Zapišite kemijske lastnosti, značilne za alkane. Alkani: struktura, nomenklatura, izomerija
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 Fizične 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). Pri prehodu alkanov preko katalizatorja (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) pri visoka temperatura(400-600 °C) se izloči molekula vodika 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 faza 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.
Kinetika in mehanizem prostih radikalov verižne reakcije, tj. reakcije, 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.
Oglejmo si ta mehanizem na primeru reakcije kloriranja metana:
CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl
Začetek verige nastane kot posledica dejstva, da 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 mogoča 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 preko 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, so zelo široka uporaba v industriji (shema 2). So preprosto in dokaj poceni gorivo, surovine za pridobivanje velike količine 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.
Tukaj 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 tlaka in temperature, ki se pojavita na koncu kompresijskega giba, se razgradnja teh peroksidnih spojin začne s tvorbo veliko število prostih radikalov, ki "sprožijo" verižno radikalno reakcijo zgorevanja 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 izvedeli tudi o njihovih 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 proizvodnjo organskih spojin, 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 za mlečne izdelke, sokove, kosmiče 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 za možne produkte 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 samo 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.
Tabela prikazuje nekatere predstavnike številnih alkanov in njihovih radikalov.
|
Formula |
Ime |
Radikalno ime |
|||||||||||
|
CH3 metil |
|||||||||||||
|
C3H7 rez |
|||||||||||||
|
C4H9 butil |
|||||||||||||
|
izobutan |
izobutil |
||||||||||||
|
izopentan |
izopentil |
||||||||||||
|
neopentan |
neopentil |
||||||||||||
|
Iz tabele je razvidno, da se ti ogljikovodiki med seboj razlikujejo po številu skupin - CH2 - imenujemo tak niz podobnih struktur, ki imajo podobne kemijske lastnosti in se med seboj razlikujejo po številu teh skupin homologne serije. In snovi, ki ga sestavljajo, se imenujejo homologi. Homologi - snovi, ki so podobne zgradbi in lastnostim, vendar se razlikujejo po sestavi z eno ali več homolognimi razlikami (- CH2 -)
Ogljikova veriga - cikcak (če je n ≥ 3) σ - obveznice (prosto vrtenje okoli obveznic) dolžina (-C-C-) 0,154 nm vezavna energija (-C-C-) 348 kJ/mol Vsi ogljikovi atomi v molekulah alkanov so v stanju sp3 hibridizacije
kot med C-C povezave je 109°28", torej molekule normalnih alkanov z veliko število ogljikovi atomi imajo cikcakasto strukturo (cikcak). Dolžina S-S povezave v nasičenih ogljikovodikih je enaka 0,154 nm (1 nm = 1*10-9 m). a) elektronske in strukturne formule; b) prostorska zgradba
4. Izomerija- Značilna je STRUKTURNA izomerija verige s C4 Eden od teh izomerov ( n-butan) vsebuje nerazvejeno ogljikovo verigo, drugi, izobutan, pa vsebuje razvejeno (izostruktura). Ogljikovi atomi v razvejani verigi se razlikujejo po vrsti povezave z drugimi ogljikovimi atomi. Tako se imenuje atom ogljika, vezan samo na en drug atom ogljika primarni, z dvema drugima atomoma ogljika - sekundarni, s tremi - terciarno, s štirimi - kvaternik. Z večanjem števila ogljikovih atomov v molekulah se povečujejo možnosti za razvejanje verige, t.j. število izomerov narašča s številom ogljikovih atomov. Primerjalne lastnosti homologov in izomerov
1. Imajo svojo nomenklaturo radikali(ogljikovodični radikali)
| |||||||||||||
I. ALKANI (nasičeni ogljikovodiki, parafini)
Alkani so alifatski (aciklični) nasičeni ogljikovodiki, v katerih so ogljikovi atomi med seboj povezani s preprostimi (enojnimi) vezmi v ravnih ali razvejanih verigah.
Alkani– ime nasičenih ogljikovodikov po mednarodni nomenklaturi.
Parafini– zgodovinsko uveljavljeno ime, ki odraža lastnosti teh spojin (iz lat. parrum affinis– z majhno afiniteto, nizko aktivnostjo).
Omejitev, oz nasičen, ti ogljikovodiki so poimenovani zaradi popolne nasičenosti ogljikove verige z vodikovimi atomi.
Najenostavnejši predstavniki alkanov:
Če primerjamo te spojine, je jasno, da se med seboj razlikujejo po skupini -CH 2 - (metilen). Dodajanje druge skupine propanu -CH 2 -, dobimo butan C 4 H 10, nato alkani C 5 H 12, C 6 H 14 itd.
Zdaj lahko izpeljemo splošno formulo alkanov. Število ogljikovih atomov v nizu alkanov je n
, potem bo število vodikovih atomov 2n+2
. Zato sestava alkanov ustreza splošni formuli C n H 2n+2.
Zato se pogosto uporablja naslednja definicija:
- Alkani- ogljikovodiki, katerih sestava je izražena s splošno formulo C n H 2n+2, Kje n – število ogljikovih atomov.
II. Zgradba alkanov
Kemična struktura(vrstni red vezave atomov v molekule) najpreprostejših alkanov - metana, etana in propana - prikazujejo njihove strukturne formule. Iz teh formul je razvidno, da obstajata dve vrsti kemičnih vezi v alkanih:
S–S in S–H.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 kemijska struktura, vendar ne dajejo pojma o prostorska zgradba molekul, kar bistveno vpliva na lastnosti snovi.
Prostorska struktura, tj. relativna razporeditev atomov molekule v prostoru je odvisna od smeri atomske orbitale(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. Nasičen ogljikov atom v alkanih je vezan na štiri druge atome. Zato njegovo stanje ustreza hibridizaciji sp 3. V tem primeru vsak od štirih sp 3 -hibridnih ogljikovih AO sodeluje pri aksialnem (σ-) prekrivanju s s-AO vodika ali s sp 3 -AO drugega ogljikovega atoma, pri čemer tvori vezi σ-CH ali C-C.
Štiri σ-vezi ogljika so usmerjene v prostoru pod kotom 109 okoli 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:
Valenca kot S-S-S je enako 109 o 28". Prostorsko zgradbo metana lahko prikažemo z volumetričnimi (lestvičnimi) in modeli s kroglico in palico.
Za snemanje je priročno uporabiti prostorsko (stereokemično) formulo.
V molekuli naslednjega homologa - etana C 2 H 6 - dva tetraedra sp 3-ogljikovi atomi tvorijo bolj zapleteno prostorsko strukturo:
2. Če imajo molekule enako sestavo in enako kemijska struktura so možni različni relativni položaji atomov v prostoru, takrat se opazuje 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 vezi C–C σ, in kažejo t.i. rotacijska (konformacijska) izomerija.
Različne prostorske oblike molekule, ki prehajajo druga v drugo z vrtenjem okoli vezi C–C σ, imenujemo konformacije oz. rotacijski izomeri(konformatorji).
Rotacijski izomeri molekule so njena energijsko neenaka stanja. Njihova medsebojna pretvorba poteka hitro in nenehno kot posledica toplotnega gibanja. Zato rotacijskih izomerov ni mogoče izolirati posamezno, vendar je njihov obstoj dokazan s fizikalnimi metodami. Nekatere konformacije so bolj stabilne (energijsko ugodne) in molekula ostane v takih stanjih dlje. dolgo časa.
3. Poleg tega, če molekula vsebuje ogljikov atom, vezan na 4 različne substituente, je možna druga vrsta prostorske izomerije -
optična izomerija.Na primer:
potem je možen obstoj dveh spojin z enako strukturno formulo, ki pa se razlikujeta po prostorski strukturi. Molekule takšnih spojin se med seboj nanašajo kot predmet in njegova zrcalna slika in so prostorski izomeri.
Ta vrsta izomerije se imenuje optični izomeri ali optični antipodi:
Molekule optičnih izomerov so nezdružljive v prostoru (tako levo kot desna roka), nimajo ravnine simetrije.
torejoptični izomeri se imenujejo prostorski izomeri, katerih molekule so med seboj povezane kot predmet in nekompatibilna zrcalna slika.
Optični izomeri imajo enako fizikalno in Kemijske lastnosti, vendar se razlikujejo po svojem odnosu do polarizirane svetlobe. Takšni izomeri imajo optično aktivnost (eden od njih vrti ravnino polarizirane svetlobe v levo, drugi pa za isti kot v desno). Razlike v kemijskih lastnostih opazimo le pri reakcijah z optično aktivnimi reagenti.
Optična izomerija se kaže v organskih snoveh različnih razredov in ima zelo pomembno vlogo pomembno vlogo v kemiji naravnih spojin.
Nasičeni ogljikovodiki so spojine, ki so molekule, sestavljene iz ogljikovih atomov v stanju sp 3 hibridizacije. Med seboj so povezani izključno s kovalentnimi sigma vezmi. Ime "nasičeni" ali "nasičeni" ogljikovodiki izhaja iz dejstva, da te spojine nimajo sposobnosti vezati nobenih atomov. So ekstremni, popolnoma nasičeni. Izjema so cikloalkani.
Kaj so alkani?
Alkani so nasičeni ogljikovodiki, njihova ogljikova veriga pa je odprta in je sestavljena iz ogljikovih atomov, ki so med seboj povezani z enojnimi vezmi. Ne vsebuje drugih (tj. dvojnih, kot alkeni, ali trojnih, kot alkili) vezi. Alkane imenujemo tudi parafini. To ime so prejeli, ker so znani parafini mešanica pretežno teh nasičenih ogljikovodikov C 18 -C 35 s posebno inertnostjo.
Splošne informacije o alkanih in njihovih radikalih
Njihova formula: C n P 2 n +2, pri čemer je n večji ali enak 1. Molsko maso izračunamo po formuli: M = 14n + 2. Funkcija: Končnice v njihovih imenih so “-an”. Ostanki njihovih molekul, ki nastanejo kot posledica zamenjave vodikovih atomov z drugimi atomi, se imenujejo alifatski radikali ali alkili. Označeni so s črko R. Splošna formula enovalentnih alifatskih radikalov: C n P 2 n +1, pri čemer je n večji ali enak 1. Molska masa alifatski radikali se izračunajo po formuli: M = 14n + 1. Značilnost alifatskih radikalov: končnice v imenih so "-il". Molekule alkanov imajo svoje strukturne značilnosti:
- Za C-C vez je značilna dolžina 0,154 nm;
- Za C-H vez je značilna dolžina 0,109 nm;
- vezni kot (kot med vezmi ogljik-ogljik) je 109 stopinj in 28 minut.
Alkani začenjajo homologni niz: metan, etan, propan, butan itd.
Fizikalne lastnosti alkanov
Alkani so snovi, ki so brezbarvne in netopne v vodi. Temperatura, pri kateri se alkani začnejo taliti, in temperatura, pri kateri vrejo, naraščata skladno s povečanjem molekulske mase in dolžine verige ogljikovodikov. Od manj razvejanih k bolj razvejenim alkanom se vrelišče in tališče nižata. Plinasti alkani lahko gorijo s svetlo modrim ali brezbarvnim plamenom in proizvajajo precej toplote. CH 4 -C 4 H 10 so plini, ki prav tako nimajo vonja. C 5 H 12 -C 15 H 32 so tekočine, ki imajo specifičen vonj. C 15 H 32 in tako naprej so trdne snovi, ki so tudi brez vonja.
Kemijske lastnosti alkanov
Te spojine so kemično neaktivne, kar lahko pojasnimo z močjo težko pretrgljivih sigma vezi – C-C in C-H. Upoštevati je treba tudi, da so vezi C-C nepolarne, vezi C-H pa nizkopolarne. To so nizko polarizirane vrste vezi, ki pripadajo sigma tipu in se zato najverjetneje prekinejo s homolitičnim mehanizmom, zaradi česar bodo nastali radikali. Tako so kemijske lastnosti alkanov v glavnem omejene na radikalske substitucijske reakcije.
Reakcije nitracije
Alkani reagirajo samo z dušikovo kislino s koncentracijo 10 % ali s štirivalentnim dušikovim oksidom v plinastem okolju pri temperaturi 140 °C. Reakcijo nitriranja alkanov imenujemo Konovalova reakcija. Posledično nastanejo nitro spojine in voda: CH 4 + dušikova kislina (razredčena) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + voda.
Reakcije zgorevanja
Nasičeni ogljikovodiki se zelo pogosto uporabljajo kot gorivo, kar je upravičeno z njihovo sposobnostjo gorenja: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.
Oksidacijske reakcije
Kemične lastnosti alkanov vključujejo tudi njihovo sposobnost oksidacije. Glede na to, kakšni pogoji spremljajo reakcijo in kako se spremenijo, lahko iz iste snovi dobimo različne končne produkte. Blaga oksidacija metana s kisikom v prisotnosti katalizatorja, ki pospeši reakcijo, in pri temperaturi približno 200 °C lahko povzroči naslednje snovi:
1) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2CH 3 OH (alkohol - metanol).
2) CH 4 (oksidacija s kisikom) = CH 2 O (aldehid - metanal ali formaldehid) + H 2 O.
3) 2CH 4 (oksidacija s kisikom) = 2HCOOH (karboksilna kislina - metan ali mravljinčna) + 2H 2 O.
Prav tako lahko oksidacijo alkanov izvedemo v plinastem ali tekočem mediju z zrakom. Takšne reakcije vodijo do nastanka višjih maščobnih alkoholov in ustreznih kislin.
Odnos do toplote
Pri temperaturah, ki ne presegajo +150-250 ° C, vedno v prisotnosti katalizatorja, pride do strukturne preureditve organskih snovi, ki je sestavljena iz spremembe vrstnega reda povezave atomov. Ta proces imenujemo izomerizacija, snovi, ki nastanejo pri reakciji, pa izomeri. Tako iz običajnega butana dobimo njegov izomer - izobutan. Pri temperaturah 300-600°C in prisotnosti katalizatorja pride do raztrganja C-H vezi s tvorbo vodikovih molekul (reakcije dehidrogenacije), vodikovih molekul s sklenitvijo ogljikove verige v cikel (reakcije ciklizacije ali aromatizacije alkanov) :
1) 2CH 4 = C 2 H 4 (eten) + 2H 2.
2) 2CH 4 = C 2 H 2 (etin) + 3H 2.
3) C 7 H 16 (normalni heptan) = C 6 H 5 - CH 3 (toluen) + 4 H 2.
Reakcije halogeniranja
Takšne reakcije vključujejo vnos halogenov (njihovih atomov) v molekulo organske snovi, kar ima za posledico nastanek C-halogenske vezi. Ko alkani reagirajo s halogeni, nastanejo halogenski derivati. Ta reakcija ima posebne lastnosti. Poteka po radikalnem mehanizmu, za njegovo sprožitev pa je potrebno zmes halogenov in alkanov izpostaviti ultravijoličnemu sevanju ali jo preprosto segreti. Lastnosti alkanov omogočajo, da reakcija halogeniranja poteka, dokler ni dosežena popolna zamenjava z atomi halogena. To pomeni, da se kloriranje metana ne bo končalo v eni stopnji in proizvodnji metilklorida. Reakcija bo šla dlje, nastali bodo vsi možni nadomestni produkti, začenši s klorometanom in konča z ogljikovim tetrakloridom. Izpostavljenost drugih alkanov kloru pod temi pogoji povzroči nastanek različne izdelke, pridobljen z zamenjavo vodika pri različnih ogljikovih atomih. Temperatura, pri kateri poteka reakcija, bo določila razmerje končnih produktov in hitrost njihovega nastajanja. Daljša kot je ogljikovodikova veriga alkana, lažja bo reakcija. Med halogeniranjem bo najprej zamenjan najmanj hidrogeniran (terciarni) ogljikov atom. Primarni bo reagiral za vsemi drugimi. Reakcija halogeniranja bo potekala v stopnjah. V prvi fazi se zamenja samo en atom vodika. Alkani ne delujejo z raztopinami halogenov (klorova in bromova voda).
Reakcije sulfokloriranja
Kemijske lastnosti alkanov dopolnjuje tudi reakcija sulfokloriranja (imenovana Reedova reakcija). Ko so izpostavljeni ultravijoličnemu sevanju, lahko alkani reagirajo z mešanico klora in žveplovega dioksida. Posledično nastane vodikov klorid in alkilni radikal, ki dodaja žveplov dioksid. Rezultat je kompleksna spojina, ki postane stabilna zaradi zajetja atoma klora in uničenja njegove naslednje molekule: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultravijolično sevanje= R-SO 2 Cl + HCl. Sulfonil kloridi, ki nastanejo kot posledica reakcije, se pogosto uporabljajo pri proizvodnji površinsko aktivnih snovi.