Готовимся к ЕГЭ. Алканы
статья по химии (11 класс) по теме

Готовимся к ЕГЭ.Алканы.

АЛКАНЫ (предельные углеводороды, парафины)

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи,  с общей формулой CnH2n+2, где n ≥1.

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

Гомологический ряд алканов

Алканы, имея общую формулу 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.

1. CH4– первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);
2. CH3-CH3 или СН3-СН3– этан (2 атома С);
3. CH3-CH2-CH3 или СН3-СН2-СН3  – пропан (3 атома С);
4. CH3-CH2-CH2-CH3 или СН3-СН2-СН2-СН3 – 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 свойствами.  С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана  в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов: повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями. Алканы от 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.

Строение алканов

В алканах имеются два типа химических связей:

С–С и С–Н.

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

Все атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp3-гибридизации.

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.

Изомерия алканов

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

Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии (изомерии углеродного скелета). В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С4Н10. Например, алкан состава C4H10 может существовать в виде двух структурных изомеров:

СН3–СН2–СН2–СН3(бутан) и СН3–СН(СН3)–СН3 (2-метилпропан).

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

Химические свойства алканов

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

I. Реакции замещения 

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

1) Галогенирование

Галогенирование алканов – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Продукты реакции называют галогеналканами или галогенопроизводными алканов R-Cl или Сn H2n+1 – Cl.

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

Хлорирование метана:

CH4 + Cl2 hν → CH3Cl + HCl (1 стадия)

(hν  - квант света; CH3Cl  - хлорметан)

При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше:

CH3Cl + Cl2 hν → CH2Cl2 + HCl (2 стадия)

(CH2Cl2 – дихлорметан)

СH2Cl2 + Cl2 hν → CHCl3 + HCl (3 стадия)

(CHCl3 – трихлорметан или хлороформ)

CHCl3 + Cl2 hν → CCl4 + HCl (4 стадия)

(CCl4 – тетрахлорметан)

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

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

CH3 –CH2 –Cl + Cl2 hν → CH3 – CHCl2 + HCl

(CH3 – CHCl2 – 1,1-дихлорэтан)

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

С фтором реакция идёт со взрывом.

2) Нитрование  (реакция Коновалова)

Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании  до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой NO2. Пpодукты pеакции – нитpоалканы R-NO2  или Сn H2n+1– NO2.

Схема реакции:

CH4 + HNO3t˚С ,Р→ CH3NO2+ H2O  (при нитровании метана получается нитрометан).

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

3) Сульфирование

Серная кислота при обыкновенной температуре не действует на алканы, а при слабом нагревании концентрированная серная кислота может действовать на предельные углеводороды приводя к замещению атома водорода  на сульфогруппу SO3H

II. Реакции окисления алканов 

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KMnO4 и т.п.).

1) При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2 и воды. Горение углеводородов сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O+ Q

C5H12 + 8O2 →5CO2 + 6H2O + Q

Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО2. Тогда образуются продукты частичного окисления: угарный газ СО,
сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.

Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

2CH4 + 3O2→2CO +4H2O

CH4 + O2→C +2H2O

2) Каталитическое окисление кислородом воздуха.

Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С-С и С-Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов.

 2CH4 + O2→2CH3OH (CH3OH - метанол )

CH4 + O2→HCOH +H2O (HCOH - метаналь )

2CH4 + 3O2→2HCOOH +2H2O (HCOOH – метановая кислота)

При неполном окислении бутана получают уксусную кислоту:

2C4H10+ 5O2→4СH3COOH +2H2O

III.Термические превращения алканов

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

Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности.
Для осуществления этого процесса используются два способа: термический крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более умеренное нагревание в присутствии катализатора).

C10H22 t°С → C5H12 + C5H10

2) Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Cr2O3, Al2O3) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.

3)Изомеризация алканов.

Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.

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

4) Реакция дегидроциклизации или ароматизации

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

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

5)Термическое разложение до простых веществ

CH4   t → C + 2H2 

6) Пиролиз метана.

При 1500 °С происходит межмолекулярное дегидрирование метана

с образованием  ацетилена:

2CH4 1500°С → C2H2 + 3H2 

Данная реакция используется для промышленного получения ацетилена.

IV.Конверсия метана

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

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

Получение алканов

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

 Используются также синтетические методы.

1. Крекинг алканов (промышленный способ)

2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

CnH2n+ H2 t˚С, Ni или Pd → CnH2n+2 

H3C- CH=CH2+H2 H3C-CH2-CH3

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

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

5. Реакция Вюpца.

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

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

Например:

Кроме пропана C3H8 образуются бутан C4H10 (из 2-х молекул C2H5Br) и этан C2H6 (из 2-х молекул CH3Br).

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

или в общем виде
R-COONa + NaOH  R-H + Na2CO3

7. Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

8. Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании алканы  нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.

н-алкан AlCl3, t°С → изоалкан

CH3-CH2-CH-CH3  → CH3-CH(CH3)-CH3 

9. Разложение карбида алюминия  водой:

Применение алканов

Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

5. Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива.
6. Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей.
7. Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике.
8. Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине.
9. Паpафин (смесь твеpдых алканов С19-С35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (т.пл. 50-70 °C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине. Служит сырьём при получении органических кислот и спиртов, моющих средств и поверхностно-активных веществ.
10. Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти.
11. Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.
12. В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.

Источники

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