Alkāni, to struktūra un īpašības. Kas ir alkāni: struktūra un ķīmiskās īpašības
Alkāni (piesātināti ogļūdeņraži, parafīni) - piesātinātie ogļūdeņraži, kuru molekulās oglekļa un ūdeņraža atomi ir saistīti tikai ar -saitēm.
Alkānu vispārējā formula ir: NO n H 2 n +2 .
Alkāna molekulās oglekļa atomi ir sp 3-hibrīda stāvoklī un katrs no tiem veido 4 -saites ar oglekļa un (vai) ūdeņraža atomiem. Sp 3-hibridizācijas stāvokli raksturo oglekļa atoma tetraedriskā konfigurācija.
Dabiski avoti
Dabiski alkānu avoti ir eļļa, ar to saistītās naftas gāzes un dabasgāze.
Eļļai ir vislielākā nozīme. Eļļa ir sarežģīts organisko savienojumu, galvenokārt ogļūdeņražu, maisījums. Tas satur arī nelielu daudzumu skābekli, slāpekli un sēru saturošu savienojumu. Atkarībā no naftas lauka ogļūdeņražu sastāvu var attēlot gan alkāni, gan citas ogļūdeņražu grupas. Eļļu izmanto kā degvielu un vērtīgu izejvielu ķīmiskajā rūpniecībā.
Pašlaik naftas pārstrādei ir vairāki veidi.
Destilācija. Tas ir fizisks eļļas rafinēšanas veids. Naftas ogļūdeņraži atšķiras pēc molekulmasas un attiecīgi viršanas punktiem. Tāpēc, veicot vienkāršu destilāciju, eļļu var sadalīt vairākās frakcijās, kas atšķiras pēc viršanas temperatūras. Šādā veidā iegūst petrolēteri (līdz 60 ° C; C 5 –C 6); aviācijas benzīns (60–180 ° С; С 6 –С 10); benzīns (līdz 200 ° С; С 11 –C 12); petroleju un reaktīvo degvielu (175–280 ° С; С 7 –С 14); dīzeļdegviela (200-350 ° C; C 13 -C 18). Frakciju ar viršanas temperatūru virs 360 ° C sauc par mazutu (C 18 – C 25). Frakcija, kas satur ogļūdeņražus C 25 un lielākas molekulmasas ogļūdeņražus, nav destilēta; No tā iegūst smagās eļļas, vazelīnu, parafīnu.
Katalītiskā plaisāšana. Atšķirībā no destilācijas, krekinga veidošana (no angļu valodas krekinga - šķelšanās) ir eļļas ķīmiskās attīrīšanas process, kas sastāv no augstāku ogļūdeņražu sadalīšanas un vērtīgāku zemāko alkānu iegūšanas, kas veido, piemēram, benzīna frakciju utt. Kad eļļu karsē līdz 500 ° C temperatūrai aluminosilikāta katalizatoru klātbūtnē (alumīnija oksīds Al 2 O 3 uz silikagela SiO 2) starp ķēdes oglekļa atomiem ir izveidojies saišu plīsums un veidojas alkāni ar mazāku oglekļa atomu skaitu (C 5 –C 10) un veidojas sazarota ķēde.
Dabasgāze galvenokārt sastāv no metāna (līdz 95%) ar nelieliem etāna un propāna piemaisījumiem. Saistītā naftas gāze papildus metānam satur ievērojamu daudzumu etāna, propāna, butāna. Dabiskās un naftas gāzes tiek izmantotas kā augstas kaloritātes degviela, kā arī izejviela daudzām lielām ķīmijas rūpniecībai. Metāns ir izejviela svarīgākajiem ķīmiskajiem procesiem oglekļa un ūdeņraža, acetilēna, skābekli saturošu organisko savienojumu - spirtu, aldehīdu, skābju - ražošanā.
Smalki izkliedētu ogli (kvēpus), kas iegūta metāna (1) termiskās sadalīšanās (pirolīzes) laikā, izmanto kā pildvielu gumijas un iespiedkrāsu ražošanā. Ūdeņradis tiek izmantots dažādās sintēzēs, ieskaitot amonjaka sintēzi. Metāna (2) plaisāšana augstā temperatūrā rada acetilēnu. Nepieciešamo augsto temperatūru (1400–1600 ° C) izveido ar elektrisko loka palīdzību. Viegla metāna oksidēšana ar atmosfēras skābekli katalizatoru (3) klātbūtnē rada vielas, kas ir vērtīgas organiskajai sintēzei un plastmasas ražošanai: metilspirtu, formaldehīdu un skudrskābi.
CH4C + 2H2 (1)
2CH 4 
НССН + 3Н 2 (2)
Iegūšanas metodes
Svarīgākās sintētiskās metodes iegūšanai:
1. Nepiesātinātu ogļūdeņražu hidrogenēšana.
CH3 – CH \u003d CH – CH3 + H2 
CH3-CH2-CH2-CH3
butēns-2 butāns
(katalizators ir niķelis, platīns vai pallādijs).
2. Iegūšana no halogēna atvasinājumiem (Š.A. Vurtca reakcija, 1854).
2СН 3 I + 2Na CH 3 –CH 3 + 2NaI.
jodmetāna etāns
3. Iegūšana no karbonskābju sāļiem (laboratorijas metode).
CH 3 COONa (s) + NaOH (s). 
CH4 + Na2C03.
nātrija acetāta metāns
Šajās reakcijās parasti tiek ņemts nevis tīrs nātrija hidroksīds, bet gan tā maisījums ar kalcija hidroksīdu sodas kaļķi ... Izejmateriāli ir iepriekš kalcinēti.
4. Tieša saplūšana no oglekļa un ūdeņraža.
Elektriskā lokā, kas deg ūdeņraža atmosfērā, rodas ievērojams daudzums metāna:
C + 2H2 CH4.
Tāda pati reakcija notiek 400–500 ° C temperatūrā, aptuveni 30 MPa spiedienā un katalizatora - dzelzs vai mangāna - klātbūtnē. Šai reakcijai ir liela praktiska nozīme, lai iegūtu ogļūdeņražu - sintētiskā benzīna - maisījumu.
5. Ražošana no sintēzes gāzes.
nCO + (2n + 1) H2 
C n H 2n + 2 + nH 2 O.
sintēzes gāze
Fizikālās īpašības
Normālos apstākļos (pie 25 ° C un atmosfēras spiediena) pirmie četri alkānu (C 1 - C 4) sērijas locekļi ir gāzes. Normāli alkāni no pentāna līdz heptadekānam (C5 – C 17) ir šķidrumi, sākot no C 18 un augstāk ir cietas vielas. Palielinoties oglekļa atomu skaitam ķēdē, t.i. palielinoties relatīvajai molekulmasai, palielinās alkānu viršanas un kušanas temperatūra. Ar tādu pašu oglekļa atomu skaitu molekulā, sazarotajiem alkāniem ir zemāks viršanas punkts nekā parastajiem alkāniem.
Alkāni praktiski nešķīst ūdenī, jo to molekulas ir zemas polaritātes un nav mijiedarbības ar ūdens molekulām. Šķidrie alkāni viegli sajaucas viens ar otru. Viņi labi izšķīst nepolāros organiskos šķīdinātājos, piemēram, benzolā, tetrahlorogleklī (tetrahlorogleklī), dietilēterī utt.
Ķīmiskās īpašības
Ķīmiski alkāni ir neaktīvi, par kuriem tos sauca par parafīniem (no lat. parums afini - bez radniecības). Tas izskaidrojams ar -saišu izturību, kuru stabilitāte ir saistīta ar C atoma mazo izmēru un tā tetraedrisko konfigurāciju, kas veicina maksimālo elektronu blīvuma koncentrāciju starp atomu kodoliem. C - H saite ir nedaudz polarizēta, pateicoties C un H atomu elektronegativitātes tuvumam.Tāpēc alkāni ir zemas polaritātes vielas un grūti polarizējami; skābes, sārmi, parastie oksidētāji (piemēram, KMnO 4), metāli uz tiem nedarbojas.
Alkāniem ir iespējama homolītiska (radikāla) saišu plīsumi ar H atomu aizvietošanas, oglekļa skeleta šķelšanās (plaisāšana) un oksidācijas (daļēju vai pilnīgu) reakcijām.
1. Aizvietošanas reakcijas.
– Hlorēšana.
Kā aizvietošanas reakciju piemēru apsveriet metāna hlorēšanas reakciju, kas pieder pie radikālo ķēžu reakcijām. Process notiek enerģiski gaismā vai karsējot (līdz 250–400 ° C). Pirmais posms tiek saukts pirmsākumi, vai iniciēšana, ķēdes:
(gaismas kvantu vai augstas temperatūras enerģijas ietekmē dažas hlora molekulas tiek homolītiski sadalītas 2 atomos ar nepāra elektroniem - brīvajiem radikāļiem).
Cl + CH4 HCl + CH3 (metil); СН 3 + Сl 2 СН 3 Сl + Сl utt.
Atvērtā ķēde rodas, ja saduras divi brīvie radikāļi; šajā gadījumā var veidoties molekulas C 2 H 6, CH 3 Cl, Cl 2.
Citu alkānu hlorēšanā aizvietošana visvieglāk notiek pie terciārā oglekļa atoma (atoma, kas pavada 3 valences uz C-C saiti), pēc tam sekundārajā un visbeidzot pie primārā. Veidojot polihalogenētus savienojumus, hlora atomi galvenokārt aizvieto ūdeņraža atomus pie tiem pašiem vai blakus esošajiem oglekļa atomiem. - V.V. Markovņikovs.
– Nitrēšana (M.I.Konovalova reakcija, 1888. gads).
Reakciju veic ar 10% slāpekļskābi aptuveni 140 ° C temperatūrā un zemā spiedienā.
2. Oksidēšana.
Rūpniecībā alkāni tiek oksidēti ar atmosfēras skābekli uz mangāna katalizatoriem aptuveni 200 ° C temperatūrā. Šajā gadījumā C - C saites tiek sašķeltas un tiek iegūti skābekli saturoši savienojumi ar zemu molekulmasu - spirti, aldehīdi, ketoni, karbonskābes (sk. Dabiski avoti). Alkāni deg gaisā, izdalot lielu daudzumu siltuma. Tādēļ tos ikdienā un tehnoloģijās plaši izmanto kā augstas kaloritātes degvielu.
CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + 890 kJ.
Alkenes
Alkāni (etilēna ogļūdeņraži) - nepiesātinātie ogļūdeņraži, kuru molekulās ir viena dubultā saite C \u003d C.
Alkenu vispārējā formula - NO n H 2 n .
Divkāršu saiti veido divi ģeneralizētu elektronu pāri. Oglekļa atomi, kas saistīti ar dubulto saiti, ir sp 2-hibridizācijas stāvoklī, katrs no tiem veido 3 bon-saites, kas atrodas vienā plaknē 120 leņķī. Oglekļa atomu nehibrīdi p-orbitāles atrodas perpendikulāri -saišu plaknei un ir paralēli viens otram un "sānu" pārklāšanās dēļ veido saiti, kuras elektronu mākonis atrodas daļēji virs un daļēji zem molekulas plaknes.
Iegūšanas metodes
1. Alkāna pirolīze.
Pirolīze - organisko savienojumu ķīmisko pārveidojumu procesi, kas notiek laikā paaugstināta temperatūra.
Alkānu pirolīze ir vissvarīgākā rūpnieciskā metode alkēnu iegūšanai no eļļas frakcijām ar augstu viršanas temperatūru. Spēcīgi sildot (līdz 700 ° C) alkāna molekulās, -saites С - С un С - Н tiek homolītiski sadalītas. Šajā gadījumā veidojas dažādi brīvie radikāļi. Radikāļu mijiedarbības rezultātā ar alkāna molekulām un savā starpā veidojas zemas molekulmasas alkānu, alkēnu un ūdeņraža maisījums.
2. Alkānu dehidrogenēšana.
3. Alkoholu dehidratācija.
CH3-CH2-OH 
CH2 \u003d CH2 + H2O
Reakcijas mehānisms:
CH 3 –CH 2 – OH + HO – SO 3 H CH 3 – CH 2 – O – SO 3 H + H 2 O
etanols sērskābe skābe etilsērs skābe
CH 3 –CH 2 – O – SO 3 H 
CH2 \u003d CH2 + HO-SO3H
Spirtu dehidratācijas laikā ūdeņradi vislabāk noņem noteikums A.M. Zaiceva (1875) - no viena no blakus esošajiem oglekļa atomiem, kas ir nabadzīgāks ar ūdeņradi (vismazāk hidrogenēts):
4. Halogenēto atvasinājumu dehidrogenēšana.
Šis process norit arī pēc A.M. Zaitseva:
5. Dihalogenētu atvasinājumu dehalogenēšana.
Fizikālās īpašības
Fizikālo īpašību ziņā alkēni maz atšķiras no alkāniem ar vienādu oglekļa atomu skaitu molekulā. Zemākie C 2 –C 4 homologi normālos apstākļos. - gāzes; С 5 –С 17 - šķidrumi; augstākie homologi ir cietas vielas. Alkāni nešķīst ūdenī. Labi šķīst organiskajos šķīdinātājos.
Ķīmiskās īpašības
Raksturīga p-elektronu iezīme ir to mobilitāte, tos atomu kodoli notur mazāk nekā elektronus. Tāpēc -saite elektrofilo reaģentu ietekmē viegli polarizējas un heterolītiski saplīst, un tāpēc alkēniem ir raksturīgas pievienošanas reakcijas.
Turklāt alkēni viegli nonāk oksidācijas un divkāršās saites polimerizācijas reakcijās.
1. Elektrofilās pievienošanas reakcijas.
– Hidrogenēšana (ūdeņraža halogenīda pievienošana).
СН 3 –СН \u003d СН - СН 3 + НСl СН 3 –СН 2 –СССl - СН 3
Ja reakcijā piedalās nesimetrisks alkēns (piemēram, propēns), tad nosaka vēlamo reakcijas virzienu noteikums par V.V. Markovņikova (1869): kad HX tipa molekulas (kur X ir halogēna atoms, OH grupa utt.) Ir piesaistītas asimetriskiem alkēniem, H atoms ir piesaistīts alkenu molekulas hidrogenētākam C atomam:
CH3 – CH \u003d CH2 + HBr CH3 –CHBr – CH3.
propēna 2-bromopropāns
To var izskaidrot, pamatojoties uz šādiem apsvērumiem:
1). Elektronu blīvuma sadalījums nereaģējošā molekulā ( statiskais koeficients) - metilgrupa atgrūž C-C saites elektronu blīvumu. Rezultātā notiek -saites polarizācija:
Polārā HBr molekula ar H atoma palīdzību ir orientēta uz propēna molekulu, pateicoties elektrostatiskajai pievilcībai divkāršās saites elektroniem; Notiek jonu Н - Вr saites šķelšanās, un Н + jons galvenokārt tiek piesaistīts propēna molekulas pirmajam C atomam un piestiprinās tam ar saites saites elektronu pāra dēļ. Propēna molekulas vidējā C atomā parādās “+” lādiņš (molekula pārvēršas par karbokāciju):
Tad bromīda jons tiek pievienots pozitīvi uzlādētam C atomam karbocācijas vietā:
2). Iegūtās karbokācijas stabilitāte ( dinamiskais faktors). H + jonu mijiedarbība ar propēna molekulu teorētiski var izraisīt karbokācijas veidošanos 
(propēnijas jons-1). Tomēr tas nenotiek tāpēc, ka sakarā ar to, ka alkilradikāļi (CH 3 , CH 3 – CH 2 ) atgrūž elektronu blīvumu no sevis un apdzēš oglekļa atoma, propēnijas-2 jonu pozitīvo lādiņu 
Izrādās stabilāks par propenia-1 jonu. Tas arī atbalsta reakcijas virzīšanu saskaņā ar Markovņikova likumu.
– Hidratācija.
Šis process norit arī saskaņā ar V.V. Markovņikova:
– Halogenēšana (kvalitatīvā divkāršās saites reakcija ).
Tiek novērota broma ūdens krāsas maiņa.
2. Oksidācijas un reducēšanas reakcijas.
– E.E. Vāgners(1888) - kvalitatīva reakcija uz divkāršo saiti.
3СН 2 \u003d СН 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O 3HO - CH 2 –CH 2 – OH + 2KOH + 2MnO 2
etilēna glikols
Novēro brūni mangāna (IV) oksīda nogulsnes un kālija permanganāta šķīduma krāsas izmaiņas.
Skābā vidē alkēnu reakcija ar kālija permanganātu notiek ar C \u003d C saites šķelšanos, tāpēc veidojas atbilstošās karbonskābes vai ketoni:
5Н 3 C - CH \u003d CH - CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2SO 4 10H 3 C - COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O
butēns-2 etiķskābe skābe
5Н 3 C - CH \u003d C (СH 3) –CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2SO 4
2-metilbuten-2
5H 3 C - COOH + 5H 3 C - CO - CH 3 + 6MnSO4 + 3K 2SO 4 + 9H 2 O
etiķskābes propanons (acetons)
– Hidrogenēšana.
H3C-CH \u003d CH-CH3 + H2 
Н 3 C - CH 2 – CH 2 – CH 3
Šajā reakcijā kā katalizatorus papildus niķelim var izmantot platīnu un pallādiju.
3. Polimerizācijas reakcijas.
Polimerizācijas reakcija - tas ir nepiesātinātu savienojumu molekulu secīgs piestiprinājums viens otram, veidojot lielmolekulāru savienojumu - polimēru.
Visizplatītākie ogļūdeņražu polimēri ir polietilēns un polipropilēns.
nН 2 С \u003d СН 2 (–СН 2 –СН 2 -) n
etilēna polietilēns
Ierobežotie ogļūdeņraži jeb parafīni ir tās bioloģiskās savienojumi, kuru molekulās oglekļa atomi ir savienoti ar vienkāršu (vienu) saiti, un visas pārējās valences vienības ir piesātinātas ar ūdeņraža atomiem.
Alkāni: fizikālās īpašības
Ūdeņraža atdalīšana no alkāna molekulas vai dehidrogenēšana katalizatoru klātbūtnē un karsēšana (līdz 460 ° C) ļauj iegūt nepieciešamos alkēnus. Ir izstrādātas metodes alkānu oksidēšanai zemā temperatūrā katalizatoru (magnija sāļu) klātbūtnē. Tas ļauj tieši ietekmēt reakcijas gaitu un ķīmiskās sintēzes procesā iegūt nepieciešamos oksidācijas produktus. Piemēram, augstāku alkānu oksidēšana rada dažādus augstākus spirtus vai augstākas taukskābes.
Alkānu šķelšanās notiek arī citos apstākļos (sadegšana, plaisāšana). Piesātinātie ogļūdeņraži deg ar zilu liesmu, radot milzīgu siltuma daudzumu. Šīs īpašības ļauj tos izmantot kā augstas kaloritātes degvielu gan ikdienas dzīvē, gan rūpniecībā.
Raksta saturs
ALKĀNI UN CIKLOALKĀNI- ogļūdeņraži, kuros visi oglekļa atomi ir savienoti viens ar otru un ar ūdeņraža atomiem ar vienkāršām (vienreizējām) saitēm. Alkāni (sinonīmi - piesātināti ogļūdeņraži, piesātināti ogļūdeņraži, parafīni) - ogļūdeņraži ar vispārējā formula C n H 2 n+2, kur n - oglekļa atomu skaits. Pazīstamajam polietilēnam ir tāda pati formula, tikai tā vērtība n tas ir ļoti liels un var sasniegt desmitus tūkstošu. Turklāt polietilēns satur dažāda garuma molekulas. Cikloalkānos oglekļa atomi veido slēgtu ķēdi; ja ir tikai viens cikls, cikloalkāna formula C n H 2 n .
Atkarībā no secības, kādā oglekļa atomi tiek savienoti ķēdē, alkāni tiek sadalīti lineāros un sazarotos. Attiecīgi, alkāniem ar n і Var būt 4 vairāk nekā viena viela ar tādu pašu formulu. Šādas vielas sauc par izomēriem (no grieķu valodas. isis - vienāds, vienāds un meros - dala, dala.
Alkānu vārdi.
Vārdam "alkāns" ir tāda pati izcelsme kā "spirtam" ( skatīt zemāk). Novecojušais termins "parafīns" nāk no latīņu parum - maz, maz un ar afini saistītiem; parafīniem ir zema reaģētspēja attiecībā uz lielāko daļu ķīmisko reaģentu. Daudzi parafīni ir homologi; alkānu homoloģiskajā sērijā katrs nākamais loceklis atšķiras no iepriekšējā ar vienu metilēna grupu CH2. Termins nāk no grieķu homologiem - piemērots, līdzīgs.
Nomenklatūra (no lat. nomenklatūra - vārdu saraksts) alkānu nosaukumi tiek veidoti saskaņā ar noteiktiem noteikumiem, kas ne vienmēr ir viennozīmīgi. Tātad, ja alkāna molekulā ir dažādi aizvietotāji, tad alkāna vārdā tie ir uzskaitīti alfabēta secībā. Tomēr šī kārtība dažādās valodās var atšķirties. Piemēram, ogļūdeņradis СН 3 –СН (СН 3) –СН (С 2 Н 5) –СН 2 –СН 2 –СН 3 saskaņā ar šo noteikumu krievu valodā tiks saukts par 2-metil-3-etilheksānu, bet angļu valodā 3-etil-2-metilheksāns ...
Atbilstoši ogļūdeņraža nosaukumam alkilgrupas sauc arī par: metil (CH3-), etil (C2H5-), izopropil (CH3) 2 CH-, sek-butil-C2H5-CH (CH3) -, berzēt-butil (CH 3) 3 C - utt. Alkilgrupas ir iekļautas daudzos organiskos savienojumos kopumā; brīvā stāvoklī šīs daļiņas ar nepāra elektronu ir ārkārtīgi aktīvas.
Dažiem alkānu izomēriem ir arī triviāli nosaukumi ( cm... VIELU TRIVĀLIE NOSAUKUMI, piemēram, izobutāns (2-metilpropāns), izooktāns (2,2,4-trimetilpentāns), neopentāns (2,3-dimetilpropāns), skvalāns (2,6,10,15,19,23-heksametiltetrakozāns) , kura vārds cēlies no lat skvošs - haizivs (nepiesātināts skvalāna atvasinājums - skvalēns, savienojums, kas svarīgs metabolismam, vispirms tika atklāts haizivju aknās). Bieži tiek izmantots arī pentilgrupas (C 5 H 11) trivialais nosaukums - amil. Tas nāk no grieķu valodas. amilons - ciete: savulaik izoamilspirtu C 5 H 11 OH (3-metilbutanolu-1) sauca par “fermentācijas amilspirtu”, jo tas ir fuse eļļas pamats, un tas veidojas cukurotu vielu - cietes hidrolīzes produktu - fermentācijas rezultātā.
Vienkāršākais cikloalkānu C sērijas dalībnieks n H 2 n - ciklopropāns ( n \u003d 3). Tās homologi tiek nosaukti tāpat kā alkāni, pievienojot prefiksu "ciklo" (ciklobutāns, ciklopentāns utt.). Cikloalkānos ir iespējama izomērs, kas saistīta ar sānu alkilgrupu klātbūtni un to izvietojumu gredzenā. Piemēram, cikloheksāns, metilciklopentāns, 1,1-, 1,2- un 1,3-dimetilciklobutāni, 1,1,2- un 1,2,3-trimetilciklopropāni ir izomēri.
Alkāna izomēru skaits strauji palielinās, palielinoties oglekļa atomu skaitam. Dažu alkānu nosaukumi, kā arī to iespējamo izomēru skaits ir norādīts tabulā.
| Formula | Vārds | Izomēru skaits | Formula | Vārds | Izomēru skaits |
| CH 4 | Metāns | 1 | S 11 N 24 | Nejēdzīgi | 159 |
| C 2 H 6 | Etāns | 1 | C12H26 | Dodekāns | 355 |
| C 3 H 8 | Propāns | 1 | S 13 N 28 | Tridekanāns | 802 |
| C 4 H 10 | Butāns | 2 | S 14 N 30 | Tetradecan | 1858 |
| C 5 H 12 | Pentāns | 3 | S 15 N 32 | Pentadekāns | 4347 |
| C 6 H 14 | Heksāns | 5 | C 20 N 42 | Eikozāns | 366319 |
| C 7 H 16 | Heptāns | 9 | S 25 N 52 | Pentakosāns | 36797588 |
| C 8 H 18 | Oktānskaitlis | 18 | S 30 N 62 | Triacontan | 4111846763 |
| C 9 H 20 | Nonan | 35 | C 40 N 82 | Tetrakontan | 62481801147341 |
| S 10 N 22 | Prāvests | 75 | S 100 N 202 | Hektāns | apmēram 5.921 10 39 |
Darbs ar lielāko daļu piesātināto ogļūdeņražu nomenklatūras nosaukumu nav ļoti grūti pat tiem, kuri klasiskajā ģimnāzijā nemācījās grieķu valodu. Šie nosaukumi nāk no grieķu cipariem, pievienojot piedēkli -an. Ar pirmajiem sērijas dalībniekiem ir grūtāk: viņi izmantoja nevis ciparus, bet citas grieķu saknes, kas saistītas ar atbilstošo spirtu vai skābju nosaukumiem. Šie spirti un skābes bija zināmas ilgi pirms atbilstošo alkānu atklāšanas; piemērs ir etilspirts un etāns (iegūti tikai 1848. gadā).
Metānam (kā arī metanolam, metilgrupai, metilēnam utt.) Ir kopīga sakne "met", kas ķīmijā nozīmē grupu, kas satur vienu oglekļa atomu: metil-CH3, metilēn (metilidēns) CH2, metīns (metilidīns) CH. Vēsturiski pirmā šāda viela bija metilspirts (pazīstams arī kā koks), metanols, ko iepriekš ieguva, destilējot koksni. Tās nosaukums cēlies no grieķu vārdiem meti - lai apreibinātu vīnu un jūdzi - mežs (tā sakot, “koksnes vīns”). Visspilgtākais šeit ir tas, ka metānam, ametistam un medum ir kopīga sakne! Senatnē dārgakmeņi tika apveltīti maģiskās īpašības (un daudzi joprojām tam tic). Tātad, tika uzskatīts, ka skaisti purpursarkanie akmeņi aizsargā no reibuma, it īpaši, ja dzeramā kauss ir izgatavots no šī akmens. Kopā ar negatīvo prefiksu izrādījās ametisti - pretstatot intoksikācijai. Vārds medus, izrādās, ir gandrīz visās Eiropas valodās: angļu. mida - medus (kā dzēriens), vācu met (vecvācu laikā), holandiešu mede, zviedru mjöd, dāņu mjød, lietuviešu un latviešu medus, nemaz nerunājot par slāvu valodām. Visi šie vārdi, ieskaitot grieķu valodu, nāk no indoeiropiešu medhu, kas nozīmē saldu dzērienu. Grieķijas brendijs Metaxa ir aizgājis tālu no viņiem, lai arī tas nemaz nav salds.
Etānam (kā arī ēterim, etanolam, spirtam, alkānam) ir kopīga izcelsme. Senie grieķu filozofi nosauca vai nu par noteiktu vielu, kas caurstrāvo kosmosu. Kad alķīmiķi 8. gadsimtā. iegūts no vīnspirta un sērskābes viegli iztvaikojošs šķidrums, to sauca par sēra ēteri. 19. gadsimtā. noskaidroja, ka sēra ēteris (angļu ēterī) attiecas uz tā saucamajiem ēteriem un satur divu oglekļa atomu grupu - tādu pašu kā etilspirtu (etanolu); šī grupa tika nosaukta par etil- (etil). Tādējādi vielas nosaukums “etilēteris” (C 2 H 5 –O – C 2 H 5) būtībā ir “eļļas eļļa”.
No "etils" nāca nosaukums etāns. Viens no etanola nosaukumiem, spirts, ir ar tādu pašu izcelsmi kā vārdam alkāns (un arī alkēns, alkīns, alkil). Arābu al-kohl - pulveris, pulveris, putekļi. Pēc mazākās elpas tie paceļas gaisā, kā arī vīna tvaiki - “vīna spirts”, kas galu galā pārvērtās tikai par alkoholu.
Kāpēc burts "t" ir "etānā" un "etanolā", un "f" ir "ēterī"? Galu galā angļu valodaatšķirībā no krievu valodas vārdiem "ēteris" (ēters) un "etilis" (etilis) ir līdzīga pareizrakstība un skaņa. Th nāk no grieķu burta q (theta); krievu valodā līdz 1918. gadam burtam "phita" bija tāds pats stils, kuru tomēr izrunāja kā "f", un to izmantoja tikai to vārdu atdalīšanai, kuros šis burts nāk no grieķu valodas q un 247 ("fi"). Rietumeiropas valodās - grieķu. j devās uz ph, un q devās uz th. Krievu valodā, daudzos vārdos, “der” jau 18. gadsimtā. tika aizstāts ar burtu "f": teātris vietā "qeaftr", matemātika nevis "matemātika", teorija nevis "teorija" ... Šajā sakarā ir interesanti, ka Dahla vārdnīcā, kas publicēta 1882. gadā, tas ir uzrakstīts eqir, un enciklopēdiskā vārdnīca Brockhaus un Efron (1904) - "ēteris".
Starp citu, rietumu valodās esteri ir esteri, nevis ēteri. Bet krievu valodā nav vārda "ester", tāpēc jebkuru ķīmiķi pārsteidz analfabētiskais angļu poliestera tulkojums uz tekstilizstrādājumu etiķetēm kā "poliesters", nevis "poliesters", "poliestera šķiedra" (poliesteri ietver, piemēram, lavsanu, terilēnu, dakronu).
Nosaukumi "propāns" un "butāns" nāk no atbilstošo skābju nosaukumiem - propionskābes un butānskābes (sviestskābes). Propionskābe ir "pirmā" (ti, ar īsāko ķēdi), kas atrodama taukos ( cm... TAUKI UN EĻĻAS), un tā nosaukums ir cēlies no grieķu valodas. protos - pirmais un pionu - tauki. Butāns un butānskābe (rus. sviesta skābe) - no grieķu valodas. butirons - eļļa; krievu valodā butirāti ir sviestskābes sāļi un esteri. Šī skābe izdalās, kad eļļa ir sasmacis.
Tālāk, sākot ar pentānu, nosaukumi ir atvasināti no grieķu cipariem. Rets izņēmums ir cetāns, viens no heksadecāna C 16 nosaukumiem. Šis vārds cēlies no cetilspirta nosaukuma, kuru 1823. gadā ieguva franču ķīmiķis Mišels Jevgeņijs Čevreuls. Chevreul izdalīja šo vielu no spermaceta, vaskam līdzīgas vielas no spermas vaļa galvas. Vārds spermaceti nāk no grieķu spermas - sēklām un ketos - liela jūras dzīvnieka (valis, delfīns). No otrā vārda (cetus) latīņu valodas rakstības nāk cetilspirts C 16 H 33 OH (heksadekanols) un cetāns.
Krievu valodā ir daudz vārdu ar tādām pašām saknēm kā alkāniem: Pentagons, heptahords (7 soļu skala), dodekafonija (muzikālā kompozīcijas metode), oktāva, decima un undecima (mūzikas intervāli), oktets un nonet (8 un 8 ansambļi). 9 mūziķi), pentode, heksode un heptode (radio caurules); heksametrs (vārsma lielums), oktaedrs, desmitgade, dekans, hektārs, oktobris, decembris utt. utt.
Alkānu ar visgarākajām molekulām 1985. gadā sintezēja britu ķīmiķi. Tas ir nekontaktauretāns C 390 H 782, kas satur 390 oglekļa atomu ķēdi. Pētniekus interesēja, kā kristalizācijas laikā saķersies šādas garas ķēdes (elastīgas ogļūdeņražu ķēdes var viegli salocīt).
Alkānu izomēru skaits.
Teorētiski iespējamā alkāna izomēru skaita problēmu vispirms atrisināja angļu matemātiķis Artūrs Kailejs (1821-1895), kurš bija viens no nozīmīgas matemātikas nozares - topoloģijas - dibinātājiem (1879. gadā viņš publicēja pirmo rakstu par slaveno “četru krāsu problēmu”: vai ar tām pietiek, lai krāsotu jebkuru ģeogrāfisko kartes; šī problēma tika atrisināta tikai 1976. gadā). Izrādījās, ka nav formulas, saskaņā ar kuru oglekļa atomu skaits alkānā C n H 2 n+2 aprēķina tā izomēru skaitu. Ir tikai tā saucamās atkārtotās formulas (no latīņu valodas atkārtojas - atgriešanās), kas ļauj aprēķināt izomēru skaitu n- sērijas ceturtais termiņš, ja iepriekšējā termina izomēru skaits jau ir zināms. Tāpēc aprēķini lieliem n ir iegūti salīdzinoši nesen ar datoru palīdzību un nogādāti ogļūdeņražā C 400 N 802; tam, ņemot vērā telpiskos izomērus, iegūst vērtību, ko grūti iedomāties: 4,776 · 10 199. Un jau sākot ar alkānu C 167 H 336, izomēru skaits pārsniedz elementāro daļiņu skaitu Visuma redzamajā daļā, kas tiek lēsta kā 10 80. Izomēru skaits, kas norādīts tabulā lielākajai daļai alkānu, ievērojami palielināsies, ja ņemsim vērā arī spoguļsimetriskas molekulas - stereoizomērus ( cm... OPTISKĀ IZOMERIJA): heptānam - no 9 līdz 11, dekānam - no 75 līdz 136, eikozānam - no 366 319 līdz 3 396 844, hektānam - no 5,921 · 10 39 līdz 1,373 · 10 46 utt.
No ķīmiķa viedokļa piesātināto ogļūdeņražu strukturālo izomēru skaits praktiski interesē tikai pirmos sērijas dalībniekus. Pat salīdzinoši vienkāršam alkānam, kas satur tikai piecpadsmit oglekļa atomus, lielākais izomēru daudzums nav iegūts, un maz ticams, ka tas kādreiz tiks sintezēts. Piemēram, pēdējais no teorētiski iespējamiem 75 dekāna izomēriem tika sintezēts tikai līdz 1968. gadam. Un tas tika darīts praktiskos nolūkos - lai būtu pilnīgāks standarta savienojumu komplekts, pēc kura iespējams identificēt dažādus ogļūdeņražus, piemēram, tos, kas atrodami eļļā. Starp citu, visi 18 iespējamie oktāna izomēri tika atrasti dažāda veida eļļās.
Bet pats interesantākais ir tas, ka, sākot ar heptadekānu C 17 H 36, sākumā tikai daži no teorētiski iespējamiem izomēru skaita, pēc tam daudzi, un visbeidzot gandrīz visi no tiem ir spilgts "papīra ķīmijas" piemērs, t.i. nevar īsti pastāvēt. Lieta ir tāda, ka, palielinoties oglekļa atomu skaitam sazarotu izomēru molekulās, rodas nopietnas telpiskās iepakojuma problēmas. Galu galā matemātiķi oglekļa un ūdeņraža atomus uzskatīja par punktiem, ja patiesībā tiem ir ierobežots rādiuss. Tātad, metāna "bumbiņai" uz virsmas "ir 4 ūdeņraža atomi, kas uz tā brīvi atrodas. Neopentānā C (CH 3) 4 uz "virsmas" jau ir 12 ūdeņraža atomi, kas atrodas daudz tuvāk viens otram; bet viņiem joprojām ir vietas. Bet alkānam 4 (C 17 H 36) uz virsmas ir maz vietas, lai tajā ietilptu visi 36 ūdeņraža atomi 12 metilgrupās; ir viegli pārbaudīt, vai šādiem izomēriem mēs uzzīmējam plakanu attēlu (vai vēl labāk - veidojiet tilpuma modeli no plastilīna un sērkociņiem), novērojot C-C un C-H saišu garumu noturību un visus leņķus starp tām). Ar izaugsmi n izvietojuma problēmas rodas arī oglekļa atomiem. Tā rezultātā, neskatoties uz to, ka iespējamo izomēru skaits palielinās n palielinās ļoti ātri, "papīra" izomēru īpatsvars aug daudz straujāk. Datorizēts novērtējums parādīja, ka n patiešām iespējamo izomēru skaita attiecība pret "papīra" izomēru skaitu ātri vien kļūst par nulli. Tāpēc aprēķins precīzs numurs piesātinātu ogļūdeņražu izomēri lieliem n, kas kādreiz izraisīja ievērojamu interesi, tagad ķīmiķiem ir tikai teorētiska nozīme.
Alkānu struktūra un fizikālās īpašības.
Alkānos četras oglekļa atoma sp 3-hibrīdas orbitāles ( cm... ORBITĀLI) ir vērsti uz tetraedra virsotnēm ar leņķi starp tām aptuveni 109 ° 28 "- šajā gadījumā atgrūšanās starp elektroniem un sistēmas enerģiju ir minimāla. Šo orbitāļu pārklāšanās rezultātā viena ar otru, kā arī ar s-ūdeņraža atomu orbitāles veido s-saites C – C un C – H. Šīs saites alkāna molekulās ir kovalentas nepolāras vai zemas polaritātes.
Alkānos tiek izdalīti primārie oglekļa atomi (tie ir saistīti tikai ar vienu blakus esošo C atomu), sekundārie (saistīti ar diviem C atomiem), terciārie (saistīti ar trim C atomiem) un kvartāra (saistīti ar četriem C atomiem). Tātad 2,2-dimetil-3-metilpentānā CH 3 – C (CH 3) 2 – CH (CH 3) –CH 2 – CH 3 ir viens ceturtējais, viens terciārais, viens sekundārais un pieci primārie oglekļa atomi. Atšķirīgā oglekļa atomu vide ļoti spēcīgi ietekmē ar tiem saistīto ūdeņraža atomu reaktivitāti.
Sp 3 -orbitāļu telpiskais izvietojums, sākot ar propānu, noved pie oglekļa ķēžu zigzaga konfigurācijas. Šajā gadījumā ir iespējama molekulu fragmentu rotācija ap C - C saitēm (etāna molekulā pie 20 ° C - ar ātrumu miljoniem apgriezienu sekundē!), Kas padara augstāku alkānu molekulas elastīgas. Šādu ķēžu iztaisnošana notiek, piemēram, izstiepjot polietilēnu, kas sastāv no alkānu un garu ķēžu maisījuma. Alkāna molekulas savstarpēji vāji mijiedarbojas, tāpēc alkāni kūst un vārās daudz zemākā temperatūrā nekā vielas ar polārām molekulām, kas tām tuvu masu. Pirmie 4 homologās metāna sērijas locekļi normālos apstākļos ir gāzes, propāns un butāns tiek viegli sašķidrināti zemā spiedienā (šķidrais propāna-butāna maisījums ir mājsaimniecības gāzes balonos). Augstākie homologi ir šķidrumi ar benzīna vai cietu vielu smaržu, kas neizšķīst ūdenī un peld uz tā virsmas. Alkānu kušanas un viršanas temperatūra palielinās, palielinoties oglekļa atomu skaitam molekulā, savukārt temperatūras paaugstināšanās pakāpeniski palēninās, tāpēc C 100 H 202 kūst pie 115 ° C, C 150 H 302 - pie 123 ° C. Kušanas un viršanas punkti pirmajiem 25 alkāni ir norādīti tabulā - var redzēt, ka, sākot ar oktadekānu, alkāni ir cietas vielas.
| Tabula. ALKĀNU Kausēšanas un vārīšanas temperatūra | ||
| Alkāns | T pl | T ķīpu |
| Metāns | –182,5 | –161,5 |
| Etāns | –183,3 | –88,6 |
| Propāns | –187,7 | –42,1 |
| Butāns | –138,4 | –0,5 |
| Pentāns | –129,7 | 36,1 |
| Heksāns | –95,3 | 68,7 |
| Heptāns | –90,6 | 98,4 |
| Oktānskaitlis | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| Prāvests | –29,7 | 174,1 |
| Nejēdzīgi | –25,6 | 195,9 |
| Dodekāns | –9,6 | 216,3 |
| Tridekanāns | –5,5 | 235,4 |
| Tetradecan | +5,9 | 253,7 |
| Pentadekāns | +9,9 | 270,6 |
| Heksadekāns | 18,2 | 286,8 |
| Heptadekāns | 22,0 | 301,9 |
| Oktadekāns | 28,2 | 316,1 |
| Nonadecan | 32,1 | 329,7 |
| Eikozāns | 36,8 | 342,7 |
| Geneicosan | 40,5 | 356,5 |
| Dokosan | 44,4 | 368,6 |
| Tricosan | 47,6 | 378,3 |
| Tetracosan | 50,9 | 389,2 |
| Pentakosāns | 53,7 | 399,7 |
Sazarojums ķēdē dramatiski maina fizikālās īpašības, īpaši kušanas temperatūru. Tātad, ja normālas struktūras heksāns ( n-heksāns) kūst temperatūrā –95,3 ° С, tad tā izomēriskais 2-metilpentāns –153,7 ° С. Tas ir saistīts ar to, ka to kristalizācijas laikā ir grūti iesaiņot sazarotās molekulas. Rezultātā alkāni ar ķēdes atzarojumiem nekristalizējas, ātri atdzesējot, bet nonāk pārdzesēta šķidruma stiklotā stāvoklī ( cm... STIKLS). Piemēram, ja plānā ampulā ar pentānu tiek iegremdēts šķidrā slāpeklī (temperatūra –196 ° C), viela pārvērtīsies baltajam sniegam līdzīgā masā, bet izopentāns (2-metilbutāns) sacietēs caurspīdīgā “stiklā”.
Atšķirība starp lineāru un sazarotu alkānu ģeometriskajām formām balstās uz sākotnējo atdalīšanas metodi: urīnvielas kristālos ir kanāli, kuros var ietilpt alkāni ar taisnu ķēdi, un sazarotie ne.
Cikloalkāni ar n \u003d 2, 3 - gāzes, augstākas pakāpes - šķidrumi vai cietas vielas. Lielākais cikls, ko ķīmiķiem ir izdevies sintezēt, ir ciklooktoktakontadiktans C 288 H 576. Cikloalkānu molekulu ar nepāra un nepāra oglekļa atomu skaitu molekulā atšķirīgā forma rada spēcīgu nepāra efektu attiecībā uz kušanas temperatūru, ko var redzēt no tabulas. Šis efekts ir izskaidrojams ar dažādu formu kristālu iesaiņojuma molekulu "ērtības" atšķirību: jo kompakts ir iesaiņojums, jo spēcīgāks ir kristāls un jo augstāka ir tā kušanas temperatūra. Piemēram, ciklododekāns kūst gandrīz 70 ° virs sava tuvākā homologa - cikloundekāna. Protams, liela nozīme ir arī molekulas masai: zemākās temperatūrās izkūst vieglas molekulas.
| 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 |
| S 8 N 16 | 14,3 |
| C 9 H 18 | 9,7 |
| S 10 N 20 | 10,8 |
| S 11 N 22 | –7,2 |
| C12H24 | 61,6 |
| S 13 N 26 | 23,5 |
| C14H28 | 54 |
| S 15 N 30 | 62,1 |
Rotācijas vieglums ap C-C saiti noved pie tā, ka cikloalkāna molekulas nav plakanas (izņemot ciklopropānu), tādā veidā izvairoties no stipriem saites leņķu kropļojumiem. Tātad, cikloheksānā un tā augstākajos homologos saites saites leņķi ir neizstiepti un tuvu tetraedriskajam (109 °), savukārt sešstūrī leņķi ir 120 °, astoņstūrī - 135 ° utt. Atsevišķi oglekļa atomi šādos cikloalkānos neaizņem stingri fiksētu stāvokli: šķiet, ka gredzens atrodas pastāvīgā viļņveidīgā kustībā. Tātad, cikloheksāna molekula var būt dažādu ģeometrisku struktūru (konformeru) formā, kas var pārveidoties savā starpā (cikla inversija). Ārējā līdzībā tās sauca par “bathtub” un “armchair” (angļu literatūrā “bathtub” sauc par “boat”):
Krēsla forma ir stabilāka; apkārtējās vides temperatūrā stabilākā krēsla formā pastāv 99,9% cikloheksāna. Pāreja starp abām formām tiek veikta, izmantojot starpposma "savērpumu" (no angļu valodas. vērpjot - vērpjot).
Ciklopropānā leņķis samazinās no 108 ° līdz 60 °, kas izraisa stipru spriegumu un saišu “liekšanos”, kas ieņem starpposmu starp parastajām s- un p-saitēm; formas dēļ šīs saites tiek sauktas par "banānu". Šajā gadījumā oglekļa atomu sp 3 orbitāles pārklājas tikai daļēji. Rezultāts ir ciklopropāna ķīmisko īpašību divējādība. No vienas puses, tajā ir iespējama ūdeņraža atomu aizstāšana (reakcija, kas raksturīga alkāniem), no otras puses, ir iespējama pievienošana ar gredzena atvēršanu (reakcija, kas raksturīga alkēniem, piemēram: ciklo-C3H6 + Br2 ® BrCH2CH2CH2Br).
Cikloalkānus ar diviem gredzeniem un vienu kopīgu oglekļa atomu sauc par spiroalkāniem. Ja ir vairāk nekā divi kopējie oglekļa atomi, tad veidojas bicikloalkāni, tricikloalkāni utt. Šīs vairāku ciklu "savstarpējas savienošanas" rezultātā uzreiz ķīmiķiem izdevās iegūt ogļūdeņražus, kuru telpiskā struktūra atbilst dažādiem polihedroniem: tetraedriem, kubiem, prizmām utt. Bicikliskie atvasinājumi. Cikloheksāns ir atrodams ēteriskajās eļļās, skujkoku sveķos, terpentīnā. Ciklu, kurā ir seši un pieci oglekļa atomi, satur kampars, holesterīns, saharīns, piperīns (tas melnajiem pipariem piešķir dedzinošu garšu), slāpekļa bāzes - nukleotīdi un citi savienojumi (kamēr daži oglekļa atomi ciklos var būt divkāršās saites, bet daži tiek aizstāti) citi atomi, piemēram, saharīns). Cikls, kurā ir 17 oglekļa atomi (divi no tiem ir divkārši saistīti), ir ietverts civetonā - smaržā, kas ir muskusa sastāvdaļa, ko izmanto parfimērijā. Skaistā adamantāna molekula satur trīs sešstaru gredzenus un pēc struktūras atbilst dimanta kristāla režģim. Adamantāna struktūra ir iekļauta pretvīrusu zāļu rimantadīnā heksametilēntetramīnā (pēdējā savienojumā 4 oglekļa atomus aizstāj ar slāpekļa atomiem, kurus savā starpā savieno ar metilēna tiltiem –CH2 -). Zemāk ir dažu cikloalkānu struktūras, kuru molekulās ir vairāk nekā viens atšķirīgi savienots cikls.
Biciklodekāns (tetrahidronaftalīns, dekalīns)
Adamantāne
Alkānu ķīmiskās īpašības.
Alkāni ir vismazāk ķīmiski aktīvi organiskie savienojumi. Visas C-C un C-H saites alkānos ir vienas, tāpēc alkāni nespēj veikt pievienošanas reakcijas. Alkānus raksturo ūdeņraža atomu aizstāšanas reakcija ar citiem atomiem un atomu grupām. Tādējādi, hlorējot metānu, veidojas metilhlorīds CH 3 Cl, metilēnhlorīds CH2 Cl2, trihlormetāns (hloroforma) CHCl3 un oglekļa tetrahlorīds (oglekļa tetrahlorīds) CCl4. Šīs reakcijas notiek pēc ķēdes mehānisma ar brīvo radikāļu starpposma veidošanos.
Alkānu hlorēšanā, sākot ar propānu, pats pirmais hlora atoms var aizstāt dažādus ūdeņraža atomus. Aizvietošanas virziens ir atkarīgs no C - H saites stipruma: jo vājāks tas ir, jo ātrāka ir šī konkrētā atoma aizstāšana. Primārās С - Н obligācijas, kā likums, ir stiprākas nekā sekundārās obligācijas, un sekundārās obligācijas ir stiprākas nekā terciārās. Rezultātā hlorēšana 25 ° С temperatūrā pie otrās saites (СН 3) 2 СН - Н notiek 4,5 reizes ātrāk nekā pie primārās saites С 2 Н 5 –Н, un terciārā saite (СН 3) 3 С - Н - rodas 6,7x ātrāk. Primārā, sekundārā un terciārā ūdeņraža atomu atšķirīgā reaktivitāte var novest pie tā, ka no vairākiem iespējamiem hlorēšanas produktiem dominēs tikai viens. Piemēram, hlorējot 2,3-dimetilbutānu oglekļa disulfīda (CS 2) šķīdumā, iegūst 95% 2-hlora atvasinājumu un tikai 5% 1-hlora atvasinājumu, t.i. 19 reizes mazāk. Ja ņemam vērā, ka sākotnējā alkānā ir 6 reizes vairāk primāro ūdeņraža atomu nekā terciārajos, tad to reaktivitātes attiecība būs vēl lielāka (19 ґ 6 \u003d 114). Oglekļa disulfīds kā šķīdinātājs samazina hlora atomu reaktivitāti un attiecīgi palielina tā selektivitāti. Temperatūras pazemināšana darbojas līdzīgi.
Broma atomi ir mazāk aktīvi; šīs reakcijas pamanāmā aktivizācijas enerģija noved pie tā, ka alkānu bromēšana, kaut arī notiek saskaņā ar ķēdes mehānismu, ir daudz lēnāka nekā hlorēšana un tikai paaugstinātā temperatūrā vai gaismā. Broma atomu zemāka aktivitāte arī palielina broma selektivitāti. Tātad, ja etāna fotoķīmiskās bromācijas relatīvais ātrums 40 ° C temperatūrā ir vienāds ar 1, tad propāna bromācijas ātrums (pie sekundārā H atoma) ar šādiem pašiem nosacījumiem būs 220, bet izobutāna bromācijas ātrums (pie terciārā H atoma) - 19000.
Joda atomi ir vismazāk aktīvi, tāpēc alkānu RH + I 2 ® RI + HI joda reakcija ir endotermiska, iespējama tikai augstā temperatūrā un notiek ar ļoti īsām ķēdēm. Turklāt apgrieztā eksotermiskā reakcija RI + HI ® RH + I 2 norit ļoti viegli. Kad alkāni tiek jodēti, veidojas arī nepiesātināti savienojumi. Piemēram, 685 ° C temperatūrā etāns, reaģējot ar jodu, veido 72% etilēna un 10% acetilēna. Tādi paši rezultāti tika iegūti ar propānu, butānu un pentānu.
Alkānu fluorēšanas reakcija notiek ļoti strauji, bieži eksplozīvi, veidojot visus iespējamos sākotnējā alkāna polifluorētos atvasinājumus. Alkānu fluorēšanas laikā atbrīvotā enerģija ir tik liela, ka tā var izraisīt produkta molekulu sadalīšanos radikāļos, kas sāk jaunas ķēdes. Tā rezultātā reakcijas ātrums palielinās kā lavīna, un tas izraisa eksploziju pat zemā temperatūrā. Alkāna fluorēšanas īpatnība ir iespēja iznīcināt oglekļa skeletu ar fluora atomiem, veidojot CF 4 kā galaproduktu kopā ar citiem halogēniem, šāda reakcija nenotiek.
Alkānu nitrēšana (Konovalova reakcija) notiek arī pēc radikāla mehānisma: RH + NO 2 ® R + HNO 2, R + NO 2 ® RNO 2. NO 2 avots ir slāpekļskābe, kas karsējot sadalās. Reakciju veic šķīdumā temperatūrā virs 150 ° C vai tvaikos zem spiediena līdz 10 atm un temperatūrā 400 - 500 ° C. Pēdējā gadījumā tiek sabojātas arī C-C saites alkānos un veidojas nitroalkānu maisījums.
Visi alkāni deg, izdalot siltumu, piemēram: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Šī reakcija jo īpaši notiek iekšdedzes dzinēju cilindros. Lai novērstu nesadegušo alkānu palieku iekļūšanu atmosfērā, tiek izmantota to katalītiskā pēcdegšana izplūdes caurulēs (tajā pašā laikā sadedzina CO un slāpekļa oksīdi tiek pārveidoti par nekaitīgu slāpekli). Skābekļa reakcija ar augstākiem alkāniem (parafīna sastāvā) notiek, kad svece deg. Gāzveida alkāni, piemēram, metāns, ar gaisu veido sprādzienbīstamus maisījumus. Šādi maisījumi var veidoties raktuvēs, kā arī dzīvojamās ēkās, kad noplūst gāze, ja tā saturs gaisā sasniedz 5%.
Ievērojami ķīmiķu centieni tika novirzīti uz sīku alkānu zemas temperatūras oksidācijas reakcijas izpēti, lai apturētu to vērtīgu starpproduktu - aldehīdu, ketonu, spirtu, karbonskābju - veidošanās posmā. Tātad, klātesot Co (II), Mn (II) sāļiem, butānu var oksidēt par etiķskābi, parafīnu - par taukskābēm C 12 - C 18. Cikloheksāna oksidēšana rada kaprolaktāmu - monomēru neilona un adipīnskābes ražošanai.
Svarīga rūpnieciska reakcija ir alkānu fotoķīmiskā sulfohlorēšana: kopēja radikālu ķēžu reakcija ar Cl 2 un SO 2, veidojot alkānsulfonskābes RSO 2 Cl skābes hlorīdus. Šo reakciju plaši izmanto mazgāšanas līdzekļu ražošanā. Ja hloru aizstāj ar skābekli, notiek alkānu sulfooksidācijas radikālā ķēdes reakcija, veidojot alkānsulfoskābes R - SO2 – OH. Šo skābju nātrija sāļi tiek izmantoti kā mazgāšanas un emulgatori.
Augstās temperatūrās notiek alkānu sadalīšanās (pirolīze), piemēram: 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. Pēdējā reakcija notiek 500 ° C temperatūrā katalizatora (Ni) klātbūtnē. Līdzīgi 2-butēnu CH3CH \u003d CHCH3 var iegūt no butāna, veidojot etilēna un etāna maisījumu. Pretstatā šai radikālajai reakcijai alkānu katalītiskā krekinga process notiek saskaņā ar jonu mehānismu un kalpo benzīna iegūšanai no smagākām naftas frakcijām. Piemēram, karsējot Lūisa skābju klātbūtnē, notiek AlCl 3 izomerizācija: nesazarotie (parastie) alkāni tiek pārveidoti sazarotajos ar vienādiem oglekļa atomiem. Šai reakcijai ir liela praktiska nozīme augstas kvalitātes motordegvielas iegūšanai ( cm... OKTĀNU SKAITS). Alkānu dehidrogenēšanu var papildināt ar gredzena slēgšanu (dehidrociklizāciju). Heksāna dehidrociklizācijas gadījumā benzols ir galvenais produkts.
Metāns augstā temperatūrā katalizatora klātbūtnē reaģē ar ūdens tvaikiem un oglekļa monoksīdu (IV), veidojot sintēzes gāzi: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Sintēzes gāzi izmanto, lai ražotu degvielu un metilspirtu.
IN pēdējie gadi ķīmiķu centieni ir vērsti uz tādu katalizatoru izveidi, kas vieglos apstākļos aktivizē C - H saites alkāna molekulās. Daži mikroorganismi "spēj" veikt šādas reakcijas, kuru fermenti ir spējīgi "sagremot" pat parafīnu, veidojot olbaltumvielu savienojumus. Ķīmiķu uzdevums ir saprast, kā darbojas dabiskie katalizatori, un simulēt fermentatīvas reakcijas, kas var notikt parastās temperatūrās. Šajā gadījumā kā katalizatorus izmanto dažādus metālorganiskos savienojumus. Piemēram, dažu platīna savienojumu klātbūtnē ir iespējams iegūt metanolu CH 3OH tieši no metāna, un rodija Rh [(C 6 H 5) 3 P] trifenilfosfīna kompleksa klātbūtnē, kas piesaistīts CO molekulām; reakcijas gaitā CO molekulas tiek iekļautas alkānu C - H saitē, veidojot aldehīdus.
Cikloalkāni ir ķīmiski līdzīgi alkāniem. Tātad, tie ir viegli uzliesmojoši, tos var halogenēt ar radikālu mehānismu, paaugstinātā temperatūrā katalizatoru klātbūtnē, kurus tie dehidrē - tie sadala ūdeņradi un pārvēršas par nepiesātinātiem ogļūdeņražiem. Īpašās īpašībastiek teikts, ka tajā ir ciklopropāns. Atšķirībā no alkāniem, cikloalkāni ir hidrogenēti, un cikls tiek atvērts, un veidojas alkāni, piemēram: ciklo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reakcija norisinās, karsējot platīna katalizatora klātbūtnē). Palielinoties cikla lielumam, reakcija kļūst grūtāka - piemēram, ciklopentāns ar lielām grūtībām un augstā temperatūrā (300 ° C) jau tiek hidrogenēts (līdz pentānam).
Būt dabā un saņemt.
Galvenie alkānu avoti ir nafta un dabasgāze. Metāns veido lielāko daļu dabasgāzes, tajā ir arī neliels daudzums etāna, propāna un butāna. Metāns atrodas purvu un akmeņogļu izdalījumos. Līdzās vieglajiem homologiem saistītajās naftas gāzēs ir arī metāns. Šīs gāzes zem spiediena izšķīdina eļļā un atrodas arī virs tās. Alkāni veido ievērojamu naftas pārstrādes produktu daļu. Satur eļļā un cikloalkānos - tos sauc par naftenīniem (no grieķu valodas. ligroīns - eļļa). Alkānu gāzes hidrāti, galvenokārt metāns, ir arī plaši izplatīti dabā, tie sastopami nogulumiežu kontinentos un okeānu apakšā. Viņu rezerves, visticamāk, pārsniegs zināmās dabasgāzes rezerves, un nākotnē tās var būt metāna un tā tuvāko homologu avots.
Alkānus iegūst arī ar ogļu pirolīzi (koksēšanu) un hidrogenēšanu (iegūstot sintētisko šķidro kurināmo). Cietie alkāni dabā ir sastopami kalnu vaska - ozokerīta - nogulsnēs, lapu, ziedu un augu sēklu vaska pārklājumos un ir bišu vaska daļa.
Rūpniecībā alkānus iegūst, katalītiski hidrogenējot oglekļa oksīdus CO un CO 2 (Fišera-Tropsha metode). Laboratorijā metānu var iegūt, karsējot nātrija acetātu ar cietu sārmu: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3, kā arī hidrolizējot dažus karbīdus: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al (OH) 3. Metāna homologus var iegūt, izmantojot Wurtz reakciju, piemēram: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. Dihaloalkānu gadījumā tiek iegūti cikloalkāni, piemēram: Br - CH2 - (CH2) 4-CH2Br + 2Na ® ciklo-C6H12 + 2NaBr. Alkāni veidojas arī karbonskābju dekarboksilēšanas un to elektrolīzes laikā.
Alkānu izmantošana.
Kā degvielu izmanto alkānus benzīnā, petrolejā, dīzeļdegvielā un mazutam. Augstāki alkāni ir atrodami smēreļļās, vazelīnā un parafīnā. Izomēru pentānu un heksānu maisījums tiek saukts par petrolēteri un tiek izmantots kā šķīdinātājs. Cikloheksānu plaši izmanto arī kā šķīdinātāju un polimēru (neilona, \u200b\u200bneilona) sintēzei. Ciklopropānu lieto vispārējā anestēzijā. Skvalāns ir augstas kvalitātes smēreļļa, zāļu un kosmētikas sastāvdaļa, adsorbents gāzes-šķidruma hromatogrāfijā.
Alkāni tiek izmantoti kā izejvielas daudzu organisku savienojumu, ieskaitot spirtus, aldehīdus, skābes, ražošanai. Kā šķīdinātājus izmanto alkānu hlora atvasinājumus, piemēram, trihlormetānu (hloroformu) CHCl3, tetrahloroglekli CCl4. Augstāku alkānu - parafīna maisījums nav toksisks un tiek plaši izmantots pārtikas rūpniecība konteineru un iepakojuma materiālu (piemēram, piena maisiņu) piesūcināšanai košļājamās gumijas ražošanā. Zīmuļi ir piesūcināti ar parafīnu, sērkociņu augšējā (netālu no galvas) daļa labākai dedzināšanai. Uzkarsēto parafīnu lieto medicīniskiem nolūkiem (parafīna terapijai). Parafīna oksidēšana kontrolētos apstākļos katalizatoru (pārejas metālu organisko sāļu) klātbūtnē noved pie skābekli saturošu produktu, galvenokārt organisko skābju, ražošanas.
Iļja Leensons
Literatūra:
Petrovs A.A. Alkāna ķīmija... M., Zinātne, 1974
Azerbajevs I.N. utt. Naftas ogļūdeņražu sintēzes... Alma-Ata, Zinātne, 1974. gads
Rudakovs E.S. Alkānu reakcijas ar oksidētājiem, metālu kompleksiem un radikāļiem šķīdumos... Kijeva, Naukova Dumka, 1985. gads
Pereušu Ogļūdeņražu ieguve un izmantošana... M., Ķīmija, 1987
Tabulā parādīti daži vairāku alkānu un to radikāļu pārstāvji.
|
Formula |
Vārds |
Radikāls nosaukums |
|||||||||||
|
CH3 metilgrupa |
|||||||||||||
|
C3H7 kodols |
|||||||||||||
|
C4H9 butilgrupa |
|||||||||||||
|
izobutāns |
izobutilgrupa |
||||||||||||
|
izopentāns |
izopentils |
||||||||||||
|
neopentāns |
neopentils |
||||||||||||
|
Tabulā parādīts, ka šie ogļūdeņraži viens no otra atšķiras pēc grupu skaita - CH2 - .Šādu skaitu līdzīgas struktūras, kam ir līdzīgas ķīmiskās īpašības un kas atšķiras viens no otra šo grupu skaitā, sauc par homoloģiskām sērijām. Un vielas, kas to veido, sauc par homologiem. Homologi - vielas, kas pēc struktūras un īpašībām ir līdzīgas, bet pēc sastāva atšķiras ar vienu vai vairākām homoloģiskām atšķirībām (- CH2 -)
Oglekļa ķēde - līkločs (ja n ≥ 3) σ - obligācijas (brīva rotācija ap obligācijām) garums (-C-C-) 0,154 nm saistošā enerģija (-С-С-) 348 kJ / mol Visi oglekļa atomi alkāna molekulās atrodas sp3 hibridizācijas stāvoklī
leņķis starp c-C saites ir 109 ° 28 ", tāpēc parasto alkānu molekulām ar lielu skaitu oglekļa atomu ir zigzaga struktūra (zigzaga). komunikācija C-C piesātinātos ogļūdeņražos ir 0,154 nm (1nm \u003d 1 * 10-9m). a) elektroniskās un strukturālās formulas; b) telpiskā struktūra
4. Izomerisms - raksturīga ķēdes ar C4 STRUKTURĀLĀ IZOMERISMA Viens no šiem izomēriem ( n-butāns) satur nesazarotu oglekļa ķēdi, bet otrs, izobutāns, satur sazarotu (izo-struktūru). Sazarotajā ķēdē esošie oglekļa atomi atšķiras ar saistīšanās veidu ar citiem oglekļa atomiem. Tātad tiek saukts oglekļa atoms, kas saistīts tikai ar vienu citu oglekļa atomu primārs, ar diviem citiem oglekļa atomiem - sekundārā, ar trim - terciārā, ar četriem - kvartāra. Palielinoties oglekļa atomu skaitam molekulu sastāvā, palielinās ķēžu sazarošanas iespējas, t.i. izomēru skaits palielinās līdz ar oglekļa atomu skaitu. Homologu un izomēru salīdzinošās īpašības
1. Viņiem ir sava nomenklatūra radikāļi(ogļūdeņraža radikāļi)
| |||||||||||||
Alkānu lietojums ir diezgan daudzveidīgs - tos izmanto kā degvielu, kā arī mehānikā, medicīnā utt. To loma ķīmiskie savienojumi dzīvē mūsdienu cilvēks grūti pārvērtēt.
Alkāni: īpašības un īss apraksts
Alkāni ir necikliski oglekļa savienojumi, kuros oglekļa atomi ir saistīti ar vienkāršām piesātinātām saitēm. Šīs vielas pārstāv visa līnija ar noteiktām īpašībām un īpašībām. sekojoši:
N šeit apzīmē oglekļa atomu skaitu. Piemēram, CH3, C2H6.
Pirmie četri alkānu sērijas pārstāvji - gāzveida vielas - ir metāns, etāns, propāns un butāns. Šie savienojumi (C5 līdz C17) ir šķidrumi. Sērija turpinās ar savienojumiem, kas normālos apstākļos ir cietas vielas.
Runājot par ķīmiskajām īpašībām, alkāni ir neaktīvi - tie praktiski nav mijiedarbojas ar sārmiem un skābēm. Starp citu, alkānu izmantošanu nosaka ķīmiskās īpašības.
Tomēr šiem savienojumiem ir raksturīgas dažas reakcijas, tostarp ūdeņraža atomu aizstāšana, kā arī molekulu sadalīšanas procesi.
- Visizplatītākā reakcija tiek uzskatīta par halogenēšanu, kurā ūdeņraža atomus aizstāj ar halogēniem. Liela nozīme ir šo savienojumu hlorēšanas un broma reakcija.
- Nitrēšana - ūdeņraža atoma aizstāšana ar nitrogrupu, reaģējot ar atšķaidījumu (koncentrācija 10%). Normālos apstākļos alkāni nav mijiedarbībā ar skābēm. Lai veiktu šādu reakciju, nepieciešama 140 ° C temperatūra.
- Oksidēšana - normālos apstākļos alkāni nav jutīgi pret skābekli. Tomēr pēc aizdegšanās gaisā šīs vielas nonāk galaproduktos, kas ir ūdens un
- Krekinga - šī reakcija notiek tikai tad, ja ir pieejami nepieciešamie katalizatori. Šajā procesā notiek noturīgu homoloģisko saišu šķelšanās starp oglekļa atomiem. Piemēram, plaisot butānu, reakcija var radīt etānu un etilēnu.
- Izomerizācija - dažu katalizatoru darbības rezultātā ir iespējama zināma alkāna oglekļa skeleta pārkārtošanās.
Alkānu pielietojums
Šo vielu galvenie dabiskie avoti ir tādi vērtīgi produkti kā dabasgāze un nafta. Mūsdienās alkānu pielietojuma jomas ir ļoti plašas un daudzveidīgas.
Piemēram, gāzveida vielas izmanto kā vērtīgu kurināmā avotu. Piemērs ir metāns, no kura sastāv dabasgāze, kā arī propāna-butāna maisījums.
Vēl viens alkānu avots ir eļļa , kuru nozīmi mūsdienu cilvēcei ir grūti pārvērtēt. Naftas produkti ietver:
- benzīni - izmanto kā degvielu;
- petroleja;
- dīzeļdegviela vai vieglā gāzeļļa;
- smagā gāzeļļa, ko izmanto kā smēreļļu;
- atlikumus izmanto asfalta izgatavošanai.
Naftas produktus izmanto arī plastmasas, sintētisko šķiedru, gumijas un dažu mazgāšanas līdzekļu ražošanai.
Vazelīns un šķidrais vazelīns ir produkti, kas sastāv no alkānu maisījumiem. Tos izmanto medicīnā un kosmetoloģijā (galvenokārt ziežu un krēmu pagatavošanai), kā arī parfimērijā.
Parafīns ir vēl viens labi zināms produkts, kas ir cietu alkānu maisījums. Tā ir cieta balta masa ar sildīšanas temperatūru 50–70 grādi. Mūsdienu ražošanā sveču izgatavošanai izmanto parafīnu. Sērkociņi ir piesūcināti ar to pašu vielu. Medicīnā ar parafīna palīdzību tiek veiktas dažādas termiskās procedūras.
