Простейшими органическими соединениями являются углеводороды , состоящие из углерода и водорода. В зависимости от характера химических связей в углеводородах и соотношения между углеродом и водородом они подразделяются на предельные и непредельные (алкены, алкины и др.)
Предельными углеводородами (алканами, углеводородами метанового ряда) называются соединения углерода с водородом, в молекулах которых каждый атом углерода затрачивает на соединение с любым другим соседним атомом не более одной валентности, причем, все не затраченные на соединение с углеродом валентности насыщены водородом. Все атомы углерода в алканах находятся в sp 3 - состоянии. Предельные углеводороды образуют гомологический ряд, характеризующийся общей формулой С n Н 2n+2 . Родоначальником этого ряда является метан.
Изомерия. Номенклатура.
Алканы с n=1,2,3 могут существовать только в виде одного изомера
Начиная с n=4, появляется явление структурной изомерии.
Число структурных изомеров алканов быстро растет с увеличением числа углеродных атомов, например, пентан имеет 3 изомера, гептан - 9 и т.д.
Число изомеров алканов увеличивается и за счет возможных стереоизомеров. Начиная с C 7 Н 16 возможно существование хиральных молекул, которые образуют два энантиомера.
Номенклатура алканов.
Доминирующей номенклатурой является номенклатура IUPAC. В тоже время в ней присутствуют элементы тривиальных названий. Так, первые четыре члена гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия.
СН 4 - метан
С 2 Н 6 - этан
С 3 Н 8 - пропан
С 4 Н 10 - бутан.
Названия остальных гомологов образованы от греческих латинских числительных. Так, для следующих членов ряда нормального (неразветвленного) строения используются названия:
С 5 Н 12 - пентан, С 6 Н 14 - гексан, С 7 Н 18 - гептан,
С 14 Н 30 - тетрадекан, С 15 Н 32 - пентадекан и т.д.
Основные правила IUPAC для разветвленных алканов
а) выбирают наиболее длинную неразветвленную цепь, название которой составляет основу (корень). К этой основе прибавляют суффикс “ан”
б) нумеруют эту цепь по принципу наименьших локантов,
в) заместитель указывают в виде префиксов в алфавитном порядке с указанием места нахождения. Если при родоначальной структуре находятся несколько одинаковых заместителей, то их количество указывают греческими числительными.
В зависимости от числа других углеродных атомов, с которыми непосредственно связан рассматриваемый углеродный атом, различают: первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы.
В качестве заместителей в разветвленных алканах фигурируют алкильные группы или алкильные радикалы, которые рассматриваются как результат отщепления от молекулы алкана одного водородного атома.
Название алкильных групп образуют от названия соответствующих алканов путем замены последних суффикса “ан” на суффикс “ил”.
СН 3 - метил
СН 3 СН 2 - этил
СН 3 СН 2 СН 2 - пропил
Для названия разветвленных алкильных групп используют также нумерацию цепи:
Начиная с этана, алканы способны образовывать конформеры, которым соответствует заторможенная конформация. Возможность перехода одной заторможенной конформации в другую через заслоненную определяется барьером вращения. Определение структуры, состава конформеров и барьеров вращения являются задачами конформационного анализа. Методы получения алканов.
1. Фракционная перегонка природного газа или бензиновой фракции нефти. Таким способом можно выделять индивидуальные алканы до 11 углеродных атомов.
2. Гидрирование угля. Процесс проводят в присутствии катализаторов (оксиды и сульфиды молибдена, вольфрама, никеля) при 450-470 о С и давлениях до 30 Мпа. Уголь и катализатор растирают в порошок и в суспензированном виде гидрируют, борботируя водород через суспензию. Получающиеся смеси алканов и циклоалканов используют в качестве моторного топлива.
3. Гидрирование СО и СО 2 .
СО + Н 2 алканы
СО 2 + Н 2 алканы
В качестве катализаторов этих реакций используют Со, Fe, и др. d - элементы.
4. Гидрирование алкенов и алкинов.
5. Металлоорганический синтез.
а). Синтез Вюрца.
2RHal + 2Na R R + 2NaHal
Этот синтез малопригоден, если в качестве органических реагентов используют два разных галогеналкана.
б). Протолиз реактивов Гриньяра.
R Hal + Mg RMgHal
RMgHal + HOH RH + Mg(OH)Hal
в). Взаимодействие диалкилкупратов лития (LiR 2 Cu) с алкилгалогенидами
LiR 2 Cu + R X R R + RCu + LiX
Сами диалкилкупраты лития получают двухстадийным способом
2R Li + CuI LiR 2 Cu + LiI
6. Электролиз солей карбоновых кислот (синтез Кольбе).
2RCOONa + 2H 2 O R R + 2CO 2 + 2NaOH + H 2
7. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами.
Реакция используется для синтеза низших алканов.
8. Гидрогенолиз карбонильных соединений и галогеналканов.
а). Карбонильные соединения. Синтез Клемменса.
б). Галогеналканы. Каталитический гидрогенолиз.
В качестве катализаторов используют Ni, Pt, Pd.
в) Галогеналканы. Реагентное восстановление.
RHal + 2HI RH + HHal + I 2
Химические свойства алканов.
Все связи в алканах малополярные, по этому для них характерны радикальные реакции. Отсутствие пи-связей делает невозможными реакции присоединения. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления, горения.
|
Тип и название реакции | |
|
1. Реакции замещения | |
|
А) с галогенами (с хлором Cl 2 –на свету , Br 2 - при нагревании ) реакция подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова ) - в первую очередь галоген замещает водород у наименее гидрированного атома углерода. Реакция проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода. Труднее всего реагирует иод, и притом реакция не идет до конца, так как, например, при взаимодействии метана с йодом образуется йодистый водород, реагирующий с йодистым метилом с образованием метана и йода(обратимая реакция): |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан) CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан) CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан) CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан). |
|
Б) Нитрование (Реакция Коновалова) Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова. Один из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (нитрогруппа) и выделяется вода |
|
|
2. Реакции отщепления | |
|
А) дегидрирование –отщепление водорода. Условия реакции катализатор –платина и температура. |
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + Н 2 |
|
Б) крекинг процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Нпри такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов |
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8 |
|
В) полное термическое разложение |
СН 4 C + 2H 2 |
|
3. Реакции окисления | |
|
А) реакция горения При поджигании (t = 600 o С) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды. |
С n Н 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q СН 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q |
|
Б) Каталитическое окисление - при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–Спримерно в середине молекулы и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. |
Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С 2 –С 3) получают уксусную кислоту |
|
4. Реакции изомеризациих арактерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов. |
С 4 Н 10 C 4 H 10 |
|
5.. 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). |
|
Механиз реакции галогенирования:
Галогенирование
Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного и в два раза меньше чем вторичного. Таким образом хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.
Галогенирование - это одна из реакций замещения. Галогенирование алканов подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова) - в первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода. Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап галогенируется не более одного атома водорода.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан).
Под действием света молекула хлора распадается на атомы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.
Нитрование (Реакция Коновалова)
Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова.
RH + HNO 3 = RNO 2 + H 2 O
т. е. один из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (ни-трогруппа) и выделяется вода.
Особенности строения изомеров сильно отражаются на течении этой реакции, так как легче всего она ведет к замещению на нитрогруппу атома водорода в остатке СИ (имеющемся лишь в некоторых изомерах), менее легко замещается водород в группе СН 2 и еще труднее - в остатке СН 3 .
Парафины довольно легко нитруются в газовой фазе при 150-475° С двуокисью азота или парами азотной кислоты; при этом происходит частично и. окисление. Нитрованием метана получается почти исключительно нитрометан:
Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов. Азотная кислота при обыкновенной температуре почти не действует на парафиновые углеводороды. При нагревании же действует главным образом как окислитель. Однако, как нашел М. И. Коновалов (1889), при нагревании азотная кислота действует отчасти и «нитрующим» образом; особенно хорошо идет реакция нитрования со слабой азотной кислотой при нагревании и повышенном давлении. Реакция нитрования выражается уравнением.
Последующие за метаном гомологи дают смесь различных нитропарафинов вследствие попутно идущего расщепления. При нитровании этана получаются нитроэтан СН 3 -СН 2 -NO 2 и нитрометан СН 3 -NO 2 . Из пропана образуется смесь нитропарафинов:
Нитрование парафинов в газовой фазе теперь осуществляется в промышленном масштабе.
Сульфахлорирование:
Важной в практическом отношении реакцией является сульфохлорирование алканов. При взаимодействии алкана с хлором и сернистым ангидридом при облучении происходит замещение водорода на хлорсульфонильную группу:
Стадии этой реакции:
Cl +R:H→R +HCl
R +SO 2 →RSO 2
RSO 2 + Cl:Cl→RSO 2 Cl+Cl
Алкансульфохлориды легко гидролизуются до алкансульфоксилост (RSO 2 OH),натриевые соли которых (RSO 3¯ Na + - алкансульфонат натрия) проявляют свойства,подобные мылам, и применяются в качестве детерагентов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканы – предельные (алифатические) углеводороды, состав которых выражается формулой C n H 2 n +2 .
Алканы образуют гомологический ряд, каждое химическое соединение которого по составу отличается от последующего и предыдущего на одинаковое число атомов углерода и водорода – CH 2 , а вещества, входящие в гомологический ряд, называются гомологами. Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.
Таблица 1. Гомологический ряд алканов.
В молекулах алканов выделяют первичные (т.е. связанные одной связью), вторичные (т.е. связанные двумя связями), третичные (т.е. связанные тремя связями) и четвертичные (т.е. связанные четырьмя связями) атомы углерода.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – первичные, 2- вторичные атомы углерода)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3- третичный атом углерода)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4- четвертичный атом углерода)
Для алканов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета). Так, у пентана имеются следующие изомеры:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (пентан)
CH 3 –CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 (2-метилбутан)
CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 – диметилпропан)
Для алканов, начиная с гептана, характерна оптическая изомерия.
Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в sp 3 –гибридизации. Углы между связями в молекулах алканов 109,5.
Химические свойства алканов
При обычных условиях алканы химически инертны — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами. Это объясняется высокой прочностью -связей С-С и С-Н. Неполярные связи С-С и С-Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакция в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.
Реакции радикального замещения имеют цепной характер. Основные стадии: зарождение (инициирование) цепи (1) – происходит под действием УФ-излучения и приводит к образованию свободных радикалов, рост цепи (2) – происходит за счет отрыва атома водорода от молекулы алкана; обрыв цепи (3) – происходит при столкновении двух одинаковых или разных радикалов.
X:X → 2X . (1)
R:H + X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . + X . → R:X (3)
X . + X . → X:X (3)
Галогенирование. При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:
CH 3 Cl +Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 +Cl 2 = CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (тетрахлорметан)
Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:
CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (нитроэтан) + H 2 O
Сульфохлорирование и сульфоокисление. Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Реакция сульфоокисления протекает аналогично, только в этом случае образуются алкансульфоновые кислоты:
R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H
Крекинг – радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:
С 8 H 18 = C 4 H 10 (бутан)+ C 3 H 8 (пропан)
2CH 4 = C 2 H 2 (ацетилен) + 3H 2
Окисление . При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O
Физические свойства алканов
При обычных условиях С 1 -С 4 – газы, С 5 -С 17 – жидкости, начиная с С 18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Так, метан СН 4 (болотный, рудничий газ) – газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в этаноле, эфире, углеводородах, но плохо растворимый в воде. Метан используют в качестве высококалорийного топлива в составе природного газа, в качестве сырья для производства водорода, ацетилена, хлороформа и других органических веществ в промышленных масштабах.
Пропан С 3 Н 8 и бутан С 4 Н 10 – газы, применяемые в быту, в качестве балонных газов, за счет легкой сжижаемости. Пропан используется в качестве автомобильного топлива, поскольку является более экологически чистым, чем бензин. Бутан – сырье для получения 1,3 –бутадиена, использующегося в производстве синтетического каучука.
Получение алканов
Алканы получают из природных источников – природного газа (80-90% — метан, 2-3% — этан и другие предельные углеводороды), угля, торфа, древесины, нефти и горного воска.
Выделяют лабораторные и промышленные способы получения алканов. В промышленности алканы получают из битумного угля (1) или по реакции Фишера-Тропша (2):
nC + (n+1)H 2 = C n H 2 n +2 (1)
nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2 n +2 + H 2 O (2)
К лабораторным способам получения алканов относят: гидрирование непредельных углеводородов при нагревании и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1), взаимодействием воды с металлоорганическими соединениями (2), электролизом карбоновых кислот (3), по реакциям декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.
R 1 -C≡C-R 2 (алкин) → R 1 -CH = CH-R 2 (алкен) → R 1 -CH 2 – CH 2 -R 2 (алкан) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (алкан) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO — → 2CO 2 + C 2 H 6 (этан) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R 1 -Cl +2Na +Cl-R 2 →2NaCl + R 1 -R 2 (5)
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана. |
| Решение |
Запишем уравнение реакции первой стадии хлорирования метана (т.е. в реакции галогенирования происходит замещения всего одного атома водорода, в результате чего образуется монохлорпроизводное):
CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (хлорметан) Найдем количество вещества метана: v(CH 4) = V(CH 4)/V m v(CH 4) = 11,2/22,4 = 0,5 моль По уравнению реакции количество моль хлора и количество моль метана равны 1 моль, следовательно, практическое количество моль хлора и метана также будет одинаковым и будет равно: v(Cl 2) = v(CH 4) = 0,5 моль Зная количество вещества хлора можно найти его массу (что и поставлено в вопросе задачи). Масса хлора рассчитывается как произведение количества вещества хлора на его молярную массу (молекулярная масса 1 моль хлора; молекулярная масса рассчитывается с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева). Масса хлора будет равна: m(Cl 2) = v(Cl 2)×M(Cl 2) m(Cl 2) = 0,5×71 = 35,5 г |
| Ответ | Масса хлора равна 35,5 г |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканами называются насыщенные углеводороды, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода, связанных между собой только σ-связями.
В обычных условиях (при 25 o С и атмосферном давлении) первые четыре члена гомологического ряда алканов (C 1 — C 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С 5 - С 17) - жидкости, начиная с С 18 и выше - твердые вещества. По мере увеличения относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы. Строение молекулы алканов на примере метана приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение молекулы метана.
Алканы практически не растворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и др.
Получение алканов
Основные источники различных предельных углеводородов, содержащих до 40 атомов углерода, — нефть и природный газ. Алканы с небольшим числом атомов углерода (1 - 10) можно выделить фракционной перегонкой природного газа или бензиновой фракции нефти.
Различают промышленные (I) и лабораторные (II) способы получения алканов.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— гидрирование непредельных углеводородов
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
— восстановление галогеналканов
C 2 H 5 I + HI →C 2 H 6 + I 2 (t 0);
— реакции щелочного плавления солей одноосновных органических кислот
C 2 H 5 -COONa + NaOH→ C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
— взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
— электролиз солей одноосновных органических кислот
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O→H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2 ;
К(-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH — ;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Химические свойства алканов
Алканы относятся к наименее реакционноспособным органическим соединениям, что объясняется их строением.
Алканы в обычных условиях не реагируют с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.
Для алканов наиболее характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Энергетически более выгоден гомолитический разрыв связей C-H и C-C, чем их гетеролитический разрыв.
Реакции радикального замещения наиболее легко протекают по третичному, дплее - по вторичному и в последнюю очередь по первичному атому углерода.
Все химические превращения алканов протекают с расщеплением:
1) cвязей C-H
— галогенирование (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (hv );
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr (hv ).
— нитрование (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (dilute) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
— сульфохлорирование (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl (hv ).
— дегидрирование
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
— дегидроциклизация
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3 , t 0).
2) связей C-H и C-C
— изомеризация (внутримолекулярная перегруппировка)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3 , t 0).
— окисление
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0 , p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5)O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Применение алканов
Алканы нашли применение в различных отраслях промышленности. Рассмотрим подробнее, на примере некоторых представителей гомологического ряда, а также смесей алканов.
Метан составляет сырьевую основу важнейших химических промышленных процессов получения углерода и водорода, ацетилена, кислородсодержащих органических соединений - спиртов, альдегидов, кислот. Пропан применяется как автомобильное топливо. Бутан используется для получения бутадиена, являющегося сырьем для производства синтетического каучука.
Смесь жидких и твердых алканов до С 25 , называемая вазелином применяется в медицине как основа мазей. Смесь твердых алканов С 18 - С 25 (парафин) применяется для пропитки различных материалов (бумага, ткани, древесина) для придания им гидрофобных свойств, т.е. несмачиваемости водой. В медицине используется для физиотерапевтическихпроцедур (парафинолечение).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При хлорировании метана получено 1,54 г соединения, плотность паров по воздуху которого равна 5,31. Рассчитайте массу диоксида марганца MnO 2 , которая потребуется для получения хлора, если соотношение объемов метана и хлора, введенных в реакцию равно 1:2. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. Найдем молярную массу газа, образующегося при хлорировании метана: M gas = 29 ×D air (gas) = 29 × 5,31 = 154 г/моль. Это тетрахлорметан - CCl 4 . Запишем уравнение реакции и расставим стехиометрические коэффициенты: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. Рассчитаем количество вещества тетрахлорметана: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54 / 154 = 0,01 моль. Согласно уравнению реакции n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, значит n(CH 4) = n(CCl 4) = 0,01 моль. Тогда, количество вещества хлора должно быть равно n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), т.е. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 моль. Запишем уравнение реакции получения хлора: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Число моль диоксида марганца равно 0,08 моль, т.к. n(Cl 2) :n(MnO 2) = 1: 1. Найдем массу диоксида марганца: m(MnO 2) = n(MnO 2) ×M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 г/моль; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 г. |
| Ответ | Масса диоксида марганца равна 10,4 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Установите молекулярную формулу трихлоралкана, массовая доля хлора в котором составляет 72,20%. Составьте структурные формулы всех возможных изомеров и дайте названия веществ по заместительной номенклатуре ИЮПАК. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ответ | Запишем общую формулу трихлоралкеана:
C n H 2 n -1 Cl 3 . По формуле ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100% рассчитаем молекулярную массу трихлоралкана: Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) = 3 × 35,5 / 72,20 × 100% = 147,5. Найдем значение n: 12n + 2n - 1 + 35,5×3 = 147,5; Следовательно, формула трихлоралкана C 3 H 5 Cl 3 . Составим структурные формулы изомеров: 1,2,3-трихлорпропан (1), 1,1,2-трихлорпропан (2), 1,1,3-трихлорпропан (3), 1,1,1-трихлорпропан (4) и 1,2,2-трихлорпропан (5). CH 2 Cl-CHCl-CH 2 Cl (1); CHCl 2 -CHCl-CH 3 (2); CHCl 2 -CH 2 -CH 2 Cl (3); CCl 3 -CH 2 -CH 3 (4); Видеоурок 2:
Циклоалканы: Химические свойства
Видеоурок 3:
Алкены: Химические свойства
Видеоурок 4:
Алкадиены (диены): Химические свойства
Видеоурок 5:
Алкины: Химические свойства
Лекция: Характерные химические свойства углеводородов: алканов, циклоалканов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов Химические свойства алканов и циклоалканов
1. Реакции замещения. Как было сказано, это наиболее характерные для алканов реакции. В таких реакциях происходит разрыв связей углерод-водород. Рассмотрим некоторые виды реакций замещения: Галогенирование. Алканы реагируют с галогенами (хлором и бромом) при воздействии ультрафиолетового света или сильном нагревании. К примеру: CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl. При избыточном содержании галогена реакция продолжается до образования смеси галогенпроизводных различной степени замещения атомов водорода: моно-, ди- три- и т.д. К примеру, реакция образования дихлорметана (хлористого метилена): CH 3 Cl + Cl 2 → HCl + CH 2 Cl 2 . Нитрование (реакция Коновалова). При нагревании и давлении алканы реагируют с разбавленной азотной кислотой. Впоследствии атом водорода замещается на нитрогруппу NO 2 и образуется нитроалкан. Общий вид данной реакции: R-H + HO-NO 2 → R-NO 2 + H 2 O. Где R-H - алкан, R- NO 2 - нитроалкан. 2. Реакции окисления. В обычных условиях алканы не реагируют с сильными окислителями (конц. серной и азотной кислотами, перманганатом калия КMnО 4 и дихроматом калия К 2 Cr 2 О 7). Для получения энергии широко применяются реакции горения алканов: а) При полном сгорании при избытке кислорода образуются углекислый газ и вода: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O б) Частичное сгорание при недостатке кислорода: CH 4 + O 2 → C + 2H 2 O. Эта реакция используется в промышленности для получения сажи. Нагревание алканов с кислородом (~200 о С) с использованием катализаторов приводит к разрыву части связей С–С и С–Н. В результате образуются альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. Например, при неполном окислении бутана получают уксусную кислоту: CH 3 -CH 2 -/-CH 2 -CH 3 + 3O 2 → 2CH 3 СООН + 2Н 2 О. Важное значение имеет реакция метана и водяного пара с образованием смеси газов оксида углерода (II) с водородом. Протекает при t 800 0 C: CH 4 + Н 2 О → 3Н 2 +СО. Данная реакция также позволяет получить различные углеводороды. 3. Термические превращения алканов. Нагревание алканов без доступа воздуха до высоких t приводит к разрыву связи С-С. К данному типу реакций относятся крекинг и изомеризация, используемые для переработки нефти. Также к данным реакциям относится дегидрирование, необходимое для получения алкенов, алкадиенов и ароматических углеводородов. Результатом крекинга становится разрыв углеродного скелета молекул алканов. Общий вид крекинга алканов при t 450-700 0 C: C n H 2n+2 → C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k. При нагревании до 1000 0 С метан разлагается до простых веществ: CH 4 → С + 2Н 2 . Данная реакция называется пиролизом метана. При нагревании метана до 1500 0 С образуется ацетилен: 2 CH 4 → C 2 H 2 + 3Н 2 . Изомеризация. Если при крекинге использовать катализатор хлорид алюминия алканы с нормальной цепью превращаются в алканы с разветвленной цепью: Дегидрирование, т.е. отщепление водорода происходит в присутствии катализаторов и при t 400-600 0 С. В результате связь С-Н разрывается, образуется алкен: CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 или алкадиен: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → СН 2 =СН-СН=СН 2 + 2H 2 . Химические свойства циклоалканов с числом атомов углерода в циклах больше четырех практически схожи со свойствами алканов. Однако для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Это объясняется большим напряжением внутри цикла, которое приводит к стремлении циклов к разрыву и раскрытию. Так циклопропан и циклобутан легко присоединяют бром, водород или хлороводород. Например:  Химические свойства алкенов 1. Реакции присоединения. Алкены - активные соединения, потому что двойная связь в их молекулах состоит из одной прочной сигма- и одной слабой пи-связи. В реакции присоединения алкены часто вступают даже на холоде, в водных растворах и органических растворителях. Гидрирование, т.е. присоединение водорода возможно в присутствии катализаторов: CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3 . Для дегидрирования алканов до алкенов применяются те же катализаторы. Но процесс дегидрирования будет проходить при более высокой t и меньшем давлении. Галогенирование. Легко возникают реакции алкенов с бромом в водном растворе и в органических растворителях. В результате желтые растворы брома теряют свою окраску, то есть обесцвечиваются: СН 2 =СН 2 + Br 2 → CH 2 Br- CH 2 Br . Гидрогалогенирование. Присоединение молекулы галогеноводорода к молекуле несимметричного алкена приводит к смеси двух изомеров. В отсутствие специфических условий присоединение происходит селективно, по правилу В.В. Марковникова. Существует следующая закономерность присоединения: водород присоединяется к тому атому углерода, у которого больше атомов водорода, а галоген - к атому углерода с меньшим числом атомов водорода: СН 2 =СН-СН 3 + HBr → СН 3 -СНBr-СН 3 . Образовался 2-бромпропан. Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Так как присоединение воды к молекуле алкена происходит согласно правилу Марковникова, образование первичного спирта возможно только при гидратации этилена: CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 - CH 2 - OH . Полимеризация протекает по свободно-радикальному механизму: nCH 2 =CH 2 → (- CH 2 - CH 2 -)n. Образовался полиэтилен. 2. Реакции окисления. Алкены, к ак и все остальные углеводороды сгорают в кислороде. Уравнение горения алкенов в избытке кислорода имеет вид: C n H 2n+2 + O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O . Образовались углекислый газ и вода. Алкены достаточно легко окисляются. При действии на алкены водного раствора KMnO 4 , происходит обесцвечивание. Окисление алкенов перманганатом калия в нейтральном или слабощелочном растворе образует диолы: C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охлаждение). В кислой среде проходит полный разрыв двойной связи с последующим превращение атомов углерода, образовывавших двойную связь в карбоксильные группы: 5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K2SO 4 + 17H 2 O (нагревание). Когда двойная С=С связь располагается в конце молекулы алкена, в роли продукта окисления крайнего углеродного атома при двойной связи будет выступать углекислый газ. Данный процесс связан с тем, что промежуточный продукт окисления, а именно муравьиная кислота, достаточно просто окисляется в избытке окислителя: 5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (нагревание).
Химические свойства алкинов Алкины - ненасыщенные углеводороды, вступающие в реакции присоединения. Галогенирование алкинов приводит к присоединению их молекул как к одной, так и двум молекулам галогена. Это объясняется наличием в тройной связи молекул алкинов одной прочной сигма-связи и двух непрочных пи-связей. Присоединение одной молекулой алкина двух молекул галогена протекает по электрофильному механизму последовательно, в две стадии.
Гидрогалогенирование также протекает по электрофильному механизму и в две стадии. В обоих стадиях присоединение молекул галогеноводорода соответствует правилу Марковникова. Гидратация проходит с участием солей ртути в кислой среде и именуется реакцией Кучерова:
Гидрирование (реакция с водородом) алкинов происходит в две фазы. В качестве катализаторов применяют такие металлы, как платина, палладий, никель.
Тримеризация алкинов, к примеру ацетилена. Если пропустить данное вещество над активированным углем при высокой t образуется смесь различных продуктов, основным из которых является бензол:
Димеризация алкинов протекает в присутствии солей меди как катализаторов: HC≡CH + HC≡CH → H 2 C= CH- C≡CH Окисление алкинов: С n H 2n-2 + (3n+1)/2 O 2 → nCO 2 + (n+1)H 2 O .
Химические свойства диенов По своим химическим свойствам алкадиены схожи с алкенами. Но есть некоторые особенности:
а также 1,4-присоединения: CH 2 =CH-CH=CH 2 + Br 2 → Br CH 2 - CH=CH- CH 2 Br
Химические свойства ароматических углеводородов (аренов) Нелишне будет начать с определения понятия алканов. Это насыщенные либо предельные Также можно сказать, что это углероды, в которых соединение атомов C осуществляется посредством простых связей. Общая формула имеет вид: CnH₂n+ 2. Известно, что соотношение количества атомов H и C в их молекулах максимально, если сравнивать с другими классами. Ввиду того что все валентности заняты либо C, либо H, химические свойства алканов выражены недостаточно ярко, поэтому их вторым названием выступает словосочетание предельные либо насыщенные углеводороды. Также существует более древнее наименование, которое лучше всего отражает их относительную химинертность - парафины, что в переводе означает «лишенные сродства». Итак, тема нашего сегодняшнего разговора: «Алканы: гомологический ряд, номенклатура, строение, изомерия». Также будут представлены данные касательно их физических свойств. Алканы: строение, номенклатураВ них атомы C пребывают в таком состоянии, как sp3-гибридизация. В связи с этим молекулу алканов можно продемонстрировать в качестве набора тетраэдрических структур C, которые связаны не только между собой, но и с H. Между атомами C и H присутствуют прочные, весьма малополярные s-связи. Атомы же вокруг простых связей всегда вращаются, ввиду чего молекулы алканов принимают разнообразные формы, причем длина связи, угол между ними - постоянные величины. Формы, которые трансформируются друг в друга из-за вращения молекулы, происходящего вокруг σ-связей, принято называть ее конформациями.
В процессе отрыва атома H от рассматриваемой молекулы сформировываются 1-валентные частицы, называемые углеводородными радикалами. Они появляются в результате соединений не только но и неорганических. Если отнять 2 атома водорода от молекулы предельного углеводорода, то получатся 2-валентные радикалы. Таким образом, номенклатура алканов может быть:
Особенности радиальной номенклатурыВ первом случае номенклатура алканов характеризуется следующим:
Особенности заместительной номенклатурыЗаместительная номенклатура алканов имеет следующие особенности:
Химия: номенклатура алкановДля удобства информация представлена в виде таблицы.
Вышеуказанная номенклатура алканов включает названия, которые сложились исторически (первые 4 члена ряда предельных углеводородов). Наименования неразвернутых алканов с 5 и более атомами C образованы от греческих числительных, которые отражают данное число атомов C. Так, суффикс -ан говорит о том, что вещество из ряда насыщенных соединений.
При составлении названий развернутых алканов в роли основной цепи выбирается та, которая содержит максимальное количество атомов C. Она нумеруется так, чтобы заместители были с наименьшим номером. В случае двух и более цепей одинаковой длины главной становится та, которая содержит наибольшее количество заместителей. Изомерия алкановВ качестве углеводорода-родоначальника их ряда выступает метан CH₄. С каждым последующим представителем метанового ряда наблюдается отличие от предыдущего на метиленовую группу - CH₂. Данная закономерность прослеживается во всем ряду алканов. Немецкий ученый Шиль выдвинул предложение назвать этот ряд гомологическим. В переводе с греческого означает «сходный, подобный». Таким образом, гомологический ряд - набор родственных органических соединений, имеющих однотипную структуру с близкими химсвойствами. Гомологи - члены данного ряда. Гомологическая разность - метиленовая группа, на которую отличаются 2 соседних гомолога. Как уже упоминалось ранее, состав любого насыщенного углеводорода может быть выражен посредством общей формулы CnH₂n + 2. Так, следующим за метаном членом гомологического ряда является этан - C₂H₆. Чтобы вывести его структуру из метановой, необходимо заменить 1 атом H на CH₃ (рисунок ниже).
Структура каждого последующего гомолога может быть выведена из предыдущего таким же образом. В итоге из этана образуется пропан - C₃H₈. Что такое изомеры?Это вещества, которые имеют идентичный качественный и количественный молекулярный состав (идентичную молекулярную формулу), однако различное химическое строение, а также обладающие разными химсвойствами. Вышерассмотренные углеводороды отличаются по такому параметру, как температура кипения: -0,5° - бутан, -10° - изобутан. Данный вид изомерии именуется как изомерия углеродистого скелета, она относится к структурному типу. Число структурных изомеров растет быстрыми темпами с увеличением количества углеродных атомов. Таким образом, C₁₀H₂₂ будет соответствовать 75 изомерам (не включая пространственные), а для C₁₅H₃₂ уже известны 4347 изомеров, для C₂₀H₄₂ - 366 319. Итак, уже стало понятно, что такое алканы, гомологический ряд, изомерия, номенклатура. Теперь стоит перейти к правилам составления названий по ИЮПАК.
Номенклатура ИЮПАК: правила образования названийВо-первых, необходимо отыскать в углеводородной структуре углеродную цепь, которая наиболее длинна и содержит максимальное количество заместителей. Затем требуется пронумеровать атомы C цепи, начиная с конца, к которому ближе всего расположен заместитель. Во-вторых, основа - название неразветвленного насыщенного углеводорода, которому по количеству атомов C соответствует самая главная цепь. В-третьих, перед основой необходимо указать номера локантов, возле которых расположены заместители. За ними записываются через дефис названия заместителей. В-четвертых, в случае наличия идентичных заместителей при разных атомах C локанты объединяются, при этом перед названием появляется умножающая приставка: ди - для двух идентичных заместителей, три - для трех, тетра - четырех, пента - для пяти и т. д. Цифры должны быть отделены друг от друга запятой, а от слов - дефисом. Если один и тот же атом C содержится сразу два заместителя, локант тоже записывается дважды. Согласно этим правилам и формируется международная номенклатура алканов.
Проекции НьюменаЭтот американский ученый предложил для графической демонстрации конформаций специальные проекционные формулы - проекции Ньюмена. Они соответствуют формам А и Б и представлены на рисунке ниже.
В первом случае это А-заслоненная конформация, а во втором - Б-заторможенная. В позиции А атомы H располагаются на минимальном расстоянии друг от друга. Данной форме соответствует самое большое значение энергии, ввиду того что отталкивание между ними наибольшее. Это энергетически невыгодное состояние, вследствие чего молекула стремится покинуть его и перейти к более устойчивому положению Б. Здесь атомы H максимально удалены друг от друга. Так, энергетическая разница этих положений - 12 кДж/моль, благодаря чему свободное вращение вокруг оси в молекуле этана, которая соединяет метильные группы, получается неравномерным. После попадания в энергетически выгодное положение молекула там задерживается, другими словами, «тормозится». Именно поэтому оно и называется заторможенным. Результат - 10 тыс. молекул этана пребывают в заторможенной форме конформации при условии комнатной температуры. Только одна имеет другую форму - заслоненную. Получение предельных углеводородовИз статьи уже стало известно, что это алканы (строение, номенклатура их подробно описаны ранее). Будет нелишне рассмотреть способы их получения. Они выделяются из таких природных источников, как нефть, природный, каменный уголь. Применяются также и синтетические методы. Например, H₂ 2H₂:
Физические свойства предельных углеводородовДля удобства данные сгруппированы в таблицу.
ЗаключениеВ статье было рассмотрено такое понятие, как алканы (строение, номенклатура, изомерия, гомологический ряд и пр.). Немного рассказано об особенностиях радиальной и заместительной номенклатур. Описаны способы получения алканов. Кроме того, в статье подробно перечислена вся номенклатура алканов (тест может помочь усвоить полученную информацию).  Публикации
|
Алканы - нециклические углеводороды. Атомы углерода в данных соединениях имеют sp 3 -гибридизацию. В молекулах данных углеводородах все атомы углерода связаны только одинарными неполярными и малополярными С-С связями. Перекрывание орбиталей происходит по оси, соединяющей ядра атомов. Это σ-связи. Данные органические соединения содержат максимальное число атомов водорода, поэтому их называют предельными (насыщенными). Из - за насыщенности, алканы не способны вступать в реакции присоединения. Поскольку атомы углерода и водорода имеют схожие электроотрицательности, данный фактор приводит к тому, что связи С-Н в их молекулах малополярны. Из - за этого, для алканов присущи реакции, проходящие с участием свободных радикалов.
