лекция "Алканы", 10 класс (профильный уровень)
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

Параграф №11

АЛКАНЫ - это углеводороды с общей формулой Сп Н2п + 2  в молекулах которых между атомами углерода имеются только одинарные (сигма) связи.

Конспект по плану:

1. Строение
2. Гомологический ряд
3. Номенклатура и изомерия
4. Получение
5. Физические св-ва
6. Хим св-ва

• Р-ция замещения

• Галогенирование
• Нитрование (р Коновалова)

• Р-ция отщепления

• Дегидрирование
• ароматизация

• р-ция окисления

• горение
• каталитическое окисление

• разрушение углеродной цепи

• изомеризация
• крекинг

7. Применение
8. Выполнить дом задание:

• С. 83 № 4-8
• Хомченко «Сборник задач и упражнений» с.172 № 16.1, 16.2, 16.4-16.6, 16.8-16.10.

Параграф №11

АЛКАНЫ - это углеводороды с общей формулой Сп Н2п + 2  в молекулах которых между атомами углерода имеются только одинарные (сигма) связи.

Конспект по плану:

1. Строение
2. Гомологический ряд
3. Номенклатура и изомерия
4. Получение
5. Физические св-ва
6. Хим св-ва

• Р-ция замещения

• Галогенирование
• Нитрование (р Коновалова)

• Р-ция отщепления

• Дегидрирование
• ароматизация

• р-ция окисления

• горение
• каталитическое окисление

• разрушение углеродной цепи

• изомеризация
• крекинг

7. Применение
8. Выполнить дом задание:

• С. 83 № 4-8
• Хомченко «Сборник задач и упражнений» с.172 № 16.1, 16.2, 16.4-16.6, 16.8-16.10.

ПРАВИЛА НОМЕНКЛАТУРЫ АЛКАНОВ

Для того, чтобы составить название алкана по его структурной формуле необходимо:

1. Выбрать самую длинную углеродную цепь;
2. Пронумеровать ее с того конца, к которому ближе разветвление;
3. Указать номера атомов углерода у которых содержатся заместители, если их несколько, то их располагают в порядке старшинства. Если заместителей несколько, но они одинаковые, то их число указывается греческими числительными ( 2 - ди, 3 - три, 4 - тетра, 5 - пента   и т.д.
4. Назвать главную углеродную  цепь.

1          2           3          4          5         6

С         С          С          С         С        С

                          СН3     СН3               С7

В данном примере главная цепь выделена красным цветом, а заместители - зеленым. Заместителями являются радикалы метилы и их два. Исходя из вышеуказанных правил данный алкан следует назвать так

3,4 - диметилгептан.

И конечно у атомов углерода в главной цепи необходимо расставить недостающие атомы водорода (сделайте это самостоятельно) помня о том, что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен.

        Составление формулы алкана по его названию идет в обратном порядке. Сначала изображают главную цепь и нумеруют ее (как удобно, но лучше слева направо). Затем расставляют заместители к тем атомам углерода, которые указаны в названии. В конце к атомам углерода в главной цепи дописывают недостающие атомы водорода.

        Названия алканов нормального строения производятся от греческих числительных с добавлением суффикса "ан". Первые четыре представителя ряда алканов имеют тривиальные названия (см. таблицу №1).

Гомологический ряд алканов (первые десять представителей).

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЛКАНОВ

        Простейшим представителем ряда алканов является метан. В молекулах алканов атом углерода находится в состоянии sp3 - гибридизации. Данный факт позволяет предположить, что их молекулы имеют объемное строение. Молекула метана, например, как экспериментально установлено имеет тетраэдрическую форму. Гибридные орбитали валентных электронов атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, где они перекрываются с электронными облаками атомов водорода, образуя прочные и одинаковые по свойствам химические связи. Взаимное отталкивание имеющих одинаковый объем и заряд электронных облаков приводит к их симметричному расположению в пространстве под тетраэдрическими углами 109 о 28/  (рис. 1а).

Рисунок 1а "Схема образования связей в молекуле метана"

       В молекулах алканов с большим числом углеродных атомов атомы углерода в цепи расположены не по прямой линии, как в структурных формулах, а зигзагообразно. Причина этого в тетраэдрическом направлении валентных связей атомов углерода.

        Зигзагообразная цепь атомов углерода, особенно в длинноцепочечных молекулах, может принимать различные пространственные формы. Это связано с тем, что атомы в молекуле могут относительно свободно вращаться вокруг химических  (С-С) связей (рис.1б). Такое свободное вращение существует в молекулах как проявление теплового движения. Различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путем вращения вокруг простых связей, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).

"Конформационные изменения молекулы н-пентана

При этом не происходит изменения длин связей и величин валентных углов.

        В молекулах алканов имеются только одинарные  - связи. Все четыре валентности атома углерода в молекулах алканов полностью, т.е. до предела, насыщены атомами углерода и водорода. Между атомами углерода отсутствуют  кратные связи. Отсюда происходят другие названия этих углеводородов - насыщенные или предельные.

Изомерия.

        Для алканов, как и для всех органических соединений характерно явление изомерии. Число изомеров для представителей гомологического ряда алканов растет с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Характерным видом изомерии алканов является структурная изомерия (изомерия углеродного скелета), то есть существуют алканы как с линейной, так и разветвленными углеродными цепями.

        В зависимости от положения в углеродной цепи атом углерода может быть первичным (если углерод затрачивает одну валентность на связь с другим углеродным атомом, вторичным (если он соединен с двумя другими углеродными атомами), третичным (в случае его связи с тремя другими атомами углерода) и четвертичным (если он связан с четырьмя атомами углерода).

На данной схеме первичные атомы углерода обведены в кружок, вторичный - в пунктирный квадрат, третичный - в  квадрат  и четвертичный в пунктирный кружок.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

        Первые четыре представителя ряда алканов - это газы, начиная с пентана - жидкости, а углеводороды с числом атомов углерода выше 16 при обычной температуре представляют собой твердые вещества. Углеводороды с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем соответствующие им соединения нормального строения, а температура плавления, наоборот, выше у изомеров с разветвленной цепью.

        Предельные углеводороды - соединения неполярные. Они легче воды и практически нерастворимы в ней, однако, они способны растворяться в большинстве органических растворителей, в том числе и друг в друге. Жидкие алканы сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Газообразные и твердые алканы не имеют запаха, жидкие алканы обладают характерным "бензиновым" запахом.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

        В молекулах предельных углеводородов все атомы связаны друг с другом прочными    - связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому предельные углеводороды не могут вступать в реакции присоединения. В обычных условиях алканы химически инертны. На них не действуют щелочи, кислоты, сильные окислители, щелочные металлы. По этой причине одно из названий алканов - парафины ( от лат. parum affinis - малое сродство).

        В химические реакции алканы вступают только при сообщении им достаточно большого количества энергии. Это может происходить при нагревании или УФ - облучении. Характер разрыва связей может быть различным в зависимости от условий протекания реакции. Может произойти разрыв С-Н связи и последующая замена атома водорода на другой атом или группу атомов или же разрыв С-С связи. Эти связи обладают незначительной полярностью, поэтому при их разрыве образуются не ионы, а радикалы, т.е. идет разрыв связей по гомолитическому механизму.

        Реакции замещения алканов, протекающие с разрывом С-Н связей:

1. Галогенирование (действие галогенов). Является важнейшей реакцией характерной для галогенов. Эта реакция протекает на свету или при нагревании. Как было доказано академиком Н.Н.Семеновым, эта реакция носит радикально-цепной характер, то есть идет через образование свободных радикалов.

Известно, что сущность химической реакции заключается в разрыве старых химических связей и образовании новых связей. В первую очередь будут разрываться менее прочные связи. В случае, например, хлорирования в первую очередь будет происходить разрыв связи в молекуле хлора (Cl-Cl). Для разрыва ее связи достаточна энергия кванта света, поглощаемого молекулой.

                        Cl   :   Cl      hv       Cl .      +       Cl .

Образовавшиеся атомы хлора имеют на внешнем электронном слое по одному неспаренному электрону, т.е. являются свободными радикалами, которые обладают очень высокой химической активностью. При сближении такого радикала с молекулой метана, он вырывает из нее атом водорода с одним электроном, образуя хлороводород, а молекула метана превращается в свободный радикал. Этот новый радикал существует в свободном состоянии очень короткое время, за которое он взаимодействует с другой молекулой хлора, образуя молекулу  хлорметана:

        Н                                                    H

 Н     С     +   Cl      Cl         Н    С     Сl     +   Cl                                        

              Н                                                     H

        Вновь образовавшийся атом хлора взаимодействует со следующей молекулой метана, образуя еще раз хлороводород и радикал метил. Данный процесс может продолжаться до тех пор, пока не будут израсходованы реагенты или не исчезнут свободные радикалы, что может наступить, например, при их  соединении друг с другом.

        Подобные реакции, которые представляют собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. Они протекают по свободнорадикальному механизму

                                               hv

1)  СН3      СН3      +     Сl2            CH2Cl       CH3      +      HCl

                                                                  hv

     2)         CH3             CH         CH3     +     Br2           CH3        CBr       CH3    +      HBr

                          CH3                                                             CH3        

Реакция замещения атома водорода в молекулах алканов подчиняется определенным закономерностям. В первую очередь замещения протекает у наименее гидрированного атома углерода (см. пример №2).        

2. Нитрование (Реакция Коновалова). При обычной температуре предельные углеводороды устойчивы к действию концентрированной азотной кислоты и практически с ней не взаимодействуют. При нагревании эта кислота действует как окислитель. Эта реакция была впервые осуществлена в 1888 году М.И.Коноваловым при действии на алканы разбавленной азотной кислотой при нагревании = 140о С. Реакция нитрования приводит к образованию нитросоединений и ее протекание идет согласно "правила замещения".

NO2

 CH3      CH        CH3     +     HNO3            CH3       C        CH3    +  H2O

                        CH3                                                            CH3

Реакции окисления алканов.

1. Горение. При обычных температурах алканы устойчивы к действию кислорода воздуха. Однако, при поджигании они горят с образованием углекислого газа и воды.  Характер горения зависит от числа углеродных атомов в молекуле углеводорода. С увеличением их числа яркость пламени повышается. Это происходит вследствие неполного сгорания углеродных частиц, которые, раскаляясь, придают соответствующий цвет пламени. Высшие алканы при горении могут сильно коптить, выделяя сажу (чистый углерод).

CnH2n+2    +     O2                     CO2      +      H2O

        Когда горят газообразные вещества, они хорошо смешиваются с воздухом и поэтому обычно сгорают полностью. При горении, например, расплавленного парафина кислорода для окисления всего углерода не хватает, и он выделяется в свободном виде. Реакция горения сильно экзотермична, что находит практическое применение в промышленности и быту.

        2. Каталитическое окисление алканов.

                Кроме реакции окисления происходящей при сгорании алканов в промышленности широко применяется каталитическое окисление алканов в результате которого получаются разнообразные кислородосодержащие соединения: спирты, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны и т. п. Данный процесс можно изобразить следующей схемой:

        Алкан                  Гидропероксид                  Спирт             Альдегид

Реакции разложения алканов (пиролиз)

        При сильном нагревании без доступа воздуха происходит полное разложение алканов на простые вещества.

                             t

                CH4                C    +    2H2

ПОЛУЧЕНИЕ АЛКАНОВ

Так как алканы довольно широко распространены в природе, то в синтетических методах их получения необходимость возникает очень редко. В основном их выделяют из различных природных источников (газ, нефть, уголь, горный воск, древесина). Однако, в этом случае иногда бывает трудно выделить индивидуальное вещество и тогда используют синтетические методы.

1. Синтез Вюрца. Этот метод позволяет получать предельные углеводороды с большим числом атомов углерода в цепи по сравнению с исходным.  Реакция заключается во взаимодействии моногалогенопроизводных алканов с металлическим натрием.

  CH3        I

                         +      2Na                CH3        CH3    +   2NaI

  CH3          I

2. Синтез Вюрца - Гриньяра. Реакция по своей сути аналогичная предыдущей, но отличается тем, что ее удобно использовать, если в реакцию вводят разнородные галогеналкилы.

 Первая стадия ее заключается в получении реактива Гриньяра.

Вторая- во взаимодействии полученного реактива с галогеналкилом.

   1)  CH3          Cl      +     Mg  эфир      CH3      Mg     Cl

   2)   CH3     Mg   Cl    +   C2H5     Cl           CH3     C2H5 +MgCl2 

3.Реакция Дюма. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами, например:

CH3       COONa  +   NaO H              CH4  +   Na2CO3

Алканы могут быть получены и синтетически, при нагревании порошкообразного углерода с водородом в присутствии катализатора - никеля. При этом образуются метан и другие углеводороды. Эта реакция требует очень жестких условий и практически не используется. Однако, в перспективе при исчерпании природных месторождений нефти и газа эта реакция сможет найти практическое применение.

        Интересным и перспективным источником получения метана может стать биотехнологический процесс его образования при помощи микроорганизмов. Компактные установки по производству биогаза имеются уже во многих странах. Сырьем для производства газа могут служить пищевые отходы, отходы с животноводческих ферм, то есть дешевое и доступное сырье.

ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ. АЛКАНЫ В ПРИРОДЕ.

          Ввиду того, что алканы (особенно газообразные) имеют высокую теплоту сгорания, все они применяются в качестве высококалорийного топлива, как в быту, так и в промышленности. Жидкие углеводороды находят применение в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания в автомобилях, самолетах и т.п.

        Другой, весьма важной сферой применения алканов является их использование в качестве химического сырья. При пиролизе метана, например, образуются водород необходимый для синтеза аммиака и сажа. Реакция окисления алканов  приводит к образованию широкого спектра кислородосодержащих соединений. Например, при окислении бутана образуется уксусная кислота.

        Жидкие алканы широко используются в качестве растворителей жиров, природных смол, каучука. Битумы, получаемые при перегонке нефти и мазута, при смешивании их с тонкоизмельченными материалами дают асфальтобетон - искусственный асфальт. На основе битума производят кровельные гидроизоляционные материалы (толь, рубероид).  Вазелин, получаемый при глубокой переработке нефти, используется в медицине. Из высших парафинов изготавливают различные свечи.

        Предельные углеводороды распространены в природе довольно широко. В недрах Земли содержаться  огромные запасы газа. Природный газ содержит в основном метан, а в качестве примесей этан, пропан и др. Попутный нефтяной газ отличается пониженным содержанием  метана, но содержит больше его гомологов. Высшие алканы входят в состав нефти. Состав нефти из разных месторождений непостоянен. Метан может образовываться при гниении растительных остатков на дне болот, откуда происходит одно из его названий - болотный газ.

        Метан содержится в атмосфере планет-гигантов (Сатурн, Юпитер), а также в атмосфере их спутников, например, Титана.

        Твердые углеводороды иногда образуют залежи минерала, получившего название "горный воск" или озокерит. Его месторождения встречаются в горах Тянь-Шаня и Памира.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ ДЛЯ ПРОРАБОТКИ ТЕМЫ.

1. Какие углеводороды называются алканами?
2. Охарактеризуйте строение молекулы метана.
3. Почему углеводородная цепь имеет зигзагообразную форму?
4. В чем заключается причина существования конформеров?
5. Как скажется на пространственной структуре молекулы метана замена одного атома водорода на атом хлора? Мотивируйте ответ.
6. Охарактеризуйте важнейшие физические свойства алканов. В чем вы видите причину закономерных изменений температур плавления и кипения алканов?
7. Какой тип реакций характерен для алканов? Перечислите важнейшие химические свойства алканов, проиллюстрировав их уравнениями реакций.
8. Опишите важнейшие сферы применения алканов.

9. Составьте формулы:

• 2, 3 диметилоктана;
• 3 этилгептана;
• 3 метил- 4 этилгексана;
• 2 хлор 2 метилбутана;
• 3 бромгексана;
• 2 нитропентана.

10. Назовите вещества:

    СН3

СН3                  СН                 СН         СН3                           СН3               СН                 СН2       СН3

                СН3                                                                                        Br

   СН3                СН             СН2            СН                  СН2        СН2              СН3

                     СН3                                СН3

СН3                    СН            СН2               CH          СН3

                        CH3                                   NO2

11. Закончите уравнения реакций:

CH3    CH2    COONa      +      NaOH

     2CH3    CH2     Br     +    2Na

     CH3     Mg     Cl     +     CH3      (CH2)2   Cl

12. Составьте уравнения реакций получения:

• пропана по реакции Дюма;
• гексана по реакции Вюрца;
• пентана по реакции Вюрца - Гриньяра.

13. Составьте уравнения реакций к схемам:

-  пропан           бутан;

-   бутан              октан.  

14. Составьте уравнения реакций взаимодействия:

• пропана с бромом;
• 2 метилбутана с хлором;
• 3 метилгексана  с хлором;
• горения этана;
• горения пропана;
• пентана с азотной кислотой.

15. Составьте уравнения реакций получения:

• 2 бром 2 метилпентана;
• 3,3 дихлоргексана;
• 3 нитрогептана.

16. Составьте  уравнения реакций к схеме:

                Пропан                         бутан                           1 бромбутан            +  Мg(эфир)                     Х

           1 хлорпропан   +  Na                              Y     + HNO                 Z