Alcanii, structura și proprietățile lor. Ce sunt alcanii: structură și proprietăți chimice
Alcani (hidrocarburi saturate, parafine) – hidrocarburi saturate, în moleculele cărora atomii de carbon și hidrogen sunt legați numai prin legături .
Formula generală a alcanilor este CU n H 2 n +2 .
În moleculele de alcan, atomii de carbon sunt într-o stare hibridă sp 3 și fiecare dintre ei formează legături 4 cu atomii de carbon și (sau) hidrogen. Starea de hibridizare sp3 este caracterizată prin configurația tetraedrică a atomului de carbon.
Izvoare naturale
Sursele naturale de alcani sunt petrolul, gazele petroliere asociate și gazele naturale.
Uleiul este de cea mai mare importanță. Uleiul este un amestec complex de compuși organici, în principal hidrocarburi. De asemenea, conține cantități mici de compuși care conțin oxigen, azot și sulf. În funcție de zăcământul petrolier, compoziția de hidrocarburi poate fi reprezentată atât de alcani, cât și de alte grupe de hidrocarburi. Uleiul este folosit ca combustibil și materie primă valoroasă pentru industria chimică.
În prezent, există mai multe metode de rafinare industrială a petrolului.
Distilare. Acesta este un mod fizic de rafinare a petrolului. Hidrocarburile petroliere diferă în ceea ce privește greutățile moleculare și, în consecință, punctele de fierbere. Prin urmare, prin distilare simplă, uleiul poate fi împărțit într-un număr de fracții care diferă în punctele de fierbere. Se obţine astfel eter de petrol (până la 60°C; C 5 –C 6); benzină de aviație (60–180°С; С 6–С 10); benzină (până la 200°C; C 11–C 12); kerosen și combustibil pentru avioane (175–280°С; С 7–С 14); motorină (200–350°C; C 13–C 18). Fracția cu punctul de fierbere peste 360°C se numește păcură (C 18 – C 25). Fracția care conține hidrocarburi C 25 și hidrocarburi cu greutate moleculară mai mare nu este distilată; Produce uleiuri grele, vaselină și parafină.
Cracare catalitică. Spre deosebire de distilare, cracarea (din engleza cracking - splitting) este un proces de rafinare chimica a petrolului, care consta in descompunerea hidrocarburilor superioare si obtinerea de alcani inferiori mai valorosi, care alcatuiesc, de exemplu, fractiunea de benzina etc. Când uleiul este încălzit la o temperatură de 500°C în prezența catalizatorilor de aluminosilicat (oxid de aluminiu Al 2 O 3 pe silicagel SiO 2) se rup legăturile dintre atomii de carbon din lanț și se formează alcani cu un număr mai mic de atomi de carbon (C 5 –C 10) și o catenă ramificată.
Gazul natural constă în principal din metan (până la 95%) cu un mic amestec de etan și propan. Gazul petrolier asociat, pe lângă metan, conține cantități semnificative de etan, propan și butan. Gazele naturale și petroliere sunt utilizate ca combustibili cu conținut ridicat de calorii, precum și materii prime pentru un număr mare de producție chimică. Metanul formează baza materiei prime pentru cele mai importante procese chimice de producere a carbonului și hidrogenului, acetilenei, care conțin oxigen compuși organici– alcooli, aldehide, acizi.
Carbonul fin dispersat (funingine) obținut din descompunerea termică (piroliza) metanului (1) este utilizat ca umplutură în producția de cauciuc și de cerneluri de imprimare. Hidrogenul este utilizat în diferite sinteze, inclusiv în sinteza amoniacului. Cracarea la temperatură înaltă a metanului (2) produce acetilenă. Temperatura ridicată necesară (1400–1600°C) este creată de un arc electric. Oxidarea ușoară a metanului cu oxigenul atmosferic în prezența catalizatorilor (3) produce substanțe valoroase pentru sinteza organică și producerea materialelor plastice: alcool metilic, formaldehidă, acid formic.
CH4C + 2H2 (1)
2CH 4 
NSCH + 3H 2 (2)
Metode de obținere
Cele mai importante metode sintetice de producție:
1. Hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate.
CH 3 –CH = CH – CH 3 + H 2 
CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3
buten-2 butan
(catalizator - nichel, platină sau paladiu).
2. Preparare din derivați de halogen(reacția lui S.A. Wurtz, 1854).
2CH 3 I + 2Na CH 3 –CH 3 + 2NaI.
iodmetan etan
3. Preparare din săruri acizi carboxilici (metoda de laborator).
CH3COONa (solid) + NaOH (solid). 
CH4+Na2C03.
acetat de sodiu metan
În aceste reacții, de regulă, nu se ia hidroxid de sodiu pur, ci amestecul acestuia cu hidroxid de calciu, numit soda de var . Materiile prime sunt precalcinate.
4. Sinteză directă din carbon și hidrogen.
Într-un arc electric care arde într-o atmosferă de hidrogen, se formează o cantitate semnificativă de metan:
C + 2H 2 CH 4.
Aceeași reacție are loc la o temperatură de 400–500°C, o presiune de aproximativ 30 MPa și în prezența unui catalizator - fier sau mangan. Această reacție este de mare importanță practică pentru producerea unui amestec de hidrocarburi - benzină sintetică.
5. Producția din gaz de sinteză.
nCO+(2n+1)H2 
CnH2n+2 + nH2O.
gaz de sinteză
Proprietăți fizice
În condiții normale (la 25°C și presiunea atmosferică), primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C 1 – C 4) sunt gaze. Alcanii normali de la pentan la heptadecan (C 5 - C 17) sunt lichizi, de la C 18 și mai sus sunt solidi. Pe măsură ce numărul de atomi de carbon din lanț crește, de ex. cu relativă în creștere greutate moleculară, temperaturile de fierbere și de topire ale alcanilor cresc. Cu același număr de atomi de carbon în moleculă, alcanii ramificati au puncte de fierbere mai mici decât alcanii normali.
Alcanii sunt practic insolubili în apă, deoarece moleculele lor sunt cu polaritate scăzută și nu interacționează cu moleculele de apă. Alcanii lichizi se amestecă ușor între ei. Se dizolvă bine în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzen, tetraclorură de carbon (tetraclorura de carbon), eter dietilic etc.
Proprietăți chimice
Din punct de vedere chimic, alcanii sunt inactivi, motiv pentru care au fost numiți parafine (din latină. parum affinis- lipsă de afinitate). Acest lucru se explică prin puterea legăturilor , a cărei stabilitate se datorează dimensiunii mici a atomului de C și configurației sale tetraedrice, care contribuie la concentrarea maximă a densității electronilor între nucleele atomilor. Legătura -C-H este ușor polarizată din cauza electronegativității apropiate a atomilor de C și H. Din acest motiv, alcanii sunt substanțe cu polaritate scăzută și nu sunt afectați de acizi, alcalii, agenți de oxidare obișnuiți. de exemplu, KMnO 4) și metale.
Pentru alcani, clivajul legăturii omolotice (radicale) este posibilă, având loc reacții de substituție a atomilor de H, scindarea scheletului de carbon (cracare) și oxidare (parțială sau completă).
1. Reacții de substituție.
– Clorarea.
Ca exemplu de reacții de substituție, luați în considerare reacția de clorurare a metanului, care este o reacție radicală în lanț. Procesul se desfășoară energic la lumină sau la încălzire (până la 250–400 o C). Prima etapă se numește origine, sau iniţiere, lanțuri:
(sub influența energiei cuantelor luminoase sau a temperaturii ridicate, unele molecule de clor se împart homolitic în 2 atomi cu electroni nepereche - radicali liberi).
Cl + CH 4 HCl + CH 3 (metil); CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl etc.
Circuit deschis apare atunci când doi radicali liberi se ciocnesc; în acest caz, se pot forma molecule C2H6, CH3CI, CI2.
La clorurarea altor alcani, cea mai ușoară substituție are loc la atomul de carbon terțiar (atomul care cheltuiește 3 valențe pe legătura C-C), apoi la cel secundar și, în sfârșit, la cel primar. Când se formează compuși substituiți cu polihalogen, atomii de clor înlocuiesc, de preferință, atomii de hidrogen la același atom de carbon sau adiacenți. – Modele V.V. Markovnikova.
– Nitrare(reacția lui M.I. Konovalov, 1888).
Reacţia este efectuată cu acid azotic 10% la o temperatură de aproximativ 140°C şi presiune joasă.
2. Oxidare.
În industrie, alcanii sunt oxidați cu oxigenul atmosferic pe catalizatori de mangan la o temperatură de aproximativ 200°C. În acest caz, legăturile C-C sunt scindate și se obțin compuși cu oxigen molecular scăzut - alcooli, aldehide, cetone, acizi carboxilici (vezi. Izvoare naturale). Alcanii ard în aer, eliberând o cantitate mare de căldură. Prin urmare, ele sunt utilizate pe scară largă în viața de zi cu zi și în tehnologie ca combustibil bogat în calorii.
CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + 890 kJ.
Alchenele
Alchene (hidrocarburi de etilenă) – hidrocarburi nesaturate ale căror molecule conțin o legătură dublă C=C.
Formula generală a alchenelor este CU n H 2 n .
O legătură dublă se formează folosind două perechi de electroni împărtășiți. Atomii de carbon legați printr-o legătură dublă se află într-o stare de hibridizare sp 2, fiecare dintre ei formând 3 legături situate în același plan la un unghi de 120. Orbitalii p nehibrizi ai atomilor de carbon sunt localizați perpendicular pe planul legăturilor și paraleli unul cu celălalt și, datorită suprapunerii „laterale”, formează o legătură , al cărei nor de electroni este situat parțial deasupra și parțial sub planul moleculei.
Metode de obținere
1. Piroliza alcanilor.
Piroliza este procesul de transformare chimică a compușilor organici care au loc în timpul temperatură ridicată.
Piroliza alcanilor este cea mai importantă metodă industrială de producere a alchenelor din fracțiuni de ulei cu punct de fierbere ridicat. Sub influența încălzirii puternice (până la 700 o C), legăturile C–C și C–H sunt scindate homolitic în molecule de alcan. În acest caz, se formează diverși radicali liberi. Ca urmare a interacțiunii radicalilor cu moleculele de alcan și între ele, se formează un amestec de alcani cu greutate moleculară mică, alchene și hidrogen.
2. Dehidrogenarea alcanilor.
3. Deshidratarea alcoolilor.
CH3-CH2-OH 
CH2 = CH2 + H2O
Mecanism de reacție:
CH 3 –CH 2 –OH + HO–SO 3 H CH 3 –CH 2 –O–SO 3 H + H 2 O
etanol sulfuric acid sulf etilic acid
CH3-CH2-O-SO3H 
CH2 =CH2 + HO–SO3H
În timpul deshidratării alcoolilor, hidrogenul este eliminat preferenţial la regula A.M. Zaitseva (1875) - din cea a atomilor de carbon vecini care este mai săracă în hidrogen (mai puțin hidrogenat):
4. Dehidrohalogenarea derivaților de halogen.
Acest proces decurge tot conform regulii lui A.M. Zaitseva:
5. Dehalogenarea derivaților dihalogenați.
Proprietăți fizice
În ceea ce privește proprietățile fizice, alchenele diferă puțin de alcanii cu același număr de atomi de carbon în moleculă. Omoloage inferiori C 2 – C 4 la n.a. – gaze; C 5 – C 17 – lichide; omologii superiori sunt solide. Alchenele sunt insolubile în apă. Foarte solubil în solvenți organici.
Proprietăți chimice
O trăsătură caracteristică a electronilor p este mobilitatea lor, ei sunt ținuți mai puțin ferm de nucleele atomice decât electronii . Prin urmare, legătura sub influența reactanților electrofili este ușor polarizată și ruptă heterolitic și, prin urmare, reacțiile de adiție sunt caracteristice alchenelor.
În plus, alchenele suferă cu ușurință reacții de oxidare și polimerizare la legătura dublă.
1. Reacții de adiție electrofile.
– Hidrohalogenare (adăugarea de halogenură de hidrogen).
CH 3 –CH = CH – CH 3 + HCl CH 3 –CH 2 –CHCl – CH 3
Dacă o alchenă nesimetrică (de exemplu, propenă) este implicată în reacție, atunci se determină direcția preferențială a reacției. regula V.V. Markovnikova (1869): când molecule de tip HX (unde X este un atom de halogen, o grupare OH etc.) sunt adăugate la alchene nesimetrice, atomul de H se atașează la atomul de C mai hidrogenat al moleculei de alchenă:
CH 3 –CH = CH 2 + HBr CH 3 –CHBr – CH 3 .
propen 2-bromopropan
Acest lucru poate fi explicat pe baza următoarelor considerații:
1). Distribuția densității electronice într-o moleculă care nu reacţionează ( factor static) – radicalul metil respinge densitatea electronică a legăturii C–C. Ca urmare, are loc polarizarea legăturii :
Molecula polară de HBr este orientată de atomul de H către molecula de propenă datorită atracției electrostatice către electronii dublei legături; are loc clivajul ionic al legăturii H–Br, iar ionul H+ este atras predominant de primul atom de C al moleculei de propenă și se atașează de acesta datorită perechii de electroni a legăturii . O sarcină „+” apare pe atomul de C din mijloc al moleculei de propenă (molecula se transformă într-un carbocation):
Ionul de bromură se atașează apoi de atomul de C încărcat pozitiv al carbocationului:
2). Stabilitatea carbocationului rezultat ( factor dinamic). Interacțiunea ionului H + cu o moleculă de propenă poate duce teoretic la formarea unui carbocation 
(ion de propeniu-1). Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă, pentru că datorită faptului că radicalii alchil (CH 3 , CH 3 –CH 2 ) resping densitatea electronică de la ei înșiși și stinge sarcina pozitivă a atomului de carbon, ionul de propeniu-2 
se dovedește a fi mai stabil decât ionul de propeniu-1. Aceasta vorbește și în favoarea direcției reacției conform regulii lui Markovnikov.
– Hidratarea.
Acest proces decurge, de asemenea, conform regulii lui V.V. Markovnikova:
– halogenare (reacție calitativă la o legătură dublă ).
Se observă decolorarea apei cu brom.
2. Reacții de oxidare și reducere.
– Reacția lui E.E. Wagner(1888) – reacție calitativă la o legătură dublă.
3CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O 3HO–CH 2 –CH 2 –OH + 2KOH + 2MnO 2
etilen glicol
Se observă eliberarea unui precipitat maro de oxid de mangan (IV) și decolorarea soluției de permanganat de potasiu.
Într-un mediu acid, reacția alchenelor cu permanganatul de potasiu are loc cu scindarea legăturii C=C, prin urmare se formează acizii carboxilici sau cetonele corespunzătoare:
5H 3 C–CH=CH–CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 10H 3 C–COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O
butenă-2 oţet acid
5H 3 C–CH=C(CH 3)–CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4
2-metilbuten-2
5H 3 C–COOH + 5H 3 C–CO–CH 3 + 6MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 9H 2 O
propanonă de acid acetic (acetonă)
– Hidrogenarea.
H3C–CH=CH–CH3 + H2 
H3C–CH2–CH2–CH3
În plus față de nichel, platina și paladiu pot fi folosite ca catalizatori în această reacție.
3. Reacții de polimerizare.
Reacția de polimerizare - aceasta este adăugarea secvenţială a moleculelor de compuşi nesaturaţi unul la altul pentru a forma un compus cu molecul mare - un polimer.
Cei mai comuni polimeri de hidrocarburi sunt polietilena și polipropilena.
nH 2 C=CH 2 (–CH 2 –CH 2 –) n
etilen polietilenă
Hidrocarburile saturate, sau parafinele, sunt acei biocompuși în ale căror molecule atomii de carbon sunt legați printr-o legătură simplă (unică), iar toate celelalte unități de valență sunt saturate cu atomi de hidrogen.
Alcani: proprietăți fizice
Extracția hidrogenului dintr-o moleculă de alcan, sau dehidrogenarea, în prezența catalizatorilor și la încălzire (până la 460 °C) permite obținerea alchenelor necesare. Au fost dezvoltate metode pentru oxidarea alcanilor la temperaturi scăzute în prezența catalizatorilor (săruri de magneziu). Acest lucru vă permite să influențați în mod specific cursul reacției și să obțineți produșii de oxidare necesari în procesul de sinteză chimică. De exemplu, oxidarea alcanilor superiori produce o varietate de alcooli superiori sau acizi grași superiori.
Despicarea alcanilor are loc și în alte condiții (combustie, fisurare). Hidrocarburile saturate ard cu o flacără albastră, eliberând cantități enorme de căldură. Aceste proprietăți fac posibilă utilizarea lor ca combustibil bogat în calorii atât în viața de zi cu zi, cât și în industrie.
Conținutul articolului
ALCANI ŞI CICLOALCANI– hidrocarburi în care toți atomii de carbon sunt legați între ei și de atomii de hidrogen prin legături simple (single). Alcani (sinonime - hidrocarburi saturate, hidrocarburi saturate, parafine) - hidrocarburi cu formula generala C n H 2 n+2, unde n– numărul de atomi de carbon. Polietilena familiară are aceeași formulă, doar dimensiunea n este foarte mare și poate ajunge la zeci de mii. În plus, polietilena conține molecule de diferite lungimi. În cicloalcani, atomii de carbon formează un lanț închis; dacă există un ciclu, formula cicloalcanului este C n H 2 n .
În funcție de ordinea conexiunii atomilor de carbon într-un lanț, alcanii sunt împărțiți în liniari și ramificați. În consecință, pentru alcanii cu nі 4 este posibil să existe mai multe substanțe cu aceeași formulă. Astfel de substanțe se numesc izomeri (din greacă. isis– egal, identic și meros – share, part.
Denumiri de alcani.
Cuvântul „alcan” este de aceeași origine cu „alcool” ( vezi mai jos). Termenul învechit „parafină” provine din latinescul parum – puțin, nesemnificativ și affinis – înrudit; parafinele au reactivitate scăzută față de majoritatea reactivilor chimici. Multe parafine sunt omologi; în seria omoloagă de alcani, fiecare membru ulterior diferă de cel anterior printr-o grupare metilen CH2. Termenul provine din grecescul homologos – corespunzător, asemănător.
Nomenclatură (din lat. nomenclatură– pictura numelor) denumirile alcanilor sunt construite după anumite reguli, care nu sunt întotdeauna clare. Deci, dacă există diverși substituenți într-o moleculă de alcan, atunci în numele alcanului sunt enumerați în ordine alfabetică. Cu toate acestea, în limbi diferite această ordine poate varia. De exemplu, hidrocarbura CH 3 –CH(CH 3)–CH(C 2 H 5)–CH 2 –CH 2 –CH 3 în conformitate cu această regulă va fi numită 2-metil-3-etilhexan în rusă, iar în engleză 3-etil-2-metilhexan...
În conformitate cu denumirea hidrocarburii, radicalii alchil mai sunt numiți: metil (CH 3 -), etil (C 2 H 5 -), izopropil (CH 3) 2 CH-, marţi-butil C2H5-CH (CH3)-, freacă-butil (CH3)3C- etc. Radicalii alchil sunt incluși ca un întreg în compoziția multor compuși organici; în stare liberă, aceste particule cu un electron nepereche sunt extrem de active.
Unii izomeri ai alcanilor au, de asemenea, nume banale ( cm. DENUMIRE DE SUBSTANȚE TRIVIALE, de exemplu izobutan (2-metilpropan), izooctan (2,2,4-trimetilpentan), neopentan (2,3-dimetilpropan), squalan (2,6,10,15,19,23-hexametiltetracosan) , numele provine din latină scual– rechin (un derivat nesaturat al squalan – squalen, un compus important pentru metabolism, a fost descoperit pentru prima dată în ficatul unui rechin). Numele trivial pentru radicalul pentil (C5H11) este amil. Vine din greacă. amilon– amidon: cândva alcoolul izoamilic C 5 H 11 OH (3-metilbutanol-1) a fost numit „alcool amilic de fermentație”, deoarece formează baza uleiului de fusel și se formează ca urmare a fermentației substanțelor zaharoase - produse de hidroliză a amidonului.
Cel mai simplu membru al seriei cicloalcanilor C n H 2 n– ciclopropan ( n= 3). Omologii săi sunt numiți la fel ca alcanii cu adăugarea prefixului „ciclo” (ciclobutan, ciclopentan etc.). În cicloalcani, izomeria este posibilă datorită prezenței grupărilor alchil laterale și a locației acestora în inel. De exemplu, ciclohexanul, metilciclopentanul, 1,1-, 1,2- şi 1,3-dimetilciclobutanii, 1,1,2- şi 1,2,3-trimetilciclopropanii sunt izomeri.
Numărul de izomeri alcani crește brusc odată cu creșterea numărului de atomi de carbon. Denumirile unor alcani, precum și numărul teoretic al posibililor izomeri ai acestora sunt date în tabel.
| Formula | Nume | Numărul de izomeri | Formula | Nume | Numărul de izomeri |
| CH 4 | Metan | 1 | C 11 N 24 | Undekan | 159 |
| C2H6 | Etan | 1 | C 12 N 26 | Dodecan | 355 |
| C3H8 | propan | 1 | C 13 N 28 | Tridecan | 802 |
| C4H10 | Butan | 2 | C 14 N 30 | tetradecan | 1858 |
| C5H12 | Pentan | 3 | C 15 N 32 | Pentadecan | 4347 |
| C6H14 | hexan | 5 | C 20 N 42 | Eikosan | 366319 |
| C7H16 | heptan | 9 | C 25 N 52 | Pentacosan | 36797588 |
| C8H18 | Octan | 18 | C 30 N 62 | Triacontan | 4111846763 |
| C9H20 | Nonan | 35 | C 40 N 82 | Tetracontan | 62481801147341 |
| C10H22 | Decan | 75 | C 100 N 202 | hectan | aproximativ 5.921 10 39 |
Înțelegerea majorității denumirilor din nomenclatura hidrocarburilor saturate nu este foarte dificilă chiar și pentru cei care nu au studiat greacăîntr-un gimnaziu clasic. Aceste nume provin de la cifre grecești cu adăugarea sufixului -an. Este mai dificil cu primii membri ai seriei: ei nu folosesc numere, ci alte rădăcini grecești asociate cu numele alcoolilor sau acizilor corespunzători. Acești alcooli și acizi erau cunoscuți cu mult înainte de descoperirea alcanilor corespunzători; un exemplu este alcoolul etilic și etanul (obținute abia în 1848).
Metanul (precum și metanolul, metilul, metilenul etc.) au o rădăcină comună „met”, care în chimie denotă o grupare care conține un atom de carbon: metil CH 3, metilen (metilidenă) CH 2, metină (metilidină) CH. Din punct de vedere istoric, prima astfel de substanță a fost alcoolul metilic (cunoscut și sub numele de lemn), metanolul, care a fost obținut anterior prin distilarea uscată a lemnului. Numele lui provine de la cuvinte grecești methy - vin intoxicat și hile - pădure (ca să spunem așa, „vin de lemn”). Cel mai uimitor lucru aici este că metanul, ametistul și mierea au o rădăcină comună! În vremuri străvechi pietre prețioaseînzestrată proprietăți magice(și mulți încă mai cred asta). Astfel, se credea că pietrele mov frumoase protejează împotriva intoxicației, mai ales dacă din această piatră se făcea o cană de băut. Împreună cu prefixul negativ, sa dovedit ametistos - contracarând intoxicația. Cuvântul miere, se pare, este prezent în aproape toate limbile europene: engleză. hidromel – miere (ca băutură), German Met (în germană veche metu), mede olandez, mjöd suedez, mjød danez, medus lituanian și leton, ca să nu mai vorbim limbi slave. Toate aceste cuvinte, inclusiv grecescul, provin din indo-europeanul medhu, care înseamnă băutură dulce. Coniacul grecesc Metaxa nu este departe de ei, deși nu este deloc dulce.
Etanul (precum și eterul, etanolul, alcoolul, alcanul) au o origine comună. Filosofii greci antici cuvântul aither a fost folosit pentru a descrie o anumită substanță care pătrunde în cosmos. Când alchimiştii în secolul al VIII-lea. Ei au obținut un lichid ușor de evaporat din alcool de vin și acid sulfuric, acesta se numea eter sulfuric. În secolul al XIX-lea a aflat că eterul sulfuric (în engleză eter) aparține așa-numiților eteri și conține un grup de doi atomi de carbon - la fel ca alcoolul etilic (etanol); acest grup a fost numit etil. Astfel, denumirea substanței „eter etilic” (C 2 H 5 – O – C 2 H 5) este în esență „ulei de ulei”.
Numele de etan provine de la „etil”. Unul dintre denumirile pentru etanol, alcool, este de aceeași origine cu cuvântul alcan (de asemenea, alchenă, alchină, alchil). În arabă, al-kohl înseamnă pulbere, pulbere, praf. La cea mai mică suflare se ridică în aer, la fel ca vaporii de vin - „alcoolul vinului”, care în timp s-a transformat pur și simplu în alcool.
De ce există un „t” în „etan” și „etanol”, iar „f” în „eter”? La urma urmelor engleză, spre deosebire de rusă, cuvintele „eter” și „etil” au ortografii și sunete similare. Combinația th se întoarce la litera grecească q (theta); în limba rusă până în 1918, litera „fita” avea același stil, care, totuși, era pronunțată ca „f” și era folosită cu scopul exclusiv de a distinge cuvintele în care această literă provine din grecescul q și 247 („ phi”). În limbile vest-europene, greacă. j a mers la ph și q la th. În limba rusă, multe cuvinte conțin „fita” încă din secolul al XVIII-lea. a fost înlocuită cu litera „f”: teatru în loc de „qeaftr”, matematică în loc de „maqematics”, teorie în loc de „qeory”... În acest sens, este interesant că în dicționarul lui Dahl, publicat în 1882, este scris eqir, iar in dicţionar enciclopedic Brockhaus și Efron (1904) - „eter”.
Apropo, esterii în limbile occidentale sunt esteri, nu eter. Dar cuvântul „ester” nu există în limba rusă, așa că ochii oricărui chimist sunt răniți de traducerea analfabetă a poliesterului englez pe etichetele produselor textile ca „poliester” în loc de „poliester”, „fibră de poliester” (poliester). includ, de exemplu, lavsan, terylene, dacron).
Denumirile „propan” și „butan” provin de la denumirile acizilor corespunzători – propionic și butanoic (butiric). Acidul propionic este „primul” (adică cel mai scurt lanț) găsit în grăsimi ( cm. GRASIMI SI ULEIURI), iar numele sau este derivat din limba greaca. protos- în primul rând și pion– grăsime. Butan și acid butanoic butiric acid) – din greacă. butiron- ulei; În rusă, butirații sunt săruri și esteri ai acidului butiric. Acest acid este eliberat atunci când uleiul devine rânced.
În plus, începând cu pentan, numele sunt derivate din cifre grecești. O excepție rară este cetanul, unul dintre denumirile pentru hexadecanul C16. Acest cuvânt provine de la denumirea de alcool cetilic, care a fost obținut în 1823 de chimistul francez Michel Eugene Chevreul. Chevreul a izolat această substanță din spermaceti, o substanță ceară din capul cașalotului. Cuvântul spermaceti provine din grecescul sperma - sămânță și ketos - animal marin mare (balenă, delfin). Din scrierea latină a celui de-al doilea cuvânt (cetus) provine alcoolul cetilic C 16 H 33 OH (hexadecanol) și cetanul.
În limba rusă există multe cuvinte cu aceleași rădăcini ca și alcanii: Pentagon, heptacord (scara sonoră de 7 trepte), dodecafonie (metoda de compunere muzicală), octava, decima și undecima (intervale muzicale), octet și nonet (ansambluri de 8 și 9 muzicieni), pentode, hexode și heptode (tuburi radio); hexametru (metru poetic), octaedru, deceniu, decan, hectar, octombrie, decembrie etc. etc.
Alcanul cu cele mai lungi molecule a fost sintetizat de chimiștii englezi în 1985. Acesta este nonacontatrictan C 390 H 782, care conține un lanț de 390 de atomi de carbon. Cercetătorii au fost interesați de modul în care astfel de lanțuri lungi s-ar împacheta în timpul cristalizării (lanțurile de hidrocarburi flexibile se pot plia cu ușurință).
Numărul de izomeri ai alcanilor.
Problema numărului posibil teoretic de izomeri ai alcanilor a fost rezolvată pentru prima dată de matematicianul englez Arthur Cayley (1821–1895), unul dintre fondatorii unei ramuri importante a matematicii - topologia (în 1879 a publicat primul articol despre faimosul „ problema de patru culori”: sunt suficiente pentru a colora vreo carte geografică această problemă a fost rezolvată abia în 1976). S-a dovedit că nu există o formulă prin care să se poată utiliza numărul de atomi de carbon dintr-un alcan C n H 2 n+2 calculează numărul izomerilor săi. Există doar așa-numitele formule recurente (din latină recidive– revenire), care vă permit să calculați numărul de izomeri n al-lea membru al seriei, dacă numărul de izomeri ai membrului anterior este deja cunoscut. Prin urmare, calcule pentru mari n au fost obținute relativ recent folosind computere și reduse la hidrocarbură C 400 H 802; pentru aceasta, ținând cont de izomerii spațiali, s-a obținut o valoare greu de imaginat: 4.776·10 199. Și începând deja de la alcanul C 167 H 336, numărul de izomeri depășește numărul particule elementareîn partea vizibilă a Universului, care este estimată la 1080. Numărul de izomeri indicat în tabel pentru majoritatea alcanilor va crește semnificativ dacă luăm în considerare și moleculele simetrice în oglindă - stereoizomerii ( cm. IZOMERISME OPTICĂ): pentru heptan - de la 9 la 11, pentru decan - de la 75 la 136, pentru eicosan - de la 366.319 la 3.396.844, pentru hectan - de la 5.921 10 39 la 1.373 10 46, etc.
Din punct de vedere al chimistului, numărul izomeri structurali hidrocarburile saturate prezintă interes practic doar pentru primii membri ai seriei. Chiar și pentru un alcan relativ simplu care conține doar o duzină și jumătate de atomi de carbon, numărul copleșitor de izomeri nu a fost obținut și este puțin probabil să fie sintetizați vreodată. De exemplu, ultimii dintre cei 75 de izomeri ai decanului posibil teoretic au fost sintetizați abia în 1968. Și acest lucru a fost făcut în scopuri practice - pentru a avea un set mai complet de compuși standard prin care diferite hidrocarburi, de exemplu, cele găsite în ulei, pot fi identificat. Apropo, toți cei 18 izomeri octanici posibili au fost găsiți în diferite tipuri de ulei.
Dar cel mai interesant lucru este că, începând cu heptadecanul C 17 H 36, la început doar o parte din numărul teoretic posibil de izomeri, apoi mulți și, în final, aproape toți sunt un exemplu izbitor de „chimie a hârtiei”, adică. nu poate exista în realitate. Faptul este că, pe măsură ce numărul de atomi de carbon din moleculele de izomeri ramificati crește, apar probleme serioase de împachetare spațială. La urma urmei, matematicienii au tratat atomii de carbon și hidrogen ca puncte, când de fapt au o rază finită. Astfel, o „bilă” de metan are 4 atomi de hidrogen pe „suprafața” sa, care sunt așezați liber pe ea. În neopentan C(CH 3) 4 există deja 12 atomi de hidrogen pe „suprafață”, situați mult mai aproape unul de celălalt; dar mai este loc pentru a le pune. Dar pentru alcanul 4 (C 17 H 36), nu există suficient spațiu pe suprafață pentru a găzdui toți cei 36 de atomi de hidrogen din 12 grupări metil; Acest lucru este ușor de verificat dacă desenați o imagine plată (sau, și mai bine, faceți un model tridimensional din plastilină și chibrituri) pentru izomeri similari, menținând constanta lungimii legăturilor C–C și C–H și toate unghiuri dintre ele). Odată cu creșterea n probleme de plasare apar și pentru atomii de carbon. Ca rezultat, în ciuda faptului că numărul de izomeri posibili cu creștere n crește foarte repede, ponderea izomerilor „de hârtie” crește mult mai repede. O evaluare bazată pe computer a arătat că ca n raportul dintre numărul de izomeri cu adevărat posibili și numărul celor „de hârtie” se apropie rapid de zero. De aceea calculul număr exact izomerii hidrocarburilor saturate pentru mari n, care odată a stârnit un interes considerabil, are acum doar semnificație teoretică pentru chimiști.
Structura și proprietățile fizice ale alcanilor.
Alcanii au patru orbiti hibrizi sp 3 ai atomului de carbon ( cm. ORBITALE) sunt îndreptate spre vârfurile tetraedrului cu un unghi între ele de aproximativ 109°28" - în acest caz respingerea dintre electroni și energia sistemului sunt minime. Ca urmare a suprapunerii acestor orbitali. unul cu celălalt, precum și cu s-orbitalii atomilor de hidrogen formează legături s C–C și C–H. Aceste legături în moleculele de alcan sunt covalente nepolare sau cu polar scăzut.
Alcanii sunt împărțiți în atomi de carbon primari (sunt legați doar de un atom de C vecin), secundari (legați la doi atomi de C), terțiari (legați la trei atomi de C) și cuaternari (legați la patru atomi de C). Astfel, în 2,2-dimetil-3-metilpentanul CH 3 –C(CH 3) 2 –CH(CH 3) – CH 2 –CH 3 există un atomi de carbon cuaternar, unul terțiar, unul secundar și cinci primari. Diferitele medii ale atomilor de carbon afectează foarte mult reactivitatea atomilor de hidrogen asociati acestora.
Dispunerea spațială a orbitalilor sp 3 duce, pornind de la propan, la o configurație în zig-zag a lanțurilor de carbon. În acest caz, este posibilă rotația fragmentelor moleculare în jurul legăturilor C-C (într-o moleculă de etan la 20° C - cu o viteză de milioane de rotații pe secundă!), ceea ce face ca moleculele de alcani superiori să fie flexibile. Îndreptarea unor astfel de lanțuri are loc, de exemplu, la întinderea polietilenei, care constă dintr-un amestec de alcani cu lanțuri lungi, moleculele de alcani interacționează slab între ele, prin urmare alcanii se topesc și fierb la temperaturi mult mai scăzute decât substanțele similare cu. molecule polare. Primii 4 membri ai seriei omoloage de metan sunt gaze în condiții normale propanul și butanul sunt ușor lichefiați la presiune scăzută (un amestec lichid propan-butan este conținut în buteliile de gaz de uz casnic). Omologii superiori sunt lichide cu miros de benzină sau solide care nu se dizolvă în apă și plutesc pe suprafața acesteia. Punctele de topire și de fierbere ale alcanilor cresc odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din moleculă, în timp ce creșterea temperaturii încetinește treptat, de exemplu, C 100 H 202 se topește la 115 ° C, C 150 H 302 - la 123 ° C. Topire iar punctele de fierbere pentru primii 25 de alcani sunt date în tabel - este clar că pornind de la octadecan, alcanii sunt solide.
| Masă. TEMPERATURILE DE TOPIRE ȘI DE FIERBERE A ALCANII | ||
| alcan | T pl | T balot |
| Metan | –182,5 | –161,5 |
| Etan | –183,3 | –88,6 |
| propan | –187,7 | –42,1 |
| Butan | –138,4 | –0,5 |
| Pentan | –129,7 | 36,1 |
| hexan | –95,3 | 68,7 |
| heptan | –90,6 | 98,4 |
| Octan | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| Decan | –29,7 | 174,1 |
| Undekan | –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 |
| nonadecan | 32,1 | 329,7 |
| Eikosan | 36,8 | 342,7 |
| Geneikozan | 40,5 | 356,5 |
| Docozan | 44,4 | 368,6 |
| Tricozan | 47,6 | 378,3 |
| Tetracosan | 50,9 | 389,2 |
| Pentacosan | 53,7 | 399,7 |
Prezența unei ramuri în lanț modifică dramatic proprietățile fizice, în special punctul de topire. Deci, dacă hexanul are o structură normală ( n-hexan) se topește la –95,3° C, apoi izomerul său 2-metilpentan se topește la –153,7° C. Acest lucru se datorează dificultății de împachetare a moleculelor ramificate în timpul cristalizării lor. Ca urmare, alcanii cu ramuri de lanț nu cristalizează la răcirea rapidă, ci se transformă în starea sticloasă a unui lichid suprarăcit ( cm. STICLĂ). De exemplu, dacă o fiolă subțire de pentan este scufundată în azot lichid (temperatura -196 ° C), substanța se va transforma într-o masă albă asemănătoare zăpezii, în timp ce izopentanul (2-metilbutan) se solidifică într-o „sticlă” transparentă.
Pe diferență formă geometrică pe bază de alcani liniare și ramificate mod original separarea lor: cristalele de uree au canale în care pot încăpea alcanii cu catenă dreaptă și nu pot încăpea cele ramificate.
Cicloalcani cu n= 2, 3 – gaze, mai mare – lichide sau solide. Cel mai mare ciclu pe care chimiștii l-au putut sintetiza este ciclooctaoctacontadictanul C 288 H 576. Diferitele forme ale moleculelor de cicloalcan cu numere par și impar de atomi de carbon în moleculă duc la un efect puternic par-impar în ceea ce privește punctul de topire, așa cum se poate observa din tabel. Acest efect se explică prin diferența de „conveniență” de ambalare a moleculelor de diferite forme într-un cristal: cu cât împachetarea este mai compactă, cu atât cristalul este mai puternic și cu atât punctul său de topire este mai mare. De exemplu, ciclododecanul se topește cu aproape 70° mai sus decât cel mai apropiat omolog al său, cicloundecanul. Desigur, contează și masa moleculei: moleculele ușoare se topesc la o temperatură mai scăzută.
| C3H6 | –127,5 |
| C4H8 | –50 |
| C5H10 | –93,9 |
| C6H12 | +6,5 |
| C7H14 | –12 |
| C8H16 | 14,3 |
| S9H18 | 9,7 |
| C10N20 | 10,8 |
| C11H22 | –7,2 |
| C12H24 | 61,6 |
| C 13 N 26 | 23,5 |
| C 14 N 28 | 54 |
| C15N30 | 62,1 |
Ușurința de rotație în jurul legăturii C–C duce la faptul că moleculele de cicloalcani nu sunt plane (cu excepția ciclopropanului), în acest fel evită distorsiunile puternice ale unghiurilor de legătură. Astfel, la ciclohexan și omologii săi superiori unghiurile de legătură sunt relaxate și apropiate de tetraedric (109°), în timp ce într-un hexagon unghiurile sunt de 120°, într-un octogon - 135° etc. Atomii de carbon individuali din astfel de cicloalcani nu ocupă o poziție fixă rigidă: inelul pare să fie într-o mișcare constantă ca undă. Astfel, o moleculă de ciclohexan poate fi sub forma unor structuri geometrice diferite (conformers) care se pot transforma unele în altele (inversie de ciclu). Datorită asemănării lor externe, au fost numite „cadă” și „scaun” (în literatura în limba engleză, „cadă” se numește „barcă”):
Forma scaunului este mai stabilă; La temperaturi obișnuite, 99,9% din ciclohexan există sub formă de scaun mai stabil. Tranziția între două forme are loc printr-o „conformație de răsucire” intermediară (din engleză. twist– răsucire).
În ciclopropan, unghiul scade de la 108° la 60°, rezultând legături de tensiune ridicată și „îndoiți” care sunt intermediare între legăturile s și p normale; Datorită formei lor, aceste legături sunt numite legături „banane”. În acest caz, orbitalii sp 3 ai atomilor de carbon se suprapun doar parțial. Rezultatul este dualitatea proprietăților chimice ale ciclopropanului. Pe de o parte, înlocuirea atomilor de hidrogen este posibilă în ea (o reacție tipică alcanilor), pe de altă parte, este posibilă adăugarea cu deschidere a inelului (reacție tipică alchenelor, de exemplu: ciclo-C3H6 + Br2® BrCH2CH2CH2Br).
Cicloalcanii cu două inele și un atom de carbon comun se numesc spiroalcani. Dacă există mai mult de doi atomi de carbon comuni, atunci se formează bicicloalcani, tricicloalcani etc. Ca urmare a unei astfel de „reticulare” a mai multor cicluri simultan, chimiștii au reușit să obțină hidrocarburi, a căror structură spațială corespunde diverselor. poliedre: tetraedru, cub, prismă etc. Derivații biciclici ciclohexanul se găsesc în uleiurile esențiale, rășina de conifere și terebentina. Un ciclu de șase și cinci atomi de carbon se găsește în camfor, colesterol, zaharină, piperină (oferă gustul iute piperului negru), baze azotate - nucleotide și alți compuși (unii atomi de carbon din cicluri pot fi legați prin legături duble). , iar unii sunt substituiți cu alți atomi, cum ar fi zaharina). Un ciclu de 17 atomi de carbon (doi dintre ei legați printr-o legătură dublă) este conținut în civeton, o substanță mirositoare, o componentă a moscului, care este folosită în parfumerie. Frumoasa moleculă de adamantan conține trei inele cu șase membri, iar structura sa corespunde rețelei cristaline a diamantului. Structura adamantanului se găsește în medicamentul antiviral rimantadină, în hexametilentetramină (în acest din urmă compus, 4 atomi de carbon sunt înlocuiți cu atomi de azot, care sunt legați între ei prin punți de metilen – CH 2 –). Mai jos sunt structurile unor cicloalcani, ale căror molecule au mai mult de un inel conectat diferit.
Biciclodecan (tetrahidronaftalină, decalină)
Adamantan
Proprietățile chimice ale alcanilor.
Alcanii sunt compușii organici cel mai puțin activi din punct de vedere chimic. Toate legăturile C-C și C-H din alcani sunt simple, deci alcanii sunt incapabili de reacții de adiție. Alcanii se caracterizează prin reacții de înlocuire a atomilor de hidrogen cu alți atomi și grupuri de atomi. Astfel, când metanul este clorurat, se formează clorură de metil CH3CI, clorură de metilen CH2CI2, triclormetan (cloroform) CHCI3 şi tetraclorura de carbon (tetraclorura de carbon) CCl4. Aceste reacții urmează un mecanism în lanț cu formarea intermediară a radicalilor liberi.
La clorurarea alcanilor, începând cu propanul, primul atom de clor poate înlocui diferiți atomi de hidrogen. Direcția de substituție depinde de puterea legăturii C–H: cu cât este mai slabă, cu atât mai rapidă este înlocuirea acestui atom particular. Legăturile primare C–H sunt de obicei mai puternice decât cele secundare, iar cele secundare sunt mai puternice decât cele terțiare. Ca urmare, clorurarea la 25° C de-a lungul legăturii secundare (CH 3) 2 CH–H are loc de 4,5 ori mai rapid decât prin legătura primară C 2 H 5 –H, iar legătura terțiară (CH 3) 3 C–H – de 6,7 ori mai rapid. Reactivitatea diferită a atomilor de hidrogen primari, secundari și terțiari poate avea ca rezultat predominarea doar a unuia dintre mai mulți produși de clorurare posibili. De exemplu, când 2,3-dimetilbutanul este clorurat într-o soluție de disulfură de carbon (CS 2), se formează 95% din derivatul 2-clor și numai 5% din derivatul 1-clor, adică. de 19 ori mai puțin. Dacă luăm în considerare că în alcanul original există de 6 ori mai mulți atomi de hidrogen primari decât cei terțiari, atunci raportul reactivității lor va fi și mai mare (19 ґ 6 = 114). Disulfura de carbon ca solvent reduce reactivitatea atomilor de clor și, în consecință, îi crește selectivitatea. Scăderea temperaturii funcționează în același mod.
Atomii de brom sunt mai puțin activi; Energia de activare vizibilă a acestei reacții duce la faptul că bromurarea alcanilor, deși are loc printr-un mecanism în lanț, este mult mai lentă decât clorurarea și numai la temperaturi ridicate sau la lumină. Activitatea mai scăzută a atomilor de brom duce, de asemenea, la o selectivitate crescută a bromurarii. Astfel, dacă viteza relativă de bromurare fotochimică a etanului la 40° C este considerată egală cu 1, atunci viteza de bromurare a propanului (la atomul de H secundar) va fi deja de 220 în aceleași condiții, iar viteza de bromurare a izobutanul (la atomul de H terțiar) va fi de 19.000
Atomii de iod sunt cei mai puțin activi, de aceea reacția de iodare a alcanilor RH + I 2 ® RI + HI este endotermă, posibilă doar la temperaturi ridicate și are loc cu lanțuri foarte scurte. Mai mult, reacția exotermă inversă RI + HI ® RH + I 2 are loc foarte ușor. Când alcanii sunt iodați, se formează și compuși nesaturați. De exemplu, la 685°C, etanul, reacționând cu iodul, formează 72% etilenă și 10% acetilenă. Aceleași rezultate au fost obținute cu propan, butan și pentan.
Reacția de fluorurare a alcanilor are loc la o viteză foarte mare, adesea explozivă, cu formarea tuturor derivaților polifluorurați posibili ai alcanului original. Energia eliberată în timpul fluorurarii alcanilor este atât de mare încât poate duce la descompunerea moleculelor de produs în radicali care încep lanțuri noi. Ca urmare, viteza de reacție crește ca o avalanșă și aceasta duce la o explozie chiar și la temperaturi scăzute. Particularitatea fluorurarii alcanilor este posibilitatea distrugerii scheletului de carbon de către atomi de fluor cu formarea CF 4 ca produs final cu alți halogeni, o astfel de reacție nu are loc.
Nitrarea alcanilor (reacția lui Konovalov) urmează, de asemenea, un mecanism radical: RH + NO 2 ® R· + HNO 2, R· + NO 2 ® RNO 2. Sursa de NO 2 este acidul azotic, care se descompune atunci când este încălzit. Reacția se desfășoară în soluție la temperaturi peste 150° C sau în vapori sub presiune de până la 10 atm și la o temperatură de 400 – 500° C. În acest din urmă caz, legăturile C–C din alcani sunt de asemenea rupte și un amestec de se formează nitroalcani.
Toți alcanii ard prin eliberarea de căldură, de exemplu: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Această reacție are loc, în special, în cilindrii motoarelor cu ardere internă. Pentru a preveni pătrunderea în atmosferă a resturilor de alcani nearși, în țevile de eșapament se folosește arderea lor catalitică (în același timp, CO este ars și oxizii de azot sunt transformați în azot inofensiv). Reacția oxigenului cu alcanii superiori (în parafină) are loc atunci când arde o lumânare. Alcanii gazoși, cum ar fi metanul, formează amestecuri explozive cu aerul. Astfel de amestecuri se pot forma în mine, precum și în clădirile rezidențiale atunci când gazul de uz casnic se scurge dacă conținutul său în aer ajunge la 5%.
Eforturile semnificative ale chimiștilor au vizat un studiu detaliat al reacției de oxidare la temperatură scăzută a alcanilor pentru a o opri în stadiul de formare a produselor intermediare valoroase - aldehide, cetone, alcooli, acizi carboxilici. Astfel, în prezența sărurilor Co(II), Mn(II), butanul poate fi oxidat la acid acetic, parafina la acizi grași De la 12 la 18. Oxidarea ciclohexanului produce caprolactamă, un monomer pentru producerea capronei și acid adipic.
Important reacție industrială– sulfoclorurare fotochimică a alcanilor: o reacție radicală comună în lanț cu Cl 2 și SO 2 cu formarea de cloruri acide ale acizilor alcansulfonici RSO 2 Cl. Această reacție este utilizată pe scară largă în producția de detergenți. La înlocuirea clorului cu oxigen, are loc o reacție radicală în lanț de oxidare sulfonica a alcanilor cu formarea acizilor alcansulfonici R–SO 2 –OH. Sărurile de sodiu ale acestor acizi sunt utilizate ca detergenți și agenți de emulsionare.
La temperaturi ridicate, are loc descompunerea (piroliza) alcanilor, de exemplu: CH 4 ® C + 2H 2 (1000° C), 2CH 4 ® C 2 H 2 + 3H 2 (1500° C), C 2 H 6 ® C 2H4 +H2. Ultima reacție are loc la 500°C în prezența unui catalizator (Ni). În mod similar, din butan se poate obține 2-butenă CH 3 CH = CHCH 3, în același timp se formează un amestec de etilenă și etan. Spre deosebire de această reacție radicală, cracarea catalitică a alcanilor are loc printr-un mecanism ionic și servește la producerea de benzină din fracții mai grele de petrol. Când sunt încălziți în prezența acizilor Lewis, de exemplu, AlCl 3, are loc izomerizarea: alcanii neramificati (normali) sunt transformați în acizi ramificati cu același număr de atomi de carbon. Această reacție are mare semnificație practică pentru a obține combustibil de înaltă calitate ( cm. NUMĂR OCTANĂ). Dehidrogenarea alcanilor poate fi însoțită de închiderea inelului (dehidrociclizare). În cazul dehidrociclizării hexanului, produsul principal este benzenul.
Metanul la temperatură ridicată în prezența unui catalizator reacționează cu vaporii de apă și monoxidul de carbon (IV) pentru a forma gaz de sinteză: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Gazul de sinteză este folosit pentru a produce carburanți și alcool metilic.
ÎN ultimii ani Eforturile chimiștilor vizează crearea de catalizatori care activează legăturile C–H în moleculele de alcan în condiții blânde. Unele microorganisme „pot” efectua astfel de reacții, ale căror enzime sunt capabile să „digere” chiar și parafina cu formarea de compuși proteici. Sarcina chimiștilor este să înțeleagă cum funcționează catalizatorii naturali și să modeleze reacțiile enzimatice care pot avea loc la temperaturi obișnuite. În acest caz, diverși compuși organometalici sunt utilizați ca catalizatori. De exemplu, în prezența unor compuși de platină, metanolul CH3OH poate fi obținut direct din metan și în prezența unui complex de trifenilfosfină Rh[(C6H5)3P] de rodiu asociat cu molecule de CO; În timpul reacției, moleculele de CO sunt introduse în legăturile C-H ale alcanilor pentru a forma aldehide.
Cicloalcanii au proprietăți chimice similare cu alcanii. Astfel, sunt inflamabile, pot fi halogenate printr-un mecanism radical, iar la temperaturi ridicate în prezența catalizatorilor sunt dehidrogenate - se desprind hidrogenul și se transformă în hidrocarburi nesaturate. Proprietăți speciale, după cum sa menționat, are ciclopropan. Spre deosebire de alcani, cicloalcanii sunt hidrogenați, atunci când inelul se deschide și se formează alcani, de exemplu: ciclo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reacţia are loc când este încălzită în prezenţa unui catalizator de platină). Pe măsură ce dimensiunea ciclului crește, reacția devine mai dificilă - astfel, ciclopentanul este deja hidrogenat (la pentan) cu mare dificultate și la temperaturi ridicate (300 ° C).
A fi în natură și a primi.
Principalele surse de alcani sunt petrolul și gazele naturale. Metanul constituie cea mai mare parte a gazelor naturale, de asemenea, conține cantități mici de etan, propan și butan. Metanul se găsește în emisiile din mlaștini și straturile de cărbune. Alături de omologii ușoare, metanul este prezent în gazele petroliere asociate. Aceste gaze sunt dizolvate în ulei sub presiune și sunt, de asemenea, situate deasupra acestuia. Alcanii reprezintă o parte semnificativă a produselor petroliere. Uleiul conține și cicloalcani - se numesc naftene (din greacă. nafta- ulei). Hidrații de gaz ai alcanilor, în principal metanul, sunt, de asemenea, răspândiți în natură, se găsesc în rocile sedimentare de pe continente și pe fundul oceanelor. Rezervele lor depășesc probabil rezervele cunoscute de gaze naturale și, în viitor, pot deveni o sursă de metan și cei mai apropiați omologi ai săi.
Alcanii se obțin și prin piroliza (cocsificarea) cărbunelui și hidrogenarea acestuia (producția de combustibil lichid sintetic). Alcanii solizi se găsesc în natură sub formă de depozite de ceară de munte - ozokerită, în învelișurile ceroase ale frunzelor, florilor și semințelor plantelor și fac parte din ceara de albine.
În industrie, alcanii se obțin prin hidrogenarea catalitică a oxizilor de carbon CO și CO 2 (metoda Fischer–Tropsch). În laborator, metanul se poate obține prin încălzirea acetatului de sodiu cu un alcali solid: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3 , precum și prin hidroliza unor carburi: Al 4 C 3 + 12H 2 O ® 3CH 4 + 4Al(OH)3. Omologii metanului pot fi obținuți prin reacția Wurtz, de exemplu: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. În cazul dihaloalcanilor se obțin cicloalcani, de exemplu: Br–CH 2 –(CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® ciclo-C6H12+2NaBr. Alcanii se formează și în timpul decarboxilării acizilor carboxilici și în timpul electrolizei acestora.
Aplicarea alcanilor.
Ca combustibil sunt utilizați alcanii din benzină, kerosen, motorină și păcură. Alcanii mai mari se găsesc în uleiurile lubrifiante, vaselina și parafină. Un amestec de pentani izomeri și hexani se numește eter de petrol și este folosit ca solvent. Ciclohexanul este, de asemenea, utilizat pe scară largă ca solvent și pentru sinteza polimerilor (nailon, nailon). Ciclopropanul este utilizat pentru anestezie. Squalanul este un ulei lubrifiant de înaltă calitate, o componentă a preparatelor farmaceutice și cosmetice și un adsorbant în cromatografia gaz-lichid.
Alcanii servesc drept materii prime pentru producerea multor compuși organici, inclusiv alcooli, aldehide și acizi. Derivații de clor ai alcanilor sunt utilizați ca solvenți, de exemplu, triclormetan (cloroform) CHCI3, tetraclorură de carbon CCl4. Un amestec de alcani superiori - parafina este netoxic și este utilizat pe scară largă în industria alimentară pentru impregnarea recipientelor și a materialelor de ambalare (de exemplu, pungi de lapte), în producția de gumă de mestecat. Creioanele și partea superioară (lângă cap) a chibriturilor sunt impregnate cu parafină pentru o ardere mai bună. Parafina încălzită este utilizată în scopuri medicinale (tratament cu parafină). Oxidarea parafinei în condiții controlate în prezența catalizatorilor ( săruri organice metale de tranziție) conduce la producerea de produse care conțin oxigen, în principal acizi organici.
Ilya Leenson
Literatură:
Petrov A.A. Chimia alcanilor. M., Nauka, 1974
Azerbaev I.N. etc. Sinteze pe bază de hidrocarburi petroliere. Alma-Ata, Știință, 1974
Rudakov E.S. Reacții ale alcanilor cu agenți oxidanți, complecși metalici și radicali în soluții. Kiev, Naukova Dumka, 1985
Parauşanu V. Producția și utilizarea hidrocarburilor. M., Chimie, 1987
Tabelul prezintă câțiva reprezentanți ai unui număr de alcani și radicalii acestora.
|
Formula |
Nume |
Nume radical |
|||||||||||
|
CH3 metil |
|||||||||||||
|
C3H7 tăiat |
|||||||||||||
|
butii C4H9 |
|||||||||||||
|
izobutan |
izobutil |
||||||||||||
|
izopentan |
izopentil |
||||||||||||
|
neopentan |
neopentil |
||||||||||||
|
Tabelul arată că aceste hidrocarburi diferă între ele prin numărul de grupe - CH2 -. O astfel de serie de structuri similare, având proprietăți chimice similare și care diferă unele de altele prin numărul acestor grupe, se numește serie omoloagă. Iar substanțele care îl compun se numesc omologi. Omologuri - substanțe similare ca structură și proprietăți, dar care diferă ca compoziție prin una sau mai multe diferențe omoloage (- CH2 -)
Lanț de carbon - în zig-zag (dacă n ≥ 3) σ - legături (rotație liberă în jurul legăturilor) lungime (-C-C-) 0,154 nm energie de legare (-C-C-) 348 kJ/mol Toți atomii de carbon din moleculele de alcan sunt într-o stare de hibridizare sp3
unghi între Conexiuni C-C este 109°28", deci molecule de alcani normali cu un număr mare atomii de carbon au o structură în zigzag (zigzag). Lungime Conexiuni S-Sîn hidrocarburile saturate este egal cu 0,154 nm (1 nm = 1*10-9 m). a) formule electronice și structurale; b) structura spatiala
4. Izomerie- Izomeria STRUCTURALA a lantului cu C4 este caracteristica Unul dintre acești izomeri ( n-butan) conține un lanț carbonic neramificat, iar celălalt, izobutan, conține unul ramificat (izostructură). Atomii de carbon dintr-un lanț ramificat diferă prin tipul de legătură cu alți atomi de carbon. Astfel, un atom de carbon legat doar de un alt atom de carbon este numit primar, cu alți doi atomi de carbon - secundar, cu trei - terţiar, cu patru - cuaternar. Odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din molecule, crește posibilitățile de ramificare a lanțului, adică. numărul de izomeri crește odată cu numărul de atomi de carbon. Caracteristici comparative ale omologilor și izomerilor
1. Au propria nomenclatură radicali(radicali de hidrocarburi)
| |||||||||||||
Utilizarea alcanilor este destul de diversă - sunt folosiți ca combustibil, precum și în mecanică, medicină etc. Rolul acestora compuși chimici in viata omul modern greu de supraestimat.
Alcani: proprietăți și scurtă descriere
Alcanii sunt compuși de carbon neciclici în care atomii de carbon sunt legați prin legături simple saturate. Aceste substanțe sunt o serie intreaga cu anumite proprietăţi şi caracteristici. arata asa:
N aici reprezintă numărul de atomi de carbon. De exemplu, CH3, C2H6.
Primii patru reprezentanți ai seriei alcanilor sunt substanțe gazoase: metan, etan, propan și butan. Următorii compuși (C5 până la C17) sunt lichizi. Seria continuă cu compuși care sunt solizi în condiții normale.
În ceea ce privește proprietățile chimice, alcanii sunt slab activi - practic nu interacționează cu alcalii și acizii. Apropo, proprietățile chimice determină utilizarea alcanilor.
Cu toate acestea, acești compuși sunt caracterizați prin anumite reacții, inclusiv înlocuirea atomilor de hidrogen, precum și procese de scindare moleculară.
- Cea mai caracteristică reacție este halogenarea, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu halogeni. Reacțiile de clorurare și bromurare ale acestor compuși sunt de mare importanță.
- Nitrarea este înlocuirea unui atom de hidrogen cu o grupare nitro în timpul unei reacții cu un diluat (concentrație de 10%). În condiții normale, alcanii nu reacţionează cu acizii. Pentru a realiza o astfel de reacție, este necesară o temperatură de 140 °C.
- Oxidare - în condiții normale, alcanii nu sunt afectați de oxigen. Cu toate acestea, după aprinderea în aer, aceste substanțe intră în produsele finale ale cărora sunt apa și
- Cracare - această reacție are loc numai în prezența catalizatorilor necesari. Procesul implică scindarea legăturilor omoloage stabile între atomii de carbon. De exemplu, atunci când butanul este crapat, reacția poate produce etan și etilenă.
- Izomerizarea - ca urmare a acțiunii anumitor catalizatori, este posibilă o oarecare rearanjare a scheletului de carbon al alcanului.
Aplicații ale alcanilor
Principala sursă naturală a acestor substanțe sunt produse atât de valoroase precum gazele naturale și petrolul. Domeniile de aplicare ale alcanilor astăzi sunt foarte largi și variate.
De exemplu, substante gazoase folosit ca o sursă valoroasă de combustibil. Un exemplu este metanul, din care este făcut gazul natural, precum și un amestec propan-butan.
O altă sursă de alcani este ulei , a cărui valoare pentru umanitatea modernă greu de supraestimat. Produsele petroliere includ:
- benzină - folosită drept combustibil;
- kerosen;
- motorină sau motorină ușoară;
- motorina grea, care este folosită ca ulei lubrifiant;
- resturile sunt folosite pentru a face asfalt.
Produsele petroliere sunt, de asemenea, folosite pentru a produce materiale plastice, fibre sintetice, cauciucuri și unii detergenți.
Vaselina și vaselina sunt produse care constau dintr-un amestec de alcani. Sunt folosite în medicină și cosmetologie (în principal pentru prepararea unguentelor și cremelor), precum și în parfumerie.
Parafina este un alt produs binecunoscut, care este un amestec de alcani solizi. Aceasta este o masă albă solidă, a cărei temperatură de încălzire este de 50 - 70 de grade. În producția modernă, parafina este folosită pentru a face lumânări. Chibriturile sunt impregnate cu aceeași substanță. În medicină, se efectuează diverse proceduri termice folosind parafină.
