Алканы и их формулы – Формула алканов в химии

Формула алканов в химии

Общая формула алканов: C_nH_2n+2(n 1)

Молекулярные и структурные формулы алканов

Первые представители гомологического ряда алканов:

Алканы называются насыщенными углеводородами, поскольку содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp -гибридизации – 4 гибридные орбитали атома углерода равнозначны по форме и энергии и направлены к вершинам тетраэдра:

Тетраэдрическое расположение гибридных орбиталей одинаково для всех атомов углерода в алканах, поэтому молекулы алканов имеют зигзагообразное строение:

При n > 3 у алканов возможна изомерия углеродного скелета:

а при n > 6 – оптическая изомерия.

Алканы химически малоактивны, поскольку одинарные связи C–H и C–C довольно прочные. Все связи в молекулах алканов являются -связями, малополярны и слабо поляризуются, поэтому алканы, в основном, вступают в реакции по радикальному механизму (радикальное галогенирование, сульфохлорирование, нитрование, автоокисление).

Основным практически значимым химическим свойством алканов является реакция горения:

   

Из-за большого теплового эффекта таких реакций алканы используются в качестве топлива.

Примеры решения задач по теме «формула алканов»

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

ru.solverbook.com

общие сведения. Физические и химические свойства

Алканы с химической точки зрения представляют собой углеводороды, то есть общая формула алканов включает в себя исключительно атомы углерода и водорода. Помимо того, что эти соединения не содержат никаких функциональных групп, они образуются только за счет одинарных связей. Такие углеводороды называются насыщенными.

Типы алканов

Все алканы можно выделить в две большие группы:

• Алифатические соединения. Их структура имеет вид линейной цепочки, общая формула алканов алифатического типа C_nH_2n+2, где n — количество атомов углерода в цепи.
• Циклоалканы. Эти соединения имеют циклическую структуру, что обуславливает существенное отличие их химических свойств от линейных соединений. В частности, структурная формула алканов этого типа обуславливает сходство их свойств с алкинами, то есть углеводородами с тройной связью между атомами углерода.

Электронная структура алифатических соединений

Эта группа алканов может иметь либо линейную, либо разветвленную углеводородную цепь. Их химическая активность является невысокой по сравнению с другими органическими соединениями, поскольку все связи внутри молекулы являются насыщенными.

Молекулярная формула алканов алифатического типа говорит о том, что их химическая связь имеет sp^3-гибридизацию. Это означает, что все четыре ковалентные связи вокруг атома углерода по своим характеристикам (геометрическим и энергетическим) являются абсолютно равноправными. При таком типе гибридизации электронные оболочки уровней s и p атомов углерода имеют одинаковую форму вытянутой гантели.

Между атомами углерода связь в цепи является ковалентной, а между атомом углерода и водорода она частично поляризована, при этом электронная плотность оттягивается к углероду, как к элементу более электроотрицательному.

Из общей формулы алканов следует, что в их молекулах существуют только связи C-C и C-H. Первые образуются в результате перекрывания двух электронных гибридизованных орбиталей sp³ двух атомов углерода, а вторые образуются при перекрывании орбитали s водорода и орбитали sp³ углерода. Длина связи C-C равна 1,54 ангстрема, а связи C-H — 1,09 ангстрема.

Геометрия молекулы метана

Метан является самым простым алканом, который состоит всего из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Благодаря энергетической равноправности его трех 2p и одной 2s орбиталей, полученной в результате sp³-гибридизации, все орбитали в пространстве расположены под одинаковым углом друг к другу. Он равен 109,47°. В результате такой молекулярной структуры в пространстве образуется подобие треугольной равносторонней пирамиды.

Простые алканы

Самым простым алканом является метан, который состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Следующие в ряду алканов за метаном пропан, этан и бутан образованы тремя, двумя и четырьмя атомами углерода соответственно. Начиная с пяти атомов углерода в цепи, соединения получили название согласно номенклатуре ИЮПАК.

Таблица с формулами алканов и их названиями приведена ниже:

Название	метан	этан	пропан	бутан	пентан	гексан	гептан	октан	нонан	декан
Формула	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	C7H16	C8H18	C9H20	C10H22

При потере одного водородного атома у молекулы алкана образуется активный радикал, окончание которого меняется с «ан» на «ил», например, этан C₂H₆ — этил C₂H₅. Структурная формула алкана этана приведена на фото.

Номенклатура органических соединений

Правила определения названий алканов и соединений на их основе установлены международной номенклатурой ИЮПАК. Для органических соединений действуют следующие правила:

1. Название химического соединения базируется на названии его самой длинной цепи из атомов углерода.
2. Нумерацию атомов углерода следует начинать с конца, ближе к которому начинается разветвление цепи.
3. Если в соединении присутствуют две или более углеродные цепи одинаковой длины, то в качестве основной выбирается та, которая имеет меньше всего радикалов, и они имеют более простую структуру.
4. Если в молекуле имеются две и более одинаковые группы радикалов, тогда в названии соединения используются соответствующие префиксы, которые удваивают, утраивают и так далее названия указанных радикалов. Например, вместо выражения «3-метил-5-метил» используется «3,5-диметил».
5. Все радикалы записываются в алфавитном порядке в общее название соединения, при этом префиксы не берутся во внимание. Последний радикал пишется слитно с названием самой цепи.
6. Числа, отражающие номера радикалов в цепи, отделяются от названий дефисом, а сами цифры записываются через запятую.

Соблюдение правил номенклатуры ИЮПАК позволяет легко определить молекулярную формулу алкана по названию вещества, например, 2,3-диметилбутан имеет следующий вид.

Физические свойства

Физические свойства алканов во многом зависят от длины углеродной цепи, образующей конкретное соединение. Основными свойствами являются следующие:

• Первые четыре представителя, согласно общей формуле алканов, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, то есть это бутан, метан, пропан и этан. Что касается пентана и гексана, то они существуют уже в виде жидкостей, а начиная с семи атомов углерода, алканы представляют собой твердые вещества.
• При увеличении длины углеродной цепи увеличивается и плотность соединения, а также его температуры фазовых переходов первого рода, то есть температуры плавления и кипения.
• Поскольку полярность химической связи в формуле вещества алканов является незначительной, они не растворяются в полярных жидкостях, например, в воде.
• Соответственно их можно использовать в качестве хороших растворителей таких соединений, как неполярные жиры, масла и воски.
• В домашней газовой плите используется смесь алканов, богатая третьим членом химического ряда — пропаном.
• При кислородном горении алканов выделяется большое количество энергии в виде тепла, поэтому эти соединения используют в качестве горючего топлива.

Химические свойства

Ввиду наличия стабильных связей в молекулах алканов, их реакционная способность в сравнении с другими органическими соединениями является низкой.

С ионными и полярными химическими соединениями алканы практически не реагируют. Они ведут себя инертно в растворах кислот и оснований. Алканы вступают в реакцию только с кислородом и галогенами: в первом случае речь идет о процессах окисления, во втором — о процессах замещения. Некоторую химическую активность они проявляют и в реакциях с переходными металлами.

Во всех этих химических реакциях важную роль играют разветвления углеродной цепи алканов, то есть наличие в них радикальных групп. Чем их больше, тем сильнее изменяется идеальный угол между связями 109,47° в пространственной структуре молекулы, что приводит к созданию напряжений внутри нее и, как следствие, увеличивает химическую активность такого соединения.

Реакция простых алканов с кислородом происходит по следующей схеме: C_nH_2n+2 + (1,5n+0,5)O₂ → (n+1)H₂O + nCO₂.

Пример реакции с хлором приведен на фото ниже.

Опасность алканов для природы и человека

При содержании метана в воздухе в интервале концентраций 1-8% образуется взрывная смесь. Опасность для человека заключается еще и в том, что этот газ не имеет цвета и запаха. Кроме того, метан обладает сильным парниковым эффектом. Остальные алканы, имеющие в своем составе несколько атомов углерода, также образуют взрывные смеси с воздухом.

Гептан, пентан и гексан представляют собой легко воспламеняющиеся жидкости и являются опасными как для окружающей среды, так и для здоровья человека, поскольку они токсичны.

fb.ru

Углеводороды. Алканы. Строение, получение и свойства

Сегодня урок по химии 29 — Углеводороды. Алканы. Строение, получение и  свойства.

Углеводороды — органические соединения, в состав которых входят только два элемента: углерод и водород.

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями,  состав которых выражается общей формулой C_nH_2n+2, где n – число атомов углерода.

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или предельные углеводороды. Их также называют парафинами. Общая черта в  строении алканов и циклоалканов – простая или одинарная связь между атомами углерода. На образование этой связи затрачивается одна пара электронов, причем максимальное перекрывание орбиталей находится на линии, соединяющей центры атомов. Такую связь называют σ-связью, а электроны, образующие её – σ-электронами. Распределение электронной плотности σ‑ связи симметрично относительно оси, проходящей через центры связанных атомов

Все атомы углерода находятся в состоянии  sp³— гибридизации, валентный угол равен 109^о28^’,  длина связи С – С  составляет  1,54 А^о. Ниже приводятся формулы и названия первых десяти членов гомологического ряда предельных углеводородов и соответсвующих им алкильных радикалов.

 Гомологический ряд алканов

Мелекулярная формула иНазвание алкана	Формула и название алкильного радикала
СН4 ,     метан	— СН3,     метил
С2Н6,     этан	— С2Н5,    этил
С3 Н8,    пропан	— С3 Н7,   пропил
С4 Н10,   бутан	— С4 Н9,   бутил
С5 Н12,   пентан	— С 5Н11,   пентил (амил)
С6 Н14,   гексан	— С6 Н13,   гексил
С7 Н16,   гептан	— С 7Н15,   гептил
С8 Н18,   октан	— С8 Н17,   октил
С9 Н20,    нонан	— С9 Н19,    нонил
С10 Н22,   декан	— С10 Н21,    децил

1. Для простейших алканов (С₁-С₄) приняты тpивиальные названия:  метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
2. Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числительные и суффикс -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и т.д.
3. В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью. При этом углеводоpод с pазветвленной цепью pасcматpивают как пpодукт замещения атомов водоpода в ноpмальном алкане углеводоpодными pадикалами.

Напишем формулы изомеров гексана:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃    — н-гексан

СН₃-СН(СН₃) -СН₂-СН₂-СН₃                          СН₃-СН₂-СН(СН

3)-СН₂-СН₃

2-метилпентан                                                           3-метилпентан

СН₃ –С( СН₃)₂– СН₂— СН₃                        СН₃-СН(CH₃)-СН(CH₃)- СН₃

        2,2-диметилбутан                                          2,3 –диметилбутан

Спосoбы получения алканов.

 1. По реакции Вюрца – действием металлического натрия на галоидные алкилы:

СН₃ – СI  +  2Nа  + СI – СН₃  →  СН₃ – СН₃  + 2NаСI

2.  Сплавлением натриевых солей карбоновых кислот с едкими щелочами:

СН₃ –СН₂ – СООNа  + NаОН  →   СН ₃–СН₃  + Nа₂СО₃.

3.  Гидролиз карбида алюминия, получается метан:

АI₄С₃   + 12Н₂О   →    3СН₄  +  4АI(ОН)

3.

4.  Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализаторов.

С_nН_2n  + Н₂   →   С_nН_2n+2

5.  Синтез из оксида углерода (II) и водорода:

nСО + (2n+1)Н₂   →   CnH_2n+2  + nН₂О

Химические свойства алканов.

 1. Галогенирование (реакция радикального замещения):

СН₄ + СI₂ →  СН₃СI +  HCl

2. Нитрование (реакция М.И.Коновалова) на примере 3-метилпентана:

СН₃ —  СН₂ – СН(СН₃) – СН₂СН₃ + НО — NО₂   →  СН₃–СН₂ -С(СН₃)(NО₂)–СН₂-СН₃ +Н₂О

3-метил-пентан                                                         3-метил-3-нитропентан

3. Сульфирование:

СН₃ – СН₂ – СН

2 – СН₃ +НО -SО₃Н  →  СН ₃– СН(SО₃Н) – СН₂ – СН₃ + Н₂ О

Бутан                                                                    2-сульфобутан (бутан-2-сульфокислота).

4. Реакции окисления.

а) неполное окисление       2СН₄  + 3О₂   →  2СО  +  4Н₂О

б) полное окисление            СН₄  + 2О₂   →  СО ₂  +  2Н₂О

5. Крекинг  ( расщепление ) алканов.

С₄Н₁₀   →   С₂Н₆ + СН₂ = СН₂

6. Дегидрирование:

СН₃ – СН₃   →    СН₂ = СН₂ + Н₂↑

Этан                       Этен

Метан используется в основном в качестве дешевого топлива. При горении он дает почти бесцветное пламя. Из метана получают ценные химические продукты: метанол, синтез-газ, формальдегид, ацетилен, различные хлорпроизводные. Этан используется при синтезе этилена. Пропан в смеси с бутаном используется в качестве топлива. Средние члены гомологического ряда используют как горючее для двигателей (бензин, керосин), а также в качестве растворителей. Высшие алканы – топливо для дизельных двигателей, смазочные масла и сырье для производства моющих средств.

Это был урок по химии 29 — Углеводороды. Алканы. Строение, получение и  свойства.

Share this post for your friends:

Friend me:

к нашему сайту.

sovety-tut.ru

класс алканы | Дистанционные уроки

22-Ноя-2012 | комментарий 21 | Лолита Окольнова

Органическая химия — это химия углерода, валентность которого равна 4. Т.е., каждый атом углерода образует 4 связи (сигма-связи). Это может быть связь — С — С — , это может быть связь -С-H. Одинарная связь считается

насыщенной, т.е. достигается максимальное перекрывание электронной плотности между атомами.

 

Предельные углеводороды —

 

(углеводороды с насыщенными связями)

 

Сигма-связь (σ- )

 

 

• Атомы углерода находятся в состоянии Sp³-гибридизации:

 

 

Т.е.  вещества класса Алканы (парафины — старое название) – алифатические (нециклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными, насыщенными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи. Угол между связями С-C составляет 109°28′, поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг)

 

 

Общая формула алканов:

 

С_nH_2n+2

 

n = числу атомов углерода.

 

Номенклатура веществ класса алканов строится из двух частей.

 

Первая часть «говорит» о количестве атомов углерода, вторая — о связи -С-С-. У алканов вторая часть — всегда -ан, а первую часть надо выучить:

 

Название (приставка)	Количество атомов углерода	Формула
мет-(метан)	1	Ch5
эт-(этан)	2	C2H6
проп-(пропан)	3	C3H8
бут-(бутан)	4	C4h20
пент-(пентан)	5	C5h22
гекс-(гексан)	6	C6h24

 

Физические свойства алканов:

 C1-C4 — газообразные вещества;

С5- С17 — жидкости;

С18-… — твердые вещества.

 

 

класс алканы —  

 

Химические свойства 

Алканы — довольно химически устойчивы. Между атомами насыщенная связь, поэтому вещества класса алканы очень слабо активны.

Максимум на что они способны это:

Реакции замещения: реакция идет на свету по радикальному механизму:

 

• С2H6 + Cl2 = C2H5Cl + HCl, такое замещение может идти до полного замещения атомами хлора атомов водорода: С2Сl6.
  Реакция Вюрца — «именная» реакция удлиннения цепи:   C2H5Cl + 2Na +ClC2H5 → C4h20 + 2NaCl (из этана получили бутан)
• Реакция Коновалова: c разбавленной азотной кислотой под давлениемС2H6 + HNO3 (HO-NO2) → С2H5NO2 + h3O

 

Реакции разложения (крекинг): длинные вещества класса алканы разлагается на алкан (более короткий) и алкен:
CH₃–CH₂–CH₃(пропан) –^400°C> CH₄(метан)+ CH₂=CH₂ (этилен) 

 

Окисление алканов (горение): как и все органические вещества, алканы горят до образования углекислого газа и воды:

 

2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6h3O

 

Получение веществ класса алканы:

 

• Из неорганических веществ: гидролиз карбида алюминия:
  Al4C3 + 12h3O = 4Al(OH)3 +3Ch5 (метан)
  C+2h3 = Ch5 (при высоком давлении и температуре)
• Гидрирование алкенов:
  С2h5 + h3 = C2H6 (этан)
• Еще одна «именная» реакция: реакция Кольбе: электролиз солей карбоновых кислот:
  2Сh4COONa -(электролиз)-→ Сh4-Ch4 (этан) + 2СO2 +2Na
• Реакция солей карбоновых кислот с аналогичными щелочами:
  C2H₅COONa + NaOH  ––^t°>  C2H6 + Na₂CO₃

 

---

Вопрос из олимпиадных заданий (2015 г)

 

 

Давайте сначала определимся с атомами углерода — какие из них будут третичными

 

Вот пример:

 

 

«Третичный» — атом углерода, связанный с тремя другими атомами С

 

• н-гептан — гептан линейного строение, «без ответвлений» — только первичные и вторичные атомы СCH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

 

 

 

название по номенклатуре ИЮПАК — 2,2-диметилбутан

В этом веществе будут 3 первичных атома (Ch4-), один вторичный (-Ch3-) и  один четвертичный (С)

 

---

• в ЕГЭ это вопрос А13 и А14 — Строение и свой­ства углеводородов
• в ГИА (ОГЭ) это B2 — Пер­во­на­чаль­ные сведения об ор­га­ни­че­ских веществах: пре­дель­ных и не­пре­дель­ных углеводородах

 

---

 

  
 

Категории: |

Обсуждение: «Класс алканы»

(Правила комментирования)

distant-lessons.ru

алканы

Строение алканов

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей: 

С–С и С–Н.

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н — ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 — для углерода и 2.1 — для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28′, что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28′. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

Виртуальная модель (VRML-сцена, 2 камеры)

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы.Это можно показать на примере н-бутана (VRML-модель) или н-пентана:

Изомерия алканов

Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами.

Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят кструктурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С₄Н₁₀.  Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы — стереохимические (пространственные) или проекционные.

Алканы, начиная с этана H₃C–СН₃, существуют в различных пространственных формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию.

Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют оптической изомерией.

. Структурная изомерия алканов

Структурные изомеры — соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Например, алкан состава C₄H₁₀ может существовать в виде двух структурных изомеров:

а алкан С₅Н₁₂ – в виде трех структурных изомеров,отличающихся строением углеродной цепи:

С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваютсявозможности дляразветвления цепи, т.е. количество изомеров растет сростом числа углеродных атомов.

Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и,соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при болеенизкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.

Приемы построения структурных формул изомеров

Рассмотрим на примере алкана С₆Н₁₄.

1. Сначала изображаем молекулу линейного изомера (ее углеродный скелет)

(1)

2. Затем цепь сокращаем на 1 атом углерода и этот атом присоединяем к какому-либо атому углерода цепи как ответвление от нее, исключая крайние положения:

(2)    или   (3)

Если присоединить углеродный атом к одному из крайних положений, то химическое строение цепи не изменится:

Кроме того, нужно следить, чтобы не было повторов. Так, структура идентична структуре (2).

3. Когда все положения основной цепи исчерпаны, сокращаем цепь еще на 1 атом углерода:

Теперь в боковых ответвлениях разместятся 2 атома углерода. Здесь возможны следующие сочетания атомов:

(4)    и   (5)

Боковой заместитель может состоять из 2-х или более последовательно соединенных атомов углерода, но для гексана изомеров с такими боковыми ответвлениями не существует, и структура  идентична структуре (3).

Боковой заместитель  СС можно размещать только в цепи, содержащей не меньше 5-ти углеродных атомов и присоединять его можно только к 3-му и далее атому от конца цепи.

4. После построения углеродного скелета изомера необходимо дополнить все углеродные атомы в молекуле связями с водородом, учитывая, что углерод четырехвалентен.

Итак, составу С₆Н₁₄ соответствует 5 изомеров:  1) 2)3)4)5)

Номенклатура

Номенклатура органических соединений – система правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному веществу.

Это язык химии, который используется для передачи в названиях соединений информации о их строении. Соединению определенного строения соответствует одно систематическое название, и по этому названию можно представить строение соединения (его структурную формулу).

В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of the Pure and Applied Chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии).

Наряду с систематическими названиями используются также тривиальные (обыденные) названия, которые связаны с характерным свойством вещества, способом его получения, природным источником, областью применения и т.д., но не отражают его строения.

Для применения номенклатуры ИЮПАК необходимо знать названия и строение определенных фрагментов молекул – органических радикалов.

Термин «органический радикал» является структурным понятием и его не следует путать с термином «свободный радикал», который характеризует атом или группу атомов с неспаренным электроном.

 Радикалы в ряду алканов

Если от молекулы алкана «отнять» один атом водоpода, то обpазуется одновалентный «остаток» – углеводоpодный pадикал (R–). Общее название одновалентных радикалов алканов – алкилы – обpазовано заменой суффикса —ан на —ил:  метан – метил, этан – этил, пpопан – пpопил и т.д.

Одновалентные pадикалы выpажаются общей фоpмулой С_nН_2n+1.

Двухвалентный радикал получается, если удалить из молекулы 2 атома водорода. Например, из метана можно образовать двухвалентный радикал –СН₂– метилен. В названиях таких радикалов используется суффикс —илен.

Названия радикалов, особенно одновалентных, используются при образовании названий разветвленных алканов и других соединений. Такие радикалы можно рассматривать как составные части молекул, их конструкционные детали. Чтобы дать название соединению необходимо представить, из каких «деталей»-радикалов составлена его молекула.

Метану СН₄ соответствует один одновалентный радикал метил СН₃.

От этана С₂Н₆ можно произвести также только один радикал — этил  CH₂ CH₃(или  C₂H₅).

Пропану СН₃–СН₂–СН₃ соответствуют два изомерных радикала  С₃Н₇:

Радикалы подразделяются на первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, укакого атома углерода (первичного, вторичного или третичного) находится свободная валентность. По этому признаку н-пропил относится к первичным радикалам, а изопропил – к вторичным.

Двум алканам С₄Н₁₀ (н-бутан и изобутан) соответствует 4 одновалентных радикала –С₄Н₉:

— от н-бутана производятся н-бутил (первичный радикал) и втор-бутил (вторичный радикал), — от изобутана – изобутил (первичный радикал) и трет-бутил (третичный радикал).

Таким образом, в ряду радикалов также наблюдается явление изомерии, но при этом число изомеров больше, чем у соответствующих алканов.

Конструирование молекул алканов из радикалов

Например, молекулу

можно «собрать» тремя способами из различных пар одновалентных радикалов:

Такой подход используется в некоторых синтезах органических соединений, например:

где R – одновалентный углеводородный радикал (реакция Вюрца).

 Правила построения названий алканов по систематической международной номенклатуре ИЮПАК

Для простейших алканов (С₁-С₄) приняты тpивиальные названия:  метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.

Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числительные и суффикс -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и далее…

В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью. При этом углеводоpод с pазветвленной цепью pассматpивают как пpодукт замещения атомов водоpода в ноpмальном алкане углеводоpодными pадикалами.

Например, алкан

рассматривается как замещенный пентан, в котором два атома водорода замещены на радикалы –СН₃(метил).

Порядок построения названия разветвленного алкана

Выбрать в молекуле главную углеродную цепь. Во-первых, она должна быть самой длинной. Во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная. Например, в молекуле есть 2 цепи с одинаковым числом (7) атомов С (выделены цветом):

В случае (а) цепь имеет 1 заместитель, а в (б) – 2. Поэтому следует выбрать вариант (б).

Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы С, связанные с заместителями, получили возможно меньшие номера. Поэтому нумерацию начинают с ближайшего к ответвлению конца цепи. Например:

Назвать все радикалы (заместители), указав впереди цифры, обозначающие их местоположение в главной цепи. Если есть несколько одинаковых заместителей, то для каждого из них через запятую записывается цифра (местоположение), а их количество указывается приставками ди-, три-, тетра-, пента— и т.д. (например, 2,2-диметил или2,3,3,5-тетраметил).

Названия всех заместителей расположить в алфавитном порядке (так установлено последними правилами ИЮПАК).

Назвать главную цепь углеродных атомов, т.е. соответствующий нормальный алкан.

Таким образом, в названии разветвленного алкана

корень+суффикс – название нормального алкана (греч. числительное+суффикс «ан»),  приставки – цифры и названия углеводородных радикалов.

Пример построения названия:

Химические свойства алканов

Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.

Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С–Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов.

Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения (см. часть I, раздел 6.4 «Типы реакций»). Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей (см. в таблице значения дипольных моментов) предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы (часть I, раздел 6.4.3). Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм. Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO₄,  К₂Сr₂O₇ и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами. Видеоопыт «Отношение метана к раствору перманганата калия и бромной воде». Итак, алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях.

Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.

В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы.  С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризацииуглеродного скелета.  По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления(дегидрирование алканов).  Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

Крекинг алканов

Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.

Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).

Термический крекинг. При температуре 450–700 ^oС алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

Например:

C₆H₁₄ C₂H₆ + C₄H₈

Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:

Свободные радикалы очень активны. Один из них (например, этил) отщепляет атомарный водород Н от другого (н-бутила) и превращается в алкан (этан). Другой радикал, став двухвалентным, превращается в алкен (бутен-1) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов:

Анимация (работа Литвишко Алексея, ученика 9 кл. школы №124 г. Самары)

Разрыв С–С-связи возможен в любом случайном месте молекулы. Поэтому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой.

В общем виде этот процесс можно выразить схемой:

C_nH_2n+2  C_mH_2m + C_pH_2p+2,       где m + p = n

При более высокой температуре (свыше 1000С) происходит разрыв не только связей С–С,но и более прочных связей С–Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистыйуглерод) и водорода:

СН₄ C + 2H₂

Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г.

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 500С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования.  Пример: крекинг октана (работа Литвишко Алексея, ученика 9 кл. школы №124 г. Самары). При дегидрировании алканов образуются циклические углеводороды (реакциядегидроциклизации, раздел 2.5.3). Наличие в составе бензина разветвлённых и циклических углеводородов повышает его качество (детонационную устойчивость, выражаемую октановым числом). При крекинг-процессах образуется большое количество газов, которые содержат главным образом предельные и непредельные углеводороды. Эти газы используются в качестве сырья для химической промышленности.  Основополагающие работы по каталитическому крекингу в присутствии хлорида алюминия проведены Н.Д. Зелинским. 

 Изомеризация алканов

Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.

Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100С в присутствии катализатора хлорида алюминия:

Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).

Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr₂O₃, Fe₂O₃, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.

Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.

1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены:

Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH₂=CH-CH₂-CH₃. В присутствии катализатора Cr₂O₃/Al₂O₃ при 450-650 С из н-бутана получают также бутадиен-1,3CH₂=CH-CH=CH₂.

2. Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.

Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при нагревании над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):

Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). Например:

Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н-алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.

3. При 1500 С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:

Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена.

 Реакции окисления алканов

В органической химии реакции окисления и восстановления рассматриваются как реакции, связанные с потерей и приобретением органическим соединением атомов водорода и кислорода. Эти процессы, естественно, сопровождаются изменением степеней окисления атомов (часть I, раздел 6.4.1.6).

Окисление органического вещества — введение в его состав кислорода и (или) отщепление водорода. Восстановление — обратный процесс (введение водорода и отщепление кислорода). Учитывая состав алканов (С_nH_2n+2), можно сделать вывод о их неспособности вступать в реакции восстановления, но возможности участвовать в реакциях окисления.

Алканы — соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н₂Cr₂O₇, KMnO₄ и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО₂, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

Примеры:

Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее. Видеоопыт «Взрыв смеси метана с кислородом». Видеоопыт «Горение жидких алканов». Видеоопыт «Горение парафина».

Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях и т.п.).

Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО₂. Тогда образуются продукты частичного окисления:     угарный газ СО (степень окисления углерода +2),     сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.

studfiles.net

Тема №15 «Алканы» | CHEM-MIND.com

Оглавление

1. Строение алканов
2. Гомологический ряд метана
3. Изомерия и номенклатура
4. Физические свойства
5. Химические свойства
6. Шпаргалка
7. Задания для самопроверки

Строение алканов

Алканы — углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле C_nH_2n+2. В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр³-гибридизации.

Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторон­ней треугольной пирамиды — тетраэдра. Углы между орбиталями равны 109° 28′. Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), напри­мер, в молекуле н-пентан.

Особо стоит напомнить о связях в молекулах ал­канов. Все связи в молекулах предельных углеводо­родов одинарные. Перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи. Связи углерод — углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С—С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 • 10¹⁰ м). Связи С—Н несколько коро­че. Электронная плотность немного смещена в сто­рону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С—Н является слабополярной.

Гомологический ряд метана

Гомологи — вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН₂.

Предельные углеводороды составляют гомоло­гический ряд метана.

Изомерия и номенклатура алканов

Для алканов характерна так называемая струк­турная изомерия. Структурные изомеры отлича­ются друг от друга строением углеродного скеле­та. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан.

Рассмотрим подробнее для алканов основы но­менклатуры ИЮПАК.

1.     Выбор главной цепи. Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.

2.     Нумерация атомов главной цепи. Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном уда­лении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структу­ра В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе стар­ший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начи­нается их название: метил (—СН₃), затем пропил (-СН₂-СН₂-СН₃), этил (—СН₂—СН₃) и т. д.

Обратите внимание на то, что название заме­стителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.

3.     Формирование названия. В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соот­ветствующий номер в названии повторяется дваж­ды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и на­звание заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д.).

Названия веществ, структурные формулы кото­рых приведены выше, следующие:

•    структура А: 2-метилпропан;

•    структура Б: 3-этилгексан;

•    структура В: 2,2,4-триметилпентан;

•    структура Г: 2-метил 4-этилгексан.

Отсутствие в молекулах предельных углеводоро­дов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде, не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Наиболее ха­рактерными для алканов являются реакции, проте­кающие с участием свободных радикалов.

Физические свойства алканов

Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы. Простейший из них — ме­тан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, опреде­ляется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных га­зовых приборах для того, чтобы люди, находя­щиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от С₅Н₁₂ до С₁₅Н₃₂ — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые ве­щества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются рас­пространенными органическими растворителями.

Химические свойства алканов

Реакции замещения.

Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикаль­ного замещения, в ходе которого атом водорода за­мещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения характерных реакций галогенирования:

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органи­ческих синтезах.

Реакция дегидрирования (отщепления водоро­да).

В ходе пропускания алканов над катализато­ром (Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃) при высокой температуре (400-600 °C) происходит отщепление молекулы во­дорода и образование алкена:

Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Га­зообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.

1. Горение предельных углеводородов — это сво­боднорадикальная экзотермическая реакция, кото­рая имеет очень большое значение при использова­нии алканов в качестве топлива:

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

2. Термическое расщепление углеводородов.

Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием мо­лекулы алкана и молекулы алкена:

Реакции термического расщепления лежат в ос­нове промышленного процесса — крекинга угле­водородов. Этот процесс является важнейшей ста­дией переработки нефти.

3. Пиролиз. При нагревании метана до темпе­ратуры 1000 °С начинается пиролиз метана — раз­ложение на простые вещества:

При нагревании до температуры 1500 °С воз­можно образование ацетилена:

4. Изомеризация. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хло­ридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:

5. Ароматизация. Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии ка­тализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:

Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp³-гибридизации. Молекулы этих веществ по­строены при помощи ковалентных неполярных С—С (углерод — углерод) связей и слабополярных С—Н (углерод — водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (элек­тростатических полей ионов). Следовательно, алка­ны не будут реагировать с заряженными частицами, т. к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Химические свойства алканов — конспект

Шпаргалка

 

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

www.chem-mind.com

Предельные углеводороды. Алканы.

Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Простейшим представителем класса является метан ( CH₄).

По номенклатуре ИЮПАК названия алкано в образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи.

Для алканов характерен тип гибридизации — sp³.

Пространственное строение — у метана тетраэдрическая форма молекулы, у алканов n>4 — зигзагообразная форма.

Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии — изомерией углеродного скелета. Гомологическая разница — -CH₂-.

Физические свойства

Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH₄ до C₄H₁₀ — газы; с C₅H₁₂ до C₁₃H₂₈ — жидкости; после C₁₄H₃₀ — твёрдые тела. Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Химические свойства алканов

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно — за один этап замещается не более одного атома водорода:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (хлорметан)
CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl (дихлорметан)
CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl (трихлорметан)
CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl (тетрахлорметан).

На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В pезультате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO₂.

R-H + HO-NO₂ → R-NO₂ + H₂O

Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями.

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q

Значение Q достигает 46 000 — 50 000 кДж/кг.

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).
В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

С_nН_2n+2+ (1,5n+0,5)O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Примеры:

CH₄ → C + 2H₂ (t > 1000 °C)

C₂H₆ → 2C + 3H₂

Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.

Термический крекинг. При температуре 450–700^oС алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С-Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

Например:

C₆H₁₄ → C₂H₆ + C₄H₈

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре450°С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования:

2CH₄ ^1500°C→ H–C≡C–H (ацетилен) + 3H₂

Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации — перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ (пентан) ^{–t°,AlCl 3} → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃I

CH₃ (2-метилбутан)

При нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле:

C_nH_2n+2 → C_nH_2n + H₂

CH₃—CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂ (этан → этен)

CH₃—CH₂—CH₂—CH₃ → CH₂= CH—CH₂—CH₃+ H₂ (бутан → бутен-1)

Наряду с бутеном-1 в этой реакции образуется также бутен-2.

Алканы — соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

Получение алканов

Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменныйуголь). Используются также синтетические методы.

1. Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан идр.

2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

C_nH_2n^{+ h3}→C_nH_2n+2 ←^-h3 C_nH_2n-2

алкены → алканы← алкины

3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):

С + 2Н₂ → СН₄

4. Из синтез-газа (СО + Н₂) получают смесь алканов:

nСО + (2n+1)Н₂→ C_nH_2n+2+ nH₂O

5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:

2CH₃Cl + 2Na → CH₃-CH₃ + 2NaCl (реакция Вюрца)

6. Из солей карбоновых кислот:

а) сплавление со щелочью (реакция Дюма

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

ацетат натрия

б) электролиз по Кольбе

2RCOONa + 2H₂O → R-R + 2CO₂+ H₂+ 2NaOH

на аноде → на катоде

7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

Al₄C₃ + 12HOH → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Применение алканов.

Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

— Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива.

— Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.

— Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) — пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.

— Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.

— Паpафин (смесь твеpдых алканов С₁₉ — С₃₅) — белая твеpдая масса без запаха и вкуса (t_пл = 50-70°C) — пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине и т.д.

— Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.

— Большое значение имеют галогенопроизводные алканов , которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.

— В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.

examchemistry.com