Homologni niz alkanov ustreza splošni formuli. Alkani: struktura, nomenklatura, izomerija

Alkani so nasičeni ogljikovodiki. V svojih molekulah imajo atomi enojne vezi. Struktura je določena s formulo CnH2n+2. Razmislimo o alkanih: Kemijske lastnosti, vrste, uporaba.

V strukturi ogljika obstajajo štiri orbite, v katerih se vrtijo atomi. Orbitale imajo enako obliko in energijo.

Opomba! Koti med njima so 109 stopinj in 28 minut, usmerjeni so v oglišča tetraedra.

Enojna ogljikova vez omogoča, da se molekule alkana prosto vrtijo, kar ima za posledico strukture, ki različne oblike, ki tvorijo oglišča pri ogljikovih atomih.

Vse alkanske spojine delimo v dve glavni skupini:

1. Alifatski ogljikovodiki. Takšne strukture imajo linearno povezavo. Splošna formula izgleda takole: CnH2n+2. Vrednost n, ki je enaka ali večja od ena, označuje število ogljikovih atomov.
2. Cikloalkani s ciklično strukturo. Kemijske lastnosti cikličnih alkanov se bistveno razlikujejo od lastnosti linearnih spojin. Zaradi formule cikloalkanov so do neke mere podobni ogljikovodikom, ki imajo trojno atomsko vez, to je alkinom.

Vrste alkanov

Obstaja več vrst alkanskih spojin, od katerih ima vsaka svojo formulo, zgradbo, kemijske lastnosti in alkilni substituent. Tabela vsebuje homološko vrsto

Ime alkanov

Splošna formula nasičenih ogljikovodikov je CnH2n+2. S spreminjanjem vrednosti n dobimo spojino s preprosto medatomsko vezjo.

Koristen video: alkani - molekularna struktura, fizikalne lastnosti

Vrste alkanov, možnosti reakcije

IN naravne razmere Alkani so kemično inertne spojine. Ogljikovodiki ne reagirajo v stiku s koncentratom dušikove in žveplove kisline, alkalije in kalijevim permanganatom.

Enomolekularne vezi določajo reakcije, značilne za alkane. Za alkanske verige so značilne nepolarne in šibko polarizacijske vezi. Je nekoliko daljša od S-N.

Splošna formula alkanov

Nadomestna reakcija

Za parafinske snovi je značilna nepomembna kemična aktivnost. To je razloženo s povečano trdnostjo verižne povezave, ki je ni enostavno zlomiti. Za uničenje se uporablja homološki mehanizem, pri katerem sodelujejo prosti radikali.

Za alkane so substitucijske reakcije bolj naravne. Ne reagirajo na molekule vode in nabite ione. Med substitucijo se delci vodika nadomestijo s halogenom in drugimi aktivnimi elementi. Med takimi postopki so halogeniranje, nitriranje in sulfokloriranje. Takšne reakcije se uporabljajo za tvorbo alkanskih derivatov.

Nadomeščanje prostih radikalov poteka v treh glavnih fazah:

1. Pojav verige, na podlagi katere nastajajo prosti radikali. Kot katalizatorji se uporabljajo toplota in ultravijolična svetloba.
2. Razvoj verige, v strukturi katere prihaja do interakcij aktivnih in neaktivnih delcev. Tako nastanejo molekule in radikalni delci.
3. Na koncu se veriga zlomi. Aktivni elementi ustvarijo nove kombinacije ali pa popolnoma izginejo. Verižna reakcija se konča.

Halogeniranje

Postopek poteka po radikalnem tipu. Halogeniranje se pojavi pod vplivom ultravijoličnega sevanja in toplotnega segrevanja mešanice ogljikovodikov in halogenov.

Celoten postopek poteka po Markovnikovem pravilu. Njegovo bistvo je v tem, da je atom vodika, ki pripada hidrogeniranemu ogljiku, prvi podvržen halogeniranju. Proces se začne s terciarnim atomom in konča s primarnim ogljikom.

Sulfokloriranje

Drugo ime je Reedova reakcija. Izvaja se z metodo substitucije prostih radikalov. Tako alkani pod vplivom ultravijoličnega sevanja reagirajo na kombinacijo žveplovega dioksida in klora.

Reakcija se začne z aktivacijo verižnega mehanizma. V tem času se iz klora sprostita dva radikala. Delovanje enega je usmerjeno proti alkanu, kar povzroči nastanek molekule vodikovega klorida in alkilnega elementa. Drugi radikal se združi z žveplovim dioksidom in ustvari kompleksno kombinacijo. Da bi dosegli ravnovesje, se en atom klora odstrani iz druge molekule. Rezultat je alkan sulfonil klorid. Ta snov se uporablja za proizvodnjo površinsko aktivnih snovi.

Sulfokloriranje

Nitriranje

Postopek nitranja vključuje kombinacijo nasičenih ogljikovih atomov s plinastim štirivalentnim dušikovim oksidom in dušikovo kislino, dovedeno v 10-odstotno raztopino. Za reakcijo bo potrebno nizka stopnja tlak in visoka temperatura, približno 104 stopinje. Kot rezultat nitriranja dobimo nitroalkane.

Ločitev

Reakcije dehidrogeniranja potekajo z ločevanjem atomov. Molekularni delec metana pod vplivom temperature popolnoma razpade.

Dehidrogenacija

Če atom vodika ločimo od ogljikove mreže parafina (razen metana), nastanejo nenasičene spojine. Te reakcije se izvajajo v pogojih znatnih temperaturnih pogojev (400-600 stopinj). Uporabljajo se tudi različni kovinski katalizatorji.

Alkane pridobivamo s hidrogeniranjem nenasičenih ogljikovodikov.

Postopek razgradnje

Pod vplivom temperatur med alkanskimi reakcijami se lahko prekinejo molekularne vezi in sprostijo aktivni radikali. Ti procesi so znani kot piroliza in kreking.

Ko se reakcijska komponenta segreje na 500 stopinj, začnejo molekule razpadati in na njihovem mestu nastanejo kompleksne radikalne alkilne mešanice. Na ta način se proizvajajo alkani in alkeni v industriji.

Oksidacija

To so kemične reakcije, ki temeljijo na oddaji elektronov. Za parafine je značilna avtooksidacija. Postopek uporablja oksidacijo nasičenih ogljikovodikov s prostimi radikali. Alkanske spojine v tekočem stanju se pretvorijo v hidroperoksid. Najprej parafin reagira s kisikom. Nastajajo aktivni radikali. Nato alkilna vrsta reagira z drugo molekulo kisika. Nastane peroksidni radikal, ki nato interagira z molekulo alkana. Kot rezultat procesa se sprosti hidroperoksid.

Reakcija oksidacije alkanov

Uporaba alkanov

Ogljikove spojine imajo široka uporaba na skoraj vseh glavnih področjih človeškega življenja. Nekatere vrste spojin so nepogrešljive za določene industrije in udoben obstoj sodobnega človeka.

Plinasti alkani so osnova dragocenih goriv. Glavna sestavina večine plinov je metan.

Metan ima sposobnost ustvarjanja in sproščanja velikih količin toplote. Zato se v velikih količinah uporablja v industriji in za domačo porabo. Z mešanjem butana in propana dobimo dobro gospodinjsko gorivo.

Metan se uporablja pri proizvodnji naslednjih izdelkov:

• metanol;
• topila;
• freon;
• črnilo;
• gorivo;
• sintezni plin;
• acetilen;
• formaldehid;
• mravljinčna kislina;
• plastika.

Uporaba metana

Tekoči ogljikovodiki so namenjeni ustvarjanju goriva za motorje in rakete ter topil.

Višji ogljikovodiki, kjer število atomov ogljika presega 20, so vključeni v proizvodnjo maziv, barv in lakov, mil in detergentov.

Kombinacija maščobnih ogljikovodikov, ki vsebuje manj kot 15 atomov H, je vazelinsko olje. Ta je brez okusa bistra tekočina uporablja se v kozmetiki, pri ustvarjanju parfumov in v medicinske namene.

Vazelin je rezultat kombinacije trdnih in maščobnih alkanov z manj kot 25 atomi ogljika.Snov sodeluje pri izdelavi medicinskih mazil.

Parafin, pridobljen z združevanjem trdnih alkanov, je trdna masa brez okusa, bela in brez arome. Snov se uporablja za izdelavo sveč, impregnacijska snov za ovojni papir in vžigalice. Parafin je priljubljen tudi za termične postopke v kozmetologiji in medicini.

Opomba! Mešanice alkanov se uporabljajo tudi za izdelavo sintetičnih vlaken, plastike, detergentov in gume.

Halogenirane alkanske spojine služijo kot topila, hladilna sredstva in tudi kot glavna snov za nadaljnjo sintezo.

Koristen video: alkani - kemijske lastnosti

Zaključek

Alkani so aciklične ogljikovodične spojine z linearno ali razvejeno strukturo. Med atomi se vzpostavi enojna vez, ki je ni mogoče prekiniti. Reakcije alkanov, ki temeljijo na substituciji molekul, značilnih za to vrsto spojine. Homologni niz ima splošno strukturno formulo CnH2n+2. Ogljikovodiki spadajo v razred nasičenih, ker vsebujejo največ dovoljeno količino vodikovi atomi.

Ogrevanje natrijeva sol ocetna kislina(natrijev acetat) s presežkom alkalije vodi do eliminacije karboksilne skupine in tvorbe metana:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Če vzamete natrijev propionat namesto natrijevega acetata, potem nastane etan, iz natrijevega butanoata - propan itd.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtzova sinteza. Ko haloalkani medsebojno delujejo z alkalijskim natrijem, nastanejo nasičeni ogljikovodiki in alkalijski halid, na primer:

Delovanje alkalijske kovine na zmes haloogljikovodikov (npr. bromoetan in bromometan) povzroči nastanek zmesi alkanov (etan, propan in butan).

Reakcija, na kateri temelji Wurtzova sinteza, poteka dobro samo s haloalkani, v molekulah katerih je atom halogena vezan na primarni ogljikov atom.

6. Hidroliza karbidov. Ko nekatere karbide, ki vsebujejo ogljik v oksidacijskem stanju -4 (na primer aluminijev karbid), obdelamo z vodo, nastane metan:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fizikalne lastnosti

Prvi štirje predstavniki homologne vrste metana so plini. Najenostavnejši med njimi je metan - plin brez barve, okusa in vonja (vonj "plina", ki ga morate poklicati 04, določa vonj merkaptanov - spojin, ki vsebujejo žveplo, posebej dodanih metanu, ki se uporablja v gospodinjstvu in industrijske plinske naprave, da lahko ljudje v bližini zaznajo puščanje z vonjem).

Ogljikovodiki sestave od C5H12 do C15H32 so tekočine, težji ogljikovodiki so trdne snovi.

Vrelišče in tališče alkanov postopoma narašča z večanjem dolžine ogljikove verige. Vsi ogljikovodiki so slabo topni v vodi; tekoči ogljikovodiki so pogosta organska topila.

Kemijske lastnosti

1. Nadomestne reakcije. Najbolj značilne reakcije za alkane so reakcije substitucije prostih radikalov, med katerimi se vodikov atom zamenja z atomom halogena ali kakšno skupino.

Predstavimo enačbe najznačilnejših reakcij.

Halogeniranje:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

V primeru presežka halogena lahko gre kloriranje dlje, do popolne zamenjave vseh vodikovih atomov s klorom:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
diklorometan metilen klorid

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triklorometan kloroform

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
ogljikov tetraklorid ogljikov tetraklorid

Nastale snovi se pogosto uporabljajo kot topila in izhodne snovi v organskih sintezah.

2. Dehidrogenacija (izločanje vodika). Ko alkane prepeljemo čez katalizator (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) pri visokih temperaturah (400-600 °C), se molekula vodika odstrani in nastane alken:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reakcije, ki jih spremlja uničenje ogljikove verige. Vsi nasičeni ogljikovodiki zgorijo in tvorijo ogljikov dioksid in vodo. Plinasti ogljikovodiki, pomešani z zrakom v določenih razmerjih, lahko eksplodirajo. Zgorevanje nasičenih ogljikovodikov je eksotermna reakcija prostih radikalov, kar je zelo pomembno pri uporabi alkanov kot goriva.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

IN splošni pogled Reakcijo gorenja alkanov lahko zapišemo takole:

Reakcije termične razgradnje so osnova industrijskega procesa krekinga ogljikovodikov. Ta proces je najpomembnejša stopnja rafiniranje nafte.

Ko se metan segreje na temperaturo 1000 °C, se začne piroliza metana – razpad na preproste snovi. Pri segrevanju na temperaturo 1500 °C je možen nastanek acetilena.

4. Izomerizacija. Pri segrevanju linearnih ogljikovodikov z izomerizacijskim katalizatorjem (aluminijev klorid) nastanejo snovi z razvejanim ogljikovim skeletom:

5. Aroma. Alkani s šestimi ali več ogljikovimi atomi v verigi ciklizirajo v prisotnosti katalizatorja in tvorijo benzen in njegove derivate:

Kaj je razlog, da so alkani podvrženi reakcijam prostih radikalov? Vsi ogljikovi atomi v molekulah alkanov so v stanju sp 3 hibridizacije. Molekule teh snovi so zgrajene s pomočjo kovalentnih nepolarnih vezi C-C (ogljik-ogljik) in šibko polarnih vezi C-H (ogljik-vodik). Ne vsebujejo območij s povečano ali zmanjšano elektronsko gostoto ali zlahka polarizacijskih vezi, to je takšnih vezi, v katerih se elektronska gostota lahko premakne pod vplivom zunanjih vplivov (elektrostatična polja ionov). Posledično alkani ne bodo reagirali z nabitimi delci, saj se vezi v molekulah alkanov ne pretrgajo s heterolitskim mehanizmom.

Najbolj značilne reakcije alkanov so reakcije substitucije prostih radikalov. Med temi reakcijami se atom vodika nadomesti z atomom halogena ali kakšno skupino.

Kinetiko in mehanizem verižnih reakcij prostih radikalov, to je reakcij, ki se odvijajo pod vplivom prostih radikalov - delcev z neparnimi elektroni - je preučeval izjemen ruski kemik N. N. Semenov. Prav za te študije je prejel Nobelovo nagrado za kemijo.

Običajno je mehanizem reakcij substitucije prostih radikalov predstavljen s tremi glavnimi stopnjami:

1. Iniciacija (nukleacija verige, tvorba prostih radikalov pod vplivom vira energije - ultravijolična svetloba, segrevanje).

2. Razvoj verige (veriga zaporednih interakcij prostih radikalov in neaktivnih molekul, zaradi česar nastanejo novi radikali in nove molekule).

3. Prekinitev verige (kombinacija prostih radikalov v neaktivne molekule (rekombinacija), "smrt" radikalov, prenehanje razvoja verige reakcij).

Znanstvena raziskava N.N. Semenov

Semenov Nikolaj Nikolajevič

(1896 - 1986)

Sovjetski fizik in fizikalni kemik, akademik. Nobelov nagrajenec (1956). Znanstvena raziskava nanašajo na nauk o kemični procesi, kataliza, verižne reakcije, teorija toplotne eksplozije in zgorevanja plinskih mešanic.

Razmislimo o tem mehanizmu na primeru reakcije kloriranja metana:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Začetek verige nastane kot posledica dejstva, da je pod vplivom ultravijolično obsevanje ali pri segrevanju pride do homolitične cepitve vezi Cl-Cl in molekula klora razpade na atome:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Nastali prosti radikali napadejo molekule metana in jim odtrgajo vodikov atom:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

in preoblikovanje v radikale CH3·, ki pa ob trčenju z molekulami klora le-te uničijo s tvorbo novih radikalov:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl itd.

Veriga se razvija.

Skupaj s tvorbo radikalov pride do njihove "smrti" kot posledica procesa rekombinacije - tvorbe neaktivne molekule iz dveh radikalov:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Zanimiv je podatek, da se pri rekombinaciji sprosti le toliko energije, kolikor je potrebno za prekinitev novonastale vezi. Pri tem je rekombinacija možna le, če pri trku dveh radikalov sodeluje tretji delec (druga molekula, stena reakcijske posode), ki absorbira odvečno energijo. To omogoča uravnavanje in celo zaustavitev verižnih reakcij prostih radikalov.

Upoštevajte zadnji primer reakcije rekombinacije - nastanek molekule etana. Ta primer kaže, da je reakcija z organskimi spojinami precej zapleten proces, zaradi katerega se poleg glavnega produkta reakcije zelo pogosto tvorijo stranski produkti, kar vodi v potrebo po razvoju zapletenih in dragih metod čiščenja. in izolacijo ciljnih snovi.

Reakcijska zmes, pridobljena s kloriranjem metana, bo poleg klorometana (CH3Cl) in vodikovega klorida vsebovala: diklorometan (CH2Cl2), triklorometan (CHCl3), ogljikov tetraklorid (CCl4), etan in njegove produkte kloriranja.

Zdaj pa poskusimo razmisliti o reakciji halogeniranja (na primer bromiranja) bolj zapletene organske spojine - propana.

Če je v primeru kloriranja metana možen samo en monokloro derivat, potem lahko v tej reakciji nastaneta dva monobromo derivata:

Vidimo, da se v prvem primeru atom vodika zamenja pri primarnem atomu ogljika, v drugem primeru pa pri sekundarnem. Ali sta hitrosti teh reakcij enaki? Izkazalo se je, da v končni mešanici prevladuje produkt substitucije vodikovega atoma, ki se nahaja pri sekundarnem ogljiku, to je 2-bromopropan (CH3-CHBg-CH3). Poskusimo to razložiti.

Da bi to naredili, bomo morali uporabiti idejo o stabilnosti vmesnih delcev. Ali ste opazili, da smo pri opisu mehanizma reakcije kloriranja metana omenili metilni radikal - CH3·? Ta radikal je vmesni delec med metanom CH4 in klorometanom CH3Cl. Vmesni delec med propanom in 1-bromopropanom je radikal z nesparjenim elektronom na primarnem ogljiku in med propanom in 2-bromopropanom na sekundarnem ogljiku.

Radikal z nesparjenim elektronom na sekundarnem atomu ogljika (b) je bolj stabilen v primerjavi s prostim radikalom z nesparjenim elektronom na primarnem atomu ogljika (a). Nastaja v večjih količinah. Iz tega razloga je glavni produkt reakcije bromiranja propana 2-bromopropan, spojina, katere tvorba poteka prek stabilnejše vmesne vrste.

Tukaj je nekaj primerov reakcij prostih radikalov:

Reakcija nitracije (Konovalova reakcija)

Reakcija se uporablja za pridobivanje nitro spojin - topil, izhodnih snovi za številne sinteze.

Katalitska oksidacija alkanov s kisikom

Te reakcije so osnova najpomembnejših industrijskih procesov za proizvodnjo aldehidov, ketonov in alkoholov neposredno iz nasičenih ogljikovodikov, na primer:

CH4 + [O] -> CH3OH

Aplikacija

Nasičeni ogljikovodiki, zlasti metan, se pogosto uporabljajo v industriji (shema 2). So preprosto in dokaj poceni gorivo, surovine za pridobivanje velika količina najpomembnejše povezave.

Spojine, pridobljene iz metana, najcenejše ogljikovodikove surovine, se uporabljajo za proizvodnjo številnih drugih snovi in ​​materialov. Metan se uporablja kot vir vodika pri sintezi amoniaka, pa tudi za proizvodnjo sinteznega plina (mešanica CO in H2), ki se uporablja za industrijsko sintezo ogljikovodikov, alkoholov, aldehidov in drugih organskih spojin.

Ogljikovodiki oljnih frakcij z višjim vreliščem se uporabljajo kot gorivo za dizelske in turboreaktivne motorje, kot osnova mazalnih olj, kot surovine za proizvodnjo sintetičnih maščob itd.

Tu je več industrijsko pomembnih reakcij, ki se odvijajo s sodelovanjem metana. Metan se uporablja za proizvodnjo kloroforma, nitrometana in derivatov, ki vsebujejo kisik. Alkoholi, aldehidi, karboksilne kisline lahko nastanejo z neposredno interakcijo alkanov s kisikom, odvisno od reakcijskih pogojev (katalizator, temperatura, tlak):

Kot že veste, so ogljikovodiki sestave od C5H12 do C11H24 vključeni v bencinsko frakcijo nafte in se uporabljajo predvsem kot gorivo za motorje z notranjim zgorevanjem. Znano je, da so najbolj dragocene sestavine bencina izomerni ogljikovodiki, saj imajo največjo detonacijsko odpornost.

Ko pridejo ogljikovodiki v stik z atmosferskim kisikom, z njim počasi tvorijo spojine – perokside. To je počasi potekajoča reakcija prostih radikalov, ki jo sproži molekula kisika:

Upoštevajte, da se hidroperoksidna skupina oblikuje pri sekundarnih ogljikovih atomih, ki jih je največ v linearnih ali normalnih ogljikovodikih.

pri močno povečanje tlak in temperatura, ki se pojavita na koncu kompresijskega giba, se razgradnja teh peroksidnih spojin začne s tvorbo veliko število prosti radikali, ki "izstrelijo" prosti radikal verižna reakcija zgorevanje prej, kot je potrebno. Bat gre še vedno navzgor, produkti zgorevanja bencina, ki so že nastali zaradi prezgodnjega vžiga mešanice, pa ga potisnejo navzdol. To vodi do močnega zmanjšanja moči in obrabe motorja.

Tako je glavni vzrok detonacije prisotnost peroksidnih spojin, katerih sposobnost tvorbe je največja pri linearnih ogljikovodikih.

C-heptan ima najnižjo detonacijsko odpornost med ogljikovodiki bencinske frakcije (C5H14 - C11H24). Najbolj stabilen (tj. v najmanjši meri tvori perokside) je tako imenovani izooktan (2,2,4-trimetilpentan).

Splošno sprejeta značilnost odpornosti proti udarcem bencina je oktansko število. Oktansko število 92 (na primer bencin A-92) pomeni, da ima ta bencin enake lastnosti kot mešanica, sestavljena iz 92 % izooktana in 8 % heptana.

Za zaključek lahko dodamo, da uporaba visokooktanskega bencina omogoča povečanje kompresijskega razmerja (tlak na koncu kompresijskega takta), kar vodi do povečane moči in Učinkovitost motorja notranje zgorevanje.

Biti v naravi in ​​prejemati

V današnji lekciji ste se seznanili s konceptom alkanov in se tudi naučili o njih kemična sestava in metode pridobivanja. Zato se zdaj podrobneje posvetimo temi prisotnosti alkanov v naravi in ​​ugotovimo, kako in kje so alkani našli uporabo.

Glavna vira za proizvodnjo alkanov sta zemeljski plin in nafta. Sestavljajo večino produktov rafiniranja nafte. Tudi metan, razširjen v usedlinah sedimentnih kamnin plinski hidrat alkani.

Glavna sestavina zemeljskega plina je metan, vsebuje pa tudi majhen delež etana, propana in butana. Metan je mogoče najti v emisijah iz premogovnih slojev, močvirij in povezanih naftnih plinov.

Ankane lahko pridobivamo tudi s koksanjem premoga. V naravi obstajajo tudi tako imenovani trdni alkani - ozokeriti, ki so predstavljeni v obliki usedlin. gorski vosek. Ozokerit najdemo v voskastih oblogah rastlin ali njihovih semen, pa tudi v čebeljem vosku.

Industrijsko izolacijo alkanov črpamo iz naravnih virov, ki pa so na srečo še neizčrpni. Pridobivajo se s katalitičnim hidrogeniranjem ogljikovih oksidov. Metan lahko proizvedemo tudi v laboratoriju z metodo segrevanja natrijevega acetata s trdnimi alkalijami ali hidrolizo nekaterih karbidov. Alkane pa lahko dobimo tudi z dekarboksilacijo karboksilnih kislin in z njihovo elektrolizo.

Uporaba alkanov

Alkani na ravni gospodinjstva se pogosto uporabljajo na številnih področjih človeške dejavnosti. Navsezadnje si je zelo težko predstavljati naše življenje brez zemeljskega plina. In nikomur ne bo skrivnost, da je osnova zemeljskega plina metan, iz katerega nastajajo saje, ki se uporabljajo pri proizvodnji topografskih barv in pnevmatik. Hladilnik, ki ga ima vsak doma, deluje tudi zaradi alkanskih spojin, ki se uporabljajo kot hladilna sredstva. Acetilen, pridobljen iz metana, se uporablja za varjenje in rezanje kovin.

Zdaj že veste, da se alkani uporabljajo kot gorivo. Prisotni so v bencinu, kerozinu, dizelskem olju in kurilnem olju. Poleg tega jih najdemo tudi v mazalnih oljih, vazelinu in parafinu.

Cikloheksan je našel široko uporabo kot topilo in za sintezo različnih polimerov. Ciklopropan se uporablja pri anesteziji. Skvalan je kot visokokakovostno mazalno olje sestavni del številnih farmacevtskih in kozmetičnih pripravkov. Alkani so surovine, ki se uporabljajo za njihovo pridobivanje organske spojine, kot so alkohol, aldehidi in kisline.

Parafin je mešanica višjih alkanov in ker ni strupen, se pogosto uporablja v Prehrambena industrija. Uporablja se za impregnacijo embalaže mlečnih izdelkov, sokov, kosmičev itd., pa tudi v proizvodnji. žvečilni gumi. In segret parafin se uporablja v medicini za zdravljenje s parafinom.

Poleg naštetega so glave vžigalic impregnirane s parafinom za boljše gorenje, iz njega izdelujejo svinčnike in sveče.

Z oksidacijo parafina se pridobivajo predvsem produkti, ki vsebujejo kisik organske kisline. Pri mešanju tekočih ogljikovodikov z določeno število Vazelin se pridobiva iz atomov ogljika, ki se pogosto uporablja v parfumeriji in kozmetologiji, pa tudi v medicini. Uporablja se za kuhanje različna mazila, kreme in geli. Uporabljajo se tudi za termične postopke v medicini.

Praktične naloge

1. Zapišite splošno formulo ogljikovodikov homologne serije alkanov.

2. Napišite formule možnih izomerov heksana in jih poimenujte po sistematični nomenklaturi.

3. Kaj je pokanje? Katere vrste krekinga poznate?

4. Napišite formule možnih produktov krekinga heksana.

5. Dešifrirajte naslednjo verigo transformacij. Poimenujte spojine A, B in C.

6. Navedite strukturno formulo ogljikovodika C5H12, ki pri bromiranju tvori samo en monobromski derivat.

7. Za popolno izgorevanje 0,1 mola alkana neznane zgradbe smo porabili 11,2 litra kisika (pri sobnih pogojih). Kakšna je strukturna formula alkana?

8. Kakšna je strukturna formula plinastega nasičenega ogljikovodika, če zavzema 11 g tega plina prostornino 5,6 litra (pri standardnih pogojih)?

9. Spomnite se, kaj veste o uporabi metana, in razložite, zakaj je uhajanje plina v hiši mogoče zaznati po vonju, čeprav so njegove sestavine brez vonja.

10*. Katere spojine lahko dobimo s katalitsko oksidacijo metana različni pogoji? Napišite enačbe za ustrezne reakcije.

enajst*. Produkti popolnega zgorevanja (v presežku kisika) Skozi presežek apnene vode smo spustili 10,08 litra (N.S.) mešanice etana in propana. V tem primeru je nastalo 120 g usedline. Določite volumetrično sestavo začetne mešanice.

12*. Gostota etana zmesi dveh alkanov je 1,808. Pri bromiranju te mešanice sta bila izolirana le dva para izomernih monobromoalkanov. Skupna masa lažjih izomerov v produktih reakcije je enaka skupni masi težjih izomerov. Določite prostorninski delež težjega alkana v začetni mešanici.

Zgradba alkanov

Kemična zgradba (vrstni red povezovanja atomov v molekulah) najpreprostejših alkanov - metana, etana in propana - je prikazana z njihovimi strukturnimi formulami, podanimi v razdelku 2. Iz teh formul je razvidno, da obstajata dve vrsti kemičnih vezi v alkani:

S–J in S–N.

C-C vez je kovalentna nepolarna. C–H vez je kovalentna, šibko polarna, ker ogljik in vodik sta si blizu elektronegativnosti (2,5 za ogljik in 2,1 za vodik). Nastanek kovalentnih vezi v alkanih zaradi skupnih elektronskih parov ogljikovih in vodikovih atomov je mogoče prikazati z elektronskimi formulami:

Elektronske in strukturne formule odražajo kemijsko strukturo, vendar ne dajejo predstave o prostorski strukturi molekul, kar bistveno vpliva na lastnosti snovi.

Prostorska struktura, tj. relativna razporeditev atomov molekule v prostoru je odvisna od smeri atomskih orbital (AO) teh atomov. Pri ogljikovodikih igra glavno vlogo prostorska orientacija atomskih orbital ogljika, saj sferični 1s-AO vodikovega atoma nima specifične orientacije.

Prostorska razporeditev ogljikovega AO pa je odvisna od vrste njegove hibridizacije (I. del, oddelek 4.3). Nasičen ogljikov atom v alkanih je vezan na štiri druge atome. Zato njegovo stanje ustreza hibridizaciji sp3 (I. del, oddelek 4.3.1). V tem primeru vsak od štirih sp3-hibridnih ogljikovih AO sodeluje pri aksialnem (σ-) prekrivanju s s-AO vodika ali s sp3-AO drugega ogljikovega atoma, pri čemer tvori vezi σ-CH ali C-C.

Štiri σ-vezi ogljika so usmerjene v prostoru pod kotom 109°28", kar ustreza najmanjšemu odbijanju elektronov. Zato ima molekula najpreprostejšega predstavnika alkanov - metana CH4 - obliko tetraedra, v središču katerega je atom ogljika, na ogliščih pa atomi vodika:

Vezni kot N-C-H je enako 109о28". Prostorsko strukturo metana je mogoče prikazati z uporabo volumetričnih (lestvica) in modelov krogle in palice.

Za snemanje je priročno uporabiti prostorsko (stereokemično) formulo.

V molekuli naslednjega homologa, etana C2H6, dva tetraedrična sp3 ogljikova atoma tvorita bolj zapleteno prostorsko strukturo:

Za molekule alkanov, ki vsebujejo več kot 2 atoma ogljika, so značilne ukrivljene oblike, kar lahko pokažemo na primeru n-butana (model VRML) ali n-pentana:

Izomerija alkanov

Izomerija je pojav obstoja spojin, ki imajo enako sestavo (enako molekulsko formulo), vendar različne strukture. Takšne povezave imenujemo izomeri.

Razlike v vrstnem redu, v katerem so atomi združeni v molekule (tj. kemična struktura), vodijo do strukturna izomerija. Struktura strukturnih izomerov se odraža v strukturnih formulah. V nizu alkanov se strukturna izomerija kaže, ko veriga vsebuje 4 ali več ogljikovih atomov, tj. začenši z butanom C 4 H 10. Če so v molekulah enake sestave in enake kemijske strukture možni različni relativni položaji atomov v prostoru, potem opazimo prostorska izomerija (stereoizomerija). V tem primeru uporaba strukturnih formul ni dovolj in je treba uporabiti molekularne modele ali posebne formule - stereokemične (prostorske) ali projekcijske.

Alkani, začenši z etanom H 3 C–CH 3, obstajajo v različnih prostorskih oblikah ( konformacije), ki jih povzroča intramolekularna rotacija vzdolž C–C σ vezi, in kažejo t.i. rotacijska (konformacijska) izomerija.

Poleg tega, če molekula vsebuje atom ogljika, vezan na 4 različne substituente, je možna druga vrsta prostorske izomerije, ko sta dva stereoizomera povezana drug z drugim kot predmet in njegova zrcalna slika (podobno kot leva roka se nanaša na desno). Takšne razlike v strukturi molekul imenujemo optična izomerija.

. Strukturna izomerija alkanov

Strukturni izomeri so spojine enake sestave, ki se razlikujejo po vrstnem redu vezave atomov, tj. kemijska struktura molekule.

Razlog za pojav strukturne izomerije v seriji alkanov je sposobnost ogljikovih atomov, da tvorijo verige različnih struktur.Ta vrsta strukturne izomerije se imenuje izomerija ogljikovega skeleta.

Na primer, alkan s sestavo C 4 H 10 lahko obstaja v obliki dva strukturni izomeri:

in alkan C 5 H 12 - v obliki tri strukturni izomeri, ki se razlikujejo po strukturi ogljikove verige:

Z večanjem števila ogljikovih atomov v molekulah se povečujejo možnosti za razvejanje verige, t.j. število izomerov narašča s številom ogljikovih atomov.

Strukturni izomeri se razlikujejo po fizikalnih lastnostih. Alkani z razvejano strukturo zaradi manj gostega pakiranja molekul in s tem manjših medmolekulskih interakcij vrejo pri nižji temperaturi kot njihovi nerazvejeni izomeri.

Tehnike za konstruiranje strukturnih formul izomerov

Poglejmo primer alkana Z 6 n 14 .

1. Najprej prikažemo molekulo linearnega izomera (njen ogljikov skelet)

2. Nato verigo skrajšamo za 1 atom ogljika in ta atom pritrdimo na katerikoli atom ogljika v verigi kot vejo od njega, razen skrajnih položajev:

Če ogljikov atom pritrdite na enega od skrajnih položajev, se kemijska struktura verige ne spremeni:

Poleg tega morate zagotoviti, da ni ponovitev. Tako je struktura enaka strukturi (2).

3. Ko so izčrpane vse lege glavne verige, verigo skrajšamo še za 1 ogljikov atom:

Zdaj bosta v stranskih vejah 2 atoma ogljika. Tu so možne naslednje kombinacije atomov:

Stranski substituent je lahko sestavljen iz 2 ali več zaporedno povezanih ogljikovih atomov, vendar pri heksanu ni izomerov s takšnimi stranskimi vejami in je struktura enaka strukturi (3).

Stranski substituent - C-C je lahko umeščen samo v verigo, ki vsebuje najmanj 5 atomov ogljika in je lahko vezan samo na 3. in nadaljnje atome od konca verige.

4. Po izdelavi ogljikovega skeleta izomera je treba vse ogljikove atome v molekuli dopolniti z vodikovimi vezmi, saj je ogljik štirivalenten.

Torej, sestava Z 6 n 14 ustreza 5 izomerom: 1) 2) 3)4)5)

Nomenklatura

Nomenklatura organskih spojin je sistem pravil, ki nam omogoča nedvoumno poimenovanje vsake posamezne snovi.

To je jezik kemije, ki se uporablja za posredovanje informacij o njihovi strukturi v imenih spojin. Spojina določene strukture ustreza enemu sistematičnemu imenu in s tem imenom si lahko predstavljamo zgradbo spojine (njeno strukturno formulo).

Trenutno je sistematična nomenklatura IUPAC splošno sprejeta. Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo– Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo).

Poleg sistematičnih imen se uporabljajo tudi trivialna (navadna) imena, ki so povezana z značilno lastnostjo snovi, načinom njene priprave, naravnim izvorom, področjem uporabe ipd., vendar ne odražajo njene strukture.

Za uporabo nomenklature IUPAC morate poznati imena in strukturo določenih fragmentov molekul - organskih radikalov.

Izraz "organski radikal" je strukturni koncept in ga ne smemo zamenjevati z izrazom "prosti radikal", ki označuje atom ali skupino atomov z nesparjenim elektronom.

Radikali v vrsti alkanov

Če od molekule alkana »odštejemo« en vodikov atom, nastane monovalenten »ostanek« – ogljikovodikov radikal ( R – ). Splošno ime za monovalentne alkanske radikale je alkili – nastala z zamenjavo pripone - en na - mulj : metan – metil, etan – etil, propan – ga pil na pijačo itd.

Enovalentni radikali so izraženi s splošno formulo Z n n 2n+1 .

Dvovalentni radikal dobimo z odstranitvijo 2 vodikovih atomov iz molekule. Na primer, iz metana lahko tvorite dvovalentni radikal –CH 2 – metilen. Imena takšnih radikalov uporabljajo pripono - Ilen.

Imena radikalov, zlasti monovalentnih, se uporabljajo pri tvorbi imen razvejanih alkanov in drugih spojin. Takšne radikale lahko obravnavamo kot komponente molekul, njihove strukturne podrobnosti. Da bi dali ime spojini, si je treba predstavljati, iz katerih "delov" - radikalov - je sestavljena njena molekula.

Metan CH 4 ustreza enemu monovalentnemu radikalu metil CH 3 .

Iz etana Z 2 n 6 možno je proizvesti tudi samo en radikal - etil  CH 2  CH 3 (ali - C 2 H 5 ).

propan CH 3 –CH 2 –CH 3 ustrezata dvema izomernima radikaloma  Z 3 n 7 :

Radikale delimo na primarni, sekundarni in terciarno odvisno od kakšen atom ogljika(primarna, sekundarna ali terciarna) je prosta valenca. Na tej podlagi n-propil spada med primarne radikale in izopropil– na sekundarne.

Dva alkana C 4 H 10 ( n-butan in izobutan) ustreza 4 monovalentnim radikalom -Z 4 n 9 :

Od n-butan se proizvaja n-butil(primarni radikal) in sek-butil(sekundarni radikal), - iz izobutana – izobutil(primarni radikal) in terc.butil(terciarni radikal).

Tako je pojav izomerizma opazen tudi v nizu radikalov, vendar je število izomerov večje kot pri ustreznih alkanih.

Gradnja molekul alkanov iz radikalov

Na primer, molekula

lahko "sestavimo" na tri načine iz različnih parov monovalentnih radikalov:

Ta pristop se uporablja pri nekaterih sintezah organskih spojin, na primer:

Kje R– monovalentni ogljikovodikov radikal (Wurtzova reakcija).

Pravila za sestavo imen alkanov po mednarodni sistematični nomenklaturi IUPAC

Za najpreprostejše alkane (C 1 -C 4) so ​​sprejeta trivialna imena: metan, etan, propan, butan, izobutan.

Začenši s petim homologom, imena normalno(nerazvejani) alkani so zgrajeni glede na število ogljikovih atomov z uporabo grških številk in pripone -an: pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan in Nadalje...

V središču imena razvejan alkan je ime normalnega alkana, vključenega v njegovo strukturo z najdaljšo ogljikovo verigo. V tem primeru se ogljikovodik z razvejano verigo obravnava kot produkt zamenjave vodikovih atomov v normalnem alkanu z ogljikovodikovimi radikali.

Na primer, alkan

štejejo za nadomeščene pentan, v katerem sta dva vodikova atoma nadomeščena z radikali –CH 3 (metil).

Vrstni red, v katerem je zgrajeno ime razvejenega alkana

Izberite glavno ogljikovo verigo v molekuli. Prvič, mora biti najdaljši. Drugič, če obstajata dve ali več verig enake dolžine, se izbere najbolj razvejana. Na primer, v molekuli sta 2 verigi z enakim številom (7) C atomov (označeno z barvo):

V primeru (a) ima veriga 1 substituent, v (b) pa 2. Zato morate izbrati možnost (b).

Oštevilčite atome ogljika v glavni verigi, tako da bodo atomi C, povezani s substituenti, prejeli najnižje možne številke. Zato se številčenje začne od konca verige, ki je najbližje veji. Na primer:

Poimenujte vse radikale (substituente) in pred njimi označite številke, ki označujejo njihovo lokacijo v glavni verigi. Če obstaja več enakih substituentov, se za vsakega od njih napiše številka (lokacija) ločena z vejico, njihovo število pa je označeno s predponami. di-, tri-, tetra-, penta- itd. (Na primer, 2,2-dimetil oz 2,3,3,5-tetrametil).

Postavite imena vseh substituentov po abecednem vrstnem redu (kot določajo zadnja pravila IUPAC).

Poimenujte glavno verigo ogljikovih atomov, tj. ustreznega normalnega alkana.

Tako v imenu razvejanega alkana

koren+pripona – ime normalnega alkana (grški številka + pripona "an"), predpone – številke in imena ogljikovodikovih radikalov.

Primer konstrukcije naslova:

Kemijske lastnosti alkanov

Kemijske lastnosti katere koli spojine so določene z njeno strukturo, tj. naravo atomov, vključenih v njegovo sestavo, in naravo vezi med njimi.

Na podlagi tega položaja in referenčnih podatkov o C–C in C–H vezeh poskusimo predvideti, katere reakcije so značilne za alkane.

Prvič, ekstremna nasičenost alkanov ne dovoljuje adicijskih reakcij, vendar ne preprečuje razgradnje, izomerizacije in substitucijskih reakcij (glej. I. del, razdelek 6.4 "Vrste reakcij" ). Drugič, simetrija nepolarnih C-C in šibko polarnih C-H kovalentnih vezi (glej tabelo za vrednosti dipolnih momentov) kaže na njihovo homolitično (simetrično) cepitev v proste radikale ( Del I, oddelek 6.4.3 ). Zato je za reakcije alkanov značilno radikalni mehanizem. Od heterolitskega cepitve C–C in C–H vezi v normalne razmere ne pride, potem alkani praktično ne vstopajo v ionske reakcije. To se kaže v njihovi odpornosti na delovanje polarnih reagentov (kisline, alkalije, ionski oksidanti: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 itd.). Ta inertnost alkanov v ionskih reakcijah je prej služila kot osnova, da so jih obravnavali kot neaktivne snovi in ​​jih imenovali parafini. Video izkušnja"Odnos metana do raztopine kalijevega permanganata in bromove vode." Torej, alkani kažejo svojo reaktivnost predvsem v radikalskih reakcijah.

Pogoji za takšne reakcije: povišana temperatura (pogosto reakcija poteka v plinski fazi), izpostavljenost svetlobi ali radioaktivnemu sevanju, prisotnost spojin, ki so viri prostih radikalov (iniciatorji), nepolarna topila.

Glede na to, katera vez v molekuli se prva pretrga, delimo alkanske reakcije na naslednje vrste. Ko se vezi C–C prekinejo, pride do reakcij razgradnja(krekiranje alkanov) in izomerizacija ogljikov skelet. Reakcije so možne na C–H vezeh zamenjava vodikov atom oz odcepitev(dehidrogenacija alkanov). Poleg tega so atomi ogljika v alkanih v najbolj reducirani obliki (oksidacijsko stanje ogljika, na primer, v metanu je –4, v etanu –3 itd.) in v prisotnosti oksidantov bodo reakcije potekale pod določene pogoje oksidacijo alkani, ki vključujejo vezi C–C in C–H.

Krekiranje alkanov

Krekiranje je proces toplotne razgradnje ogljikovodikov, ki temelji na reakcijah cepitve ogljikove verige velikih molekul s tvorbo spojin s krajšo verigo.

Krekiranje alkanov je osnova rafiniranja nafte z namenom pridobivanja produktov z nižjo molekulsko maso, ki se uporabljajo kot motorna goriva, mazalna olja itd., pa tudi surovine za kemično in petrokemično industrijo. Obstajata dva načina za izvedbo tega postopka: termično razpokanje(pri segrevanju brez dostopa zraka) in katalitsko krekiranje(zmernejše segrevanje ob prisotnosti katalizatorja).

Toplotno razpokanje. Pri temperaturi 450–700 o C alkani zaradi cepitve C–C vezi razpadejo (pri tej temperaturi se ohranijo močnejše vezi C–H) in nastanejo alkani in alkeni z manjšim številom ogljikovih atomov.

Na primer:

C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8

Razgradnja vezi poteka homolitično s tvorbo prostih radikalov:

Prosti radikali so zelo aktivni. Eden od njih (na primer etil) abstrahira atomski vodik n od drugega ( n-butil) in se spremeni v alkan (etan). Drugi radikal, ki postane dvovalenten, se spremeni v alken (buten-1) zaradi tvorbe π-vezi, ko se dva elektrona seznanita iz sosednjih atomov:

Animacija(delo Alekseja Litviška, učenca 9. razreda šole št. 124 v Samari)

Cepitev vezi C–C je možna na kateremkoli naključnem mestu v molekuli. Zato nastane mešanica alkanov in alkenov z manjšo molekulsko maso od prvotnega alkana.

Na splošno lahko ta proces izrazimo z naslednjim diagramom:

C n H 2n+2 C m H 2m +C str H 2p+2 , Kje m + p = n

Pri višjih temperaturah (nad 1000C) ne pretrgajo le vezi C–C, temveč tudi močnejše vezi C–H. Na primer, termični kreking metana se uporablja za proizvodnjo saj (čisti ogljik) in vodika:

CH 4 C+2H 2

Termično razpokanje je odkril ruski inženir V.G. Šuhov leta 1891

Katalitično krekiranje izvedemo v prisotnosti katalizatorjev (običajno aluminijevih in silicijevih oksidov) pri temperaturi 500 °C in zračni tlak. V tem primeru skupaj z razpadom molekul pride do reakcij izomerizacije in dehidrogenacije. primer: oktansko krekiranje(delo Alekseja Litviška, učenca 9. razreda šole št. 124 v Samari). Pri dehidrogenaciji alkanov nastanejo ciklični ogljikovodiki (reakcija dehidrociklizacija, razdelek 2.5.3). Prisotnost razvejanih in cikličnih ogljikovodikov v bencinu poveča njegovo kakovost (odpornost proti udarcem, izražena z oktanskim številom). Pri krekingu nastane velika količina plinov, ki vsebujejo predvsem nasičene in nenasičene ogljikovodike. Ti plini se uporabljajo kot surovine za kemično industrijo. Opravljena so bila temeljna dela o katalitskem krekingu v prisotnosti aluminijevega klorida N.D. Zelinsky.

Izomerizacija alkanov

Alkani normalne zgradbe se pod vplivom katalizatorjev in pri segrevanju lahko spremenijo v razvejane alkane, ne da bi spremenili sestavo molekul, tj. vstopijo v reakcije izomerizacije. Te reakcije vključujejo alkane, katerih molekule vsebujejo vsaj 4 ogljikove atome.

Na primer, izomerizacija n-pentana v izopentan (2-metilbutan) poteka pri 100 °C v prisotnosti katalizatorja iz aluminijevega klorida:

Izhodni material in produkt reakcije izomerizacije imata enaki molekulski formuli in sta strukturna izomera (izomerija ogljikovega skeleta).

Dehidrogenacija alkanov

Pri segrevanju alkanov v prisotnosti katalizatorjev (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO) se njihova katalitska dehidrogenacija– odvzem vodikovih atomov zaradi pretrganja C-H vezi.

Struktura produktov dehidrogeniranja je odvisna od reakcijskih pogojev in dolžine glavne verige v izhodni molekuli alkana.

1. Nižji alkani, ki vsebujejo od 2 do 4 ogljikove atome v verigi, pri segrevanju nad Ni katalizatorjem odstranijo vodik iz sosednji ogljikove atome in se spremenijo v alkeni:

Skupaj z buten-2 ta reakcija povzroči buten-1 CH2=CH-CH2-CH3. V prisotnosti katalizatorja Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 pri 450–650 °C od n-dobi se tudi butan butadien-1,3 CH 2 =CH-CH=CH 2.

2. Za pridobivanje se uporabljajo alkani, ki vsebujejo več kot 4 ogljikove atome v glavni verigi ciklično povezave. To se zgodi dehidrociklizacija– reakcija dehidrogeniranja, ki vodi do sklenitve verige v stabilen cikel.

Če glavna veriga molekule alkana vsebuje 5 (vendar ne več) ogljikovih atomov ( n-pentan in njegovi alkilni derivati), nato pa se pri segrevanju nad Pt katalizatorjem vodikovi atomi odcepijo od končnih atomov ogljikove verige in nastane petčlenski cikel (ciklopentan ali njegovi derivati):

Alkani z glavno verigo 6 ali več ogljikovih atomov so tudi podvrženi dehidrociklizaciji, vendar vedno tvorijo 6-členski obroč (cikloheksan in njegovi derivati). V reakcijskih pogojih je ta cikel podvržen nadaljnji dehidrogenaciji in se spremeni v energijsko stabilnejši benzenski obroč aromatskega ogljikovodika (arena). Na primer:

Te reakcije so osnova procesa reformiranje– predelava naftnih derivatov za pridobivanje arenov ( aromatizacija nasičeni ogljikovodiki) in vodik. Preoblikovanje n- alkanov v areni vodi do izboljšanja detonacijske odpornosti bencina.

3. Pri 1500 С nastopi intermolekularna dehidrogenacija metan po shemi:

Ta reakcija ( metanska piroliza ) se uporablja za industrijsko proizvodnjo acetilena.

Reakcije oksidacije alkanov

V organski kemiji se reakcije oksidacije in redukcije obravnavajo kot reakcije, ki vključujejo izgubo in pridobivanje vodikovih in kisikovih atomov z organsko spojino. Te procese seveda spremlja sprememba oksidacijskih stanj atomov ( Del I, oddelek 6.4.1.6 ).

Oksidacija organske snovi je vnos kisika v njeno sestavo in (ali) izločanje vodika. Redukcija je obraten proces (vnos vodika in izločanje kisika). Glede na sestavo alkanov (C n H 2n + 2) lahko sklepamo, da niso sposobni sodelovati pri redukcijskih reakcijah, lahko pa sodelujejo pri oksidacijskih reakcijah.

Alkani so spojine z nizkimi stopnjami oksidacije ogljika in glede na reakcijske pogoje se lahko oksidirajo v različne spojine.

Pri običajnih temperaturah alkani ne reagirajo niti z močnimi oksidanti (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4 itd.). Pri vnosu v odprt ogenj alkani gorijo. V tem primeru se v presežku kisika popolnoma oksidirajo v CO 2, kjer ima ogljik najvišjo oksidacijsko stopnjo +4, in vodo. Zgorevanje ogljikovodikov vodi do zloma vseh C-C povezave in C-H in ga spremlja sproščanje velike količine toplote (eksotermna reakcija).

Nižji (plinasti) homologi - metan, etan, propan, butan - so lahko vnetljivi in ​​tvorijo eksplozivne mešanice z zrakom, kar je treba upoštevati pri njihovi uporabi. Z večanjem molekulske mase je alkane težje vžgati. Video izkušnja"Eksplozija mešanice metana in kisika." Video izkušnja"Zgorevanje tekočih alkanov". Video izkušnja"Goreči parafin."

Proces zgorevanja ogljikovodikov se pogosto uporablja za proizvodnjo energije (v motorjih z notranjim zgorevanjem, termoelektrarnah itd.).

Enačba za reakcijo gorenja alkanov v splošni obliki:

Iz te enačbe sledi, da s povečanjem števila ogljikovih atomov ( n) v alkanu se poveča količina kisika, ki je potrebna za njegovo popolno oksidacijo. Pri gorenju višjih alkanov ( n>>1) kisik v zraku morda ne bo dovolj za njihovo popolno oksidacijo v CO 2 . Nato nastanejo produkti delne oksidacije: ogljikov monoksid CO (stopnja oksidacije ogljika +2), saje(fin ogljik, ničelno oksidacijsko stanje). Zato višji alkani gorijo v zraku z dimljenim plamenom, strupeni ogljikov monoksid, ki se sprošča ob tem (brez vonja in barve), pa predstavlja nevarnost za človeka.

Alkani so spojine homolognega niza metana. To so nasičeni neciklični ogljikovodiki. Kemijske lastnosti alkanov so odvisne od zgradbe molekule in agregatnega stanja snovi.

Zgradba alkanov

Molekula alkana je sestavljena iz atomov ogljika in vodika, ki tvorita metilensko (-CH 2 -) in metilno (-CH 3) skupino. Ogljik lahko tvori štiri kovalentne nepolarne vezi s sosednjimi atomi. Prisotnost močnih σ-vezi -C-C- in -C-H določa inertnost homologne serije alkanov.

riž. 1. Zgradba molekule alkana.

Spojine reagirajo, če so izpostavljene svetlobi ali toploti. Reakcije potekajo po verižnem (prostoradikalnem) mehanizmu. Tako lahko vezi razgradijo le prosti radikali. Kot posledica substitucije vodika nastanejo haloalkani, soli in cikloalkani.

Alkani so razvrščeni kot nasičeni ali nasičeni ogljiki. To pomeni, da molekule vsebujejo največji znesek vodikovi atomi. Zaradi odsotnosti prostih vezi adicijske reakcije niso značilne za alkane.

Kemijske lastnosti

Splošne lastnosti alkanov so podane v tabeli.

Vrste kemijskih reakcij	Opis	Enačba
Halogeniranje	Reagiraj s F 2, Cl 2, Br 2. Z jodom ni reakcije. Halogeni nadomeščajo vodikov atom. Reakcijo s fluorom spremlja eksplozija. Kloriranje in bromiranje poteka pri temperaturi 300-400°C. Posledično nastanejo haloalkani	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Nitracija (Konovalov reakcija)	Interakcija z razredčeno dušikovo kislino pri temperaturi 140°C. Vodikov atom je nadomeščen z nitro skupino NO 2. Posledično nastanejo nitroalkani	CH 3 -CH 3 +HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O
Sulfokloriranje	Spremlja ga oksidacija s tvorbo alkansulfonil kloridov	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfoksidacija	Tvorba alkansulfonskih kislin v presežku kisika. Vodikov atom je nadomeščen s skupino SO 3 H	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Pojavi se v prisotnosti katalizatorja pri visoke temperature. Zaradi cepitve C-C vezi nastanejo alkani in alkeni	C 4 H 10 → C 2 H 6 + C 2 H 4
	V presežku kisika pride do popolne oksidacije v ogljikov dioksid. Ob pomanjkanju kisika pride do nepopolne oksidacije s tvorbo ogljikovega monoksida in saj.	CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O
Katalitska oksidacija	Do delne oksidacije alkanov pride, ko nizka temperatura in v prisotnosti katalizatorjev. Lahko nastanejo ketoni, aldehidi, alkoholi, karboksilne kisline	C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O
Dehidrogenacija	Izločanje vodika kot posledica pretrganja C-H vezi v prisotnosti katalizatorja (platina, aluminijev oksid, kromov oksid) pri temperaturi 400-600°C. Nastanejo alkeni	C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Aromatizacija	Reakcija dehidrogeniranja za tvorbo cikloalkanov	C 6 H 14 → C 6 H 6 + 4H 2
Izomerizacija	Tvorba izomerov pod vplivom temperature in katalizatorjev	C 5 H 12 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

Da bi razumeli, kako poteka reakcija in kateri radikali se zamenjajo, je priporočljivo zapisati strukturne formule.

riž. 2. Strukturne formule.

Aplikacija

Alkani se pogosto uporabljajo v industrijski kemiji, kozmetologiji in gradbeništvu. Spojine so narejene iz:

• gorivo (bencin, kerozin);
• asfalt;
• mazalna olja;
• petrolatum;
• parafin;
• milo;
• laki;
• barve;
• emajli;
• alkoholi;
• sintetične tkanine;
• guma;
• adehidi;
• plastika;
• detergenti;
• kisline;
• pogonska sredstva;
• kozmetični pripomočki.

riž. 3. Izdelki, pridobljeni iz alkanov.

Kaj smo se naučili?

Spoznali kemijske lastnosti in uporabo alkanov. Zaradi močnih kovalentnih vezi med ogljikovimi atomi, pa tudi med ogljikovimi in vodikovimi atomi so alkani inertni. V prisotnosti katalizatorja pri visokih temperaturah so možne reakcije substitucije in razgradnje. Alkani so nasičeni ogljikovodiki, zato so adicijske reakcije nemogoče. Alkani se uporabljajo za proizvodnjo materialov, detergentov in organskih spojin.

Test na temo

Ocena poročila

Povprečna ocena: 4.1. Skupaj prejetih ocen: 227.

Alkani (metan in njegovi homologi) imajo splošno formulo C n H 2 n+2. Prvi štirje ogljikovodiki se imenujejo metan, etan, propan, butan. Naslovi starejši člani Ta serija je sestavljena iz korena - grške številke in pripone -an. Imena alkanov so osnova nomenklature IUPAC.

Pravila za sistematično nomenklaturo:

• Pravilo glavne verige.

Glavno vezje je izbrano na podlagi naslednjih meril:

• Največje število funkcionalnih substituentov.
• Največje število več povezav.
• Največja dolžina.
• Največje število stranskih ogljikovodikovih skupin.
• Pravilo najmanjših števil (lokantov).

Glavni tokokrog je oštevilčen od enega konca do drugega z arabskimi številkami. Vsakemu substituentu je dodeljena številka ogljikovega atoma glavne verige, na katerega je vezan. Številčno zaporedje je izbrano tako, da je vsota števil substituentov (lokantov) najmanjša. To pravilo velja tudi pri številčenju monocikličnih spojin.

• Radikalno pravilo.

Vse stranske skupine ogljikovodikov obravnavamo kot monovalentne (enojno povezane) radikale. Če sam stranski radikal vsebuje stranske verige, se v skladu z zgornjimi pravili izbere dodatna glavna veriga, ki je oštevilčena od ogljikovega atoma, vezanega na glavno verigo.

• Pravilo abecednega reda.

Ime spojine se začne s seznamom substituentov, ki označuje njihova imena po abecednem vrstnem redu. Pred imenom vsakega substituenta je njegova številka v glavni verigi. Prisotnost več substituentov je označena s predponami števcev: di-, tri-, tetra- itd. Po tem je poimenovan ogljikovodik, ki ustreza glavni verigi.

V tabeli Tabela 12.1 prikazuje imena prvih petih ogljikovodikov, njihove radikale, možne izomere in njihove ustrezne formule. Imena radikalov se končajo s pripono -yl.

Formula Ime ogljikovodik radikalen premog vodik radikalen izopropil Metilpropan (izobutan) metilpropil (izo-butil) Terc-butil metilbutan (izopentan) metilbutil (izopentil) dimetilpropan (neopentan) dimetilpropil (neopentil)

Tabela 12.1. Alkani aciklopske serije C n H 2 n +2 .

Primer. Poimenuj vse izomere heksana.

Primer. Poimenujte alkan z naslednjo zgradbo

V tem primeru je iz dveh verig z dvanajstimi atomi izbrana tista, v kateri je vsota števil najmanjša (pravilo 2).

Z uporabo imen razvejanih radikalov, navedenih v tabeli. 12.2,

Radikalno Ime Radikalno Ime izopropil izopentil izobutil neopentil sek-butil terc-pentil terc.butil izoheksil

Tabela 12.2. Imena razvejanih radikalov.

Ime tega alkana je nekoliko poenostavljeno:

10-terc.-butil-2,2-(dimetil)-7-propil-4-izopropil-3-etil-dodekan.

Ko se veriga ogljikovodikov zapre v cikel z izgubo dveh vodikovih atomov, nastanejo monocikloalkani s splošno formulo C n H 2 n. Ciklizacija se začne s C 3, imena so sestavljena iz C n s predpono ciklo:

Policiklični alkani. Njihova imena so sestavljena s predpono biciklo-, triciklo- itd. Biciklične in triciklične spojine vsebujejo dva oziroma tri obroče v molekuli, za opis njihove strukture pa število ogljikovih atomov v vsaki od verig, ki povezujejo atome vozlišča. je naveden v padajočem vrstnem redu v oglatih oklepajih; pod formulo je ime atoma:

Ta triciklični ogljikovodik se običajno imenuje adamantan (iz češkega adamant, diamant), ker je kombinacija treh spojenih cikloheksanskih obročev v obliki, ki povzroči razporeditev ogljikovih atomov v kristalni mreži, ki je značilna za diamant.

Ciklični ogljikovodiki z enim skupnim ogljikovim atomom se imenujejo spirani, na primer spiro-5,5-undekan:

Planarne ciklične molekule so nestabilne, zato nastajajo različni konformacijski izomeri. Za razliko od konfiguracijskih izomerov (prostorska razporeditev atomov v molekuli brez upoštevanja orientacije) se konformacijski izomeri med seboj razlikujejo le po rotaciji atomov ali radikalov okoli formalne enostavne povezave ob ohranjanju konfiguracije molekul. Energija tvorbe stabilnega konformerja se imenuje konformacijski.

Konformerji so v dinamičnem ravnovesju in se spreminjajo drug v drugega skozi nestabilne oblike. Nestabilnost ravninskih ciklov povzroča znatna deformacija veznih kotov. Ob ohranjanju tetraedrskih veznih kotov za cikloheksan C 6H 12 sta možni dve stabilni konformaciji: v obliki stola (a) in v obliki kopeli (b):

@ 2024 wowway.ru - Diete in prehrana. Diagnostika in testi. Zdravila. holesterol. ateroskleroza