Alkanų cheminės savybės ir paruošimo lentelė. Kas yra alkanai: struktūra ir cheminės savybės. Alkanų cheminės savybės

Kaitinant acto rūgšties natrio druską (natrio acetatą) su šarmų pertekliumi, pašalinama karboksilo grupė ir susidaro metanas:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Jei vietoj natrio acetato vartojate natrio propionatą, susidaro etanas, iš natrio butanoato - propanas ir kt.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtz sintezė. Kai halogenalkanai sąveikauja su šarminio metalo natriu, susidaro sotieji angliavandeniliai ir šarminio metalo halogenidas, pavyzdžiui:

Šarminiam metalui veikiant halogeninių angliavandenių mišinį (pvz., brometaną ir brommetaną), susidaro alkanų (etano, propano ir butano) mišinys.

Reakcija, kuria grindžiama Wurtz sintezė, gerai vyksta tik su halogenalkanais, kurių molekulėse halogeno atomas yra prijungtas prie pirminio anglies atomo.

6. Karbidų hidrolizė. Kai kai kurie karbidai, kurių sudėtyje yra -4 oksidacijos būsenos anglies (pavyzdžiui, aliuminio karbidas), apdorojami vandeniu, susidaro metanas:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fizinės savybės

Pirmieji keturi homologinės metano serijos atstovai yra dujos. Paprasčiausias iš jų yra metanas – dujos be spalvos, skonio ir kvapo („dujų“, kurią reikia skambinti 04, kvapą lemia merkaptanų – sieros turinčių junginių, specialiai dedama į buityje naudojamą metaną) kvapas. ir pramoniniai dujų prietaisai, kad netoliese esantys žmonės galėtų aptikti nuotėkį pagal kvapą).

Angliavandeniliai, kurių sudėtis yra nuo C5H12 iki C15H32, yra skysčiai, sunkesni angliavandeniliai yra kietos medžiagos.

Alkanų virimo ir lydymosi temperatūra palaipsniui didėja didėjant anglies grandinės ilgiui. Visi angliavandeniliai blogai tirpsta vandenyje; skystieji angliavandeniliai yra įprasti organiniai tirpikliai.

Cheminės savybės

1. Pakeitimo reakcijos. Alkanams būdingiausios reakcijos yra laisvųjų radikalų pakeitimo reakcijos, kurių metu vandenilio atomas pakeičiamas halogeno atomu arba kokia nors grupe.

Pateiksime būdingiausių reakcijų lygtis.

Halogeninimas:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Esant halogeno pertekliui, chloravimas gali vykti toliau, iki visiško vandenilio atomų pakeitimo chloru:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
dichlormetano metileno chloridas

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
trichlormetanas chloroformas

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
anglies tetrachloridas anglies tetrachloridas

Gautos medžiagos plačiai naudojamos kaip tirpikliai ir pradinės medžiagos organinėje sintezėje.

2. Dehidrinimas (vandenilio pašalinimas). Kai alkanai per katalizatorių (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) perleidžiami aukštoje temperatūroje (400-600 °C), pašalinama vandenilio molekulė ir susidaro alkenas:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reakcijos, kurias lydi anglies grandinės sunaikinimas. Visi sotieji angliavandeniliai dega, sudarydami anglies dioksidą ir vandenį. Dujiniai angliavandeniliai, tam tikromis proporcijomis susimaišę su oru, gali sprogti. Sočiųjų angliavandenilių degimas yra laisvųjų radikalų egzoterminė reakcija, kuri yra labai svarbi naudojant alkanus kaip kurą.

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

Apskritai alkanų degimo reakciją galima parašyti taip:

Terminio skilimo reakcijos yra pramoninio angliavandenilių krekingo proceso pagrindas. Šis procesas yra svarbiausias naftos perdirbimo etapas.

Kai metanas pašildomas iki 1000 °C temperatūros, prasideda metano pirolizė – skilimas į paprastas medžiagas. Kaitinant iki 1500 °C temperatūros, galimas acetileno susidarymas.

4. Izomerizacija. Kai linijiniai angliavandeniliai kaitinami izomerizacijos katalizatoriumi (aliuminio chloridu), susidaro medžiagos su šakotu anglies karkasu:

5. Kvapiosios medžiagos. Alkanai, kurių grandinėje yra šeši ar daugiau anglies atomų, ciklizuojasi, dalyvaujant katalizatoriui, sudarydami benzeną ir jo darinius:

Kokia yra alkanų laisvųjų radikalų reakcijos priežastis? Visi alkano molekulėse esantys anglies atomai yra sp 3 hibridizacijos būsenoje. Šių medžiagų molekulės yra sudarytos naudojant kovalentinius nepolinius C-C (anglies-anglies) ryšius ir silpnai polinius C-H (anglies-vandenilio) ryšius. Juose nėra zonų su padidintu ar sumažėjusiu elektronų tankiu, arba lengvai poliarizuojamų ryšių, t.y. tokių ryšių, kuriuose elektronų tankis gali pasislinkti veikiant išoriniams poveikiams (jonų elektrostatiniai laukai). Vadinasi, alkanai nereaguos su įkrautomis dalelėmis, nes ryšiai alkano molekulėse nenutrūksta dėl heterolitinio mechanizmo.

Būdingiausios alkanų reakcijos yra laisvųjų radikalų pakeitimo reakcijos. Šių reakcijų metu vandenilio atomas pakeičiamas halogeno atomu arba kokia nors grupe.

Laisvųjų radikalų grandininių reakcijų, t.y. reakcijų, vykstančių veikiant laisviesiems radikalams – dalelių su nesuporuotais elektronais, kinetiką ir mechanizmą ištyrė puikus rusų chemikas N. N. Semenovas. Būtent už šias studijas jis buvo apdovanotas Nobelio chemijos premija.

Paprastai laisvųjų radikalų pakeitimo reakcijų mechanizmą sudaro trys pagrindiniai etapai:

1. Iniciacija (grandinės branduolys, laisvųjų radikalų susidarymas veikiant energijos šaltiniui – ultravioletiniams spinduliams, kaitinimui).

2. Grandinės vystymasis (laisvųjų radikalų ir neaktyvių molekulių nuoseklios sąveikos grandinė, dėl kurios susidaro nauji radikalai ir naujos molekulės).

3. Grandinės nutraukimas (laisvųjų radikalų susijungimas į neaktyvias molekules (rekombinacija), radikalų „mirtis“, reakcijų grandinės vystymosi nutraukimas).

Moksliniai tyrimai, kuriuos atliko N.N. Semenovas

Semenovas Nikolajus Nikolajevičius

(1896 - 1986)

Sovietų fizikas ir fizikas chemikas, akademikas. Nobelio premijos laureatas (1956). Moksliniai tyrimai susiję su cheminių procesų, katalizės, grandininių reakcijų, terminio sprogimo teorija ir dujų mišinių degimu.

Panagrinėkime šį mechanizmą naudodami metano chlorinimo reakcijos pavyzdį:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Grandinės inicijavimas įvyksta dėl to, kad veikiant ultravioletiniams spinduliams arba kaitinant, įvyksta homolitinis Cl-Cl jungties skilimas ir chloro molekulė suyra į atomus:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Susidarę laisvieji radikalai atakuoja metano molekules, atplėšdami jų vandenilio atomą:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

ir virsta CH3 · radikalais, kurie, savo ruožtu, susidūrę su chloro molekulėmis sunaikina jas, susidarant naujiems radikalams:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl ir kt.

Grandinė vystosi.

Kartu su radikalų susidarymu, jų „mirtis“ įvyksta dėl rekombinacijos proceso - neaktyvios molekulės susidarymo iš dviejų radikalų:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Įdomu pastebėti, kad rekombinacijos metu išsiskiria tik tiek energijos, kiek reikia naujai susiformavusiam ryšiui nutraukti. Šiuo atžvilgiu rekombinacija įmanoma tik tuo atveju, jei dviejų radikalų susidūrime dalyvauja trečioji dalelė (kita molekulė, reakcijos indo sienelė), kuri sugeria energijos perteklių. Tai leidžia reguliuoti ir net sustabdyti laisvųjų radikalų grandinines reakcijas.

Atkreipkite dėmesį į paskutinį rekombinacijos reakcijos pavyzdį – etano molekulės susidarymą. Šis pavyzdys rodo, kad reakcija, kurioje dalyvauja organiniai junginiai, yra gana sudėtingas procesas, dėl kurio kartu su pagrindiniu reakcijos produktu labai dažnai susidaro šalutiniai produktai, todėl reikia sukurti sudėtingus ir brangius valymo metodus. ir tikslinių medžiagų išskyrimas.

Reakcijos mišinyje, gautame chloruojant metaną, kartu su chlormetanu (CH3Cl) ir vandenilio chloridu, bus: dichlormetano (CH2Cl2), trichlormetano (CHCl3), anglies tetrachlorido (CCl4), etano ir jo chlorinimo produktų.

Dabar pabandykime apsvarstyti sudėtingesnio organinio junginio - propano - halogeninimo reakciją (pavyzdžiui, brominimą).

Jei metano chlorinimo atveju galimas tik vienas monochloro darinys, tai šioje reakcijoje gali susidaryti du monobromo dariniai:

Matyti, kad pirmuoju atveju vandenilio atomas pakeičiamas pirminiame anglies atome, o antruoju – antriniu. Ar šių reakcijų greitis yra vienodas? Pasirodo, kad galutiniame mišinyje vyrauja vandenilio atomo, esančio prie antrinės anglies, pakeitimo produktas, ty 2-brompropanas (CH3-CHBg-CH3). Pabandykime tai paaiškinti.

Norėdami tai padaryti, turėsime panaudoti tarpinių dalelių stabilumo idėją. Ar pastebėjote, kad aprašydami metano chlorinimo reakcijos mechanizmą paminėjome metilo radikalą - CH3·? Šis radikalas yra tarpinė dalelė tarp metano CH4 ir chlormetano CH3Cl. Tarpinė dalelė tarp propano ir 1-brompropano yra radikalas su nesuporuotu elektronu prie pirminės anglies, o tarp propano ir 2-brompropano antrinėje anglies.

Radikalas, kurio antriniame anglies atome (b) yra nesuporuotas elektronas, yra stabilesnis, palyginti su laisvuoju radikalu, kurio elektronas yra nesuporuotas pirminiame anglies atome (a). Jis susidaro didesniais kiekiais. Dėl šios priežasties pagrindinis propano brominimo reakcijos produktas yra 2-brompropanas – junginys, kuris susidaro per stabilesnes tarpines rūšis.

Štai keletas laisvųjų radikalų reakcijų pavyzdžių:

Nitravimo reakcija (Konovalov reakcija)

Reakcija naudojama norint gauti nitro junginius – tirpiklius, daugelio sintezių pradines medžiagas.

Katalizinis alkanų oksidavimas deguonimi

Šios reakcijos yra svarbiausių pramoninių procesų, skirtų gaminti aldehidus, ketonus ir alkoholius tiesiogiai iš sočiųjų angliavandenilių, pagrindas, pavyzdžiui:

CH4 + [O] -> CH3OH

Taikymas

Sotieji angliavandeniliai, ypač metanas, plačiai naudojami pramonėje (2 schema). Tai paprastas ir gana pigus kuras, žaliava daugybei svarbių junginių gaminti.

Iš metano, pigiausios angliavandenilių žaliavos, gaunami junginiai naudojami daugeliui kitų medžiagų ir medžiagų gaminti. Metanas naudojamas kaip vandenilio šaltinis amoniako sintezėje, taip pat gaminant sintezės dujas (CO ir H2 mišinį), naudojamas pramoninei angliavandenilių, alkoholių, aldehidų ir kitų organinių junginių sintezei.

Aukštesnės virimo temperatūros alyvos frakcijų angliavandeniliai naudojami kaip kuras dyzeliniams ir turboreaktyviniams varikliams, kaip tepalinių alyvų pagrindas, kaip žaliava sintetinių riebalų gamybai ir kt.

Čia yra keletas pramoniniu požiūriu reikšmingų reakcijų, kurios vyksta dalyvaujant metanui. Metanas naudojamas chloroformui, nitrometanui ir deguonies turintiems dariniams gaminti. Alkanams tiesiogiai sąveikaujant su deguonimi, priklausomai nuo reakcijos sąlygų (katalizatoriaus, temperatūros, slėgio), gali susidaryti alkoholiai, aldehidai, karboksirūgštys:

Kaip jau žinote, C5H12–C11H24 sudėties angliavandeniliai yra įtraukti į naftos benzino frakciją ir daugiausia naudojami kaip vidaus degimo variklių kuras. Yra žinoma, kad vertingiausi benzino komponentai yra izomeriniai angliavandeniliai, nes jie turi didžiausią atsparumą detonacijai.

Susilietus su atmosferos deguonimi angliavandeniliai lėtai sudaro su juo junginius – peroksidus. Tai lėtai vykstanti laisvųjų radikalų reakcija, kurią inicijuoja deguonies molekulė:

Atkreipkite dėmesį, kad hidroperoksido grupė susidaro ant antrinių anglies atomų, kurių daugiausia yra linijiniuose arba normaliuose angliavandeniliuose.

Suspaudimo takto pabaigoje staigiai padidėjus slėgiui ir temperatūrai, šių peroksido junginių skilimas prasideda susidarius daugybei laisvųjų radikalų, kurie anksčiau nei būtina „sukelia“ laisvųjų radikalų degimo grandininę reakciją. Stūmoklis vis tiek kyla aukštyn, o benzino degimo produktai, kurie jau susidarė dėl priešlaikinio mišinio užsidegimo, stumia jį žemyn. Dėl to smarkiai sumažėja variklio galia ir susidėvėjimas.

Taigi pagrindinė detonacijos priežastis yra peroksido junginių buvimas, kurio gebėjimas susidaryti yra didžiausias tiesiniuose angliavandeniliuose.

C-heptanas turi mažiausią atsparumą detonacijai tarp benzino frakcijos angliavandenilių (C5H14 - C11H24). Stabiliausias (t. y. mažiausiai sudaro peroksidus) yra vadinamasis izooktanas (2,2,4-trimetilpentanas).

Visuotinai pripažinta benzino atsparumo smūgiui charakteristika yra oktaninis skaičius. Oktaninis skaičius 92 (pavyzdžiui, A-92 benzinas) reiškia, kad šio benzino savybės yra tokios pat kaip ir mišinio, kurį sudaro 92 % izooktano ir 8 % heptano.

Apibendrinant galime pridurti, kad didelio oktaninio skaičiaus benzino naudojimas leidžia padidinti suspaudimo laipsnį (slėgį suspaudimo takto pabaigoje), o tai padidina vidaus degimo variklio galią ir efektyvumą.

Būti gamtoje ir gauti

Šiandienos pamokoje susipažinote su alkanų sąvoka, taip pat sužinojote apie jų cheminę sudėtį ir paruošimo būdus. Todėl dabar pakalbėkime išsamiau apie alkanų buvimo gamtoje temą ir išsiaiškinkime, kaip ir kur alkanai buvo pritaikyti.

Pagrindiniai alkanų gamybos šaltiniai yra gamtinės dujos ir nafta. Jie sudaro didžiąją dalį naftos perdirbimo produktų. Metanas, paplitęs nuosėdinėse uolienose, taip pat yra alkanų dujų hidratas.

Pagrindinis gamtinių dujų komponentas yra metanas, tačiau jose taip pat yra nedidelė dalis etano, propano ir butano. Metano galima rasti išmetamuose iš anglių sluoksnių, pelkių ir susijusių naftos dujų.

Ankanus taip pat galima gauti koksuojant anglį. Gamtoje taip pat yra vadinamųjų kietųjų alkanų - ozokeritų, kurie pateikiami kalnų vaško nuosėdų pavidalu. Ozokerito galima rasti vaškinėse augalų arba jų sėklų dangose, taip pat bičių vaške.

Pramoninė alkanų izoliacija paimama iš natūralių šaltinių, kurie, laimei, vis dar yra neišsenkantys. Jie gaunami kataliziškai hidrinant anglies oksidus. Metanas taip pat gali būti gaminamas laboratorijoje, kaitinant natrio acetatą kietu šarmu arba hidrolizuojant tam tikrus karbidus. Tačiau alkanus taip pat galima gauti dekarboksilinant karboksirūgštis ir jas elektrolizės būdu.

Alkanų taikymas

Alkanai buityje yra plačiai naudojami daugelyje žmogaus veiklos sričių. Juk labai sunku įsivaizduoti savo gyvenimą be gamtinių dujų. Ir niekam nebus paslaptis, kad gamtinių dujų pagrindas yra metanas, iš kurio gaminama suodė, kuri naudojama topografinių dažų ir padangų gamyboje. Šaldytuvas, kurį kiekvienas turi savo namuose, taip pat veikia dėl alkano junginių, naudojamų kaip šaldymo agentas. Acetilenas, gaunamas iš metano, naudojamas metalams suvirinti ir pjaustyti.

Dabar jau žinote, kad alkanai naudojami kaip kuras. Jų yra benzine, žibalu, dyzelinu ir mazute. Be to, jų taip pat yra tepalinėse alyvose, vazelinyje ir parafine.

Cikloheksanas plačiai naudojamas kaip tirpiklis ir įvairių polimerų sintezei. Ciklopropanas naudojamas anestezijai. Skvalanas, kaip aukštos kokybės tepimo alyva, yra daugelio farmacijos ir kosmetikos preparatų sudedamoji dalis. Alkanai yra žaliavos, naudojamos organiniams junginiams, tokiems kaip alkoholis, aldehidai ir rūgštys, gaminti.

Parafinas yra aukštesnių alkanų mišinys, todėl jis yra netoksiškas, todėl plačiai naudojamas maisto pramonėje. Jis naudojamas pieno produktų, sulčių, grūdų ir kt. pakuočių impregnavimui, taip pat kramtomosios gumos gamyboje. O šildomas parafinas medicinoje naudojamas gydymui parafinu.

Be minėtų dalykų, degtukų galvutės impregnuojamos parafinu, kad geriau degtų, iš jo gaminami pieštukai, žvakės.

Oksiduojant parafiną, gaunami deguonies turintys produktai, daugiausia organinės rūgštys. Sumaišius skystus angliavandenilius, turinčius tam tikrą anglies atomų skaičių, gaunamas vazelinas, plačiai naudojamas parfumerijoje ir kosmetologijoje bei medicinoje. Jis naudojamas įvairiems tepalams, kremams ir geliams ruošti. Jie taip pat naudojami terminėms procedūroms medicinoje.

Praktinės užduotys

1. Užrašykite homologinės alkanų serijos angliavandenilių bendrąją formulę.

2. Parašykite galimų heksano izomerų formules ir įvardykite jas pagal sisteminę nomenklatūrą.

3. Kas yra krekingas? Kokius krekingo tipus žinote?

4. Parašykite galimų heksano krekingo produktų formules.

5. Iššifruokite sekančią transformacijų grandinę. Pavadinkite junginius A, B ir C.

6. Pateikite angliavandenilio C5H12 struktūrinę formulę, kuris bromuojant susidaro tik vienas monobromo darinys.

7. Visiškai sudeginti 0,1 mol neaiškios struktūros alkano sunaudota 11,2 litro deguonies (aplinkos sąlygomis). Kokia yra alkano struktūrinė formulė?

8. Kokia yra dujinio sočiojo angliavandenilio struktūrinė formulė, jei 11 g šių dujų užima 5,6 litro tūrį (standartinėmis sąlygomis)?

9. Prisiminkite, ką žinote apie metano naudojimą, ir paaiškinkite, kodėl buitinį dujų nuotėkį galima aptikti pagal kvapą, nors jo komponentai yra bekvapiai.

10*. Kokius junginius galima gauti kataliziškai oksiduojant metaną įvairiomis sąlygomis? Parašykite atitinkamų reakcijų lygtis.

vienuolika*. Visiško degimo produktai (deguonies perteklius) 10,08 litro (N.S.) etano ir propano mišinio buvo išleista per kalkių vandens perteklių. Šiuo atveju susidarė 120 g nuosėdų. Nustatykite pradinio mišinio tūrinę sudėtį.

12*. Dviejų alkanų mišinio etano tankis yra 1,808. Brominuojant šį mišinį, buvo išskirtos tik dvi poros izomerinių monobromalkanų. Bendra lengvesnių izomerų masė reakcijos produktuose yra lygi bendrai sunkesnių izomerų masei. Nustatykite sunkesnio alkano tūrio dalį pradiniame mišinyje.

Alkanai yra sotieji angliavandeniliai, kurių molekulėse visi anglies atomai yra užimti paprastais vandenilio atomų ryšiais. Todėl metano serijos homologams būdinga alkanų struktūrinė izomerija.

Anglies skeleto izomerizmas

Homologams, turintiems keturis ar daugiau anglies atomų, būdinga struktūrinė izomerija dėl anglies skeleto pokyčių. Metilo grupės -CH2 gali prisijungti prie bet kurios grandinės anglies, sudarydamos naujas medžiagas. Kuo daugiau anglies atomų grandinėje, tuo daugiau gali susidaryti izomerų homologų. Teorinis homologų skaičius apskaičiuojamas matematiškai.

Ryžiai. 1. Apytikslis metano homologų izomerų skaičius.

Be metilo grupių, prie anglies atomų gali būti prijungtos ilgos anglies grandinės, sudarydamos sudėtingas šakotas medžiagas.

Alkanų izomerijos pavyzdžiai:

• normalus butanas arba n-butanas (CH3-CH2-CH2-CH3) ir 2-metilpropanas (CH3-CH(CH3)-CH3);
• n-pentanas (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilbutanas (CH3-CH2-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetilpropanas (CH3-C (CH3)2-CH3);
• n-heksanas (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metilpentanas (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-metilpentanas ( CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3), 2,3-dimetilbutanas (CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetilbutanas ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).

Ryžiai. 2. Struktūrinių izomerų pavyzdžiai.

Šakotieji izomerai skiriasi nuo linijinių molekulių fizinėmis savybėmis. Šakotieji alkanai lydosi ir verda žemesnėje temperatūroje nei jų linijiniai analogai.

Nomenklatūra

IUPAC tarptautinė nomenklatūra nustatė šakotų grandinių pavadinimo taisykles. Norėdami pavadinti struktūrinį izomerą:

• surask ilgiausią grandinę ir pavadink ją;
• suskaičiuokite anglies atomus nuo galo, kuriame yra daugiausia pakaitų;
• nurodykite identiškų pakaitų skaičių naudodami skaitinius priešdėlius;
• duoti vardus pakaitalams.

Pavadinimas susideda iš keturių dalių, einančių viena po kitos:

• skaičiai, nurodantys grandinės atomus, turinčius pakaitų;
• skaitiniai priešdėliai;
• pavaduotojo vardas ir pavardė;
• pagrindinės grandinės pavadinimas.

Pavyzdžiui, CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3 molekulėje pagrindinė grandinė turi penkis anglies atomus. Taigi tai pentanas. Dešinysis galas turi daugiau šakų, todėl atomų numeracija prasideda nuo čia. Šiuo atveju antrasis atomas turi du identiškus pakaitus, kurie taip pat atsispindi pavadinime. Pasirodo, ši medžiaga vadinama 2,2,4-trimetilpentanu.

Įvairūs pakaitai (metilas, etilas, propilas) pavadinime išvardyti abėcėlės tvarka: 4,4-dimetil-3-etilheptanas, 3-metil-3-etiloktanas.

Paprastai naudojami skaičių priešdėliai nuo dviejų iki keturių: di- (du), tri- (trys), tetra- (keturi).

Ko mes išmokome?

Alkanams būdinga struktūrinė izomerija. Struktūriniai izomerai būdingi visiems homologams, pradedant butanu. Struktūrinėje izomerijoje pakaitai prisijungia prie anglies atomų anglies grandinėje, sudarydami sudėtingas šakotas grandines. Izomero pavadinimą sudaro pagrindinės grandinės pavadinimai, pakaitalai, žodinis pakaitų skaičiaus žymėjimas ir skaitmeninis anglies atomų, prie kurių yra prijungti pakaitai, žymėjimo.

Alkanų sandara

Paprasčiausių alkanų – metano, etano ir propano – cheminė struktūra (atomų jungimosi molekulėse tvarka) parodyta jų struktūrinėmis formulėmis, pateiktomis 2 skyriuje. Iš šių formulių aišku, kad yra dviejų tipų cheminiai ryšiai. alkanai:

S–S ir S–N.

C-C ryšys yra kovalentinis nepolinis. C–H ryšys yra kovalentinis, silpnai polinis, nes anglies ir vandenilio elektronegatyvumas yra artimas (2,5 anglies ir 2,1 vandenilio). Kovalentinių ryšių susidarymą alkanuose dėl bendrų anglies ir vandenilio atomų elektronų porų galima parodyti naudojant elektronines formules:

Elektroninės ir struktūrinės formulės atspindi cheminę struktūrą, tačiau nesuteikia supratimo apie erdvinę molekulių struktūrą, kuri daro didelę įtaką medžiagos savybėms.

Erdvinė struktūra, t.y. santykinis molekulės atomų išsidėstymas erdvėje priklauso nuo šių atomų atominių orbitalių (AO) krypties. Angliavandeniliuose pagrindinis vaidmuo tenka anglies atominių orbitalių erdvinei orientacijai, nes vandenilio atomo sferinis 1s-AO neturi konkrečios orientacijos.

Anglies AO erdvinis išdėstymas savo ruožtu priklauso nuo jo hibridizacijos tipo (I dalis, 4.3 skirsnis). Alkanuose esantis prisotintas anglies atomas yra prijungtas prie keturių kitų atomų. Todėl jo būsena atitinka sp3 hibridizaciją (I dalis, 4.3.1 skyrius). Šiuo atveju kiekvienas iš keturių sp3-hibridinių anglies AO dalyvauja ašiniame (σ-) sutapime su vandenilio s-AO arba su kito anglies atomo sp3-AO, ​​sudarydamas σ-CH arba C-C ryšius.

Keturios anglies σ ryšiai nukreipti erdvėje 109°28" kampu, kas atitinka mažiausią elektronų atstūmimą. Todėl paprasčiausio alkanų atstovo - metano CH4 - molekulė turi tetraedro formą. kurio centre yra anglies atomas, o viršūnėse – vandenilio atomai:

H-C-H ryšio kampas yra 109°28". Erdvinė metano struktūra gali būti parodyta naudojant tūrinius (mastelinius) ir rutulio ir lazdos modelius.

Įrašymui patogu naudoti erdvinę (stereocheminę) formulę.

Kito homologo, etano C2H6, molekulėje du tetraedriniai sp3 anglies atomai sudaro sudėtingesnę erdvinę struktūrą:

Alkanų molekulės, turinčios daugiau nei 2 anglies atomus, pasižymi lenktomis formomis. Tai galima parodyti naudojant n-butano (VRML modelis) arba n-pentano pavyzdį:

Alkanų izomerizmas

Izomerizmas yra reiškinys, kai egzistuoja junginiai, kurių sudėtis yra tokia pati (ta pati molekulinė formulė), bet skirtingos struktūros. Tokios jungtys vadinamos izomerai.

Dėl atomų susijungimo molekulėse tvarkos (t. y. cheminės struktūros) skirtumai struktūrinė izomerija. Struktūrinių izomerų struktūrą atspindi struktūrinės formulės. Alkanų eilėje struktūrinė izomerija pasireiškia tada, kai grandinėje yra 4 ar daugiau anglies atomų, t.y. pradedant butanu C 4 H 10. Jei tos pačios sudėties ir tos pačios cheminės struktūros molekulėse galimos skirtingos santykinės atomų padėties erdvėje, tada stebime erdvinė izomerija (stereoizomerija). Šiuo atveju struktūrinių formulių naudojimo neužtenka ir reikėtų naudoti molekulinius modelius arba specialias formules – stereochemines (erdvines) arba projekcines.

Alkanai, pradedant etanu H 3 C – CH 3, egzistuoja įvairiomis erdvinėmis formomis ( konformacijos), kuriuos sukelia intramolekulinis sukimasis išilgai C – C σ jungčių, ir pasižymi vadinamuoju. rotacinė (konformacinė) izomerija.

Be to, jei molekulėje yra anglies atomas, prijungtas prie 4 skirtingų pakaitų, galimas kitas erdvinės izomerijos tipas, kai du stereoizomerai yra susiję vienas su kitu kaip objektas ir jo veidrodinis vaizdas (panašiai kaip kairė ranka yra susijusi su dešine). . Tokie molekulių sandaros skirtumai vadinami optinė izomerija.

. Alkanų struktūrinė izomerija

Struktūriniai izomerai – tai tos pačios sudėties junginiai, kurie skiriasi atomų jungimosi tvarka, t.y. molekulių cheminė struktūra.

Struktūrinės izomerijos pasireiškimo alkanų serijoje priežastis yra anglies atomų gebėjimas sudaryti skirtingų struktūrų grandines.Šis struktūrinės izomerijos tipas vadinamas anglies skeleto izomerija.

Pavyzdžiui, C4H10 sudėties alkanas gali egzistuoti formoje du struktūriniai izomerai:

ir alkanas C 5 H 12 – formoje trys struktūriniai izomerai, kurie skiriasi anglies grandinės struktūra:

Didėjant anglies atomų skaičiui molekulėse, didėja galimybės grandinės išsišakojimui, t.y. izomerų skaičius didėja didėjant anglies atomų skaičiui.

Struktūriniai izomerai skiriasi fizinėmis savybėmis. Šakotos struktūros alkanai dėl mažiau tankios molekulių pakuotės ir atitinkamai mažesnės tarpmolekulinės sąveikos verda žemesnėje temperatūroje nei jų neišsišakoję izomerai.

Izomerų struktūrinių formulių konstravimo būdai

Pažiūrėkime į alkano pavyzdį SU 6 N 14 .

1. Pirma, pavaizduojame linijinę izomero molekulę (jos anglies skeletą)

2. Tada sutrumpiname grandinę 1 anglies atomu ir prijungiame šį atomą prie bet kurio grandinės anglies atomo kaip atšaką nuo jos, išskyrus kraštutines padėtis:

Jei prie vienos iš kraštutinių pozicijų prijungiate anglies atomą, grandinės cheminė struktūra nesikeičia:

Be to, turite užtikrinti, kad nebūtų pasikartojimų. Taigi struktūra yra identiška struktūrai (2).

3. Išnaudojus visas pagrindinės grandinės pozicijas, sutrumpiname grandinę dar 1 anglies atomu:

Dabar šoninėse šakose bus 2 anglies atomai. Čia galimi šie atomų deriniai:

Šoninį pakaitą gali sudaryti 2 ar daugiau nuosekliai sujungtų anglies atomų, tačiau heksano izomerų su tokiomis šoninėmis šakomis nėra, o struktūra yra identiška (3) struktūrai.

Šoninis pakaitas - C-C gali būti dedamas tik į grandinę, kurioje yra mažiausiai 5 anglies atomai, ir gali būti prijungtas tik prie 3 ir tolesnio atomo nuo grandinės galo.

4. Sukūrus izomero anglies skeletą, būtina visus molekulėje esančius anglies atomus papildyti vandenilio ryšiais, atsižvelgiant į tai, kad anglis yra keturvalentė.

Taigi, kompozicija SU 6 N 14 atitinka 5 izomerus: 1) 2) 3)4)5)

Nomenklatūra

Organinių junginių nomenklatūra yra taisyklių sistema, leidžianti kiekvienai atskirai medžiagai suteikti nedviprasmišką pavadinimą.

Tai chemijos kalba, kuri naudojama informacijai apie jų struktūrą perteikti junginių pavadinimuose. Tam tikros sandaros junginys atitinka vieną sisteminį pavadinimą ir pagal šį pavadinimą galima įsivaizduoti junginio struktūrą (jo struktūrinę formulę).

Šiuo metu IUPAC sisteminė nomenklatūra yra visuotinai priimta. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga– Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga).

Kartu su sisteminiais pavadinimais naudojami ir trivialūs (paprasti) pavadinimai, kurie siejami su būdinga medžiagos savybe, jos paruošimo būdu, natūraliu šaltiniu, taikymo sritimi ir kt., tačiau neatspindi jos struktūros.

Norint taikyti IUPAC nomenklatūrą, reikia žinoti tam tikrų molekulių fragmentų – organinių radikalų – pavadinimus ir struktūrą.

Terminas „organinis radikalas“ yra struktūrinė sąvoka ir neturėtų būti painiojama su terminu „laisvasis radikalas“, kuris apibūdina atomą arba atomų grupę su nesuporuotu elektronu.

Alkanų serijos radikalai

Jei iš alkano molekulės „atimamas“ vienas vandenilio atomas, susidaro vienavalentė „likutinė“ – angliavandenilio radikalas ( R – ). Bendras monovalentinių alkano radikalų pavadinimas yra alkilai – susidaro pakeičiant priesagą – lt įjungta - dumblas : metanas - metilo, etanas - etilo, propanas – išgėrė ant gėrimo ir tt

Vienavalenčiai radikalai išreiškiami bendra formule SU n N 2n+1 .

Dvivalentinis radikalas gaunamas iš molekulės pašalinus 2 vandenilio atomus. Pavyzdžiui, iš metano galite sudaryti dvivalentį radikalą –CH 2 – metilenas. Tokių radikalų pavadinimuose naudojama priesaga - Ilen.

Radikalų, ypač vienvalenčių, pavadinimai vartojami formuojant šakotųjų alkanų ir kitų junginių pavadinimus. Tokie radikalai gali būti laikomi molekulių komponentais, jų struktūrinėmis detalėmis. Norint pavadinti junginį, reikia įsivaizduoti, iš kokių „dalių“ – radikalų – sudaro jo molekulė.

Metanas CH 4 atitinka vieną monovalentinį radikalą metilo CH 3 .

Iš etano SU 2 N 6 taip pat galima pagaminti tik vieną radikalą - etilo  CH 2  CH 3 (arba - C 2 H 5 ).

Propanas CH 3 – CH 2 – CH 3 atitinka du izomerinius radikalus  SU 3 N 7 :

Radikalai skirstomi į pirminis, antraeilis Ir tretinis priklausomai nuo koks anglies atomas(pirminis, antrinis arba tretinis) yra laisvasis valentingumas. Šiuo pagrindu n-propilo priklauso pirminiams radikalams, ir izopropilo– prie antrinių.

Du alkanai C 4 H 10 ( n-butanas ir izobutanas) atitinka 4 monovalentinius radikalus -SU 4 N 9 :

Nuo n- gaminamas butanas n-butilas(pirminis radikalas) ir sek-butilas(antrinis radikalas), - iš izobutano - izobutilas(pirminis radikalas) ir tret-butilo(tretinis radikalas).

Taigi izomerijos reiškinys stebimas ir radikalų serijoje, tačiau izomerų skaičius yra didesnis nei atitinkamų alkanų.

Alkanų molekulių konstravimas iš radikalų

Pavyzdžiui, molekulė

gali būti „surinkti“ trimis būdais iš skirtingų vienavalenčių radikalų porų:

Šis metodas naudojamas kai kuriose organinių junginių sintezėse, pavyzdžiui:

Kur R– monovalentinis angliavandenilio radikalas (Wurtz reakcija).

Alkanų pavadinimų konstravimo taisyklės pagal IUPAC sisteminę tarptautinę nomenklatūrą

Paprasčiausiiems alkanams (C 1 -C 4) priimtini trivialūs pavadinimai: metanas, etanas, propanas, butanas, izobutanas.

Pradedant nuo penktojo homologo, vardai normalus(nešakotieji) alkanai statomi pagal anglies atomų skaičių, naudojant graikiškus skaitmenis ir priesagą -an: pentanas, heksanas, heptanas, oktanas, nonanas, dekanas ir Toliau...

Vardo širdyje šakotas alkanas yra normalaus alkano, įtraukto į jo struktūrą, turinčio ilgiausią anglies grandinę, pavadinimas. Šiuo atveju šakotosios grandinės angliavandenilis laikomas normaliame alkane vandenilio atomų pakeitimo angliavandenilių radikalais produktu.

Pavyzdžiui, alkanas

laikomas pakeistu pentanas, kuriame du vandenilio atomai pakeisti radikalais – CH 3 (metilo).

Šakoto alkano pavadinimo konstravimo tvarka

Pasirinkite pagrindinę anglies grandinę molekulėje. Pirma, jis turi būti ilgiausias. Antra, jei yra dvi ar daugiau vienodo ilgio grandinių, pasirenkama labiausiai išsišakojusi. Pavyzdžiui, molekulėje yra 2 grandinės su tuo pačiu skaičiumi (7) C atomų (paryškinta spalva):

Jei (a) grandinė turi 1 pakaitą, o (b) – 2. Todėl turėtumėte pasirinkti (b) variantą.

Sunumeruokite anglies atomus pagrindinėje grandinėje taip, kad su pakaitais susieti C atomai gautų kuo mažesnį skaičių. Todėl numeravimas prasideda nuo grandinės pabaigos, esančios arčiausiai šakos. Pavyzdžiui:

Pavadinkite visus radikalus (pakaitus), priešais nurodydami skaičius, nurodančius jų vietą pagrindinėje grandinėje. Jei yra keli identiški pakaitalai, kiekvienam iš jų rašomas skaičius (vieta), atskirtas kableliu, o jų skaičius nurodomas priešdėliais di-, trys-, tetra-, penta- ir tt (Pavyzdžiui, 2,2-dimetilas arba 2,3,3,5-tetrametilas).

Sudėkite visų pakaitų pavadinimus abėcėlės tvarka (kaip nustatyta pagal naujausias IUPAC taisykles).

Įvardykite pagrindinę anglies atomų grandinę, t.y. atitinkamas normalus alkanas.

Taigi šakotojo alkano vardu

šaknis+priesaga – normalaus alkano pavadinimas (graikų skaičius + priesaga "an"), priešdėliai – angliavandenilių radikalų numeriai ir pavadinimai.

Pavadinimo konstrukcijos pavyzdys:

Alkanų cheminės savybės

Bet kurio junginio chemines savybes lemia jo struktūra, t.y. į jo sudėtį įeinančių atomų prigimtį ir tarp jų esančių ryšių pobūdį.

Remdamiesi šia padėtimi ir atskaitos duomenimis apie C-C ir C-H ryšius, pabandykime nuspėti, kokios reakcijos būdingos alkanams.

Pirma, ypatingas alkanų prisotinimas neleidžia įvykti sudėjimo reakcijoms, tačiau neapsaugo nuo skilimo, izomerizavimo ir pakeitimo reakcijų (žr. I dalies 6.4 skirsnis „Reakcijų tipai“ ). Antra, nepolinių C–C ir silpnai polinių C–H kovalentinių ryšių simetrija (dipolio momentų reikšmes žr. lentelėje) rodo, kad jie homolitiškai (simetriškai) skilti į laisvuosius radikalus ( I dalies 6.4.3 skirsnis ). Todėl alkanų reakcijos pasižymi radikalus mechanizmas. Kadangi C-C ir C-H jungčių heterolitinis skilimas normaliomis sąlygomis nevyksta, alkanai praktiškai nedalyvauja joninėse reakcijose. Tai pasireiškia jų atsparumu polinių reagentų (rūgštys, šarmai, joniniai oksidatoriai: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 ir kt.) poveikiui. Šis alkanų inertiškumas joninėse reakcijose anksčiau buvo pagrindas juos laikyti neaktyviomis medžiagomis ir vadinti parafinais. Vaizdo įrašų patirtis"Metano ryšys su kalio permanganato tirpalu ir bromo vandeniu." Taigi alkanai savo reaktyvumą daugiausia rodo radikaliose reakcijose.

Tokių reakcijų sąlygos: aukšta temperatūra (reakcija dažnai vyksta dujų fazėje), šviesos arba radioaktyviosios spinduliuotės poveikis, junginių, kurie yra laisvųjų radikalų šaltiniai (iniciatoriai), nepoliniai tirpikliai.

Priklausomai nuo to, kuri molekulės jungtis nutrūksta pirmiausia, alkano reakcijos skirstomos į šiuos tipus. Nutrūkus C-C ryšiams, vyksta reakcijos skilimas(alkanų krekingo) ir izomerizacija anglies skeletas. C-H jungtyse galimos reakcijos pakeitimas vandenilio atomas arba jo atsiskyrimas(alkanų dehidrinimas). Be to, alkanuose esantys anglies atomai yra labiausiai redukuotos formos (anglies oksidacijos laipsnis, pavyzdžiui, metane yra –4, etane –3 ir t. t.), o esant oksiduojančioms medžiagoms, reakcijos vyks tam tikromis sąlygomis oksidacija alkanai, kuriuose dalyvauja C-C ir C-H ryšiai.

Alkanų krekingas

Krekingas yra terminio angliavandenilių skilimo procesas, pagrįstas didelių molekulių anglies grandinės suskaidymo reakcijomis, susidarant junginiams su trumpesne grandine.

Alkanų krekingas yra naftos perdirbimo pagrindas, siekiant gauti mažesnės molekulinės masės produktus, kurie naudojami kaip variklių kuras, tepalinės alyvos ir kt., taip pat žaliavos chemijos ir naftos chemijos pramonei. Yra du būdai, kaip atlikti šį procesą: terminis įtrūkimas(kai šildomas be oro prieigos) ir katalizinis krekingas(saikesnis kaitinimas esant katalizatoriui).

Terminis įtrūkimas. Esant 450–700 o C temperatūrai, suyra alkanai dėl C–C ryšių skilimo (šioje temperatūroje išlieka stipresni C–H ryšiai) ir susidaro alkanai bei alkenai, turintys mažesnį anglies atomų skaičių.

Pavyzdžiui:

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

Ryšiai suyra homolitiškai, kai susidaro laisvieji radikalai:

Laisvieji radikalai yra labai aktyvūs. Vienas iš jų (pavyzdžiui, etilas) abstrahuoja atominį vandenilį N iš kito ( n-butilas) ir virsta alkanu (etanu). Kitas radikalas, tapęs dvivalenčiu, virsta alkenu (butenu-1) dėl π-jungties susidarymo, kai du elektronai yra suporuoti iš gretimų atomų:

Animacija(Samaros 124 mokyklos 9 klasės mokinio Aleksejaus Litviško darbas)

C-C jungties skilimas galimas bet kurioje atsitiktinėje molekulės vietoje. Todėl susidaro alkanų ir alkenų mišinys, kurio molekulinė masė mažesnė nei pradinio alkano.

Apskritai šis procesas gali būti išreikštas tokia diagrama:

C n H 2n+2 C m H 2 m +C p H 2p+2 , Kur m + p = n

Esant aukštesnei temperatūrai (virš 1000C) nutrūksta ne tik C–C ryšiai, bet ir stipresni C–H ryšiai. Pavyzdžiui, terminis metano krekingas naudojamas suodžiams (grynai angliai) ir vandeniliui gaminti:

CH 4 C+2H 2

Šiluminį įtrūkimą atrado rusų inžinierius V.G. Šuchovas 1891 metais

Katalizinis krekingas atliekami dalyvaujant katalizatoriams (dažniausiai aliuminio ir silicio oksidams), esant 500°C temperatūrai ir atmosferos slėgiui. Šiuo atveju, kartu su molekulių plyšimu, vyksta izomerizacijos ir dehidrinimo reakcijos. Pavyzdys: oktaninio skaičiaus įtrūkimas(Samaros 124 mokyklos 9 klasės mokinio Aleksejaus Litviško darbas). Kai alkanai dehidrogenuojami, susidaro cikliniai angliavandeniliai (reakcija dehidrociklizacija, 2.5.3 skirsnis). Šakotųjų ir ciklinių angliavandenilių buvimas benzine padidina jo kokybę (atsparumas smūgiams, išreikštas oktaniniu skaičiumi). Krekingo metu susidaro daug dujų, kuriose daugiausia yra sočiųjų ir nesočiųjų angliavandenilių. Šios dujos naudojamos kaip žaliavos chemijos pramonei. Atliktas esminis katalizinio krekingo, esant aliuminio chloridui, darbas N.D. Zelinskis.

Alkanų izomerizacija

Normalios struktūros alkanai veikiami katalizatorių ir kaitinant gali virsti šakotaisiais alkanais, nekeičiant molekulių sudėties, t.y. įsitraukia į izomerizacijos reakcijas. Šiose reakcijose dalyvauja alkanai, kurių molekulėse yra mažiausiai 4 anglies atomai.

Pavyzdžiui, n-pentano izomerizacija į izopentaną (2-metilbutaną) vyksta 100 °C temperatūroje, esant aliuminio chlorido katalizatoriui:

Pradinė medžiaga ir izomerizacijos reakcijos produktas turi tas pačias molekulines formules ir yra struktūriniai izomerai (anglies skeleto izomerija).

Alkanų dehidrogenavimas

Kai alkanai kaitinami dalyvaujant katalizatoriams (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO), jų katalizė dehidrogenacija– vandenilio atomų abstrakcija nutrūkus CH-H ryšiams.

Dehidrinimo produktų struktūra priklauso nuo reakcijos sąlygų ir pagrindinės grandinės ilgio pradinėje alkano molekulėje.

1. Žemesni alkanai, kurių grandinėje yra nuo 2 iki 4 anglies atomų, kai kaitinami virš Ni katalizatoriaus, pašalina vandenilį iš kaimyninis anglies atomais ir virsti alkenai:

Kartu su butenas-2ši reakcija sukelia butenas-1 CH2 =CH-CH2-CH3. Esant Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 katalizatoriui 450-650 °C temperatūroje nuo n Taip pat gaunamas butanas butadieno-1,3 CH2=CH-CH=CH2.

2. Norint gauti, naudojami alkanai, kurių pagrindinėje grandinėje yra daugiau nei 4 anglies atomai cikliškas jungtys. Tai nutinka dehidrociklizacija– dehidrogenavimo reakcija, dėl kurios grandinė užsidaro į stabilų ciklą.

Jei pagrindinėje alkano molekulės grandinėje yra 5 (bet ne daugiau) anglies atomų ( n-pentanas ir jo alkilo dariniai), tada kaitinant virš Pt katalizatoriaus vandenilio atomai atsiskiria nuo galinių anglies grandinės atomų ir susidaro penkių narių ciklas (ciklopentanas arba jo dariniai):

Alkanai, kurių pagrindinė grandinė yra 6 ar daugiau anglies atomų, taip pat dehidrociklizuojasi, tačiau visada sudaro 6 narių žiedą (cikloheksanas ir jo dariniai). Reakcijos sąlygomis šis ciklas toliau dehidrogenuojamas ir virsta energetiškai stabilesniu aromatinio angliavandenilio (areno) benzeno žiedu. Pavyzdžiui:

Šios reakcijos yra proceso pagrindas reformuojantis– naftos produktų perdirbimas, norint gauti arenus ( aromatizavimas sotieji angliavandeniliai) ir vandenilis. Transformacija n- arenoje esantys alkanai pagerina benzino atsparumą detonacijai.

3. Prie 1500 С atsiranda tarpmolekulinis dehidrogenavimas metanas pagal schemą:

Ši reakcija ( metano pirolizė ) naudojamas pramoninei acetileno gamybai.

Alkanų oksidacijos reakcijos

Organinėje chemijoje oksidacijos ir redukcijos reakcijos laikomos reakcijomis, kurių metu organinis junginys praranda ir įgyja vandenilio ir deguonies atomus. Šiuos procesus natūraliai lydi atomų oksidacijos būsenų pasikeitimas ( I dalies 6.4.1.6 skirsnis ).

Organinės medžiagos oksidacija yra deguonies įvedimas į jos sudėtį ir (arba) vandenilio pašalinimas. Redukcija yra atvirkštinis procesas (vandenilio įvedimas ir deguonies pašalinimas). Atsižvelgiant į alkanų (C n H 2n + 2) sudėtį, galime daryti išvadą, kad jie negali dalyvauti redukcijos reakcijose, bet gali dalyvauti oksidacijos reakcijose.

Alkanai yra junginiai, turintys mažą anglies oksidacijos laipsnį ir, priklausomai nuo reakcijos sąlygų, gali būti oksiduojami, kad susidarytų įvairūs junginiai.

Įprastoje temperatūroje alkanai nereaguoja net su stipriais oksidatoriais (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4 ir kt.). Įvedus į atvirą ugnį, alkanai dega. Šiuo atveju, esant deguonies pertekliui, jie visiškai oksiduojasi iki CO 2, kur anglis turi aukščiausią oksidacijos laipsnį +4, ir vandens. Angliavandenilių degimas sukelia visų C-C ir CH jungčių plyšimą ir kartu išsiskiria dideliu šilumos kiekiu (egzoterminė reakcija).

Žemesni (dujiniai) homologai – metanas, etanas, propanas, butanas – lengvai užsidega ir su oru sudaro sprogius mišinius, į kuriuos reikia atsižvelgti juos naudojant. Didėjant molekulinei masei, alkanai užsidega sunkiau. Vaizdo įrašų patirtis„Metano ir deguonies mišinio sprogimas“. Vaizdo įrašų patirtis„Skystųjų alkanų deginimas“. Vaizdo įrašų patirtis"Parafino deginimas".

Angliavandenilių degimo procesas plačiai naudojamas energijai gaminti (vidaus degimo varikliuose, šiluminėse elektrinėse ir kt.).

Bendrosios formos alkanų degimo reakcijos lygtis:

Iš šios lygties išplaukia, kad padidėjus anglies atomų skaičiui ( n) alkane padidėja deguonies kiekis, reikalingas jo pilnai oksidacijai. Deginant aukštesniuosius alkanus ( n>>1) ore esančio deguonies gali nepakakti, kad jie visiškai oksiduotųsi iki CO 2 . Tada susidaro dalinės oksidacijos produktai: smalkės CO (anglies oksidacijos laipsnis +2), suodžiai(smulki anglis, nulinė oksidacijos būsena). Todėl aukštesni alkanai dega ore dūmine liepsna, o pakeliui išsiskiriantis nuodingas anglies monoksidas (bekvapis ir bespalvis) kelia pavojų žmogui.

Alkanų sandara

Alkanai yra angliavandeniliai, kurių molekulėse atomai yra sujungti viengubomis jungtimis ir atitinka bendrąją formulę C n H 2n+2. Alkano molekulėse visi anglies atomai yra būsenoje sp 3 -hibridizacija.

Tai reiškia, kad visos keturios hibridinės anglies atomo orbitos yra identiškos savo forma, energija ir yra nukreiptos į lygiakraštės trikampės piramidės kampus. tetraedras. Kampai tarp orbitų yra 109° 28′. Aplink vieną anglies-anglies ryšį galimas beveik laisvas sukimasis, o alkano molekulės gali įgauti įvairiausių formų, kurių kampai ties anglies atomais yra arti tetraedro (109° 28′), pavyzdžiui, n-pentano molekulėje.

Ypač verta prisiminti ryšius alkano molekulėse. Visi ryšiai sočiųjų angliavandenilių molekulėse yra pavieniai. Persidengimas vyksta išilgai ašies, jungiančios atomų branduolius, t.y σ obligacijos. Anglies ir anglies jungtys yra nepolinės ir prastai poliarizuojamos. C-C jungties ilgis alkanuose yra 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H jungtys yra šiek tiek trumpesnės. Elektronų tankis šiek tiek pasislenka link labiau elektronegatyvaus anglies atomo, t.y. CH jungtis yra silpnai poliarinis.

Homologinė metano serija

Homologai- medžiagos, kurių struktūra ir savybės yra panašios ir skiriasi viena ar daugiau CH grupių 2 .

Sotieji angliavandeniliai sudaro homologinę metano seriją.

Alkanų izomerizmas ir nomenklatūra

Alkanams būdingas vadinamasis struktūrinė izomerija. Struktūriniai izomerai skiriasi vienas nuo kito anglies skeleto struktūra. Paprasčiausias alkanas, kuriam būdingi struktūriniai izomerai, yra butanas.

Leiskite mums išsamiau apsvarstyti pagrindinę alkanų nomenklatūrą IUPAC.

1. Pagrindinės grandinės pasirinkimas. Angliavandenilio pavadinimo formavimas prasideda nuo pagrindinės grandinės apibrėžimo - ilgiausios anglies atomų grandinės molekulėje, kuri yra tarsi jos pagrindas.

2. Pagrindinės grandinės atomų numeracija. Pagrindinės grandinės atomams priskiriami numeriai. Pagrindinės grandinės atomų numeracija prasideda nuo to galo, kuriam pakaitalas yra arčiausiai (struktūros A, B). Jei pakaitai yra vienodu atstumu nuo grandinės galo, tai numeracija pradedama nuo to galo, kuriame jų yra daugiau (B struktūra). Jei skirtingi pakaitai yra vienodais atstumais nuo grandinės galų, tada numeracija pradedama nuo to galo, prie kurio arčiausiai yra vyresnysis (struktūra D). Angliavandenilių pakaitalų eiliškumas nustatomas pagal raidės, kuria prasideda jų pavadinimas, abėcėlėje: metilas (-CH 3), tada propilas (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etilas (-CH 2) -CH3) ir kt.

Atkreipkite dėmesį, kad pakaito pavadinimas susidaro atitinkamo alkano pavadinime pakeičiant galūnę -ane priesaga -yl.

3. Vardo formavimas. Pavadinimo pradžioje nurodomi skaičiai - anglies atomų, prie kurių yra pakaitai, skaičiai. Jei tam tikrame atome yra keli pakaitai, atitinkamas skaičius pavadinime kartojamas du kartus, atskiriant kableliu (2,2-). Po skaičiaus brūkšnelis nurodo pakaitų skaičių (di – du, trys – trys, tetra – keturi, penta – penki) ir pakaito pavadinimą (metilas, etilas, propilas). Tada be tarpų ar brūkšnelių – pagrindinės grandinės pavadinimas. Pagrindinė grandinė vadinama angliavandeniliu – homologinės metano serijos nariu (metanas, etanas, propanas ir kt.).

Medžiagų, kurių struktūrinės formulės pateiktos aukščiau, pavadinimai yra tokie:

Struktūra A: 2-metilpropanas;

Struktūra B: 3-etilheksanas;

Struktūra B: 2,2,4-trimetilpentanas;

D struktūra: 2-metil-4-etilheksanas.

Sočiųjų angliavandenilių nebuvimas molekulėse poliniai ryšiai veda prie jų blogai tirpsta vandenyje, nesąveikauti su įkrautomis dalelėmis (jonais). Alkanams būdingiausios reakcijos yra susijusios su laisvieji radikalai.

Alkanų fizinės savybės

Pirmieji keturi homologinės metano serijos atstovai yra dujų. Paprasčiausias iš jų yra metanas - bespalvės, beskonės ir bekvapės dujos ("dujų kvapą", užuodus reikia skambinti 04, lemia merkaptanų kvapas - sieros turintys junginiai, specialiai dedami į naudojamą metaną. buitiniuose ir pramoniniuose dujų prietaisuose, kad šalia jų esantys žmonės galėtų aptikti nuotėkį pagal kvapą).

Sudėties angliavandeniliai iš SU 5 N 12 prieš SU 15 N 32 - skysčiai; sunkesni angliavandeniliai yra kietos medžiagos. Alkanų virimo ir lydymosi temperatūra palaipsniui didėja didėjant anglies grandinės ilgiui. Visi angliavandeniliai blogai tirpsta vandenyje; skystieji angliavandeniliai yra įprasti organiniai tirpikliai.

Alkanų cheminės savybės

Pakeitimo reakcijos.

Alkanams būdingiausios reakcijos yra laisvųjų radikalų pakeitimas, kurio metu vandenilio atomas pakeičiamas halogeno atomu arba kokia nors grupe.

Pateiksime charakteringas lygtis halogeninimo reakcijos:

Esant halogeno pertekliui, chloravimas gali vykti toliau, iki visiško vandenilio atomų pakeitimo chloru:

Gautos medžiagos plačiai naudojamos kaip tirpikliai ir pradinės medžiagos organinėje sintezėje.

Dehidrogenavimo reakcija(vandenilio gavyba).

Kai alkanai perduodami per katalizatorių (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) aukštoje temperatūroje (400-600 °C), vandenilio molekulė pašalinama ir alkenas:

Reakcijos, kurias lydi anglies grandinės sunaikinimas. Visi sotieji angliavandeniliai dega susidarant anglies dioksidui ir vandeniui. Dujiniai angliavandeniliai, tam tikromis proporcijomis susimaišę su oru, gali sprogti.

1. Sočiųjų angliavandenilių deginimas yra laisvųjų radikalų egzoterminė reakcija, kuri yra labai svarbi naudojant alkanus kaip kurą:

Apskritai alkanų degimo reakciją galima parašyti taip:

2. Terminis angliavandenilių skaidymas.

Procesas vyksta pagal laisvųjų radikalų mechanizmas. Temperatūros padidėjimas sukelia homolitinį anglies-anglies jungties skilimą ir laisvųjų radikalų susidarymą.

Šie radikalai sąveikauja vienas su kitu, keisdami vandenilio atomą, sudarydami molekulę alkano ir alkeno molekulės:

Terminio skilimo reakcijos yra pramoninio proceso pagrindas - angliavandenilių krekingo. Šis procesas yra svarbiausias naftos perdirbimo etapas.

3. Pirolizė. Kai metanas kaitinamas iki 1000 °C temperatūros, metano pirolizė- skilimas į paprastas medžiagas:

Kaitinant iki 1500 °C temperatūros, susidaro acetilenas:

4. Izomerizacija. Kai linijiniai angliavandeniliai kaitinami izomerizacijos katalizatoriumi (aliuminio chloridu), medžiagos su šakotas anglies skeletas:

5. Aromatizavimas. Alkanai, kurių grandinėje yra šeši ar daugiau anglies atomų, ciklizuojasi, dalyvaujant katalizatoriui, sudarydami benzeną ir jo darinius:

Alkanai patenka į reakcijas, kurios vyksta pagal laisvųjų radikalų mechanizmą, nes visi alkano molekulėse esantys anglies atomai yra sp 3 hibridizacijos būsenoje. Šių medžiagų molekulės yra sudarytos naudojant kovalentinius nepolinius C-C (anglies-anglies) ryšius ir silpnai polinius C-H (anglies-vandenilio) ryšius. Juose nėra zonų su padidintu ar sumažėjusiu elektronų tankiu arba lengvai poliarizuojamų ryšių, t.y. tokių ryšių, kuriuose elektronų tankis gali pasislinkti veikiant išoriniams veiksniams (jonų elektrostatiniams laukams). Vadinasi, alkanai nereaguos su įkrautomis dalelėmis, nes ryšiai alkano molekulėse nenutrūksta dėl heterolitinio mechanizmo.

Alkanai yra sotieji angliavandeniliai. Jų molekulėse atomai turi pavienes jungtis. Struktūra nustatoma pagal formulę CnH2n+2. Panagrinėkime alkanus: chemines savybes, rūšis, pritaikymą.

Ryšio struktūra

Anglies struktūroje yra keturios orbitos, kuriose sukasi atomai. Orbitos turi tą pačią formą ir energiją.

Pastaba! Kampai tarp jų yra 109 laipsniai ir 28 minutės, jie nukreipti į tetraedro viršūnes.

Viena anglies jungtis leidžia alkano molekulėms laisvai suktis, todėl struktūros įgauna skirtingas formas, formuojančias viršūnes prie anglies atomų.

Visi alkano junginiai skirstomi į dvi pagrindines grupes:

1. Alifatiniai angliavandeniliai. Tokios konstrukcijos turi linijinį ryšį. Bendra formulė atrodo taip: CnH2n+2. n reikšmė, lygi arba didesnė už vieną, rodo anglies atomų skaičių.
2. Cikloalkanai su cikline struktūra. Ciklinių alkanų cheminės savybės labai skiriasi nuo linijinių junginių savybių. Cikloalkanų formulė daro juos tam tikru mastu panašius į angliavandenilius, turinčius trigubą atominę jungtį, tai yra, alkinus.

Alkanų rūšys

Yra keletas alkano junginių tipų, kurių kiekvienas turi savo formulę, struktūrą, chemines savybes ir alkilo pakaitalą. Lentelėje yra homologinė serija

Alkanų pavadinimas

Bendra sočiųjų angliavandenilių formulė yra CnH2n+2. Pakeitus n reikšmę, gaunamas junginys su paprastu tarpatominiu ryšiu.

Naudingas vaizdo įrašas: alkanai - molekulinė struktūra, fizinės savybės

Alkanų rūšys, reakcijos galimybės

Natūraliomis sąlygomis alkanai yra chemiškai inertiški junginiai. Angliavandeniliai nereaguoja į sąlytį su azoto ir sieros rūgšties koncentratu, šarmais ir kalio permanganatu.

Pavieniai molekuliniai ryšiai lemia alkanams būdingas reakcijas. Alkanų grandinėms būdingi nepoliniai ir silpnai poliarizuojami ryšiai. Jis yra šiek tiek ilgesnis nei S-N.

Bendroji alkanų formulė

Pakeitimo reakcija

Parafino medžiagoms būdingas nereikšmingas cheminis aktyvumas. Tai paaiškinama padidėjusiu grandinės sujungimo stiprumu, kurį nesunku sulaužyti. Sunaikinimui naudojamas homologinis mechanizmas, kuriame dalyvauja laisvieji radikalai.

Alkanams pakeitimo reakcijos yra natūralesnės. Jie nereaguoja į vandens molekules ir įkrautus jonus. Pakeitimo metu vandenilio dalelės pakeičiamos halogenu ir kitais aktyviais elementais. Tarp tokių procesų yra halogeninimas, nitridinimas ir sulfochlorinimas. Tokios reakcijos naudojamos alkano dariniams susidaryti.

Laisvųjų radikalų pakeitimas vyksta trimis pagrindiniais etapais:

1. Grandinės, kurios pagrindu susidaro laisvieji radikalai, išvaizda. Šiluma ir ultravioletiniai spinduliai naudojami kaip katalizatoriai.
2. Sukurti grandinę, kurios struktūroje vyksta aktyvių ir neaktyvių dalelių sąveika. Taip susidaro molekulės ir radikalų dalelės.
3. Pabaigoje grandinė nutrūksta. Aktyvūs elementai sukuria naujus derinius arba visai išnyksta. Grandininė reakcija baigiasi.

Halogeninimas

Procesas atliekamas pagal radikalų tipą. Halogeninimas vyksta veikiant ultravioletiniams spinduliams ir angliavandenilių bei halogenų mišinio terminiam kaitinimui.

Visas procesas vyksta pagal Markovnikovo taisyklę. Jo esmė slypi tame, kad vandenilio atomas, priklausantis hidrintai anglimi, pirmasis halogeninamas. Procesas prasideda tretiniu atomu ir baigiasi pirmine anglimi.

Sulfochlorinimas

Kitas pavadinimas yra Reed reakcija. Tai atliekama laisvųjų radikalų pakeitimo metodu. Taigi alkanai reaguoja į sieros dioksido ir chloro derinį veikiami ultravioletinių spindulių.

Reakcija prasideda nuo grandinės mechanizmo aktyvavimo. Šiuo metu iš chloro išsiskiria du radikalai. Vieno veikimas nukreiptas į alkaną, todėl susidaro vandenilio chlorido molekulė ir alkilo elementas. Kitas radikalas susijungia su sieros dioksidu ir sukuria sudėtingą derinį. Norint pasiekti pusiausvyrą, vienas chloro atomas pašalinamas iš kitos molekulės. Rezultatas yra alkano sulfonilchloridas. Ši medžiaga naudojama paviršiaus aktyviosioms medžiagoms gaminti.

Sulfochlorinimas

Nitravimas

Nitravimo procesas apima sočiųjų anglių sujungimą su dujiniu keturiavalenčiu azoto oksidu ir azoto rūgštimi, sumaišytą iki 10% tirpalo. Reakcijai reikės žemo slėgio ir aukštos temperatūros, maždaug 104 laipsnių. Dėl nitrinimo gaunami nitroalkanai.

Atsiskyrimas

Dehidrogenavimo reakcijos vykdomos atskiriant atomus. Metano molekulinė dalelė visiškai suyra veikiant temperatūrai.

Dehidrogenavimas

Jei vandenilio atomas yra atskirtas nuo parafino anglies gardelės (išskyrus metaną), susidaro nesotieji junginiai. Šios reakcijos vykdomos esant reikšmingoms temperatūros sąlygoms (400-600 laipsnių). Taip pat naudojami įvairūs metaliniai katalizatoriai.

Alkanai gaunami hidrinant nesočiuosius angliavandenilius.

Skilimo procesas

Alkano reakcijų metu veikiant temperatūrai, gali nutrūkti molekuliniai ryšiai ir išsiskirti aktyvūs radikalai. Šie procesai yra žinomi kaip pirolizė ir krekingas.

Kaitinamas reakcijos komponentas iki 500 laipsnių, molekulės pradeda irti, o jų vietoje susidaro kompleksiniai radikalų alkilo mišiniai. Alkanai ir alkenai tokiu būdu gaminami pramonėje.

Oksidacija

Tai cheminės reakcijos, pagrįstos elektronų donoryste. Parafinams būdinga autooksidacija. Procese naudojamas sočiųjų angliavandenilių oksidavimas laisvaisiais radikalais. Alkanų junginiai skystoje būsenoje paverčiami hidroperoksidu. Pirma, parafinas reaguoja su deguonimi. Susidaro aktyvūs radikalai. Tada alkilo rūšys reaguoja su antrąja deguonies molekule. Susidaro peroksido radikalas, kuris vėliau sąveikauja su alkano molekule. Proceso metu išsiskiria hidroperoksidas.

Alkanų oksidacijos reakcija

Alkanų taikymas

Anglies junginiai plačiai naudojami beveik visose pagrindinėse žmogaus gyvenimo srityse. Kai kurios junginių rūšys yra būtinos tam tikroms pramonės šakoms ir patogiam šiuolaikinio žmogaus egzistavimui.

Dujiniai alkanai yra vertingo kuro pagrindas. Pagrindinis daugumos dujų komponentas yra metanas.

Metanas turi savybę sukurti ir išleisti didelius šilumos kiekius. Todėl jis naudojamas dideliais kiekiais pramonėje ir vidaus vartojimui. Sumaišius butaną ir propaną, gaunamas geras buitinis kuras.

Metanas naudojamas šių produktų gamyboje:

• metanolis;
• tirpikliai;
• freonas;
• rašalas;
• kuro;
• sintezės dujos;
• acetilenas;
• formaldehidas;
• skruzdžių rūgštis;
• plastmasinis.

Metano taikymas

Skystieji angliavandeniliai yra skirti variklių ir raketų kurui ir tirpikliams gaminti.

Aukštesni angliavandeniliai, kur anglies atomų skaičius viršija 20, dalyvauja tepalų, dažų ir lakų, muilo ir ploviklių gamyboje.

Riebalų angliavandenilių, turinčių mažiau nei 15 H atomų, derinys yra vazelino aliejus. Šis beskonis, skaidrus skystis naudojamas kosmetikoje, kuriant kvepalus ir medicinos reikmėms.

Vazelinas yra kietųjų ir riebalų alkanų, turinčių mažiau nei 25 anglies atomus, derinio rezultatas.Medžiaga dalyvauja kuriant medicininius tepalus.

Parafinas, gaunamas sujungiant kietus alkanus, yra vientisa, beskonė masė, baltos spalvos ir be kvapo. Iš medžiagos gaminamos žvakės, impregnuojanti medžiaga, skirta vynioti popierių ir degtukus. Parafinas taip pat populiarus šiluminėms procedūroms kosmetologijoje ir medicinoje.

Pastaba! Alkanų mišiniai taip pat naudojami sintetiniams pluoštams, plastikams, plovikliams ir gumai gaminti.

Halogeninti alkano junginiai veikia kaip tirpikliai, šaltnešiai, taip pat kaip pagrindinė medžiaga tolesnei sintezei.

Naudingas vaizdo įrašas: alkanai - cheminės savybės

Išvada

Alkanai yra acikliniai angliavandenilių junginiai, turintys linijinę arba šakotą struktūrą. Tarp atomų susidaro viengubas ryšys, kurio negalima nutraukti. Alkanų reakcijos, pagrįstos šiam junginių tipui būdingų molekulių pakeitimu. Homologinė serija turi bendrą struktūrinę formulę CnH2n+2. Angliavandeniliai priklauso sočiųjų klasei, nes juose yra didžiausias leistinas vandenilio atomų skaičius.

Susisiekus su