Alkane ihre Struktur und Eigenschaften. Was sind Alkane: Struktur und chemische Eigenschaften
Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe, Paraffine) - gesättigte Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome nur durch -Bindungen verbunden sind.
Die allgemeine Formel von Alkanen lautet Mit n H. 2 n +2 .
In Alkanmolekülen befinden sich Kohlenstoffatome im sp 3 -Hybridzustand und jedes von ihnen bildet 4 связи-Bindungen mit Kohlenstoff- und (oder) Wasserstoffatomen. Der Zustand der sp 3 -Hybridisierung ist durch die tetraedrische Konfiguration des Kohlenstoffatoms gekennzeichnet.
Natürliche Quellen
Natürliche Alkanquellen sind Öl, damit verbundene Erdölgase und Erdgas.
Von größter Bedeutung ist Öl. Öl ist eine komplexe Mischung aus organischen Verbindungen, hauptsächlich Kohlenwasserstoffen. Es enthält auch eine geringe Menge an Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefelverbindungen. Je nach Ölfeld kann die Kohlenwasserstoffzusammensetzung sowohl durch Alkane als auch durch andere Kohlenwasserstoffgruppen dargestellt werden. Öl wird als Brennstoff und wertvoller Rohstoff für die chemische Industrie verwendet.
Derzeit gibt es verschiedene Methoden zur industriellen Ölraffinierung.
Destillation Dies ist eine physikalische Methode zum Raffinieren von Öl. Erdölkohlenwasserstoffe unterscheiden sich in Molekulargewichten und damit in Siedepunkten. Daher kann Öl durch einfache Destillation in eine Anzahl von Fraktionen unterteilt werden, die sich in ihren Siedepunkten unterscheiden. Auf diese Weise erhalten Sie Petrolether (bis zu 60 ° C; C 5 –C 6); Flugbenzin (60–180 ° С; С 6 –С 10); Benzin (bis zu 200 ° C; 11 –C 12); Kerosin und Düsentreibstoff (175–280 ° C; 7–14); Dieselkraftstoff (200–350 ° C; 13 ° C 18). Eine Fraktion mit einem Siedepunkt über 360 ° C wird als Heizöl (C 18 –C 25) bezeichnet. Eine Fraktion, die C 25 -Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffe mit höherem Molekulargewicht enthält, wird nicht destilliert; Es produziert Schweröle, Vaseline und Paraffin.
Katalytisches Cracken. Im Gegensatz zur Destillation ist das Cracken (aus dem Englischen. Cracken - Spalten) ein Prozess der chemischen Verarbeitung von Öl, bei dem höhere Kohlenwasserstoffe gespalten und wertvollere Niederalkane erhalten werden, die beispielsweise einen Teil des Benzins usw. ausmachen. Beim Erhitzen von Öl auf eine Temperatur von 500 ° C in Gegenwart von Aluminosilikatkatalysatoren (Aluminiumoxid Al 2 O 3 auf Kieselgel SiO 2) bindungen zwischen Kohlenstoffatomen in der Kette werden aufgebrochen und Alkane mit einer geringeren Anzahl von Kohlenstoffatomen (C 5 –C 10) und einer verzweigten Kette gebildet.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (bis zu 95%) mit einer kleinen Beimischung von Ethan und Propan. Assoziiertes Erdölgas enthält neben Methan eine erhebliche Menge Ethan, Propan, Butan. Erd- und Erdölgase werden als kalorienreiche Brennstoffe sowie als Rohstoffe für eine Reihe großer chemischer Industrien verwendet. Methan ist die Rohstoffbasis der wichtigsten chemischen Prozesse zur Herstellung von Kohlenstoff und Wasserstoff, Acetylen, sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen - Alkoholen, Aldehyden, Säuren.
Der durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) von Methan (1) erhaltene fein dispergierte Kohlenstoff (Ruß) wird als Füllstoff bei der Herstellung von Kautschuk und Druckfarben verwendet. Wasserstoff wird in verschiedenen Synthesen verwendet, einschließlich der Synthese von Ammoniak. Beim Hochtemperaturcracken von Methan (2) entsteht Acetylen. Die erforderliche hohe Temperatur (1400–1600 ° C) wird durch einen Lichtbogen erzeugt. Eine leichte Oxidation von Methan durch Luftsauerstoff in Gegenwart von Katalysatoren (3) ergibt Substanzen, die für die organische Synthese und die Kunststoffherstellung wertvoll sind: Methylalkohol, Formaldehyd, Ameisensäure.
CH 4 C + 2H 2 (1)
2CH 4 
НССН + 3Н 2 (2)
Produktionsmethoden
Die wichtigsten Synthesemethoden zur Gewinnung:
1. Hydrierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
CH 3 -CH \u003d CH-CH 3 + H 2 
CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3
buten-2-butan
(Der Katalysator ist Nickel, Platin oder Palladium).
2. Herstellung aus halogenierten Derivaten (Reaktion von S. A. Wurz, 1854).
2CH 3 I + 2Na CH 3 –CH 3 + 2NaI.
Iodmethanethan
3. Herstellung aus Carbonsäuresalzen (Labormethode).
CH 3 COONa (tv) + NaOH (tv). 
CH 4 + Na 2 CO 3.
Natriumacetatmethan
Bei diesen Reaktionen wird in der Regel nicht reines Natriumhydroxid verwendet, sondern dessen Mischung mit Calciumhydroxid, genannt limonade . Die Ausgangsmaterialien werden vorab kalziniert.
4. Direkte Synthese aus Kohlenstoff und Wasserstoff.
Bei einem in einer Wasserstoffatmosphäre brennenden Lichtbogen entsteht eine erhebliche Menge Methan:
C + 2H 2 CH 4.
Die gleiche Reaktion findet bei einer Temperatur von 400–500 ° C, einem Druck von etwa 30 MPa und in Gegenwart eines Katalysators statt - Eisen oder Mangan. Diese Reaktion ist von großer praktischer Bedeutung, um ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und synthetischem Benzin zu erhalten.
5. Synthesegasproduktion.
nCO + (2n + 1) H 2 
C n H 2n + 2 + nH 2 O.
synthesegas
Physikalische Eigenschaften
Unter normalen Bedingungen (bei 25 ° C und Atmosphärendruck) sind die ersten vier Mitglieder der homologen Reihe von Alkanen (C 1 - C 4) Gase. Normale Alkane von Pentan bis Heptadecan (C 5 - C 17) sind Flüssigkeiten ab C 18 und höher sind Feststoffe. Wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kette zunimmt, d.h. Mit zunehmendem relativen Molekulargewicht steigen die Siede- und Schmelzpunkte von Alkanen. Bei gleicher Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül haben verzweigte Alkane niedrigere Siedepunkte als normale Alkane.
Alkane sind in Wasser praktisch unlöslich, da ihre Moleküle nicht polar sind und nicht mit Wassermolekülen interagieren. Flüssige Alkane mischen sich leicht miteinander. Sie lösen sich gut in unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Tetrachlorkohlenstoff (Tetrachlorkohlenstoff), Diethylether usw.
Chemische Eigenschaften
Chemisch gesehen sind Alkane inaktiv, für die sie Paraffine genannt wurden (von lat. parum affinis - der Affinität beraubt). Dies ist auf die Stärke der связей-Bindungen zurückzuführen, deren Stabilität auf die geringe Größe des C-Atoms und seine tetraedrische Konfiguration zurückzuführen ist, die zur maximalen Konzentration der Elektronendichte zwischen den Atomkernen beiträgt. Die -C-H-Bindung ist aufgrund der Nähe der Elektronegativität der C- und H-Atome schlecht polarisiert. Aufgrund dessen sind Alkane niedrigpolare Substanzen und kaum polarisiert. Sie werden nicht durch Säuren, Laugen, gewöhnliche Oxidationsmittel (z. B. KMnO 4) und Metalle beeinflusst.
Für Alkane ist ein homolytisches (radikalisches) Aufbrechen der Bindung möglich, wobei H-Atomsubstitution, Kohlenstoffgerüstspaltung (Cracken) und Oxidation (teilweise oder vollständig) auftreten.
1. Substitutionsreaktionen.
– Chlorierung.
Als Beispiel für Substitutionsreaktionen betrachten wir die Methanchlorierungsreaktion, die sich auf Kettenradikalreaktionen bezieht. Der Prozess läuft im Licht oder beim Erhitzen (bis zu 250-400 ° C) kräftig ab. Die erste Stufe heißt der Ursprungoder initiierenKetten:
(Unter dem Einfluss der Energie von Lichtquanten oder hoher Temperatur werden einige Chlormoleküle homolytisch in 2 Atome mit ungepaarten Elektronen - freien Radikalen - gespalten).
Cl + CH 4 Hcl + CH 3 (Methyl); CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl usw.
Unterbrechung tritt auf, wenn zwei freie Radikale kollidieren; In diesem Fall können sich C 2 H 6 -, CH 3 Cl, Cl 2 -Moleküle bilden.
Wenn andere Alkane chloriert werden, ist die Substitution am einfachsten am tertiären Kohlenstoffatom (dem Atom, das 3 Valenzen für die CC-Bindung ausgibt), dann am sekundären und nicht zuletzt am primären. Bei der Bildung polyhalogenierter Verbindungen ersetzen Chloratome überwiegend Wasserstoffatome an denselben oder benachbarten Kohlenstoffatomen. - - Muster V.V. Markovnikova.
– Nitrierung (Reaktion von M. I. Konovalov, 1888).
Die Reaktion wird mit 10% iger Salpetersäure bei einer Temperatur von etwa 140ºC und einem leichten Druck durchgeführt.
2. Oxidation.
In der Industrie werden Alkane mit Luftsauerstoff an Mangankatalysatoren bei einer Temperatur von etwa 200 ° C oxidiert. In diesem Fall werden CC-Bindungen gespalten und niedermolekulare sauerstoffhaltige Verbindungen erhalten - Alkohole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren (siehe Natürliche Quellen) Alkane verbrennen in der Luft unter Freisetzung einer großen Wärmemenge. Daher werden sie im Alltag und in der Technik häufig als kalorienreicher Kraftstoff eingesetzt.
CH 4 + 2O 2 · CO 2 + 2H 2 O + 890 kJ.
Alkene
Alkene (Ethylenkohlenwasserstoffe) - ungesättigte Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle eine Doppelbindung C \u003d C enthalten.
Die allgemeine Formel der Alkene lautet Mit n H. 2 n .
Eine Doppelbindung wird unter Verwendung von zwei Paaren verallgemeinerter Elektronen gebildet. Kohlenstoffatome, die durch eine Doppelbindung gebunden sind, befinden sich in einem Zustand der sp 2 -Hybridisierung, von denen jede 3 связи-Bindungen bildet, die in derselben Ebene in einem Winkel von 120 ° liegen. Nicht-hybride p-Orbitale von Kohlenstoffatomen verlaufen senkrecht zur Ebene der -Bindungen und parallel zueinander und bilden aufgrund der „lateralen“ Überlappung eine -Bindung, deren Elektronenwolke sich teilweise über und teilweise unter der Ebene des Moleküls befindet.
Produktionsmethoden
1. Pyrolyse von Alkanen.
Pyrolyse - Prozesse der chemischen Umwandlung organischer Verbindungen, die bei hohen Temperaturen stattfinden.
Die Pyrolyse von Alkanen ist das wichtigste industrielle Verfahren zur Herstellung von Alkenen aus hochsiedenden Ölfraktionen. Unter starker Erwärmung (bis zu 700 ° C) werden die С - С - und С - Н связи-Bindungen in Alkanmolekülen homolytisch gespalten. In diesem Fall werden verschiedene freie Radikale gebildet. Durch die Wechselwirkung von Radikalen mit Alkanmolekülen und untereinander entsteht ein Gemisch aus niedermolekularen Alkanen, Alkenen und Wasserstoff.
2. Alkan-Dehydrierung.
3. Dehydration von Alkoholen.
CH 3 -CH 2 -OH 
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O.
Reaktionsmechanismus:
CH 3 -CH 2 -OH + HO-SO 3 H CH 3 -CH 2 -O-SO 3 H + H 2 O.
ethanol schwefelsäure säure ethylschwefel säure
CH 3 -CH 2 -O-SO 3 H. 
CH 2 \u003d CH 2 + HO - SO 3 H.
Bei der Dehydratisierung von Alkoholen wird Wasserstoff bevorzugter bei abgespalten a.M. Zaitseva (1875) - von dem einen der benachbarten Kohlenstoffatome, das wasserstoffärmer ist (am wenigsten hydriert):
4. Halogenierte Dehydrohalogenierung.
Dieser Prozess läuft auch gemäß der Regel von A.M. Zaitseva:
5. Dehalogenierung von dihalogenierten Derivaten.
Physikalische Eigenschaften
In den physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich Alkene kaum von Alkanen mit der gleichen Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül. Niedrigere Homologe C 2 –C 4 bei n.a. - Gase; C 5 –C 17 - Flüssigkeiten; höhere Homologe sind Feststoffe. Alkene sind nicht wasserlöslich. In organischen Lösungsmitteln gut löslich.
Chemische Eigenschaften
Ein charakteristisches Merkmal von p-Elektronen ist ihre Beweglichkeit, sie werden von Atomkernen weniger festgehalten als -Elektronen. Daher ist die -Bindung unter Einwirkung elektrophiler Reagenzien leicht polarisierbar und reißt heterolytisch, weshalb Alkenadditionsreaktionen charakteristisch sind.
Darüber hinaus gehen Alkene leicht in Doppelbindungsoxidations- und Polymerisationsreaktionen ein.
1. Elektrophile Additionsreaktionen.
– Hydrohalogenierung (Zugabe von Halogenwasserstoff).
СН 3 –СН \u003d СН - СН 3 + НСl 3 –СН 2 –СНСl - СН 3
Wenn asymmetrisches Alken (z. B. Propen) an der Reaktion beteiligt ist, wird die bevorzugte Reaktionsrichtung bestimmt regel V.V. Markovnikova (1869): Wenn Moleküle vom Typ HX an asymmetrische Alkene gebunden sind (wobei X ein Halogenatom, eine Gruppe von OH usw. ist), verbindet sich das H-Atom mit dem stärker hydrierten Atom C des Alkenmoleküls:
CH 3 –CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 –CHBr - CH 3.
propen-2-brompropan
Dies kann anhand der folgenden Überlegungen erklärt werden:
1). Elektronische Dichteverteilung in einem nicht reagierenden Molekül ( statischer Faktor) - Das Methylradikal stößt die elektronische Dichte der CC-Bindung ab. Infolgedessen tritt die Polarisation der -Bindung auf:
Das polare HBr-Molekül wird aufgrund der elektrostatischen Anziehung der Doppelbindungselektronen vom H-Atom zum Propenmolekül orientiert; Eine H-Br-Bindung wird aufgebrochen, und das H + -Ion wird hauptsächlich vom ersten C-Atom des Propenmoleküls angezogen und bindet sich aufgrund des Elektronenpaars der связи-Bindung an dieses. Am mittleren Atom C des Propenmoleküls erscheint eine "+" - Ladung (das Molekül verwandelt sich in ein Carbkation):
Dann wird das Bromidion an das positiv geladene C-Atom des Carbokations gebunden:
2). Die Stabilität der resultierenden Carbkation ( dynamischer Faktor) Die Wechselwirkung des H + -Ions mit einem Propenmolekül kann theoretisch zur Bildung eines Carbokations führen 
(Propionion-1). Dies geschieht jedoch nicht, weil aufgrund der Tatsache, dass Alkylradikale (CH 3 , CH 3 –CH 2 ) die Elektronendichte von sich selbst abstoßen und die positive Ladung des Kohlenstoffatoms Propen-2 löschen 
stellt sich als stabiler als Propen-1-Ion heraus. Dies spricht auch für eine Steuerung der Reaktion nach der Markovnikov-Regel.
– Flüssigkeitszufuhr.
Dieser Vorgang läuft auch nach der Regel von V.V. Markovnikova:
– Halogenierung (doppelbindungsqualitätsreaktion ).
Es wird eine Verfärbung des Bromwassers beobachtet.
2. Oxidations- und Reduktionsreaktionen.
– Reaktion E.E. Wagner(1888) - hochwertige Reaktion auf eine Doppelbindung.
3CH 2 \u003d CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O 3HO - CH 2 –CH 2 –OH + 2KOH + 2MnO 2
Ethylenglykol
Die Ausfällung eines braunen Niederschlags von Mangan (IV) oxid und die Verfärbung einer Lösung von Kaliumpermanganat werden beobachtet.
In einer sauren Umgebung erfolgt die Reaktion von Alkenen mit Kaliumpermanganat mit einem Bindungsbruch von C \u003d C, so dass die entsprechenden Carbonsäuren oder Ketone gebildet werden:
5H 3 C - CH \u003d CH - CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 · 10H 3 C - COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O.
buten-2 essig säure
5H 3 C - CH \u003d C (CH 3) - CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4
2-Methylbuten-2
5H 3 C-COOH + 5H 3 C-CO-CH 3 + 6MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 9H 2 O.
Essigsäurepropanon (Aceton)
– Hydrierung.
H 3 C - CH \u003d CH - CH 3 + H 2 
H 3 C - CH 2 - CH 2 - CH 3
Als Katalysatoren bei dieser Reaktion können neben Nickel auch Platin und Palladium eingesetzt werden.
3. Polymerisationsreaktionen.
Polymerisationsreaktion - Dies ist die sequentielle Addition von Molekülen ungesättigter Verbindungen aneinander unter Bildung einer hochmolekularen Verbindung - eines Polymers.
Die gebräuchlichsten Polymere mit Kohlenwasserstoffcharakter sind Polyethylen und Polypropylen.
nН 2 С \u003d СН 2 (–CH 2 –CH 2 -) n
Ethylenpolyethylen
Ultimative Kohlenwasserstoffe oder Paraffine sind solche Bioverbindungen, in deren Molekülen die Kohlenstoffatome durch eine einfache (Einfach-) Bindung verbunden sind und alle anderen Valenzeinheiten mit Wasserstoffatomen gesättigt sind.
Alkane: physikalische Eigenschaften
Die Abspaltung von Wasserstoff aus einem Alkanmolekül oder die Dehydrierung in Gegenwart von Katalysatoren und beim Erhitzen (bis zu 460 ° C) ermöglicht es, die erforderlichen Alkene zu erhalten. Es wurden Methoden zur Oxidation von Alkanen bei niedrigen Temperaturen in Gegenwart von Katalysatoren (Magnesiumsalzen) entwickelt. Dies ermöglicht es Ihnen, den Reaktionsverlauf direktional zu beeinflussen und die notwendigen Oxidationsprodukte bei der chemischen Synthese zu erhalten. Beispielsweise erzeugt die Oxidation höherer Alkane eine Vielzahl höherer Alkohole oder höherer Fettsäuren.
Die Alkanspaltung erfolgt auch unter anderen Bedingungen (Verbrennung, Rissbildung). Gesättigte Kohlenwasserstoffe verbrennen mit einer blauen Flamme unter Freisetzung einer großen Wärmemenge. Diese Eigenschaften ermöglichen es, sie sowohl im Alltag als auch in der Industrie als kalorienreichen Kraftstoff einzusetzen.
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Alkane und Cycloalkane- Kohlenwasserstoffe, bei denen alle Kohlenstoffatome durch einfache (Einfach-) Bindungen miteinander und mit Wasserstoffatomen verbunden sind. Alkane (Synonyme - gesättigte Kohlenwasserstoffe, gesättigte Kohlenwasserstoffe, Paraffine) - Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel C. n H 2 n+2, wo n Ist die Anzahl der Kohlenstoffatome. Die bekannte Formel hat das bekannte Polyethylen, nur den Wert n Er ist sehr groß und kann Zehntausende erreichen. Darüber hinaus enthält Polyethylen Moleküle unterschiedlicher Länge. In Cycloalkanen bilden Kohlenstoffatome eine geschlossene Kette; Wenn es einen Zyklus gibt, ist die Formel von Cycloalkan C. n H 2 n .
Abhängig von der Reihenfolge der Bindung von Kohlenstoffatomen an eine Kette werden Alkane in lineare und verzweigte unterteilt. Dementsprechend gilt für Alkane mit n Es kann mehr als eine Substanz mit der gleichen Formel existieren. Solche Substanzen werden Isomere genannt (aus dem Griechischen. isis - gleich, identisch und meros - teil, teil.
Namen von Alkanen.
Das Wort "Alkan" gleichen Ursprungs wie "Alkohol" ( siehe unten) Der veraltete Begriff "Paraffin" leitet sich vom lateinischen Parum ab - klein, unbedeutend und affinisbezogen; Paraffine haben eine geringe Reaktivität mit den meisten Chemikalien. Viele Paraffine sind Homologe; In der homologen Reihe von Alkanen unterscheidet sich jedes nachfolgende Mitglied von der vorherigen durch eine Methylengruppe CH 2. Der Begriff stammt aus dem griechischen Homologos - entsprechend, ähnlich.
Nomenklatur (aus lat. nomenklatur - Liste der Namen) Die Namen der Alkane werden nach bestimmten Regeln erstellt, die nicht immer eindeutig sind. Wenn das Alkanmolekül verschiedene Substituenten enthält, werden diese im Namen des Alkans in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. In verschiedenen Sprachen kann diese Reihenfolge jedoch variieren. Beispielsweise wird der Kohlenwasserstoff CH 3 -CH (CH 3) -CH (C 2 H 5) -CH 2 -CH 2 -CH 3 gemäß dieser Regel auf Russisch und auf Englisch als 2-Methyl-3-ethylhexan bezeichnet 3-Ethyl-2-methylhexan ...
Entsprechend dem Namen des Kohlenwasserstoffs werden Alkylradikale auch genannt: Methyl (CH 3 -), Ethyl (C 2 H 5 -), Isopropyl (CH 3) 2 CH-, zweitens-Butyl-C 2 H 5 -CH (CH 3) -, reibt-Butyl (CH 3) 3 C- usw. Alkylradikale sind insgesamt in der Zusammensetzung vieler organischer Verbindungen enthalten; In einem freien Zustand sind diese Teilchen mit einem ungepaarten Elektron außergewöhnlich aktiv.
Einige Alkanisomere haben triviale Namen ( siehe. Triviale Namen von Substanzen), beispielsweise Isobutan (2-Methylpropan), Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan), Neopentan (2,3-Dimethylpropan), Squalan (2,6,10,15,19,23-Hexamethyltetracosan) dessen Name kommt von lat squalus - Hai (ungesättigtes Derivat von Squalan - Squalen, eine wichtige Verbindung für den Stoffwechsel, wurde erstmals in der Haifischleber gefunden). Oft verwendet und der Trivialname des Pentylradikals (C 5 H 11) - Amyl. Es kommt aus dem Griechischen. amylon - Stärke: Früher wurde C 5 H 11 OH (3-Methylbutanol-1) -isoamylalkohol als „Amylfermentationsalkohol“ bezeichnet, da er die Basis für Fuselöl bildet und bei der Fermentation von Zuckersubstanzen - Stärkehydrolyseprodukten entsteht.
Das einfachste Mitglied der Reihe der Cycloalkane C. n H 2 n - Cyclopropan ( n \u003d 3). Seine Homologen werden wie Alkane mit dem Präfix „Cyclo“ (Cyclobutan, Cyclopentan usw.) bezeichnet. In Cycloalkanen ist eine Isomerie aufgrund der Anwesenheit von Seitenalkylgruppen und ihrer Position im Ring möglich. Zum Beispiel Isomere von Cyclohexan, Methylcyclopentan, 1,1-, 1,2- und 1,3-Dimethylcyclobutanen, 1,1,2- und 1,2,3-Trimethylcyclopropanen.
Die Anzahl der Alkanisomere nimmt mit zunehmender Anzahl der Kohlenstoffatome stark zu. Die Namen einiger Alkane sowie die theoretische Anzahl ihrer möglichen Isomere sind in der Tabelle angegeben.
| Formel | Titel | Die Anzahl der Isomere | Formel | Titel | Die Anzahl der Isomere |
| CH 4 | Methan | 1 | C 11 H 24 | Undecan | 159 |
| C 2 H 6 | Ethan | 1 | C 12 H 26 | Dodecan | 355 |
| C 3 H 8 | Propan | 1 | C 13 H 28 | Tridecan | 802 |
| C 4 H 10 | Bhutan | 2 | C 14 H 30 | Tetradecan | 1858 |
| C 5 H 12 | Pentane | 3 | C 15 H 32 | Pentadecan | 4347 |
| C 6 H 14 | Hexan | 5 | C 20 H 42 | Eicosan | 366319 |
| C 7 H 16 | Heptan | 9 | C 25 H 52 | Pentacosan | 36797588 |
| C 8 H 18 | Oktan | 18 | C 30 H 62 | Triacontan | 4111846763 |
| C 9 N 20 | Nonan | 35 | C 40 H 82 | Tetracontan | 62481801147341 |
| C 10 H 22 | Dean | 75 | C 100 N 202 | Hektan | ungefähr 5.92110 39 |
Der Umgang mit den meisten Nomenklaturnamen gesättigter Kohlenwasserstoffe ist selbst für diejenigen, die in einem klassischen Gymnasium kein Griechisch gelernt haben, nicht sehr schwierig. Diese Namen stammen von den griechischen Ziffern mit dem Zusatz des Suffix -an. Bei den ersten Mitgliedern der Serie ist es schwieriger: Sie verwendeten keine Ziffern, sondern andere griechische Wurzeln, die mit den Namen der entsprechenden Alkohole oder Säuren verbunden waren. Diese Alkohole und Säuren waren lange vor der Entdeckung der entsprechenden Alkane bekannt; Als Beispiel können Ethylalkohol und Ethan (erst 1848 erhalten) dienen.
Methan (sowie Methanol, Methyl, Methylen usw.) haben eine gemeinsame Wurzel "Meth", die sich in der Chemie auf eine Gruppe bezieht, die ein Kohlenstoffatom enthält: Methyl-CH 3, Methylen (methyliden) CH 2, Methin (methylidin) CH. Die erste derartige Substanz war historisch gesehen Methylalkohol (auch bekannt als Holzalkohol), Methanol, das zuvor durch Trockendestillation von Holz erhalten wurde. Sein Name kommt von den griechischen Wörtern methy - berauschender Wein und hile - Wald (sozusagen "Holzwein"). Das Erstaunlichste hier ist, dass Methan, Amethyst und Honig eine gemeinsame Wurzel haben! In der Antike waren Edelsteine \u200b\u200bmit magischen Eigenschaften ausgestattet (und viele glauben immer noch daran). Es wurde also angenommen, dass schöne lila Steine \u200b\u200bvor Vergiftungen schützen, besonders wenn ein Trinkbecher aus diesem Stein besteht. Zusammen mit dem negativen Präfix stellte sich Amethyst heraus - es wirkt einer Vergiftung entgegen. Es stellt sich heraus, dass das Wort Honig in fast allen europäischen Sprachen vorkommt: Englisch. Met - Honig (als Getränk), Deutsch Met (in altdeutscher Sprache), Niederländisch mede, Schwedisch mjöd, Dänisch mjød, litauische und lettische Medus, ganz zu schweigen von slawischen Sprachen. Alle diese Wörter, einschließlich Griechisch, stammen aus dem indogermanischen Medhu und bedeuten süßes Getränk. Nicht weit von ihnen war der griechische Brandy Metax, obwohl er überhaupt nicht süß ist.
Ethan (sowie Ether, Ethanol, Alkohol, Alkan) sind gemeinsamen Ursprungs. Antike griechische Philosophen nannte das Wort entweder eine bestimmte Substanz, die den Kosmos durchdringt. Bei Alchemisten im 8. Jahrhundert erhielt eine flüchtige Flüssigkeit aus Weinsäure-Alkohol und Schwefelsäure, sie wurde Schwefelether genannt. Im 19. Jahrhundert fanden heraus, dass sich Schwefelether (im englischen Äther) auf die sogenannten Ether bezieht und eine Gruppe von zwei Kohlenstoffatomen enthält - das gleiche wie Ethylalkohol (Ethanol); Diese Gruppe wurde Ethyl genannt. Der Name der Substanz lautet also „Ethylether“ (С 2 Н 5 –О - С 2 Н 5) - im Wesentlichen „Öl ist Öl“.
Von "Ethyl" kam der Name Ethan. Einer der Namen von Ethanol ist Alkohol, der denselben Ursprung hat wie das Wort Alkan (sowie Alken, Alkin, Alkyl). Auf Arabisch al-kohl - Pulver, Pulver, Staub. Schon beim geringsten Atemzug steigen sie in die Luft wie Weindämpfe - „Weinalkohol“, der sich im Laufe der Zeit zu Alkohol entwickelt hat.
Warum steht der Buchstabe "t" in "Ethan" und "Ethanol" und "f" in "Äther"? Im Gegensatz zu Russisch haben die Wörter „Äther“ (Äther) und „Ethyl“ (Ethyl) im Englischen eine ähnliche Schreibweise und einen ähnlichen Klang. Die Kombination th geht auf den griechischen Buchstaben q (Theta) zurück; auf Russisch hatte der Buchstabe „fita“ bis 1918 den gleichen Stil, der jedoch „f“ ausgesprochen wurde und nur zur Unterscheidung von Wörtern verwendet wurde, in denen dieser Buchstabe aus dem Griechischen q und 247 („phi“) stammt. In westeuropäischen Sprachen Griechisch. j geht in ph und q in th. In der russischen Sprache in vielen Worten "fita" im 18. Jahrhundert. Es wurde durch den Buchstaben "f" ersetzt: Theater statt "qaeftr", Mathematik statt "Mathematik", Theorie statt "qeory" ... In dieser Hinsicht ist es interessant, dass das 1882 veröffentlichte Dahl-Wörterbuch eqir und das enzyklopädische Wörterbuch Brockhaus und Efron sagt (1904) - "Äther".
Ester in westlichen Sprachen sind übrigens Ester, nicht Äther. Das Wort "Ester" ist jedoch nicht in der russischen Sprache, daher schadet eine Analphabetenübersetzung auf den Etiketten englischer Polyestertextilien als "Polyester" anstelle von "Polyester", "Polyesterfaser" jedem Chemiker (Polyester umfassen beispielsweise Lavsan, Terylen, Dacron).
Die Namen "Propan" und "Butan" stammen von den Namen der entsprechenden Säuren - Propionsäure und Butansäure (Buttersäure). Propionsäure ist die "erste" (dh mit der kürzesten Kette), die in Fetten vorkommt ( siehe. FETT UND ÖL), und sein Name leitet sich vom Griechischen ab. protos - zuerst und pion - Fett. Butan und Butansäure buttersäure säure) - aus dem Griechischen. butyron - Öl; Butyrate sind auf Russisch Salze und Ester der Buttersäure. Diese Säure wird durch ranziges Öl freigesetzt.
Ausgehend von Pentan werden die Namen von griechischen Ziffern abgeleitet. Eine seltene Ausnahme ist Cetan, einer der Namen von C 16 -Hexadecan. Dieses Wort stammt vom Namen Cetylalkohol, den der französische Chemiker Michel Eugène Chevreul 1823 erhielt. Chevreul isolierte diese Substanz aus Spermaceti - einer wachsartigen Substanz aus dem Kopf eines Pottwals. Das Wort Spermaceti kommt vom griechischen Sperma - Samen und Ketos - einem großen Meerestier (Wal, Delphin). Aus der lateinischen Schreibweise des zweiten Wortes (Cetus) leiten sich Cetylalkohol C 16 H 33 OH (Hexadecanol) und Cetan ab.
Die russische Sprache hat viele Wörter mit den gleichen Wurzeln wie die Alkane: Pentagon, Heptachord (Skala von 7 Schritten), Dodecafonia (Methode der Musikkomposition), Oktave, Dezim und Undecime (Musikintervalle), Oktett und Nonet (Ensembles von 8 und 8) 9 Musiker), Pentode, Hexode und Heptode (Funkröhren); Hexameter (poetische Größe), Oktaeder, Dekade, Dekan, Hektar, Oktober, Dezember usw. usw.
Das Alkan mit den längsten Molekülen wurde 1985 von britischen Chemikern synthetisiert. Dies ist nicht kontaminiertes C 390 H 782 mit einer Kette von 390 Kohlenstoffatomen. Die Forscher waren daran interessiert, wie solche langen Ketten während der Kristallisation gepackt werden (flexible Kohlenwasserstoffketten können leicht gefaltet werden).
Die Anzahl der Isomere von Alkanen.
Das Problem der theoretisch möglichen Anzahl von Alkanisomeren wurde zuerst vom englischen Mathematiker Arthur Cayley (1821–1895) gelöst, einem der Begründer des wichtigen Zweigs der Mathematik - Topologie (1879 veröffentlichte er den ersten Artikel über das berühmte „Vierfarbenproblem“: Reichen sie aus, um geografische Farben zu färben? Karten; dieses Problem wurde erst 1976 gelöst). Es stellte sich heraus, dass es keine Formel gibt, nach der die Anzahl der Kohlenstoffatome in Alkan C sein kann n H 2 n+2 berechnet die Anzahl seiner Isomere. Es gibt nur sogenannte Wiederholungsformeln (aus dem Lateinischen) wiederholt sich - Rückgabe), mit denen die Anzahl der Isomere berechnet werden kann n-ter Term der Reihe, wenn die Anzahl der Isomere des vorherigen Terms bereits bekannt ist. Daher sind die Berechnungen für groß n wurden vor relativ kurzer Zeit unter Verwendung von Computern erhalten und mit 400 N 802 zum Kohlenwasserstoff gebracht; Für ihn ergibt sich unter Berücksichtigung der räumlichen Isomere ein schwer vorstellbarer Wert: 4.776 · 10 199. Und bereits ausgehend vom Alkan C 167 H 336 übersteigt die Anzahl der Isomere die Anzahl der Elementarteilchen im sichtbaren Teil des Universums, die auf 10 80 geschätzt wird. Die in der Tabelle angegebene Anzahl von Isomeren für die meisten Alkane wird signifikant zunehmen, wenn wir auch spiegelsymmetrische Moleküle - Stereoisomere ( siehe. OPTISCHE ISOMERIEN): für Heptan - von 9 bis 11, für Dekan - von 75 bis 136, für Eicosan - von 366 319 bis 3 396 844, für Hektan - von 5,921 · 10 39 bis 1,333 · 10 46 usw.
Aus Sicht eines Chemikers ist die Anzahl der Strukturisomere gesättigter Kohlenwasserstoffe nur für die ersten Mitglieder der Reihe von praktischem Interesse. Selbst für ein relativ einfaches Alkan mit nur einem Dutzend Kohlenstoffatomen wurde die überwiegende Mehrheit der Isomere nicht erhalten und es ist unwahrscheinlich, dass sie jemals synthetisiert werden. Zum Beispiel wurde das letzte der theoretisch möglichen 75 Isomere von Decan erst 1968 synthetisiert. Und dies wurde aus praktischen Gründen durchgeführt - um einen vollständigeren Satz von Standardverbindungen zu erhalten, mit denen verschiedene Kohlenwasserstoffe identifiziert werden können, beispielsweise die in Öl gefundenen. Übrigens wurden alle 18 möglichen Oktanisomere in verschiedenen Ölsorten entdeckt.
Das Interessanteste ist jedoch, dass ausgehend von Heptadecan C 17 H 36 zunächst nur ein Teil der theoretisch möglichen Anzahl von Isomeren, dann viele und schließlich fast alle ein anschauliches Beispiel für "Papierchemie" sind, d. H. kann in der Realität nicht existieren. Tatsache ist, dass mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen in den verzweigten Isomerenmolekülen ernsthafte Probleme der räumlichen Packung auftreten. Schließlich betrachteten Mathematiker die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome als Punkte, während sie tatsächlich einen endlichen Radius haben. Die Methan- "Kugel" hat also 4 Wasserstoffatome auf der "Oberfläche", die frei darauf platziert sind. In Neopentan C (CH 3) 4 befinden sich bereits 12 Wasserstoffatome auf der „Oberfläche“, die viel näher beieinander liegen. aber es ist noch Platz für sie. Alkan 4 (C 17 H 36) hat jedoch wenig Platz auf der Oberfläche, um alle 36 Wasserstoffatome in 12 Methylgruppen aufzunehmen; Dies ist leicht zu überprüfen, wenn Sie für solche Isomere ein flaches Bild zeichnen (oder noch besser ein dreidimensionales Modell aus Ton und Übereinstimmungen erstellen), wobei Sie die Konstanz der CC- und CH-Bindungslängen und alle Winkel zwischen ihnen beobachten. Mit Wachstum n Platzierungsprobleme treten auch bei Kohlenstoffatomen auf. Infolgedessen trotz der Tatsache, dass die Anzahl der möglichen Isomere mit zunehmender n steigt sehr schnell an, der Anteil an "Papier" -Isomeren wächst viel schneller. Eine computergestützte Bewertung ergab, dass mit dem Wachstum n Das Verhältnis der Anzahl der wirklich möglichen Isomere zur Anzahl der "Papier" -Isomere geht schnell gegen Null. Deshalb ist die Berechnung der genauen Anzahl gesättigter Kohlenwasserstoffisomere für große n, die einst großes Interesse weckte, hat heute nur noch theoretischen Wert für Chemiker.
Die Struktur und physikalischen Eigenschaften von Alkanen.
In Alkanen vier sp 3 -Hybridorbitale eines Kohlenstoffatoms ( siehe. ORBITALE) sind mit einem Winkel zwischen ihnen von etwa 109 ° 28 "auf die Eckpunkte des Tetraeders gerichtet - in diesem Fall ist die Abstoßung zwischen den Elektronen und der Energie des Systems minimal. Infolge der Überlappung dieser Orbitale untereinander sowie mit s-orbitale von Wasserstoffatomen bilden s - С und С - Н Bindungen. Diese Bindungen in Alkanmolekülen sind kovalent unpolar oder niedrigpolar.
In Alkanen werden primäre Kohlenstoffatome unterschieden (sie sind nur an ein benachbartes C-Atom gebunden), sekundäre (an zwei C-Atome gebunden), tertiäre (an drei C-Atome gebunden) und quaternäre (an vier C-Atome gebunden). In 2,2-Dimethyl-3-methylpentan CH 3 -C (CH 3) 2 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 3 gibt es also ein quaternäres, ein tertiäres, ein sekundäres und fünf primäre Kohlenstoffatome. Die unterschiedliche Umgebung der Kohlenstoffatome spiegelt sich sehr stark in der Reaktivität der assoziierten Wasserstoffatome wider.
Die räumliche Anordnung von sp 3 -Orbitalen, beginnend mit Propan, führt zu einer Zick-Zack-Konfiguration von Kohlenstoffketten. In diesem Fall können sich Fragmente von Molekülen um С - С-Bindungen drehen (in einem Ethanmolekül bei 20 ° C - mit einer Geschwindigkeit von Millionen Umdrehungen pro Sekunde!), Was höhere Alkanmoleküle flexibel macht. Das Begradigen solcher Ketten erfolgt beispielsweise beim Strecken von Polyethylen, das aus einer Mischung von Alkanen mit langen Ketten besteht. Alkanmoleküle interagieren schwach miteinander, daher schmelzen und kochen Alkane bei viel niedrigeren Temperaturen als Substanzen mit polaren Molekülen, deren Gewicht nahe bei ihnen liegt. Die ersten 4 Mitglieder der homologen Reihe von Methan sind unter normalen Bedingungen Gase, Propan und Butan werden unter niedrigem Druck leicht verflüssigt (flüssiges Propan-Butan-Gemisch ist in Haushaltsgasflaschen enthalten). Höhere Homologe sind Flüssigkeiten mit dem Geruch von Benzin oder Feststoffen, die nicht wasserlöslich sind und auf ihrer Oberfläche schwimmen. Die Schmelz- und Siedepunkte von Alkanen nehmen mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül zu, während sich die Temperatur allmählich verlangsamt, z. B. 100 bis 202 schmelzen bei 115 °, 150 bis 302 - bei 123 °. Schmelz- und Siedetemperaturen für die ersten 25 ° C. Alkane sind in der Tabelle angegeben - es ist ersichtlich, dass Alkane ausgehend von Octadecan Feststoffe sind.
| Tabelle. SCHMELZTEMPERATUREN UND KOCHEN VON ALKANEN | ||
| Alkan | T. pl | T. Ballen |
| Methan | –182,5 | –161,5 |
| Ethan | –183,3 | –88,6 |
| Propan | –187,7 | –42,1 |
| Bhutan | –138,4 | –0,5 |
| Pentane | –129,7 | 36,1 |
| Hexan | –95,3 | 68,7 |
| Heptan | –90,6 | 98,4 |
| Oktan | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| Dean | –29,7 | 174,1 |
| Undecan | –25,6 | 195,9 |
| Dodecan | –9,6 | 216,3 |
| Tridecan | –5,5 | 235,4 |
| Tetradecan | +5,9 | 253,7 |
| Pentadecan | +9,9 | 270,6 |
| Hexadecan | 18,2 | 286,8 |
| Heptadecan | 22,0 | 301,9 |
| Octadecan | 28,2 | 316,1 |
| Nonadecane | 32,1 | 329,7 |
| Eicosan | 36,8 | 342,7 |
| Geneikosan | 40,5 | 356,5 |
| Docosan | 44,4 | 368,6 |
| Tricosan | 47,6 | 378,3 |
| Tetracosan | 50,9 | 389,2 |
| Pentacosan | 53,7 | 399,7 |
Das Vorhandensein von Verzweigungen in der Kette verändert die physikalischen Eigenschaften, insbesondere den Schmelzpunkt, dramatisch. Also, wenn Hexan eine normale Struktur hat ( n-Hexan) schmilzt bei –95,3 ° C, dann isomeres 2-Methylpentan –– –153,7 ° C. Dies hängt mit der Schwierigkeit zusammen, verzweigte Moleküle während ihrer Kristallisation zu packen. Infolgedessen kristallisieren Alkane mit Verzweigungsketten beim schnellen Abkühlen nicht, sondern gehen in den glasartigen Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit über ( siehe. GLAS). Wenn beispielsweise eine dünne Ampulle mit Pentan in flüssigen Stickstoff getaucht wird (Temperatur –196 ° C), verwandelt sich die Substanz in eine weiße Schneemasse, während Isopentan (2-Methylbutan) zu einem transparenten „Glas“ erstarrt.
Eine ursprüngliche Methode zu ihrer Trennung basiert auf dem Unterschied in den geometrischen Formen von linearen und verzweigten Alkanen: In Harnstoffkristallen gibt es Kanäle, in die Alkane mit einer geraden Kette passen und verzweigte nicht passen können.
Cycloalkane mit n \u003d 2, 3 - Gase, höhere Flüssigkeiten oder Feststoffe. Der größte Zyklus, den Chemiker synthetisieren konnten, ist Cycloocta octactactadactan C 288 H 576. Die unterschiedliche Form der Cycloalkanmoleküle mit einer geraden und einer ungeraden Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül führt zu einem starken geraden und ungeraden Effekt in Bezug auf die Schmelztemperatur, wie aus der Tabelle ersichtlich ist. Dieser Effekt erklärt sich aus dem Unterschied in der „Bequemlichkeit“ der Verpackung von Molekülen verschiedener Formen im Kristall: Je kleiner die Verpackung, desto stärker der Kristall und desto höher seine Schmelztemperatur. Beispielsweise schmilzt Cyclododecan fast 70 ° über seinem nächsten Homologen, Cycloundecan. Natürlich spielt auch die Masse des Moleküls eine Rolle: Die leichten Moleküle schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur.
| C 3 H 6 | –127,5 |
| C 4 H 8 | –50 |
| C 5 H 10 | –93,9 |
| C 6 H 12 | +6,5 |
| C 7 H 14 | –12 |
| C 8 H 16 | 14,3 |
| S 9 H 18 | 9,7 |
| C 10 N 20 | 10,8 |
| C 11 H 22 | –7,2 |
| C 12 H 24 | 61,6 |
| C 13 H 26 | 23,5 |
| C 14 H 28 | 54 |
| C 15 H 30 | 62,1 |
Die Leichtigkeit der Rotation um die CC-Bindung führt dazu, dass die Cycloalkanmoleküle nicht flach sind (mit Ausnahme von Cyclopropan), wodurch eine starke Verzerrung der Valenzwinkel vermieden wird. In Cyclohexan und seinen höheren Homologen sind die Valenzwinkel also ungespannt und nahe am Tetraeder (109 °), während im Sechseck die Winkel 120 °, im Achteck - 135 ° usw. betragen. Einzelne Kohlenstoffatome in solchen Cycloalkanen nehmen keine starr festgelegte Position ein: Der Ring befindet sich sozusagen in ständiger wellenartiger Bewegung. Das Cyclohexanmolekül kann also in Form verschiedener geometrischer Strukturen (Konformere) vorliegen, die sich ineinander umwandeln können (Zyklusinversion). Aufgrund ihrer äußeren Ähnlichkeit wurden sie als "Badewanne" und "Sessel" bezeichnet (in der englischen Literatur wird die "Badewanne" als "Boot" bezeichnet).
Die Form des Stuhls ist stabiler; Bei normalen Temperaturen ist Cyclohexan in Form eines Stuhls um 99,9% stabiler. Der Übergang zwischen den beiden Formen erfolgt durch eine intermediäre "Twist-Konformation" (aus dem Englischen). drehen - drehen).
In Cyclopropan nimmt der Winkel von 108 ° auf 60 ° ab, was zu einer starken Spannung und "Biegung" der Bindungen führt, die eine Zwischenposition zwischen gewöhnlichen s- und p-Bindungen einnehmen. Aufgrund ihrer Form werden diese Bindungen "Banane" genannt. In diesem Fall überlappen sich die sp 3 -Orbitale der Kohlenstoffatome nur teilweise. Das Ergebnis ist die Dualität der chemischen Eigenschaften von Cyclopropan. Einerseits ist es möglich, Wasserstoffatome darin zu ersetzen (eine für Alkane typische Reaktion), andererseits ist es möglich, mit einer Ringöffnung zu binden (eine für Alkene typische Reaktion, zum Beispiel: cyclo-C 3 H 6 + Br 2 ® BrCH 2 CH 2 CH 2 Br).
Cycloalkane mit zwei Zyklen und einem gemeinsamen Kohlenstoffatom werden Spiroalkane genannt. Wenn mehr als zwei gemeinsame Kohlenstoffatome vorhanden sind, werden Bicycloalkane, Tricycloalkane usw. gebildet. Durch eine solche "Vernetzung" mehrerer Zyklen gleichzeitig gelang es den Chemikern, Kohlenwasserstoffe zu erhalten, deren räumliche Struktur verschiedenen Polyedern entspricht: Tetraeder, Würfel, Prisma usw. Bicyclische Derivate Cyclohexan kommt in ätherischen Ölen, Harz von Nadelbäumen und Terpentin vor. Fahrräder mit sechs und fünf Kohlenstoffatomen sind in Kampfer, Cholesterin, Saccharin, Piperin (es verleiht schwarzem Pfeffer einen brennenden Geschmack), stickstoffhaltigen Basen - Nukleotiden, anderen Verbindungen (in diesem Fall können einige Kohlenstoffatome in den Zyklen durch Doppelbindungen verbunden werden, und ein Teil wird ersetzt) \u200b\u200benthalten durch andere Atome wie Saccharin). Ein Zyklus von 17 Kohlenstoffatomen (zwei davon sind durch eine Doppelbindung verbunden) ist in Civeton enthalten - einer duftenden Substanz, einem Bestandteil von Moschus, der in der Parfümerie verwendet wird. Das schöne Adamantanmolekül enthält drei Sechsringe und entspricht in seiner Struktur dem Kristallgitter des Diamanten. Die Adamantanstruktur ist im antiviralen Wirkstoff Remantadin in Hexamethylentetramin enthalten (in der letzten Verbindung werden 4 Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt, die durch Methylenbrücken - CH 2 - miteinander verbunden sind). Die Strukturen einiger Cycloalkane, in deren Molekülen sich mehr als ein unterschiedlich verbundener Zyklus befindet, sind nachstehend aufgeführt.
Bicyclodecan (Tetrahydronaphthalin, Decalin)
Adamantan
Chemische Eigenschaften von Alkanen.
Alkane sind die chemisch am wenigsten aktiven organischen Verbindungen. Alle С - С - und С - Н-Bindungen in Alkanen sind einfach, daher können Alkane keine Additionsreaktionen durchführen. Alkane sind durch Reaktionen der Substitution anderer Atome und Atomgruppen durch Wasserstoffatome gekennzeichnet. So entstehen bei der Methanchlorierung Methylchlorid CH 3 Cl, Methylenchlorid CH 2 Cl 2, Trichlormethan (Chloroform) CHCl 3 und Tetrachlorkohlenstoff (Tetrachlorkohlenstoff) CCl 4. Diese Reaktionen laufen über einen Kettenmechanismus mit einer Zwischenbildung freier Radikale ab.
Wenn Alkane ausgehend von Propan chloriert werden, kann das allererste Chloratom verschiedene Wasserstoffatome ersetzen. Die Richtung der Substitution hängt von der Stärke der CH-Bindung ab: Je schwächer sie ist, desto schneller ist die Substitution dieses bestimmten Atoms. Die primären С - Н-Bindungen sind in der Regel stärker als die sekundären und die sekundären stärker als die tertiären. Infolgedessen erfolgt die Chlorierung bei 25 ° C über die Sekundärbindung von (CH 3) 2 CH-H 4,5-mal schneller als über die Primärbindung von C 2 H 5 -H und die Tertiärbindung von (CH 3) 3 CH in 6,7 mal schneller. Die unterschiedliche Reaktivität von primären, sekundären und tertiären Wasserstoffatomen kann dazu führen, dass nur eines der mehreren möglichen Chlorierungsprodukte überwiegt. Wenn beispielsweise 2,3-Dimethylbutan in einer Schwefelkohlenstofflösung (CS 2) chloriert wird, werden 95% eines 2-Chlorderivats und nur 5% eines 1-Chlorderivats, d.h. 19 mal weniger. Wenn wir berücksichtigen, dass das ursprüngliche Alkan sechsmal mehr primäre Wasserstoffatome als tertiäre enthält, ist das Verhältnis ihrer Reaktivitäten sogar noch größer (19 ґ 6 \u003d 114). Schwefelkohlenstoff als Lösungsmittel verringert die Reaktivität der Chloratome und erhöht dementsprechend deren Selektivität. Ebenso die Temperatur senken.
Bromatome sind weniger aktiv; Die wahrnehmbare Aktivierungsenergie dieser Reaktion führt dazu, dass die Alkanbromierung zwar über einen Kettenmechanismus verläuft, jedoch viel langsamer als die Chlorierung ist und nur bei erhöhter Temperatur oder im Licht. Die geringere Aktivität von Bromatomen führt zu einer Erhöhung der Bromierungsselektivität. Wenn also die relative Geschwindigkeit der photochemischen Bromierung von Ethan bei 40 ° C als 1 angenommen wird, beträgt die Bromierungsrate von Propan (am Sekundäratom H) unter den gleichen Bedingungen 220 und die Bromierungsrate von Isobutan (am Tertiäratom N) 19000
Iodatome sind am wenigsten aktiv, daher ist die Alkaniodierungsreaktion RH + I 2 ® RI + HI endotherm, nur bei hohen Temperaturen möglich und verläuft mit sehr kurzen Ketten. Darüber hinaus ist die umgekehrte exotherme Reaktion RI + HI ® RH + I 2 sehr einfach. Wenn Alkane iodiert werden, werden auch ungesättigte Verbindungen gebildet. Beispielsweise bildet Ethan bei 685ºC, das mit Iod reagiert, 72% Ethylen und 10% Acetylen. Die gleichen Ergebnisse wurden mit Propan, Butan und Pentan erhalten.
Die Alkanfluorierungsreaktion verläuft mit einer sehr hohen, oft explosiven Geschwindigkeit unter Bildung aller möglichen Polyfluor-Derivate des Ausgangsalkans. Die bei der Fluorierung von Alkanen freigesetzte Energie ist so hoch, dass sie zur Zersetzung von Produktmolekülen in Radikale führen kann, die neue Ketten bilden. Dadurch steigt die Reaktionsgeschwindigkeit wie bei einer Lawine und dies führt auch bei niedrigen Temperaturen zu einer Explosion. Eine Besonderheit der Fluorierung von Alkanen ist die Möglichkeit der Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts durch Fluoratome unter Bildung von CF 4 mit anderen Halogenen als Endprodukt, eine solche Reaktion findet nicht statt.
Die Nitrierung von Alkanen (Konovalov-Reaktion) folgt ebenfalls dem Radikalmechanismus: RH + NO 2 ® R · + HNO 2, R · + NO 2 ® RNO 2. Die Quelle von NO 2 ist Salpetersäure, die sich beim Erhitzen zersetzt. Die Reaktion wird in Lösung bei einer Temperatur über 150 ° C oder in Dämpfen unter einem Druck von bis zu 10 atm und einer Temperatur von 400 - 500 ° C durchgeführt. Im letzteren Fall brechen auch CC-Bindungen in den Alkanen und es bildet sich eine Mischung von Nitroalkanen.
Alle Alkane verbrennen bei der Wärmeentwicklung, zum Beispiel: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Diese Reaktion tritt insbesondere in den Zylindern von Verbrennungsmotoren auf. Damit die Reste unverbrannter Alkane nicht in die Atmosphäre gelangen, werden sie zur katalytischen Nachverbrennung in den Auspuffrohren verwendet (gleichzeitig wird CO verbrannt und Stickoxide in harmlosen Stickstoff umgewandelt). Eine Sauerstoffreaktivität mit höheren Alkanen (als Teil von Paraffin) tritt auf, wenn eine Kerze brennt. Gasförmige Alkane, beispielsweise Methan, bilden mit Luft explosive Gemische. Solche Gemische können sich in Bergwerken sowie in Wohngebäuden bilden, wenn Hausgas austritt, wenn sein Luftgehalt 5% erreicht.
Wesentliche Anstrengungen der Chemiker waren auf eine detaillierte Untersuchung der Reaktion der Niedertemperaturoxidation von Alkanen gerichtet, um diese im Stadium der Bildung wertvoller Zwischenprodukte - Aldehyde, Ketone, Alkohole, Carbonsäuren - zu stoppen. In Gegenwart von Co (II) -, Mn (II) -Salzen kann Butan zu Essigsäure, Paraffin zu C 12 - C 18 -Fettsäuren oxidiert werden. Caprolactam, ein Monomer zur Herstellung von Capron und Adipinsäure, wird durch Oxidation von Cyclohexan erhalten.
Eine wichtige industrielle Reaktion ist die photochemische Sulfochlorierung von Alkanen: eine gemeinsame Radikalkettenreaktion mit Cl 2 und SO 2 unter Bildung von Alkansulfonsäurechloriden RSO 2 Cl. Diese Reaktion wird häufig bei der Herstellung von Waschmitteln verwendet. Beim Ersetzen von Chlor durch Sauerstoff tritt eine Kettenradikalreaktion der Sulfoxidation von Alkanen unter Bildung von Alkansulfonsäuren R-SO 2 -OH auf. Natriumsalze dieser Säuren werden als Detergenzien und Emulgatoren verwendet.
Bei hohen Temperaturen erfolgt die Zersetzung (Pyrolyse) von Alkanen, beispielsweise: CH 4 ® C + 2H 2 (1000 ° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500 ° C), C 2 H 6 ® C 2 H 4 + H 2. Die letztere Reaktion läuft bei 500ºC in Gegenwart eines Katalysators (Ni) ab. In ähnlicher Weise kann aus Butan 2-Buten CH 3 CH \u003d CHCH 3 erhalten werden, gleichzeitig wird eine Mischung aus Ethylen und Ethan gebildet. Im Gegensatz zu dieser Radikalreaktion erfolgt das katalytische Cracken von Alkanen nach dem Ionenmechanismus und dient zur Herstellung von Benzin aus schwereren Ölfraktionen. Beim Erhitzen in Gegenwart von Lewis-Säuren, beispielsweise AlCl 3, tritt eine Isomerisierung auf: unverzweigte (normale) Alkane werden in verzweigte mit der gleichen Anzahl von Kohlenstoffatomen umgewandelt. Diese Reaktion ist von großer praktischer Bedeutung für die Gewinnung von hochwertigem Kraftstoff ( siehe. OKTAN-NUMMER). Die Dehydrierung von Alkanen kann mit einem Zyklusschluss (Dehydrocyclisierung) einhergehen. Bei der Hexan-Dehydrocyclisierung ist Benzol das Hauptprodukt.
Methan reagiert bei hoher Temperatur in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserdampf und Kohlenmonoxid (IV) unter Bildung von Synthesegas: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Synthesegas wird zur Herstellung von Kraftstoffen und Methylalkohol verwendet.
In den letzten Jahren konzentrierten sich die Bemühungen von Chemikern auf die Schaffung von Katalysatoren, die CH-Bindungen in Alkanmolekülen unter milden Bedingungen aktivieren. Einige Mikroorganismen können solche Reaktionen "ausführen", deren Enzyme sogar Paraffin "verdauen" können, um Proteinverbindungen zu bilden. Die Aufgabe der Chemiker ist es, die Funktionsweise natürlicher Katalysatoren zu verstehen und enzymatische Reaktionen zu modellieren, die bei normaler Temperatur auftreten können. Darüber hinaus werden verschiedene metallorganische Verbindungen als Katalysatoren verwendet. Beispielsweise kann in Gegenwart einiger Platinverbindungen Methanol CH 3 OH direkt aus Methan erhalten werden und in Gegenwart des an CO-Moleküle gebundenen Triphenylphosphin-Rhodium-Komplexes Rh [(C 6 H 5) 3 P]; Während der Reaktion werden CO-Moleküle an der CH-Bindung von Alkanen unter Bildung von Aldehyden eingeführt.
Cycloalkane ähneln in ihren chemischen Eigenschaften Alkanen. Sie sind also brennbar, können durch einen Radikalmechanismus bei erhöhter Temperatur in Gegenwart von Katalysatoren, die sie dehydrieren, halogeniert werden - sie spalten Wasserstoff ab und verwandeln sich in ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Besondere Eigenschaften haben, wie angegeben, Cyclopropan. Im Gegensatz zu Alkanen werden Cycloalkane hydriert, während sich der Kreislauf öffnet und Alkane gebildet werden, zum Beispiel: cyclo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (die Reaktion läuft ab, wenn sie in Gegenwart eines Platinkatalysators erhitzt wird). Mit zunehmender Größe des Zyklus wird die Reaktion schwieriger - beispielsweise wird Cyclopentan bereits sehr schwer und bei hoher Temperatur (300 ° C) hydriert (zu Pentan).
In der Natur sein und empfangen.
Die Hauptquellen für Alkane sind Öl und Erdgas. Methan macht den größten Teil des Erdgases aus, Ethan, Propan und Butan sind ebenfalls in geringen Mengen vorhanden. Methan kommt in der Einleitung von Sümpfen und Kohleflözen vor. Neben leichten Homologen ist Methan in assoziierten Erdölgasen vorhanden. Diese Gase werden unter Druck in Öl gelöst und befinden sich ebenfalls darüber. Alkane machen einen erheblichen Teil der Ölraffinerieprodukte aus. In Öl und Cycloalkanen enthalten - sie werden Naphthene (aus dem Griechischen) genannt. naphtha - Öl). Alkangashydrate, hauptsächlich Methan, sind in der Natur ebenfalls weit verbreitet und kommen in Sedimentgesteinen auf den Kontinenten und am Boden der Ozeane vor. Ihre Reserven dürften die bekannten Erdgasreserven überschreiten und könnten in Zukunft die Methanquelle und ihre nächsten Homologen sein.
Alkane werden auch durch Pyrolyse (Verkokung) von Kohle und deren Hydrierung (Gewinnung von synthetischem flüssigem Brennstoff) erhalten. Feste Alkane kommen in der Natur in Form von Ablagerungen von Bergwachs vor - Ozokerit, in den Wachsbeschichtungen von Blättern, Blüten und Samen von Pflanzen, sind Teil von Bienenwachs.
In der Industrie werden Alkane durch katalytische Hydrierung der Kohlenoxide CO und CO 2 erhalten (Fischer-Tropsch-Methode). Im Labor kann Methan durch Erhitzen von Natriumacetat mit einem festen Alkali: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3 sowie durch Hydrolyse bestimmter Carbide erhalten werden: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al (OH) 3. Methanhomologe können durch die Würz-Reaktion erhalten werden, zum Beispiel: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. Im Fall von Dihalogenalkanen werden Cycloalkane erhalten, zum Beispiel: Br - CH 2 - (CH 2) 4 - CH 2 Br + 2Na ® cyclo-C 6 H 12 + 2NaBr. Alkane entstehen auch bei der Decarboxylierung von Carbonsäuren und bei deren Elektrolyse.
Die Verwendung von Alkanen.
Als Brennstoff werden Alkane in Benzin, Kerosin, Solaröl und Heizöl verwendet. Höhere Alkane sind Teil von Schmierölen, Vaseline und Paraffin. Eine Mischung aus isomeren Pentanen und Hexanen wird Petrolether genannt und als Lösungsmittel verwendet. Cyclohexan wird auch häufig als Lösungsmittel und zur Synthese von Polymeren (Nylon, Nylon) verwendet. Cyclopropan wird zur Anästhesie verwendet. Squalan ist ein hochwertiges Schmieröl, Bestandteil von pharmazeutischen und kosmetischen Präparaten, ein Adsorbens in der Gas-Flüssigkeits-Chromatographie.
Alkane dienen als Rohstoffe für die Herstellung vieler organischer Verbindungen, einschließlich Alkoholen, Aldehyden und Säuren. Chlorderivate von Alkanen werden als Lösungsmittel verwendet, beispielsweise Trichlormethan (Chloroform) CHCl 3, Tetrachlorkohlenstoff CCl 4. Eine Mischung aus höheren Alkanen - Paraffin ist ungiftig und wird in der Lebensmittelindustrie häufig zur Imprägnierung von Behältern und Verpackungsmaterialien (z. B. Milchsäcken) bei der Herstellung von Kaugummi verwendet. Bleistifte werden mit Paraffin imprägniert, dem oberen Teil (in der Nähe des Kopfes) der Streichhölzer, damit sie besser brennen. Erhitztes Paraffin wird für medizinische Zwecke verwendet (Paraffinbehandlung). Die Oxidation von Paraffin unter kontrollierten Bedingungen in Gegenwart von Katalysatoren (organische Salze von Übergangsmetallen) führt zur Produktion von sauerstoffhaltigen Produkten, hauptsächlich organischen Säuren.
Ilya Leenson
Referenzen:
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Aserbaidschan I.N. usw. Synthese auf Basis von Erdölkohlenwasserstoffen. Alma-Ata, Science, 1974
Rudakov E.S. Reaktionen von Alkanen mit Oxidationsmitteln, Metallkomplexen und Radikalen in Lösungen. Kiew, Naukova Dumka, 1985
Peraushanu V. Herstellung und Verwendung von Kohlenwasserstoffen. M., Chemistry, 1987
Die Tabelle zeigt einige Vertreter einer Reihe von Alkanen und deren Radikale.
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Formel |
Titel |
Der Name des Radikalen |
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CH 3 Methyl |
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C3H7 geschnitten |
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C4H9-Butyl |
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isobutan |
isobutyl |
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isopentan |
isopentyl |
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neopentan |
neopentyl |
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Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass sich diese Kohlenwasserstoffe in der Anzahl der Gruppen - CH2 - voneinander unterscheiden. Eine solche Anzahl von strukturell ähnlichen Gruppen mit ähnlichen chemischen Eigenschaften, die sich in der Anzahl dieser Gruppen voneinander unterscheiden, wird als homologe Reihe bezeichnet. Und die Substanzen, aus denen es besteht, werden Homologe genannt. Homologe - Substanzen, die in Struktur und Eigenschaften ähnlich sind, sich jedoch in ihrer Zusammensetzung durch einen oder mehrere homologische Unterschiede unterscheiden (- CH2 -)
Kohlenstoffkette - Zickzack (wenn n ≥ 3) σ - Bindungen (freie Rotation um Bindungen) länge (-C-C-) 0,154 nm bindungsenergie (-C-C-) 348 kJ / mol Alle Kohlenstoffatome in Alkanmolekülen befinden sich im Zustand der sp3-Hybridisierung
der Winkel zwischen den CC-Bindungen beträgt 109 ° 28 ″. Daher haben die Moleküle normaler Alkane mit einer großen Anzahl von Kohlenstoffatomen eine Zickzackstruktur (Zickzack). Die CC-Bindungslänge in gesättigten Kohlenwasserstoffen beträgt 0,154 nm (1 nm \u003d 1 * 10–9 m). a) elektronische und strukturelle Formeln; b) räumliche Struktur
4. Isomerie - charakteristische STRUKTURELLE Isomerie der Kette mit C4 Eines dieser Isomere ( n-Butan) enthält eine unverzweigte Kohlenstoffkette und das andere - Isobutan - verzweigt (Isostruktur). Verzweigtkettige Kohlenstoffatome unterscheiden sich durch die Art der Verbindung mit anderen Kohlenstoffatomen. Man nennt also ein Kohlenstoffatom, das nur an ein anderes Kohlenstoffatom gebunden ist primärmit zwei anderen Kohlenstoffatomen - sekundärmit drei - tertiärmit vier - quaternär. Mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen in der Zusammensetzung der Moleküle nehmen die Möglichkeiten zur Verzweigung der Kette zu, d.h. Die Anzahl der Isomere nimmt mit zunehmender Anzahl der Kohlenstoffatome zu. Vergleichende Eigenschaften von Homologen und Isomeren
1. Haben Sie ihre eigene Nomenklatur radikale(Kohlenwasserstoffradikale)
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Die Verwendung von Alkanen ist sehr unterschiedlich - sie werden sowohl als Kraftstoff als auch in der Mechanik, Medizin usw. verwendet. Die Rolle dieser chemischen Verbindungen im Leben des modernen Menschen ist schwer zu überschätzen.
Alkane: Eigenschaften und eine kurze Beschreibung
Alkane sind nichtcyclische Kohlenstoffverbindungen, bei denen Kohlenstoffatome durch einfache gesättigte Bindungen verbunden sind. Diese Substanzen repräsentieren eine ganze Reihe mit bestimmten Eigenschaften und Merkmalen. sieht so aus:
N steht hier für die Anzahl der Kohlenstoffatome. Zum Beispiel CH3, C2H6.
Die ersten vier Vertreter einer Reihe von Alkanen - gasförmigen Substanzen - sind Methan, Ethan, Propan und Butan. Die folgenden Verbindungen (C5 bis C17) sind Flüssigkeiten. Die Reihe wird mit Verbindungen fortgesetzt, die unter normalen Bedingungen Feststoffe sind.
Was die chemischen Eigenschaften betrifft, sind Alkane inaktiv - sie interagieren praktisch nicht mit Alkalien und Säuren. Übrigens sind es die chemischen Eigenschaften, die die Verwendung von Alkanen bestimmen.
Dennoch sind einige Reaktionen für diese Verbindungen charakteristisch, einschließlich der Substitution von Wasserstoffatomen sowie der Prozesse der molekularen Spaltung.
- Die charakteristischste Reaktion ist die Halogenierung, bei der Wasserstoffatome durch Halogene ersetzt werden. Von großer Bedeutung sind die Reaktionen der Chlorierung und Bromierung dieser Verbindungen.
- Nitrierung - Substitution eines Wasserstoffatoms durch eine Nitrogruppe während einer Reaktion mit einem Verdünner (Konzentration von 10%) Unter normalen Bedingungen interagieren Alkane nicht mit Säuren. Um eine ähnliche Reaktion durchzuführen, wird eine Temperatur von 140 ° C benötigt.
- Oxidation - Unter normalen Bedingungen sind Alkane nicht sauerstoffempfindlich. Nach dem Entzünden an der Luft gelangen diese Substanzen jedoch in die Endprodukte Wasser und Wasser
- Cracken - diese Reaktion findet nur mit den notwendigen Katalysatoren statt. Dabei kommt es zur Aufspaltung persistenter homologischer Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Zum Beispiel können durch Cracken von Butan Ethan und Ethylen aus der Reaktion erhalten werden.
- Isomerisierung - Durch Einwirkung einiger Katalysatoren ist eine gewisse Umlagerung des Kohlenstoffgerüsts des Alkans möglich.
Die Verwendung von Alkanen
Die wichtigste natürliche Quelle dieser Substanzen sind wertvolle Produkte wie Erdgas und Öl. Der Umfang der Alkane ist heute sehr groß und vielfältig.
Zum Beispiel gasförmige Substanzen als wertvolle Kraftstoffquelle verwendet. Ein Beispiel ist Methan, aus dem Erdgas besteht, sowie ein Propan-Butan-Gemisch.
Eine weitere Quelle für Alkane ist Öl Welcher Wert für die moderne Menschheit ist schwer zu überschätzen. Erdölprodukte umfassen:
- benzine - werden als Kraftstoff verwendet;
- kerosin;
- dieselkraftstoff oder Leichtgasöl;
- schwergasöl, das als Schmieröl verwendet wird;
- rückstände zur Herstellung von Asphalt.
Erdölprodukte werden auch zur Herstellung von Kunststoffen, synthetischen Fasern, Kautschuken und einigen Reinigungsmitteln verwendet.
Vaseline und flüssiges Paraffin sind Produkte, die aus einer Mischung von Alkanen bestehen. Sie werden in der Medizin und Kosmetik (hauptsächlich zur Herstellung von Salben und Cremes) sowie in Parfums verwendet.
Paraffin ist ein weiteres bekanntes Produkt, das eine Mischung aus festen Alkanen ist. Dies ist eine feste weiße Masse, deren Erwärmungstemperatur 50 - 70 Grad beträgt. In der modernen Produktion werden aus Paraffin Kerzen hergestellt. Streichhölzer werden mit der gleichen Substanz imprägniert. In der Medizin werden verschiedene Arten von thermischen Verfahren unter Verwendung von Paraffin durchgeführt.
