Методическая разработка по теме "Алканы"
методическая разработка на тему

Пояснительная записка

    Методические рекомендации к практическому занятию предназначены для  студентов  средних специальных учебных заведений медицинского профиля и составлены в соответствии с ФГОС СПО по специальности  «Сестринское дело».

Практическое занятие включает  теоретическую часть по данной теме, практическую часть в виде лабораторной работы и задания для самостоятельной работы, которые дают возможность студентам закрепить, полученные на теоретических занятиях знания,  расширить и углубить их, овладеть общими  компетенциями: ОК 2 и ОК 3. Организация собственной деятельности, анализ рабочей ситуации, контроль и коррекция собственной деятельности осуществляется в течение всего занятия. Практические опыты накладывают ответственность за результаты  работы, за безопасное и правильное осуществление химических реакций.

В  заключении приводится глоссарий по курсу «Органическая химия».

Практическое занятие должно быть оформлено в тетради по определенной схеме, указанной в Приложении 1.

Тема: «Алканы: строение, номенклатура, способы получения, химические свойства».

Цель занятия: Изучить строение, номенклатуру, способы получения и химические свойства алканов.

По данной теме Вы должны знать:

• Гомологический ряд алканов;
• Строение алканов;
• Номенклатуру, изомерию алканов;
• Радикалы алканов;
• Способы получения алканов;
• Химические свойства алканов.

По данной теме Вы должны уметь:

• Различать  гомологи и изомеры;
• Изображать изомеры и давать им названия по заместительной номенклатуре ИЮПАК;
• Находить взаимосвязь между строением и свойствами алканов;
• Выражать уравнениями реакций способы получения и химические свойства алканов;
• Определять доброкачественность алканов (вазелин, вазелиновое масло, парафин).

Инструкция для студентов по выполнению самостоятельной работы

На этом занятии вы сможете углубить, систематизировать и закрепить знания по предельным углеводородам.

1. Вспомните теоретический материал (часть I). Задайте вопросы преподавателю. Если у Вас нет вопросов, то перейдите к практическим опытам из части II.
2. Выполните практические опыты из части II (см. Приложение 1). Соблюдайте технику безопасности при работе с химическими реактивами.
3. Выполните задания для самостоятельной работы.
4. Проверьте правильность выполнения заданий. Еще раз просмотрите теоретический материал по заданиям, вызвавшим затруднения.
5.  Выполните контрольные задания (часть III).
6. Сдайте преподавателю выполненные задания для проверки.
7. Оценка за занятие выставляется преподавателем после проверки заданий и коррекции возможных недочетов и ошибок.

УСПЕХОВ В УЧЕБЕ!

I. Теоретическая часть

1. Гомологический ряд алканов.

Алканы, имея общую формулу СnH2n+2, представляют собой ряд родственных соединений с однотипной структурой, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH2-). 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.

Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х атомами водорода. Другой вариант – добавление в цепь группы -СН2- :

CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);

CH3-CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);

CH3-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2 -Н – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);

CH3-CH2-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – 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 С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.

Гомологи отличаются молекулярной массой, и следовательно, физическими характеристиками. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана (с ростом молекулярной массы) в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов (переход количества в качество): повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность. Алканы от СН4 до С4Н10– газы, от С5Н12 до С17Н36 – 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.

2. 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 (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана  или  н-пентана:

3. 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. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С4Н10.
Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы - стереохимические (пространственные) или проекционные.

Алканы, начиная с этана H3C–СН3, существуют в различных пространственных формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию.

Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют оптической изомерией.

3.1 Структурная изомерия алканов

• Структурные изомеры - соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Например, алкан состава C4H10 может существовать в виде двух структурных изомеров:

С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет сростом числа углеродных атомов.

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.

Алгоритм  построения структурных формул изомеров

Рассмотрим на примере алкана С6Н14.

1. Сначала изображаем молекулу линейного изомера (ее углеродный скелет)

     (1)

2. Затем цепь сокращаем на 1 атом углерода и этот атом присоединяем к какому-либо атому углерода цепи как ответвление от нее, исключая крайние положения:

  (2)    или     (3)

Если присоединить углеродный атом к одному из крайних положений, то химическое строение цепи не изменится:

Кроме того, нужно следить, чтобы не было повторов. Так, структура идентична структуре (2).

3. Когда все положения основной цепи исчерпаны, сокращаем цепь еще на 1 атом углерода:

Теперь в боковых ответвлениях разместятся 2 атома углерода. Здесь возможны следующие сочетания атомов:

  (4)    и     (5)

Боковой заместитель может состоять из 2-х или более последовательно соединенных атомов углерода, но для гексана изомеров с такими боковыми ответвлениями не существует, и структура
идентична структуре (3).

Боковой заместитель − С−С можно размещать только в цепи, содержащей не меньше 5-ти углеродных атомов и присоединять его можно только к 3-му и далее атому от конца цепи.

4. После построения углеродного скелета изомера необходимо дополнить все углеродные атомы в молекуле связями с водородом, учитывая, что углерод четырехвалентен.

Итак, составу С6Н14 соответствует 5 изомеров:

1)

2) СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3

    СН3

3) СН3-СН – СН – СН3

             СН3  СН3

4)

5)

4. Номенклатура

• Номенклатура органических соединений – система правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному веществу.

В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of the Pure and Applied Chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии).

Наряду с систематическими названиями используются также тривиальные (обыденные) названия, которые связаны с характерным свойством вещества, способом его получения, природным источником, областью применения и т.д., но не отражают его строения.

Для применения номенклатуры ИЮПАК необходимо знать названия и строение определенных фрагментов молекул – органических радикалов.

Радикалы в ряду алканов

Если от молекулы алкана "отнять" один атом водоpода, то обpазуется одновалентный "остаток" – углеводоpодный pадикал (R–).
Общее название одновалентных радикалов алканов – алкилы – обpазовано заменой суффикса -ан на -ил:
метан – метил, этан – этил, пpопан – пpопил и т.д.

Одновалентные pадикалы выpажаются общей фоpмулой СnН2n+1.

Двухвалентный радикал получается, если удалить из молекулы 2 атома водорода. Например, из метана можно образовать двухвалентный радикал –СН2– метилен. В названиях таких радикалов используется суффикс -илен.

Названия радикалов, особенно одновалентных, используются при образовании названий разветвленных алканов и других соединений. Такие радикалы можно рассматривать как составные части молекул, их конструкционные детали. Чтобы дать название соединению необходимо представить, из каких "деталей"-радикалов составлена его молекула.

Метану СН4 соответствует один одновалентный радикал метил СН3.

От этана С2Н6 можно произвести также только один радикал - этил − CH2− CH3 (или − C2H5).

Пропану СН3–СН2–СН3 соответствуют два изомерных радикала − С3Н7:

Радикалы подразделяются на первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, у какого атома углерода (первичного, вторичного или третичного) находится свободная валентность. По этому признаку н-пропил относится к первичным радикалам, а изопропил – к вторичным.

Двум алканам С4Н10 (н-бутан и изобутан) соответствует 4 одновалентных радикала –С4Н9:

от н-бутана производятся н-бутил (первичный радикал) и втор-бутил (вторичный радикал), - от изобутана – изобутил (первичный радикал) и трет-бутил (третичный радикал).

Правила построения названий алканов по систематической международной номенклатуре ИЮПАК 

1. Для простейших алканов (С1-С4) приняты тpивиальные названия:
   метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
2. Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов строят в соответствии с числом атомов углерода, используя греческие 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 углеводород с разветвленной цепью pассматpивают как пpодукт замещения атомов водорода в нормальном алкане углеводоpодными pадикалами.

Например, алкан

рассматривается как замещенный пентан, в котором два атома водорода замещены на радикалы –СН3 (метил).

Порядок построения названия разветвленного алкана

1. Выбрать в молекуле главную углеродную цепь. Во-первых, она должна быть самой длинной. Во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная.
   Например, в молекуле есть 2 цепи с одинаковым числом (7) атомов С (выделены цветом):

В случае (а) цепь имеет 1 заместитель, а в (б) – 2. Поэтому следует выбрать вариант (б).

2. Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы С, связанные с заместителями, получили возможно меньшие номера. Поэтому нумерацию начинают с ближайшего к ответвлению конца цепи. Например:

3. Назвать все радикалы (заместители), указав впереди цифры, обозначающие их местоположение в главной цепи. Если есть несколько одинаковых заместителей, то для каждого из них через запятую записывается цифра (местоположение), а их количество указывается приставками ди-, три-, тетра-, пента- и т.д. (например, 2,2-диметил или 2,3,3,5-тетраметил).
4. Названия всех заместителей расположить в алфавитном порядке (так установлено последними правилами ИЮПАК).
5. Назвать главную цепь углеродных атомов, т.е. соответствующий нормальный алкан.

Таким образом, в названии разветвленного алкана

корень+суффикс – название нормального алкана
(греч. числительное+суффикс "ан"),
приставки – цифры и названия углеводородных радикалов.

Пример построения названия:

5. Химические свойства алканов 

• Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.

Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С–Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов.

Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения .
Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей (см. в таблице значения дипольных моментов) предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы.
Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм.
Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4,
К2Сr2O7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.
Алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях.

Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.

В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы.
С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета.
По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления (дегидрирование алканов).
Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

5.1. Крекинг алканов 

• Крекинг – процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений 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).

Термический крекинг. При температуре 450–700 oС алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов. Например:

C6H14 C2H6 + C4H8 

Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:

Свободные радикалы очень активны. Один из них (например, этил) отщепляет атомарный водород Н∙ от другого (н-бутила) и превращается в алкан (этан). Другой радикал, став двухвалентным, превращается в алкен (бутен-1) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов:

При более высокой температуре (свыше 1000°С) происходит разрыв не только связей С–С, но и более прочных связей С–Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистый углерод) и водорода:   СН4 C + 2H2       Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г.

Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно оксидов алюминия и кремния) при температуре 500°С и атмосферном давлении. При этом наряду с разрывом молекул происходят реакции изомеризации и дегидрирования.
5.2. Изомеризация алканов

Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции 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:

Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).

5.3. Дегидрирование алканов 

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3, Fe2O3, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.

• Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.

1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены:

Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH2=CH-CH2-CH3.
В присутствии катализатора Cr2O3/Al2O3 при 450-650 °С из н-бутана получают также бутадиен-1,3 CH2=CH-CH=CH2.

2. 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.

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

• Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также 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.

3. При 1500 °С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:

Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена.

5.4. Реакции окисления алканов 

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

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KmnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция). Примеры:

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

5.5. Реакции замещения 

В молекулах алканов связи C-Н пространственно более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи C-C. В определенных условиях происходит разрыв именно С-Н-связей и осуществляется замена атомов водорода на другие атомы или группы атомов.

1. Галогенирование 

Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов. Реакция алканов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании.

Хлорирование метана:

При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х атомов водорода:

Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму, т.е. как цепь последовательных превращений с участием свободно-радикальных частиц.
В разработке теории цепных реакций большую роль сыграли труды академика, лауреата Нобелевской премии Н.Н. Семенова. 

Механизм радикального замещения (символ SR) на примере монохлорирования  метана:
Стадия 1 – зарождение цепи - появление в зоне реакции свободных радикалов. Под действием световой энергии гомолитически разрушается связь в молекуле Cl:Cl на два атома хлора с неспаренными электронами (свободные радикалы) ∙Cl:

Стадия 2 – рост (развитие) цепи. Свободные радикалы, взаимодействуя с молекулами, порождают новые радикалы и развивают цепь превращений:

(Реакция Cl∙ + CH4 CH3Cl + H∙ не идет, т.к. энергия атомарного
водорода H∙ значительно выше, чем метильного радикала ∙СН3).

Стадия 3 – обрыв цепи. Радикалы, соединяясь друг с другом, образуют молекулы и обрывают цепь превращений:

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:

2. Нитрование алканов (реакция Коновалова) 

На алканы действует pазбавленная азотная кислота пpи нагpевании и давлении. В pезультате пpоисходит замещение атома водоpода на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO2. Эту pеакцию называют pеакцией нитpования, а пpодукты pеакции – нитpосоединениями. 

Схема реакции:

При нитровании алканов также соблюдается порядок реакционной способности С-Н-связей, характерный для реакций радикального замещения:

Стрет.– Н   >   Свтор.– Н   >   Cперв.– Н

Например:

6. Получение алканов 

Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические методы.

1. Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.

2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):

4. Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:

5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:

(реакция Вюpца)

6. Из солей карбоновых кислот:

а) сплавление со щелочью (реакция Дюма) 

б) электролиз по Кольбе 

7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1.  Получение метана и изучение его свойств.

Оснащение: 

 Реактивы  —  ацетат  натрия  (безводный),  натрия  гидроксид

(кристаллический),    кальция  гидроксид  (кристаллический),  раствор  калия перманганата, раствор серной кислоты, бромная вода, вазелиновое масло.

Оборудование — спиртовки, пробирки, газоотводные трубки, спички, часовые стекла, фильтровальная бумага, стеклянные палочки.

Выполнение: Смешайте  на  листе  бумаги  стеклянной  палочкой  обезвоженный  ацетат натрия и натронную известь.

1.Каков химический состав взятых веществ? 

Соберите прибор как показано на рисунке 1.   

Засыпьте  в  пробирку  с  газоотводной  трубкой  приготовленную  смесь

ацетата натрия с натронной известью, лучше взять некоторый избыток. Сильно нагревая пробирку со смесью, соберите газ над водой.  

2. Растворим ли метан в воде? 

Выделяющийся  газ  пропустите  через  баритовую  воду  или  раствор

перманганата калия.  

3. Происходит ли химическая реакция? 

Подожгите выделяющийся газ у отверстия газоотводной трубки.

4. Каким пламенем горит метан? 

Напишите уравнения реакций получения и горения метана. Сделайте вывод из проделанного опыта о реакционной способности метана и предельных

углеводородов в целом.

Опыт 2. Доказательство предельности вазелинового масла.

Опыт № 3. Горение парафина.

Оснащенность:

приборы: фарфоровые чашки, лучина.

реактивы: парафин.

Выполнение: В  фарфоровую  чашку  поместите  кусочек  парафина  и  поднесите  к  нему зажженную  лучинку.  Горение  не  наблюдается.  Подогрейте  парафин  –  он плавится, закипает. Поднесите зажженную лучинку, пока парафин не загорится большим коптящим пламенем.

Запишите уравнение реакции и сделайте вывод.

III. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Задание 1.  Назовите все возможные изомеры для вещества состава С7Н16 с 5 атомами углерода в главной цепи.

Задание 2.  Напишите структурную формулу 2,6,6-триметил-3-этилгептана

Задание 3. Напишите уравнение реакции получения:

1) гексана реакцией Вюрца. Назовите исходные вещества.

2) метана из карбида алюминия

Задание 4. Напишите уравнения реакций:

1) Горения октана

2) Бромирования пропана.

Задание 5. Напишите формулы всех изомеров гексана и назовите их.

Проверь себя!

Задание 1.  

2,3-диметилпентан; 2,4-диметилпентан; 2,2-диметилпентан; 3,3-диметилпентан; 3-этилпентан

Задание 2. 

Задание 3.

1. 2С3Н7Сl  + 2Na  = C6H14  + 2NaCl   (1-хлорпропан)
2. 

Задание 4.

1. С8Н18  +  12,5 О2  =  8СО2  +  9Н2О
2. 

Задание 5.

1. н-Гексан 
2. 2-метилпентан       
3. 3-метилпентан   
4. 2,3-диметилбутан   
5. 2,2-диметилбутан     

Контрольные вопросы

1. Состав алканов отражает общая формула . . .

а) CnH2n     б) CnH2n+2     в) CnH2n-2     г) CnH2n-6    

2. Какие соединения относятся к гомологическому ряду метана: 

а) С2Н4     б) С3Н8     в) С4Н10     г) С5Н12     д) С7Н14 ?

3. Какие из представленных соединений являются структурными изомерами ?

4. Укажите названия углеводородных радикалов:

5. Назовите по систематической номенклатуре "изооктан" (стандарт моторного топлива с октановым числом 100):

6. С какими реагентами могут взаимодействовать алканы:

7. Какой галогеналкан нужен для получения 2,5-диметилгексана по реакции Вюрца без побочных продуктов?

8. Назовите соединения:

1.

2.

3. 

9. Составить формулы изомера и гомолога для  алкана  2,3,3 – триметилпентана, все вещества назвать.

10. Осуществить превращения по схеме, указать типы реакций, назвать вещества:

а) Al4C3 → CH4 → CH3Cl → C2H6 → CO2

б) CH4 → CH3I → C4H10 → C2H6

11. Назовите углеводороды

А) CH3-CH-CH2-CH2      Б) CH3-CH2-CH - CH - CH-CH3

                     │          │                              │      │      │        

                 CH2        CH3                         CH3   CH3  CH2-CH3

                  │  

               CH3

12. Составьте структурную формулу 2,3 – диметил- 4- этилнонана. Постройте для него структурные формулы 1 гомолога и 1 изомера.

13. Составьте молекулярные формулы углеводородов ряда метана, в молекулах которых содержатся:

        а) 12 атомов углерода;

        б) 17 атомов углерода;

        в) 30 атомов углерода.

14. Какие из веществ, формулы которых приведены ниже, относятся к алканам: С2Н4, С3Н8, С11Н24, С6Н6, С6Н14, С12Н24 , С8Н14, С9Н20.

15. Определите молекулярную массу алкана, в молекулах которого содержатся:

        а) 18 атомов углерода;

б) 28 атомов углерода.

16. Напишите структурные формулы следующих веществ:

        а) 2,3 – диметилпентана,

        б) 3 – метил – 3 – этилгептана,

                    в) 2,5 – диметилгексана.

17. Составьте структурные формулы изомерных алканов, содержащих третичные и четвертичные атомы углерода, если известно, что относительная молекулярная масса равна молекулярной массе карбоната кальция. Назовите все вещества.

18. Напишите структурные формулы 4 изомеров гептана, содержащих по одному третичному атому углерода. Дайте им названия.

19. Напишите уравнения реакций:

а) термического разложения этана (с образованием простых          веществ);

б) изомеризации н - бутана;

в) первой и второй стадии хлорирования этана;

г) горения пропана;

д) взаимодействие метана с парами воды с образованием синтез – газа;

е) дегидрирования этана.

20.  Допишите левые части уравнений реакций, укажите условия их протекания:

        а) →СН3 – СНВr – СН2 – СН3 + НВr;

        б) → СН3 – СН2 – СН3 + СН2 = СН – СН3;

        в) → НС = СН +  3Н2;

        г) → СН3 – СН2 – NО2 + Н2О.

21. Составить формулы веществ: а) 2,3,4-триметил 3-этилгексан; б) 1,2-динитропропан; в) 1,1-дихлор 2,2-дисульфобутан; г) 1,2-диметилциклопентан; д) циклооктан.

22.  Для вещества состава C6H14 составьте структурные формулы различных изомеров, назовите вещества.

Критерии оценки

Глоссарий

Алициклический – циклический, но проявляющий свойства соединений с открытой цепью, в отличие от ароматических соединений.

Алифатический – не содержит циклов.

Алкалоиды – природные амины, встречающиеся обычно в растениях.

Алкан – насыщенный углеводород с открытой цепью.

Алкен - ненасыщенный углеводород с открытой цепью,содержащий двойную связь углерод-углерод или, в более широком смысле, любое соединение с двойной углерод-углеродной связью.

Алкилирование – реакция введения алкильной группы в молекулу.

Алкин - ненасыщенный углеводород с открытой цепью, содержащий тройную связь углерод-углерод.

Арил – радикал, полученный из ароматического соединения в результате отщепления одного атома водорода из ароматического кольца.

Ароматический – термин, раньше относившийся к бензолу и его производным, а в настоящее время охватывающий все соединения, содержащие особенно устойчивые циклические системы с сопряженными связями.

Ахиральный – идентичный своему зеркальному изображению.

Вторичный атом углерода – атом углерода, связанный с двумя другими атомами углерода.

Вулканизация – процесс придания изготовленным из каучука изделиям необходимой прочности и эластичности путем введения в каучук серы.

Галогенирование – реакция замещения атома водорода на атом галогена (фтора, хлора, брома, йода).

Гетеролитический разрыв связи – расщепление молекулы с образованием ионов.

Гибридизация – математическая комбинация или смешивание орбиталей одного атома с образованием новых орбиталей с отличными геометрическими и энергетическими характеристиками.

Гомологи - соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга, например, на группу СН2.

Гомолитический распад – расщепление молекулы органического соединения, в процессе которого образуются две частицы, каждая из которых содержит на внешней оболочке один неспаренный электрон.

Гомологический ряд – ряд соединений, в котором каждое последующее соединение отличается от предыдущего соединения на одну метиленовую группу.

Гомоцепные полимеры – ВМС, основная цепь которых построена из одинаковых атомов (например, из атомов углерода) –карбоцепные полимеры.

Гетероцепные полимеры – ВМС, основная цепь которых построена из двух или большего числа разных элементов (углерода и кислорода, углерода и азота и т.д.).

Диен – молекула с двумя двойными углерод-углеродными связями.

Жир – сложный эфир глицерина и трех молекул жирной кислоты.

Жирная кислота – алифатическая карбоновая кислота, обычно имеющая неразветвленную цепь.

Заместитель – группа, входящая в молекулу вместо атома водорода или другой группы.

Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами.

Индуктивный эффект – электронный эффект, при котором под влиянием какой-либо группы имеет место перемещение электронной плотности по δ- связи.

Ионная полимеризация – полимеризация, протекающая с образованием либо иона карбония, либо карбаниона, с последующей передачей по цепи положительного или отрицательного заряда.

ИЮПАК – Международный союз чистой прикладной химии (IUPAC), который разработал и принял правила химической номенклатуры.

Карбанион – отрицательно заряженная частица с восемью электронами на атоме углерода.

Карбкатион – положительно заряженная частица с шестью электронами на атоме углерода.

Карбоксил – функциональная группа карбоновых кислот (RCOOH), состоящая из карбонильной группы, к атому углерода которой присоединена гидроксильная группа.

Карбонил –функциональная группа, состоящая из атома углерода и атома кислорода, связанных двойной связью (С=О).

Каучуки – эластичные высокомолекулярные материалы как природного происхождения (натуральный каучук), так и синтетические (бутадиеновый (СКБ), дивиниловый (СКД), нитрильный (СКН), изопреновый (СКИ)).

Кетон – карбонильное соединение, в котором углерод карбонильной группы связан с двумя другими атомами углерода.

Конденсированные циклы – два кольца, имеющих два общих атома.

Крекинг – процесс расщепления углеводородов с длинными цепями на молекулы меньшей длины, происходящий в присутствии катализаторов.

Льюиса кислота – любое соединение, способное присоединить пару электронов (акцептор электронов), принадлежащих атому или группе атомов, и образовать с ним комплементарную связь.

Льюиса основание – любое соединение, способное предоставить пару электронов (донор электронов) для образования ковалентной связи с кислотой Льюиса.

Мезомерный эффект – электронный эффект, при котором влияние заместителей на распределение электронной плотности передаётся по π-связям.

Мономер – молекула низкомолекулярного соединения, вступающего в полимеризацию.

Мутаротация – изменение во времени оптической активности растворов многих сахаров.

Мыло – соль жирной кислоты с длинной цепью.

Насыщенные соединения – соединения, содержащие только одинарные связи углерод – углерод.

Несыщенные соединения – соединения, содержащие одну или более двойных или тройных углерод – углеродных связей.

Нитрил – соединение, содержащие нитрильную группу (СN), связанную с углеродом.

Номенклатура – система названий.

Нормальный углеводород – углеводород, имеющий неразветвленную углеродную цепь.

Нуклеофил – основание Льюиса, которая осуществляет реакцию замещения, обычно у атома углерода.

Нуклеофильный реагент – реагент, который дает электронную пару для вновь возникающей связи.

Окисление – реакция, в которой происходит потеря электронов, присоединение кислорода или потеря атомов водорода.

Олигомеры – вещества, которые по молекулярной массе и свойствам занимают промежуточное положение между полимерами и мономерами (молекулярная масса от 500 до 5000).

Омыление – гидролиз сложного эфира водным раствором основания.

Орбиталь – математическое описание реального или возможного положения электрона в молекуле или атоме.

Пептидные связи- связи, образуемые в результате взаимодействия карбоксила одной аминокислоты с аминогруппой другой.

Ориентанты первого рода – заместители, обладающие положительным индуктивным эффектом или положительным мезомерным эффектом, но отрицательным индуктивным эффектом, способствующие электрофильному замещению в орто- и пара-положения бензольного кольца.

Ориентанты второго рода - заместители, обладающие отрицательным индуктивным эффектом или отрицательными как индуктивным, так и мезомерным эффектами, направляющие электрофильную частицу в мето-положение бензольного кольца.

Первичный атом углерода – атом углерода, связанный с одним атомом углерода.

Переходное состояние – структура с максимальной энергией, через которую должна пройти система реагирующей или реагирующих молекул при переходе от исходного вещества к конечному.

Полимеры – высокомолекулярные соединения (ВМС), отличающиеся от низкомолекулярных веществ большой молекулярной массой (свыше 5000 и вплоть до многих миллионов).

Поликонденсация – реакция образования ВМС, сопровождающаяся отщеплением простейших веществ: воды, спирта, аммиака, хлористого водорода и др.

Полиамидные смолы – синтетические ВМС, содержащие в основной цепи, подобно белкам, амидные (-CO-NH-) группы.

Поляриметр – прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованного света.

Простой эфир – соединение, образующееся из двух молекул спирта с отщеплением молекулы воды.

Рацемическая смесь – смесь эквимолярных количеств двух энантиомеров.

Реакции механизм – последовательность стадий, через которые проходит реакция, включая структурные особенности и энергетические характеристики промежуточных соединений и переходных состояний.

Реакции дегидрогенизации (дегидрирования) – реакции, протекающие при каталитическом отщеплении водорода.

Реакция этерификации – реакция образования сложного эфира из кислоты и спирта.

Рекомбинация – обрыв макроцепи вследствии соединения между собой свободных радикалов.

Сложный эфир – соединение, образующееся при реакции спирта с кислотой с отщеплением молекулы воды.

Сополимеризация – процесс совместной полимеризации двух или большего числа различных мономеров.

Сопряжение – чередующееся расположение двойных и простых связей, как в бутадиене-1,3.

Спирт – вещество, содержащее гидроксильную группу (-ОН) как единственную или основную функциональную группу; фенолы не относятся к классу спиртов.

Стереоизомеры – изомеры, имеющие одинаковую структурную формулу, но различающиеся расположением атомов в пространстве.

Стереохимия – наука, изучающая пространственное  строение молекул и влияние этого строения на химические и физические свойства соединений, на направление и скорость их реакций.

Тетраэдр – фигура, образованная четырьмя плоскими поверхностями. В правильном тетраэдре этими поверхностями являются равносторонние треугольники.

Третичный атом углерода – атом углерода, связанный с тремя другими атомами углерода.

Углевод - сахар или производное сахара.

Углеродный скелет – последовательность химически связанных между собой атомов углерода.

Фенол – вещество, содержащее гидроксильную группу, связанную с ароматическим кольцом.

Фенолоформальдегидные смолы – ВМС, образующиеся в результате реакции поликонденсации фенола с формальдегидом.

Функциональные группы – атомы или их группировки, во многом определяющие химические и физические свойства органических соединений.

Хиральный – не совместимый со своим зеркальным изображением.

Хлорирование – реакция замещения атома водорода на хлор.

Цепная реакция – цепь превращений исходных веществ в продукты реакции; при этом вещество, израсходованное на одной стадии, регенерируется на той же или последующей стадии, и, таким образом, реакция продолжается.

Циклоалкан – насыщенный циклический углеводород.

Четвертичный атом углерода – атом углерода , связанный с четырьмя другими атомами углерода.

Электрофильный реагент - реагент, который принимает  электронную пару для вновь возникающей связи.

Электронные эффекты – эффекты, при которых под влиянием заместителей в молекуле смещается электронная плотность.

Элиминирование – образование двойной связи из простой или тройной связи из двойной в результате отрыва двух групп от рассматриваемых атомов; реакция отщепления.

Энантиомеры – молекулы, являющиеся зеркальными изображениями друг друга и не совместимые друг с другом.

Приложение 1

ПАМЯТКА СТУДЕНТУ

При выполнении опыта студент обязан:

1. Предварительно  подробно  ознакомиться  с  теоретическим  материалом  и    хорошо  понять  химизм  процессов,  которые  предстоит  изучить  на практике.
2. Внимательно  прочитать  в  методическом  руководстве  инструкцию  к выполнению данного опыта и продумать последовательность операций.
3. Выполнить  опыт,  соблюдая  все  меры  предосторожности, последовательность  операций,  количественные  соотношения  веществ, проводя нужные наблюдения.
4. Записать результаты опыта в дневник по схеме:

5. После окончания работы привести в порядок рабочее место и сдать его лаборанту или преподавателю.

Список литературы: 

1. Габриелян О.С., Химия. -11, «Дрофа», 2005 г

2. Гитис С.С. Практикум по органической химии. – М.: «Высшая школа»,  

    1999 г.

3. Органическая химия./под ред. Н.А. Тюкавкиной. – М.: «ГЭОТАР Медиа»,

    2010 г.

4.Пустовалова Л.М., Органическая химия. СПО. – Ростов-на-Дону «Феникс»,

   2005 г.

5. Хомченко И.Г. «Общая химия», 2-е издание, М.: новая волна, 2010.

Интернет ресурсы:

1. http://www.chemistry

2. http://www.xumuk.ru

3. http://www.hemi.nsu.ru

4. http://www.chemistry.narod.ru

5. http://him.1september.ru