Одним із перших типів хімічних сполук, що вивчаються у шкільній програмі з органічної хімії, є алкани. Вони відносяться до групи граничних (інакше – аліфатичних) вуглеводнів. У їх молекулах присутні лише одинарні зв'язки. Атомам вуглецю властива sp-гібридизація.
Гомологи називають хімічні речовини, які мають загальні властивості і хімічну будову, але при цьому відрізняються на одну або кілька CH2-груп.
У випадку метану CH4 можна навести загальну формулу для алканів: CnH (2n+2), де n - це кількість атомів вуглецю в з'єднанні.
Наведемо таблицю алканів, у яких n у межах від 1 до 10.
Ізомерія алканів
Ізомерами називають ті речовини, молекулярна формула яких збігається, проте будова чи структура відрізняється.
Для класу алканів характерні 2 типи ізомерії: вуглецевого скелета та оптична ізомерія.
Наведемо приклад структурного ізомеру (тобто речовини, що відрізняється лише будовою вуглецевого скелета) для бутану C4H10.
Оптичними ізомерами називають такі дві речовини, молекули яких мають схожу структуру, але не можуть бути поєднані в просторі. Явище оптичної або дзеркальної ізомерії виникає у алканів, починаючи з гептану C7H16.
Щоб дати алкану правильну назву, необхідно скористатися номенклатурою ІЮПАК. Для цього використовуватись наступна послідовність дій:
За наведеним вище планом спробуємо назвати наступного алкану.
У звичайних умовах нерозгалужені алкани з CH4 до C4H10 - це газоподібні речовини, починаючи з С5Н12 і до C13H28 - рідкі і мають специфічний запах, всі наступні - тверді. Виходить що зі збільшенням довжини вуглецевого ланцюга зростають температури кипіння та плавлення. Чим сильніше розгалужена структура алкану, тим за нижчої температури він кипить і плавиться.
Газоподібні алкани не мають кольору. А також усі представники цього класу не можуть розчинятися у воді.
Алкани, що мають агрегатний стан газу, можуть горітиПри цьому полум'я буде або безбарвним, або матиме блідо-блакитний відтінок.
Хімічні властивості
У звичайних умовах алкани є досить малоактивними. Це міцністю σ-зв'язків між атомами C-C і C-H. Тому необхідно забезпечити спеціальні умови (наприклад, досить високу температуру чи світло), щоб проведення хімічної реакції стало можливим.
Реакції заміщення
До реакцій цього типу відносяться галогенування та нітрування. Галогенування (взаємодія з Cl2 або Br2) відбувається при нагріванні або під впливом світла. Під час реакції, що протікає послідовно, утворюються галогеналкани.
Наприклад, можна записати реакцію хлорування етану.
Бромування проходитиме аналогічним чином.
Нітрування – це реакція зі слабким (10%) розчином HNO3 або з оксидом азоту (IV) NO2. Умови для проведення реакцій – температура 140 °C та тиск.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
В результаті утворюються два продукти - вода та амінокислота.
Реакції розкладання
Під час проведення реакцій розкладання завжди потрібно забезпечувати високу температуру. Це необхідно для розриву зв'язків між атомами вуглецю та водню.
Так, при проведенні крекінгу потрібна температура в інтервалі від 700 до 1000 °C. Під час реакції руйнуються -З-З-зв'язку, утворюється новий алкан і алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Виняток - крекінг метану та етану. Внаслідок цих реакцій виділяється водень і утворюється алкін ацетилен. Обов'язковою умовою є нагрівання до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Якщо перевищити температуру в 1000 °C, можна досягти піролізу з повним розривом зв'язків у з'єднанні:
Під час піролізу пропилу було отримано вуглець C, а також виділився водень H2.
Реакції дегідрування
Дегідрування (відщеплення водню) відбувається по-різному різних алканов. Умови проведення реакції - температура від 400 до 600 °C, а також присутність каталізатора, в ролі якого можуть виступати нікель або платина.
Зі сполуки, у вуглецевому скелеті якого 2 або 3 атоми C, утворюється алкен:
C2H6 = C2H4 + H2.
Якщо ланцюга молекули 4-5 атомів вуглецю, то після дегідрування вийде алкадієн і водень.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Починаючи з гексану, під час реакції утворюється бензол або похідні від нього речовини.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Слід також згадати реакцію конверсії, що проводиться для метану при температурі 800 °C та у присутності нікелю:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Для інших алканів конверсія нехарактерна.
Окислення та горіння
Якщо алкан, нагрітий до температури не більше 200 °C, буде взаємодіяти з киснем у присутності каталізатора, то в залежності від інших умов проведення реакції будуть відрізнятися продукти, що отримуються: це можуть бути представники класів альдегідів, карбонових кислот, спиртів або кетонів.
У разі повного окислення алкан згоряє до кінцевих продуктів - води та CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Якщо під час окислення кількість кисню виявилася недостатньою, кінцевим продуктом замість вуглекислого газу стане вугілля або CO.
Проведення ізомеризації
Якщо забезпечити температуру близько 100-200 градусів, для нерозгалужених алканів стає можливою реакція перегрупування. Друга обов'язкова умова щодо ізомеризації - присутність каталізатора AlCl3. У такому випадку відбувається зміна структури молекул речовини та утворюється її ізомер.
Значну частку алканів отримують, виділяючи їх із природної сировини. Найчастіше переробляють природний газ, головним компонентом якого є метан або ж піддають крекінгу і ректифікації нафту.
А також слід згадати про хімічні властивості алкенів. У 10 класі одним із перших лабораторних способів, що вивчаються на уроках хімії, є гідрування ненасичених вуглеводнів.
C3H6 + H2 = C3H8
Наприклад, внаслідок приєднання водню до пропілену виходить єдиний продукт – пропан.
За допомогою реакції Вюрца з моногалогеналканів одержують алкани, у структурному ланцюзі яких кількість вуглецевих атомів подвоєно:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Ще один спосіб отримання - взаємодія солі карбонової кислоти з лугом при нагріванні:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Крім того, метан іноді одержують в електричній дузі (C + 2H2 = CH4) або при взаємодії карбіду алюмінію з водою:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3.
Алкани широко застосовуються в промисловості як низьке за вартістю паливо. А також їх використовують як сировину для синтезу інших органічних речовин. З цією метою зазвичай застосовують метан, необхідний і синтез-газу. Деякі інші граничні вуглеводні використовують для отримання синтетичних жирів, а також як основу для мастильних матеріалів.
Для найкращого розуміння теми «Алкани» створено не один відеоурок, де детально розглянуті такі теми, як структура речовини, ізомери та номенклатура, а також показані механізми хімічних реакцій.
Зміст статті
АЛКАНИ І ЦИКЛОАЛКАНИ- вуглеводні, у яких всі атоми вуглецю з'єднані один з одним і з атомами водню простими (одинарними) зв'язками. Алкани (синоніми – граничні вуглеводні, насичені вуглеводні, парафіни) – вуглеводні із загальною формулою C n H 2 n+2 , де n- Число атомів вуглецю . Таку саму формулу має і всім знайомий поліетилен, лише величина nу нього дуже велика і може сягати десятків тисяч. Крім того, поліетилен містить молекули різної довжини. У циклоалканах атоми вуглецю утворюють замкнутий ланцюг; якщо цикл один, формула циклоалкану C n H 2 n .
Залежно від порядку з'єднання атомів вуглецю в ланцюг алкани поділяються на лінійні та розгалужені. Відповідно для алканів з nі 4 можливе існування більше однієї речовини з однаковою формулою. Такі речовини називаються ізомерами (від грец. isis– рівний, однаковий та meros – частка, частина.
Назви алканів.
Слово "алкан" того ж походження, що і "алкоголь" ( див. нижче). Застарілий термін «парафін» походить від латинських parum – мало, незначно та affinis – споріднений; парафіни мають малу реакційну здатність по відношенню до більшості хімічних реагентів. Багато парафінів є гомологами; у гомологічному ряду алканів кожен наступний член відрізняється від попереднього на одну метиленову групу СН2. Термін походить від грецького homologos – відповідний, подібний.
Номенклатурні (від лат. nomenclatura– розпис імен) назви алканів будуються за певними правилами, які завжди однозначні. Так, якщо в молекулі алкану є різні замісники, то в назві алкану вони перераховуються в алфавітному порядку. Однак у різних мовах цей порядок може бути різним. Наприклад, вуглеводень СН 3 -СН(СН 3)-СН(С 2 Н 5)-СН 2 -СН 2 -СН 3 відповідно до цього правила російською буде називатися 2-метил-3-етилгексан, а англійською 3-ethyl-2-methylhexane…
Відповідно до назви вуглеводню називаються і алкільні радикали: метил (СН 3 -), етил (С 2 Н 5 -), ізопропіл (СН 3) 2 СН-, друг-бутил З 2 Н 5 -СН(СН 3)-, трет-бутил (СН 3) 3 С-і т.д. Алкільні радикали входять як ціле до складу багатьох органічних сполук; у вільному стані ці частинки з неспареним електроном винятково активні.
Деякі ізомери алканів мають і тривіальні назви ( см. ТРИВІАЛЬНІ НАЗВИ РЕЧОВИН), наприклад, ізобутан (2-метилпропан), ізооктан (2,2,4-триметилпентан), неопентан (2,3-диметилпропан), сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан) , назва якого походить від лат squalus- акула (ненасичена похідна сквалана - сквален, важлива для обміну речовин з'єднання, було вперше виявлено в печінці акули). Часто використовується і тривіальна назва радикалу пентила (С5Н11) - аміл. Воно походить від грец. amylon- крохмаль: колись ізоаміловий спирт С 5 Н 11 ВІН (3-метилбутанол-1) називали «амільним алкоголем бродіння», так як він становить основу сивушного масла, а воно утворюється в результаті бродіння цукристих речовин - продуктів гідролізу крохмалю.
Найпростіший член ряду циклоалканів C n H 2 n- Циклопропан ( n= 3). Його гомологи називаються так само, як алкани з додаванням приставки цикло (циклобутан, циклопентан і т.д.). У циклоалканів можлива ізомерія, пов'язана з наявністю бічних алкільних груп та їх розташуванням у кільці. Наприклад, ізомерні циклогексан, метилциклопентан, 1,1-, 1,2- та 1,3-диметилциклобутани, 1,1,2- та 1,2,3-триметилциклопропани.
Число ізомерів алканів різко зростає із збільшенням числа атомів вуглецю. Назви деяких алканів, а також теоретичне число їх можливих ізомерів наведено у таблиці.
| Формула | Назва | Число ізомерів | Формула | Назва | Число ізомерів |
| СН 4 | Метан | 1 | З 11 Н 24 | Ундекан | 159 |
| З 2 Н 6 | Етан | 1 | З 12 Н 26 | Додекан | 355 |
| З 3 Н 8 | Пропан | 1 | З 13 Н 28 | Тридекан | 802 |
| З 4 Н 10 | Бутан | 2 | З 14 Н 30 | Тетрадекан | 1858 |
| З 5 Н 12 | Пентан | 3 | З 15 Н 32 | Пентадекан | 4347 |
| З 6 Н 14 | Гексан | 5 | З 20 Н 42 | Ейкозан | 366319 |
| З 7 Н 16 | Гептан | 9 | З 25 Н 52 | Пентакозан | 36797588 |
| З 8 Н 18 | Октан | 18 | З 30 Н 62 | Тріаконтан | 4111846763 |
| З 9 Н 20 | Нонан | 35 | З 40 Н 82 | Тетраконтан | 62481801147341 |
| З 10 Н 22 | Декан | 75 | З 100 Н 202 | Гектан | близько 5,921 · 10 39 |
Розібратися з більшістю номенклатурних назв граничних вуглеводнів не дуже складно навіть тим, хто не навчав грецької мови у класичній гімназії. Ці назви походять від грецьких числівників з поповненням суфікса -ан. Складніше з першими членами ряду: у них використано не числівники, а інше грецьке коріння, пов'язане з назвами відповідних спиртів або кислот. Ці спирти та кислоти були відомі задовго до відкриття відповідних алканів; прикладом може бути етиловий спирт і етан (отриманий лише 1848).
Метан (а також метанол, метил, метилен і т.д.) мають загальний корінь «мет», який у хімії позначає угруповання, що містить один атом вуглецю: метил СН 3 метилен (метиліден) СН 2 метин (метилідин) СН. Першою такою речовиною історично був метиловий (він деревний) спирт, метанол, який раніше отримували сухою перегонкою деревини. Його назва походить від грецьких слів methy – сп'яняти вино та hile – ліс (так би мовити, «деревне вино»). Найдивовижніше тут те, що метан, аметист та мед мають спільний корінь! У давнину дорогоцінні камені наділяли магічними властивостями (і досі багато хто вірить у це). Так, вважали, що гарне фіолетове каміння оберігає від сп'яніння, особливо якщо з цього каменю зроблено кубок для пиття. Разом з негативною приставкою вийшло amethystos – протидіє сп'яніння. Слово мед присутнє, виявляється, чи не у всіх європейських мовах: англ. mead – мед (як напій), німецьке Met (у давньонімецькому metu), голландське mede, шведське mjöd, датське mjød, литовське та латиське medus, не кажучи вже про слов'янські мови. Всі ці слова, включаючи грецьке, походять від індоєвропейського medhu, що означає солодке питво. Недалеко від них пішов і грецький бренді Метакса, хоч він зовсім не солодкий.
Етан (а також ефір, етанол, алкоголь, алкан) мають загальне походження. Давньогрецькі філософи словом aither називали якусь субстанцію, яка пронизує космос. Коли алхіміки у 8 ст. отримали рідину, що легко випаровується, з винного спирту і сірчаної кислоти, її назвали сірчаним ефіром. У 19 ст. з'ясували, що сірчаний ефір (англійською ether) відноситься до так званих простих ефірів і містить угруповання з двох атомів вуглецю - таку ж, як і етиловий спирт (етанол); це угруповання назвали етилом (ethyl). Таким чином, назва речовини «етиловий ефір» (З 2 Н 5 -О-З 2 Н 5) - по суті справи «олія масляна».
Від «етила» походить і назва етану. Одна з назв етанолу, алкоголь, того ж походження, що й слово алкан (а також алкен, алкін, алкіл). Арабською al-kohl – порошок, пудра, пил. Від найменшого подиху вони піднімаються у повітря, як і винні пари – «алкоголь вина», який згодом перетворився просто на алкоголь.
Чому ж у «етані» та «етанолі» – літера «т», а в «ефірі» – «ф»? Адже англійською мовою, на відміну від російської, слова «ефір» (ether) та «етил» (ethyl) мають подібне написання та звучання. Поєднання th походить від грецької букви q (тета); у російській мові до 1918 таке ж накреслення мала літера «фіта», яку, проте, вимовляли як «ф» і використовували з єдиною метою відрізнити слова, в яких ця літера походить від грецьких q і 247 («фі»). У західноєвропейських мовах грец. j перейшла до ph, а q – у th. У російській у багатьох словах «фіта» ще 18 в. була замінена літерою «ф»: театр замість «qеафтр», математика замість «маqематика», теорія замість «qеорія»… У зв'язку з цим цікаво, що в словнику Даля, виданому в 1882, написано еqиръ, а в енциклопедичному словнику Брокгауза та Єфрона (1904) - "ефір".
До речі, складні ефіри у західних мовах – ester, а не ether. Але слова «естер» у російській немає, тому будь-якому хіміку ріже око неграмотний переклад на етикетках текстильних виробів англійської polyester як «поліестер» замість «поліефір», «поліефірне волокно» (до поліефірів відносяться, наприклад, лавсан, терилен, дакрон).
Назви «пропан» і «бутан» походять від назв відповідних кислот – пропіонової та бутанової (масляної). Пропіонова кислота - "перша" (тобто з найкоротшим ланцюгом), яка зустрічається в жирах ( см. ЖИРИ І ОЛІЇ), і її назва виготовлена від грец. protos- Перший і pion- Жир. Бутан та бутанова кислота (англ. butyric acid) - Від грецьк. butyron- масло; у російській мові бутиратами називаються солі та ефіри олійної кислоти. Ця кислота виділяється при прогорканні олії.
Далі, починаючи з пентана, назви виробляються від грецьких чисельників. Рідкісний виняток - цетан, одна з назв гексадекана С 16 . Це слово походить від назви цетилового спирту, який у 1823 році отримав французький хімік Мішель Ежен Шеврель. Шеврель виділив цю речовину зі спермацету – воскоподібної речовини з голови кашалоту. Слово спермацет походить від грецьких sperma – насіння та ketos – велика морська тварина (кит, дельфін). Від латинського написання другого слова (cetus) походять цетиловий спирт З 16 Н 33 ВІН (гексадеканол) та цетан.
У російській мові чимало слів з тим самим корінням, що і у алканів: Пентагон, гептахорд (звукоряд з 7 ступенів), додекафонія (метод музичної композиції), октава, децима та ундецима (музичні інтервали), октет і нонет (ансамблі з 8 і 9 музикантів), пентод, гексод та гептод (радіолампи); гекзаметр (віршований розмір), октаедр, декада, декан, гектар, жовтень, грудень і т.д. і т.п.
Алкан з найдовшими молекулами був синтезований англійськими хіміками в 1985. Це нонаконтатриктан С 390 Н 782 містить ланцюжок з 390 вуглецевих атомів. Дослідників цікавило, як будуть упаковуватись такі довгі ланцюги при кристалізації (гнучкі вуглеводневі ланцюжки можуть легко складатися).
Число ізомерів алканів.
Завдання про теоретично можливу кількість ізомерів алканів вперше було вирішено англійським математиком Артуром Келі (1821–1895), одним із основоположників важливого розділу математики – топології (у 1879 він опублікував першу статтю щодо знаменитої «проблеми чотирьох кольорів»: чи достатньо їх для розмальовки) карти; ця проблема була вирішена лише у 1976). Виявилося, що не існує формули, за якою можна за кількістю атомів вуглецю в алкані С n H 2 n+2 розрахувати кількість його ізомерів. Є тільки так звані рекурентні формули (від латинського recurrens– що повертається), які дозволяють розрахувати кількість ізомерів n-го члена ряду, якщо відомо кількість ізомерів попереднього члена. Тому розрахунки для великих nбули отримані порівняно недавно за допомогою комп'ютерів і доведені до вуглеводню З 400 Н 802; йому, з урахуванням просторових ізомерів, отримано значення, важко піддається уяві: 4,776·10 199 . А вже починаючи з алкану З 167 Н 336 число ізомерів перевищує число елементарних частинок у видимій частині Всесвіту, яке оцінюється як 10 80 . Вказане в таблиці число ізомерів для більшості алканів значно зросте, якщо розглядати також дзеркально-симетричні молекули – стереоізомери ( см. ОПТИЧНА ІЗОМЕРІЯ): для гептану – з 9 до 11, для декану – з 75 до 136, для ейкозану – з 366 319 до 3 396 844, для гектану – з 5,921·10 39 до 1,373·10.
З погляду хіміка число структурних ізомерів граничних вуглеводнів становить практичний інтерес лише перших членів низки. Навіть для порівняно простого алкану, що містить лише півтора десятки атомів вуглецю, переважна кількість ізомерів не отримана і навряд чи буде колись синтезовано. Наприклад, останні з теоретично можливих 75 ізомерів декана були синтезовані лише до 1968. І зроблено це було для практичних цілей – щоб мати більш повний набір стандартних сполук, якими можна ідентифікувати різні вуглеводні, наприклад, ті, що зустрічаються в нафті. До речі, у різних видах нафти було виявлено всі 18 можливих ізомерів октану.
Але найцікавіше, що, починаючи з гептадекана З 17 Н 36 спочатку лише деякі з теоретично можливого числа ізомерів, потім - багато, і, нарешті, майже всі є яскравим прикладом «паперової хімії», тобто. не можуть існувати насправді. Справа в тому, що зі зростанням кількості атомів вуглецю в молекулах розгалужених ізомерів виникають серйозні проблеми просторової упаковки. Адже математики розглядали атоми вуглецю і водню як точки, тоді як вони мають кінцевий радіус. Так, метанова «кулька» має на «поверхні» 4 атоми водню, які вільно на ній розміщуються. У неопентані C(CH 3) 4 на "поверхні" вже 12 атомів водню, розташовані значно ближче один до одного; але їм ще є місце розміщення. А ось у алкану 4 (З 17 Н 36) на поверхні стає мало місця для розміщення всіх 36 атомів водню у 12 мітильних групах; це легко перевірити, якщо намалювати плоске зображення (а ще краще – зліпити об'ємну модель із пластиліну та сірників) для подібних ізомерів, дотримуючись сталості довжин зв'язків С–С та С–Н та всіх кутів між ними). Зі зростанням nПроблеми розміщення виникають і для атомів вуглецю. В результаті, незважаючи на те, що кількість можливих ізомерів зі зростанням nзбільшується дуже швидко, частка «паперових» ізомерів зростає значно швидше. Проведена за допомогою комп'ютерів оцінка показала, що зі зростанням nвідношення числа дійсно можливих ізомерів до «паперових» швидко прагне нуля. Саме тому розрахунок точного числа ізомерів граничних вуглеводнів для великих n, що колись викликало значний інтерес, зараз має для хіміків лише теоретичне значення.
Будова та фізичні властивості алканів.
В алканах чотири sp 3 -гібридні орбіталі атома вуглецю ( см. ОРБІТАЛІ) спрямовані до вершин тетраедра з кутом між ними близько 109°28" – саме в цьому випадку відштовхування між електронами та енергія системи мінімальні. В результаті перекриття цих орбіталей один з одним, а також з s-орбіталями атомів водню утворюються s-зв'язки С–С та С–Н. Ці зв'язки у молекулах алканів – ковалентні неполярні чи малополярні.
У алканах розрізняють первинні атоми вуглецю (вони пов'язані лише з одним сусіднім атомом З), вторинні (пов'язані з двома атомами З), третинні (пов'язані з трьома атомами З) і четвертинні (пов'язані з чотирма атомами З). Так, у 2,2-диметил-3-метилпентані СН 3 -С(СН 3) 2 -СН(СН 3)-СН 2 -СН 3 є один четвертинний, один третинний, один вторинний і п'ять первинних атомів вуглецю. Різне оточення атомів вуглецю дуже відбивається на реакційної здатності пов'язаних із нею атомів водню.
Просторове розташування sp 3 -орбіталей призводить, починаючи з пропану, до зигзагоподібної конфігурації вуглецевих ланцюгів. При цьому можливе обертання фрагментів молекул навколо зв'язків С–С (у молекулі етану при 20° С – зі швидкістю мільйонів обертів на секунду!), що робить молекули вищих алканів гнучкими. Розпрямлення таких ланцюгів відбувається, наприклад, при розтягуванні поліетилену, який складається із суміші алканів з довгими ланцюгами. Молекули алканів слабо взаємодіють один з одним, тому алкани плавляться і киплять при значно нижчих температурах, ніж близькі їм за масою речовини з полярними молекулами. Перші 4 члени гомологічного ряду метану – гази за звичайних умов, пропан і бутан легко зріджуються під невеликим тиском (рідка пропан-бутанова суміш міститься у побутових газових балонах). Вищі гомологи – рідини із запахом бензину або тверді речовини, що не розчиняються у воді та плавають на її поверхні. Температури плавлення та кипіння алканів зростають зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі, при цьому зростання температури поступово сповільнюється, так, З 100 Н 202 плавиться при 115 ° С, З 150 Н 302 - при 123 ° С. Температури плавлення та кипіння для перших 25 алканів наведено у таблиці – видно, що з октадекану, алкани – тверді речовини.
| Таблиця. ТЕМПЕРАТУРИ ПЛАВЛЕННЯ ТА КИПІННЯ АЛКАНІВ | ||
| Алкан | Тпл | Тстос |
| Метан | –182,5 | –161,5 |
| Етан | –183,3 | –88,6 |
| Пропан | –187,7 | –42,1 |
| Бутан | –138,4 | –0,5 |
| Пентан | –129,7 | 36,1 |
| Гексан | –95,3 | 68,7 |
| Гептан | –90,6 | 98,4 |
| Октан | –56,8 | 125,7 |
| Нонан | –51,0 | 150,8 |
| Декан | –29,7 | 174,1 |
| Ундекан | –25,6 | 195,9 |
| Додекан | –9,6 | 216,3 |
| Тридекан | –5,5 | 235,4 |
| Тетрадекан | +5,9 | 253,7 |
| Пентадекан | +9,9 | 270,6 |
| Гексадекан | 18,2 | 286,8 |
| Гептадекан | 22,0 | 301,9 |
| Октадекан | 28,2 | 316,1 |
| Нонадекан | 32,1 | 329,7 |
| Ейкозан | 36,8 | 342,7 |
| Генейкозан | 40,5 | 356,5 |
| Докозан | 44,4 | 368,6 |
| Трикозан | 47,6 | 378,3 |
| Тетракозан | 50,9 | 389,2 |
| Пентакозан | 53,7 | 399,7 |
Наявність розгалуження ланцюга різко змінює фізичні властивості, особливо температуру плавлення. Так, якщо гексан нормальної будови ( н-Гексан) плавиться при -95,3 ° С, то ізомерний йому 2-метилпентан - при -153,7 ° С. Пов'язано це з труднощами упаковки розгалужених молекул при їх кристалізації. В результаті алкани з розгалуженнями ланцюга при швидкому охолодженні не кристалізуються, а переходять у склоподібний стан переохолодженої рідини ( см. СКЛО). Наприклад, якщо тонку ампулу з пентаном занурити в рідкий азот (температура -196 ° С), речовина перетвориться на білу снігоподібну масу, тоді як ізопентан (2-метилбутан) застигає в прозоре скло.
На відмінності геометричної форми лінійних і розгалужених алканів заснований оригінальний спосіб їхнього поділу: в кристалах сечовини є канали, в яких можуть поміститися алкани з прямим ланцюгом і не розташовуються розгалужені.
Циклоалкани з n= 2, 3 – гази, вищі – рідини чи тверді речовини. Найбільший цикл, який вдалося синтезувати хімікам, - це циклооктаоктаконтадиктан С 288 Н 576 . Різна форма молекул циклоалканів з парним та непарним числом атомів вуглецю в молекулі призводить до сильного парно-непарного ефекту щодо температури плавлення, що видно з таблиці. Пояснюється цей ефект відмінністю в «зручності» упаковки молекул різної форми в кристалі: чим упаковка компактніша, тим міцніше кристал і тим вища його температура плавлення. Наприклад, циклододекан плавиться майже на 70° вище його найближчого гомолога – циклоундекану. p align="justify"> Має значення, звичайно, і маса молекули: легкі молекули плавляться при більш низькій температурі.
| З 3 Н 6 | –127,5 |
| З 4 Н 8 | –50 |
| З 5 Н 10 | –93,9 |
| З 6 Н 12 | +6,5 |
| З 7 Н 14 | –12 |
| З 8 Н 16 | 14,3 |
| З 9 Н 18 | 9,7 |
| З 10 Н 20 | 10,8 |
| З 11 Н 22 | –7,2 |
| З 12 Н 24 | 61,6 |
| З 13 Н 26 | 23,5 |
| З 14 Н 28 | 54 |
| З 15 Н 30 | 62,1 |
Легкість повороту навколо зв'язку С–З призводить до того, що молекули циклоалканів не плоскі (крім циклопропану), у такий спосіб вони уникають сильного спотворення валентних кутів. Так, у циклогексані та його вищих гомологах валентні кути ненапружені та близькі до тетраедричного (109°), тоді як у шестикутнику кути дорівнюють 120°, у восьмикутнику – 135° тощо. Окремі атоми вуглецю у таких циклоалканах не займають жорстко закріпленого становища: кільце хіба що перебуває у постійному хвилеподібному русі. Так, молекула циклогексану може бути у вигляді різних геометричних структур (конформерів), здатних переходити один в одного (інверсія циклу). За зовнішню подібність їх назвали «ванною» та «кріслом» (в англомовній літературі «ванну» називають «човном» – boat):
Форма крісла більш стійка; при звичайній температурі циклогексан на 99,9% існує у більш стійкій формі крісла. Перехід між двома формами здійснюється через проміжну «твіст-конформацію» (англ. twist- Скручувати).
У циклопропані кут зменшується зі 108° до 60°, що призводить до сильної напруги та «вигнутості» зв'язків, які займають проміжне положення між звичайними s- та p-зв'язками; завдяки їхній формі ці зв'язки називають «банановими». При цьому sp 3 -орбіталі атомів вуглецю перекриваються лише частково. Результатом є двоїстість хімічних властивостей циклопропану. З одного боку, у ньому можливе заміщення атомів водню (реакція, типова для алканів), з іншого – можливе приєднання з розкриттям циклу (реакція, типова для алкенів, наприклад: цикло-З 3 Н 6 + Br 2 ® BrCH 2 CH 2 CH 2 Br).
Циклоалкани з двома циклами та одним загальним атомом вуглецю називаються спіроалканами. Якщо ж загальних вуглецевих атомів більше двох, то утворюються біциклоалкани, трициклоалкани і т.д. циклогексану містяться в ефірних оліях, живиці хвойних дерев, скипидарі. Біцикл із шести і п'яти атомів вуглецю міститься в камфорі, холестерині, сахарині, піперині (він надає пекучого смаку чорному перцю), азотистих підставах – нуклеотидах, інших сполуках (при цьому деякі атоми вуглецю в циклах можуть бути з'єднані подвійними зв'язками, а частина – заміщена іншими атомами як, наприклад, сахарині). Цикл із 17 атомів вуглецю (два з них з'єднані подвійним зв'язком) міститься в циветоні - пахучій речовині, складовій частині мускусу, який застосовується в парфумерії. Красива молекула адамантану містить три шестичленні цикли і за структурою відповідає кристалічній решітці алмазу. Адамантанова структура міститься в противірусних ліках ремантадине, гексаметилентетрамін (в останньому з'єднанні 4 атома вуглецю замінені атомами азоту, які з'єднані один з одним метиленовими містками -СН 2 -). Нижче представлені структури деяких циклоалканів, у молекулах яких більше одного по-різному з'єднаного циклу.
Біциклодекан (тетрагідронафталін, декалін)
Адамантан
Хімічні властивості алканів.
Алкани – хімічно найменш активні органічні сполуки. Всі зв'язки С–С та С–Н у алканах одинарні, тому алкани нездатні до реакцій приєднання. Для алканів характерні реакції заміщення атомів водню інші атоми і групи атомів. Так, при хлоруванні метану утворюються метилхлорид CH 3 Cl, метиленхлорид CH 2 Cl 2 , трихлорметан (хлороформ) CHCl 3 і тетрахлорид вуглецю (чотирьоххлористий вуглець) CCl 4 . Ці реакції йдуть ланцюговим механізмом з проміжним утворенням вільних радикалів.
При хлоруванні алканів, починаючи з пропану, перший атом хлору може замістити різні атоми водню. Напрямок заміщення залежить від міцності зв'язку С–Н: що вона слабша, то швидше заміщення саме цього атома. Первинні зв'язки С–Н, як правило, міцніші за вторинні, а вторинні міцніші за третинні. В результаті хлорування при 25 ° С по вторинному зв'язку (СН 3) 2 СН-Н відбувається в 4,5 рази швидше, ніж по первинному зв'язку З 2 Н 5 -Н, а третинного зв'язку (СН 3) 3 С-Н - в 6,7 разів швидше. Різна реакційна здатність первинних, вторинних і третинних атомів водню може призводити до того, що з кількох можливих продуктів хлорування переважатиме лише один. Наприклад, при хлоруванні 2,3-диметилбутану в розчині сірковуглецю (CS 2) утворюється 95% 2-хлорпохідного і тільки 5% 1-хлорпохідного, тобто. у 19 разів менше. Якщо ж врахувати, що у вихідному алкані первинних атомів водню у 6 разів більше, ніж третинних, то відношення їх реакційних здібностей виявиться ще більшим (19 ґ 6 = 114). Сірковуглець як розчинник знижує реакційну здатність атомів хлору і відповідно підвищує його селективність. Аналогічно діє зниження температури.
Атоми брому менш активні; помітна енергія активації цієї реакції призводить до того, що бромування алканів хоча і йде ланцюговим механізмом, але значно повільніше, ніж хлорування, і тільки при підвищеній температурі або на світлі. Найменша активність атомів брому призводить і до посилення селективності бромування. Так, якщо відносну швидкість фотохімічного бромування етану при 40° З прийняти рівною 1, то швидкість бромування пропану (по вторинному атому Н) складе в тих же умовах вже 220, а швидкість бромування ізобутану (по третинному атому Н) – 19000
Атоми йоду найменш активні, тому реакція йодування алканів RH + I 2 ® RI + HI – ендотермічна, можлива лише за високих температур і йде з дуже короткими ланцюгами. Більш того, дуже легко йде зворотна екзотермічна реакція RI + HI ® RH + I 2 . При йодуванні алканів утворюються і ненасичені сполуки. Наприклад, при 685° Етан, реагуючи з йодом, утворює 72% етилену і 10% ацетилену. Такі ж результати отримані з пропаном, бутаном та пентаном.
Реакція фторування алканів йде з дуже високою, часто вибуховою, швидкістю з утворенням усіх можливих поліфторпохідних вихідного алкану. Енергія, що виділяється під час фторування алканів, настільки велика, що може призвести до розпаду молекул продуктів на радикали, які починають нові ланцюги. В результаті швидкість реакції лавиноподібно наростає і це призводить до вибуху навіть за низьких температур. Особливість фторування алканів – у можливості руйнування вуглецевого скелета атомами фтору з утворенням кінцевого продукту CF 4 з іншими галогенами така реакція не йде.
Нітрування алканів (реакція Коновалова) також йде за радикальним механізмом: RH + NO 2 ® R · + HNO 2 , R · + NO 2 ® RNO 2 . Джерелом NO 2 служить азотна кислота, яка при нагріванні розпадається. Реакцію проводять у розчині при температурі вище 150 ° С або в парах під тиском до 10 атм і температурі 400 - 500 ° С. В останньому випадку відбувається також розрив С-З-зв'язків в алканах і утворюється суміш нітроалканів.
Всі алкани горять у виділенні тепла, наприклад: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Ця реакція відбувається, зокрема, у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння. Щоб залишки незгорілих алканів не потрапляли в атмосферу, застосовують їх каталітичне допалювання у вихлопних трубах (одночасно відбувається згоряння ЗІ та перетворення оксидів азоту на нешкідливий азот). Реакпія кисню з вищими алканами (у складі парафіну) відбувається при горінні свічки. Газоподібні алкани, наприклад, метан, утворюють із повітрям вибухові суміші. Такі суміші можуть утворитися у шахтах, а також у житлових будинках при витоку побутового газу, якщо його вміст у повітрі досягне 5%.
Значні зусилля хіміків були спрямовані на докладне вивчення реакції низькотемпературного окиснення алканів з метою зупинити її на стадії утворення цінних проміжних продуктів – альдегідів, кетонів, спиртів, карбонових кислот. Так, у присутності солей Co(II), Mn(II) можна окислити бутан до оцтової кислоти, парафін - до жирних кислот 12 - 18 . Окисленням циклогексану отримують капролактам – мономер для виробництва капрону та адипінову кислоту.
Важлива промислова реакція – фотохімічне сульфохлорування алканів: спільна радикально-ланцюгова реакція з Cl2 та SO2 з утворенням хлорангідридів алкансульфонових кислот RSO2Cl. Ця реакція широко використовується у виробництві миючих речовин. При заміні хлору на кисень відбувається ланцюгова радикальна реакція сульфоокислення алканів з утворенням алкансульфонових кислот R-SO2-OH. Натрієві солі цих кислот застосовують як миючі та емульгуючі засоби.
При високих температурах відбувається розкладання (піроліз) алканів, наприклад: CH 4 ® C + 2H 2 (1000° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500° C), C 2 H 6 ® C 2 H 4 + H 2 . Остання реакція йде при 500° З у присутності каталізатора (Ni). Аналогічно з бутану можна отримати 2-бутен СН 3 СН=СНСН 3 одночасно утворюється суміш етилену і етану. На відміну від цієї радикальної реакції, каталітичний крекінг алканів протікає іонним механізмом і служить для отримання бензину з більш важких нафтових фракцій. При нагріванні у присутності кислот Льюїса, наприклад, AlCl 3 відбувається ізомеризація: нерозгалужені (нормальні) алкани перетворюються на розгалужені з тим самим числом атомів вуглецю. Ця реакція має велике практичне значення для отримання високоякісного палива моторного ( см. ОКТАНОВЕ ЧИСЛО). Дегідрування алканів може супроводжуватися замиканням циклу (дегідроциклізація). У разі дегідроциклізації гексану основним продуктом є бензол.
Метан при високій температурі в присутності каталізатора реагує з водяною парою та оксидом вуглецю(IV) з утворенням синтез-газу: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2 , CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2 . Синтез-газ використовують для отримання моторного палива та метилового спирту.
В останні роки зусилля хіміків спрямовані на створення каталізаторів, що активують зв'язки СН у молекулах алканів у м'яких умовах. Подібні реакції "вміють" здійснювати деякі мікроорганізми, ферменти яких здатні "перетравлювати" навіть парафін з утворенням білкових сполук. Завдання хіміків – зрозуміти, як діють природні каталізатори та змоделювати ферментативні реакції, які можуть йти за нормальної температури. При цьому як каталізатори використовуються різні металоорганічні сполуки. Наприклад, у присутності деяких платинових сполук можна отримувати метанол СН 3 ОН безпосередньо з метану, а в присутності трифенілфосфінового комплексу родію Rh [(C 6 H 5) 3 P], пов'язаного з молекулами; під час реакції молекули СО впроваджуються у зв'язку С–Н алканів із заснуванням альдегідів.
Циклоалкани за хімічними властивостями нагадують алкани. Так, вони горючі, можуть галогенуватися за радикальним механізмом, за підвищеної температури в присутності каталізаторів дегідруються – відщеплюють водень і перетворюються на ненасичені вуглеводні. Особливими властивостями, як говорилося, має циклопропан. На відміну від алканів, циклоалкани гідруються, при цьому цикл розкривається та утворюються алкани, наприклад: цикло-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (реакція відбувається при нагріванні в присутності платинового каталізатора). Зі збільшенням розміру циклу реакція не може – так, вже циклопентан гідрується (до пентану) насилу і при високій температурі (300° С).
Знаходження в природі та отримання.
Основні джерела алканів – нафта та природний газ. Метан становить основну масу природного газу, в ньому присутні також у невеликих кількостях етан, пропан та бутан. Метан міститься у виділеннях боліт та вугільних пластів. Поряд із легкими гомологами метан присутній у попутних нафтових газах. Ці гази розчинені в нафті під тиском і також над нею. Алкани становлять значну частину продуктів переробки нафти. Містяться в нафті та циклоалкани – вони називаються нафтенами (від грец. naphtha- Нафта). У природі поширені також газові гідрати алканів, переважно метану, вони залягають в осадових породах на материках і дні океанів. Їхні запаси, ймовірно, перевищують відомі запаси природного газу і в майбутньому можуть стати джерелом метану та його найближчих гомологів.
Алкани одержують і піролізом (коксуванням) кам'яного вугілля та його гідрування (отримання синтетичного рідкого палива). Тверді алкани зустрічаються у природі як покладів гірського воску – озокериту, у воскових покриттях листя, квітів і насіння рослин, входять до складу бджолиного воску.
У промисловості алкани одержують каталітичним гідруванням оксидів вуглецю СО та СО 2 (метод Фішера – Тропша). У лабораторії метан можна отримати нагріванням ацетату натрію з твердим лугом: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3 , а також гідролізом деяких карбідів: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al(OH) 3 . Гомологи метану можна отримати за реакцією Вюрца, наприклад: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. У разі дигалогеналканів виходять циклоалкани, наприклад: Br–CH 2 –(CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® цикло-C6H12+2NaBr. Алкани утворюються також при декарбоксилюванні карбонових кислот та при електролізі їх.
Застосування алканів.
Алкани у складі бензину, гасу, солярового масла, мазуту використовуються як паливо. Вищі алкани входять до складу мастил, вазеліну та парафіну. Суміш ізомерних пентанів і гексанів називається петролейним ефіром і застосовується як розчинник. Циклогексан також широко застосовується як розчинник і для синтезу полімерів (капрон, найлон). Циклопропан використовується для наркозу. Сквалан – високоякісне мастило, компонент фармацевтичних та косметичних препаратів, адсорбент у газорідинній хроматографії.
Алкани є сировиною для отримання багатьох органічних сполук, у тому числі спиртів, альдегідів, кислот. Хлорпохідні алканів використовують як розчинники, наприклад, трихлорметан (хлороформ) CHCl 3 тетрахлорметан CCl 4 . Суміш вищих алканів - парафін нетоксичний і широко застосовується в харчовій промисловості для просочення тари та пакувальних матеріалів (наприклад, пакетів для молока), при виробництві жувальних гумок. Парафіном просочують олівці, верхню (поблизу головки) частину сірників для їхнього кращого горіння. Розігрітий парафін використовують у лікувальних цілях (парафінолікування). Окислення парафіну в контрольованих умовах у присутності каталізаторів (органічні солі перехідних металів) призводить до отримання кисневмісних продуктів, головним чином, органічних кислот.
Ілля Леєнсон
Література:
Петров А.А. Хімія алканів. М., Наука, 1974
Азербаєв І.М. та ін. Синтези на основі нафтових вуглеводнів. Алма-Ата, Наука, 1974
Рудаков О.С. Реакції алканів з окислювачами, металокомплексами та радикалами у розчинах. Київ, Наукова думка, 1985
Переушану В. Виробництво та використання вуглеводнів. М., Хімія, 1987
У таблиці представлені деякі представники низки алканів та їх радикали.
|
Формула |
Назва |
Назва радикала |
|||||||||||
|
CH3 метил |
|||||||||||||
|
C3H7 пропив |
|||||||||||||
|
C4H9 бутіл |
|||||||||||||
|
ізобутан |
ізобутил |
||||||||||||
|
ізопентан |
ізопентіл |
||||||||||||
|
неопентан |
неопентіл |
||||||||||||
|
З таблиці видно, що ці вуглеводні відрізняються один від одного кількістю груп - СН2 -. Такий ряд подібних за будовою, що мають близькі хімічні властивості і відрізняються один від одного числом даних груп називається гомологічним рядом. А речовини, які його складають називаються гомологами. Гомологи - речовини подібні за будовою та властивостями, але відрізняються за складом на одну або кілька гомологічних різниць (- СН2 -)
Вуглецевий ланцюг - зигзаг (якщо n ≥ 3) σ - зв'язки (вільне обертання навколо зв'язків) довжина (-С-С-) 0,154 нм енергія зв'язку (-С-С-) 348 кДж/моль Усі атоми вуглецю в молекулах алканів перебувають у стані sр3-гібридизації
кут між зв'язками С-C становить 109°28", тому молекули нормальних алканів з великим числом атомів вуглецю мають зигзагоподібну будову (зигзаг). Довжина зв'язку С-С у граничних вуглеводнях дорівнює 0,154 нм (1нм=1*10-9м). а) електронна та структурна формули; б) просторова будова
4. Ізомерія- характерна СТРУКТУРНА ізомерія ланцюга із С4 Один із цих ізомерів ( н-бутан) містить нерозгалужену вуглецеву ланцюг, а інший - ізобутан - розгалужену (настрій). Атоми вуглецю в розгалуженому ланцюзі різняться типом сполуки коїться з іншими вуглецевими атомами. Так, атом вуглецю, пов'язаний тільки з одним іншим вуглецевим атомом, називається первинним, з двома іншими атомами вуглецю - вторинним, з трьома - третинним, з чотирма - четвертинним. Зі збільшенням числа атомів вуглецю у складі молекул збільшуються змогу розгалуження ланцюга, тобто. кількість ізомерів зростає із зростанням числа вуглецевих атомів. Порівняльна характеристика гомологів та ізомерів
1. Свою номенклатуру мають радикали(вуглеводневі радикали)
| |||||||||||||
Застосування алканів досить різноманітне - їх використовують як паливо, а також в механіці, медицині і т.д. Роль цих хімічних сполук у житті сучасної людини важко переоцінити.
Алкани: властивості та коротка характеристика
Алкани є нециклічні вуглецеві сполуки, у яких атоми вуглецю пов'язані простими насиченими зв'язками. Ці речовини є цілий ряд з певними властивостями та характеристиками. виглядає наступним чином:
N тут є кількість атомів вуглецю. Наприклад, СН3, С2Н6.
Перші чотири представники низки алканів - газоподібні речовини - це метан, етан, пропан і бутан. Наступні сполуки (від C5 до C17) – це рідини. Ряд триває сполуками, які за нормальних умов є тверді речовини.
Що ж до хімічних властивостей, то алкани є малоактивними — вони практично не взаємодіють із лугами та кислотами. До речі, саме хімічними властивостями визначається застосування алканів.
Тим не менш, для цих сполук характерні деякі реакції, включаючи заміщення атомів водню, а також процеси розщеплення молекул.
- Найхарактернішою реакцією вважається галогенування, у якому атоми водню замінюються галогенами. Велике значення мають реакції хлорування та бромування цих сполук.
- Нітрування - заміщення водневого атома нітрогрупою при реакції з розведеною (концентрація 10%) У звичайних умовах алкани не взаємодіють із кислотами. Щоб провести подібну реакцію, потрібна температура 140 °С.
- Окислення - за нормальних умов алкани не піддаються впливу кисню. Тим не менш, після підпалювання на повітрі ці речовини вступають у остаточні продукти якої є вода і
- Крекінг – ця реакція проходить лише за наявності необхідних каталізаторів. У процесі відбувається розщеплення стійких гомологічних зв'язків між атомами вуглецю. Наприклад, при крекінгу бутану в результаті реакції можна отримати етан та етилен.
- Ізомеризація - внаслідок впливу деяких каталізаторів можлива перебудова вуглецевого скелета алкану.
Застосування алканів
Основним природним джерелом цих речовин є такі цінні продукти, як природний газ та нафта. Області застосування алканів на сьогоднішній день дуже широкі та різноманітні.
Наприклад, газоподібні речовини використовують як цінне джерело палива. Прикладом може бути метан, з якого і складається природний газ, а також пропанобутанова суміш.
Ще одне джерело алканів нафту значення якої для сучасного людства переоцінити важко. До нафтових продуктів відносять:
- бензини - використовуються як паливо;
- гас;
- дизельне паливо або легкий газойль;
- важкий газойль, який застосовують як мастило;
- залишки використовують для виготовлення асфальту.
Нафтові продукти також використовуються для отримання пластмас, синтетичних волокон, каучуків та деяких миючих засобів.
Вазелін та вазелінове масло - продукти, які складаються з суміші алканів. Їх використовують у медицині та косметології (в основному для приготування мазей та кремів), а також у парфумерії.
Парафін - ще один усім відомий продукт, який є сумішшю твердих алканів. Це тверда біла маса, температура топлення якої становить 50 – 70 градусів. У сучасному виробництві парафін використовується виготовлення свічок. Цією ж речовиною просочують сірники. У медицині за допомогою парафіну проводять різноманітні теплові процедури.
Фізичні властивості. У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (1 - 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану ( C 5 - C 17 ) - рідини, починаючи з 18 і вище - тверді речовини. Принаймні збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто. зі зростанням відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани.
Алканипрактично нерозчинні у воді, тому що їх молекули малополярні і не взаємодіють з молекулами води, вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан та ін. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним.
Основні природні джерела алканів - нафта та природний газ. Різні фракції нафти містять алкани від C 5 H 12 до 30 Н 62 . Природний газ складається з метану (95%) з домішкою етану та пропану.
З синтетичних методів отриманняалканівможна виділити такі:
1 . Одержання з ненасичених вуглеводнів. Взаємодія алкенів або алкінів з воднем ("гідрування") відбувається у присутності металевих каталізаторів (Ni, Pd ) при
нагріванні:
СН з - C ≡СН+ 2Н2 → СН3-СН2-СН3.
2 . Отримання з галогенпровідних. При нагріванні моногалогензаміщених алканів з металевим натрієм одержують алкани з подвоєним числом атомів вуглецю (реакція Вюрца):
З 2 Н 5 Br + 2 Na + Br - C 2 H 5 → C 2 H 5 - C 2 H 5 + 2 NaBr.
Подібну реакцію не проводять із двома різними галогензаміщенимиалканами, оскільки при цьому виходить суміш трьох різних алканів
3 . Одержання із солей карбонових кислот. При сплавленні безводних солей карбонових кислот з лугами виходять алкани, що містять на один атом вуглецю менше порівняно з вуглецевим ланцюгом вихідних карбонових кислот:
4. Отримання метану. В електричній дузі, що горить в атмосфері водню, утворюється значна кількість метану:
С + 2Н 2 → СН 4 .
Така сама реакція йде при нагріванні вуглецю в атмосфері водню до 400-500 ° С при підвищеному тиску в присутності каталізатора.
У лабораторних умовах метан часто одержують з карбіду алюмінію:
А l 4 З 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4А l (ВІН) 3 .
Хімічні властивості. У звичайних умовах алкани хімічно інертні. Вони стійкі до дії багатьох реагентів: не взаємодіють із концентрованими сірчаною та азотною кислотами, з концентрованими та розплавленими лугами, не окислюються сильними окислювачами – перманганатом калію.KMnПро 4 і т.п.
Хімічна стійкість алканів пояснюється високою міцністюs -зв'язків С-С та С-Н, а також їх неполярністю. Неполярні зв'язки С-С і С-Н в алканах не схильні до іонного розриву, але здатні гомолітично розщеплюватися під дією активних вільних радикалів. Тому для алканів характерні радикальні реакції, у яких виходять сполуки, де атоми водню заміщені інші атоми чи групи атомів. Отже, алкани вступають у реакції, що протікають за механізмом радикального заміщення, що позначається символом S R ( від англ. substitution radicalic). За цим механізмом найлегше заміщаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.
1. Галогенування. При взаємодії алканів з галогенами (хлором та бромом) під дією УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно- до полігалогензаміщенихалканів. Загальна схема цієї реакції показана на прикладі метану:
б) Зростання ланцюга. Радикал хлору забирає у молекули алкану атом водню:
Cl· + СН 4 →НС/>l + СН 3 ·
При цьому утворюється алкільний радикал, який забирає атом хлору у молекули хлору:
СН 3 · + С l 2 →СН 3 С l + С l·
Ці реакції повторюються доти, доки відбудеться обрив ланцюга за однією з реакцій:
Cl· + Cl· → С l/> 2 , СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6 , СН 3 · + Cl· → СН 3 С l ·
Сумарне рівняння реакції:
| hv | ||
| СН 4 + Сl 2 | → | СН 3 Сl + НСl. |
Утворений хлорметан може піддаватися подальшому хлоруванню, даючи суміш продуктів CH 2 Cl 2 CHCl 3 СС l 4 за схемою (*).
Розвиток теорії ланцюгових вільнорадикальнихреакцій був із ім'ям видатного російського вченого, лауреата Нобелівської премії Н.І. Семенова (1896-1986).
2. Нітрування (реакція Коновалова). При дії розведеної азотної кислоти на алкани при 140°З невеликому тиску протікає радикальна реакція:
При радикальних реакціях (галогенування, нітрування) насамперед замішаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.Це пояснюється тим, що найлегше гомолітично розривається зв'язок третинного атома вуглецю з воднем (енергія зв'язку 376 кДж/моль), потім - вторинного (390 кДж/моль) і тільки потім - первинного (415 кДж/моль).
3. Ізомеризація. Нормальні алкани за певних умов можуть перетворюватися на алкани з розгалуженим ланцюгом:/>
4. Крекінг - це гемолітичний розрив зв'язків С-С, який протікає при нагріванні та під дією каталізаторів.
При крекінгу вищих алканів утворюються алкени та нижчі алкани, при крекінгу метану та етану утворюються ацетилен:
C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + С 4 Н 8 ,/>
2СН 4 → С 2 Н 2 + ДТ 2 ,
С2Н6 → С2Н2 + 2Н2.
Ці реакції мають велике промислове значення. Таким шляхом висококиплячі фракції нафти (мазут) перетворюють на бензин, гас та інші цінні продукти.
5. Окислення. При м'якому окисненні метану киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота:
 |
М'яке каталітичне окислення бутану киснем повітря - один із промислових способів одержання оцтової кислоти:
t°
2 C 4/> H/> 10 + 5 O/> 2 → 4 CH/> 3 COOH/> + 2Н 2 О .
кат
На повітрі алканизгоряють до 2 і Н 2 О:/>
З n Н 2 n +2 + (З n+1)/2О 2 = n СО 2 + (n +1) Н2О.
