Тема – 24: Алканы, строение, физические и химические свойства
Тема – 24: Алканы, строение, физические и химические свойства.
Студент должен:
Знать:
· Общую формулу алканов
· Характер связи в их молекулах: понятие гомологов.
· Название алканов.
· Свойства и практическое значение изученных алканов.
Уметь:
· Называть алканы по систематической номенклатуре.
· Составлять молекулярные и структурные формулы углеродов и их галогенпроизводных.
· Составлять уравнения химических реакций, подтверждать состава предельных углеводородов.
24.1. Химические свойства
1. Крекинг алканов
Реакции расщепления углеродного скелета крупных молекул при нагревании и в присутствии катализаторов. При температуре 450—700 °С ал-каны распадаются за счет разрыва связей С—С (более прочные связи С—Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов. Например:
Разрыв С—С-связи возможен в любом случайном месте молекулы.
При более высокой температуре (свыше 1000 °С) происходит разрыв не только связей С—С, но и более прочных связей С—Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистый углерод) и водорода:
2. Изомеризация алканов
Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т. е. вступать в реакции изомеризации. В этих реакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.
Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-ме-тилбутан) происходит при 100 °С в присутствии катализатора хлорида алюминия:
3. Дегидрирование алканов.
При нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле:
При t = 1500 °С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме
Эта реакция используется для промышленного получения ацетилена.
4. Реакции окисления алканов.
Окисление органического вещества - введение в его состав кислорода и (или) отщепление водорода. Восстановление — обратный процесс (введение водорода и отщепление кислорода). Алканы в зависимости от условий реакции могут окисляться с образованием различных соединений. При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Сг2О7, КМnО4 и т. п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С—С и С—Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция). Примеры:
Низшие гомологи (метан, этан, пропан, бутан) образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании.
|
Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях и т. п.).
Уравнение реакции горения алканов в общем виде:
Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80-97% метана. Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С-С и С—Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С2—С3) получают уксусную кислоту:
СН3-СН2-/-СН2-СН3 -» 2СН3СООН + 2Н20.
Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом — «синтез-газ»:
Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.
5. Реакции замещения.
В молекулах алканов связи С—Н пространственно более доступны для атаки другими частицами, чем более прочные связи С—С. В определенных условиях происходит разрыв именно С—Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы или группы атомов.
а. Галогенирование. Галогенирование алканов — реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.
Хлорирование метана:
При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х атомов водорода:
Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму, т. е. как цепь последовательных превращений с участием радикалов.
В разработке теории цепных реакций большую роль сыграли труды академика, лауреата Нобелевской премии .
Механизм радикального замещения:
1-я стадия — зарождение цепи — появление в зоне реакции свободных радикалов. Под действием световой энергии гомолитически разрушается связь в молекуле С1:С1 на два атома хлора с неспаренными электронами (свободные радикалы) • С1:
2-я стадия — рост (развитие) цепи. Свободные ради калы, взаимодействуя с молекулами, порождают новые радикалы и развивают цепь превращений:
(Реакция С1 • + СН4 = СН3С1 + И • не идет, так как энергия атомарного водорода Н • значительно выше, чем метильного радикала • СН3).
3-я стадия — обрыв цепи. Радикалы, соединяясь друг с другом, образуют молекулы и обрывают цепь превращений:
6. Нитрование алканов (реакция Коновалова).
На алканы действует разбавленная азотная кислота при нагревании и давлении. В результате происходит замещение атома водорода на остаток азотной кислоты — нитрогруппу N02. Эту реакцию называют реакцией нитрования, а продукты реакции — нитросоединениями.
|
Получение алканов. Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические методы.
1. Крекинг нефти (промышленный способ):
При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.
2. Гидрирование непредельных углеводородов:
3. Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:
4. Синтез более сложных алканов из галогенопроизвод-ных с меньшим числом атомов углерода:
5. Из солеи карОоновых кислот — сплавление со щелочью (реакция Дюма):
6. Разложение карбидов металлов водой:
24.1.2. Реакции с галогенами.
Характерна для углеводородов реакция с галогенами, в частности с хлором. Если смесь метана с хлором в закрытом стеклянном цилиндре выставить на рассеянный солнечный свет (при прямом солнечном освещении может произойти взрыв), то можно заметить постепенное ослабление желто-зеленой окраски хлора вследствие взаимодействия его с метаном. Вначале идет реакция:
Но обычно реакция не останавливается на стадии образования хлорметана. Если хлора достаточно много, она продолжается далее:
Последовательную цепь реакций метана с хлором можно выразить следующей краткой схемой:
Химическая реакция, как мы знаем, заключается в разрыве одних связей и образовании новых. Рваться в первую очередь будут менее прочные связи, на что потребуется меньшая затрата энергии. В данном случае связи С1—Cl в молекуле хлора менее прочные, чем связи Н—С в молекуле метана. Для их разрыва оказывается достаточной поглощаемая молекулами хлора световая энергия:
Образовавшиеся атомы хлора имеют в наружном слое по одному неспаренному электрону, иными словами, становятся свободными радикалами. Когда такой атом-радикал, обладающий высокой химической активностью, сталкивается с молекулой метана, его электрон начинает взаимодействовать с электронным облаком атома водорода. Между этими атомами устанавливается ковалентная связь и образуется молекула хлороводорода:
Теперь уже молекула метана превращается в частицу с одним неспаренным электроном. Образовавшийся радикал метил вступает во взаимодействие с другой молекулой хлора, разрывая в ней связь атомов, образуется молекула хлорметана:
Атом хлора взаимодействует со следующей молекулой метана. Так процесс может продолжаться до тех пор, пока в ходе реакции не прекратится образование свободных радикалов, что может наступить, например, при их соединении друг с другом:
Подобные реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями.
В разработке теории цепных реакций большая роль принадлежит академику , удостоенному за выдающиеся труды в этой области Нобелевской премии.
Аналогично хлор взаимодействует с другими углеводородами, например:
Процесс замещения атомов водорода в органическом веществе атомами хлора называется реакцией хлорирования. В результате ее образуется обычно смесь хлорпроизводных соответствующего углеводорода.
Положение атомов галогена в молекулах хлорпроизводных согласно систематической номенклатуре отмечается в названии вещества цифрой, подобно тому как указывается положение углеводородных радикалов. Галогенопроизводные пропана, например, будут иметь названия:
