Получение алканов

Содержание

Получение алканов и их свойства

Получение алканов
Образование 17 марта 2018

Наиболее простые соединения, изучаемые в курсе органической химии, – это насыщенные углеводороды или парафины, называемые еще алканами.

Их качественный состав представлен атомами только двух элементов: углерода и водорода. Молекулы соединений содержат только один тип химической связи – одинарную, или простую.

В нашей статье мы изучим строение, а также способы получения и свойства алканов.

Представители ряда и их названия

Первое соединение класса парафинов – это метан. Его молекулярная формула – CH4, она соответствует общей формуле веществ, имеющей следующий вид: CnH2n+2. Первые четыре алкана имеют индивидуальные названия, например, метан, этан. Начиная с пятого соединения, номенклатура построена с использованием греческих числительных.

Например, вещество с пятью атомами углерода в составе молекулы C5H12 называется пентаном (от греческого слова “пента” – пять). По рациональной номенклатуре алканы, химические свойства и получение которых мы изучаем, можно представить в форме веществ – производных метана.

В его молекуле один или несколько водородных атомов замещены углеводородными радикалами. По систематической номенклатуре следует выбрать самую длинную цепь атомов карбона, которые нумеруют с того конца, к которому ближе расположены радикалы.

Затем определяют номер атома углерода, связанного сигма-связью с частицей радикала, и уточняют радикал, добавляя к нему название самого алкана, например, 3-метилбутан.

Получение алканов

Главным и наиболее распространенным источником добычи парафинов являются полезные ископаемые: природный газ и нефть. Следы метана вместе с водородом и азотом можно обнаружить в составе болотного газа. Твердые алканы, содержащие в составе молекулы большое количество атомов углерода, присутствуют в озокерите.

Это горный воск, обладающий целым спектром уникальных свойств, залежи которого разрабатываются, например, на территории Западной Украины. Также существует ряд синтетических способов добычи предельных углеводородов, в частности, реакцией восстановления.

В промышленности можно выделить несколько методов получения алканов при помощи окислительно-восстановительных реакций, например, идущих между галогеноалкилами и йодистым водородом или амальгамой натрия. Более простым является восстановление алкенов, алкинов или алкадиенов водородом в присутствии никелевого катализатора.

Продуктом реакции будет соответствующий парафин. Процесс можно выразить следующим уравнением реакции:

CH2 = CH2 + H2 = H3C-CH3 (этан)

Щелочное плавление солей карбоновых кислот

Если нагревать натриевую соль CH3COONa или другие вещества этого класса, в состав которых входят атомы активных металлов, с гидроксидом натрия или натронной известью, можно получить предельные углеводороды.

Первый вид реакции чаще используют в условиях лаборатории, второй применяется для точного анализа строения карбоновой кислоты, входящей в состав соли.

Этот метод получения алканов позволяет наблюдать расщепление углеродной цепи реагента и уменьшение в ней количества атомов углерода.

Реакция Вюрца

Вещества, являющиеся производными парафинов, в составе которых произошло замещение атомов водорода на частицы хлора, брома или йода, могут вступать во взаимодействие с мелкодисперсным металлическим натрием. Уравнение реакции в общем виде будет таким:

2RHal + 2Na → R—R + 2NaHal,

Этот процесс было открыт в 1870 году французским химиком Ф. Вюрцем. Позже П. П. Шарыгин уточнил его механизм, приводящий к получению алкана. Оказалось, что атом галогена вначале замещается металлом. Затем образующееся натрийорганическое вещество взаимодействует с другой молекулой галогеноалкана. Данная реакция нашла применение в технологии синтеза высших парафинов.

Свойства предельных углеводородов

Физическая характеристика каждого класса органических соединений определяется свойствами, которые изменяются закономерно, и зависит от строения молекул веществ. Так, четыре первых гомолога алканов, реакции получения которых мы рассмотрели ранее, являются газами.

Парафины, содержащие в своем составе от 5 до 14 атомов углерода, существуют в жидкой фазе, остальные же алканы являются твердыми соединениями. Газообразные и твердые вещества не имеют запаха, жидкие парафины пахнут керосином или бензином.

К важнейшим химическим свойствам веществ относится, например, жесткое окисление – горение, в результате которого выделяется большое количество теплоты:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О

Напомним, что метан является главным компонентом основного топлива – природного газа.

Реакции замещения

Галогенирование, проходящее по свободнорадикальному механизму, – еще одна особенность алканов. Оно относится к реакциям замещения и приводит к образованию соединений – галогенопроизводных парафинов:

C5H12+Cl2 = HCl + C5H11Cl (хлорпентан).

Нитрование – это взаимодействие алканов с разбавленной нитратной кислотой в присутствии катализатора и под давлением, открытое в 1889 году Н. М. Коноваловым. Нитросоединения парафинов имеют широкий спектр применения в качестве сырья для получения ракетного топлива, взрывчатки, а также для добычи карбоновых кислот и аминов.

Окисление высших членов гомологического ряда алканов в присутствии катализатора приводит к получению спиртов и карбоновых кислот, применяемых для синтеза пластификаторов, используемых для производства пластмасс и моющих средств.

В нашей статье мы рассмотрели свойства предельных углеводородов и изучили способы их получения.

Источник: .ru

Источник: https://monateka.com/article/272586/

4.1.7. Основные способы получения углеводородов

Получение алканов

Углеводороды разных классов (алканы, алкены, алкины, алкадиены, арены) можно получать различными способами.

Крекинг алканов с изначально большей длиной цепи

Процесс, используемый в промышленности, протекает в интервале температур 450-500oC в присутствии катализатора и при температуре 500-700oC в отсутствие катализатора:

Важность промышленного процесса крекинга заключается в том, что он позволяет повысить выход бензина из тяжелых фракций нефти, которые не представляют существенной ценности сами по себе.

Газификация каменного угля

в присутствии никелевого катализатора при повышенных температуре и давлении может быть использована для получения метана:

Процесс Фишера-Тропша

С помощью данного метода могут быть получены предельные углеводороды нормального строения, т.е. алканы. Синтез алканов осуществляют, используя синтез-газ (смеси угарного газа CO и водорода H2), который пропускают через катализаторы при высоких температуре и давлении:

Декарбоксилирование солей карбоновых кислот

Сплавление твердых солей карбоновых кислот со щелочами приводит к реакции декарбоксилирования, при этом образуются углеводород с меньшим числом атомов углерода и карбонат металла (реакция Дюма):

Гидролиз карбида алюминия

Взаимодействие карбида алюминия с водой, а также кислотами-неокислителями приводит к образованию метана:

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑

Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH4↑

Крекинг алканов

Реакция в общем виде уже была рассмотрена выше (получение алканов). Пример реакции крекинга:

Дегидрогалогенирование галогеналканов

Дегидрогалогенирование галогеналканов протекает при действии на них спиртового раствора щелочи:

Дегидратация спиртов

Данный процесс протекает в присутствии концентрированной серной кислоты и нагревании до температуры более 140оС:

Обратите внимание, что и в случае дегидратации, и в случае дегидрогалогенирования отщепление низкомолекулярного продукта (воды или галогеноводорода) происходит по правилу Зайцева: водород отщепляется от менее гидрированного атома углерода.

Дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов

Вицинальными дигалогеналканами называют такие производные углеводородов, у которых атомы хлора прикреплены к соседним атомам углеродной цепи.

Дегидрогалогенирование вицинальных галогеналканов можно осуществить, используя цинк или магний:

Дегидрирование алканов

Пропускание алканов над катализатором (Ni, Pt, Pd, Al2O3 или Cr2O3) при высокой температуре (400-600оС) приводит к образованию соответствующих алкенов:

Дегидрирование бутана и бутена-1

В настоящий момент основным методом производства бутадиена-1,3 (дивинила)  является каталитическое дегидрирование бутана, а также бутена-1, содержащихся в газах вторичной переработки нефти. Процесс проводят в присутствии катализатора на основе оксида хрома (III) при 500—650°С:

Действием высоких температур в присутствии катализаторов на изопентан (2-метилбутан) получают промышленно важный продукт – изопрен (исходное вещество для получения так называемого «натурального» каучука):

Метод Лебедева

Ранее (в Советском Союзе) бутадиен-1,3 получали по методу Лебедева из этанола:

Дегидрогалогенирование дигалогензамещенных алканов

Осуществляется действием на галогенпроизводные спиртового раствора щелочи:

Пиролиз метана

При нагревании до температуры 1200-1500оС метан подвергается реакции дегидрирования с одновременным удваиванием углеродной цепи – образуются ацетилен и водород:

Гидролиз карбидов щелочных и щелочноземельных металлов

Действием на карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов воды или кислот-неокислителей в лаборатории получают ацетилен. Наиболее дешев и, как следствие, наиболее доступен для использования карбид кальция:

Декарбоксилирование солей ароматических карбоновых кислот

Сплавлением солей ароматических карбоновых кислот со щелочами удается получить ароматические углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле по сравнению с исходной солью:

Тримеризация ацетилена

При пропускании ацетилена при температуре 400°C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол:

Аналогичным способом можно получать симметричные триалкилзамещенные бензолы из гомологов ацетилена. Например:

Дегидрирование гомологов циклогексана

При действии на циклоалканы с 6-ю атомами углерода в цикле высокой температуры в присутствии платины происходит дегидрирование с образованием соответствующего ароматического углеводорода:

Дегидроциклизация

Также возможно получение ароматических углеводородов из углеводородов нециклического строения при наличии углеродной цепи с длиной в 6 или более атомов углерода (дегидроциклизация). Процесс осуществляют при высоких температурах в присутствии платины или любого другого катализатора гидрирования-дегидрирования (Pd, Ni):

Алкилирование

Получение гомологов бензола алкилированием ароматических углеводородов хлорпроизоводными алканов, алкенами или спиртами:

Источник: https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/uglevodorody-sposoby-poluchenija

Урок 18. Алканы – HIMI4KA

Получение алканов
Самоучитель по химии › Органическая химия

Алканы — это углеводороды незамкнутого (нециклического) строения, в молекулах которых атомы углерода соединены только простыми связями. Например:

Задание 18.1. Допишите атомы водорода и попробуйте ответить на вопрос: существует ли углеводород, имеющий большее число атомов водорода в молекуле?

Поэтому-то алканы обычно называют предельными углеводородами, то есть содержащими максимально возможное (предельное) число атомов водорода в молекуле.

Гомологический ряд, номенклатура, изомерия

Алканы образуют гомологический ряд с общей формулой

где n — число атомов углерода в молекуле. Если

  • n = 1 → СН4, это метан;
  • n = 2 → С2Н6, это этан;
  • n = 3 → С3Н8, или СН3–СН2–СН3, это пропан.

Начиная с n = 4 для алканов возможна изомерия, то есть для вещества состава C4H10 существуют два соединения различного строения, а значит, различные по свойствам:

Следующий гомолог с n = 5 имеет уже три изомера, один из них н-пентан, то есть пентан нормального (неразветвлённого) строения.

Задание 18.2. Составьте графические формулы всех изомеров пентана (их три). Назовите эти изомеры.

Строение молекул

Атомы углерода и водорода в молекулах алканов соединены только простыми связями. Это ковалентные, слабо полярные связи.

Все С–Н связи в молекуле метана равноценны и направлены в пространстве к вершинам тетраэдра. Это σ-связи (сигма-связи), очень прочные.

Поэтому метан и другие алканы с трудом вступают в химические реакции (на разрыв σ-связей нужно затратить много энергии).

Все химические реакции алканов идут в особых условиях (нагревание, присутствие катализатора, освещение и др.), то есть при обычных условиях реакции алканов невозможны.

Физические свойства

Поскольку все связи в молекулах алканов слабо полярны, то в молекулах отсутствуют какие-либо значительные заряды. Поэтому молекулы алканов слабо притягиваются друг к другу. В результате все алканы — это либо газы, либо летучие жидкости, либо твёрдые легкоплавкие вещества (табл. 8).

Смесь газообразных углеводородов образует природный газ. Начиная с n = 16, алканы являются твёрдыми веществами. Очищенные твёрдые предельные углеводороды называют парафином.

Неполярные углеводороды практически нерастворимы в полярном растворителе, например в воде, но прекрасно растворяются в неполярных растворителях. Таким растворителем является смесь жидких алканов (бензин, керосин). Природная смесь твёрдых, жидких и газообразных углеводородов называется нефтью.

Нефть в основном состоит из алканов и циклоалканов. При переработке нефти получают: попутный нефтяной газ, смесь жидких алканов (бензин, керосин), твёрдых алканов (асфальт, парафин) и другие нефтепродукты.

Такой способ переработки нефти называется нефтеперегонкой и осуществляется при её нагревании в специальных ректификационных колоннах.

Задание 18.3. Бензин представляет собой смесь алканов с числом атомов углерода от 5 до 9. Составьте их молекулярные формулы.

Химические свойства

Алканы, в принципе, не способны к реакциям присоединения, так как имеют максимально возможное число атомов водорода. Поэтому их называют насыщенными углеводородами.

Для алканов наиболее характерна реакция замещения. В результате такой реакции происходит замещение одного атома водорода алкана на новую группу или на атом (на каждой стадии). Характер химической связи при этом не изменяется.

К таким реакциям относятся:

  • Реакция хлорирования, которая происходит под действием солнечного света:
  • Реакция нитрования, которая происходит при нагревании:

Обратите внимание: молекулу азотной кислоты в органических реакциях рекомендуется записывать как НО–NO2, так как в результате реакций с ней в молекуле исходного вещества появляется нитрогруппа –NО2.

Для алканов возможны реакции окисления. В растворе они не происходят. Но в присутствии катализаторов алканы окисляются до кислот:

Обратите внимание! Знак [О] означает, что происходит неполное (мягкое) окисление. Окислителями могут быть разные вещества, не только кислород, например, перманганат калия KMnO4.

При полном окислении (горении) любой алкан (и любой углеводород!) превращается в углекислый газ и воду:

Газообразные алканы горят бесцветным пламенем, т. е. сгорают полностью! При этом выделяется много теплоты, поэтому алканы применяются в качестве топлива: природный газ, бензин, керосин, мазут и т. д.

Задание 18.4. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции горения.

https://www.youtube.com/watch?v=QfDeBlYNpbA

При нагревании до очень высоких температур в отсутствии кислорода происходит разрушение (крекинг) молекулы углеводорода:

При этом образуются и непредельные углеводороды.

Задание 18.5. Укажите формулы непредельных углеводородов.

Процессы крекинга используют при переработке нефти.

Задание 18.6. Напишите уравнения реакций:

  1. хлорирования этана;
  2. нитрования метана;
  3. горения пентана.

Получение и применение алканов

Алканы широко распространены в природе. Простейший алкан — метан — образуется в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов, этот газ выделяется на болотах, поэтому он так и называется: «болотный газ».

Метан накапливается в шахтах, где добывают каменный уголь, из-за этого на шахтах иногда бывают взрывы, так как смесь метана с воздухом взрывоопасна. Это следует учитывать и в быту, так как природный газ является источником тепла в газовых плитах.

Метан составляет 95–97 % природного газа.

Алканы — ценное сырьё для получения смазочных масел, пластмасс, красок, стиральных порошков и т. д. Смеси алканов — бензин, керосин — топливо для автомобилей, тракторов, ракет, самолётов. Поэтому их получают в больших количествах в основном при переработке нефти и газа.

В лаборатории в небольших количествах алканы можно получить нагреванием соли карбоновой кислоты со щёлочью:

Внимание! Здесь и далее буквой R обозначается любой углеводородный радикал.

Так, метан получают нагреванием ацетата натрия в присутствии щёлочи:

Метан можно получить гидролизом карбида алюминия (см. урок 13.1):

Кроме того, в лаборатории алканы получают синтезом Вюрца из галогенпроизводных под действием натрия:

где R и R1 — предельные радикалы.

Выводы

Алканы — предельные, насыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется максимально возможное (предельное) числа атомов углерода.

Поэтому состав всех алканов СnH2n+2 и они не способны вступать в реакции присоединения. Все связи в молекулах алканов — неполярные, простые, очень прочные, поэтому алканы с трудом вступают в химические реакции.

Это реакции замещения, крекинга, горения и каталитического окисления.

Источник: https://himi4ka.ru/samouchitel-po-himii/urok-18-alkany.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

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

    ×
    Рекомендуем посмотреть