Простейшими органическими соединениями являются углеводороды , состоящие из углерода и водорода. В зависимости от характера химических связей в углеводородах и соотношения между углеродом и водородом они подразделяются на предельные и непредельные (алкены, алкины и др.)
Предельными углеводородами (алканами, углеводородами метанового ряда) называются соединения углерода с водородом, в молекулах которых каждый атом углерода затрачивает на соединение с любым другим соседним атомом не более одной валентности, причем, все не затраченные на соединение с углеродом валентности насыщены водородом. Все атомы углерода в алканах находятся в sp 3 - состоянии. Предельные углеводороды образуют гомологический ряд, характеризующийся общей формулой С n Н 2n+2 . Родоначальником этого ряда является метан.
Изомерия. Номенклатура.
Алканы с n=1,2,3 могут существовать только в виде одного изомера
Начиная с n=4, появляется явление структурной изомерии.
Число структурных изомеров алканов быстро растет с увеличением числа углеродных атомов, например, пентан имеет 3 изомера, гептан - 9 и т.д.
Число изомеров алканов увеличивается и за счет возможных стереоизомеров. Начиная с C 7 Н 16 возможно существование хиральных молекул, которые образуют два энантиомера.
Номенклатура алканов.
Доминирующей номенклатурой является номенклатура IUPAC. В тоже время в ней присутствуют элементы тривиальных названий. Так, первые четыре члена гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия.
СН 4 - метан
С 2 Н 6 - этан
С 3 Н 8 - пропан
С 4 Н 10 - бутан.
Названия остальных гомологов образованы от греческих латинских числительных. Так, для следующих членов ряда нормального (неразветвленного) строения используются названия:
С 5 Н 12 - пентан, С 6 Н 14 - гексан, С 7 Н 18 - гептан,
С 14 Н 30 - тетрадекан, С 15 Н 32 - пентадекан и т.д.
Основные правила IUPAC для разветвленных алканов
а) выбирают наиболее длинную неразветвленную цепь, название которой составляет основу (корень). К этой основе прибавляют суффикс “ан”
б) нумеруют эту цепь по принципу наименьших локантов,
в) заместитель указывают в виде префиксов в алфавитном порядке с указанием места нахождения. Если при родоначальной структуре находятся несколько одинаковых заместителей, то их количество указывают греческими числительными.
В зависимости от числа других углеродных атомов, с которыми непосредственно связан рассматриваемый углеродный атом, различают: первичные, вторичные, третичные и четвертичные углеродные атомы.
В качестве заместителей в разветвленных алканах фигурируют алкильные группы или алкильные радикалы, которые рассматриваются как результат отщепления от молекулы алкана одного водородного атома.
Название алкильных групп образуют от названия соответствующих алканов путем замены последних суффикса “ан” на суффикс “ил”.
СН 3 - метил
СН 3 СН 2 - этил
СН 3 СН 2 СН 2 - пропил
Для названия разветвленных алкильных групп используют также нумерацию цепи:
Начиная с этана, алканы способны образовывать конформеры, которым соответствует заторможенная конформация. Возможность перехода одной заторможенной конформации в другую через заслоненную определяется барьером вращения. Определение структуры, состава конформеров и барьеров вращения являются задачами конформационного анализа.
2. Химические свойства алканов (метана, этана): горение, замещение, разложение, дегидрирование.
Все связи в алканах малополярные, по этому для них характерны радикальные реакции. Отсутствие пи-связей делает невозможными реакции присоединения.
Для алканов характерны реакции замещения, отщепления, горения.
1. Реакции замещения
А) с галогенами (с хлором Cl 2 –на свету , Br 2 - при нагревании ) реакция подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова ) - в первую очередь галоген замещает водород у наименее гидрированного атома углерода. Реакция проходит поэтапно - за один этап замещается не более одного атома водорода.
Труднее всего реагирует иод, и притом реакция не идет до конца, так как, например, при взаимодействии метана с йодом образуется йодистый водород, реагирующий с йодистым метилом с образованием метана и йода(обратимая реакция):
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорметан)
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорметан)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорметан)
CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl (тетрахлорметан)
Б) Нитрование (Реакция Коновалова)
Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O 4 в газовой фазе при температуре 140° и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция так же подчиняется правилу Марковникова. Один из атомов водорода заменяется на остаток NO 2 (нитрогруппа) и выделяется вода
Реакции отщепления
А) дегидрирование –отщепление водорода. Условия реакции катализатор –платина и температура.
CH 3 - CH 3 → CH 2 = CH 2 + Н 2
Б) крекинг процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. При температуре 450–700 o С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Нпри такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8
В) полное термическое разложение
СН 4 C + 2H 2
Реакции окисления
А) реакция горения При поджигании (t = 600 o С) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды.
С n Н 2n+2 + O 2 ––>CO 2 + H 2 O + Q
СН 4 + 2O 2 ––>CO 2 + 2H 2 O + Q
Б) Каталитическое окисление - при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–Спримерно в середине молекулы и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов.
Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С 2 –С 3) получают уксусную кислоту
4. Реакции изомеризациих арактерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов.
С 4 Н 10 C 4 H 10
5.. Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена).
Алканами в химии называют предельные углеводороды, у которых углеродная цепь является незамкнутой и состоит из углерода, связанных друг с другом при помощи одинарных связей. Также характерной особенностью алканов есть то, что они совсем не содержат двойных либо тройных связей. Порой алканы называют парафинами, дело в том, что парафины собственно и являются смесью предельных углеродов, то есть алканов.
Формула алканов
Формулу алкана можно записать как:
При этом n больше или равно 1.
Алканам свойственна изомерия углеродного скелета. При этом соединения могут принимать разные геометрические формы, как например это показано на картинке ниже.
Изомерия углеродного скелета алканов
С увеличением роста углеродной цепи увеличивается и количество изомеров. Так, например, у бутана есть два изомера.
Получение алканов
Алкан как правило получают различными синтетическими методами. Скажем, один из способов получения алкана предполагает реакцию «гидрирования», когда алканы добываются из ненасыщенных углеводов под воздействием катализатора и при температуре.
Физические свойства алканов
Алканы от других веществ отличаются полным отсутствием цвета, также они не растворим в воде. Температура плавления алканов повышается с увеличением их молекулярной массы и длины углеводородной цепи. То есть чем более разветвленным является алкан, тем у него большая температура горения и плавления. Газообразные алканы и вовсе горят бледно-голубым или бесцветным пламенем, при этом выделяя много тепла.
Химические свойства алканов
Алканы в химическом плане малоактивные вещества, по причине прочности крепких сигма связей С-С и С-Н. При этом связи С-С неполярны, а С-Н малополярны. А так как все это малополяризируемые виды связей, которые относятся к сигма виду, то разрываться они будут по механизму гомолитическому, в результате чего образуются радикалы. И как следствия химические свойства алканов представляют собой в основном реакции радикального замещения.
Так выглядит формула радикального замещения алканов (галогенирование алканов).
Помимо этого также можно выделить такие химические реакции как нитрирование алканов (реакция Коновалова).
Реакция эта протекает при температуре 140 С, причем лучше всего именно с третичным атомом углерода.
Крекинг алканов – эта реакция протекает при действии высоких температур и катализаторов. Тогда создаются условия, когда высшие алканы могут рвать свои связи образуя алканы более низкого порядка.
Алканы - соединения гомологического ряда метана. Это насыщенные нециклические углеводороды. Химические свойства алканов зависят от строения молекулы и физического состояния веществ.
Строение алканов
Молекула алкана состоит из атомов углерода и водорода, которые образуют метиленовые (-CH 2 -) и метильные (-CH 3) группы. Углерод может создавать четыре ковалентные неполярные связи с соседними атомами. Именно наличие прочных σ-связей -С-С- и -С-Н обуславливает инертность гомологического ряда алканов.
Рис. 1. Строение молекулы алкана.
Соединения реагируют на свету или при нагревании. Реакции протекают по цепному (свободно-радикальному) механизму. Таким образом, связи способны расщепляться только под действием свободных радикалов. В результате замещения водорода образуются галогеналканы, соли, циклоалканы.
Алканы относятся к предельным или насыщенным углеродам. Это значит, что молекулы содержат максимальное количество атомов водорода. Из-за отсутствия свободных связей реакции присоединения для алканов не характерны.
Химические свойства
Общие свойства алканов приведены в таблице.
|
Типы химических реакций |
Описание |
Уравнение |
|
Галогенирование |
Реагируют с F 2 , Cl 2 , Br 2 . Реакция с йодом не идёт. Галогены замещают атом водорода. Реакция с фтором сопровождается взрывом. Хлорирование и бромирование происходит при температуре 300-400°C. В результате образуются галогеналканы |
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl |
|
Нитрование (реакция Коновалова) |
Взаимодействие с разбавленной азотной кислотой при температуре 140°C. Атом водорода замещается нитрогруппой NO 2 . В результате образуются нитроалканы |
CH 3 -CH 3 +HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O |
|
Сульфохлорирование |
Сопровождается окислением с образованием алкансульфонилхлоридов |
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl |
|
Сульфоокисление |
Образование алкансульфоновых кислот в избытке кислорода. Атом водорода замещается группой SO 3 H |
C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O |
|
Происходит в присутствии катализатора при высоких температурах. В результате разрыва связей С-С образуются алканы и алкены |
C 4 H 10 → C 2 H 6 + C 2 H 4 |
|
|
В избытке кислорода происходит полное окисление до углекислого газа. При недостатке кислорода происходит неполное окисление с образованием угарного газа, сажи |
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O |
|
|
Каталитическое окисление |
Происходит частичное окисление алканов при небольшой температуре и в присутствии катализаторов. Могут образовываться кетоны, альдегиды, спирты, карбоновые кислоты |
C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O |
|
Дегидрирование |
Отщепление водорода в результате разрыва связей С-Н в присутствии катализатора (платины, оксида алюминия, оксида хрома) при температуре 400-600°С. Образуются алкены |
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2 |
|
Ароматизация |
Реакция дегидрирования с образованием циклоалканов |
C 6 H 14 → C 6 H 6 + 4H 2 |
|
Изомеризация |
Образование изомеров под действием температуры и катализаторов |
C 5 H 12 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3 |
Чтобы понимать, как проходит реакция и какие радикалы замещаются, рекомендуется записывать структурные формулы.
Рис. 2. Структурные формулы.
Применение
Алканы широко применяются в промышленной химии, косметологии, строительстве. Из соединений изготавливают:
- топливо (бензин, керосин);
- асфальт;
- смазочные масла;
- вазелин;
- парафин;
- мыло;
- лаки;
- краски;
- эмали;
- спирты;
- синтетические ткани;
- каучук;
- адьдегиды;
- пластмассы;
- моющие средства;
- кислоты;
- пропелленты;
- косметические средства.
Рис. 3. Продукция, получаемая из алканов.
Что мы узнали?
Узнали о химических свойствах и применении алканов. Из-за прочных ковалентных связей между атомами углерода, а также между атомами углерода и водорода, алканы проявляют инертность. Возможны реакции замещения и разложения в присутствии катализатора при высоких температурах. Алканы - предельные углеводороды, поэтому реакции присоединения невозможны. Алканы используются для производства материалов, моющих средств, органических соединений.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4 . Всего получено оценок: 71.
Ациклические углеводороды называются алканами. Всего насчитывается 390 алканов. Самую длинную структуру имеет нонаконтатриктан (C 390 H 782). К атомам углерода могут присоединяться галогены, образуя галогеналканы.
Строение и номенклатура
По определению алканы - предельные или насыщенные углеводороды, имеющие линейную или разветвлённую структуру. Также называются парафинами. Молекулы алканов содержат только одинарные ковалентные связи между атомами углерода. Общая формула -
Чтобы назвать вещество, необходимо соблюсти правила. По международной номенклатуре названия формируются с помощью суффикса -ан. Названия первых четырёх алканов сложились исторически. Начиная с пятого представителя, названия составляются из приставки, обозначающей количество атомов углерода, и суффикса -ан. Например, окта (восемь) образует октан.
Для разветвлённых цепей названия складываются:
- из цифр, указывающих номера атомов углерода, около которых стоят радикалы;
- из названия радикалов;
- из названия главной цепи.
Пример: 4-метилпропан - у четвёртого атома углерода в цепи пропана находится радикал (метил).
Рис. 1. Структурные формулы с названиями алканов.
Каждый десятый алкан даёт называние следующим девяти алканам. После декана идут ундекан, додекан и далее, после эйкозана - генэйкозан, докозан, трикозан и т.д.
Гомологический ряд
Первый представитель - метан, поэтому алканы также называют гомологическим рядом метана. В таблице алканов указаны первые 20 представителей.
|
Название |
Формула |
Название |
Формула |
|
Тридекан |
|||
|
Тетрадекан |
|||
|
Пентадекан |
|||
|
Гексадекан |
|||
|
Гептадекан |
|||
|
Октадекан |
|||
|
Нанадекан |
|||
Начиная с бутана, все алканы имеют структурные изомеры. К названию прибавляется приставка изо-: изобутан, изопентан, изогексан.
Рис. 2. Примеры изомеров.
Физические свойства
Агрегатное состояние веществ меняется в списке гомологов сверху вниз. Чем больше содержится атомов углерода и, соответственно, чем больше молекулярная масса соединений, тем выше температура кипения и твёрже вещество.
Остальные вещества, содержащие больше 15 атомов углерода, находятся в твёрдом состоянии.
Газообразные алканы горят голубым или бесцветным пламенем.
Получение
Алканы, как и другие классы углеводородов, получают из нефти, газа, каменного угля. Для этого используют лабораторные и промышленные методы:
- газификация твёрдого топлива:
C + 2H 2 → CH 4 ;
- гидрирование оксида углерода (II):
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;
- гидролиз карбида алюминия:
Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ;
- реакция карбида алюминия с сильными кислотами:
Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3 ;
- восстановление галогеналканов (реакция замещения):
2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;
- гидрирование галогеналканов:
CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;
- сплавление солей уксусной кислоты со щелочами (реакция Дюма):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4 .
Алканы можно получить гидрированием алкенов и алкинов в присутствии катализатора - платины, никеля, палладия.
Химические свойства
Алканы вступают в реакции с неорганическими веществами:
- горение:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;
- галогенирование:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
- нитрирование (реакция Коновалова):
CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;
- присоединение:
Одним из первых типов химических соединений, изучаемых в школьной программе по органической химии, являются алканы. Они относятся к группе предельных (иначе - алифатических) углеводородов. В их молекулах присутствуют только одинарные связи. Атомам углерода свойственна sp³-гибридизация.
Гомологами называют химические вещества, которые имеют общие свойства и химическое строение, но при этом отличающиеся на одну или несколько CH2-групп.
В случае с метаном CH4 можно привести общую формулу для алканов: CnH (2n+2), где n - это количество атомов углерода в соединении.
Приведём таблицу алканов, в которых n находится в пределах от 1 до 10.
Изомерия алканов
Изомерами называют те вещества, молекулярная формула которых совпадает, однако строение или структура отличается.
Для класса алканов характерны 2 типа изомерии: углеродного скелета и оптическая изомерия.
Приведём пример структурного изомера (т. е. вещества, отличающимся лишь строением углеродного скелета) для бутана C4H10.
Оптическими изомерами называют такие 2 вещества, молекулы которых имеют похожую структуру, но не могут быть совмещены в пространстве. Явление оптической или зеркальной изомерии возникает у алканов, начиная с гептана C7H16.
Чтобы дать алкану правильное название, необходимо воспользоваться номенклатурой ИЮПАК . Для этого использоваться следующая последовательность действий:
По приведённому выше плану попробуем дать название следующему алкану.
В обычных условиях неразветвленные алканы с CH4 до C4H10 - это газообразные вещества, начиная с С5Н12 и до C13H28 - жидкие и обладающие специфическим запахом, все последующие - твёрдые. Получается, что с увеличением длины углеродной цепи растут температуры кипения и плавления
. Чем сильнее разветвлена структура алкана, тем при более низкой температуре он кипит и плавится.
Газообразные алканы не обладают цветом. А также все представители этого класса не могут растворяться в воде.
Алканы, имеющие агрегатное состояние газа, могут гореть , при этом пламя будет либо бесцветным, либо обладать бледно-голубым оттенком.
Химические свойства
В обычных условиях алканы достаточно малоактивны. Это объясняется прочностью σ-связей между атомами C-C и C-H. Поэтому необходимо обеспечить специальные условия (например, довольно высокую температуру или свет), чтобы проведение химической реакции стало возможным.
Реакции замещения
К реакциям этого типа относятся галогенирование и нитрование. Галогенирование (взаимодействие с Cl2 или Br2) происходит при нагревании или же под воздействием света. Во время реакции, протекающей последовательно, образуются галогеналканы.
Для примера можно записать реакцию хлорирования этана.
Бромирование будет проходить аналогичным образом.
Нитрование - это реакция со слабым (10%) раствором HNO3 или с оксидом азота (IV) NO2. Условия для проведения реакций - температура 140 °C и давление.
C3H8 + HNO3 = C3H7NO2 + H2O.
В результате образуются два продукта - вода и аминокислота.
Реакции разложения
При проведении реакций разложения всегда требуется обеспечивать высокую температуру. Это необходимо для разрыва связей между атомами углерода и водорода .
Так, при проведении крекинга потребуется температура в интервале от 700 до 1000 °C . Во время реакции разрушаются -С-С- связи, образуется новый алкан и алкен:
C8H18 = C4H10 + C4H8
Исключение - крекинг метана и этана. В результате этих реакций выделяется водород и образуется алкин ацетилен. Обязательным условием является нагревание до 1500 °C.
C2H4 = C2H2 + H2
Если превысить температуру в 1000 °C, можно добиться пиролиза с полным разрывом связей в соединении:
Во время пиролиза пропила был получен углерод C, а также выделился водород H2.
Реакции дегидрирования
Дегидрирование (отщепление водорода) происходит по-разному для различных алканов. Условия проведения реакции - температура в пределах от 400 до 600 °C, а также присутствие катализатора, в роли которого могут выступать никель или платина.
Из соединения, в углеродном скелете которого 2 или 3 атома C, образуется алкен:
C2H6 = C2H4 + H2.
Если в цепи молекулы 4-5 атомов углерода, то после дегидрирования получится алкадиен и водород.
C5H12 = C4H8 + 2H2.
Начиная с гексана, во время реакции образуется бензол или производные от него вещества.
C6H14 = C6H6 + 4H2
Следует также упомянуть реакцию конверсии, проводящуюся для метана при температуре 800 °C и в присутствии никеля:
CH4 + H2O = CO + 3H2
Для других алканов конверсия нехарактерна.
Окисление и горение
Если алкан, нагретый до температуры не более 200 °C, будет взаимодействовать с кислородом в присутствии катализатора, то в зависимости от прочих условий проведения реакции будут различаться получаемые продукты: это могут быть представители классов альдегидов, карбоновых кислот, спиртов или кетонов.
В случае полного окисления алкан сгорает до конечных продуктов - воды и CO2:
C9H20 + 14O2 = 9CO2 + 10H2O
Если во время окисления количество кислорода оказалось недостаточным, конечным продуктом вместо углекислого газа станет уголь или CO.
Проведение изомеризации
Если обеспечить температуру около 100-200 градусов, для неразветвленных алканов становится возможна реакция перегруппировки. Второе обязательное условие для проведения изомеризации - присутствие катализатора AlCl3. В таком случае происходит изменение структуры молекул вещества и образуется его изомер.
Значительную долю алканов получают, выделяя их из природного сырья
. Чаще всего перерабатывают природный газ, главным компонентом, которого является метан или же подвергают крекингу и ректификации нефть.
А также следует вспомнить о химических свойствах алкенов. В 10 классе одним из первых лабораторных способов, изучаемых на уроках химии, является гидрирование непредельных углеводородов.
C3H6 + H2 = C3H8
Например, в результате присоединения водорода к пропилену получается единственный продукт - пропан.
При помощи реакции Вюрца из моногалогеналканов получают алканы, в структурной цепи которых число углеродных атомов удвоено:
2CH4H9Br + 2Na = C8H18 + 2NaBr.
Ещё один способ получения - взаимодействие соли карбоновой кислоты со щёлочью при нагревании:
C2H5COONa + NaOH = Na2CO3 + C2H6.
Кроме того, метан иногда получают в электрической дуге (C + 2H2 = CH4) или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al (OH)3.
Алканы широко применяются в промышленности в качестве низкого по стоимости топлива. А также их используют как сырьё для синтеза других органических веществ. С этой целью обычно применяют метан, необходимый для и синтез-газа. Некоторые другие предельные углеводороды используют, чтобы получать синтетические жиры, а также как основу для смазочных материалов.
Для наилучшего понимания темы «Алканы» создан не один видеоурок, в котором подробно рассмотрены такие темы, как структура вещества, изомеры и номенклатура, а также показаны механизмы химических реакций.