Дана схема отражающая химические свойства алканов

09.02.2019



Химические свойства алкинов. Строение, получение, применение

Алканы, алкены, алкины — это органические химические вещества. Все они построены из таких химических элементов, как карбон и гидроген. Алканы, алкены, алкины — это химические соединения, которые принадлежат к группе углеводородов.

В этой статье мы рассмотрим алкины.

Что это такое?

Эти вещества еще называются ацетиленовыми углеводородами. Строение алкинов предусматривает наличие в их молекулах атомов карбона и гидрогена. Общая формула ацетиленовых углеводородов такая: CnH2n-2. Самым простый простой алкин — этин (ацетилен). Он обладает вот такой химической формулой — С2Н2. Также к алкинам относится пропин с формулой С3Н4. Кроме того, к ацетиленовым углеводородам можно отнести бутин (С4Н6), пентин (С5Н8), гексин (С6Н10), гептин (С7Н12), октин (С8Н14), нонин (С9Н16), децин (С10Н18) и т. д. Все виды алкинов обладают похожими характеристиками. Давайте рассмотрим их подробнее.

Физические свойства алкинов

По своим физическим характеристикам ацетиленовые углеводороды напоминают алкены.

В нормальных условиях алкины, в молекулах которых содержится от двух до четырех атомов карбона, обладают газообразным агрегатным состоянием. Те, в молекулах которых находится от пяти до 16 атомов карбона, при нормальных условиях жидкости. Те, в составе молекул которых от 17 и больше атомов этого химического элемента, — твердые вещества.

Плавятся и кипят алкины при более высокой температуре, чем алканы и алкены.

Растворимость в воде незначительная, но немного выше, чем у алкенов и алканов.

Наиболее широко используемый алкин — ацетилен — обладает такими физическими свойствами:

  • не имеет цвета;
  • не имеет запаха;
  • при нормальных условиях находится в газообразном агрегатном состоянии;
  • обладает меньшей плотностью, чем воздух;
  • температура кипения — минус 83,6 градусов Цельсия;

Химические свойства алкинов

В этих веществах атомы связаны тройной связью, чем и объясняются основные их свойства. Алкины вступают в реакции такого типа:

  • гидрирование;
  • гидрогалогенирование;
  • галогенирование;
  • гидратация;
  • горение.

Давайте рассмотрим их по порядку.

Гидрирование

Химические свойства алкинов позволяют им вступать в реакции такого типа. Это вид химического взаимодействия, при котором молекула вещества присоединяет к себе дополнительные атомы водорода. Вот пример такой химической реакции в случае с пропином:

Эта реакция происходит в две стадии. На первой молекула пропина присоединяет два атома гидрогена и на второй — столько же.

Галогенирование

Это еще одна реакция, которая входит в химические свойства алкинов. В ее результате молекула ацетиленового углеводорода присоединяет атомы галогенов. К последним относятся такие элементы, как хлор, бром, иод и др.

Вот пример такой реакции в случае с этином:

Такой же процесс возможен и с другими ацетиленовыми углеводородами.

Гидрогалогенирование

Это также одна из основных реакций, которая входит в химические свойства алкинов. Она заключается в том, что вещество взаимодействует с такими соединениями, как НСІ, НІ, HBr и др. Это химическое взаимодействие происходит в две стадии. Давайте рассмотрим реакцию такого типа на примере с этином:

С2Н2СІ + НСІ = С2Н4СІ2

Гидратация

Это химическая реакция, которая заключается во взаимодействии с водой. Она тоже происходит в два этапа. Давайте рассмотрим ее на примере с этином:

Вещество, которое образуется после первого этапа реакции, называется виниловым спиртом.

В связи с тем, что согласно правилу Эльтекова функциональная группа ОН не может располагаться рядом с двойной связью, происходит перегруппировка атомов, в результате которой из винилового спирта образуется ацетальдегид.

Процесс гидратации алкинов еще называется реакцией Кучерова.

Горение

Это процесс взаимодействия алкинов с кислородом при высокой температуре. Рассмотрим горение веществ этой группы на примере с ацетиленом:

При избытке кислорода ацетилен и другие алкины горят без образования карбона. При этом выделяются только оксид карбона и вода. Вот уравнение такой реакции на примере с пропином:

Горение других ацетиленовых углеводородов также происходит подобным образом. В результате выделяется вода и углекислый газ.

Другие реакции

Также ацетилены способны реагировать с солями таких металлов, как серебро, медь, кальций. При этом происходит замещение гидрогена атомами металла. Рассмотрим такой вид реакции на примере с ацетиленом и нитратом серебра:

Еще один интересный процесс с участием алкинов — реакция Зелинского. Это образование бензола из ацетилена при его нагревании до 600 градусов по Цельсию в присутствии активированного угля. Уравнение этой реакции можно выразить таким образом:

Также возможна полимеризация алкинов — процесс объединения нескольких молекул вещества в одну полимерную.

Получение

Алкины, реакции с которыми мы рассмотрели выше, получают в лаборатории несколькими методами.

Первый — это дегидрогалогенирование. Выглядит уравнение реакции таким образом:

Для проведения такого процесса необходимо нагреть реагенты, а также добавить этанол в качестве катализатора.

Также есть возможность получения алкинов из неорганических соединений. Вот пример:

Следующий метод получения алкинов — дегидрирование. Вот пример такой реакции:

С помощью реакции подобного типа можно получить не только этин, но и другие ацетиленовые углеводороды.

Применение алкинов

Наибольшее распространение в промышленности получил самый простой алкин — этин. Он широко используется в химической отрасли.

  • Нужен ацетилен и другие алкины для получения из них других органических соединений, таких как кетоны, альдегиды, растворители и др.
  • Также из алкинов можно получить вещества, которые используются при производстве каучуков, поливинилхлорида и др.
  • Из пропина можно получить ацетон в результате ракции Кучерова.
  • Кроме того, ацетилен используется при получении таких химических веществ, как уксусная кислота, ароматические углеводороды, этиловый спирт.
  • Еще ацетилен применяется в качестве топлива с очень высокой теплотой горения.
  • Также реакция горения этина используется для сваривания металлов.
  • Кроме того, с использованием ацетилена можно получить технический карбон.
  • Также это вещество применяется в автономных светильниках.
  • Ацетилен и ряд других углеводородов этой группы используются в качестве ракетного топлива благодаря своей высокой теплоте горения.

На этом применение алкинов заканчивается.

Заключение

В качестве завершающей части приводим краткую таблицу о свойствах ацетиленовых углеводородов и их получении.

Лекция 2 алканы

1. Понятие радикала и изомерия.

3. Способы получения.

3.1 Природные источники и промышленные способы получения алканов.

4. Физические свойства и строение.

4.1. Физические свойства

4.2. Пространственное строение.

5. Химические свойства.

1. Понятие радикала и изомерия.

Определение: Органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода — называются углеводородами.

Предельными насыщенными углеводородами, алканами — называются органические соединения, построенные из атомов углерода и водорода, в молекулах которых каждый атом углерода соединен с соседним атомом углерода не более чем одной связью (одной валентностью). Валентности, не затраченные на соединение с атомами углерода насыщенны водородом. Все атомы углерода находятся в состоянии 3 -гибридизации.

Предельные углеводороды образуют гомологический ряд с общей формулой СnН2n+2. Родоначальником гомологического ряда алканов является метан. Первые десять членов гомологического ряда алканов:

Метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексн. гептан, октан, нонан, декан.

Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем одним соседним атомом углерода – называется первичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем двумя соседними атомомами углерода – называется вторичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с не более чем тремя соседними атомами углерода – называется третичным. Атом углерода в молекуле алкана, соединенный с четырьмя соседними атомами углерода – называется четвертичным.

Для алканов характерна структурная изомерия. Начиная с бутана – четвертого члена гомологического ряда одной молекулярной формуле могут соответствовать несколько структур:

У бутана могут существовать два изомера, у пентана – три, у гексана – пять и т. д. Число изомеров для любого гомолога можно вычислить по формуле, если известно число изомеров у предшествующего члена гомологического ряда.

Строение молекул изомерных соединений можно представить как углеродный остов, к которому присоединены одновалентные группы или остатки молекул алканов. Такие остатки носят особое название.

Определение: Остаток молекулы алкана после отнятия атома водорода называется радикалом. В данном случае алкил или алкильный радикал.

Одновалентные радикалы называется по исходной молекуле алкана. При этом суффикс «ан» предельных углеводородов — заменяется на «ил». Например:

В зависимости от того, от какого атома углерода в молекуле алкана отняли атом водорода, различают первичные, вторичные и третичные радикалы. Неразветвленный первичный радикал называют нормальными и обозначают строчной буквой «н-».

Многообразие структур органических соединений отражает номенклатура – система названий, в которой каждому названию соответствует только одно соединение.

2. Номенклатура.

В органической химии три номенклатуры. Но каждому названию должно соответствовать.

1. Тривиальная номенклатура – это система исторически сложившихся названий, но применяемых до настоящего времени. Эти названия даны в ранний период развития органической химии и не отражают строение молекул. Примерами тривиальных названий являются названия первых четырех членов гомологического ряда алканов.

2. Строение молекул учитывает рациональная номенклатура. За основу названия органического соединения принимается название первого члена гомологического ряда. Остальные соединения рассматриваются как его производные, в которых атомы водорода замещены на алкильные радикалы. Например:

Алкильные радикалы перечисляются в порядке возрастания массы. Радикал нормального строения старше радикала изомерного строения. Если замещающих радикалов больше одного, то их количество обозначается префиксами дитритетра— .

По мере роста количества соединений использование рациональной номенклатуры стало неудобным, и химики перешли к рассмотрению уже атома или группы атомов, а структуру, сформированную цепью углеродных атомов.

3. Рассмотрение наибольшей цепи проводится в систематической номенклатуре. Основы систематической номенклатуры были заложены на съезде химиков в 1892г в Женеве. Что дало основу для названия номенклатуры – женевская. Усовершенствована систематическая номенклатура была на съезде в 1930г в Льеже. Появилась Льежская номенклатура. Современный вариант систематической номенклатуры принят международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC) в 1957г. и усовершенствован в 1965г.

Для того чтобы назвать органическое соединение по систематической номенклатуре необходимо:

— выбрать самую длинную (главную) цепь;

— определиться со старшинством групп;

— пронумеровать главную цепь, придавая старшей группе наименьший из номеров локантов;

Алканы – предельные углеводороды, их химические свойства

Углеводороды представляют собой простейшие органические соединения. Их составляют углерод и водород. Соединения этих двух элементов называются предельными углеводородами или алканами. Их состав выражается общей для алканов формулой CnH2n+2, где n — количество атомов углерода.

Алканы — международное наименование данных соединений. Также эти соединения называют парафинами и насыщенными углеводородами. Связь в молекулах алканов простая (или одинарная). Остальные валентности насыщены атомами водорода. Все алканы насыщены водородом до предела, его атомы находятся в состоянии sp3-гибридизации .

Гомологический ряд предельных углеводородов

Первым в гомологическом ряду насыщенных углеводородов стоит метан. Его формула CH4. Окончание -ан в наименовании предельных углеводородов являет отличительным признаком. Далее в соответствии с приведенной формулой в гомологическом ряду располагаются этан — C2H6, пропан C3H8, бутан — C4H10.

С пятого алкана в гомологическом ряду названия соединений образуются следующим образом: греческое число, указывающее число атомов углеводорода в молекуле + окончание -ан. Так, по-гречески число 5 — пэндэ, соответственно за бутаном идет пентан — C5H12. Далее — гексан C6H14. гептан — C7H16, октан — C8H18, нонан — C9H20, декан — C10H22 и т. д.

Физические свойства алканов заметно изменяются в гомологическом ряду: увеличивается температура плавления, кипения, увеличивается плотность. Метан, этан, пропан, бутан при обычных условиях, т. е. при температуре равной примерно 22 градуса тепла по Цельсию, являются газами, с пентана по гексадекан включительно — жидкостями, с гептадекана — твердыми веществами. Начиная с бутана, у алканов есть изомеры.

Это интересно: нуклеотид это что такое? Его строение, масса, длина и последовательность.

Существуют таблицы, отражающие изменения в гомологическом ряду алканов, которые наглядно отражают их физические свойства.

Номенклатура насыщенных углеводородов, их производные

Если происходит отрыв атома водорода от молекулы углеводорода, то образуются одновалентные частицы, которые называют радикалами (R). Название радикалу дает то углеводород, из которого этот радикал произведен, при этом окончание -ан меняется на окончание -ил. Например, из метана при отрыве атома водорода образуется радикал метил, из этана — этил, из пропана — пропил и т. д.

Радикалы также образуются и неорганическими соединениям. Например, отняв у азотной кислоты гидроксильную группу ОН, можно получить одновалентный радикал -NO2, который называется нитрогруппой.

При отрыве от молекулы алкана двух атомов водорода образуется двухвалентные радикалы, названия которых также образуются из названия соответствующих углеводородов, но окончание меняется на:

  • илиен, в том случае, если атомы водорода оторваны от одного атома углерода,
  • илен, в том случае, если от двух атомы водорода оторваны от двух соседних атомов углерода.

Алканы: химические свойства

Рассмотрим реакции, характерные для алканов. Всем алканам присущи общие химические свойства. Данные вещества являются малоактивными.

Все известные реакции с участием углеводородов подразделяются на два вида:

  • разрыв связи С-Н (примером может служить реакция замещения);
  • разрыв связи С-С (крекинг, образование отдельных частей).

Очень активны в момент образования радикалы. Сами по себе они существуют доли секунды. Радикалы легко вступают в реакции между собой. Их неспаренные электроны образуют новую ковалентную связь. Пример: CH3 + CH3 → C2H6

Радикалы легко вступают в реакции с молекулами органических веществ. Они либо присоединяются к ним, либо отрывают от них атом с неспаренным электроном, в результате чего появляются новые радикалы, которые, в свою очередь, могут вступать в реакции с другими молекулами. При такой цепной реакции получаются макромолекулы, которые перестают расти только тогда, когда оборвется цепь (пример: соединение двух радикалов)

Реакции свободных радикалов объясняют многие важные химические процессы, такие как:

  • Взрывы;
  • Окисления;
  • Крекинг нефти;
  • Полимеризацию непредельных соединений.

Подробно можно рассмотреть химические свойства насыщенных углеводородов на примере метана. Выше мы уже рассматривали строение молекулы алкана. Атомы углерода находятся в молекуле метана в состоянии sp3-гибридизации , и образуется достаточно прочная связь. Метан представляет собой газ баз запаха и цвета. Он легче воздуха. В воде малорастворим.

Алканы могут гореть. Горит метан синеватым бледным пламенем. При этом результатом реакции будут оксид углерода и вода. При смешивании с воздухом, а также в смеси с кислородом, особенно если соотношение объемов будет 1:2, данные углеводород образует взрывчатые смеси, из-за чего он крайне опасен для применения в быту и шахтах. Если метан сгорает не полностью, то образуется сажа. В промышленности ее таким образом и получают.

Из метана получают формальдегид и метиловый спирт путем его окисления в присутствии катализаторов. Если же метан сильно нагреть, то он распадается по формуле CH4 → C + 2H2

Распад метана можно осуществить до промежуточного продукта в специально оборудованных печах. Промежуточным продуктом будет ацетилен. Формула реакции 2CH4 → C2H2 + 3H2. Выделение ацетилена из метана сокращает расходы производства почти в два раза.

Также из метана получают водород, производя конверсию метана с водяным паром. Характерными для метана являются реакции замещения. Так, при обычной температуре, на свету галогены (Cl, Br) по стадиям вытесняют водород из молекулы метана. Таким образом образуются вещества, называемые галогенопроизводными. Атомы хлора, замещая в молекуле углеводорода атомы водорода, образуют смесь разных соединений.

В такой смеси присутствуют хлорметан (CH3 Cl или хлористый метил), дихлорметан (CH2Cl2или хлористый метилен), трихлорметан (CHCl3 или хлороформ), тетрахлорметан (CCl4 или четыреххлористый углерод).

Любое из этих соединений может быть выделено из смеси. В производстве важное значение отводится хлороформу и тетрахлорметану, в силу того, что они являются растворителями органических соединений (жиров, смол, каучука). Галогенопроизводные метана образуются по цепному свободнорадикальному механизму.

Свет воздействует на молекулы хлора, вследствие чего они распадаются на неорганические радикалы, которые отрывают атом водорода с одним электроном от молекулы метана. При этом образуется HCl и метил. Метил реагирует с молекулой хлора, в результате чего получается галогенопроизводное и радикал хлора. Далее радикал хлора продолжает цепную реакцию.

При обычной температуре метан обладает достаточной стойкостью к щелочам, кислотам, многим окислителям. Исключение — азотная кислота. В реакции с ней образуется нитрометан и вода.

Реакции присоединения для метана не характерны, т. к. все валентности в его молекуле насыщены.

Реакции, в которых участвуют углеводороды могут проходить не только с расщеплением связи С-Н , но и с разрывом связи С-С . Такие превращения происходят при наличии высоких температур и катализаторов. К таким реакциям относятся дегидрогенизация и крекинг.

Из насыщенных углеводородов путем окисления получают кислоты — уксусную (из бутана), жирные кислоты (из парафина).

Получение метана

В природе метан распространен достаточно широко. Он — главная составная часть большинства горючих природных и искусственных газов. Он выделяется из каменноугольных пластов в рудниках, со дна болот. Природные газы (что очень заметно в попутных газах нефтяных месторождений) содержат не только метан, но и другие алканы. Применение этих веществ разнообразно. Они используются как топливо, на различных производствах, в медицине и технике.

В условиях лаборатории данный газ выделяют при нагревании смеси ацетат натрия + гидроксид натрия, а также реакцией карбида алюминия и воды. Также метан получают из простых веществ. Для этого обязательными условиями являются нагрев и катализатор. Промышленное значение имеет получение метана синтезом на основе водяного пара.

Метан и его гомологи могут быть получены при прокаливании солей соответствующих органических кислот с щелочами. Еще одним способом получения алканов является реакция Вюрца, при которой нагреваются моногалогенопроизводные с металлическим натрием.

Углеводороды — Алканы

Слайды и текст этой презентации

Молекулярная форма метана:

– электронная формула (ковалентная полярная связь);

– структурная формула (порядок соединения атомов в молекуле)

.
Но:
Строение молекулы метана

Схема строения атома углерода:

А вот и схема выравнивания (гибридизации)
S- и p- электронных облаков в атоме углерода и
расположения гибридных электронных облаков
в пространстве

Номенклатура алканов
Для определения названия углеводорода следует придерживаться следующего порядка:
1. Выбрать в формуле наиболее длинную углеродную цепь и символы атомов углерода в ней пронумеровать, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление:
CH3
4 3 2? 1
CH3 ? CH2 ? C ? CH3
?
CH3

2. Назвать радикал (начиная с простейшего) и при помощи цифр указать их место в у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, номер повторяют дважды:
2,2-диметил…
3. Полное название данному углеводороду дать по числу атомов углерода в нумерованной цепи:
2,2-диметилбутан

Химические свойства алканов
t
CH4 ? C + 2H2

t
2CH4 ? C2H2 + 3H2
ацетилен
Pt, p, t
CH3 ? CH3 ? CH2 ? CH2 + H2
этилен

Дана схема отражающая химические свойства алканов

Абросимова Елена Владимировна учитель химии и биологии

НАВИГАЦИЯ

химические свойства алканов

  • Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.

Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения .

Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы.

Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм.

Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4, К 2 Сr 2 O 7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.

Видеоопыт «Отношение метана к раствору перманганата калия и бромной воде».

Итак, алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях. Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.

В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы:

  • С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета.
  • По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления (дегидрирование алканов).
  • Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

1. Крекинг алканов

Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью.

Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).

Термический крекинг. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

Например: C6H14 C2H6 + C4H8

Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:

Свободные радикалы очень активны. Один из них (например, этил) отщепляет атомарный водород Н· от другого (н-бутила) и превращается в алкан (этан). Другой радикал, став двухвалентным, превращается в алкен (бутен-1) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов:

Разрыв С–С-связи возможен в любом случайном месте молекулы. Поэтому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой.

В общем виде этот процесс можно выразить схемой:

CnH2n+2 CmH2m + CpH2p+2, где m + p = n

При более высокой температуре (свыше 1000°С) происходит разрыв не только связей С–С, но и более прочных связей С–Н.Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистыйу глерод) и водорода:

СН4 C + 2H2

Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г.

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 500°С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования.

При дегидрировании алканов образуются циклические углеводороды (реакция дегидроциклизации ). Наличие в составе бензина разветвлённых и циклических углеводородов повышает его качество (детонационную устойчивость, выражаемую октановым числом). При крекинг-процессах образуется большое количество газов, которые содержат главным образом предельные и непредельные углеводороды. Эти газы используются в качестве сырья для химической промышленности.

Основополагающие работы по каталитическому крекингу в присутствии хлорида алюминия проведены Н.Д. Зелинским.

Видео YouTube

2. Изомеризация алканов

Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.

Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100°С в присутствии катализатора хлорида алюминия:

Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).

3. Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3, Fe2O3, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.

    Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.

    1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород отсоседних углеродных атомов и превращаются в алкены:

      Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH2=CH-CH2-CH3.
      В присутствии катализатора Cr2O3/Al2O3 при 450-650 °С из н-бутана получают также бутадиен-1,3 CH2=CH-CH=CH2.

    2. Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.

    Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при нагревании над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):

    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). Например:

    Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н-алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.

    3. При 1500 °С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:

    Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена.

    4. Реакции окисления алканов

    В органической химии реакции окисления и восстановления рассматриваются как реакции, связанные с потерей и приобретением органическим соединением атомов водорода и кислорода . Эти процессы, естественно, сопровождаются изменением степеней окисления атомов.

    Окисление органического вещества — введение в его состав кислорода и (или) отщепление водорода. Восстановление — обратный процесс (введение водорода и отщепление кислорода). Учитывая состав алканов (СnH2n+2), можно сделать вывод о их неспособности вступать в реакции восстановления, но возможности участвовать в реакциях окисления.

    Алканы — соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

    При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KMnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

    Примеры:

    Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее.

    Видеоопыт «Взрыв смеси метана с кислородом».

    Видеоопыт «Горение жидких алканов».

    Видеоопыт «Горение парафина».

    Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях и т.п.).

    Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

    Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО2. Тогда образуются продукты частичного окисления:

    • угарный газ СО (степень окисления углерода +2),
    • сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления).

    Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.

    Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

    Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80-97% метана.

    Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С-С и С-Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С23) получают уксусную кислоту:

    Высшие алканы (n>25) под действием кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца превращаются в смесь карбоновых кислот со средней длиной цепи С1218, которые используются для получения моющих средств и поверхностно-активных веществ.

    Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом — «синтез-газ»:

    Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.

    5. Реакции замещения

    В молекулах алканов связи C-Н пространственно более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи C-C. В определенных условиях происходит разрыв именно С-Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы или группы атомов.

    Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.

    При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х атомов водорода:

    Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму, т.е. как цепь последовательных превращений с участием свободно-радикальных частиц.

    В разработке теории цепных реакций большую роль сыграли труды академика, лауреата Нобелевской премии Н.Н. Семенова.

    Механизм радикального замещения (символ SR) на примере монохлорирования метана

    Стадия 1 – зарождение цепи — появление в зоне реакции свободных радикалов. Под действием световой энергии гомолитически разрушается связь в молекуле Cl : Cl на два атома хлора с неспаренными электронами (свободные радикалы) ·Cl:

    Стадия 2 – рост (развитие) цепи. Свободные радикалы, взаимодействуя с молекулами, порождают новые радикалы и развивают цепь превращений:

    Стадия 3 – обрыв цепи. Радикалы, соединяясь друг с другом, образуют молекулы и обрывают цепь превращений:

    При хлорировании или бромировании алкана с вторичными или третичными атомами углерода легче всего идет замещение водорода у третичного атома, труднее у вторичного и еще труднее у первичного. Это объясняется большей устойчивостью третичных и вторичных углеводородных радикалов по сравнению с первичными вследствие делокализации неспаренного электрона. Поэтому, например, при бромировании пропана основным продуктом реакции является 2-бромпропан:

    На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В результате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO2. Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями.

    При нитровании алканов также соблюдается порядок реакционной способности С-Н-связей, характерный для реакций радикального замещения:

    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о