Формула алканов

Содержание

Общая формула алканов. Алканы: общие сведения. Физические и химические свойства

Формула алканов

Алканы с химической точки зрения представляют собой углеводороды, то есть общая формула алканов включает в себя исключительно атомы углерода и водорода. Помимо того, что эти соединения не содержат никаких функциональных групп, они образуются только за счет одинарных связей. Такие углеводороды называются насыщенными.

Типы алканов

Все алканы можно выделить в две большие группы:

  • Алифатические соединения. Их структура имеет вид линейной цепочки, общая формула алканов алифатического типа CnH2n+2, где n – количество атомов углерода в цепи.
  • Циклоалканы. Эти соединения имеют циклическую структуру, что обуславливает существенное отличие их химических свойств от линейных соединений. В частности, структурная формула алканов этого типа обуславливает сходство их свойств с алкинами, то есть углеводородами с тройной связью между атомами углерода.

Электронная структура алифатических соединений

Эта группа алканов может иметь либо линейную, либо разветвленную углеводородную цепь. Их химическая активность является невысокой по сравнению с другими органическими соединениями, поскольку все связи внутри молекулы являются насыщенными.

Молекулярная формула алканов алифатического типа говорит о том, что их химическая связь имеет sp3-гибридизацию.

Это означает, что все четыре ковалентные связи вокруг атома углерода по своим характеристикам (геометрическим и энергетическим) являются абсолютно равноправными.

При таком типе гибридизации электронные оболочки уровней s и p атомов углерода имеют одинаковую форму вытянутой гантели.

Между атомами углерода связь в цепи является ковалентной, а между атомом углерода и водорода она частично поляризована, при этом электронная плотность оттягивается к углероду, как к элементу более электроотрицательному.

Из общей формулы алканов следует, что в их молекулах существуют только связи C-C и C-H. Первые образуются в результате перекрывания двух электронных гибридизованных орбиталей sp3 двух атомов углерода, а вторые образуются при перекрывании орбитали s водорода и орбитали sp3 углерода. Длина связи C-C равна 1,54 ангстрема, а связи C-H – 1,09 ангстрема.

Геометрия молекулы метана

Метан является самым простым алканом, который состоит всего из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Благодаря энергетической равноправности его трех 2p и одной 2s орбиталей, полученной в результате sp3-гибридизации, все орбитали в пространстве расположены под одинаковым углом друг к другу. Он равен 109,47°. В результате такой молекулярной структуры в пространстве образуется подобие треугольной равносторонней пирамиды.

Простые алканы

Самым простым алканом является метан, который состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Следующие в ряду алканов за метаном пропан, этан и бутан образованы тремя, двумя и четырьмя атомами углерода соответственно. Начиная с пяти атомов углерода в цепи, соединения получили название согласно номенклатуре ИЮПАК.

Таблица с формулами алканов и их названиями приведена ниже:

Названиеметанэтанпропанбутанпентангексангептаноктаннонандекан
ФормулаCH4C2H6C3H8C4H10C5H12C6H14C7H16C8H18C9H20C10H22

При потере одного водородного атома у молекулы алкана образуется активный радикал, окончание которого меняется с “ан” на “ил”, например, этан C2H6 – этил C2H5. Структурная формула алкана этана приведена на фото.

Номенклатура органических соединений

Правила определения названий алканов и соединений на их основе установлены международной номенклатурой ИЮПАК. Для органических соединений действуют следующие правила:

  1. Название химического соединения базируется на названии его самой длинной цепи из атомов углерода.
  2. Нумерацию атомов углерода следует начинать с конца, ближе к которому начинается разветвление цепи.
  3. Если в соединении присутствуют две или более углеродные цепи одинаковой длины, то в качестве основной выбирается та, которая имеет меньше всего радикалов, и они имеют более простую структуру.
  4. Если в молекуле имеются две и более одинаковые группы радикалов, тогда в названии соединения используются соответствующие префиксы, которые удваивают, утраивают и так далее названия указанных радикалов. Например, вместо выражения “3-метил-5-метил” используется “3,5-диметил”.
  5. Все радикалы записываются в алфавитном порядке в общее название соединения, при этом префиксы не берутся во внимание. Последний радикал пишется слитно с названием самой цепи.
  6. Числа, отражающие номера радикалов в цепи, отделяются от названий дефисом, а сами цифры записываются через запятую.

Соблюдение правил номенклатуры ИЮПАК позволяет легко определить молекулярную формулу алкана по названию вещества, например, 2,3-диметилбутан имеет следующий вид.

Физические свойства

Физические свойства алканов во многом зависят от длины углеродной цепи, образующей конкретное соединение. Основными свойствами являются следующие:

  • Первые четыре представителя, согласно общей формуле алканов, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, то есть это бутан, метан, пропан и этан. Что касается пентана и гексана, то они существуют уже в виде жидкостей, а начиная с семи атомов углерода, алканы представляют собой твердые вещества.
  • При увеличении длины углеродной цепи увеличивается и плотность соединения, а также его температуры фазовых переходов первого рода, то есть температуры плавления и кипения.
  • Поскольку полярность химической связи в формуле вещества алканов является незначительной, они не растворяются в полярных жидкостях, например, в воде.
  • Соответственно их можно использовать в качестве хороших растворителей таких соединений, как неполярные жиры, масла и воски.
  • В домашней газовой плите используется смесь алканов, богатая третьим членом химического ряда – пропаном.
  • При кислородном горении алканов выделяется большое количество энергии в виде тепла, поэтому эти соединения используют в качестве горючего топлива.

Химические свойства

Ввиду наличия стабильных связей в молекулах алканов, их реакционная способность в сравнении с другими органическими соединениями является низкой.

https://www.youtube.com/watch?v=m1xY5Ujd-Gg

С ионными и полярными химическими соединениями алканы практически не реагируют. Они ведут себя инертно в растворах кислот и оснований. Алканы вступают в реакцию только с кислородом и галогенами: в первом случае речь идет о процессах окисления, во втором – о процессах замещения. Некоторую химическую активность они проявляют и в реакциях с переходными металлами.

Во всех этих химических реакциях важную роль играют разветвления углеродной цепи алканов, то есть наличие в них радикальных групп. Чем их больше, тем сильнее изменяется идеальный угол между связями 109,47° в пространственной структуре молекулы, что приводит к созданию напряжений внутри нее и, как следствие, увеличивает химическую активность такого соединения.

Реакция простых алканов с кислородом происходит по следующей схеме: CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 → (n+1)H2O + nCO2.

Пример реакции с хлором приведен на фото ниже.

Опасность алканов для природы и человека

При содержании метана в воздухе в интервале концентраций 1-8% образуется взрывная смесь. Опасность для человека заключается еще и в том, что этот газ не имеет цвета и запаха. Кроме того, метан обладает сильным парниковым эффектом. Остальные алканы, имеющие в своем составе несколько атомов углерода, также образуют взрывные смеси с воздухом.

Гептан, пентан и гексан представляют собой легко воспламеняющиеся жидкости и являются опасными как для окружающей среды, так и для здоровья человека, поскольку они токсичны.

Источник: http://fb.ru/article/386993/obschaya-formula-alkanov-alkanyi-obschie-svedeniya-fizicheskie-i-himicheskie-svoystva

Углеводороды. Алканы. Строение, получение и свойства | Советы тут

Формула алканов

Сегодня урок по химии 29 — Углеводороды. Алканы. Строение, получение и  свойства.

Углеводороды — органические соединения, в состав которых входят только два элемента: углерод и водород.

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями,  состав которых выражается общей формулой CnH2n+2, где n – число атомов углерода.

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или предельные углеводороды. Их также называют парафинами. Общая черта в  строении алканов и циклоалканов – простая или одинарная связь между атомами углерода.

На образование этой связи затрачивается одна пара электронов, причем максимальное перекрывание орбиталей находится на линии, соединяющей центры атомов. Такую связь называют σ-связью, а электроны, образующие её – σ-электронами.

Распределение электронной плотности σ‑ связи симметрично относительно оси, проходящей через центры связанных атомов

Все атомы углерода находятся в состоянии  sp3— гибридизации, валентный угол равен 109о28’,  длина связи С – С  составляет  1,54 Ао. Ниже приводятся формулы и названия первых десяти членов гомологического ряда предельных углеводородов и соответсвующих им алкильных радикалов.

 Гомологический ряд алканов

Мелекулярная формула иНазвание алканаФормула и название алкильного радикала
СН4 ,     метан— СН3,     метил
С2Н6,     этан— С2Н5,    этил
С3 Н8,    пропан— С3 Н7,   пропил
С4 Н10,   бутан— С4 Н9,   бутил
С5 Н12,   пентан— С 5Н11,   пентил (амил)
С6 Н14,   гексан— С6 Н13,   гексил
С7 Н16,   гептан— С 7Н15,   гептил
С8 Н18,   октан— С8 Н17,   октил
С9 Н20,    нонан— С9 Н19,    нонил
С10 Н22,   декан— С10 Н21,    децил
  1. Для простейших алканов (С1-С4) приняты тpивиальные названия:  метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
  2. Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числительные и суффикс -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и т.д.
  3. В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью. При этом углеводоpод с pазветвленной цепью pасcматpивают как пpодукт замещения атомов водоpода в ноpмальном алкане углеводоpодными pадикалами.

Напишем формулы изомеров гексана:

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3    — н-гексан

СН3-СН(СН3) -СН2-СН2-СН3                          СН3-СН2-СН(СН3)-СН2-СН3

2-метилпентан                                                           3-метилпентан

СН3 –С( СН3)2– СН2— СН3                        СН3-СН(CH3)-СН(CH3)- СН3

        2,2-диметилбутан                                          2,3 –диметилбутан

Спосoбы получения алканов.

1. По реакции Вюрца – действием металлического натрия на галоидные алкилы:

СН3 – СI  +  2Nа  + СI – СН3  →  СН3 – СН3  + 2NаСI

2.  Сплавлением натриевых солей карбоновых кислот с едкими щелочами:

СН3 –СН2 – СООNа  + NаОН  →   СН 3–СН3  + Nа2СО3.

3.  Гидролиз карбида алюминия, получается метан:

АI4С3   + 12Н2О   →    3СН4  +  4АI(ОН)3.

4.  Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализаторов.

СnН2n  + Н2   →   СnН2n+2

5.  Синтез из оксида углерода (II) и водорода:

nСО + (2n+1)Н2   →   CnH2n+2  + nН2О

Химические свойства алканов.

1. Галогенирование (реакция радикального замещения):

СН4 + СI2 →  СН3СI +  HCl

2. Нитрование (реакция М.И.Коновалова) на примере 3-метилпентана:

СН3 —  СН2 – СН(СН3) – СН2СН3 + НО — NО2   →  СН3–СН2 -С(СН3)(NО2)–СН2-СН3 +Н2О

3-метил-пентан                                                         3-метил-3-нитропентан

3. Сульфирование:

СН3 – СН2 – СН2 – СН3 +НО -SО3Н  →  СН 3– СН(SО3Н) – СН2 – СН3 + Н2 О

Бутан                                                                    2-сульфобутан (бутан-2-сульфокислота).

4. Реакции окисления.

а) неполное окисление       2СН4  + 3О2   →  2СО  +  4Н2О

б) полное окисление            СН4  + 2О2   →  СО 2  +  2Н2О

5. Крекинг  ( расщепление ) алканов.

С4Н10   →   С2Н6 + СН2 = СН2

6. Дегидрирование:

СН3 – СН3   →    СН2 = СН2 + Н2↑

Этан                       Этен

Метан используется в основном в качестве дешевого топлива. При горении он дает почти бесцветное пламя. Из метана получают ценные химические продукты: метанол, синтез-газ, формальдегид, ацетилен, различные хлорпроизводные. Этан используется при синтезе этилена.

Пропан в смеси с бутаном используется в качестве топлива. Средние члены гомологического ряда используют как горючее для двигателей (бензин, керосин), а также в качестве растворителей.

Высшие алканы – топливо для дизельных двигателей, смазочные масла и сырье для производства моющих средств.

Это был урок по химии 29 — Углеводороды. Алканы. Строение, получение и  свойства.

{lang: 'ru'}

Share this post for your friends:

↑Как установить такие кнопки?↑

Источник: http://sovety-tut.ru/uroki-himii/uglevodorodyi-alkanyi-stroenie-poluchenie-i-svoystva

Химические свойства алканов | Химия онлайн

Формула алканов

Члены гомологического ряда алканов имеют общие химические свойства. В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированной серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями – КМnО4 и т.п

опыт “Отношение метана к раствору перманганата калия и бромной воде”

Химическая устойчивость алканов объясняется высокой прочностью σ–связей С ─ С и С ─ Н, а также их неполярностью.

Неполярные связи С ─ С и С ─ Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов.

Поэтому для алканов характерны радикальные реакции (реакции замещения), в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов.

Алканы вступают в реакции, протекающие по свободно-радикальному (цепному) механизму и протекают обычно на свету или при нагревании. По этому механизму легче всего замещаются атомы водорода у третичных, затем вторичных и первичных атомов углерода. При хлорировании эта закономерность не соблюдается при T>400˚C.

Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.

Реакции замещения (разрыв связей С ─ Н)

1. Галогенирование (замещение атома водорода атомом галогена — F, Cl, Br с образованием галогеналкана).

Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму, т.е. как цепь последовательных превращений с участием свободно-радикальных частиц.

Теорию цепных реакций разработал советский ученый, один из основоположников химической физики, академик Н.Н. Семенов (1896—1986), за что в 1956 г. был награжден Нобелевской премией.

Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.

Алканы очень активно реагируют с фтором, реакция алканов с его участием сопровождается взрывом и окислением до СF4.

Реакции хлорирования и бромирования протекают под действием света (фотохимическая цепная реакция) или при 300–400оC.

Иодирование проходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления НI из реакции.

Низшие алканы (СН4, С2Н6, С3Н8) можно прохлорировать полностью. В молекуле метана атомы хлора могут заместить от одного до четырех атомов водорода в зависимости от соотношения реагентов

Хлорирование метана:

(hv — формула кванта света)

Тривиальное название трихлорметана – хлороформ.

Механизм реакции

Реакция осуществляется в три стадии:

А) Инициирование (зарождение цепи) – гомолитическое расщепление молекулы Сl2 с образованием свободных радикалов хлора:

Свободные радикалы – это атомы или группы атомов с неспаренными электронами (•Сl, •Н,  •СН3…)

Б) Развитие цепи (взаимодействие радикала хлора с молекулой алкана, метильного радикала с новой молекулой хлора и т.д.):

В) Обрыв цепи (происходит при соединении двух радикалов друг с другом):

Монохлорирование метана

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле: 

Электронная плотность связи С – Cl смещена к более электроотрицательному атому хлора, в результате этого на нем образуется частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

На атоме углерода в метильной группе (-СН3) создаётся недостаток электронной плотности, поэтому он оттягивает на себя электронную плотность от соседних атомов водорода,  в результате этого связи С – Н становятся менее прочными и атомы водорода легче замещаются на атомы хлора.

При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайшего к заместителю:

Алканы обесцвечивают раствор брома при нагревании, вступая в реакцию радикального замещения.

опыт “Взаимодействие алканов с бромом при нагревании”

2.Нитрование (замещение атома водорода нитрогруппой – NO2 с образованием нитроалканов R-NO2). Нитрующий реагент – разбавленная азотная кислота HNO3 (НО─NО2).

Нитрование разбавленной азотной кислотой при t = 1400С и при повышенном или нормальном давлении – реакция М.И.Коновалова.

В результате реакции образуется смесь изомерных нитросоединений. Наиболее легко замещаются атомы водорода у третичного атома углерода, труднее – у вторичного, наиболее трудно – у первичного:

3.Сульфирование (замещение атомов водорода сульфогруппой SO3Н с образованием алкансульфокислот RSO3Н). Сульфирующий реагент – серная кислота Н2SO4 (НО─SO3Н). Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной Н2SO4 при небольшом нагревании.

Наиболее легко замещается атом водорода у третичного атома углерода:

Реакции окисления

Алканы – соединения с низкими степенями окисления углерода и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений. 

При обычных условиях алканы устойчивы к действию сильных окислителей (КМnO4, К2Сr2О7).

1. Горение (окисление кислородом воздуха при высоких температурах)

А) Полное окисление (избыток О2)

При избытке кислорода происходит полное окисление алканов 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).

Низшие гомологи (метан, этан, пропан, бутан) образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее.

Сжиженная пропан-бутановая смесь, горение

опыт «Взрыв смеси метана с кислородом»

опыт “Горение жидких алканов”

опыт “Горение твердых углеводородов (на примере парафина)”

Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях и т.п.).

Общий вид реакции горения алканов:

Б) Неполное окисление (недостаток О2)

При горении высших алканов ((n >>1)) при недостатке кислорода образуются продукты частичного окисления: угарный газ СО (степень окисления углерода +2), сажа (мелкодисперсный углерод, со степенью окисления 0).

Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, выделяя токсичный угарный газ, представляющий опасность для человека.

Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80-97% метана.

2. Каталитическое окисление

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 происходит разрыв связи (С2–С3) и получается две молекулы уксусной кислоты:

Этим способом в промышленности получают уксусную кислоту.

При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид и муравьиная кислота.

Высшие алканы (n>25) под действием кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца превращаются в смесь карбоновых кислот со средней длиной цепи С12–С18, которые используются для получения моющих средств и поверхностно-активных веществ.

Учебный фильм «Каталитическое окисление высших парафиновых углеводородов»

Термические превращения алканов (реакции разложения)

1. Крекинг (анг. сracking — расщепление) алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел, а также сырья для химической и нефтехимической промышленности.

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

Термический крекинг — это разрыв связей С ─ С в молекулах алканов с длинными углеродными цепями, в результате которого образуются алканы и алкены с меньшим числом атомов углерода.

Термический крекинг (пиролиз) осуществляется при температуре 450 – 7000С:

Крекинг н-гексана (работа Литвишко Алексея, г. Самара)

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 5000С и атмосферном давлении. При этом с разрывом молекул происходит реакция изомеризации и дегидрирования.

Крекинг октана (работа Литвишко Алексея, г. Самара)

2.При нагревании метана или этана до температуры 10000С начинается пиролиз – разложение на простые вещества:

Полученный этим способом углерод является достаточно чистым, в технике называется сажей и используется, например, при производстве автомобильных покрышек.

3. Конверсияметана с образованием  синтез – газа (СО + Н2)

Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом – «синтез-газ» (водяной газ, генераторный газ):

Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.

Реакции отщепления 

1.Дегидрирование (отщепление водорода; происходит в результате разрыва связей С ─ Н; осуществляется в присутствии катализатора при повышенных температурах).

В ходе пропускания алканов над катализатором (Pt, Pd, Ni, А1203, Сг203) при высокой температуре (400­ — 600°С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:

2. Если метан нагреть до более высокой температуры (15000С) и быстро охладить, то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется этин (ацетилен):

3.Дегидроциклизация (ароматизация) – реакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.

Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений.

Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при температуре 3000С над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные): 

Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола м его производных:

Реакции перегруппировки (изомеризация)   

1.Изомеризация (превращение химического соединения в его изомер):

Нормальные алканы под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в алканы с разветвленной цепью без изменения состава молекул. В этих случаях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов:

Эта реакция является важной для производства бензина, поскольку наличие в его составе разветвленных углеводородов повышает октановое число, т.е. качество топлива.

опыт “Установление качественного состава предельных углеводородов

Алканы (предельные углеводороды)

Источник: https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/alkany/ximicheskie-svojstva-alkanov.html

Алканы

Формула алканов

Группа молекул, имеющих общую формулу CnH2n+2 (CH4, C2C6, …), носит название алканы, также их называют насыщенными углеводородами. 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
2CnH2n+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 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.

Кол-во углеродовНазваниеСтруктурная формула
1Метан СH4
2Этан CH3—CH3
3ПропанCH3—CH2—CH3
4БутанCH3—(CH2)2—CH3
5ПентанCH3—(CH2)3—CH3
6ГексанCH3—(CH2)4—CH3
7ГептанCH3—(CH2)5—CH3
8ОктанCH3—(CH2)6—CH3
9НонанCH3—(CH2)7—CH3
10ДеканCH3—(CH2)8—CH3
11УндеканCH3—(CH2)9—CH3
12ДодеканCH3—(CH2)10—CH3
13ТридеканCH3—(CH2)11—CH3
14ТетрадеканCH3—(CH2)12—CH3
15ПентадеканCH3—(CH2)13—CH3
16ГексадеканCH3—(CH2)14—CH3
17ГептадеканCH3—(CH2)15—CH3
18ОктадеканCH3—(CH2)16—CH3
19НонадеканCH3—(CH2)17—CH3
20ЭйкозанCH3—(CH2)18—CH3
Таблица 1. Номенклатура алканов

Источник: https://k-tree.ru/articles/himiya/organicheskaya_himiya/alkani

· Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

СnН2n+2 +(1,5n+0,5)O2= nCO2 + (n+1)H2O

· Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Примеры:

CH4 → C + 2H2(t > 1000 °C)

C2H6 → 2C + 3H2

Алкены:

Алкены-это непредельные углеводороды,содержащие в молекуле,кроме одинарных связей,одну двойную углерод-углеродную связь.Формула- CnH2n

Принадлежность углеводорода к классу алкенов отражают родовым суффиксом –ен в его названии.

Физические свойства:

  • Температуры плавления и кипения алкенов (упрощенно) увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
  • При нормальных условиях алкены с C2H4 до C4H8 — газы; с C5H10 до C17H34 — жидкости, после C18H36 — твёрдые тела. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Химические свойства:

· Дегидратация-это процесс отщепления молекулы воды от молекулы органического соединения.

· Полимеризация-это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества в крупные молекулы полимера.

Полимер-это высокомолекулярное соединение ,молекулы которого состоят из множества одинаковых структурных звеньев.

Алкадиены:

Алкадиены -это непредельные углеводороды, содержащие в молекуле,кроме одинрных связей ,дведвойные углерод-углеродные связи.Формула-. Диены являются структурными изомерамиалкинов.

Физические свойства:

Бутадие́н — газ (tкип −4,5 °C), изопрен — жидкость, кипящая при 34 °C, диметилбутадиен — жидкость, кипящая при 70 °C. Изопрен и другие диеновые углеводороды способны полимеризоваться в каучук. Натуральный каучук в очищенном состоянии является полимером с общей формулой (С5Н8)n и получается из млечного сока некоторых тропических растений.

Каучук хорошо растворим в бензоле, бензине, сероуглероде. При низкой температуре становится ломким, при нагревании липким. Для улучшения механических и химических свойств каучука его превращают в резину, подвергая вулканизации.

Для получения резиновых изделий сначала их формуют из смеси каучука с серой, а также с наполнителями: сажей, мелом, глиной и некоторыми органическими соединениями, служащими для ускорения вулканизации. Затем изделия нагревают — горячая вулканизация. При вулканизации сера химически связывается с каучуком.

Кроме того, в вулканизированном каучуке сера содержится в свободном состоянии в виде мельчайших частиц.

Диеновые углеводороды легко полимеризуются. Реакция полимеризации диеновых углеводородов лежит в основе синтеза каучука. Вступают в реакции присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование):

H2C=CH-CH=CH2 + H2 -> H3C-CH=CH-CH3

Алкины:

Алкины-этонепредельные углеводороды молекулы которых содержат ,помимо одинарных связей,одну тройную углерод-глеродную связь.Формула-CnH2n-2

Физические свойства:

Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С4) — газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах.

Алкины плохо растворимы в воде, лучше — в органических растворителях.

Химические свойства:

· Реакции галогенирования

Алкины способны присоединять одну или две молекулы галогена с образованием соответствующих галогенпроизводных:

· Гидратация

В присутствии солей ртути алкины присоединяют воду с образованием ацетальдегида (для ацетилена) или кетона (для прочих алкинов)

Источник: http://MirZnanii.com/a/326214/alkany

Класс Алканы

Формула алканов

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 —

(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:

СnH2n+2

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:

Название (приставка)

Количество атомов углерода

Формула

мет-(метан)

1

CH4

эт-(этан)

2

C2H6

проп-(пропан)

3

C3H8

бут-(бутан)

4

C4H10

пент-(пентан)

5

C5H12

гекс-(гексан)

6

C6H14

Физические свойства алканов:

 C1-C4 — газообразные вещества;

С5- С17 — жидкости;

С18-… — твердые вещества.

класс алканы —  

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 давлениемС2H6 + HNO3 (HO-NO2) → С2H5NO2 + H2O

Реакции разложения (крекинг): длинные вещества класса алканы разлагается на алкан (более короткий) и алкен:
CH3–CH2–CH3(пропан) –400°C> CH4(метан)+ CH2=CH2 (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:
    C2H5COONa + NaOH  ––t°>  C2H6 + Na2CO3

Вопрос из олимпиадных заданий (2015 г)

Давайте сначала определимся с атомами углерода — какие из них будут третичными

Вот пример:

«Третичный» — атом углерода, связанный с тремя другими атомами С

  • н-гептан — гептан линейного строение, «без ответвлений» — только первичные и вторичные атомы СCH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

название по номенклатуре ИЮПАК — 2,2-диметилбутан

В этом веществе будут 3 первичных атома (CH3-), один вторичный (-CH2-) и  один четвертичный (С)

  • в ЕГЭ это вопрос А13 и А14 — Строение и свой­ства углеводородов
  • в ГИА (ОГЭ) это B2 — Пер­во­на­чаль­ные сведения об ор­га­ни­че­ских веществах: пре­дель­ных и не­пре­дель­ных углеводородах

 
  

Обсуждение: “Класс алканы”

(Правила комментирования)

Источник: https://distant-lessons.ru/ximiya/alkany

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть