Ķīmiskās īpašības. Fizikālās īpašības alkāni

Alkānu fizikālās īpašības

Normālos apstākļos pirmie četri alkānu homologās sērijas locekļi (C 1 - C 4) ir gāzes. Parastie alkāni no pentāna līdz heptadekānam (C 5 - C 17) - šķidrumi, sākot no C 18 un augstāk - cietvielas. Pieaugot oglekļa atomu skaitam ķēdē, t.i. palielinoties relatīvajai molekulmasai, palielinās alkānu viršanas un kušanas temperatūra.

Plkst tas pats numurs oglekļa atomu molekulā, sazarotajiem alkāniem ir vairāk nekā zemas temperatūras viršanas temperatūra nekā parastie alkāni.

Alkāni praktiski nešķīst ūdenī, tk. to molekulas ir zemas polāras un nesadarbojas ar ūdens molekulām. Šķidrie alkāni viegli sajaucas viens ar otru. Tie labi šķīst nepolāros organiskos šķīdinātājos, piemēram, benzolā, tetrahlorogleklī utt.

Struktūra

Vienkāršākā alkāna - metāna - molekulai ir regulāra tetraedra forma, kuras centrā atrodas oglekļa atoms, bet virsotnēs - ūdeņraža atomi. Leņķi starp asīm C-H savienojumi ir 109 ° 28 "(29. att.).

Citu piesātināto ogļūdeņražu molekulās leņķiem starp saitēm (gan C-H, gan C-C) ir tāda pati nozīme. izmanto, lai aprakstītu molekulu formu. atomu orbitāļu hibridizācijas koncepcija(Skatīt I daļas 6. punktu).

Alkānos visi oglekļa atomi atrodas stāvoklī sp3- hibridizācija (30. att.).

Tādējādi oglekļa atomi oglekļa ķēdē neatrodas taisnā līnijā. Attālums starp blakus esošajiem oglekļa atomiem (starp atomu kodoliem) ir stingri fiksēts - tas ir ķīmiskās saites garums(0,154 nm). Attālums C 1 - C 3, C 2 - C 4 utt. (caur vienu atomu) ir arī nemainīgas, jo pastāvīgs leņķis starp saitēm - valences leņķis.

Attālumi starp attālākiem oglekļa atomiem var mainīties (dažās robežās) rotācijas rezultātā ap s-saitēm. Šāda rotācija nepārkāpj s-saiti veidojošo orbitāļu pārklāšanos, jo šai saitei ir aksiālā simetrija.

Tiek sauktas dažādas vienas molekulas telpiskās formas, kas veidojas atomu grupu rotācijas laikā ap s-saitēm. konformācijas(31. att.).

Konformācijas izceļas ar enerģiju, taču šī atšķirība ir neliela (12-15 kJ/mol). Stabilākas ir tās alkānu konformācijas, kurās atomi atrodas pēc iespējas tālāk viens no otra (elektronu čaulu atgrūšana). Pāreja no vienas konformācijas uz otru notiek siltuma kustības enerģijas dēļ. Konformācijas attēlošanai tiek izmantotas īpašas telpiskās formulas (Ņūmena formulas).

Nejauciet!

Ir nepieciešams nošķirt konformācijas un konfigurācijas jēdzienus.

Dažādas konformācijas var pārveidoties viena par otru, nepārraujot ķīmiskās saites. Lai molekulu ar vienu konfigurāciju pārveidotu par molekulu ar citu konfigurāciju, ir nepieciešama ķīmisko saišu pārraušana.

No četriem veidiem izomerisms alkānus raksturo divi: oglekļa skeleta izomērija un optiskā izomērija (sk

Ķīmiskās saites alkānos, to pārraušana un veidošanās nosaka alkānu ķīmiskās īpašības. C-C un C-H saites ir kovalentas, vienkāršas (s-saites), praktiski nepolāras, pietiekami spēcīgas, tāpēc:

1) alkāni visbiežāk nonāk tādās reakcijās, kas notiek ar saišu hemolītisko šķelšanos;

2) salīdzinot ar citu klašu organiskajiem savienojumiem, alkāniem ir zema reaktivitāte (šajā sakarā tos sauc parafīni- "bez īpašībām"). Tātad alkāni ir izturīgi pret skābju, sārmu un oksidētāju (piemēram, kālija permanganāta) ūdens šķīdumu iedarbību pat vārot.

Alkāni neietilpst citu molekulu pievienošanas reakcijās, jo Alkānu molekulās nav vairāku saišu.

Alkāni sadalās spēcīgi karsējot katalizatoru klātbūtnē platīna vai niķeļa formā, savukārt ūdeņradis tiek atdalīts no alkāniem.

Alkāni var iesaistīties izomerizācijas reakcijās. Viņu tipiskā reakcija ir aizvietošanas reakcija, notiek ar radikālu mehānismu.

Ķīmiskās īpašības

Radikālās aizstāšanas reakcijas

Kā piemēru apsveriet alkānu mijiedarbība ar halogēniem. Fluors reaģē ļoti spēcīgi (parasti ar sprādzienu) – šajā gadījumā tiek pārrautas visas CH un C-C saites, kā rezultātā veidojas CF 4 un HF savienojumi. praktiskā vērtība nekādas reakcijas. Jods nereaģē ar alkāniem. Reakcijas ar hloru vai bromu notiek vai nu apgaismojumā, vai ar spēcīgu karsēšanu; šajā gadījumā veidojas no mono- līdz polihalogēnaizvietoti alkāni, piemēram:

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

Metāna halogēnu atvasinājumu veidošanās notiek pa ķēdi brīvais radikālis mehānisms. Gaismas iedarbībā hlora molekulas sadalās neorganiskos radikāļos:

Neorganiskais radikālis Cl. atdala ūdeņraža atomu ar vienu elektronu no metāna molekulas, veidojot HC1 un brīvo radikāli CH 3

Brīvais radikālis mijiedarbojas ar Cl 2 hlora molekulu, veidojot halogēna atvasinājumu un hlora radikāli.

Oksidācijas reakcija sākas ar ūdeņraža atoma abstrakciju ar skābekļa molekulu (kas ir biradikāle) un pēc tam turpinās kā sazarota. ķēdes reakcija. Reakcijas laikā palielinās radikāļu skaits. Process tiek pavadīts

izdaloties lielam siltuma daudzumam, tiek pārrautas ne tikai C-H, bet arī C-C saites, tā kā rezultātā veidojas oglekļa monoksīds (IV) un ūdens. Reakcija var notikt kā aizdegšanās vai izraisīt sprādzienu.

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

Parastā temperatūrā oksidācijas reakcija nenotiek; to var ierosināt vai nu ar aizdedzi, vai ar elektriskās izlādes darbību.

Ar spēcīgu karsēšanu (virs 1000 ° C) alkāni pilnībā sadalās oglekli un ūdeņradi. Šo reakciju sauc pirolīze.

CH 4 ® 1200 ° C + 2H 2

Ar vieglu alkānu, īpaši metāna, oksidēšanu ar atmosfēras skābekli dažādu katalizatoru klātbūtnē var iegūt metilspirtu, formaldehīdu un skudrskābi.

Ja metāns ļoti ātri tiek izvadīts cauri apsildāmai zonai un pēc tam nekavējoties atdzesēts ar ūdeni, rezultāts ir acetilēns.

Šī reakcija ir rūpnieciskās sintēzes pamatā, ko sauc plaisāšana(nepilnīga sadalīšanās) metāna.

Metāna homologu krekinga tiek veikta zemākā temperatūrā (apmēram 600°C). Piemēram, propāna plaisāšana ietver šādas darbības:

Tātad alkānu krekinga rezultātā veidojas alkānu un mazākas molekulmasas alkēnu maisījums.

Alkānu karsēšana līdz 300–350°C (plaisāšana vēl nenotiek) katalizatora (Pt vai Ni) klātbūtnē noved pie dehidrogenēšana- ūdeņraža izvadīšana.

Atšķaidītas slāpekļskābes iedarbībā uz alkāniem 140 ° C temperatūrā un zemā spiedienā notiek radikāla reakcija:

CH3-CH3 + HNO3®CH3-CH2-NO2 + H2O Izomerizācija

Noteiktos apstākļos parastos alkānus var pārvērst sazarotās ķēdes alkānos.

Alkānu iegūšana

Apsveriet alkānu ražošanu, izmantojot metāna ražošanas piemēru. Metāns ir plaši izplatīts dabā. Tā ir galvenā sastāvdaļa daudzām dabīgām (90-98%) un mākslīgajām degošām gāzēm, kas izdalās koksnes, kūdras, ogļu sausās destilācijas laikā, kā arī naftas plaisāšanas laikā. Dabasgāzes, īpaši saistītās gāzes no naftas laukiem, papildus metānam satur etānu, propānu, butānu un pentānu.

Metāns izplūst no purvu dibena un no ogļu slāņiem raktuvēs, kur tas veidojas lēnas augu atlieku sadalīšanās laikā bez gaisa piekļuves. Tāpēc metānu bieži sauc par purva gāzi vai ugunsdrošību.

Laboratorijā metānu iegūst, karsējot nātrija acetāta un nātrija hidroksīda maisījumu:

CH 3 COONa+NaOH® 200 ° Na2CO3+CH4

vai kad alumīnija karbīds mijiedarbojas ar ūdeni: Al 4 Cl 3 + 12H 2 O® 4Al (OH) 3 + 3CH 4

Pēdējā gadījumā metāns ir ļoti tīrs.

Metānu var iegūt no vienkāršas vielas karsējot katalizatora klātbūtnē:

С+2Н 2 ® Ni CH 4 8 arī sintēzes ceļā uz ūdens gāzes bāzes

CO + 3H 2 ® Ni CH 4 + H 2 O

Šai metodei ir rūpnieciska nozīme. Tomēr metānu parasti izmanto dabasgāzēs vai gāzēs, kas veidojas ogļu koksēšanas un naftas rafinēšanas laikā.

Metāna homologus, piemēram, metānu, iegūst laboratorijas apstākļos, kalcinējot atbilstošo organisko skābju sāļus ar sārmiem. Vēl viens veids ir Wurtz reakcija, t.i. monohalogēna atvasinājumu karsēšana ar nātrija metālu, piemēram:

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

Tehnoloģijā, lai iegūtu tehnisko benzīnu (ogļūdeņražu maisījumu, kas satur 6-10 oglekļa atomus), tiek izmantota sintēze

no oglekļa monoksīda (II) un ūdeņraža katalizatora (kobalta savienojumu) klātbūtnē un paaugstinātā spiedienā. Process

var izteikt ar vienādojumu

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

Es Tātad, galvenais alkānu avots ir dabasgāze un eļļu. Tomēr daži piesātinātie ogļūdeņraži sintezēts no citiem savienojumiem.

Alkānu pielietojums

Lielāko daļu alkānu izmanto kā degvielu. Krekinga un

To dehidrogenēšana noved pie nepiesātināto ogļūdeņražu veidošanās

uz kuras pamata iegūst daudzas citas organiskas vielas.

Metāns ir galvenā dabasgāzes daļa (60-99%). daļa

Dabasgāzes ietver propānu un butānu. Šķidrie ogļūdeņraži

izmanto kā degvielu iekšdedzes dzinējos automašīnās, lidmašīnās uc Attīrīts šķidruma maisījums

un cietie alkāni veido vazelīnu. Augstākie alkāni ir

izejvielas sintētikas ražošanā mazgāšanas līdzekļi. Izomerizācijas ceļā iegūtie alkāni tiek izmantoti augstas kvalitātes benzīna un gumijas ražošanā. Zemāk ir metāna izmantošanas diagramma

Cikloalkāni

Struktūra

Cikloalkāni ir piesātināti ogļūdeņraži, kuru molekulas satur slēgtu oglekļa atomu gredzenu.

Cikloalkāni (cikloparafīni) veido homologu sēriju ar vispārīgo formulu C n H 2 n, kurā pirmais elements ir

ciklopropāns C 3 H 6, jo Lai izveidotu gredzenu, ir nepieciešami vismaz trīs oglekļa atomi.

Cikloalkāniem ir vairāki nosaukumi: cikloparafīni, naftēni, ciklāni, polimetilēni. Dažu savienojumu piemēri:

Formula C n H 2 n ir raksturīga cikloparafīniem, un tieši tā pati formula apraksta homologu alkēnu sēriju (nepiesātinātie ogļūdeņraži ar vienu daudzkārtēju saiti). No tā mēs varam secināt, ka katrs cikloalkāns ir izomerizēts ar atbilstošo alkēnu - tas ir "starpklases" izomērijas piemērs.

Cikloalkānus pēc gredzena izmēra iedala vairākās grupās, no kurām aplūkosim divus: mazos (C 3 , C 4) un parastos (C 5 -C 7) ciklus.

Cikloalkānu nosaukumus veido, pievienojot prefiksu ciklo- alkāna nosaukumam ar atbilstošu oglekļa atomu skaitu. Numerācija ciklā tiek veikta tā, lai aizvietotāji saņemtu mazākos skaitļus.

Cikloalkānu strukturālās formulas parasti raksta saīsinātā formā, izmantojot ģeometriskā forma ciklu un izlaižot oglekļa un ūdeņraža atomu simbolus. Piemēram:

Cikloalkānu strukturālo izomērismu nosaka gredzena izmērs (ciklobutāns un metilciklopropāns ir izomēri) un aizvietotāju novietojums gredzenā (piemēram, 1,1- un 1,2-dimetilbutāns), kā arī to struktūra.

Telpiskā izomērija ir raksturīga arī cikloalkāniem, kopš tas ir saistīts ar atšķirīgu aizvietotāju izvietojumu attiecībā pret gredzena plakni. Ja aizvietotāji atrodas vienā gredzena plaknes pusē, tiek iegūti cis-izomēri saskaņā ar dažādas puses- trans-izomēri.

I. ALKĀNI (piesātinātie ogļūdeņraži, parafīni)

Alkāni ir alifātiski (acikliski) piesātināti ogļūdeņraži, kuros oglekļa atomi ir savienoti kopā ar vienkāršām (vienkāršām) saitēm nesazarotās vai sazarotās ķēdēs.

Alkāni- piesātināto ogļūdeņražu nosaukums saskaņā ar starptautisko nomenklatūru.
Parafīni- vēsturiski izveidots nosaukums, kas atspoguļo šo savienojumu īpašības (no lat. parrum affinis- ar nelielu afinitāti, neaktīvs).
ierobežojoši, vai bagāts, šie ogļūdeņraži ir nosaukti saistībā ar oglekļa ķēdes pilnīgu piesātinājumu ar ūdeņraža atomiem.

Vienkāršākie alkānu pārstāvji:

Salīdzinot šos savienojumus, ir skaidrs, ka tie atšķiras viens no otra ar grupu -CH2- (metilēns). Citas grupas pievienošana propānam -CH2-, mēs iegūstam butānu C4H10, tad alkāni C5H12, C6H14 utt.

Tagad jūs varat iegūt vispārīgo alkānu formulu. Oglekļa atomu skaits alkānu virknē tiks pieņemts kā n , tad ūdeņraža atomu skaits būs 2n+2 . Tāpēc alkānu sastāvs atbilst vispārējai formulai C n H 2n+2.
Tāpēc bieži tiek izmantota šāda definīcija:

• Alkāni- ogļūdeņraži, kuru sastāvu izsaka ar vispārīgo formulu C n H 2n+2, Kur n ir oglekļa atomu skaits.

II. Alkānu struktūra

• Ķīmiskā struktūra(atomu savienojuma secība molekulās) vienkāršāko alkānu - metāna, etāna un propāna - parāda to strukturālās formulas. No šīm formulām var redzēt, ka alkānos ir divu veidu ķīmiskās saites:
  

  S–S Un S–N.

  C-C saite ir kovalenta nepolāra. C–H saite ir kovalenta, vāji polāra, jo oglekļa un ūdeņraža elektronegativitāte ir tuva (2,5 ogleklim un 2,1 ūdeņradim). Kovalento saišu veidošanos alkānos oglekļa un ūdeņraža atomu kopējo elektronu pāru dēļ var parādīt, izmantojot elektroniskās formulas:

  Elektroniskās un strukturālās formulas atspoguļo ķīmiskā struktūra, bet nedod ne jausmas molekulu telpiskā struktūra, kas būtiski ietekmē vielas īpašības.

  Telpiskā struktūra, t.i. molekulas atomu savstarpējais izvietojums telpā ir atkarīgs no šo atomu atomu orbitāļu (AO) virziena. Ogļūdeņražos galveno lomu spēlē oglekļa atomu orbitāļu telpiskā orientācija, jo ūdeņraža atoma sfēriskajam 1s-AO nav noteiktas orientācijas.

  Savukārt oglekļa AO telpiskais izvietojums ir atkarīgs no tā hibridizācijas veida. Piesātinātais oglekļa atoms alkānos ir saistīts ar četriem citiem atomiem. Tāpēc tā stāvoklis atbilst sp 3 hibridizācijai. Šajā gadījumā katrs no četriem sp 3 -hibrīda oglekļa AO piedalās aksiālā (σ-) pārklāšanās ar ūdeņraža s-AO vai ar cita oglekļa atoma sp 3 -AO, veidojot σ-saites С-Н vai С. -С.

  Četras oglekļa σ-saites ir vērstas telpā 109 aptuveni 28" leņķī, kas atbilst mazākajai elektronu atgrūšanai. Tāpēc alkānu vienkāršākā pārstāvja - metāna CH 4 - molekulai ir tetraedra forma, kura centrā ir oglekļa atoms, bet virsotnēs - ūdeņraža atomi:

  Valences leņķis H-C-H vienāds 109 apmēram 28". Metāna telpisko struktūru var parādīt, izmantojot tilpuma (mēroga) un lodīšu un nūju modeļus.

  Ierakstīšanai ir ērti izmantot telpisko (stereoķīmisko) formulu.

  Nākamā homologa molekulā - etāns C 2 H 6 - divi tetraedri sp 3 oglekļa atomi veido sarežģītāku telpisko struktūru:

  2. Ja vienāda sastāva un vienādas ķīmiskās struktūras molekulās ir iespējama atšķirīga atomu savstarpējā izkārtošanās telpā, tad pastāv telpiskā izomērija (stereoizomērija). Šajā gadījumā nepietiek ar strukturālo formulu izmantošanu un ir jāizmanto molekulārie modeļi vai īpašas formulas - stereoķīmiskās (telpiskās) vai projekcijas.

  Alkāni, sākot no etāna H 3 C–CH 3, pastāv dažādās telpiskās formās ( konformācijas), ko izraisa intramolekulārā rotācija pa C–C σ-saitēm un uzrāda t.s. rotācijas (konformācijas) izomerisms.

  Dažādas molekulas telpiskās formas, kas pāriet viena otrā, griežoties ap C–C σ-saitēm, sauc par konformācijām vai rotācijas izomēri(konformeri).

  Molekulas rotācijas izomēri ir tās enerģētiski nevienlīdzīgi stāvokļi. To savstarpējā pārveide notiek ātri un pastāvīgi termiskās kustības rezultātā. Tāpēc rotācijas izomērus nevar izolēt individuāla forma, taču to esamība ir pierādīta ar fizikālām metodēm. Dažas konformācijas ir stabilākas (enerģētiski labvēlīgākas), un molekula vairāk uzturas šādos stāvokļos ilgu laiku.

  3. Turklāt, ja molekulā ir oglekļa atoms, kas saistīts ar 4 dažādiem aizvietotājiem, ir iespējama cita veida telpiskā izomērija -optiskā izomērija.

  Piemēram:

  tad divu savienojumu esamība ar vienādu strukturālā formula, bet atšķiras pēc telpiskās struktūras. Šādu savienojumu molekulas ir saistītas viena ar otru kā objektu un tā spoguļattēlu un ir telpiski izomēri.

  Šāda veida izomērismu sauc par optisko, izomērus - optiskos izomērus vai optiskos antipodus:

  
  

  Optisko izomēru molekulas nav savietojamas telpā (gan pa kreisi, gan pa labi labā roka), tiem trūkst simetrijas plaknes.
  Tādējādi

  optiskie izomēri tiek saukti telpiskie izomēri, kuru molekulas ir saistītas viena ar otru kā objektu un nesavienojamu spoguļattēlu.

  Optiskajiem izomēriem ir vienādas fizikālās un ķīmiskās īpašības, taču tie atšķiras pēc to attiecības ar polarizēto gaismu. Šādiem izomēriem ir optiskā aktivitāte (viens no tiem pagriež polarizētās gaismas plakni pa kreisi, bet otrs - tādā pašā leņķī pa labi). Ķīmisko īpašību atšķirības tiek novērotas tikai reakcijās ar optiski aktīviem reaģentiem.

  Optiskā izomērija izpaužas dažādu klašu organiskajās vielās un tai ir ļoti svarīga loma dabisko savienojumu ķīmijā.

Limit ogļūdeņraži ir savienojumi, kas ir molekulas, kas sastāv no oglekļa atomiem sp 3 hibridizācijas stāvoklī. Tos saista tikai kovalentās sigma saites. Nosaukums "piesātinātie" vai "piesātinātie" ogļūdeņraži cēlies no tā, ka šiem savienojumiem nav spēju piesaistīt nevienu atomu. Tie ir galīgi, pilnībā piesātināti. Izņēmums ir cikloalkāni.

Kas ir alkāni?

Alkāni ir piesātināti ogļūdeņraži, un to oglekļa ķēde ir atvērta un sastāv no oglekļa atomiem, kas savienoti kopā ar atsevišķām saitēm. Tas nesatur citas (tas ir, dubultās, piemēram, alkēnos, vai trīskāršās, piemēram, alkilgrupās) saites. Alkānus sauc arī par parafīniem. Viņi saņēma šo nosaukumu, jo labi zināmie parafīni ir pārsvarā šo piesātināto ogļūdeņražu C18-C35 maisījums ar īpašu inerci.

Vispārīga informācija par alkāniem un to radikāļiem

To formula: C n P 2 n +2, šeit n ir lielāks vai vienāds ar 1. Molāro masu aprēķina pēc formulas: M = 14n + 2. Funkcija: galotnes to nosaukumos ir "-an". To molekulu paliekas, kas veidojas ūdeņraža atomu aizstāšanas rezultātā ar citiem atomiem, sauc par alifātiskajiem radikāļiem jeb alkilgrupām. Tos apzīmē ar burtu R. Vispārējā formula vienvērtīgie alifātiskie radikāļi: C n P 2 n +1, šeit n ir lielāks vai vienāds ar 1. Molārā masa alifātiskos radikāļus aprēķina pēc formulas: M \u003d 14n + 1. Alifātisko radikāļu raksturīga iezīme: galotnes nosaukumos "-il". Alkānu molekulām ir savas struktūras iezīmes:

• C-C saiti raksturo garums 0,154 nm;
• C-H saiti raksturo garums 0,109 nm;
• saites leņķis (leņķis starp oglekļa-oglekļa saitēm) ir 109 grādi un 28 minūtes.

Alkāni sāk homologās sērijas: metāns, etāns, propāns, butāns utt.

Alkānu fizikālās īpašības

Alkāni ir vielas, kas ir bezkrāsainas un nešķīst ūdenī. Temperatūra, kurā alkāni sāk kust, un temperatūra, kurā tie vārās, palielinās proporcionāli molekulmasas un ogļūdeņražu ķēdes garuma pieaugumam. No mazāk sazarotiem uz vairāk sazarotiem alkāniem viršanas un kušanas temperatūra samazinās. Gāzveida alkāni spēj sadegt ar gaiši zilu vai bezkrāsainu liesmu, un izdalās diezgan daudz siltuma. CH 4 -C 4 H 10 ir gāzes, kurām arī trūkst smakas. C 5 H 12 -C 15 H 32 ir šķidrumi, kuriem ir īpaša smarža. C 15 H 32 un tā tālāk ir cietas vielas, kurām arī nav smaržas.

Alkānu ķīmiskās īpašības

Šie savienojumi ir ķīmiski neaktīvi, kas izskaidrojams ar grūti pārraujamu sigma saišu - C-C un C-H - stiprumu. Ir arī vērts ņemt vērā, ka C-C saites ir nepolāras, un C-H ir nedaudz polāras. Tie ir mazpolarizējamie saišu veidi, kas saistīti ar sigmas tipu un attiecīgi tie visticamāk pārtrūkst pēc homolītiskā mehānisma, kā rezultātā veidosies radikāļi. Tādējādi alkānu ķīmiskās īpašības galvenokārt aprobežojas ar radikālas aizstāšanas reakcijām.

Nitrēšanas reakcijas

Alkāni mijiedarbojas tikai ar slāpekļskābi ar koncentrāciju 10% vai ar četrvērtīgo slāpekļa oksīdu gāzveida vidē 140°C temperatūrā. Alkānu nitrēšanas reakciju sauc par Konovalova reakciju. Rezultātā veidojas nitro savienojumi un ūdens: CH 4 + slāpekļskābe (atšķaidīta) \u003d CH 3 - NO 2 (nitrometāns) + ūdens.

Degšanas reakcijas

Ogļūdeņražus ļoti bieži izmanto kā degvielu, ko pamato to spēja sadedzināt: C n P 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n CO 2 .

Oksidācijas reakcijas

Alkānu ķīmiskās īpašības ietver arī to spēju oksidēties. Atkarībā no tā, kādi apstākļi pavada reakciju un kā tie tiek mainīti, no vienas un tās pašas vielas ir iespējams iegūt dažādus galaproduktus. Viegla metāna oksidēšana ar skābekli katalizatora klātbūtnē, kas paātrina reakciju un aptuveni 200 °C temperatūrā, var radīt šādas vielas:

1) 2CH 4 (skābekļa oksidēšana) = 2CH 3 OH (spirts - metanols).

2) CH 4 (oksidēšana ar skābekli) \u003d CH 2 O (aldehīds - metanāls vai formaldehīds) + H 2 O.

3) 2CH 4 (oksidēšana ar skābekli) \u003d 2HCOOH (karbonskābe - metāns vai skudrskābe) + 2H 2 O.

Arī alkānu oksidēšanu var veikt gāzveida vai šķidrā vidē ar gaisu. Šādas reakcijas izraisa augstāku taukskābju spirtu un atbilstošo skābju veidošanos.

Saistība ar siltumu

Temperatūrā, kas nepārsniedz + 150-250 ° C, obligāti katalizatora klātbūtnē notiek organisko vielu strukturāla pārkārtošanās, kas sastāv no atomu savienojuma secības maiņas. Šo procesu sauc par izomerizāciju, un reakcijas rezultātā iegūtās vielas sauc par izomēriem. Tādējādi no parastā butāna tiek iegūts tā izomērs izobutāns. Temperatūrā 300–600 ° C un katalizatora klātbūtnē C-H saites tiek pārtrauktas, veidojot ūdeņraža molekulas (dehidrogenēšanas reakcijas), ūdeņraža molekulas ar ciklā noslēgtu oglekļa ķēdi (alkānu ciklizācijas vai aromatizācijas reakcijas):

1) 2CH4 \u003d C2H4 (etēns) + 2H2.

2) 2CH4 \u003d C2H2 (etīns) + 3H2.

3) C 7 H 16 (parastais heptāns) \u003d C 6 H 5 - CH 3 (toluols) + 4H 2.

Halogenēšanas reakcijas

Šādas reakcijas sastāv no halogēnu (to atomu) ievadīšanas organiskās vielas molekulā, kā rezultātā veidojas C-halogēna saite. Alkāniem reaģējot ar halogēniem, veidojas halogēna atvasinājumi. Šī reakcija ir specifiskas funkcijas. Tas notiek ar radikālu mehānismu, un, lai to ierosinātu, ir nepieciešams ietekmēt halogēnu un alkānu maisījumu ar ultravioleto starojumu vai vienkārši sildīt. Alkānu īpašības ļauj halogenēšanas reakcijai noritēt līdz pilnīgai aizstāšanai ar halogēna atomiem. Tas ir, metāna hlorēšana nebeigsies ar vienu posmu un metilhlorīda ražošanu. Reakcija noritēs tālāk, veidosies visi iespējamie aizvietošanas produkti, sākot ar hlormetānu un beidzot ar tetrahloroglekli. Šādos apstākļos hlora iedarbība uz citiem alkāniem novedīs pie tā veidošanās dažādi produkti iegūts ūdeņraža aizstāšanas rezultātā pie dažādiem oglekļa atomiem. Temperatūra, kurā notiek reakcija, būs atkarīga no attiecības gala produkti un to veidošanās ātrums. Jo garāka ir alkāna ogļūdeņraža ķēde, jo vieglāk noritēs šī reakcija. Halogenēšanā vispirms tiks aizstāts vismazāk hidrogenētais (terciārais) oglekļa atoms. Primārais reaģēs pēc visiem pārējiem. Halogenēšanas reakcija notiks pakāpeniski. Pirmajā posmā tiek aizstāts tikai viens ūdeņraža atoms. Alkāni nereaģē ar halogēna šķīdumiem (hlora un broma ūdeni).

Sulfohlorēšanas reakcijas

Alkānu ķīmiskās īpašības papildina arī sulfohlorēšanas reakcija (to sauc par Rīda reakciju). Pakļaujoties ultravioletā starojuma iedarbībai, alkāni spēj reaģēt ar hlora un sēra dioksīda maisījumu. Rezultātā veidojas hlorūdeņradis, kā arī alkilradikālis, kas pie sevis piesaista sēra dioksīdu. Rezultāts ir sarežģīts savienojums, kas kļūst stabils hlora atoma uztveršanas un tā nākamās molekulas iznīcināšanas dēļ: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultravioletais starojums= R-SO 2 Cl + HCl. Reakcijas rezultātā radušos sulfonilhlorīdus plaši izmanto virsmaktīvo vielu ražošanā.

Piesātināto ogļūdeņražu ķīmiskās īpašības ir saistītas ar oglekļa un ūdeņraža atomu un $C-H$ un $C-C$ saišu klātbūtni to molekulās.

Vienkāršākā alkāna metāna molekulā ķīmiskās saites veido 8 valences elektronus (4 oglekļa atoma un 4 ūdeņraža atomu elektronus), kas atrodas uz četrām savienojošām molekulārām orbitālēm.

Tātad četras $sp3-s (C-H)$ kovalentās saites veidojas metāna molekulā no četrām $sp3$-hibridizētām oglekļa atoma orbitālēm un četru ūdeņraža atomu s-orbitālēm (1. att.).

Etāna molekula veidojas no diviem oglekļa tetraedriem - vienas $sp3-sp3 (C-C)$ kovalentās saites un sešām $sp3-s (C-H)$ kovalentajām saitēm (2. att.).

2. attēls. Etāna molekulas struktūra: a - $\sigma $-saišu izvietojums molekulā; b - molekulas tetraedrisks modelis; c - molekulas lodīšu un nūju modelis; G- mēroga modelis Stjuarta-Brigleba molekulas

Ķīmisko saišu pazīmes alkānos

Aplūkotajos kovalento saišu veidos lielākā elektronu blīvuma reģioni atrodas uz līnijas, kas savieno atomu kodolus. Šīs kovalentās saites veido lokalizētas $\sigma $-$(\rm M)$$(\rm O)$, un tās sauc par $\sigma $-saitēm. Svarīga iezīme No šīm saitēm elektronu blīvums tajās ir sadalīts simetriski ap asi, kas iet caur atomu kodoliem (elektronu blīvuma cilindriskā simetrija). Sakarā ar to atomi vai atomu grupas, ko savieno šī saite, var brīvi griezties, neizraisot saites deformāciju. Leņķis starp oglekļa atomu valenču virzieniem alkānu molekulās ir $109^\circ 28"$. Tāpēc šo vielu molekulās, pat ar taisnu oglekļa ķēdi, oglekļa atomi faktiski nav sakārtoti taisnā līnijā. Šai ķēdei ir zigzaga forma, kas saistīta ar oglekļa atomu intervāla leņķu saglabāšanos (3. att.).

3. attēls. Parastā alkāna oglekļa ķēdes struktūras shēma

Alkānu molekulās ar pietiekami garām oglekļa ķēdēm šis leņķis tiek palielināts par $2^\circ$, jo tiek atgrūstīti valencei nesaistīti oglekļa atomi.

1. piezīme

Katrs ķīmiskā saite ko raksturo noteikta enerģija. Eksperimentāli noskaidrots, ka $C-H$ saites enerģija metāna molekulā ir 422,9 kJ/mol, etāna - 401,9 kJ/mol, pārējiem alkāniem - aptuveni 419 kJ/mol. Saites enerģija $C-C$ ir 350 kJ/mol.

Saistība starp alkānu struktūru un to reaktivitāti

$C-C$ un $C-H$ augstā saites enerģija izraisa zemu piesātināto ogļūdeņražu reaktivitāti telpas temperatūra. Tātad alkāni neatkrāso broma ūdeni, kālija permanganāta šķīdumu, neiedarbojas ar jonu reaģentiem (skābēm, sārmiem), nereaģē ar oksidētājiem, ar aktīviem metāliem. Tāpēc, piemēram, metālisko nātriju var uzglabāt petrolejā, kas ir piesātināto ogļūdeņražu maisījums. Pat koncentrēta sērskābe, kas karbonizē daudzas organiskās vielas, istabas temperatūrā neietekmē alkānus. Ņemot vērā piesātināto ogļūdeņražu relatīvi zemo reaktivitāti, tos kādreiz sauca par parafīniem. Alkāni nespēj pievienot ūdeņradi, halogēnus un citus reaģentus. Tāpēc šo organisko vielu klasi sauca par piesātinātajiem ogļūdeņražiem.

Piesātināto ogļūdeņražu ķīmiskās reakcijas var notikt, pārtraucot $C-C$ vai $C-H$ saites. $C-H$ saišu plīsumu pavada ūdeņraža atomu atdalīšanās ar nepiesātinātu savienojumu veidošanos vai sekojoša ūdeņraža atomu atdalīšanās aizstāšana ar citiem atomiem vai atomu grupām.

Atkarībā no alkāna struktūras un reakcijas apstākļiem piesātinātās ogļūdeņraža molekulās, $C-H$ saite var pārtrūkt homolītiski:

4. attēls. Alkānu ķīmiskās īpašības

Un heterolītisks ar anjonu un katjonu veidošanos:

5. attēls. Alkānu ķīmiskās īpašības

Šajā gadījumā var veidoties brīvie radikāļi, kuriem ir nepāra elektrons, bet kuriem nav elektriskā lādiņa, vai karbokationi vai karbanjoni, kuriem ir atbilstošs elektriskie lādiņi. Brīvie radikāļi veidojas kā starpprodukti radikāļu mehānisma reakcijās, savukārt karbokationi un karbanjoni veidojas jonu mehānisma reakcijās.

Sakarā ar to, ka $C-C$ saites ir nepolāras un $C-H$-saites ir zemas polāras un šīm $\sigma $-saitēm ir zema polarizējamība, $\sigma $-saišu heterolītiskā pārraušana alkānu molekulās ar jonu veidošanās prasa daudz enerģijas. Šo saišu hemolītiskajai šķelšanai ir nepieciešams mazāk enerģijas. Tāpēc piesātinātajiem ogļūdeņražiem raksturīgākas ir reakcijas, kas notiek pēc radikālas mehānisma. $\sigma $-saites $C-C$ sadalīšanai nepieciešams mazāk enerģijas nekā $C-H$ saites sadalīšanai, jo $C-C$ saites enerģija ir mazāka nekā $C-H$ saites enerģija. Tomēr ķīmiskās reakcijas biežāk rodas, sadaloties $C-H$ saitēm, jo ​​tās ir vieglāk pieejamas reaģentiem.

Alkānu atzarojuma un lieluma ietekme uz to reaktivitāti

$C-H$ saites reaktivitāte mainās, pārejot no lineāriem alkāniem uz sazarotiem alkāniem. Piemēram, $C-H$ saites disociācijas enerģija (kJ / mol) brīvo radikāļu veidošanās laikā mainās šādi:

6. attēls. Alkānu ķīmiskās īpašības

Turklāt jonizācijas enerģijas (EI) vērtība alkāniem parāda, ka $\sigma $-saišu kopskaita pieaugums palielina to donoru īpašības un kļūst vieglāk atdalīt elektronu savienojumiem ar lielāku molekulārais svars, Piemēram:

7. attēls. Alkānu ķīmiskās īpašības

Tātad brīvo radikāļu procesos reakcijas galvenokārt notiek pie terciārā oglekļa atoma, pēc tam sekundārajā un visbeidzot primārajā, kas sakrīt ar brīvo radikāļu stabilitātes sēriju. Tomēr, paaugstinoties temperatūrai, novērotā tendence samazinās vai pilnībā izlīdzinās.

Tādējādi alkāniem ir raksturīgas divu veidu ķīmiskās reakcijas:

1. ūdeņraža aizstāšana, galvenokārt ar radikālu mehānismu un
2. molekulas sadalīšana aiz $C-C$ vai $C-H$ saitēm.

Alkāni ir metāna homologās sērijas savienojumi. Tie ir piesātināti necikliski ogļūdeņraži. Alkānu ķīmiskās īpašības ir atkarīgas no molekulas struktūras un vielu fizikālā stāvokļa.

Alkānu struktūra

Alkāna molekula sastāv no oglekļa un ūdeņraža atomiem, kas veido metilēna (-CH 2 -) un metil (-CH 3) grupas. Ogleklis var izveidot četras kovalentas nepolāras saites ar blakus esošajiem atomiem. Tieši spēcīgu σ-saišu -С-С- un -С-Н klātbūtne nosaka alkānu homologās sērijas inerci.

Rīsi. 1. Alkāna molekulas uzbūve.

Savienojumi reaģē uz gaismu vai siltumu. Reakcijas notiek ar ķēdes (brīvo radikāļu) mehānismu. Tādējādi saites var sašķelt tikai brīvie radikāļi. Ūdeņraža aizvietošanas rezultātā veidojas haloalkāni, sāļi, cikloalkāni.

Alkāni ir piesātināti vai piesātināti oglekli. Tas nozīmē, ka molekulas satur maksimālo ūdeņraža atomu skaitu. Tā kā nav brīvu saišu, pievienošanas reakcijas alkāniem nav raksturīgas.

Ķīmiskās īpašības

Alkānu vispārīgās īpašības ir norādītas tabulā.

Ķīmisko reakciju veidi	Apraksts	Vienādojums
Halogenēšana	Reaģē ar F 2 , Cl 2 , Br 2 . Nav reakcijas ar jodu. Halogēni aizstāj ūdeņraža atomu. Reakciju ar fluoru pavada sprādziens. Hlorēšana un bromēšana notiek 300-400°C temperatūrā. Tā rezultātā veidojas haloalkāni	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Nitrēšana (Konovalova reakcija)	mijiedarbība ar atšķaidītu slāpekļskābe 140°C temperatūrā. Ūdeņraža atoms tiek aizstāts ar NO 2 nitrogrupu. Tā rezultātā veidojas nitroalkāni	CH3-CH3 + HNO3 → CH3-CH2-NO2 + H2O
Sulfohlorēšana	Pavada oksidēšanās, veidojot alkānsulfonilhlorīdus	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfoksidēšana	Alkānsulfonskābju veidošanās skābekļa pārpalikumā. Ūdeņraža atoms tiek aizstāts ar SO 3 H grupu	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Rodas katalizatora klātbūtnē augstā temperatūrā. C-C saišu pārraušanas rezultātā veidojas alkāni un alkēni	C4H10 → C2H6 + C2H4
	Pārsniedzot skābekli, notiek pilnīga oksidēšanās oglekļa dioksīds. Ar skābekļa trūkumu notiek nepilnīga oksidēšanās, veidojoties oglekļa monoksīds, sodrēji	CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O; 2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O
katalītiskā oksidēšana	Alkāni daļēji oksidējas zemā temperatūrā un katalizatoru klātbūtnē. Var veidoties ketoni, aldehīdi, spirti, karbonskābes	C4H10 → 2CH3COOH + H2O
Dehidrogenēšana	Ūdeņraža atdalīšanās C-H saišu šķelšanās rezultātā katalizatora (platīna, alumīnija oksīda, hroma oksīda) klātbūtnē 400-600°C temperatūrā. Veidojas alkēni	C2H6 → C2H4+H2
Aromatizācija	Dehidrogenēšanas reakcija, veidojot cikloalkānus	C6H14 → C6H6+4H2
Izomerizācija	Izomēru veidošanās temperatūras un katalizatoru ietekmē	C5H12 → CH3-CH (CH3)-CH2-CH3

Lai saprastu, kā notiek reakcija un kuri radikāļi tiek aizstāti, ieteicams uzrakstīt strukturālās formulas.

Rīsi. 2. Strukturālās formulas.

Pieteikums

Alkānus plaši izmanto rūpnieciskajā ķīmijā, kosmetoloģijā un celtniecībā. Savienojumi ir izgatavoti no:

• degviela (benzīns, petroleja);
• asfalts;
• smēreļļas;
• petrolatums;
• parafīns;
• ziepes;
• lakas;
• krāsas;
• emaljas;
• spirti;
• sintētiskie audumi;
• gumija;
• aldehīdi;
• plastmasa;
• mazgāšanas līdzekļi;
• skābes;
• propelenti;
• kosmētikas instrumenti.

Rīsi. 3. Produkti, kas iegūti no alkāniem.

Ko mēs esam iemācījušies?

Uzzināja par alkānu ķīmiskajām īpašībām un lietojumu. Spēcīgo kovalento saišu dēļ starp oglekļa atomiem, kā arī starp oglekļa un ūdeņraža atomiem alkāni ir inerti. Aizvietošanas un sadalīšanās reakcijas ir iespējamas katalizatora klātbūtnē augstā temperatūrā. Alkāni ir piesātināti ogļūdeņraži, tāpēc pievienošanas reakcijas nav iespējamas. Alkānus izmanto materiālu, mazgāšanas līdzekļu, organisko savienojumu ražošanai.

Tēmu viktorīna

Ziņojuma novērtējums

Vidējais vērtējums: 4.1. Kopējais saņemto vērtējumu skaits: 227.