k-tree

Алканы

\ Алканы

формула алканов

Группа молекул, имеющих общую формулу CnH2n+2 (CH4, C2C6, ...), носит название алканы, также их 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

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, насыщенные углеводороды имеют низкую реакционную способность.

Геометрия

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

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

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 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

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

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. 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

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.

Свойства алканов

Алканы с содержанием от одного до четытрёх атомов углерода находятся в газообразном состоянии, от пяти до 17 атомов углерода - жидкости, с количеством атомов углерода больше 18 находятся в твёрдом состоянии. 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 они плохо растворяются в полярных растворах, поэтому температуры кипения и плавления будут в основном зависить только от молекулярного веса, в среднем, температура кипения предельных углеводородов 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.

Номенклатура

Название алканов состоит из двух частей: префикс обозначает количество атомов углерода, к нему пристраивается суффикс -ан, который означает тип соединения, т.е. алкан.

Кол-во углеродовНазваниеСтруктурная формула
1Метан СH4
2Этан CH3—CH3
3ПропанCH3—CH2—CH3
4БутанCH3—(CH2)2—CH3
5ПентанCH3—(CH2)3—CH3
6ГексанCH3—(CH2)4—CH3
7ГептанCH3—(CH2)5—CH3
8ОктанCH3—(CH2)6—CH3
9НонанCH3—(CH2)7—CH3
10ДеканCH3—(CH2)8—CH3
11УндеканCH3—(CH2)9—CH3
12ДодеканCH3—(CH2)10—CH3
13ТридеканCH3—(CH2)11—CH3
14ТетрадеканCH3—(CH2)12—CH3
15ПентадеканCH3—(CH2)13—CH3
16ГексадеканCH3—(CH2)14—CH3
17ГептадеканCH3—(CH2)15—CH3
18ОктадеканCH3—(CH2)16—CH3
19НонадеканCH3—(CH2)17—CH3
20ЭйкозанCH3—(CH2)18—CH3
Таблица 1. Номенклатура алканов

Как выглядят молекулы алканов

Нажмите на молекулу в списке и 3D-модель появится в чёрном окне

Скачать статью в формате PDF.

Следующая статья - Алкены.

Вам понравилась статья? Да / Нет

Просмотров: 604

5 3

Поиск по сайту:

Порекомендуйте статью своим друзьям:





© 2015-2018 - K-Tree.ru • Онлайн учебник
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