Алкани - Хімія та Біологія у школі
Сайт вчителя хімії та біології МБОУ ЗОШ №2 с.Козаки Єлецького р-ну Липецької обл. Радіної М.В.
| Теми на форумі | Автор | Дата |
Загальна характеристика
Вуглеводні - найпростіші органічні сполуки, що складаються з двох елементів: вуглецю та водню. Граничними вуглеводнями,
або алканами (міжнародна назва), називаються сполуки, склад яких виражається загальною формулою С n Н2n+2 де n - число атомів вуглецю. У молекулах граничних вуглеводнів атоми вуглецю пов'язані між собою простим (одинарним) зв'язком, а всі інші валентності насичені атомами водню. Алкани називають також насиченими вуглеводнями або парафінами (термін «парафіни» означає «мають схожість»).
Першим членом гомологічного ряду алканів є метан СН4. Закінчення -ан є притаманним назв граничних вуглеводнів. Далі слідує етан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Починаючи з п'ятого вуглеводню, назва утворюється з грецького числівника, що вказує на кількість вуглецевих атомів у молекулі, і закінчення -ан. Це пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 і т.д.
У гомологічному ряду спостерігається поступова зміна фізичних властивостей вуглеводнів: підвищуються температури кипіння та плавлення, зростає щільність. За звичайних умов (температура
22°С) перші чотири члени ряду (метан, етан, пропан, бутан) - гази, з С5Н12 до С16Н34 - рідини, а з С17Н36 - тверді речовини.
Алкани, починаючи з четвертого члена ряду (бутану), мають ізомери.
Всі алкани насичені воднем до краю (максимально). Їхні атоми вуглецюперебувають у стані sp 3 -гібридизації, а значить, мають прості (одинарні) зв'язки.
Номенклатура
Назви перших десяти членів низки граничних вуглеводнів вже дано. Щоб підкреслити, що алкан має нерозгалужене вуглецеве коло, часто до назви додають слово нормальний (н-), наприклад:
(Нормальний бутан) (нормальний гептан)
При відриві атома водню від молекули алкану утворюються одновалетні частки, які називаються вуглеводневими радикалами (скорочено позначаються буквою R). Назви одновалентних радикалів виробляються від назв відповідних вуглеводнів із заміною закінчення -ан на -іл. Ось відповідні приклади:
Вуглеводні
Одновалентні радикали
Радикали утворюються як органічними, а й неорганічними сполуками. Так, якщо від азотної кислоти відібрати гідроксильну групу ВІН, то вийде одновалентний радикал - NO2, званий нітрогрупою, і т.д.
При відібранні від молекули вуглеводню двох атомів водню виходять двовалентні радикали. Їхні назви також виробляються від назв відповідних граничних вуглеводнів із заміною закінчення -ан на -іліден (якщо атоми водню відірвані від одного атома вуглецю) або -ілен (якщо атоми водню відірвані від двох сусідніх атомів вуглецю). Радикал СН2= має назву метилен.
Назви радикалів використовують у номенклатурі багатьох похідних вуглеводнів. Наприклад: СН3I - йодистий метил, С4Н9Сl -хлористий бутил, СН 2Сl 2 - хлористий метилен, С2Н4Вr 2 - бромистий етилен (якщо атоми брому пов'язані з різними атомами вуглецю) або бромистий етилиден (якщо атоми брому).
Для назви ізомерів широко застосовують дві номенклатури: стару – раціональну та сучасну –замісну, яку також називають систематичною чи міжнародною (запропонована Міжнародним союзом теоретичної та прикладної хімії ІЮПАК).
За раціональною номенклатурою вуглеводні розглядаються як похідні метану, у якого один або кілька атомів водню заміщені на радикали. Якщо формулі однакові радикали повторюються кілька разів, їх вказують грецькими чисельними: ді - два, три - три, тетра - чотири, пента - п'ять, гекса - шість тощо.
Раціональна номенклатура зручна для дуже складних сполук.
За замісною номенклатурою основою для назви служить один вуглецевий ланцюг, а всі інші фрагменти молекули розглядаються як замісники. В цьому випадку вибирають найбільш довгий ланцюг вуглецевих атомів і атоми ланцюга нумерують з того кінця, до якого ближче стоїть вуглеводневий радикал. Потім називають: 1) номер вуглецевого атома, з яким пов'язаний радикал (починаючи з найпростішого радикалу); 2) вуглеводень, якому відповідає довгий ланцюг. Якщо формулі міститься кілька однакових радикалів, перед їх назвою вказують число прописом (ди-, три-, тетра- тощо. буд.), а номери радикалів розділяють комами. Ось як за цією номенклатурою слід назвати ізомери гексану:
А ось складніший приклад:
Як замісна, і раціональна номенклатура застосовуються як для вуглеводнів, але й інших класів органічних сполук. Для деяких органічних сполук використовуються історично сформовані (емпіричні) або звані тривіальні назви (мурашина кислота, сірчаний ефір, сечовина та інших.).
При написанні формул ізомерів легко помітити, що атоми вуглецю займають у них різне становище. Атом вуглецю, який пов'язаний тількиз одним атомом вуглецю в ланцюзі, називається первинним, з двома – вторинним, з трьома – третинним, з чотирма – четвертинним. Так, наприклад, в останньому прикладі атоми вуглецю 1 і 7 - первинні, 4 і 6 - вторинні, 2 і 3 - третинні, 5 - четвертинний. Властивості атомів водню, інших атомів та функціональних груп залежать від того, з яким вуглецевим атомом вони пов'язані: з первинним, вторинним чи третинним. Це завжди треба враховувати.
Отримання. Властивості.
Фізичні властивості . У звичайних умовах перші чотири члени гомологічного ряду алканів (С1-С4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану (C5-C17) - рідини, починаючи з С18 і вище - тверді речовини. Принаймні збільшення числа атомів вуглецю в ланцюзі, тобто. зі зростанням відносної молекулярної маси, зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани.
Алкани практично нерозчинні у воді, тому що їх молекули малополярні і не взаємодіють із молекулами води, вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан та ін. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним.
Основні природні джерела алканів - нафта та природний газ. Різні фракції нафти містять алкани від C5H12 до С30Н62. Природний газ складається з метану (95%) з домішкою етану та пропану.
З синтетичних методів одержання алканів можна виділити такі:
1 . Одержання з ненасичених вуглеводнів. Взаємодія алкенів або алкінів з воднем ("гідрування") відбувається в присутності металевих каталізаторів (Ni, Pd) при нагріванні:
| tº. Ni | ||
| СН3-СН = СН2 + Н2 | → | СН3-СН2-СН3, |
2 . Отримання з галогенпровідних. При нагріванні моногалогензаміщених алканів з металевим натрієм одержують алкани з подвоєним числом атомів вуглецю (реакція Вюрца):
Подібну реакцію не проводять з двома різними галогензаміщеними алканами, оскільки при цьому виходить суміш трьох різних алканів
3 . Одержання із солей карбонових кислот. При сплавленні безводних солей карбонових кислот з лугами виходять алкани, що містять на один атом вуглецю менше порівняно з вуглецевим ланцюгом вихідних карбонових кислот:
| t° | ||
| CH3COONa + NaOH | → | СН4↑ + Na2CO3. |
4. Отримання метану. В електричній дузі, що горить в атмосфері водню, утворюється значна кількість метану:
Така сама реакція йде при нагріванні вуглецю в атмосфері водню до 400-500 ° С при підвищеному тиску в присутності каталізатора.
У лабораторних умовах метан часто одержують із карбіду алюмінію:
Хімічні властивості . У звичайних умовах алкани хімічно інертні. Вони стійкі до дії багатьох реагентів: не взаємодіють із концентрованими сірчаною та азотною кислотами, з концентрованими та розплавленими лугами, не окислюються сильними окислювачами – перманганатомкалію KMn О4 тощо.
Хімічна стійкість алканів пояснюється високою міцністю s-зв'язків С-С та С-Н, а також їх неполярністю. Неполярні зв'язки С-С і С-Н в алканах не схильні до іонного розриву, але здатні гомолітично розщеплюватися під дією активних вільних радикалів. Тому для алканів характерні радикальні реакції, в результаті яких утворюються сполуки,де атоми водню заміщені інші атоми чи групи атомів. Отже, алкани вступають у реакції, що протікають механізмом радикального заміщення, що позначається символом SR ( від англ , substitution radicalic ). За цим механізмом найлегше заміщаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю.
1. Галогенування. При взаємодії алканів з галогенами (хлором і бромом) під дією УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно до полігалогензаміщених алканів. Загальна схема цієї реакції показана на прикладі метану:
<> <>
| Сl2 | Сl2 | Сl2 | Сl2 | |||||||
| СН4 | → | СН3Сl | → | СН2Сl 2 | → | СНСl3 | → | ССl 4 | (*) | |
| -HCl | -HCl | -НСl | -HCl |
Реакція утворення хлорметану протікає за ланцюговим механізмом, що характеризується такими стадіями:
а) ініціювання ланцюга:
| hv | ||
| Сl2 | → | 2Сl · |
б) Зростання ланцюга. Радикал хлору забирає у молекули алкану атом водню:
При цьому утворюється алкільний радикал, який забирає атом хлору у молекули хлору:
Ці реакції повторюються доти, доки відбудеться обрив ланцюга за однією з реакцій:
Сумарне рівняння реакції:
| hv | ||
| СН4 + Сl2 | → | СН3Сl + НСl. |
Хлорметан, що утворюється, може піддаватися подальшому хлоруванню, даючи суміш продуктів CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , СС l 4 за схемою (*).
Розвиток теорії ланцюгових вільнорадикальних реакцій тісно пов'язаний із ім'ям видатного українського вченого, лауреата Нобелівської премії Н.І. Семенова (1896-1986).
2. Нітрування (реакція Коновалова). При дії розведеної азотної кислоти на алкани при 140 °С та невеликому тиску протікає радикальна реакція:
| t ° | ||
| CH3-CH3 + HNO3 | → | CH3-CH2-NO2 + H2O. |
При радикальних реакціях (галогенування, нітрування) насамперед замішаються атоми водню у третинних, потім у вторинних та первинних атомів вуглецю. Це пояснюється тим, що найлегше розривається гомолітично зв'язок третинного атома вуглецю з воднем (енергія зв'язку 376 кДж/моль), потім вторинного (390 кДж/моль) і тільки потім первинного (415 кДж/моль).
3. Ізомеризація. Нормальні алкани за певних умов можуть перетворюватися на алкани з розгалуженим ланцюгом:
4. Крекінг - це гемолітичний розрив зв'язків С-С, який протікає при нагріванні і під дією каталізаторів.
Ці реакції мають велике промислове значення. Таким шляхом висококиплячі фракції нафти (мазут) перетворюють на бензин, гас та інші цінні продукти.
5. Окислення. При м'якому окисненні метану киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота:
М'яке каталітичнеокислення бутану киснем повітря - один із промислових способів отримання оцтової кислоти:
На повітрі алкани згоряють до СО 2 та Н2О: