Алканы

формула алканов

Алканы - это ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+2 (CH₄, C₂C₆, ...). Алканы также называют парафинами. 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
2C_nH_2n+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.