В конце статьи есть ссылки на тест и задачи по данной теме.
Алканами, или ациклическими предельными углеводородами, называют углеводороды с общей формулой CnH2n+2, в которых все атомы углерода связаны между собой одинарными связями. В алканах максимальное число атомов Н - все валентности углерода до предела насыщены водородом.
В обычных условиях алканы мало реакционноспособны, откуда возникло их название «парафины» – от лат. «parrumaffinis» – малоактивный.
Название неразветвленных (нормальных) алканов состоит из корня, который показывает число атомов углерода в молекуле, и суффикса -ан.
Названия одновалентных радикалов алканов* – алкилов – образованы заменой суффикса -ан на -ил:
метан – метил, этан – этил, пpопан – пpопил и т.д.
*молекула алкана без одного атома водорода, имеющая одну свободную связь
Пропан может образовать 2 радикала - со свободной валентностью у первичного атома углерода (пропил) и у вторичного (изопропил)
В молекуле алкана атомы углерода могут первичными, вторичными, третичными и четвертичными:
Физические свойства алканов
Метан, этан, пропан, бутан в нормальных условиях – газы; пентан - гексадекан – жидкости. Начиная с С₁₇ - твердые вещества. С увеличением числа атомов углерода температура кипения алканов возрастает. Алканы нерастворимы в воде, ограниченно смешиваются с метанолом и этанолом. Чистые алканы не обладают запахом.
Метан - основной компонент природного газа, который используется в качестве топлива и в других целях, например, в производстве аммиака.
Строение алканов
В составе алканов все атомы углерода имеют sp³-гибридизацию, связи образованы четырьмя равноценными гибридизованными орбиталями, полученными в результате гибридизации неравноценных одной 2s-и трех 2р-орбиталей. Четыре sp³-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, образуя максимально возможный угол между орбиталями, что соответствует тетраэдрическому строению.
Изомерия
Для алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, которая начинается с бутана:
Межклассовых измеров у алканов нет.
Химические свойства алканов
o Предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения
o Характерные реакции – замещения, разложения, отщепления, изомеризации
o Для реакций алканов характерен радикальный механизм.
o Алканы устойчивы к действию кислот, щелочей
o Не обесцвечивают бромную воду (Br₂ p-p), раствор KMnO₄.
Галогенирование алканов
Алкан + Hal₂ → Галогеналкан + HHal
Условия – свет или нагревание; только газообразные Cl₂ или Br₂
CH₄ + Br₂(р-р) ≠ алканы НЕ обесцвечивают бромную воду
Механизм реакции – радикальный, цепной.
При избытке Cl₂ или Br₂ образуются ди-, три-, тетра- и т.д. производные
Замещение атома водорода галогеном идет там, где меньше водорода, т.е. легче всего идет у третичного атома углерода, затем у вторичного и в последнюю очередь у первичного:
Нитрование алканов (реакция Коновалова)
Алкан + HNO₃ → Нитроалкан + H₂О
Реакции нитрования алканов также протекают по радикальному механизму с замещением на нитрогруппу самого реакционноспособного водорода (третичный → вторичный → первичный)
Крекинг алканов
Крекинг – реакция, приводящая к образованию смеси короткоцепочечных алканов и алкенов из алканов с большим числом углерода в молекуле. Реакции расщепления углеродного скелета крупных молекул протекают при нагревании и в присутствии катализаторов.
Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности.
Термический крекинг, проводимый при температурах от 400 до 700°С, протекает, как правило, по радикальному механизму и сопровождается разрывом связей С-С. В результате крекинга образуются алканы, водород, алкены различного строения.
Разрыв С–С–связи возможен в любом случайном месте молекулы:
Дегидрирование (отщепление водорода)
При пропускании алканов над катализатором (Pt, Pd, Ni, Cr2O3 и другие kt) при высокой температуре происходит отщепление молекулы водорода. В зависимости от длины главной цепи алкана образуются различные продукты.
- При 1500°С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:
Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена (этина).
2. Низшие алканы, содержащие в главной цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены:
При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов (Ni, pt и др.) образуется преимущественно образуется бутен-2:
Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3:
Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.
3. Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при нагревании над катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):
4. Алканы с основной цепью в 6 и более атомов С всегда образуют 6-членный цикл. В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена) – ароматизация.
Окисление алканов
Алканы не реагируют даже с сильными окислителями (K₂Cr₂O₇, KMnO₄ и т.п.), НЕ обесцвечивают раствор KMnO4, бромную воду.
При горении алканов 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
СН₄ + 2О₂→ СО₂ + 2Н₂О + 880 кДж
С₈Н₁₈ + 12,5О₂→ 8СО₂ + 9Н₂О + Q
При мягком окислении алканов кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены различные кислородсодержащие органические вещества. Например, при мягком окислении бутана образуется уксусная (этановая) кислота:
Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром (паровая конверсия метана), в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом –«синтез-газ»:
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-бутана в изобутан (2-метилпропан) происходит в присутствии катализатора хлорида алюминия:
Способы получения алканов
Реакция Вюрца
Получение алканов можно осуществить реакцией Вюрца, заключающейся в действии металлического натрия на моногалогенопроизводные углеводородов
В ходе реакции происходит увеличение углеводородной цепи - суммирование алкильных радикалов и их объединение в один больший:
Если реакцию Вюрца проводить с разными алканами, то можно получить несимметричный алкан. Однако, в этом случае получится смесь симметричных и не симметричных алканов:
Разделить такую смесь трудно, поэтому на практике применяется реакция Вюрца для получения симметричных алканов.
В цепочках ЕГЭ синтез Вюрца "замаскирован" в следующих реакциях
Декарбоксилирование солей карбоновых кислот
В лабораторной практике предельные углеводороды получают декарбоксилированием солей карбоновых кислот при сплавлении их со щелочами. Так получают метан при нагревании ацетата натрия с гидроксидом натрия (реакция Дюма):
Гидролиз карбида алюминия (получение метана)
Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃
Al₄C₃ + 12HCl → 3CH₄↑ + 4AlCl₃
Электролиз водного раствора солей карбоновых кислот
Гидрирование
Реакции гидрирования угля под давлением, гидрирования оксида углерода (II) или оксида углерода (IV) в присутствии катализаторов при повышенной температуре имеет важное самостоятельное значение для получения предельных углеводородов
Алканы получают гидрированием непредельных или циклических углеводородов в присутствии катализаторов
Задачи по теме "Алканы"