Предельные углеводороды.
Предельными углеводами называются соединения, в молекулах которых атомы углерода связаны до полного насыщения их валентности как между собой, так и с атомами водорода.
Отсюда и произошло название предельные или насыщенные углеводороды. В предельных углеводородах все четыре связи атомов углерода насыщены, т. е. имеются только простые связи. К предельным углеводородам относятся углеводороды ряда метана, называемые алканами.
Метан
Физические свойства: Метан СН4 – первый член ряда предельных углеводородов. Бесцветный, не имеющий запаха газ, плотность его по отношению к воздуху 0,градусов по Цельсии); 1грамм метана занимает объем 1520 мл. (25 градусов, 101,3 кПа); в воде растворим очень мало. Объясняется это тем, что химические связи в молекуле метана имеют неполярный ковалентный характер и молекулы метана тоже неполярны, поэтому они не взаимодействуют с полярными молекулами воды.
Строение молекулы метана: Гибридные электронные облака атома углерода вытянуты к вершинам тетраэдра. Такие электронные облака, перекрываясь с облаками четырех атомов водорода, образуют молекулу метана. При этом выделяется большое количество энергии, вследствие чего образующиеся химические связи в молекуле метана очень прочны, что и обусловливает химическую инертность метана в целом.
Химические свойства: Метан устойчивый к химическим воздействиям углеводород. На него при обыкновенной температуре не действуют ни кислоты, ни щелочи. Смеси метана с воздухом очень взрывчаты.
Метан не окисляется и не реагирует с некоторыми энергичными окислителями. Этим и оправдывается название предельных углеводородов парафинами (мало сродство).
Горит метан при достаточном доступе воздуха бесцветным пламенем и выдилением значительного количества теплоты.
Единственный вид реакции, к чему способен метан, - это реакция замещения при взаимодействии его с галогенами, в частности газообразный хлор Cl2, не реагирует с метаном. Способностью к реакции с метаном обладает хлор только в атомарном состоянии. Реакция замещения происходит на рассеянном солнечном свету, интенсивнее – при ярком освещении. При этих условиях молекула хлора, поглощая квант света, распадается на атомы с высокой реакционной способностью.
Применение метана: метан – основная составная часть природных газов (60 – 99%). Благодаря высокой теплотворной способности метана он в больших количествах используется в качестве топлива.
Использование природного газа в качестве топлива дает экономический эффект в смысле снижения себестоимости готовой продукции. Природный газ как химическое сырье используется для получения водяного газа, применяемого для промышленного синтеза на основе СО и Н2:
СН4 + Н2О à СО = 3Н2
Полученный водород используется для промышленного синтеза аммиака.
В меньшем объеме применяется метан для получения сажи. Сажа используется при изготовлении типографской краски и как добавка к каучуку при производстве резины, для получения галогенопроизводных метана путем хлорирования.
Гомологический ряд предельных углеводородов.
Вещества объединятся в гомологические ряды по признакам состава, строения и их свойства.
Физические свойства: Для характеристики какого – либо вещества данного гомологического ряда достаточно изучить один – два его представителя. В таблице приведен гомологический ряд предельных углеводородов.
Гомологический ряд предельных углеводородов.
Углеводород Радикал Агрегатное Тпл С Ткип С
Состояние при
20 градусов С
Метан СН4 Метил СН3 газ -182,5 -161 |
Этан С2Н6 Этил С2Н5 ,6
Пропан С3Н8 Пропил С3Н7 ,7 -42,1
Бутан С4Н10 Бутил С4Н9 ,3 -0,5
Изобутан С4Н10 Изобутил С4Н9 ,6 -11,7
Пентан С5Н12 Пентил С5Н11 жидкость -129,7 +36,1
Гексан С6Н14 Гексил С6Н13 ,3 +68,7
Гептан С7Н16 Гептил С7Н15 ,6 +98,4
Октан С8Н18 Октил С8Н17 ,8 +125,7
Нонан С9Н20 Нонил С9Н19 ,5 +150,8
Декан С10Н22 Децил С10Н21 ,7 +174,1
Гексадекан С16Н34 Гексадецил С6Н33 твердое тело +18,5 287,5
Группа атомов СН2, являющаяся разницей в составе двух членов ряда, называется гомологической разностью. Внедрение группы СН2 в молекулу исходного вещества происходит так, что у всех гомологов сохраняется тип строения молекул. Особенно ярко проявляется влияние количественных изменений на качественные в гомологических рядах соединений углерода. Прибавляя каждый раз группу СН2, получаем углеводород, качественно отличный от предыдущего.
Из таблицы видно, что на n атомов углерода у каждого члена гомологического ряда алканов приходится 2n + 2 атомов водорода. Следовательно, состав любого члена гомологического ряда углеводородов можно выразить общей формулой СnH2n+2, пользуясь которой можно составить эмпирическую формулу любого алкана, если известно число углеродных атомов n. Например, при n=18 эмпирическая формула алкана будет С18Н38.
Легко принять, всеобщий закон материалистической диалектики перехода количественных изменений в качественные в наглядной форме обнаруживается в гомологических алканов. Действительно, прибавляя каждый раз группу СН2, получаем углеводород, качественно отличный от предыдущего.
Для наименование изомеров алканов надо знать название радикалов, общая формула которых СnH2n+1.
При отнятии от предельных углеводородов одного атома водорода получаются остатки углеводородов, называемые одновалентными радикалами или просто радикалами.
Общее название радикалов – алкилы. Так, радикал метана – метил, этана – этил и т. д. Представление о радикалах позволяет понять принцип образования любого члена гомологического ряда алканов. Так, замена одного атома водорода в молекуле метана СН4 на метил дает этан СН3 – СН3; пропан образуется заменой атома водорода в этане на радикал СН3: СН3 – СН2 – СН3 и т. д. Обычно радикал в общем случае обозначается буквой R. Первые четыре углеводорода ряда алканов имеют исторически сложившиеся названия: метан, этан, пропан, бутан. Название следующих членов гомологического ряда производится от греческих числительных, указывающих число углеродных атомов в главной цепи и имеют окончание –ан. Например, пентан, гексан и т. д. Для изомерных форм углеводородов имеются два вида номенклатуры: рациональная и международная номенклатура.
Рациональная номенклатура применяется для названий несложных соединений.
При составлении названия алканов по международной номенклатуре придерживаются следующих правил.
Находят самую длинную неразветвленную цепь углеродных атомов, которая является главной цепью, нумеруют арабскими цифрами углеродные атомы главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе находится углеводородный радикал; если имеется несколько одноименных и находящихся в одинаковом положении по отношению к концам цепи радикалов, то в зтом случае нумеруются с того конца, к которому большее число радикалов. Например,
4 5 6
СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3 СН3 – СН – СН2 – СН – СН2 – СН3
СН3 СН3 СН3
2 – метилпентан 2,4 – диметилгексан
Пространственное и электронное строение углеводородов ряда метана. Теория химического строения раскрыла последовательность соединения атомов в молекуле органического соединения, в частности углеводородов. Эта последовательность выражается химическим строением молекулы органического соединения. Двухатомные молекулы линейны, так как перекрывание электронных облаков при образовании связи происходит по прямой, соединяющей ядра обоих атомов. Для многоатомных молекул, в частности молекул метана, характерна геометрическая, пространственная конфигурация. Она определяется взаимным расположением атомных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.
Образование молекулы метана происходит в результате процесса гибридизации, который можно представить такими этапами; а) возбуждение атома углерода: 6С - 1s 2s 2pà1s 2s 2p ;б) гибридизация орбиталей возбужденного атома; в) образование связей с атомами водорода.
Затраты энергии на первые два процесса компенсируется выигрышем энергии при образовании более прочных гибридных связей. Энергетически более выгодны, чтобы связи С – Н были направлены к вершинам тетраэдра с углами между ними Такое расположение отвечает наименьшему взаимному отталкиванию электронов и протонов в молекуле.
Химические свойства предельных углеводородов. Предельные углеводороды, как и метан, способны к реакциям хлорирования. Исследование показали, что легче всего замещаются атомы водорода у третичного, затем у вторичного и труднее у первичного атомов углерода, например:
СН3 СН3 СН3 Cl CH3
Сl2 Cl2
СН3 – СН2 – СН – СН3 àСН3 – СН2 – С –СН3 à СН3 – СН – С – СН3 à CH3 – C – C – CH3
Cl Cl Cl Cl Cl
Парафины при комнатной температуре устойчивы к действию кислорода воздуха и обычных окислителей; горят по уравнению реакции
С3Н8 + 5О2à 3СО2 + 4Н2О
Углеводороды, содержащие в своей молекуле четыре и больше атомов углерода, способны к реакции изомеризации, т. е. перестройке углеродного скелета. Так, бутан при нагревании в присутствии хлорида алюминия превращается в изобутан:
СН3
100С
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 à СН3 – СН – СН3
Под действием более высоких температур (1000 градусов и выше) парафины распадаются на углерод и водород. Как видно, гомологи метана проявляют аналогичные с метаном химические свойства.
Применение парафинов. Парафины – ценное высококалорийное топливо, поэтому, пропан и бутан наравне с метаном используют в виде сжиженного газа. Жидкие углеводороды в качестве горючего применяют в двигателях внутреннего сгорания в автомашинах, самолетах и др. Очищенная смесь жидких и твердых углеводородов образует вазелин. Высшие парафины являются исходными веществами при получении синтетических моющих средств. Парафины, полученные путем изомеризации, используются в производстве высококачественных бензинов и каучука.
Краткие сведения о галогенопроизводных углеводородов.
Производные углеводородов, в молекулах которых вместо одного или нескольких атомов водорода имеются галогены, называются галогенопроизводными. Общая формула моногалогенопроизводных СnH2n+1X, где Х – галоген.
По международной номенклатуре нумерация атомов углерода галогенопроизводных начинают с того конца, к которому ближе расположен атом галогена, например:
СН3
СН3 – СН – СН – СН2 – СН – СН3
СН3 Сl
2 – хлор – 4,5 – диметилгексан
СН3 – СНСl2 СН3 – СНСl – СН3
1,1 – дихлорэтан 2 – хлорпропан
СН3
СН3 – ССl2 – СН3 СН2Сl – СН2Cl CH3 – C – CH3
Cl
2,2 – дихлорпропан 1,2 – дихлорэтан 2 – хлор – 2-метилпропан
Галогенопроизводные алканов – реакционноспособные соединения. Они легко обменивают атом галогена на всевозможные группы. Поэтому они широко применяются в разнообразных синтезах.
При действии на галогенопроизводные алканов металлическим натрием получаются соответствующие углеводороды, например:
CH3 I + 2Na + I CH3à 2NaI + CH3 – CH3
При действии гидроксида серебра галогенопроизводные дают спирты, например
C2H5 I + Ag OH à C2H5OH + AgI
В галогенопроизводных парафинов легче всего замещается атом галогена, связанный с первичным атомом углерода. Галогенопроизводные парафинов имеют разнообразное и широкое применение в разных областях народного хозяйства.
Непредельные углеводороды.
К непредельным (ненасыщенным) относятся углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом кратной двойной или тройной связью. Легко понять, что если углеродные атомы на взаимную связь затрачивают более одной валентности, то степень насыщения их атомами водорода меньше, чем у предельных углеводородов. Поэтому они и названы ненасыщенными.
Углеводороды с одной двойной углеродной связью называются алкенами или олефинами. Простейшим представителем их является этилен С2Н4. Поэтому углеводороды называются еще и этиленовыми. Из эмпирической формулы этилена легко вывести общую формулу алкенов CnH2n
Углеводороды, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами. (предельные значит все 4е углерода идут на образование 4 сигма – связи, следовательно насыщенные).
Сn Н2n+2 – общая формула.
Простейший представитель предельных углеводородов – метан СН4.
Н Н
Н - С - Н Н С Н
Н Н
Т. к. атом С имеет большую электроотрицательность, следовательно происходит незначительное смещение общих электронных пар в сторону атома углерода. Существует много углеводородов, сходных с метаном т. е. гомологов метана.
Гомологический ряд – ряд углеводородов где каждый последующий отличается от предыдущей группы атомов на группу СН2.
Гомологический ряд предельных углеводородов.
Формула | Название | Радикал | Название |
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 С7Н16 С8Н18 С9Н20 С10Н22 | Метан Этан Пропан Бутан Пентал Гексан Гептан Октан Нонан Декан | СН3- С2Н5- С3Н7- С4Н9- С5Н11- С6Н13- С7Н15- С8Н17- С9Н19- С10Н21- | Метил Этил Пропил Бутил Пентил Гексил Гептил Октил Нонил Децил |
(В тетрадях построить все структурные формулы веществ)
Изомерия
Изомерия – это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул.
Структурная
Изменение углеродного скелета:
Н3С – СН2 – Н2С – СН3 – бутан
Н3С – СН – СН3 – изобутан (2 метилпропан)
СН3
Н2С – СН2 – СН2 – СН3 – бутил (отсутствует один атом Н2 у первичного С)
Н3С – СН – СН2 – СН3 – второй бутил
СН3 – С – СН3 – третий бутил
СН3
СН2 – СН – СН3 – (изо бутил)
СН3
Нахождение в природе
СН4 – в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха.
В природном газе также содержится этан, пропан и бутан. Остальные углеводороды содержатся в нефти.
Получение
1) В лаборатории метан получают при нагревании ацетата Na с твердым Na OH.
СН3 СООNa + Na OH à CH4 +Na2 CO3
2) Этан и другие углеводороды при взаимодействии галогенопроизводных предельных углеводородов с металлическим Na.
