Propiedades químicas. Propiedades físicas alcanos

Propiedades físicas de los alcanos.

En condiciones normales, los primeros cuatro miembros de la serie homóloga de alcanos (C 1 - C 4) son gases. Alcanos normales desde pentano hasta heptadecano (C 5 - C 17) - líquidos, a partir de C 18 y superiores - sólidos. A medida que aumenta el número de átomos de carbono en la cadena, es decir, con un aumento en el peso molecular relativo, aumentan los puntos de ebullición y fusión de los alcanos.

En el mismo numeroátomos de carbono en una molécula, los alcanos ramificados tienen más de temperaturas bajas punto de ebullición que los alcanos normales.

Los alcanos son prácticamente insolubles en agua, tk. sus moléculas son de baja polaridad y no interactúan con las moléculas de agua. Los alcanos líquidos se mezclan fácilmente entre sí. Se disuelven bien en solventes orgánicos no polares como benceno, tetracloruro de carbono, etc.

Estructura

La molécula del alcano más simple, el metano, tiene la forma de un tetraedro regular, en cuyo centro hay un átomo de carbono y en los vértices, átomos de hidrógeno. Ángulos entre ejes Conexiones C-H son 109° 28” (Fig. 29).

En las moléculas de otros hidrocarburos saturados, los ángulos entre enlaces (tanto C-H como C-C) tienen el mismo significado. se utiliza para describir la forma de las moléculas. concepto de hibridación de orbitales atómicos(Ver parte I, §6).

En los alcanos, todos los átomos de carbono están en el estado sp3- hibridación (Fig. 30).

Por lo tanto, los átomos de carbono en la cadena de carbono no están en línea recta. La distancia entre los átomos de carbono vecinos (entre los núcleos de los átomos) está estrictamente fija - esto es longitud del enlace químico(0,154 nm). Distancia C 1 - C 3, C 2 - C 4, etc. (a través de un átomo) también son constantes, porque ángulo constante entre enlaces - ángulo de valencia.

Las distancias entre los átomos de carbono más distantes pueden cambiar (dentro de algunos límites) como resultado de la rotación alrededor de los enlaces s. Tal rotación no rompe la superposición de los orbitales que forman el enlace s, ya que este enlace tiene simetría axial.

Las diferentes formas espaciales de una molécula, formadas durante la rotación de grupos de átomos alrededor de enlaces s, se denominan conformaciones(Figura 31).

Las conformaciones se distinguen por la energía, pero esta diferencia es pequeña (12-15 kJ/mol). Más estables son aquellas conformaciones de alcanos en las que los átomos están situados lo más separados posible (repulsión de las capas de electrones). La transición de una conformación a otra se lleva a cabo debido a la energía del movimiento térmico. Para representar la conformación, se utilizan fórmulas espaciales especiales (fórmulas de Newman).

¡No confundir!

Es necesario distinguir entre los conceptos de conformación y configuración.

Diferentes conformaciones pueden transformarse entre sí sin romper los enlaces químicos. Para la transformación de una molécula con una configuración en una molécula con otra configuración, se requiere la ruptura de enlaces químicos.

De los cuatro tipos isomería Los alcanos se caracterizan por dos: isomería del esqueleto de carbono e isomería óptica (ver parte

Los enlaces químicos en los alcanos, su ruptura y formación determinan las propiedades químicas de los alcanos. Los enlaces C-C y C-H son covalentes, simples (enlaces s), prácticamente no polares, lo suficientemente fuertes, por lo tanto:

1) los alcanos entran con mayor frecuencia en reacciones que van con la ruptura hemolítica de los enlaces;

2) en comparación con los compuestos orgánicos de otras clases, los alcanos tienen una reactividad baja (por esto se les llama parafinas- "desprovisto de propiedades"). Así, los alcanos son resistentes a la acción de soluciones acuosas de ácidos, álcalis y agentes oxidantes (por ejemplo, permanganato de potasio) incluso cuando se hierven.

Los alcanos no entran en reacciones de adición de otras moléculas a ellos, porque Los alcanos no tienen enlaces múltiples en sus moléculas.

Los alcanos se descomponen bajo un fuerte calentamiento en presencia de catalizadores en forma de platino o níquel, mientras que el hidrógeno se separa de los alcanos.

Los alcanos pueden entrar en reacciones de isomerización. Su respuesta típica es reacción de sustitución, procediendo por un mecanismo radical.

Propiedades químicas

Reacciones de sustitución de radicales

Como ejemplo, considere interacción de alcanos con halógenos. El flúor reacciona muy vigorosamente (generalmente con una explosión); en este caso, todos los enlaces C-H y C-C se rompen y, como resultado, se forman compuestos CF 4 y HF. valor práctico sin reacción. El yodo no reacciona con los alcanos. Las reacciones con cloro o bromo tienen lugar bajo iluminación o bajo fuerte calentamiento; en este caso, se forman alcanos mono- a polihalo-sustituidos, por ejemplo:

CH 3 -CH 3 + Cl 2 ® hv CH 3 -CH 2 -Cl + HCl

La formación de derivados halógenos del metano procede a lo largo de la cadena. radicales libres mecanismo. Bajo la acción de la luz, las moléculas de cloro se descomponen en radicales inorgánicos:

Radical inorgánico Cl. separa un átomo de hidrógeno con un electrón de una molécula de metano, formando HC1 y un radical libre CH 3

El radical libre interactúa con la molécula de cloro Cl 2, formando un derivado de halógeno y un radical de cloro.

La reacción de oxidación comienza con la abstracción de un átomo de hidrógeno por una molécula de oxígeno (que es un biradical) y luego procede como una reacción ramificada. reacción en cadena. El número de radicales aumenta durante la reacción. El proceso se acompaña

por la liberación de una gran cantidad de calor, no solo se rompen los enlaces C-H, sino también C-C, de modo que se forma monóxido de carbono (IV) y agua como resultado. La reacción puede proceder como combustión o conducir a una explosión.

2C n H2 n + 2 + (3n + 1) O 2 ®2nCO 2 + (2n + 2) H 2 O

A temperatura ordinaria, la reacción de oxidación no tiene lugar; puede iniciarse por ignición o por la acción de una descarga eléctrica.

Con un fuerte calentamiento (más de 1000 ° C), los alcanos se descomponen completamente en carbono e hidrógeno. Esta reacción se llama pirólisis.

CH 4 ® 1200 ° C + 2H 2

Con la oxidación suave de alcanos, en particular metano, con oxígeno atmosférico en presencia de varios catalizadores, se puede obtener alcohol metílico, formaldehído y ácido fórmico.

Si el metano pasa muy rápidamente a través de una zona calentada y luego se enfría inmediatamente con agua, el resultado es acetileno.

Esta reacción es la base de la síntesis industrial, que se denomina agrietamiento(descomposición incompleta) del metano.

El craqueo de homólogos de metano se lleva a cabo a una temperatura más baja (alrededor de 600°C). Por ejemplo, el craqueo de propano incluye los siguientes pasos:

Entonces, el craqueo de alcanos conduce a la formación de una mezcla de alcanos y alquenos de menor peso molecular.

Calentar alcanos a 300–350 °C (el craqueo aún no está en progreso) en presencia de un catalizador (Pt o Ni) conduce a deshidrogenación- eliminación de hidrógeno.

Bajo la acción del ácido nítrico diluido sobre los alcanos a 140 °C y baja presión, se produce una reacción radicalaria:

CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O isomerización

Bajo ciertas condiciones, los alcanos normales se pueden convertir en alcanos de cadena ramificada.

Obtención de alcanos

Considere la producción de alcanos usando el ejemplo de la producción de metano. El metano se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza. Es el componente principal de muchos gases combustibles, tanto naturales (90-98%) como artificiales, liberados durante la destilación seca de madera, turba, carbón y también durante el craqueo de petróleo. Los gases naturales, especialmente los gases asociados de los yacimientos petrolíferos, contienen etano, propano, butano y pentano además de metano.

El metano se emite desde el fondo de los pantanos y de las vetas de carbón en las minas, donde se forma durante la descomposición lenta de los residuos vegetales sin acceso al aire. Por lo tanto, el metano a menudo se denomina gas de pantano o grisú.

En el laboratorio, el metano se produce calentando una mezcla de acetato de sodio e hidróxido de sodio:

CH3COONa+NaOH® 200 ° Na2CO3 + CH4

o cuando el carburo de aluminio interactúa con el agua: Al 4 Cl 3 + 12H 2 O®4Al (OH) 3 + 3CH 4

En este último caso, el metano es muy puro.

El metano se puede obtener de sustancias simples cuando se calienta en presencia de un catalizador:

С+2Н 2 ® Ni CH 4 8 también por síntesis a base de gas de agua

CO + 3H 2 ® NiCH 4 + H 2 O

Este método es de importancia industrial. Sin embargo, el metano generalmente se usa en gases naturales o gases formados durante la coquización del carbón y durante la refinación del petróleo.

Los homólogos del metano, como el metano, se obtienen en condiciones de laboratorio calcinando las sales de los ácidos orgánicos correspondientes con álcalis. Otra forma es la reacción de Wurtz, es decir calentar derivados monohalógenos con sodio metálico, por ejemplo:

C 2 H 5 Br + 2 Na + Br C 2 H 6 ® C 2 H 5 -C 2 H 5 + 2 NaBr

En tecnología, para obtener gasolina técnica (una mezcla de hidrocarburos que contiene de 6 a 10 átomos de carbono), se utiliza la síntesis

a partir de monóxido de carbono (II) e hidrógeno en presencia de un catalizador (compuestos de cobalto) ya presión elevada. Proceso

se puede expresar mediante la ecuación

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 + nН 2 O

I Entonces, la principal fuente de alcanos son gas natural y aceite Sin embargo, algunos hidrocarburos saturados sintetizado a partir de otros compuestos.

Aplicación de alcanos

La mayoría de los alcanos se utilizan como combustible. Agrietamiento y

Su deshidrogenación conduce a hidrocarburos insaturados, en

sobre la base de la cual se obtienen muchas otras sustancias orgánicas.

El metano es la parte principal de los gases naturales (60-99%). Parte

Los gases naturales incluyen propano y butano. hidrocarburos líquidos

se utilizan como combustible en motores de combustión interna en automóviles, aviones, etc. La mezcla purificada de líquido

y los alcanos sólidos forman vaselina. Los alcanos superiores son

materias primas en la producción de sintéticos detergentes. Los alcanos obtenidos por isomerización se utilizan en la producción de gasolinas y caucho de alta calidad. A continuación se muestra un diagrama del uso de metano.

cicloalcanos

Estructura

Los cicloalcanos son hidrocarburos saturados cuyas moléculas contienen un anillo cerrado de átomos de carbono.

Los cicloalcanos (cicloparafinas) forman una serie homóloga con la fórmula general C n H 2 n, en la que el primer miembro es

ciclopropano C 3 H 6, porque Se requieren al menos tres átomos de carbono para formar un anillo.

Los cicloalcanos tienen varios nombres: cicloparafinas, naftenos, ciclanos, polimetilenos. Ejemplos de algunas conexiones:

La fórmula C n H 2 n es típica de las cicloparafinas, y exactamente la misma fórmula describe la serie homóloga de alquenos (hidrocarburos insaturados que tienen un enlace múltiple). De esto podemos concluir que cada cicloalcano está isomerizado por el alqueno correspondiente; este es un ejemplo de isomería "interclase".

Los cicloalcanos se dividen en varios grupos según el tamaño del anillo, de los cuales consideraremos dos: ciclos pequeños (C 3 , C 4) y ciclos ordinarios (C 5 -C 7).

Los nombres de los cicloalcanos se construyen agregando el prefijo ciclo- al nombre del alcano con el número apropiado de átomos de carbono. La numeración en el ciclo se lleva a cabo de modo que los sustituyentes reciban los números más pequeños.

Las fórmulas estructurales de los cicloalcanos generalmente se escriben en forma abreviada usando forma geometrica ciclo y omitiendo los símbolos de los átomos de carbono e hidrógeno. Por ejemplo:

La isomería estructural de los cicloalcanos está determinada por el tamaño del anillo (el ciclobutano y el metilciclopropano son isómeros) y la posición de los sustituyentes en el anillo (por ejemplo, 1,1- y 1,2-dimetilbutano), así como por su estructura.

La isomería espacial también es característica de los cicloalcanos, ya que está asociado con una disposición diferente de los sustituyentes en relación con el plano del anillo. Cuando los sustituyentes están ubicados en un lado del plano del anillo, se obtienen isómeros cis, de acuerdo con lados diferentes- isómeros trans.

I. ALCANOS (hidrocarburos saturados, parafinas)

Los alcanos son hidrocarburos saturados alifáticos (acíclicos) en los que los átomos de carbono están unidos entre sí por enlaces simples (simples) en cadenas ramificadas o no ramificadas.

alcanos- la denominación de los hidrocarburos saturados según la nomenclatura internacional.
parafinas- un nombre históricamente establecido que refleja las propiedades de estos compuestos (del lat. parrum affinis- que tiene poca afinidad, inactivo).
limitando, o Rico, estos hidrocarburos se nombran en relación con la saturación completa de la cadena de carbono con átomos de hidrógeno.

Los representantes más simples de los alcanos:

Al comparar estos compuestos, está claro que difieren entre sí por un grupo -CH 2 - (metileno). Agregar otro grupo al propano -CH 2 -, obtenemos butano C 4 H 10, luego los alcanos C 5 H 12, C 6 H 14 etc

Ahora puedes derivar la fórmula general para los alcanos. El número de átomos de carbono en la serie de alcanos se tomará como norte , entonces el número de átomos de hidrógeno será 2n+2 . Por tanto, la composición de los alcanos corresponde a la fórmula general C n H 2n+2.
Por lo tanto, a menudo se utiliza la siguiente definición:

• alcanos- hidrocarburos, cuya composición se expresa mediante la fórmula general C n H 2n+2, donde norte es el número de átomos de carbono.

II. La estructura de los alcanos.

• Estructura química(el orden de conexión de los átomos en las moléculas) de los alcanos más simples, metano, etano y propano, muestran sus fórmulas estructurales. De estas fórmulas se puede ver que hay dos tipos de enlaces químicos en los alcanos:
  

  S-S Y S–N.

  El enlace C-C es covalente no polar. El enlace C-H es covalente, débilmente polar, porque el carbono y el hidrógeno tienen una electronegatividad cercana (2,5 para el carbono y 2,1 para el hidrógeno). La formación de enlaces covalentes en los alcanos debido a los pares de electrones comunes de los átomos de carbono e hidrógeno se puede mostrar mediante fórmulas electrónicas:

  Las fórmulas electrónicas y estructurales reflejan Estructura química, pero no dan idea de estructura espacial de las moléculas, que afecta significativamente las propiedades de la sustancia.

  Estructura espacial, es decir. la disposición mutua de los átomos de una molécula en el espacio depende de la dirección de los orbitales atómicos (AO) de estos átomos. En los hidrocarburos, el papel principal lo juega la orientación espacial de los orbitales atómicos del carbono, ya que el 1s-AO esférico del átomo de hidrógeno carece de una orientación definida.

  La disposición espacial de los AO de carbono, a su vez, depende del tipo de su hibridación. El átomo de carbono saturado en los alcanos está unido a otros cuatro átomos. Por lo tanto, su estado corresponde a la hibridación sp 3. En este caso, cada uno de los cuatro AO de carbono híbrido sp 3 participa en un solapamiento axial (σ-) con el s-AO del hidrógeno o con el sp 3 -AO de otro átomo de carbono, formando enlaces σ С-Н o С -C.

  Cuatro enlaces σ de carbono se dirigen en el espacio en un ángulo de 109 aproximadamente 28 ", lo que corresponde a la repulsión más pequeña de electrones. Por lo tanto, la molécula del representante más simple de los alcanos, el metano CH 4, tiene la forma de un tetraedro, en el centro del cual hay un átomo de carbono, y en los vértices, átomos de hidrógeno:

  Ángulo de valencia H-C-H es igual 109 sobre 28". La estructura espacial del metano se puede mostrar utilizando modelos volumétricos (escala) y de bolas y palos.

  Para el registro es conveniente utilizar la fórmula espacial (estereoquímica).

  En la molécula del próximo homólogo - etano C 2 H 6 - dos tetraédricos sp 3 átomos de carbono forman una estructura espacial más compleja:

  2. Si en moléculas de la misma composición y la misma estructura química, es posible una disposición mutua diferente de los átomos en el espacio, entonces hay Isomería espacial (estereoisomerismo). En este caso, el uso de fórmulas estructurales no es suficiente, y se deben utilizar modelos moleculares o fórmulas especiales, estereoquímicas (espaciales) o de proyección.

  Los alcanos, a partir del etano H 3 C–CH 3, existen en varias formas espaciales ( conformaciones) causado por la rotación intramolecular a lo largo de los enlaces σ C–C y exhiben el llamado isomería rotacional (conformacional).

  Varias formas espaciales de la molécula, que pasan unas a otras por rotación alrededor de los enlaces σ C–C, se denominan conformaciones o isómeros rotacionales(conformistas).

  Los isómeros rotacionales de una molécula son sus estados energéticamente desiguales. Su interconversión ocurre rápida y constantemente como resultado del movimiento térmico. Por lo tanto, los isómeros rotacionales no se pueden aislar en forma individual, pero su existencia ha sido probada por métodos físicos. Algunas conformaciones son más estables (energéticamente favorables) y la molécula permanece en tales estados más largo tiempo.

  3. Además, si hay un átomo de carbono en la molécula asociado con 4 sustituyentes diferentes, es posible otro tipo de isomería espacial:isomería óptica.

  Por ejemplo:

  entonces la existencia de dos compuestos con el mismo fórmula estructural, pero difieren en la estructura espacial. Las moléculas de tales compuestos se relacionan entre sí como un objeto y su imagen especular y son isómeros espaciales.

  La isomería de este tipo se denomina isómeros ópticos, isómeros ópticos o antípodas ópticas:

  
  

  Las moléculas de los isómeros ópticos son incompatibles en el espacio (tanto a la izquierda como a la derecha). mano derecha), carecen de un plano de simetría.
  De este modo,

  isómeros ópticos Se llaman isómeros espaciales, cuyas moléculas se relacionan entre sí como un objeto y una imagen especular incompatible.

  Los isómeros ópticos tienen las mismas propiedades físicas y químicas, pero difieren en su relación con la luz polarizada. Dichos isómeros tienen actividad óptica (uno de ellos gira el plano de luz polarizada hacia la izquierda y el otro, en el mismo ángulo hacia la derecha). Las diferencias en las propiedades químicas se observan solo en reacciones con reactivos ópticamente activos.

  La isomería óptica se manifiesta en sustancias orgánicas de varias clases y juega un papel muy importante en la química de los compuestos naturales.

Los hidrocarburos límite son compuestos que son moléculas que consisten en átomos de carbono en el estado de hibridación sp 3. Están unidos exclusivamente por enlaces sigma covalentes. El nombre de hidrocarburos "saturados" o "saturados" proviene del hecho de que estos compuestos no tienen la capacidad de unirse a ningún átomo. Son últimos, completamente saturados. La excepción son los cicloalcanos.

¿Qué son los alcanos?

Los alcanos son hidrocarburos saturados, y su cadena de carbono es abierta y consta de átomos de carbono unidos entre sí por enlaces simples. No contiene otros enlaces (es decir, dobles, como en los alquenos, o triples, como en los alquilos). Los alcanos también se llaman parafinas. Recibieron este nombre, ya que las conocidas parafinas son una mezcla predominantemente de estos hidrocarburos saturados C 18 -C 35 con una inercia especial.

Información general sobre los alcanos y sus radicales.

Su fórmula: C n P 2 n +2, aquí n es mayor o igual a 1. La masa molar se calcula mediante la fórmula: M = 14n + 2. Rasgo: las terminaciones en sus nombres son "-an". Los restos de sus moléculas, que se forman como resultado de la sustitución de átomos de hidrógeno por otros átomos, se denominan radicales alifáticos o alquilos. Se denotan con la letra R. Formula general radicales alifáticos monovalentes: C n P 2 n +1, aquí n es mayor o igual a 1. Masa molar los radicales alifáticos se calculan mediante la fórmula: M \u003d 14n + 1. Un rasgo característico de los radicales alifáticos: terminaciones en los nombres "-il". Las moléculas de alcano tienen sus propias características estructurales:

• el enlace C-C se caracteriza por una longitud de 0,154 nm;
• el enlace C-H se caracteriza por una longitud de 0,109 nm;
• el ángulo de enlace (el ángulo entre los enlaces carbono-carbono) es de 109 grados y 28 minutos.

Los alcanos comienzan la serie homóloga: metano, etano, propano, butano, etc.

Propiedades físicas de los alcanos.

Los alcanos son sustancias incoloras e insolubles en agua. La temperatura a la que los alcanos comienzan a fundirse y la temperatura a la que hierven aumentan de acuerdo con el aumento del peso molecular y la longitud de la cadena hidrocarbonada. De los alcanos menos ramificados a los más ramificados, los puntos de ebullición y fusión disminuyen. Los alcanos gaseosos son capaces de arder con una llama azul pálido o incolora y se libera bastante calor. CH 4 -C 4 H 10 son gases que también carecen de olor. C 5 H 12 -C 15 H 32 son líquidos que tienen un olor específico. C 15 H 32 y así sucesivamente son sólidos que también son inodoros.

Propiedades químicas de los alcanos.

Estos compuestos son químicamente inactivos, lo que puede explicarse por la fuerza de los enlaces sigma difíciles de romper: C-C y C-H. También vale la pena considerar que los enlaces C-C no son polares y los enlaces C-H son ligeramente polares. Estos son tipos de enlaces poco polarizables relacionados con el tipo sigma y, en consecuencia, lo más probable es que se rompan por el mecanismo homolítico, como resultado de lo cual se formarán radicales. Por lo tanto, las propiedades químicas de los alcanos se limitan principalmente a las reacciones de sustitución de radicales.

Reacciones de nitración

Los alcanos interactúan únicamente con ácido nítrico a una concentración del 10% o con óxido nítrico tetravalente en medio gaseoso a una temperatura de 140°C. La reacción de nitración de los alcanos se denomina reacción de Konovalov. Como resultado, se forman compuestos nitro y agua: CH 4 + ácido nítrico (diluido) \u003d CH 3 - NO 2 (nitrometano) + agua.

Reacciones de combustión

Los hidrocarburos límite se usan con mucha frecuencia como combustible, lo que se justifica por su capacidad de combustión: C n P 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n CO 2 .

Reacciones de oxidación

Las propiedades químicas de los alcanos también incluyen su capacidad para oxidarse. Dependiendo de qué condiciones acompañen a la reacción y cómo se modifiquen, es posible obtener diferentes productos finales a partir de la misma sustancia. La oxidación suave del metano con oxígeno en presencia de un catalizador que acelera la reacción y una temperatura de unos 200 °C puede dar como resultado las siguientes sustancias:

1) 2CH 4 (oxidación de oxígeno) = 2CH 3 OH (alcohol - metanol).

2) CH 4 (oxidación con oxígeno) \u003d CH 2 O (aldehído - metanal o formaldehído) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oxidación con oxígeno) \u003d 2HCOOH (ácido carboxílico - metano o fórmico) + 2H 2 O.

Asimismo, la oxidación de alcanos se puede realizar en medio gaseoso o líquido con aire. Tales reacciones conducen a la formación de alcoholes grasos superiores y ácidos correspondientes.

Relación con el calor

A temperaturas que no excedan los + 150-250 ° C, necesariamente en presencia de un catalizador, se produce un reordenamiento estructural de las sustancias orgánicas, que consiste en cambiar el orden de conexión de los átomos. Este proceso se denomina isomerización, y las sustancias que se obtienen como resultado de la reacción se denominan isómeros. Así, a partir del butano normal se obtiene su isómero, el isobutano. A temperaturas de 300-600 °C y en presencia de un catalizador, los enlaces C-H se rompen con la formación de moléculas de hidrógeno (reacciones de deshidrogenación), moléculas de hidrógeno con la cadena de carbono cerrada en un ciclo (reacciones de ciclación de alcanos o aromatización):

1) 2CH 4 \u003d C 2 H 4 (eteno) + 2H 2.

2) 2CH 4 \u003d C 2 H 2 (etino) + 3H 2.

3) C 7 H 16 (heptano normal) \u003d C 6 H 5 - CH 3 (tolueno) + 4H 2.

Reacciones de halogenación

Tales reacciones consisten en la introducción de halógenos (sus átomos) en la molécula de materia orgánica, como resultado de lo cual se forma un enlace C-halógeno. Cuando los alcanos reaccionan con halógenos, se forman derivados de halógeno. Esta reacción tiene características específicas. Procede según un mecanismo radicalario, y para iniciarlo es necesario influir en la mezcla de halógenos y alcanos con radiación ultravioleta o simplemente calentarla. Las propiedades de los alcanos permiten que la reacción de halogenación continúe hasta que se logra la sustitución completa con átomos de halógeno. Es decir, la cloración del metano no terminará con una etapa y la producción de cloruro de metilo. La reacción irá más allá, se formarán todos los productos de sustitución posibles, comenzando con clorometano y terminando con tetracloruro de carbono. La acción del cloro en estas condiciones sobre otros alcanos conducirá a la formación diversos productos obtenido como resultado de la sustitución de hidrógeno en varios átomos de carbono. La temperatura a la que tiene lugar la reacción dependerá de la relación productos finales y la velocidad de su formación. Cuanto más larga sea la cadena hidrocarbonada de un alcano, más fácil será esta reacción. En la halogenación, el átomo de carbono menos hidrogenado (terciario) será reemplazado primero. El primario reaccionará después de todos los demás. La reacción de halogenación procederá por etapas. En la primera etapa, solo se reemplaza un átomo de hidrógeno. Los alcanos no reaccionan con soluciones de halógeno (agua de cloro y bromo).

Reacciones de sulfocloración

Las propiedades químicas de los alcanos también se complementan con la reacción de sulfocloración (se llama reacción de Reed). Cuando se exponen a la radiación ultravioleta, los alcanos pueden reaccionar con una mezcla de cloro y dióxido de azufre. Como resultado, se forma cloruro de hidrógeno, así como un radical alquilo, que se une al dióxido de azufre. El resultado es conexión compleja, que se estabiliza por la captura del átomo de cloro y la destrucción de su siguiente molécula: R-H + SO 2 + Cl 2 + Radiación ultravioleta= R-SO 2 Cl + HCl. Los cloruros de sulfonilo formados como resultado de la reacción se utilizan ampliamente en la producción de tensioactivos.

Las propiedades químicas de los hidrocarburos saturados se deben a la presencia de átomos de carbono e hidrógeno y enlaces $C-H$ y $C-C$ en sus moléculas.

En la molécula del alcano metano más simple, los enlaces químicos forman 8 electrones de valencia (4 electrones de un átomo de carbono y 4 de átomos de hidrógeno), que se colocan en cuatro orbitales moleculares de enlace.

Entonces, se forman cuatro enlaces covalentes $sp3-s (C-H)$ en una molécula de metano a partir de cuatro orbitales hibridados con $sp3$ de un átomo de carbono y orbitales s de cuatro átomos de hidrógeno (Fig. 1).

La molécula de etano está formada por dos tetraedros de carbono: un enlace covalente $sp3-sp3 (C-C)$ y seis enlaces covalentes $sp3-s (C-H)$ (Fig. 2).

Figura 2. La estructura de la molécula de etano: a - colocación de enlaces $\sigma $ en la molécula; b - modelo tetraédrico de la molécula; c - modelo de bola y palo de una molécula; GRAMO- modelo a escala Moléculas de Stewart-Brigleb

Características de los enlaces químicos en los alcanos.

En los tipos considerados de enlaces covalentes, las regiones de mayor densidad electrónica se encuentran en la línea que conecta los núcleos de los átomos. Estos enlaces covalentes están formados por $\sigma $-$(\rm M)$$(\rm O)$ localizados y se denominan $\sigma $-enlaces. Una característica importante de estos enlaces es que la densidad de electrones en ellos se distribuye simétricamente alrededor del eje que pasa por los núcleos de los átomos (simetría cilíndrica de la densidad de electrones). Debido a esto, los átomos o grupos de átomos que están conectados por este enlace pueden girar libremente sin causar la deformación del enlace. El ángulo entre las direcciones de las valencias de los átomos de carbono en las moléculas de alcano es $109^\circ 28"$. Por lo tanto, en las moléculas de estas sustancias, incluso con una cadena de carbono recta, los átomos de carbono en realidad no están ubicados en línea recta. Esta cadena tiene forma de zigzag, lo que está asociado con la conservación de los ángulos de intervalo de los átomos de carbono (Fig. 3).

Figura 3. Esquema de la estructura de la cadena carbonada de un alcano normal

En las moléculas de alcano con cadenas de carbono lo suficientemente largas, este ángulo aumenta en $2^\circ$ debido a la repulsión de los átomos de carbono que no tienen enlaces de valencia entre sí.

Observación 1

Cada enlace químico caracterizada por una cierta energía. Se ha establecido experimentalmente que la energía del enlace $C-H$ en una molécula de metano es de 422,9 kJ/mol, etano - 401,9 kJ/mol, otros alcanos - alrededor de 419 kJ/mol. La energía de enlace $C-C$ es de 350 kJ/mol.

Relación entre la estructura de los alcanos y su reactividad

La alta energía de enlace de $C-C$ y $C-H$ provoca una baja reactividad de los hidrocarburos saturados en temperatura ambiente. Entonces, los alcanos no decoloran el agua de bromo, la solución de permanganato de potasio, no interactúan con reactivos iónicos (ácidos, álcalis), no reaccionan con agentes oxidantes, con metales activos. Así, por ejemplo, el sodio metálico se puede almacenar en queroseno, que es una mezcla de hidrocarburos saturados. Incluso el ácido sulfúrico concentrado, que carboniza muchas sustancias orgánicas, no tiene efecto sobre los alcanos a temperatura ambiente. Dada la reactividad relativamente baja de los hidrocarburos saturados, alguna vez se les llamó parafinas. Los alcanos no tienen la capacidad de agregar hidrógeno, halógenos y otros reactivos. Por lo tanto, esta clase de sustancias orgánicas se denominó hidrocarburos saturados.

Las reacciones químicas de los hidrocarburos saturados pueden ocurrir al romper los enlaces $C-C$ o $C-H$. La ruptura de los enlaces $C-H$ va acompañada de la escisión de los átomos de hidrógeno con la formación de compuestos insaturados o la subsiguiente sustitución de las escisiones de los átomos de hidrógeno por otros átomos o grupos de átomos.

Dependiendo de la estructura del alcano y las condiciones de reacción en las moléculas de hidrocarburos saturados, el enlace $C-H$ puede romperse homolíticamente:

Figura 4. Propiedades químicas de los alcanos.

Y heterolítico con formación de aniones y cationes:

Figura 5. Propiedades químicas de los alcanos.

En este caso, se pueden formar radicales libres que tienen un electrón desapareado, pero no tienen carga eléctrica, o carbocationes o carbaniones, que tienen la correspondiente cargas eléctricas. Los radicales libres se forman como intermediarios en las reacciones del mecanismo radical, mientras que los carbocationes y carbaniones se forman en las reacciones del mecanismo iónico.

Debido al hecho de que los enlaces $CC$ son no polares y los enlaces $CH$ son poco polares y estos enlaces $\sigma $ tienen una polarizabilidad baja, la ruptura heterolítica de los enlaces $\sigma $ en moléculas de alcano con la la formación de iones requiere mucha energía. La escisión hemolítica de estos enlaces requiere menos energía. Por lo tanto, para los hidrocarburos saturados, las reacciones que proceden según el mecanismo de radicales son más características. La división del enlace $\sigma $ $C-C$ requiere menos energía que la división del enlace $C-H$, ya que la energía del enlace $C-C$ es menor que la energía del enlace $C-H$. pero reacciones químicas ocurren con más frecuencia con la división de los enlaces $C-H$, ya que son más accesibles a los reactivos.

Efecto de la ramificación y el tamaño de los alcanos sobre su reactividad

La reactividad del enlace $C-H$ cambia al pasar de alcanos lineales a alcanos ramificados. Por ejemplo, la energía de disociación del enlace $C-H$ (kJ/mol) durante la formación de radicales libres cambia de la siguiente manera:

Figura 6. Propiedades químicas de los alcanos.

Además, el valor de la energía de ionización (EI) para los alcanos muestra que un aumento en el número total de enlaces $\sigma $ aumenta sus propiedades donadoras y se vuelve más fácil separar un electrón para compuestos con una mayor peso molecular, por ejemplo:

Figura 7. Propiedades químicas de los alcanos.

Entonces, en los procesos de radicales libres, las reacciones ocurren predominantemente en el átomo de carbono terciario, luego en el secundario y por último en el primario, lo que coincide con la serie de estabilidad de los radicales libres. Sin embargo, con un aumento de la temperatura, la tendencia observada disminuye o se estabiliza por completo.

Así, dos tipos de reacciones químicas son características de los alcanos:

1. sustitución de hidrógeno, principalmente por el mecanismo de radicales y
2. división de una molécula detrás de los enlaces $C-C$ o $C-H$.

Los alcanos son compuestos de la serie homóloga del metano. Estos son hidrocarburos no cíclicos saturados. Las propiedades químicas de los alcanos dependen de la estructura de la molécula y del estado físico de las sustancias.

La estructura de los alcanos.

La molécula de alcano consta de átomos de carbono e hidrógeno, que forman grupos metileno (-CH 2 -) y metilo (-CH 3). El carbono puede crear cuatro enlaces covalentes no polares con átomos vecinos. Es la presencia de fuertes enlaces σ -С-С- y -С-Н lo que determina la inercia de la serie homóloga de alcanos.

Arroz. 1. La estructura de la molécula de alcano.

Los compuestos reaccionan a la luz o al calor. Las reacciones proceden por un mecanismo en cadena (de radicales libres). Por lo tanto, los enlaces solo pueden romperse mediante radicales libres. Como resultado de la sustitución de hidrógeno, se forman haloalcanos, sales, cicloalcanos.

Los alcanos son carbonos saturados o saturados. Esto significa que las moléculas contienen el número máximo de átomos de hidrógeno. Debido a la ausencia de enlaces libres, las reacciones de adición no son típicas de los alcanos.

Propiedades químicas

Las propiedades generales de los alcanos se dan en la tabla.

Tipos de reacciones químicas	Descripción	La ecuacion
Halogenación	Reaccionar con F 2 , Cl 2 , Br 2 . No hay reacción con el yodo. Los halógenos reemplazan un átomo de hidrógeno. La reacción con el flúor va acompañada de una explosión. La cloración y la bromación se producen a una temperatura de 300-400°C. Como resultado, se forman haloalcanos.	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Nitración (reacción de Konovalov)	interacción con diluido Ácido nítrico a 140°C. El átomo de hidrógeno es reemplazado por el grupo nitro NO 2 . Como resultado, se forman nitroalcanos.	CH 3 -CH 3 + HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O
Sulfocloración	Acompañado de oxidación para formar cloruros de alcanosulfonilo	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
sulfoxidación	Formación de ácidos alcanosulfónicos en exceso de oxígeno. El átomo de hidrógeno es reemplazado por el grupo SO 3 H	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Ocurre en presencia de un catalizador a altas temperaturas. Como resultado de la ruptura de los enlaces C-C, se forman alcanos y alquenos.	do 4 h 10 → do 2 h 6 + do 2 h 4
	En exceso de oxígeno, se produce una oxidación completa para dióxido de carbono. Con la falta de oxígeno, se produce una oxidación incompleta con la formación de monóxido de carbono, Hollín	CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O
oxidación catalítica	Los alcanos se oxidan parcialmente a bajas temperaturas y en presencia de catalizadores. Se pueden formar cetonas, aldehídos, alcoholes, ácidos carboxílicos	C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O
Deshidrogenación	Eliminación de hidrógeno como resultado de la ruptura del enlace C-H en presencia de un catalizador (platino, óxido de aluminio, óxido de cromo) a una temperatura de 400-600°C. Los alquenos se forman	do 2 h 6 → do 2 h 4 + h 2
Aromatización	Reacción de deshidrogenación para formar cicloalcanos	do 6 h 14 → do 6 h 6 + 4 h 2
isomerización	Formación de isómeros bajo la acción de la temperatura y catalizadores.	C 5 H 12 → CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3

Para comprender cómo procede la reacción y qué radicales se sustituyen, se recomienda escribir fórmulas estructurales.

Arroz. 2. Fórmulas estructurales.

Solicitud

Los alcanos se utilizan ampliamente en química industrial, cosmetología y construcción. Los compuestos están hechos de:

• combustible (gasolina, queroseno);
• asfalto;
• aceites lubricantes;
• vaselina;
• parafina;
• jabón;
• barnices;
• pinturas;
• esmaltes;
• alcoholes;
• tejidos sintéticos;
• caucho;
• aldehídos;
• plástica;
• detergentes;
• ácidos;
• propelentes;
• herramientas cosméticas.

Arroz. 3. Productos derivados de los alcanos.

¿Qué hemos aprendido?

Aprendió sobre las propiedades químicas y los usos de los alcanos. Debido a los fuertes enlaces covalentes entre los átomos de carbono, así como entre los átomos de carbono e hidrógeno, los alcanos son inertes. Las reacciones de sustitución y descomposición son posibles en presencia de un catalizador a altas temperaturas. Los alcanos son hidrocarburos saturados, por lo que las reacciones de adición son imposibles. Los alcanos se utilizan para producir materiales, detergentes, compuestos orgánicos.

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