detergenty a emulgátory.
Pri vysokých teplotách dochádza k rozkladu (pyrolýze) alkánov, napr.: CH 4 ® C + 2H 2 (1000° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500° C), C 2 H 6 ® C 2H4+H2. Posledná reakcia prebieha pri 500 °C v prítomnosti katalyzátora (Ni). Podobne 2-butén CH 3 CH = CHCH 3 možno získať z butánu, zároveň vzniká zmes etylénu a etánu. Na rozdiel od tejto radikálovej reakcie prebieha katalytické štiepenie alkánov iónovým mechanizmom a slúži na výrobu benzínu z ťažších ropných frakcií. Pri zahrievaní v prítomnosti Lewisových kyselín, napríklad AlCl3, dochádza k izomerizácii: nerozvetvené (normálne) alkány sa premenia na rozvetvené alkány s rovnakým počtom atómov uhlíka. Táto reakcia má veľký praktický význam pre získanie vysoko kvalitného motorového paliva ( cm. oktánové číslo). Dehydrogenáciu alkánov môže sprevádzať uzavretie kruhu (dehydrocyklizácia). V prípade dehydrocyklizácie hexánu je hlavným produktom benzén.
Metán pri vysokej teplote v prítomnosti katalyzátora reaguje s vodnou parou a oxidom uhoľnatým (IV) za vzniku syntézneho plynu: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Syntetický plyn sa používa na výrobu motorových palív a metylalkoholu.
V posledných rokoch sa úsilie chemikov zameralo na vytvorenie katalyzátorov, ktoré aktivujú väzby C–H v molekulách alkánov za miernych podmienok. Niektoré mikroorganizmy „môžu“ vykonávať takéto reakcie, ktorých enzýmy sú schopné „stráviť“ dokonca aj parafín s tvorbou proteínových zlúčenín. Úlohou chemikov je pochopiť, ako fungujú prírodné katalyzátory a modelovať enzymatické reakcie, ktoré môžu prebiehať pri bežných teplotách. V tomto prípade sa ako katalyzátory používajú rôzne organokovové zlúčeniny. Napríklad v prítomnosti niektorých zlúčenín platiny je možné metanol CH3OH získať priamo z metánu a v prítomnosti trifenylfosfínového komplexu ródia Rh[(C6H5)3P] spojeného s molekulami CO; Počas reakcie sa molekuly CO zavádzajú do C-H väzieb alkánov za vzniku aldehydov.
Cykloalkány majú chemické vlastnosti podobné alkánom. Sú teda horľavé, dajú sa halogenovať radikálnym mechanizmom a pri zvýšených teplotách v prítomnosti katalyzátorov dochádza k ich dehydrogenácii – odštiepeniu vodíka a premene na nenasýtené uhľovodíky. Ako už bolo spomenuté, cyklopropán má špeciálne vlastnosti. Na rozdiel od alkánov sa cykloalkány hydrogenujú, keď sa kruh otvorí a vytvoria sa alkány, napr. cyklo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reakcia prebieha pri zahrievaní v prítomnosti platinového katalyzátora). S narastajúcou veľkosťou cyklu sa reakcia stáva ťažšou – teda cyklopentán sa už hydrogenuje (na pentán) veľmi ťažko a pri vysokej teplote (300 °C).
Byť v prírode a prijímať.
Hlavnými zdrojmi alkánov sú ropa a zemný plyn. Metán tvorí väčšinu zemného plynu, obsahuje tiež malé množstvá etánu, propánu a butánu. Metán sa nachádza v emisiách z močiarov a uhoľných slojov. Spolu s ľahkými homológmi je metán prítomný v súvisiacich ropných plynoch. Tieto plyny sú pod tlakom rozpustené v oleji a nachádzajú sa aj nad ním. Alkány tvoria významnú časť ropných produktov. Olej obsahuje aj cykloalkány – nazývajú sa naftény (z gréčtiny. nafta- olej). V prírode sú rozšírené aj plynné hydráty alkánov, najmä metánu, vyskytujú sa v sedimentárnych horninách na kontinentoch a na dne oceánov. Ich zásoby pravdepodobne prevyšujú známe zásoby zemného plynu a v budúcnosti sa môžu stať zdrojom metánu a jeho najbližších homológov.
Alkány sa získavajú aj pyrolýzou (koksovaním) uhlia a jeho hydrogenáciou (výroba syntetického kvapalného paliva). Pevné alkány sa v prírode nachádzajú vo forme nánosov horského vosku - ozokeritu, vo voskových povlakoch listov, kvetov a semien rastlín a sú súčasťou včelieho vosku.
V priemysle sa alkány vyrábajú katalytickou hydrogenáciou oxidov uhlíka CO a CO 2 (Fischer-Tropschova metóda). V laboratóriu je možné metán získať zahrievaním octanu sodného s pevnou zásadou: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3, ako aj hydrolýzou niektorých karbidov: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al(OH)3. Wurtzovou reakciou možno získať homológy metánu, napríklad: 2CH3Br + 2Na ® CH3 –CH3 + 2NaBr. V prípade dihalogénalkánov sa získajú cykloalkány, napríklad: Br–CH 2-(CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® cyklo-C6H12 + 2NaBr. Alkány vznikajú aj pri dekarboxylácii karboxylových kyselín a pri ich elektrolýze.
Aplikácia alkánov.
Ako palivo sa používajú alkány v benzíne, kerozíne, nafte a vykurovacom oleji. Vyššie alkány sa nachádzajú v mazacích olejoch, vazelíne a parafíne. Zmes izomérnych pentánov a hexánov sa nazýva petroléter a používa sa ako rozpúšťadlo. Cyklohexán je tiež široko používaný ako rozpúšťadlo a na syntézu polymérov (nylon, nylon). Na anestéziu sa používa cyklopropán. Skvalán je vysokokvalitný mazací olej, súčasť farmaceutických a kozmetických prípravkov a adsorbent v plyno-kvapalinovej chromatografii.
Alkány slúžia ako suroviny na výrobu mnohých organických zlúčenín vrátane alkoholov, aldehydov a kyselín. Ako rozpúšťadlá sa používajú chlórové deriváty alkánov, napríklad trichlórmetán (chloroform) CHCI3, tetrachlórmetán CCI4. Zmes vyšších alkánov - parafín je netoxická a má široké využitie v potravinárskom priemysle na impregnáciu nádob a obalových materiálov (napríklad kartónov od mlieka) a pri výrobe žuvačiek. Ceruzky a horná (pri hlave) časť zápaliek sú napustené parafínom pre lepšie horenie. Zahriaty parafín sa používa na liečebné účely (parafínová liečba). Oxidácia parafínu za kontrolovaných podmienok v prítomnosti katalyzátorov (organické soli prechodných kovov) vedie k produkcii produktov obsahujúcich kyslík, najmä organických kyselín.
Iľja Leenson
Literatúra:
Petrov A.A. Chémia alkánov. M., Nauka, 1974
Azerbajev I.N. atď. Syntézy na báze ropných uhľovodíkov. Alma-Ata, Veda, 1974
Rudakov E.S. Reakcie alkánov s oxidačnými činidlami, kovovými komplexmi a radikálmi v roztokoch. Kyjev, Naukova Dumka, 1985
Parauşanu V. Výroba a použitie uhľovodíkov. M., Chémia, 1987
V tabuľke sú uvedení niektorí zástupcovia množstva alkánov a ich radikálov.
|
Vzorec |
názov |
Radikálny názov |
|||||||||||
|
CH3 metyl |
|||||||||||||
|
C3H7 rez |
|||||||||||||
|
C4H9 butyl |
|||||||||||||
|
izobután |
izobutyl |
||||||||||||
|
izopentán |
izopentyl |
||||||||||||
|
neopentán |
neopentyl |
||||||||||||
|
Tabuľka ukazuje, že tieto uhľovodíky sa navzájom líšia počtom skupín - CH2 - Takáto séria podobných štruktúr, ktoré majú podobné chemické vlastnosti a líšia sa od seba počtom týchto skupín, sa nazýva homologická séria. A látky, ktoré ho tvoria, sa nazývajú homológy. Homológy - látky podobné štruktúrou a vlastnosťami, ale líšiace sa zložením jedným alebo viacerými homológnymi rozdielmi (- CH2 -)
Uhlíkový reťazec - cik-cak (ak n ≥ 3) σ - väzby (voľná rotácia okolo väzieb) dĺžka (-C-C-) 0,154 nm väzbová energia (-C-C-) 348 kJ/mol Všetky atómy uhlíka v molekulách alkánov sú v stave hybridizácie sp3
uhol medzi väzbami C-C je 109°28", preto majú molekuly normálnych alkánov s veľkým počtom atómov uhlíka cik-cak štruktúru (cik-cak). Dĺžka väzby C-C v nasýtených uhľovodíkoch je 0,154 nm (1 nm = 1 * 10-9 m). a) elektronické a štruktúrne vzorce; b) priestorová štruktúra
4. izomerizmus- Charakteristická je ŠTRUKTURÁLNA izoméria reťazca s C4 Jeden z týchto izomérov ( n-bután) obsahuje nerozvetvený uhlíkový reťazec a druhý, izobután, obsahuje rozvetvený (izoštruktúra). Atómy uhlíka v rozvetvenom reťazci sa líšia typom spojenia, ktoré majú s inými atómami uhlíka. Preto sa nazýva atóm uhlíka viazaný iba na jeden ďalší atóm uhlíka primárny s dvoma ďalšími atómami uhlíka - sekundárne, s tromi - terciárne, so štyrmi - kvartér. S nárastom počtu atómov uhlíka v molekulách rastú možnosti vetvenia reťazca, t.j. počet izomérov sa zvyšuje s počtom atómov uhlíka. Porovnávacie charakteristiky homológov a izomérov
1. Majú vlastnú nomenklatúru radikálov(uhľovodíkové radikály)
| |||||||||||||
Využitie alkánov je pomerne rôznorodé – využívajú sa ako palivo, ako aj v mechanike, medicíne atď. Úlohu týchto chemických zlúčenín v živote moderného človeka možno len ťažko preceňovať.
Alkány: vlastnosti a stručný popis
Alkány sú necyklické uhlíkové zlúčeniny, v ktorých sú atómy uhlíka spojené jednoduchými nasýtenými väzbami. Tieto látky predstavujú celý rad s určitými vlastnosťami a charakteristikami. nasledovne:
N tu predstavuje počet atómov uhlíka. Napríklad CH3, C2H6.
Prvými štyrmi predstaviteľmi radu alkánov sú plynné látky: metán, etán, propán a bután. Nasledujúce zlúčeniny (C5 až C17) sú kvapaliny. Séria pokračuje zlúčeninami, ktoré sú za normálnych podmienok pevné látky.
Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, alkány sú málo aktívne - prakticky neinteragujú s alkáliami a kyselinami. Mimochodom, sú to chemické vlastnosti, ktoré určujú použitie alkánov.
Tieto zlúčeniny sa však vyznačujú určitými reakciami, vrátane nahradenia atómov vodíka, ako aj procesmi štiepenia molekúl.
- Najcharakteristickejšou reakciou je halogenácia, pri ktorej sú atómy vodíka nahradené halogénmi. Chloračné a bromačné reakcie týchto zlúčenín majú veľký význam.
- Nitrácia je nahradenie atómu vodíka nitroskupinou pri reakcii so zriedenou (koncentrácia 10 %) Za normálnych podmienok alkány nereagujú s kyselinami. Na uskutočnenie takejto reakcie je potrebná teplota 140 °C.
- Oxidácia - za normálnych podmienok nie sú alkány ovplyvnené kyslíkom. Po zapálení na vzduchu však tieto látky vstupujú do konečných produktov, ktorými sú voda a
- Krakovanie - k tejto reakcii dochádza iba v prítomnosti potrebných katalyzátorov. Proces zahŕňa štiepenie stabilných homológnych väzieb medzi atómami uhlíka. Napríklad, keď je bután krakovaný, reakcia môže produkovať etán a etylén.
- Izomerizácia - v dôsledku pôsobenia určitých katalyzátorov je možné určité preskupenie uhlíkovej kostry alkánu.
Aplikácie alkánov
Hlavným prírodným zdrojom týchto látok sú také cenné produkty ako zemný plyn a ropa. Oblasti použitia alkánov sú dnes veľmi široké a rozmanité.
Napríklad, plynné látky používa sa ako cenný zdroj paliva. Príkladom je metán, z ktorého sa vyrába zemný plyn, ako aj zmes propán-bután.
Ďalším zdrojom alkánov je oleja , ktorého význam pre moderné ľudstvo je ťažké preceňovať. Medzi ropné produkty patria:
- benzín - používaný ako palivo;
- petrolej;
- motorová nafta alebo ľahký plynový olej;
- ťažký plynový olej, ktorý sa používa ako mazací olej;
- zvyšky sa používajú na výrobu asfaltu.
Z ropných produktov sa vyrábajú aj plasty, syntetické vlákna, gumy a niektoré čistiace prostriedky.
Vazelína a vazelína sú produkty, ktoré pozostávajú zo zmesi alkánov. Používajú sa v medicíne a kozmeteológii (hlavne na prípravu mastí a krémov), ako aj v parfumérii.
Parafín je ďalší známy produkt, ktorý je zmesou pevných alkánov. Ide o tuhú bielu hmotu, ktorej teplota ohrevu je 50 - 70 stupňov. V modernej výrobe sa parafín používa na výrobu sviečok. Zápalky sú impregnované rovnakou látkou. V medicíne sa pomocou parafínu vykonávajú rôzne tepelné postupy.
Fyzikálne vlastnosti. Za normálnych podmienok sú prvé štyri členy homologickej série alkánov (C 1 - C 4) plyny. Normálne alkány od pentánu po heptadekán ( C5 - C17 ) - kvapaliny, počnúc od C 18 a vyššie - tuhé látky. So zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka v reťazci, t.j. Keď sa relatívna molekulová hmotnosť zvyšuje, teploty varu a topenia alkánov sa zvyšujú. Pri rovnakom počte atómov uhlíka v molekule majú rozvetvené alkány nižšie teploty varu ako normálne alkány.
Alkányprakticky nerozpustné vo vode, keďže ich molekuly sú mierne polárne a neinteragujú s molekulami vody, dobre sa rozpúšťajú v nepolárnych organických rozpúšťadlách ako je benzén, tetrachlórmetán atď. Kvapalné alkány sa navzájom ľahko miešajú.
Hlavnými prírodnými zdrojmi alkánov sú ropa a zemný plyn. Rôzne ropné frakcie obsahujú alkány z C5H12 na C30H62. Zemný plyn tvorí metán (95 %) s prímesou etánu a propánu.
Od syntetické metódy na získanie alkány Je možné rozlíšiť nasledovné:/>
1. Získava sa z nenasýtených uhľovodíkov. K interakcii alkénov alebo alkínov s vodíkom („hydrogenácia“) dochádza v prítomnosti kovových katalyzátorov (/>Ni, Pd ) pri
kúrenie:
CH z - C = CH+ 2H2 -> CH3-CH2-CH3.
2. Prijímanie od halogénové. Keď sa monohalogénované alkány zahrievajú s kovom sodíka, získajú sa alkány s dvojnásobným počtom atómov uhlíka (Wurtzova reakcia):
C2H5Br + 2 Na + Br - C2H5 → C2H5 - C2H5 + 2 NaBr.
Podobná reakcia sa neuskutočňuje s dvoma rôznymi halogénované alkánov, pretože tým vzniká zmes troch rôznych alkánov
3. Príprava zo solí karboxylových kyselín. Keď sa bezvodé soli karboxylových kyselín kondenzujú s alkáliami, získajú sa alkány obsahujúce o jeden atóm uhlíka menej v porovnaní s uhlíkovým reťazcom pôvodných karboxylových kyselín:
4.Produkcia metánu. Elektrický oblúk horiaci vo vodíkovej atmosfére produkuje značné množstvo metánu:
C + 2H2 -> CH 4 .
K rovnakej reakcii dochádza, keď sa uhlík zahrieva vo vodíkovej atmosfére na 400-500 °C pri zvýšenom tlaku v prítomnosti katalyzátora.
V laboratórnych podmienkach sa metán často získava z karbidu hliníka:
A l 4 C3 + 12H20 = ZSN4 + 4A 1(OH)3.
Chemické vlastnosti. Za normálnych podmienok sú alkány chemicky inertné. Sú odolné voči pôsobeniu mnohých činidiel: neinteragujú s koncentrovanými kyselinami sírovou a dusičnou, s koncentrovanými a roztavenými zásadami a nie sú oxidované silnými oxidačnými činidlami - manganistanom draselnýmKMn O 4 atď.
Chemická stabilita alkánov sa vysvetľuje ich vysokou pevnosťous-C-C a C-H väzby, ako aj ich nepolarita. Nepolárne väzby C-C a C-H v alkánoch nie sú náchylné na iónové štiepenie, ale sú schopné homolytického štiepenia pod vplyvom aktívnych voľných radikálov. Preto sa alkány vyznačujú radikálnymi reakciami, ktorých výsledkom sú zlúčeniny, kde sú atómy vodíka nahradené inými atómami alebo skupinami atómov. V dôsledku toho alkány vstupujú do reakcií, ktoré prebiehajú mechanizmom radikálovej substitúcie, označeným symbolom S R ( z angličtiny, substitúcia radikálne). Podľa tohto mechanizmu sa atómy vodíka najľahšie nahradia na terciárnych, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka.
1. Halogenácia. Pri interakcii alkánov s halogénmi (chlór a bróm) vplyvom UV žiarenia alebo vysokej teploty vzniká zmes produktov z mono- až polyhalogénom substituované alkány Všeobecná schéma tejto reakcie je znázornená na príklade metánu:
b) Rast reťazca. Radikál chlóru odstraňuje atóm vodíka z molekuly alkánu:
Cl· + CH4 →HC/>l + CH3 ·
V tomto prípade sa vytvorí alkylový radikál, ktorý odstráni atóm chlóru z molekuly chlóru:
CH3+C12->CH3C1+C l·
Tieto reakcie sa opakujú, kým sa reťazec nepreruší v jednej z reakcií:
Cl· + Cl· → Cl/> 2, CH3 + CH3 · → C2H6, CH3+ Cl· → CH 3 С l ·
Celková reakčná rovnica:
| hv | ||
| CH4 + Cl2 | → | CH3CI + HCl. |
Výsledný chlórmetán sa môže ďalej chlórovať, čím sa získa zmes produktov CH 2 Cl 2, CHCI 3, CC 1 4 podľa schémy (*).
Vývoj teórie reťazcov voľný radikál reakcie úzko súvisí s menom vynikajúceho ruského vedca, nositeľa Nobelovej ceny N.I. Semenov (1896-1986).
2. Nitrácia (Konovalovova reakcia). Keď zriedená kyselina dusičná pôsobí na alkány pri 140 °C a nízkom tlaku, dochádza k radikálnej reakcii:
Pri radikálových reakciách (halogenácia, nitrácia) sa najskôr zmiešajú atómy vodíka na terciárnych atómoch uhlíka, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka.Vysvetľuje sa to tým, že väzba medzi terciárnym atómom uhlíka a vodíkom sa najľahšie preruší homolyticky (energia väzby 376 kJ/mol), potom sekundárna (390 kJ/mol) a až potom primárna (415 kJ). /mol).
3. Izomerizácia. Normálne alkány sa môžu za určitých podmienok premeniť na alkány s rozvetveným reťazcom:
4. Krakovanie je hemolytické štiepenie C-C väzieb, ku ktorému dochádza pri zahrievaní a pod vplyvom katalyzátorov.
Pri krakovaní vyšších alkánov vznikajú alkény a nižšie alkány, pri krakovaní metánu a etánu vzniká acetylén:
C/> 8H18 → C4H10 + C4H8,/>
2CH4 → C2H2 + ZN2,
C2H6 -> C2H2 + 2H2.
Tieto reakcie majú veľký priemyselný význam. Týmto spôsobom sa vysokovriace ropné frakcie (vykurovací olej) premieňajú na benzín, petrolej a iné cenné produkty.
5. Oxidácia. Miernou oxidáciou metánu vzdušným kyslíkom v prítomnosti rôznych katalyzátorov možno získať metylalkohol, formaldehyd a kyselinu mravčiu:
 |
Mierna katalytická oxidácia butánu vzdušným kyslíkom je jednou z priemyselných metód výroby kyseliny octovej:
t°
2C4/>H/>10 + 50/>2 → 4 CH/>3 COOH/>+ 2H20 .
kat
Alkány vo vzduchu spáliť na CO 2 a H 2 O:/>
С n Н 2 n +2 + (З n+1)/202 = nC02+ (n+1) H20.
