Готовимся к ЕГЭ.Алканы.

АЛКАНЫ (предельные углеводороды, парафины)

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи, с общей формулой C n H 2n+2, где n ≥1.

Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.
Парафины – исторически сложившееся название, отражающее свойства этих соединений (от лат. parrum affinis – имеющий мало сродства, малоактивный).
Предельными , или насыщенными , эти углеводороды называют в связи с полным насыщением углеродной цепи атомами водорода.

Гомологический ряд алканов

Алканы, имея общую формулу С n H 2n+2 , представляют собой ряд родственных соединений с однотипной структурой, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH 2 -). Такая последовательность соединений называется гомологическим рядом (от греч. homolog – сходный), отдельные члены этого ряда – гомологами , а группа атомов, на которую различаются соседние гомологи, – гомологической разностью .

1. CH 4 – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);
2. CH 3 -CH 3 или СН 3 -СН 3 – этан (2 атома С);
3. CH 3 -CH 2 -CH 3 или СН 3 -СН 2 -СН 3 – пропан (3 атома С);
4. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 или СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 – бутан (4 атома С).

Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Начиная с пятого гомолога, название алкана образуется из греческого числительного, указывающего число атомов углерода в молекуле, и суффикса -ан : пентан С 5 Н 12 , гексан С 6 Н 14 , гептан С 7 Н 16 , октан С 8 Н 18 , нонан С 9 Н 20 , декан С 10 Н 22 и т.д.

Гомологи отличаются молекулярной массой, и следовательно, физическими свойствами. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов: повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями. Алканы от СН 4 до С 4 Н 10 – газы, от С 5 Н 12 до С 17 Н 36 – жидкости, далее – твердые вещества. Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами. Поэтому, зная химические свойства одного из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое поведение и других членов этого ряда.

Строение алканов

В алканах имеются два типа химических связей:

С–С и С–Н .

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности).

Все атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109 о 28", что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН 4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода.

Изомерия алканов

Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами .

Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии (изомерии углеродного скелета) . В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С 4 Н 10 . Например, алкан состава C 4 H 10 может существовать в виде двух структурных изомеров:

СН 3 –СН 2 –СН 2 –СН 3 (бутан) и СН 3 –СН(СН 3 )–СН 3 (2-метилпропан).

Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.

Химические свойства алканов

Тривиальное (историческое) название алканов - "парафины" - означает "не имеющие сродства". Алканы при нормальных условиях химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С-С и С-Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия. К реакциям присоединения алканы вообще не способны в силу предельной насыщенности всех связей атомов углерода.

I. Реакции замещения

В определенных условиях (при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов) происходит разрыв С-Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы или группы атомов. В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление кoвалентных связей, т. е. они осуществляются по свободно-радикальному (цепному) механизму.

1) Галогенирование

Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов R-Cl или С n H 2n+1 – Cl.

Реакция алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.

Хлорирование метана :

CH 4 + Cl 2 hν → CH 3 Cl + HCl (1 стадия)

(hν - квант света; CH 3 Cl - хлорметан)

При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше:

CH 3 Cl + Cl 2 hν → CH 2 Cl 2 + HCl (2 стадия)

(CH 2 Cl 2 – дихлорметан)

СH 2 Cl 2 + Cl 2 hν → CHCl 3 + HCl (3 стадия)

(CHCl 3 – трихлорметан или хлороформ)

CHCl 3 + Cl 2 hν → CCl 4 + HCl (4 стадия)

(CCl 4 – тетрахлорметан)

Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму. В разработке теории цепных реакций большую роль сыграли труды академика, лауреата Нобелевской премии Н.Н.Семенова.

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле. При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайщего к заместителю:

CH 3 –CH 2 –Cl + Cl 2 hν → CH 3 – CHCl 2 + HCl

(CH 3 – CHCl 2 – 1,1-дихлорэтан)

При хлорировании или бромировании алкана с вторичными или третичными атомами углерода легче всего идет замещение водорода у третичного атома, труднее у вторичного и еще труднее у первичного. Это объясняется большей устойчивостью третичных и вторичных углеводородных радикалов по сравнению с первичными вследствие делокализации неспаренного электрона. Поэтому, например, при бромировании пропана основным продуктом реакции является 2-бромпропан:

С фтором реакция идёт со взрывом .

2) Нитрование (реакция Коновалова)

Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой NO 2 . Пpодукты pеакции – нитpоалканы R-NO 2 или С n H 2n+1 – NO 2 .

Схема реакции:

CH 4 + HNO 3 t˚С,Р → CH 3 NO 2 + H 2 O (при нитровании метана получается нитрометан).

В реакциях легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных.

3) Сульфирование

Серная кислота при обыкновенной температуре не действует на алканы, а при слабом нагревании концентрированная серная кислота может действовать на предельные углеводороды приводя к замещению атома водорода на сульфогруппу SO 3 H

II. Реакции окисления алканов

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н 2 Cr 2 O 7 , KMnO 4 и т.п.).

1) При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО 2 и воды. Горение углеводородов сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

CH 4 + 2O 2 →CO 2 + 2H 2 O+ Q

C 5 H 12 + 8O 2 →5CO 2 + 6H 2 O + Q

Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n ) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО 2 . Тогда образуются продукты частичного окисления: угарный газ СО,
сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.

Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

2CH 4 + 3O 2 →2CO +4H 2 O

CH 4 + O 2 →C +2H 2 O

2) Каталитическое окисление кислородом воздуха.

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.

2CH 4 + O 2 →2CH 3 OH (CH 3 OH - метанол)

CH 4 + O 2 →HCOH +H 2 O (HCOH - метаналь)

2CH 4 + 3O 2 →2HCOOH +2H 2 O (HCOOH – метановая кислота)

При неполном окислении бутана получают уксусную кислоту:

2C 4 H 10 + 5O 2 →4СH 3 COOH +2H 2 O

III.Термические превращения алканов

1) Крекинг алканов – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием молекул алканов и алкенов с более короткой цепью.

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.
Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).

C 10 H 22 t°С → C 5 H 12 + C 5 H 10

2) Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 ) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С-Н.

3)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 изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.

Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100°С в присутствии катализатора хлорида алюминия:

4) Реакция дегидроциклизации или ароматизации

Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). Например:

Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н-алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.

5)Термическое разложение до простых веществ

CH 4 t → C + 2H 2

6) Пиролиз метана.

При 1500 °С происходит межмолекулярное дегидрирование метана

с образованием ацетилена:

2CH 4 1500°С → C 2 H 2 + 3H 2

Данная реакция используется для промышленного получения ацетилена.

IV.Конверсия метана

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.

Получение алканов

Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть). Природный газ до 95 % состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов. Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее перегонке получают
более 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов и ароматических углеводородов.

Используются также синтетические методы.

1. Крекинг алканов (промышленный способ)

1. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

C n H 2n + H 2 t˚С, Ni или Pd → C n H 2n+2

Синтез более сложных алканов при действии металлического натрия на моногалогеналканы с меньшим числом атомов углеpода:

2CH3–CH2Br+2Na→CH3–CH2–CH2–CH3+2NaBr
Реакция Вюрца имеет смысл лишь для получения из одного алкилгалогенида, поскольку в противном случае получается трудноразделимая в лабораторных условиях смесь алканов.

Например:

Кроме пропана C 3 H 8 образуются бутан C 4 H 10 (из 2-х молекул C 2 H 5 Br) и этан C 2 H 6 (из 2-х молекул CH 3 Br).

1. Термическое декарбоксилирование. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочью (реакция Дюма):

или в общем виде
R-COONa + NaOH R-H + Na 2 CO 3

1. Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

1. Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании алканы нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения
2. Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.
3. Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.
4. Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.
5. Паpафин (смесь твеpдых алканов С 19 -С 35 ) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (т.пл. 50-70 °C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине. Служит сырьём при получении органических кислот и спиртов, моющих средств и поверхностно-активных веществ.
6. Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.
7. Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.
8. В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.

Источники

1. Г.И.Дерябина, Г.В.Кантария. Органическая химия. Электронный ресурс .
2. И.И.Новошинский, Н.С.Новошинская. Органическая химия: пособие для старшеклассников и абитуриентов. – М.:ООО «Издательский дом ОНИКС 21 век»,2004
3. Кузьменко Н.Е.,Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. М.: Экзамен, 2002.
   

– это предельные (или насыщенные) нециклические углеводороды, в которых все связи одинарные.

Общая формула:

C n H 2 n +2

Все атомы углерода в алканах имеют sp 3 - гибридизацию.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C 5 –C 17 – жидкости, начиная с C 18 – твердые вещества. Все алканы легче воды, не растворимы в воде и не смешиваются с ней.

Химические свойства.

1) Связь углерода с водородом в алканах малополярна.

2) Поэтому разрыв её в реакциях возможен только по гомолитическому механизму:

Это возможно только в жестких условиях.

3) Насыщенные (предельные) углеводороды не имеют возможности вступать в реакции присоединения. Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления. Эти реакции протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов.

Алканы не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, перманганатом калия, бромной водой.

I. Реакции замещения.

1) Галогенирование: радикальное замещение.

Хлор и бром на свету или при нагревании.

А) хлорирование: процесс быстрый, поэтому протекает неизбирательно, образуется смесь продуктов замещения:

СН 3 - СН 2 - СН 3 + Cl 2 – ( свет )  CH 3 -CH 2 -CH 2 Cl + CH 3 -CHCl-CH 3 + HCl

Б) бромирование:

CH 3 CH 3

СН 3 -СН 2 -СН -СН 3 +Br 2 –(свет) СН 3 -СН 2 -С -СН 3 + HBr

Бромирование – более медленный и избирательный процесс.

Избирательность бромирования:

третичный > вторичный > первичный атом углерода.

Механизм радикального замещения: Цепной свободнорадикальный.

Свободный радикал R ∙ – это ОЧЕНЬ АКТИВНАЯ частица, несущая на себе один неспаренный электрон и стремящаяся образовать связь с каким-либо другим атомом.

1) Инициирование цепи (запуск): молекула хлора под действием кванта света разрывается на два радикала Cl · :

2) Развитие цепи: радикал хлора отрывает от алкана атом водорода. При этом образуется промежуточная частица - алкильный радикал, который в свою очередь отрывает атом хлора от молекулы Cl 2 . При этом вновь получается радикал хлора и процесс повторяется – идёт продолжение цепи:

3) Обрыв цепи: соединение двух радикалов в молекулу.

2) Нитрование

(реакция М.И. Коновалова):

Механизм реакции – также радикальный.

Нагревание до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой:

CH 3 CH 3

СН 3 -СН 2 -СН-СН 3 + HNO 3  СН 3 -СН 2 -С-СН 3 + H 2 O

Избирательность нитрования: NO 2

третичный > вторичный > первичный атом углерода.

3) Крекинг - превращения алканов под действием нагревания.

а) Для алканов с длинными цепями при крекинге получается алкан и алкен. Причём при длине больше 5 атомов С получится смесь углеводородов разной длины.

CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 - 400°C  CH 3 -CH 3 + CH 2 =CH 2

б) Крекинг метана происходит двумя возможными путями:

1. длительное нагревание метана: CH 4 - 1500° C  C + 2H 2

2. мгновенное нагревание до 1500 градусов и сразу охлаждение:

2CH 4 - 1500° C  H –C ≡ C –H + 3H 2

Ацетилен

4) Изомеризация – перестройка углеродного скелета с образованием других изомеров: при нагревании с катализатором AlCl 3 .

СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 -(100 о, AlCl 3) CH 3 -CH -CH 3

5) Окисление:

1) Горение:

CH 4 + 2O 2 ⇆ CO 2 + 2H 2 O
C 5 H 12 + 8O 2 ⇆ 5CO 2 + 6H 2 O

2) Каталитическое окисление:

Метана: СН 4 +О 2 - (катализатор)  смесь СН 3 ОН, НСОН и НСООН

Бутана: С 4 Н 10 + О 2 - (катализатор)  2 СН 3 СООН (уксусная кислота)

6) Дегидрирование и циклизация.

1) Короткие алканы дегидрируются в алкены или диены:

С 2 Н 6 –(кат., t ) C 2 H 4 + H 2

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 –(кат.Cr 2 O 3 , t ) бутадиен + Н 2

2) В присутствии катализатора гексан и гептан превращаются в бензол и толуол соответственно.

СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 –(кат.Pt , t ) + 4 Н 2

Получение:

1) Реакция Вюрца: действие металлического натрия на моногалогенопроизводные углеводородов:

2CH 3 –CH 2 Br + 2Na  CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 +2NaBr

Происходит удвоение углеродного скелета. Реакция подходит для получения симметричных алканов.

2) Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма): сплавление солей карбоновых кислот со щелочами.

Так получают метан при нагревании ацетата натрия с гидроксидом натрия.

CH 3 COONa + NaOH( сплавление )  CH 4 ­  + Na 2 CO 3

3) Электролиз растворов солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

2CH 3 COONa + 2H 2 O –(эл.ток) 2СО 2 + Н 2 + С 2 Н 6 + 2NaOH

катод:

идёт разрядка воды: 2Н 2 О + 2е  Н 2 + 2ОН -

анод:

разрядка аниона кислоты: 2СН 3 СОО - -2е  2СО 2 + СН 3 -СН 3

4) Гидролиз карбида алюминия – получение метана.

Al 4 C 3 + 12H 2 O  3CH 4 ­ + 4Al(OH) 3

5) Гидрирование непредельных или циклических углеводородов в присутствии катализаторов (платины, палладия, никеля).

R–CH=CH–R’ + H 2 – kat  R–CH 2 –CH 2 –R’

(циклопропан) + H 2 – Pd  CH 3 –CH 2 –CH 3 (пропан)

6) Алканы можно получить из нефти крекингом или фракционной перегонкой.

Строение алканов

Алканы - углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле C n H 2n+2 . В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр 3 -гибридизации .

Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторон­ней треугольной пирамиды - тетраэдра . Углы между орбиталями равны 109° 28′. Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), напри­мер, в молекуле н-пентан.

Особо стоит напомнить о связях в молекулах ал­канов. Все связи в молекулах предельных углеводо­родов одинарные. Перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи . Связи углерод - углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С-С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 10 10 м). Связи С-Н несколько коро­че. Электронная плотность немного смещена в сто­рону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С-Н является слабополярной .

Гомологический ряд метана

Гомологи - вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН 2 .

Предельные углеводороды составляют гомоло­гический ряд метана.

Изомерия и номенклатура алканов

Для алканов характерна так называемая струк­турная изомерия . Структурные изомеры отлича­ются друг от друга строением углеродного скеле­та. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, - это бутан.

Рассмотрим подробнее для алканов основы но­менклатуры ИЮПАК .

1. Выбор главной цепи . Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.

2. Нумерация атомов главной цепи . Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном уда­лении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структу­ра В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе стар­ший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начи­нается их название: метил (-СН 3), затем пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3), этил (-СН 2 -СН 3) и т. д.

Обратите внимание на то, что название заме­стителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.

3. Формирование названия . В начале названия указывают цифры - номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соот­ветствующий номер в названии повторяется дваж­ды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди - два, три - три, тетра - четыре, пента - пять) и на­звание заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов - название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород - член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д.).

Названия веществ, структурные формулы кото­рых приведены выше, следующие:

Структура А: 2-метилпропан;

Структура Б: 3-этилгексан;

Структура В: 2,2,4-триметилпентан;

Структура Г: 2-метил 4-этилгексан.

Отсутствие в молекулах предельных углеводоро­дов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде , не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами) . Наиболее ха­рактерными для алканов являются реакции, проте­кающие с участием свободных радикалов .

Физические свойства алканов

Первые четыре представителя гомологического ряда метана - газы . Простейший из них - ме­тан - газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, опреде­ляется запахом меркаптанов - серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных га­зовых приборах для того, чтобы люди, находя­щиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от С 5 Н 12 до С 15 Н 32 - жидкости; более тяжелые углеводороды - твердые ве­щества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются рас­пространенными органическими растворителями.

Химические свойства алканов

Реакции замещения.

Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикаль­ного замещения , в ходе которого атом водорода за­мещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения характерных реакций галогенирования :

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор :

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органи­ческих синтезах.

Реакция дегидрирования (отщепления водоро­да).

В ходе пропускания алканов над катализато­ром (Pt, Ni, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3) при высокой температуре (400-600 °C) происходит отщепление молекулы во­дорода и образование алкена :

Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Га­зообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.

1. Горение предельных углеводородов - это сво­боднорадикальная экзотермическая реакция, кото­рая имеет очень большое значение при использова­нии алканов в качестве топлива:

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

2. Термическое расщепление углеводородов .

Процесс протекает по свободнорадикальному механизму . Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием мо­лекулы алкана и молекулы алкена :

Реакции термического расщепления лежат в ос­нове промышленного процесса - крекинга угле­водородов . Этот процесс является важнейшей ста­дией переработки нефти.

3. Пиролиз . При нагревании метана до темпе­ратуры 1000 °С начинается пиролиз метана - раз­ложение на простые вещества:

При нагревании до температуры 1500 °С воз­можно образование ацетилена :

4. Изомеризация . При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хло­ридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом :

5. Ароматизация . Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии ка­тализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:

Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Молекулы этих веществ по­строены при помощи ковалентных неполярных С-С (углерод - углерод) связей и слабополярных С-Н (углерод - водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (элек­тростатических полей ионов). Следовательно, алка­ны не будут реагировать с заряженными частицами, т. к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Алкены – это углеводороды, в молекулах которых есть ОДНА двойная С=С связь.

Общая формула алкенов:

C n H 2 n

Тип гибридизации атома углерода двойной связи – sp 2 . Остальные атомы углерода в молекуле алкена обладают sp 3 - гибридизацией.

Молекула имеет плоское строение, угол между σ-связями – 120 0

Длина двойной связи меньше, чем длина одинарной.

Номенклатура алкенов: в названии появляется суффикс -ЕН.

Первый член гомологического ряда – С 2 Н 4 (этен).

Для простейших алкенов применяются также исторически сложившиеся названия:

этилен (этен),

пропилен (пропен),

В номенклатуре часто используются следующие одновалентные радикалы алкенов:

СН 2 -СН=СН 2

Виды изомерии алкенов:

1. Изомерия углеродного скелета: (начиная с С 4 Н 8 – бутен и 2-метилпропен)

2. Изомерия положения кратной связи: (начиная с С 4 Н 8): бутен-1 и бутен-2.

3. Межклассовая изомерия: с циклоалканами (начиная с пропена):

C 4 H 8 - бутен и циклобутан.

4. Пространственная изомерия алкенов:

Из-за того, что вокруг двойной связи невозможно свободное вращение, становится возможной цис-транс- изомерия .

Алкены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители , могут существовать в виде двух изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости π-связи:

Химические свойства алкенов.

Для алкенов характерны:

реакции присоединения к двойной связи,

реакции окисления,

реакции замещения в «боковой цепи».

1. Реакции присоединения по двойной связи: менее прочная π-связь разрывается, образуется насыщенное соединение.

Это реакции электрофильного присоединения - А Е.

1) Гидрирование:

СН 3 -СН=СН 2 + Н 2  CH 3 -CH 2 -CH 3

2) Галогенирование:

СН 3 -СН=СН 2 + Br 2 (раствор) CH 3 -CHBr -CH 2 Br

Обесцвечивание бромной воды – качественная реакция на двойную связь.

3) Гидрогалогенирование:

СН 3 -СН=СН 2 + НBr  CH 3 -CHBr -CH 3

(ПРАВИЛО МАРКОВНИКОВА: водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода).

4) Гидратация - присоединение воды:

СН 3 -СН=СН 2 + НОН  CH 3 -CH -CH 3

(присоединение также происходит по праилу Марковникова)

2. Присоединение бромоводорода в присутствии пероксидов (эффект Хараша) - это радикальное присоединение - А R

СН 3 -СН=СН 2 + HBr -(Н 2 О 2) СН 3 -СН 2 -СН 2 Br

(реакция с бромоводородом в присутствии пероксида протекает против правила Марковникова )

3. Горение – полное окисление алкенов кислородом до углекислого газа и воды.

С 2 Н 4 + 3О 2 = 2СО 2 + 2Н 2 О

4. Мягкое окисление алкенов – реакция Вагнера : реакция с холодным водным раствором перманганата калия.

3СН 3 -СН=СН 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O  2MnO 2 + 2KOH + 3СН 3 - СН - СН 2

ô ô

OH OH

(образуется диол)

Обесцвечивание алкенами водного раствора перманганата калия – качественная реакция на алкены.

5. Жесткое окисление алкенов – горячим нейтральным или кислым раствором перманганата калия. Идёт с разрывом двойной связи С=С.

1. При действии перманганата калия в кислой среде в зависимости от строения скелета алкена образуется:

Фрагмент углеродной цепи у двойной связи

Во что превращается

=С Н 2

С О 2

= СН – R

R – C OOH карбоновая кислота

= C – R

ô

R

кетон R – C – R

║

O

СН 3 -С -1 Н =С -2 Н 2 +2 KMn +7 O 4 + 3H 2 SO 4 

CH 3 -C +3 OOH + C +4 O 2 + 2Mn +2 SO 4 + K 2 SO 4 + 4H 2 O

2. Если реакция протекает в нейтральной среде ПРИ нагревании, то соответственно получаются калиевые соли :

Фрагмент цепи у двойной связи

Во что превращается

=С Н 2

К 2 С О 3

= СН – R

R – C OO К - солькарбоновой кислоты

= C – R

ô

R

кетон R – C – R

║

O

3СН 3 С -1 Н =С -2 Н 2 +10K MnO 4 -t  3CH 3 C +3 OO K + + 3K 2 C +4 O 3 + 10MnO 2 +4Н 2 О+ K OH

6. Окисление кислородом этилена в присутствии солей палладия.

СН 2 =СН 2 + O 2 –(kat ) C Н 3 СНО

(уксусный альдегид)

7. Хлорирование и бромирование в боковую цепь: если реакция с хлором проводится на свету или при высокой температуре – идёт замещение водорода в боковой цепи.

СН 3 -СН=СН 2 + Cl 2 – (свет)  СН 2 -СН=СН 2 +HCl

8. Полимеризация:

n СН 3 - СН= СН 2  (-CH–CH 2 -) n

пропилен  полипропилен

CH 3

ПОЛУЧЕНИЕ АЛКЕНОВ

I. Крекинг алканов:

С 7 Н 16 –(t ) CH 3 - CH =CH 2 + C 4 H 10

Алкен алкан

II. Дегидрогалогенирование галогеналканов при действии спиртового раствора щелочи - реакция ЭЛИМИНИРОВАНИЯ.

Правило Зайцева: Отщепление атома водорода в реакциях элиминирования происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.

III . Дегидратация спиртов при повышенной температуре (выше 140°C) в присутствии водоотнимающих реагентов - оксида алюминия или концентрированной серной кислоты – реакция элиминирования.

CH 3 -CH-CH 2 -CH 3 – (H 2 SO 4 ,t>140 o) H 2 O +CH 3 -CH=CH -CH 3

OH

(также подчиняется правилу Зайцева)

IV . Дегалогенирование дигалогеналканов , имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода , при действии активных металлов.

CH 2 Br -CHBr -CH 3 +Mg  CH 2 =CH-CH 3 +Mg Br 2

Также может использоваться цинк.

V . Дегидрирование алканов при 500°С:

VI . Неполное гидрирование диенов и алкинов

С 2 Н 2 + Н 2 (недостаток) –(kat ) С 2 Н 4

Органическая химия — это химия углерода, валентность которого равна 4. Т.е., каждый атом углерода образует 4 связи (сигма-связи). Это может быть связь — С — С — , это может быть связь -С-H. Одинарная связь считается насыщенной , т.е. достигается максимальное перекрывание электронной плотности между атомами.

Предельные углеводороды — класс алканы (углеводороды с насыщенными связями)

Сигма-связь (σ-)

Атомы углерода находятся в состоянии Sp³-гибридизации:

Т.е. вещества класса Алканы (парафины — старое название) - алифатические (нециклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными, насыщенными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи. Угол между связями С-C составляет 109°28′, поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг)

Общая формула алканов: С n H 2n+2 , где n = числу атомов углерода.

Номенклатура веществ класса алканов строится из двух частей.

Первая часть «говорит» о количестве атомов углерода, вторая — о связи -С-С-. У алканов вторая часть — всегда -ан , а первую часть надо выучить:

Физические свойства алканов:

C1-C4 — газообразные вещества;

С5- С17 — жидкости;

С18-… — твердые вещества.

Химические свойства

Алканы — довольно химически устойчивы. Между атомами насыщенная связь, поэтому вещества класса алканы очень слабо активны.

Максимум на что они способны это:

Реакции замещения: реакция идет на свету по радикальному механизму:

С2H6 + Cl2 = C2H5Cl + HCl, такое замещение может идти до полного замещения атомами хлора атомов водорода: С2Сl6.
Реакция Вюрца — «именная» реакция удлиннения цепи:

C2H5Cl + 2Na +ClC2H5 → C4H10 + 2NaCl (из этана получили бутан)

Реакция Коновалова: c разбавленной азотной кислотой под давлением

С2H6 + HNO3 (HO-NO2) → С2H5NO2 + H2O

Реакции разложения (крекинг): длинные вещества класса алканы разлагается на алкан (более короткий) и алкен:
CH 3 -CH 2 -CH 3 (пропан) - 400°C > CH 4 (метан)+ CH 2 =CH 2 (этилен)

Окисление алканов (горение): как и все органические вещества, алканы горят до образования углекислого газа и воды:

2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O

Получение веществ класса алканы:

Из неорганических веществ: гидролиз карбида алюминия:
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 +3CH4 (метан)
C+2H2 = CH4 (при высоком давлении и температуре)

Гидрирование алкенов:
С2H4 + H2 = C2H6 (этан)

Еще одна «именная» реакция: реакция Кольбе: электролиз солей карбоновых кислот :
2СH3COONa -(электролиз)-→ СH3-CH3 (этан) + 2СO2 +2Na

Реакция солей карбоновых кислот с аналогичными щелочами:
C2H 5 COONa + NaOH -- t° > C2H6 + Na 2 CO 3

Тест "Алканы"

1. У пропана и 3,3-диметилгексана общая формула:

CnH2n

СnH2n+2

СnH2n-2

СnH2n-4

2. Не имеет изомеров:

пентан

бутан

гексан

пропан

3. Выберите свойства алканов:

окисляются, реагируют с водой, обесцвечивают бромную воду

реагируют с галогенами, с галогеноводородами и с кислотами - окислителями

реагируют с хлором на свету, с азотной кислотой под давлением, крекинг

легко вступают в реакции замещения

4. При горении алканов образуются:

CO2 и H2O

алканы с меньшим количеством атомов углерода