Alkani, njihova zgradba in lastnosti. Kaj so alkani: struktura in kemijske lastnosti
Alkani (nasičeni ogljikovodiki, parafini) - nasičeni ogljikovodiki, v molekulah katerih so atomi ogljika in vodika povezani samo z -vezmi.
Splošna formula za alkane je OD n H 2 n +2 .
V molekulah alkanov so ogljikovi atomi v sp 3-hibridnem stanju in vsak od njih tvori 4 -vezi z atomi ogljika in (ali) vodika. Za sp 3-hibridizacijsko stanje je značilna tetraedrična konfiguracija ogljikovega atoma.
Naravni viri
Naravni viri alkanov so nafta, pripadajoči naftni plini in zemeljski plin.
Olje je izjemnega pomena. Olje je kompleksna mešanica organskih spojin, predvsem ogljikovodikov. Vsebuje tudi majhne količine spojin, ki vsebujejo kisik, dušik in žveplo. Odvisno od naftnega polja lahko sestavo ogljikovodikov predstavljajo alkani in druge skupine ogljikovodikov. Olje se uporablja kot gorivo in dragocena surovina za kemično industrijo.
Trenutno obstaja več načinov industrijske predelave nafte.
Destilacija. To je fizični način prečiščevanja olja. Naftni ogljikovodiki se razlikujejo po molekulski masi in posledično po vreliščih. Zato lahko olje s preprosto destilacijo razdelimo na številne frakcije, ki se razlikujejo po vreliščih. Na ta način dobimo petroleter (do 60 ° C; C 5 -C 6); letalski bencin (60–180 ° С; С 6 –С 10); bencin (do 200 ° С; С 11 –C 12); kerozin in reaktivno gorivo (175–280 ° С; С 7 –С 14); dizelsko gorivo (200-350 ° C; C 13 -C 18). Frakcija s vreliščem nad 360 ° C se imenuje kurilno olje (C 18 –C 25). Frakcija, ki vsebuje ogljikovodike C 25 in višje ogljikovodike, ni destilirana; iz njega pridobivajo težka olja, vazelin, parafin.
Katalitsko razpokanje. Za razliko od destilacije je kreking (od angleškega cracking - cepitev) postopek kemičnega prečiščevanja nafte, ki je sestavljen iz cepljenja višjih ogljikovodikov in pridobivanja dragocenejših nižjih alkanov, ki sestavljajo na primer bencinsko frakcijo itd. Ko se olje segreje na temperaturo 500 ° C v prisotnosti alumosilikatnih katalizatorjev (aluminijev oksid Al 2 O 3 na silikagelu SiO 2) vezi med atomi ogljika v verigi se pretrgajo in nastanejo alkani z manjšim številom atomov ogljika (C 5 -C 10) in razvejana veriga.
Zemeljski plin je sestavljen predvsem iz metana (do 95%) z manjšimi primesmi etana in propana. Pridruženi naftni plin poleg metana vsebuje znatno količino etana, propana in butana. Naravni in naftni plini se uporabljajo kot visokokalorično gorivo, pa tudi kot surovina za številne velike kemične industrije. Metan je surovina za najpomembnejše kemijske procese za proizvodnjo ogljika in vodika, acetilena, organskih spojin, ki vsebujejo kisik - alkohole, aldehide, kisline.
Drobno dispergiran ogljik (saj), pridobljen s toplotno razgradnjo (pirolizo) metana (1), se uporablja kot polnilo pri proizvodnji gume in tiskarskih barv. Vodik se uporablja v različnih sintezah, vključno s sintezo amoniaka. Visokotemperaturni kreking metana (2) tvori acetilen. Zahtevano visoko temperaturo (1400–1600 ° C) ustvari električni oblok. Blaga oksidacija metana z atmosferskim kisikom v prisotnosti katalizatorjev (3) daje snovi, dragocene za organsko sintezo in proizvodnjo plastike: metilni alkohol, formaldehid in mravljična kislina.
CH 4 C + 2H 2 (1)
2CH 4 
НССН + 3Н 2 (2)
Načini pridobivanja
Najpomembnejše sintetične metode pridobivanja:
1. Hidrogeniranje nenasičenih ogljikovodikov.
CH3 –CH \u003d CH - CH3 + H2 
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3
buten-2 butan
(katalizator je nikelj, platina ali paladij).
2. Pridobivanje iz halogenskih derivatov (reakcija Sh.A. Wurtza, 1854).
2СН 3 I + 2Na CH 3 –CH 3 + 2NaI.
jodometan etan
3. Pridobivanje iz soli karboksilnih kislin (laboratorijska metoda).
CH 3 COONa (s) + NaOH (s). 
CH 4 + Na 2 CO 3.
natrijev acetat metan
Pri teh reakcijah se praviloma ne jemlje čisti natrijev hidroksid, temveč njegova mešanica s kalcijevim hidroksidom soda apno ... Izhodne snovi so predhodno žgane.
4. Neposredna fuzija ogljika in vodika.
V električnem loku, ki gori v vodikovi atmosferi, nastane velika količina metana:
C + 2H 2, CH 4.
Ista reakcija poteka pri temperaturi 400–500 ° C, tlaku približno 30 MPa in v prisotnosti katalizatorja - železa ali mangana. Ta reakcija je zelo praktična pri pridobivanju mešanice ogljikovodikov - sintetičnega bencina.
5. Proizvodnja iz sintetičnega plina.
nCO + (2n + 1) H2 
C n H 2n + 2 + nH 2 O.
sintetični plin
Fizične lastnosti
V normalnih pogojih (pri 25 ° C in atmosferskem tlaku) so prvi štirje člani homologne serije alkanov (C1 - C4) plini. Običajni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) so tekočine, od C 18 in več pa trdne snovi. Ko se število atomov ogljika v verigi poveča, t.j. s povečanjem relativne molekulske mase se vrelišče in tališče alkanov poveča. Z enakim številom atomov ogljika v molekuli imajo razvejani alkani nižja vrelišča kot običajni alkani.
Alkani v vodi skoraj niso topni, saj so njihove molekule nizko polarne in ne vplivajo na molekule vode. Tekoči alkani se zlahka mešajo med seboj. Dobro se topijo v nepolarnih organskih topilih, kot so benzen, ogljikov tetraklorid (ogljikov tetraklorid), dietil eter itd.
Kemijske lastnosti
Kemično so alkani neaktivni, zato so jih imenovali parafini (od lat. parum affinis - brez afinitete). To je razloženo z močjo -vezi, katere stabilnost je posledica majhnosti atoma C in njegove tetraedarske konfiguracije, kar prispeva k največji koncentraciji gostote elektronov med atomskimi jedri. Vezava C - H je rahlo polarizirana zaradi bližine elektronegativnosti atomov C in H. Zaradi tega so alkani snovi z nizko polarnostjo in jih je težko polarizirati; kisline, alkalije, običajni oksidanti (na primer KMnO 4 ), kovine nanje ne delujejo.
Za alkane je možna homolitična (radikalna) ruptura vezi z reakcijami substitucije atomov H, cepitvijo ogljikovega okostja (razpokanje) in oksidacijo (delno ali popolno).
1. Nadomestne reakcije.
– Kloriranje.
Kot primer substitucijskih reakcij si oglejmo reakcijo kloriranja metana, ki spada med radikalne verižne reakcije. Postopek močno poteka v svetlobi ali segrevanju (do 250–400 о С). Prva faza se imenuje začetek, ali iniciranje, verige:
(pod vplivom energije svetlobnih kvant ali visoke temperature se nekatere molekule klora homolizno razdelijo na 2 atoma z neparnimi elektroni - prostimi radikali).
Cl2 + CH4 'HCl + CH3 (metil); СН 3 + Сl 2 СН 3 Сl + Сl itd.
Prekinjeno vezje se zgodi, ko dva prosta radikala trčita; v tem primeru lahko nastanejo molekule C2H6, CH3Cl, Cl2.
Pri kloriranju drugih alkanov je zamenjava najlažja pri terciarnem ogljikovem atomu (atomu, ki porabi 3 valence na vezi C - C), nato pri sekundarnem in nazadnje pri primarnem. Pri tvorbi večhalogeniranih spojin atomi klora pretežno nadomestijo vodikove atome na istih ali na sosednjih ogljikovih atomih. - Vzorci V.V. Markovnikov.
– Nitriranje (reakcija M. I. Konovalova, 1888).
Reakcijo izvedemo z 10% dušikovo kislino pri temperaturi približno 140 ° C in nizkem tlaku.
2. Oksidacija.
V industriji alkani oksidirajo z atmosferskim kisikom na manganovih katalizatorjih pri temperaturi približno 200 ° C. V tem primeru se vezi C - C razcepijo in dobimo spojine, ki vsebujejo kisik z nizko molekulsko maso - alkoholi, aldehidi, ketoni, karboksilne kisline (glej. Naravni viri). Alkani gorijo v zraku s sproščanjem velike količine toplote. Zato se v vsakdanjem življenju in tehnologiji pogosto uporabljajo kot visokokalorično gorivo.
CH 4 + 2O 2, CO 2 + 2 H 2 O + 890 kJ.
Alkeni
Alkeni (etilen ogljikovodiki) - nenasičeni ogljikovodiki, katerih molekule vsebujejo eno dvojno vez C \u003d C.
Splošna formula alkenov - OD n H 2 n .
Dvojno vez tvorita dva para posplošenih elektronov. Atomi ogljika, povezani z dvojno vezjo, so v stanju sp 2-hibridizacije, pri čemer vsak od njih tvori 3 -vezi, ki ležijo v isti ravnini pod kotom 120. Nehibridne p-orbitale ogljikovih atomov se nahajajo pravokotno na ravnino -vezi in so med seboj vzporedne in zaradi "bočnega" prekrivanja tvorijo an-vez, katere elektronski oblak se nahaja delno nad in delno pod ravnino molekule.
Načini pridobivanja
1. Alkanova piroliza.
Piroliza - procesi kemičnih pretvorb organskih spojin, ki se pojavijo med visoka temperatura.
Piroliza alkanov je najpomembnejša industrijska metoda za pridobivanje alkenov iz frakcij olja z visokim vreliščem. Pod vplivom močnega segrevanja (do 700 ° C) se v molekulah alkana homolizno cepita vezi C - C in C - H . V tem primeru nastajajo različni prosti radikali. Kot rezultat interakcije radikalov z molekulami alkanov in med seboj nastane mešanica alkanov, alkenov in vodika z nizko molekulsko maso.
2. Dehidrogeniranje alkanov.
3. Dehidracija alkohola.
CH3 –CH2 –OH 
CH2 \u003d CH2 + H20
Reakcijski mehanizem:
CH 3 –CH 2 –OH + HO - SO 3 H CH 3 –CH 2 –O - SO 3 H + H 2 O
etanol žveplova kislina etil žveplo kislina
CH 3 –CH 2 –O - SO 3 H 
CH2 \u003d CH2 + HO - SO3H
Med dehidracijo alkohola vodik prednostno odstranjuje pravilo A.M. Zaitseva (1875) - iz enega od sosednjih atomov ogljika, ki je revnejši z vodikom (najmanj hidrogeniran):
4. Dehidrohalogeniranje halogeniranih derivatov.
Ta postopek poteka tudi v skladu s pravilom A.M. Zaitseva:
5. Dehalogeniranje dihalogeniranih derivatov.
Fizične lastnosti
Po fizikalnih lastnostih se alkeni malo razlikujejo od alkanov z enakim številom atomov ogljika v molekuli. Spodnji homologi С2 –С4 v normalnih pogojih. - plini; С 5 –С 17 - tekočine; višji homologi so trdne snovi. Alkeni v vodi niso topni. Dobro topen v organskih topilih.
Kemijske lastnosti
Značilnost p-elektronov je njihova gibljivost; atomska jedra jih manj trdno držijo kot -elektrone. Zato -vez pod delovanjem elektrofilnih reagentov zlahka polarizira in pretrga heterolitično, zato so za alkene značilne adicijske reakcije.
Poleg tega alkeni zlahka vstopijo v reakcije oksidacije in polimerizacije z dvojno vezjo.
1. Elektrofilne reakcije dodajanja.
– Hidrohalogeniranje (dodajanje vodikovega halogenida).
СН 3 –СН \u003d СН - СН 3 + НСl СН 3 –СН 2 –СССl - СН 3
Če v reakciji sodeluje nesimetrični alken (na primer propen), se določi prednostna smer reakcije pravilo V.V. Markovnikova (1869): ko so molekule tipa HX (kjer je X atom halogena, skupina OH itd.) Pritrjene na asimetrične alkene, je atom H pritrjen na bolj hidrogeniran atom C molekule alkena:
CH 3 –CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 –CHBr - CH 3.
propen 2-bromopropan
To je mogoče razložiti na podlagi naslednjih premislekov:
ena). Porazdelitev elektronske gostote v nereaktivni molekuli ( statični faktor) - metilni radikal odbija elektronsko gostoto vezi C - C. Posledično pride do polarizacije -vezi:
Polarno molekulo HBr usmerja atom H v molekulo propena zaradi elektrostatične privlačnosti na elektrone z dvojno vezjo; pride do ionske cepitve vezi N - Вr in ion N + privlači predvsem prvi atom C molekule propena in se nanj veže zaradi elektronskega para parne vezi. Na srednjem C atomu molekule propena se pojavi naboj "+" (molekula se spremeni v karbokacijo):
Nato je bromid-ion pritrjen na pozitivno nabit atom C karbokacije:
2). Stabilnost nastale karbokacije ( dinamični faktor). Interakcija iona H + z molekulo propena lahko teoretično povzroči nastanek karbokacije 
(propenija ion-1). Vendar se to ne zgodi, ker zaradi dejstva, da alkilni radikali (CH 3 , CH 3 –CH 2 ) odbijajo elektronsko gostoto od sebe in ugašajo pozitivni naboj ogljikovega atoma, ion propenija-2 
izkaže se za bolj stabilnega kot ion propenije-1. To govori tudi v prid usmerjanju reakcije po pravilu Markovnikova.
– Hidracija.
Ta postopek poteka tudi v skladu s pravilom V.V. Markovnikova:
– Halogeniranje (kakovostna reakcija dvojne vezi ).
Opazimo razbarvanje bromne vode.
2. Reakcije oksidacije in redukcije.
– Reakcija E.E. Wagner(1888) - kvalitativna reakcija na dvojno vez.
3СН 2 \u003d СН 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O 3HO - CH 2 –CH 2 –OH + 2KOH + 2MnO 2
etilen glikol
Opažamo izolacijo rjave oborine manganovega (IV) oksida in razbarvanje raztopine kalijevega permanganata.
V kislem mediju reakcija alkenov s kalijevim permanganatom poteka s cepitvijo vezi C \u003d C, zato nastanejo ustrezne karboksilne kisline ali ketoni:
5Н 3 C - CH \u003d CH - CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 10H 3 C - COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O
buten-2 ocetna kislina
5Н 3 C - CH \u003d 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
ocepan kislinski propanon (aceton)
– Hidrogeniranje.
H 3 C - CH \u003d CH - CH 3 + H 2 
Н 3 C - CH 2 –CH 2 –CH 3
Poleg niklja lahko v tej reakciji kot katalizatorja uporabimo platino in paladij.
3. Reakcije polimerizacije.
Reakcija polimerizacije - To je zaporedno pritrjevanje molekul nenasičenih spojin med seboj s tvorbo visoko molekularne spojine - polimera.
Najpogostejša polimera ogljikovodikov sta polietilen in polipropilen.
nН 2 С \u003d СН 2 (–СН 2 –СН 2 -) n
etilen polietilen
Omejeni ogljikovodiki ali parafini so tiste bio spojine, v katerih so ogljikovi atomi povezani s preprosto (enojno) vezjo, vse druge valenčne enote pa so nasičene z vodikovimi atomi.
Alkani: fizikalne lastnosti
Izločanje vodika iz molekule alkana ali dehidrogenacija v prisotnosti katalizatorjev in segrevanja (do 460 ° C) omogoča pridobivanje potrebnih alkenov. Razvite so metode za oksidacijo alkanov pri nizkih temperaturah v prisotnosti katalizatorjev (magnezijeve soli). To vam omogoča neposreden vpliv na potek reakcije in pridobivanje potrebnih produktov oksidacije v procesu kemijske sinteze. Na primer, pri oksidaciji višjih alkanov nastane vrsta višjih alkoholov ali višjih maščobnih kislin.
Do cepitve alkanov pride tudi v drugih pogojih (zgorevanje, pokanje). Nasičeni ogljikovodiki gorijo z modrim plamenom in tvorijo ogromno toplote. Te lastnosti jim omogočajo uporabo kot visokokalorično gorivo tako v vsakdanjem življenju kot v industriji.
Vsebina članka
ALKANI IN CIKOLOKI- ogljikovodiki, pri katerih so vsi atomi ogljika med seboj in z vodikovimi atomi povezani s preprostimi (enojnimi) vezmi. Alkani (sopomenke - nasičeni ogljikovodiki, nasičeni ogljikovodiki, parafini) - ogljikovodiki z splošna formula C n H 2 n+2, kjer n - število atomov ogljika. Znani polietilen ima enako formulo, le vrednost n je zelo velik in lahko doseže več deset tisoč. Poleg tega polietilen vsebuje molekule različnih dolžin. V cikloalkanih atomi ogljika tvorijo zaprto verigo; če obstaja samo en cikel, cikloalkan s formulo C n H 2 n .
Alkane delimo na linearne in razvejane, odvisno od zaporedja, v katerem so atomi ogljika povezani v verigo. Skladno s tem za alkane z n і 4 lahko obstaja več kot ena snov z isto formulo. Takšne snovi se imenujejo izomeri (iz grščine. isis - enak, enak in večji - delež, del.
Alkanska imena.
Beseda "alkan" je istega izvora kot "alkohol" ( glej spodaj). Zastareli izraz "parafin" izhaja iz latinskega parum - malo, malo in povezano z afinisom; parafini imajo nizko reaktivnost glede na večino kemičnih reagentov. Številni parafini so homologni; v homologni seriji alkanov se vsak naslednji član od prejšnjega razlikuje za eno CH2 metilensko skupino. Izraz izhaja iz grškega homologos - primeren, podoben.
Nomenklatura (od lat. nomenklatura - seznam imen) imena alkanov so zgrajena po določenih pravilih, ki niso vedno enoznačna. Torej, če so v molekuli alkana različni substituenti, so v imenu alkana navedeni v abecednem vrstnem redu. Vendar pa v različnih jezikih to naročilo se lahko razlikuje. Na primer, ogljikovodik СН 3 –СН (СН 3) –СН (С 2 Н 5) –СН 2 –СН 2 –СН 3 se bo v skladu s tem pravilom v ruščini imenoval 2-metil-3-etilheksan, v angleščini pa 3-etil-2-metilheksan ...
V skladu z imenom ogljikovodika se alkil radikali imenujejo tudi: metil (CH 3 -), etil (C 2 H 5 -), izopropil (CH 3) 2 CH-, sek-butil C2H5-CH (CH3) -, drgnjenje-butil (CH3) 3C - itd. Alkilni radikali so kot celota vključeni v številne organske spojine; v prostem stanju so ti delci z neparnim elektronom izjemno aktivni.
Nekateri izomeri alkanov imajo tudi trivialna imena ( cm... TRIVIALNA IMENA SNOVI), npr.izobutan (2-metilpropan), izooktan (2,2,4-trimetilpentan), neopetan (2,3-dimetilpropan), skvalan (2,6,10,15,19,23-heksametiltetrakozan) , katerega ime izhaja iz lat squalus - morski pes (nenasičeni derivat skvalana - skvalen, pomembna spojina za presnovo, so prvič odkrili v jetrih morskih psov). Pogosto se uporablja tudi trivialno ime pentilnega radikala (C 5 H 11) - amil. Prihaja iz grščine. amilon - škrob: nekoč je bil izoamilni alkohol C 5 H 11 OH (3-metilbutanol-1) imenovan "amilni alkohol v fermentaciji", saj je osnova fuzelnega olja in nastane kot rezultat fermentacije sladkih snovi - proizvodov hidrolize škroba.
Najenostavnejši član serije cikloalkanov C n H 2 n - ciklopropan ( n \u003d 3). Njegovi homologi so poimenovani enako kot alkani z dodatkom predpone "ciklo" (ciklobutan, ciklopentan itd.). Pri cikloalkanih je možna izomerija, povezana s prisotnostjo stranskih alkilnih skupin in njihovo razporeditvijo v obroču. Na primer, cikloheksan, metilciklopentan, 1,1-, 1,2- in 1,3-dimetilciklobutani, 1,1,2- in 1,2,3-trimetilciklopropani so izomerni.
Število izomerov alkanov se močno poveča s povečanjem števila atomov ogljika. Imena nekaterih alkanov in teoretično število možnih izomerov so podana v tabeli.
| Formula | Ime | Število izomerov | Formula | Ime | Število izomerov |
| CH 4 | Metan | 1 | S 11 N 24 | Undecane | 159 |
| C2H6 | Etan | 1 | C12H26 | Dodekane | 355 |
| C3H8 | Propan | 1 | S 13 N 28 | Tridecan | 802 |
| C4H10 | Butan | 2 | S 14 N 30 | Tetradecan | 1858 |
| C5H12 | Pentan | 3 | S 15 N 32 | Pentadekan | 4347 |
| C6H14 | Heksan | 5 | S 20 N 42 | Eikozan | 366319 |
| C7H16 | Heptan | 9 | S 25 N 52 | Pentakozan | 36797588 |
| C8H18 | Oktan | 18 | C 30 N 62 | Triacontan | 4111846763 |
| C9H20 | Nonan | 35 | C 40 N 82 | Tetrakontan | 62481801147341 |
| S 10 N 22 | Dean | 75 | S 100 N 202 | Hektan | približno 5.921 10 39 |
Ukvarjati se z večino nomenklaturnih imen nasičenih ogljikovodikov ni zelo težko niti za tiste, ki grške jezika niso učili v klasični gimnaziji. Ta imena izvirajo iz grških številk z dodatkom končnice -an. S prvimi člani serije je težje: ne uporabljajo številk, temveč druge grške korenine, povezane z imeni ustreznih alkoholov ali kislin. Ti alkoholi in kisline so bili znani že veliko pred odkritjem ustreznih alkanov; primer sta etilni alkohol in etan (pridobljena šele leta 1848).
Metan (kot tudi metanol, metil, metilen itd.) Ima skupen koren "met", kar v kemiji pomeni skupino, ki vsebuje en atom ogljika: metil CH 3, metilen (metiliden) CH 2, metin (metilidin) CH. V preteklosti je bila prva taka snov metilni alkohol, metanol, ki so ga prej pridobivali s suho destilacijo lesa. Njegovo ime izhaja iz grških besed methy - zastrupiti vino in hile - gozd (tako rekoč "lesno vino"). Tu najbolj presenetljivo je, da imajo metan, ametist in med skupno korenino! V starih časih dragulji obdarjen čarobne lastnosti (in mnogi še vedno verjamejo v to). Verjeli so torej, da čudoviti vijolični kamni ščitijo pred zastrupitvijo, še posebej, če je iz tega kamna narejena posoda za pitje. Skupaj z negativno predpono se je izkazalo, da ametistos - preprečuje zastrupitev. Izkazalo se je, da je beseda med v skoraj vseh evropskih jezikih: angleščini. medovina - med (kot pijača), nemški Met (v staronemškem metu), nizozemski mede, švedski mjöd, danski mjød, litovski in latvijski medus, da o slovanskih jezikih niti ne govorimo. Vse te besede, vključno z grščino, prihajajo iz indoevropske medhu, kar pomeni sladka pijača. Grško žganje Metaxa ni šlo daleč od njih, čeprav sploh ni sladko.
Etan (pa tudi eter, etanol, alkohol, alkan) imajo skupen izvor. Starogrški filozofi so imenovali bodisi določeno snov, ki prežema vesolje. Ko so alkimisti v 8. stoletju. je iz vinskega alkohola in žveplove kisline dobil tekočino, ki je lahko izhlapevala, imenovana žveplov eter. V 19. stoletju. ugotovili, da se žveplov eter (v angleščini eter) nanaša na tako imenovane etre in vsebuje skupino dveh ogljikovih atomov - enako kot etilni alkohol (etanol); ta skupina se je imenovala etil (etil). Tako je ime snovi „etilni eter“ (C 2 H 5 –O - C 2 H 5) v bistvu „olje olje“.
Ime etan izvira iz "etil". Eno od imen za etanol, alkohol, je istega izvora kot beseda alkan (in tudi alken, alkin, alkil). V arabščini al-kohl pomeni prah, prah, prah. Že ob najmanjšem dihu se dvignejo v zrak, kot vinske pare - "alkohol vina", ki se je sčasoma spremenil v alkohol.
Zakaj je črka "t" v "etanu" in "etanolu", "f" pa v "etru"? Konec koncev angleški jezikZa razliko od ruščine imata besedi "eter" (eter) in "etil" (etil) podoben zapis in zvok. Th prihaja iz grške črke q (theta); v ruščini do leta 1918 je imela črka "phita" enak slog, ki pa se je izgovarjal kot "f" in je bil uporabljen izključno za razlikovanje besed, v katerih ta črka izhaja iz grškega q in 247 ("fi" ). V zahodnoevropskih jezikih grščina. j je šel na ph, q pa na th. V ruščini z mnogimi besedami "fit" že v 18. stoletju. nadomestila črka "f": gledališče namesto "qeaftr", matematika namesto "matematika", teorija namesto "teorija" ... V zvezi s tem je zanimivo, da je v Dahlovem slovarju, objavljenem leta 1882, pisni eqir in v enciklopedični slovar Brockhaus in Efron (1904) - "eter".
Mimogrede, estri v zahodnih jezikih so ester, ne eter. Toda v ruščini ni besede "ester", zato vsakega kemika nepismen prevod angleškega poliestra na tekstilnih etiketah zadene kot "poliester" namesto "poliester", "poliestrsko vlakno" (poliestri vključujejo na primer lavsan, terilen , dacron).
Imena "propan" in "butan" izhajata iz imen ustreznih kislin - propionske in butanojske (maslene). Propionska kislina je "prva" (tj. Z najkrajšo verigo), ki jo najdemo v maščobah ( cm... MAŠČOBE IN OLJA), njegovo ime pa izhaja iz grščine. protos - najprej in pion - maščobe. Butan in butanojska kislina (rus. masleno kislina) - iz grščine. butiron - maslo; v ruščini so butirati soli in estri maslene kisline. Ta kislina se sprosti, ko je olje žarko.
Nadalje, začenši s pentanom, imena izhajajo iz grških številk. Redka izjema je cetan, eno od imen za heksadekan C 16. Ta beseda izvira iz imena cetilnega alkohola, ki ga je leta 1823 dobil francoski kemik Michel Eugene Chevreul. Chevreul je to snov izoliral iz spermaceta, vosku podobne snovi iz glave semenskega kita. Beseda spermaceti izvira iz grške sperma - seme in ketos - velika morska žival (kit, delfin). Iz latinskega črkovanja druge besede (cetus) izhajata cetilni alkohol C 16 H 33 OH (heksadekanol) in cetan.
V ruskem jeziku je veliko besed z enakimi koreninami kot alkani: Pentagon, sedmeroboj (lestvica 7 korakov), dodekafonija (metoda glasbene sestave), oktava, decima in undecima (glasbeni intervali), oktet in nonet (ansambli od 8 in 9 glasbenikov), pentoda, heksoda in heptoda (radijske cevi); heksameter (velikost verza), oktaeder, desetletje, dekan, hektar, oktober, december itd. itd.
Britanski kemiki so alkan z najdaljšimi molekulami sintetizirali leta 1985. Je nekontaktriktan C 390 H 782, ki vsebuje verigo 390 atomov ogljika. Raziskovalce je zanimalo, kako se bodo tako dolge verige spakirale med kristalizacijo (prožne ogljikovodikove verige se lahko zlahka zložijo).
Število izomerov alkanov.
Problem teoretično možnega števila izomerov alkanov je prvi rešil angleški matematik Arthur Cayley (1821-1895), eden od ustanoviteljev pomembne veje matematike - topologije (leta 1879 je objavil prvi članek o slovitem "problemu štirih barv ": ali so dovolj za barvanje geografskih zemljevidov; ta problem je bil rešen šele leta 1976). Izkazalo se je, da ni formule, po kateri bi število atomov ogljika v alkanu C n H 2 n+2 izračunaj število njegovih izomerov. Obstajajo samo tako imenovane ponavljajoče se formule (iz lat se ponavlja - vrnitev), ki omogočajo izračun števila izomerov n-treti člen niza, če je število izomerov prejšnjega izraza že znano. Zato izračuni za velike n so bili s pomočjo računalnikov pridobljeni relativno nedavno in pripeljani do ogljikovodika C 400 N 802; zanj se ob upoštevanju prostorskih izomerov dobi vrednost, ki si jo je težko predstavljati: 4,776 · 10 199. In že začenši z alkanom C 167 H 336, število izomerov presega število osnovnih delcev v vidnem delu vesolja, ki je ocenjeno na 10 80. Število izomerov, navedenih v tabeli, za večino alkanov se bo znatno povečalo, če upoštevamo tudi zrcalno simetrične molekule - stereoizomere ( cm... OPTIČNA IZOMERIJA): za heptan - od 9 do 11, za dekan - od 75 do 136, za eikozan - od 366 319 do 3 396 844, za hektan - od 5,921 · 10 39 do 1,373 · 10 46 itd.
S stališča kemika je število strukturnih izomerov nasičenih ogljikovodikov praktično zanimivo le za prve člane serije. Tudi za sorazmerno preprost alkan, ki vsebuje le petnajst ogljikovih atomov, velika večina izomerov ni bila pridobljena in verjetno ne bo kdaj sintetizirana. Na primer, zadnji od teoretično možnih 75 dekanih izomerov so bili sintetizirani šele do leta 1968. In to je bilo storjeno v praktične namene - da bi imeli popolnejši nabor standardnih spojin, na podlagi katerih je mogoče na primer identificirati različne ogljikovodike, tiste, ki jih najdemo v olju. Mimogrede, vseh 18 možnih oktanskih izomerov smo našli v različnih vrstah olja.
A najbolj zanimivo je, da so, začenši s heptadekanom C 17 H 36, najprej le nekaj teoretično možnega števila izomerov, nato številni in nazadnje skoraj vsi nazorni primer "kemije papirja", tj. dejansko ne more obstajati. Bistvo je, da se s povečanjem števila atomov ogljika v molekulah razvejanih izomerov pojavijo resni problemi prostorskega pakiranja. Konec koncev so matematiki atome ogljika in vodika obravnavali kot točke, čeprav imajo dejansko končni polmer. Torej ima metanska "kroglica" 4 atome vodika na "površini", ki se na njej prosto nahajajo. V neopentanu C (CH 3) 4 na "površini" je že 12 atomov vodika, ki se nahajajo precej bližje drug drugemu; vendar je še vedno prostora za njih. Toda za alkan 4 (C 17 H 36) je na površini malo prostora za namestitev vseh 36 atomov vodika v 12 metilnih skupinah; enostavno je preveriti, ali za take izomere narišemo ravno sliko (ali, še bolje, oblikujemo volumetrični model iz plastelina in vžigalic), pri čemer ohranjamo konstantnost dolžin vezi C - C in C - H ter vse kote med njimi) . Z rastjo n težave pri umestitvi se pojavijo tudi pri atomih ogljika. Posledično kljub temu, da se število možnih izomerov povečuje n zelo hitro narašča, delež "papirnatih" izomerov raste veliko hitreje. Računalniško podprta ocena je pokazala, da kot n razmerje med številom resnično možnih izomerov in številom "papirnatih" hitro teži na nič. Zato je izračun natančno število izomeri nasičenih ogljikovodikov za velike n, ki je nekoč vzbujal precejšnje zanimanje, ima zdaj za kemike le teoretični pomen.
Struktura in fizikalne lastnosti alkanov.
V alkanih so štiri sp 3-hibridne orbitale ogljikovega atoma ( cm... ORBITALI) so usmerjeni v oglišča tetraedra s kotom med njimi približno 109 ° 28 "- v tem primeru je odbijanje med elektroni in energijo sistema minimalno. Kot rezultat prekrivanja teh orbital z vsakim drugo, pa tudi s s-orbitale atomov vodika tvorijo s-vezi C - C in C - H. Te vezi v molekulah alkana so kovalentne nepolarne ali nizkopolarne.
Pri alkanih ločimo primarne atome ogljika (vezani so le na en sosednji atom C), sekundarne (vezane na dva atoma C), terciarne (vezane na tri atome C) in kvaternarne (vezane na štiri C-atome). Torej je v 2,2-dimetil-3-metilpentanu CH 3 –C (CH 3) 2 –CH (CH 3) –CH 2 –CH 3 en kvarterni, en terciarni, en sekundarni in pet primarnih ogljikovih atomov. Različno okolje ogljikovih atomov zelo močno vpliva na reaktivnost z njimi povezanih atomov vodika.
Prostorska razporeditev orbital sp 3 vodi, začenši s propanom, v cik-cak konfiguracijo ogljikovih verig. V tem primeru je možno vrtenje molekularnih fragmentov okoli vezi C - C (v molekuli etana pri 20 ° C - s hitrostjo milijonov vrtljajev na sekundo!), Zaradi česar so molekule višjih alkanov prožne. Ravnanje takšnih verig se na primer zgodi pri raztezanju polietilena, ki je sestavljen iz mešanice alkanov z dolgimi verigami. Molekule alkanov medsebojno šibko vplivajo, zato se alkani topijo in vrejo pri precej nižjih temperaturah kot snovi s polarnimi molekulami blizu maso. Prve 4 članice homologne serije metana so plini v običajnih pogojih, propan in butan se pod nizkim tlakom zlahka utekočinita (tekoča mešanica propan-butan je v gospodinjskih plinskih jeklenkah). Višji homologi so tekočine z vonjem bencina ali trdnih snovi, ki se ne raztopijo v vodi in plavajo na njeni površini. Tališča in vrelišča alkanov se povečujejo s povečanjem števila atomov ogljika v molekuli, medtem ko se povišanje temperature postopoma upočasnjuje, zato se C 100 H 202 tali pri 115 ° C, C 150 H 302 - pri 123 ° C. Tališča in vrelišča za prvih 25 alkanov so podana v tabeli - razvidno je, da so alkani, začenši z oktadekanom, trdne snovi.
| Tabela. TEMPERATURE TALJENJA IN KOTLJENJA ALKANOV | ||
| Alcan | T mn | T bale |
| 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 |
| Heksan | –95,3 | 68,7 |
| Heptan | –90,6 | 98,4 |
| Oktan | –56,8 | 125,7 |
| Nonan | –51,0 | 150,8 |
| Dean | –29,7 | 174,1 |
| Undecane | –25,6 | 195,9 |
| Dodekane | –9,6 | 216,3 |
| Tridecan | –5,5 | 235,4 |
| Tetradecan | +5,9 | 253,7 |
| Pentadekan | +9,9 | 270,6 |
| Hexadecane | 18,2 | 286,8 |
| Heptadekan | 22,0 | 301,9 |
| Oktadekan | 28,2 | 316,1 |
| Nonadecan | 32,1 | 329,7 |
| Eikozan | 36,8 | 342,7 |
| Geneikozan | 40,5 | 356,5 |
| Dokosan | 44,4 | 368,6 |
| Tricosan | 47,6 | 378,3 |
| Tetrakozan | 50,9 | 389,2 |
| Pentakozan | 53,7 | 399,7 |
Razvejanje v verigi drastično spremeni fizikalne lastnosti, zlasti tališče. Torej, če je heksan normalne strukture ( n-heksan) se topi pri –95,3 ° С, nato pa njegov izomerni 2-metilpentan - pri –153,7 ° С. To je posledica težav pri pakiranju razvejanih molekul med njihovo kristalizacijo. Posledično alkani z verižno razvejanostjo po hitrem ohlajanju ne kristalizirajo, temveč preidejo v steklasto stanje prehlajene tekočine ( cm... STEKLO). Če na primer tanko ampulo s pentanom potopimo v tekoči dušik (temperatura –196 ° C), se snov spremeni v belo snežno maso, medtem ko se izopentan (2-metilbutan) strdi v prozoren „kozarec“.
Prvotna metoda njihovega ločevanja temelji na razliki v geometrijski obliki linearnih in razvejanih alkanov: v kristalih sečnine obstajajo kanali, v katere se lahko prilegajo alkani z ravno verigo, razvejani pa ne.
Cikloalkani s n \u003d 2,3, plini, višji - tekočine ali trdne snovi. Največji cikel, ki so ga kemiki uspeli sintetizirati, je ciklooktaoktakontadiktan C 288 H 576. Različna oblika molekul cikloalkanov s sodo in neparnim številom ogljikovih atomov v molekuli vodi do močnega neparnega učinka glede na tališče, kar je razvidno iz tabele. Ta učinek je razložen z razliko v "udobnosti" pakiranja molekul različnih oblik v kristalu: bolj ko je embalaža kompaktnejša, močnejši je kristal in višje je njegovo tališče. Na primer, ciklododekan se topi skoraj 70 ° nad najbližjim homologom, cikloundekanom. Seveda je pomembna tudi masa molekule: lahke molekule se topijo pri nižji temperaturi.
| C3H6 | –127,5 |
| C4H8 | –50 |
| C5H10 | –93,9 |
| C6H12 | +6,5 |
| C7H14 | –12 |
| S 8 N 16 | 14,3 |
| C9H18 | 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 |
Enostavnost vrtenja okoli vezi C - C vodi v dejstvo, da molekule cikloalkana niso ravninske (razen ciklopropana), s čimer se izognejo močnemu izkrivljanju kotov vezi. Tako so v cikloheksanu in njegovih višjih homologih koti vezi nenapeti in blizu tetraedra (109 °), medtem ko so v šesterokotniku koti 120 °, v osmerokotniku - 135 ° itd. Posamezni atomi ogljika v takšnih cikloalkanih ne zavzemajo trdno fiksnega položaja: zdi se, da obroč neprestano valovita gibanja. Tako je molekula cikloheksana lahko v obliki različnih geometrijskih struktur (konformerjev), ki se lahko preobrazijo drug v drugega (inverzija cikla). Zaradi zunanje podobnosti so jih imenovali »kad« in »fotelj« (v angleški literaturi se »kad« imenuje »čoln«):
Oblika stola je bolj stabilna; pri sobni temperaturi obstaja 99,9% cikloheksana v bolj stabilni obliki stola. Prehod med obema oblikama se izvede prek vmesne "twist-conformation" (iz angleščine. zasuk - zasuk).
V ciklopropanu se kot zmanjša s 108 ° na 60 °, kar vodi do močnih napetosti in "upogibanja" vezi, ki zavzame vmesni položaj med običajnimi vezmi s in p; zaradi svoje oblike se te vezi imenujejo "banana". V tem primeru se orbitale sp 3 ogljikovih atomov le delno prekrivajo. Rezultat je dvojnost kemijskih lastnosti ciklopropana. Po eni strani je v njem možna zamenjava atomov vodika (reakcija, značilna za alkane), po drugi strani pa je mogoče dodajanje z odprtjem obroča (reakcija, značilna za alkene, na primer: ciklo-C 3 H 6 + Br 2 ® BrCH 2 CH 2 CH 2 Br).
Cikloalkani z dvema obročema in enim skupnim atomom ogljika se imenujejo spiroalkani. Če sta skupna ogljikova atoma več kot dva, potem nastanejo bicikloalkani, tricikloalkani itd. Kot rezultat tega "zamreženja" več ciklov hkrati so kemiki uspeli pridobiti ogljikovodike, katerih prostorska struktura ustreza različnim poliedrom: tetraeder, kocka, prizma itd. Biciklični derivati \u200b\u200bcikloheksan so vsebovani v eteričnih oljih, iglavcih, smoli, terpentinu. Cikel šestih in petih atomov ogljika vsebuje kafra, holesterol, saharin, piperin (daje črn poper pekoč okus), dušikove baze - nukleotidi in druge spojine (medtem ko lahko nekatere atome ogljika v ciklih povežemo z dvojnimi vezi, nekateri pa so nadomeščeni z drugimi atomi, kot je saharin). Cikel 17 ogljikovih atomov (dva sta dvojno vezana) vsebuje civeton, dišavna snov, sestavina mošusa, ki se uporablja v parfumeriji. Lepa molekula adamantana vsebuje tri šestčlenske obroče in po strukturi ustreza kristalni rešetki diamanta. Struktura adamantana je vsebovana v protivirusnem zdravilu rimantadin, v heksametilenetetraminu (v slednji spojini 4 atome ogljika nadomestijo z atomi dušika, ki so med seboj povezani z metilenskimi mostički –CH 2 -). Spodaj so prikazane strukture nekaterih cikloalkanov z več kot enim različno povezanim obročem v njihovih molekulah.
Biciklodekan (tetrahidronaftalen, dekalin)
Adamantane
Kemijske lastnosti alkanov.
Alkani so najmanj kemično aktivne organske spojine. Vse vezi C - C in C - H v alkanih so enojne, zato alkani niso sposobni adicijskih reakcij. Za alkane so značilne reakcije zamenjave vodikovih atomov z drugimi atomi in skupinami atomov. Tako pri kloriranju metana nastanejo metilklorid CH 3 Cl, metilen klorid CH 2 Cl 2, triklorometan (kloroform) CHCl 3 in ogljikov tetraklorid (ogljikov tetraklorid) CCl 4. Te reakcije sledijo verižnemu mehanizmu z vmesno tvorbo prostih radikalov.
Pri kloriranju alkanov, začenši s propanom, lahko prvi atom klora nadomesti različne atome vodika. Smer substitucije je odvisna od jakosti vezi C - H: šibkejša je, hitrejša je zamenjava tega določenega atoma. Primarne С - Н obveznice so praviloma močnejše od sekundarnih, sekundarne pa močnejše od terciarnih. Posledično pride do kloriranja pri 25 ° С pri sekundarni vezi (СН 3) 2 SN - Н 4,5-krat hitreje kot pri primarni vezi S 2 Н 5 –Н, terciarni vezi (СН 3) 3 С - Н - v 6.7x hitreje. Različna reaktivnost primarnih, sekundarnih in terciarnih atomov vodika lahko privede do dejstva, da bo od več možnih produktov kloriranja prevladoval le eden. Na primer, pri kloriranju 2,3-dimetilbutana v raztopini ogljikovega disulfida (CS 2) nastane 95% 2-klorovega derivata in le 5% 1-klorovega derivata, tj. 19-krat manj. Če upoštevamo, da je v začetnem alkanu 6-krat več primarnih atomov vodika kot terciarnih, bo razmerje med njihovo reaktivnostjo še večje (19 ´ 6 \u003d 114). Ogljikov disulfid kot topilo zmanjša reaktivnost atomov klora in s tem poveča njegovo selektivnost. Znižanje temperature deluje podobno.
Atomi broma so manj aktivni; občutna aktivacijska energija te reakcije vodi v dejstvo, da je bromiranje alkanov, čeprav poteka po verižnem mehanizmu, veliko počasnejše od kloriranja in to le pri povišanih temperaturah ali v svetlobi. Manjša aktivnost atomov broma vodi tudi v povečanje selektivnosti bromiranja. Torej, če je relativna hitrost fotokemičnega bromiranja etana pri 40 ° C enaka 1, bo hitrost bromiranja propana (pri sekundarnem atomu H) pod enakimi pogoji 220, hitrost bromiranja izobutana (pri terciarni atom H) - 19000
Atomi joda so najmanj aktivni, zato je reakcija jodiranja alkanov RH + I 2 ® RI + HI endotermna, možna le pri visokih temperaturah in poteka z zelo kratkimi verigami. Poleg tega reverzna eksotermna reakcija RI + HI ® RH + I 2 poteka zelo enostavno. Ko se alkani jodirajo, nastanejo tudi nenasičene spojine. Na primer, pri 685 ° C etan v reakciji z jodom tvori 72% etilena in 10% acetilena. Enake rezultate smo dobili pri propanu, butanu in pentanu.
Reakcija fluoriranja alkanov poteka z zelo visoko, pogosto eksplozivno hitrostjo, pri čemer nastanejo vsi možni polifluorirani derivati \u200b\u200bzačetnega alkana. Energija, ki se sprosti med fluoriranjem alkanov, je tako velika, da lahko vodi do razgradnje molekul produktov v radikale, ki sprožijo nove verige. Posledično se hitrost reakcije poveča kot plaz, kar vodi do eksplozije tudi pri nizkih temperaturah. Posebnost fluoriranja alkanov je možnost uničenja ogljikovega okostja z atomi fluora s tvorbo CF 4 z drugimi halogeni kot končnim produktom, do takšne reakcije ne pride.
Nitriranje alkanov (reakcija Konovalova) poteka tudi v skladu z radikalnim mehanizmom: RH + NO 2 ® R + HNO 2, R + NO 2 ® RNO 2. Vir NO 2 je dušikova kislina, ki se pri segrevanju razgradi. Reakcija poteka v raztopini pri temperaturi nad 150 ° C ali v hlapih pod tlakom do 10 atm in temperaturo 400 - 500 ° C. V slednjem primeru se pretrgajo tudi vezi C - C v alkanih in nastane zmes nitroalkanov.
Vsi alkani gorijo pri sproščanju toplote, na primer: C 5 H 12 + 8O 2 ® 5CO 2 + 6H 2 O. Ta reakcija poteka zlasti v jeklenkah motorjev z notranjim zgorevanjem. Da se prepreči vstop ostankov nezgorelih alkanov v ozračje, se uporablja njihovo katalitsko dogorevanje v izpušnih ceveh (hkrati CO izgoreva in dušikovi oksidi pretvorijo v neškodljiv dušik). Reakcija kisika z višjimi alkani (v sestavi parafina) se pojavi, ko gori sveča. Plinasti alkani, kot je metan, tvorijo eksplozivne mešanice z zrakom. Takšne mešanice lahko nastanejo v rudnikih, pa tudi v stanovanjskih stavbah, ko pušča plin, če njegova vsebnost v zraku doseže 5%.
Znatna prizadevanja kemikov so bila usmerjena v podrobno preučevanje reakcije nizkotemperaturne oksidacije alkanov, da bi jo ustavili v fazi tvorbe dragocenih vmesnih produktov - aldehidov, ketonov, alkoholov, karboksilnih kislin. Torej, v prisotnosti soli Co (II), Mn (II) lahko butan oksidiramo v ocetno kislino, parafin - v maščobne kisline C 12 - C 18. Pri oksidaciji cikloheksana nastane kaprolaktam - monomer za proizvodnjo najlona in adipinske kisline.
Pomembna industrijska reakcija je fotokemična sulfokloriranje alkanov: skupna radikalno-verižna reakcija s Cl 2 in SO 2 s tvorbo kislih kloridov alkan-sulfonskih kislin RSO 2 Cl. Ta reakcija se pogosto uporablja pri izdelavi detergentov. Ko klor nadomestimo s kisikom, pride do radikalne verižne reakcije sulfoksidacije alkanov s tvorbo alkan-sulfonskih kislin R - SO 2 –OH. Natrijeve soli teh kislin se uporabljajo kot detergenti in emulgatorji.
Pri visokih temperaturah pride do razgradnje (pirolize) alkanov, na primer: 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. Zadnja reakcija poteka pri 500 ° C v prisotnosti katalizatorja (Ni). Podobno lahko iz butana dobimo 2-buten CH 3 CH \u003d CHCH 3, medtem ko nastane zmes etilena in etana. V nasprotju s to radikalno reakcijo katalitski kreking alkanov poteka v skladu z ionskim mehanizmom in služi za pridobivanje bencina iz težjih naftnih frakcij. Na primer pri segrevanju v prisotnosti Lewisovih kislin pride do izomerizacije AlCl 3: nerazvejani (normalni) alkani se pretvorijo v razvejane z enakim številom ogljikovih atomov. Ta reakcija je zelo praktična za pridobivanje visokokakovostnega pogonskega goriva ( cm... OKTANSKA ŠTEVILKA). Dehidrogenacijo alkanov lahko spremlja zaprtje obroča (dehidrociklizacija). V primeru dehidrociklizacije heksana je glavni proizvod benzen.
Metan pri visoki temperaturi v prisotnosti katalizatorja reagira s paro in ogljikovim monoksidom (IV), da nastane sintezni plin: CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2, CH 4 + CO 2 ® 2CO + 2H 2. Sintezni plin se uporablja za proizvodnjo pogonskih goriv in metilnega alkohola.
IN zadnja leta prizadevanja kemikov so namenjena ustvarjanju katalizatorjev, ki v blagih pogojih aktivirajo vezi C - H v molekulah alkana. Nekateri mikroorganizmi so "sposobni" izvajati takšne reakcije, katerih encimi so sposobni "prebaviti" celo parafin s tvorbo beljakovinskih spojin. Izziv za kemike je razumeti, kako delujejo naravni katalizatorji, in simulirati encimske reakcije, ki se lahko pojavijo pri običajnih temperaturah. V tem primeru se kot katalizatorji uporabljajo različne organometalne spojine. Na primer, v prisotnosti nekaterih spojin platine je mogoče neposredno iz metana pridobiti metanol CH 3 OH in v prisotnosti trifenilfosfinskega kompleksa rodija Rh [(C 6 H 5) 3 P], vezanega na molekule CO; med reakcijo se molekule CO vključijo v vez C - H alkanov in tvorijo aldehide.
Cikloalkani so kemično podobni alkanom. Torej so vnetljive, lahko jih halogenirajo po radikalnem mehanizmu, pri povišanih temperaturah v prisotnosti katalizatorjev dehidrogenirajo - odcepijo vodik in se spremenijo v nenasičene ogljikovodike. Posebne lastnostinaj bi imel ciklopropan. Za razliko od alkanov se cikloalkani hidrogenirajo in cikel se odpre in nastanejo alkani, na primer: ciklo-C 3 H 6 + H 2 ® C 3 H 8 (reakcija poteka pri segrevanju v prisotnosti platinskega katalizatorja). S povečanjem velikosti cikla postane reakcija težja - na primer ciklopentan je že zelo težko hidrogeniran (v pentan) in pri visokih temperaturah (300 ° C).
Biti v naravi in \u200b\u200bsprejemati.
Glavna vira alkanov sta nafta in zemeljski plin. Metan predstavlja glavnino zemeljskega plina, v njem pa so tudi majhne količine etana, propana in butana. Metan je vsebovan v izločkih močvirij in premogovnih slojev. Poleg lahkih homologov je metan prisoten tudi v pripadajočih naftnih plinih. Ti plini se v olju pod pritiskom raztopijo in se nahajajo tudi nad njim. Alkani predstavljajo pomemben del naftno rafiniranih izdelkov. Vsebuje se v olju in cikloalkanih - imenujejo se nafteni (iz grščine. nafta - olje). Tudi plinski hidrati alkanov, predvsem metana, so v naravi zelo razširjeni; pojavljajo se v sedimentnih kamninah na celinah in na dnu oceanov. Njihove zaloge bodo verjetno presegle znane zaloge zemeljskega plina in so v prihodnosti lahko vir metana in njegovih najbližjih homologov.
Alkane dobimo tudi s pirolizo (koksanje) premoga in njegovo hidrogenizacijo (pridobivanje sintetičnega tekočega goriva). Trdne alkane najdemo v naravi v obliki usedlin gorskega voska - ozokerita, v voščenih oblogah listov, cvetov in rastlinskih semen ter so del čebeljega voska.
V industriji alkane dobimo s katalitskim hidrogeniranjem ogljikovih oksidov CO in CO 2 (Fischer-Tropscheva metoda). V laboratoriju lahko metan dobimo s segrevanjem natrijevega acetata s trdno alkalijo: CH 3 COONa + NaOH ® CH 4 + Na 2 CO 3, pa tudi s hidrolizo nekaterih karbidov: Al 4 C 3 + 12 H 2 O ® 3CH 4 + 4Al (OH) 3. Homologe metana lahko dobimo z Wuerzovo reakcijo, na primer: 2CH 3 Br + 2Na ® CH 3 –CH 3 + 2NaBr. V primeru dihaloalkanov dobimo cikloalkane, na primer: Br - CH 2 - (CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na ® ciklo-C 6 H 12 + 2NaBr. Alkani nastajajo tudi med dekarboksilacijo karboksilnih kislin in med njihovo elektrolizo.
Uporaba alkanov.
Kot gorivo se uporabljajo alkani v bencinu, kerozinu, dizelskem olju in kurilnem olju. Višje alkane najdemo v mazalnih oljih, vazelinu in parafinu. Zmes izomernih pentanov in heksanov se imenuje petroleter in se uporablja kot topilo. Cikloheksan se pogosto uporablja tudi kot topilo in za sintezo polimerov (najlon, najlon). Ciklopropan se uporablja za splošno anestezijo. Squalane je visokokakovostno mazivno olje, sestavni del farmacevtskih izdelkov in kozmetike, adsorbent v plinsko-tekoči kromatografiji.
Alkani se uporabljajo kot surovine za proizvodnjo številnih organskih spojin, vključno z alkoholi, aldehidi, kislinami. Kot topila se uporabljajo klorovi derivati \u200b\u200balkanov, na primer triklorometan (kloroform) CHCl 3, ogljikov tetraklorid CCl 4. Mešanica višjih alkanov - parafina je nestrupena in se pogosto uporablja v prehrambena industrija za impregnacijo posod in embalažnih materialov (na primer vrečk za mleko) pri proizvodnji žvečilnih gumijev. Svinčniki so namočeni v parafinu, zgornjem (blizu glave) delu vžigalic za njihovo boljše gorenje. Segreti parafin se uporablja v medicinske namene (parafinska terapija). Oksidacija parafina v nadzorovanih pogojih v prisotnosti katalizatorjev (organske soli prehodnih kovin) vodi do proizvodnje izdelkov, ki vsebujejo kisik, predvsem organskih kislin.
Ilya Leenson
Literatura:
Petrov A.A. Alkanska kemija... M., Znanost, 1974
Azerbaev I.N. itd. Sinteze na osnovi naftnih ogljikovodikov... Alma-Ata, znanost, 1974
Rudakov E.S. Reakcije alkanov z oksidanti, kovinskimi kompleksi in radikali v raztopinah... Kijev, Naukova Dumka, 1985
Pereushanu V. Proizvodnja in uporaba ogljikovodikov... M., Kemija, 1987
Tabela prikazuje nekatere predstavnike številnih alkanov in njihove radikale.
|
Formula |
Ime |
Radikalno ime |
|||||||||||
|
CH3 metil |
|||||||||||||
|
C3H7 kerf |
|||||||||||||
|
C4H9 butil |
|||||||||||||
|
izobutan |
izobutil |
||||||||||||
|
izopentana |
izopentil |
||||||||||||
|
neopentana |
neopentil |
||||||||||||
|
Iz tabele je razvidno, da se ti ogljikovodiki med seboj razlikujejo po številu skupin - CH2 -. Takšno število podobnih struktur, ki imajo podobne kemijske lastnosti in se med seboj razlikujejo po številu teh skupin, se imenuje homologna vrsta. Snovi, ki jo sestavljajo, imenujemo homologi. Homologi - snovi, podobne po zgradbi in lastnostih, vendar se po sestavi razlikujejo z eno ali več homolognimi razlikami (- CH2 -)
Ogljikova veriga - cik-cak (če je n ≥ 3) σ - obveznice (prosto vrtenje okoli obveznic) dolžina (-C-C-) 0,154 nm vezavna energija (-С-С-) 348 kJ / mol Vsi atomi ogljika v molekulah alkana so v stanju hibridizacije sp3
kot med c-C povezave je 109 ° 28 ", zato imajo molekule običajnih alkanov z velikim številom ogljikovih atomov cik-cak strukturo (cik-cak). komunikacija C-C v nasičenih ogljikovodikih je 0,154 nm (1nm \u003d 1 * 10-9m). a) elektronske in strukturne formule; b) prostorska struktura
4. Izomerija - Značilna je STRUKTURNA izomerija verige s C4 Eden od teh izomerov ( n-butan) vsebuje nerazvejano ogljikovo verigo, drugi, izobutan, pa razvejano (izostrukturno). Atomi ogljika v razvejeni verigi se razlikujejo po vrsti vezi na druge atome ogljika. Tako se imenuje atom ogljika, vezan le na en drug atom ogljika primarniz dvema ogljikovima atomoma - sekundarni, s tremi - terciarno, s štirimi - kvaternar. S povečanjem števila atomov ogljika v sestavi molekul se povečajo možnosti za razvejanje verig, t.j. število izomerov narašča s številom atomov ogljika. Primerjalne značilnosti homologov in izomerov
1. Imajo svojo nomenklaturo radikali(ogljikovodikovi radikali)
| |||||||||||||
Uporaba alkanov je precej raznolika - uporabljajo se kot gorivo, pa tudi v mehaniki, medicini itd. Vloga le-teh kemične spojine v življenju sodoben človek težko preceniti.
Alkani: lastnosti in kratek opis
Alkani so neciklične ogljikove spojine, v katerih so atomi ogljika povezani s preprostimi nasičenimi vezmi. Te snovi predstavljajo celotna vrstica z določenimi lastnostmi in značilnostmi. kot sledi:
N tukaj predstavlja število atomov ogljika. Na primer CH3, C2H6.
Prvi štirje predstavniki alkanske serije - plinaste snovi - so metan, etan, propan in butan. Naslednje spojine (C5 do C17) so tekočine. Serija se nadaljuje s spojinami, ki so v normalnih pogojih trdne snovi.
Kar zadeva kemijske lastnosti, so alkani neaktivni - praktično ne vplivajo na alkalije in kisline. Mimogrede, kemične lastnosti določajo uporabo alkanov.
Za te spojine pa so značilne nekatere reakcije, vključno z nadomeščanjem atomov vodika, pa tudi procesi cepitve molekul.
- Najpogostejša reakcija se šteje za halogeniranje, pri katerem atome vodika nadomestijo halogeni. Velik pomen imajo reakcijo kloriranja in bromiranja teh spojin.
- Nitracija - zamenjava vodikovega atoma z nitro skupino pri reakciji z razredčenim (koncentracija 10%) V normalnih pogojih alkani ne vplivajo na kisline. Za izvedbo takšne reakcije je potrebna temperatura 140 ° C.
- Oksidacija - V normalnih pogojih alkani niso dovzetni za kisik. Po vžigu v zraku pa te snovi vstopijo v končne izdelke, med katerimi sta voda in
- Pokanje - ta reakcija poteka le, če so na voljo potrebni katalizatorji. Pri tem pride do cepitve obstojnih homoloških vezi med atomi ogljika. Na primer, pri krekingu butana lahko reakcija povzroči etan in etilen.
- Izomerizacija - kot posledica delovanja nekaterih katalizatorjev je možna nekakšna preureditev ogljikovega okostja alkana.
Uporaba alkanov
Glavni naravni viri teh snovi so tako dragoceni proizvodi, kot sta zemeljski plin in nafta. Področja uporabe alkanov so danes zelo široka in raznolika.
Na primer, plinaste snovi se uporablja kot dragocen vir goriva. Primer je metan, iz katerega je sestavljen zemeljski plin, pa tudi mešanica propan-butan.
Drug vir alkanov je olje , katerega pomen je za sodobno človeštvo težko preceniti. Naftni izdelki vključujejo:
- bencini - uporabljajo se kot gorivo;
- kerozin;
- dizelsko gorivo ali lahko plinsko olje;
- težko plinsko olje, ki se uporablja kot mazivo;
- ostanki se uporabljajo za izdelavo asfalta.
Naftni proizvodi se uporabljajo tudi za izdelavo plastike, sintetičnih vlaken, gume in nekaterih detergentov.
Vazelin in tekoči vazelin so proizvodi, ki so sestavljeni iz mešanice alkanov. Uporabljajo se v medicini in kozmetologiji (predvsem za pripravo mazil in krem), pa tudi v parfumeriji.
Parafin je še en dobro znan izdelek, ki je mešanica trdnih alkanov. Je trdna bela masa s temperaturo segrevanja 50 - 70 stopinj. V sodobni proizvodnji se iz parafina izdelujejo sveče. Vžigalice so impregnirane z isto snovjo. V medicini se različne vrste toplotnih postopkov izvajajo s pomočjo parafina.
