k-tree

Органическая химия

1. Алканы

Насыщенные алифатические углеводороды

2. Алкены

Олефины, углеводороды с двойной связью

3. Алкины

Ацетиленовые углеводороды. Углеводороды с тройной связью

4. Галогеналканы

Галогенпроизводные. Галогенированные алканы



Алканы

Общая характеристика алканов

Группа молекул, имеющих общую формулу CnH2n+2 (CH4, C2C6, ...), носит название алканы. Алканы также называют насыщенными углеводородами. Каждый атом углерода в молекуле алкана имеет максимальное количество связанных с ним других атомов, то есть четыре, поэтому такие углеводороды и называют насыщенными.

Связи в алканах

Электронная конфигурация атома углерода с атомным числом 6, 1s22s22p2, не может образовать четыре связи, а только две, поэтому здесь имело место sp3-гибридизация, то есть перераспределение четырёх электронов с двух разных энергетических уровней на один. Образованные связи электронов углерода (с орбитали sp3) и водорода (орбиталь s) образуют очень прочную связь σ. Ввиду прочности связи алканы имеют низкую реакционную способность.

Геометрия алканов

Наличие четырёх орбиталей у атома углерода создаёт форму правильного тетраэдра и все углы между орбиталями равны 109°28'. Длина связи между атомами углерода и водорода составляет 0,109 нм, между двумя атомами углерода - 0,154 нм.

Реакции алканов

Атомы в молекулах алканов соединены сильной σ-связью. В реакции связи C-C и C-H имеют равную вероятность разрушиться для образования нового соединения, поэтому результатом реакции всегда является сложная смесь продуктов. В нормальных условиях алканы не реагируют с кислотами, с основаниями, ни с сильными окислителями.

При разрыве связи в алканах возможны два сценария: разрыв связи с образованием двух радикалов, A:B → A + B. Такой разрыв называется гомолитический (гомо - одинаковый). В другом случае происходит разрыв с образованием ионов, когда общая пара электронов отходит к одному из атомов: A:B → A + :B, такой разрыв называется гетеролитический. Соответствующим образом называются виды реакции алканов: гомолитические и гетеролитические реакции.

На данный момент известны два типа реакции алканов, в которых не разрываются связи C-C - это галогенирование и нитрирование. Ниже даны примеры реакций метана.

Галогенирование алканов

Реакция галогенирования проходит при температуре 300-400°C или под воздействием ультрафиолетовых лучей. В процессе реакции образуются галогеноалканы. Чаще всего встречаются реакции с хромом и бромом, реакции со фтором опасны из-за возможности взрыва, с йодом реакция не проходит.

Процесс галогенирования состоит из трёх этапов: инициирование, рост цепи и обрыв цепи.

1. Инициирование - гомолитическое расщепление галогена на два радикала:
Cl2 → 2Cl• (воздействие световой энергии, hν)
2. Развитие цепи - свободные радикалы, взаимодействуют с молекулами и возможны две реакции:
(1) Cl• + CH4 → HCl + •CH3
(2) Cl• + CH4 → CH3Cl + H•
Энергия атомарного водорода значительно выше чем метильного радикала CH3, поэтому реакция (2) не протекает.
3. Обрыв цепи - радикалы реагируют между собой и образуют продукты:
Cl• + Cl• → Cl2
CH3• + CH3• → 2CH3
CH3• + Cl• → CH3Cl

Горение

Основное применение алканов - это топливо, поэтому реакцию горения можно назвать самой популярной для предельных углеводородов. В реакции горения алканы превращаются в воду и углекислый газ. Реакция горения алкана является экзотермической и требует большого количества энергии, например, искра или огонь. Общая реакция горения алканов:

R + O2 → CO2 + H2O + тепло
2CnH2n+2 + (3n+1)O2 → 2nCO2 + (2n+2)H2O + тепло
Реакция горения метана
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 212 ккал/моль

Нитрирование алканов

При температуре 140°C, при повышении давления, алканы реагируют с азотной кислотой, атом водорода замещается на остаток азотной кислоты NO2, продукты реакции называются нитросоединениями:

CH4 + HO-NO2 → CH3-NO2 + H2O (140°C, p)

Синтез алканов

Синтез Вюрца

В 1855 году Адольф Вюрц открыл, что в реакции металлического натрия с галогеноалканом образуется соль натрия:

2CH3I + 2Na• → 2Na+I- + CH3CH3

Свободные радикалы галогеноалкана реагируют друг с другом, образуя более длинные соединения алканов. Общее уравнение реакции имеет вид:

2R-X + 2Na → 2NaX + R-R

Восстановление галогеналкилов

Большинство галогеналкилов в реакции с цинком и катионами водорода (или кислотой Брёнстеда-Лоури) образуют алканы. В такой реакции, цинк является восстановителем и позволяет заменить галоген на водород:

2C4H9Br (2-бромбутан) + H+ (кислота) + Zn → 2C4H10 (бутан) + ZnBr2

Реактивы Гриньярда

Реактивы Гриньярда - это органические соединения, в которых присутствует связь металл-углерод. Такие реактивы образуются в результате реакции галогеналкила с магнием в растворе диэтилового эфира:

R-X + Mg → RMgX (в растворе диэтилового эфира)

Реакция также проходит с хлоридами, бромидами и иодидами алкилов. В процессе гидролиза, реактивы Гриньярда преобразовываются в алканы:

CH3MgI + H2O → CH4 + HO-Mg-I
C2H5MgBr + H2O → C2H6 + HO-Mg-Br

Получение и применение алканов

Алканы получают либо с помощью синтеза, либо из природных источников (природный газ, нефть, уголь). Применение насыщенных углеводородов очень обширно, алканы используются в качестве газового, бензинового, дизельного и ракетного топлива. Вазелин, растворители и парафин - также заслуга алканов.

Физические свойства алканов

Алканы с содержанием от одного до четытрёх атомов углерода находятся в газообразном состоянии, от пяти до 17 атомов углерода - жидкости, алканы с количеством атомов углерода больше 18 находятся в твёрдом состоянии. Алканы бесцветные, безвкусные и не имеют запаха, обычно к алканам добавляют примеси, что бы они имели запах, например в газ метан или в бензин.

sp3-гибридизация делает алканы наименее полярными из всех органических соединений, откуда следует, что алканы плохо растворяются в полярных растворах, поэтому температуры кипения и плавления будут в основном зависить только от молекулярного веса, в среднем, температура кипения алканов увеличивается на 25-30 градусов на каждый атом углерода после пентана. Разветвлённые алканы имеют более низкую температуру кипения, поскольку более разветвлённые молекулы имеют меньшую площадь поверхности, поэтому межмолекулярные связи более слабы и закипают раньше.

Вязкость вещества зависит от размера молекулы, так, чем больше атомов углерода в молекуле, тем она больше и тем больше вероятность взаимодействия молекул и, как следствие, больше вязкость. Алканы с числом углеродов от 20 до 35 являются основным компонентом для смазочных материалов.

Скачать статью в формате PDF.

Следующая статья - Алкены.
Если Вам стало понятно - порекомендуйте статью своим друзьям:




Если Вы что-то не поняли - спросите это у нас:


© 2015-2017 - K-Tree.ru
Копия материалов, размещённых на данном сайте, допускается только по письменному разрешению владельцев сайта.
По любым вопросам Вы можете связаться по почте info@k-tree.ru