Αφυδρογόνωση αλκανίων. Αλκάνια - ονοματολογία, παρασκευή, χημικές ιδιότητες. Σχέση με τη θερμότητα

Σπίτι

Οι υδρογονάνθρακες είναι οι απλούστερες οργανικές ενώσεις. Αποτελούνται από άνθρακα και υδρογόνο. Οι ενώσεις αυτών των δύο στοιχείων ονομάζονται κορεσμένοι υδρογονάνθρακες ή αλκάνια. Η σύνθεσή τους εκφράζεται με τον τύπο CnH2n+2, κοινό για τα αλκάνια, όπου n είναι ο αριθμός των ατόμων άνθρακα.

συμμαθητέςΑλκάνια - η διεθνής ονομασία για αυτές τις ενώσεις

. Αυτές οι ενώσεις ονομάζονται επίσης παραφίνες και κορεσμένοι υδρογονάνθρακες. Οι δεσμοί στα μόρια των αλκανίων είναι απλοί (ή απλοί). Τα υπόλοιπα σθένη είναι κορεσμένα με άτομα υδρογόνου. Όλα τα αλκάνια είναι κορεσμένα με υδρογόνο στο όριο, τα άτομα του βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp3.

Ομόλογη σειρά κορεσμένων υδρογονανθράκων

Ο πρώτος στην ομόλογη σειρά κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι το μεθάνιο. Ο τύπος του είναι CH4. Η κατάληξη -an στο όνομα των κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα. Περαιτέρω, σύμφωνα με τον δεδομένο τύπο, αιθάνιο - C2H6, προπάνιο - C3H8, βουτάνιο - C4H10 βρίσκονται στην ομολογική σειρά.Από το πέμπτο αλκάνιο

στην ομόλογη σειρά, τα ονόματα των ενώσεων σχηματίζονται ως εξής: ελληνικός αριθμός που δείχνει τον αριθμό των ατόμων υδρογονάνθρακα στο μόριο + την κατάληξη -an. Άρα, στα ελληνικά ο αριθμός 5 είναι pende, άρα μετά το βουτάνιο έρχεται το πεντάνιο - C5H12. Ακολουθεί το εξάνιο C6H14. επτάνιο - C7H16, οκτάνιο - C8H18, εννεάνιο - C9H20, δεκάνιο - C10H22, κ.λπ.

Οι φυσικές ιδιότητες των αλκανίων αλλάζουν αισθητά στην ομόλογη σειρά: τα σημεία τήξης και βρασμού αυξάνονται και η πυκνότητα αυξάνεται. Το μεθάνιο, το αιθάνιο, το προπάνιο, το βουτάνιο υπό κανονικές συνθήκες, δηλαδή σε θερμοκρασία περίπου 22 βαθμών Κελσίου, είναι αέρια, το πεντάνιο έως το δεκαεξάνιο είναι υγρά και το επταδεκάνιο είναι στερεά. Ξεκινώντας με το βουτάνιο, τα αλκάνια έχουν ισομερή. Υπάρχουν πίνακες που δείχνουναλλαγές στην ομόλογη σειρά των αλκανίων

, που αντικατοπτρίζουν ξεκάθαρα τις φυσικές τους ιδιότητες.

Ονοματολογία κορεσμένων υδρογονανθράκων, τα παράγωγά τους

Οι ρίζες σχηματίζονται επίσης από ανόργανες ενώσεις. Για παράδειγμα, αφαιρώντας την υδροξυλομάδα ΟΗ από το νιτρικό οξύ, μπορείτε να αποκτήσετε μια μονοσθενή ρίζα -NO2, η οποία ονομάζεται νιτροομάδα.

Όταν διαχωρίζεται από ένα μόριοαλκάνιο δύο ατόμων υδρογόνου, σχηματίζονται δισθενείς ρίζες, τα ονόματα των οποίων σχηματίζονται επίσης από τα ονόματα των αντίστοιχων υδρογονανθράκων, αλλά η κατάληξη αλλάζει σε:

• υλένιο, εάν τα άτομα υδρογόνου αφαιρεθούν από ένα άτομο άνθρακα,
• υλένιο, στην περίπτωση που δύο άτομα υδρογόνου σχίζονται από δύο γειτονικά άτομα άνθρακα.

Αλκάνια: χημικές ιδιότητες

Ας εξετάσουμε αντιδράσεις χαρακτηριστικές των αλκανίων. Όλα τα αλκάνια έχουν κοινές χημικές ιδιότητες. Αυτές οι ουσίες είναι ανενεργές.

Όλες οι γνωστές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν υδρογονάνθρακες χωρίζονται σε δύο τύπους:

• διάσπαση του δεσμού C-H (ένα παράδειγμα είναι μια αντίδραση υποκατάστασης).
• ρήξη του δεσμού C-C (ράγισμα, σχηματισμός ξεχωριστών τμημάτων).

Οι ρίζες είναι πολύ ενεργές τη στιγμή του σχηματισμού. Από μόνα τους υπάρχουν για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Οι ριζοσπάστες αντιδρούν εύκολα μεταξύ τους. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια τους σχηματίζουν έναν νέο ομοιοπολικό δεσμό. Παράδειγμα: CH3 + CH3 → C2H6

Οι ριζοσπάστες αντιδρούν εύκολαμε μόρια οργανικών ουσιών. Είτε προσκολλώνται σε αυτά είτε αφαιρούν ένα άτομο με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο από αυτά, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται νέες ρίζες, οι οποίες, με τη σειρά τους, μπορούν να αντιδράσουν με άλλα μόρια. Με μια τέτοια αλυσιδωτή αντίδραση, λαμβάνονται μακρομόρια που σταματούν να αναπτύσσονται μόνο όταν σπάσει η αλυσίδα (παράδειγμα: ο συνδυασμός δύο ριζών)

Οι αντιδράσεις ελεύθερων ριζών εξηγούν πολλές σημαντικές χημικές διεργασίες, όπως:

• Εκρήξεις;
• Οξείδωση;
• Πυρόλυση πετρελαίου;
• Πολυμερισμός ακόρεστων ενώσεων.

Καθέκαστα μπορούν να ληφθούν υπόψη οι χημικές ιδιότητεςκορεσμένους υδρογονάνθρακες χρησιμοποιώντας μεθάνιο ως παράδειγμα. Παραπάνω έχουμε ήδη εξετάσει τη δομή ενός μορίου αλκανίου. Τα άτομα άνθρακα στο μόριο μεθανίου βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp3 και σχηματίζεται ένας αρκετά ισχυρός δεσμός. Το μεθάνιο είναι αέριο με οσμή και χρώμα. Είναι ελαφρύτερο από τον αέρα. Ελαφρώς διαλυτό στο νερό.

Τα αλκάνια μπορούν να καούν. Το μεθάνιο καίγεται με μια γαλαζωπή ωχρή φλόγα. Σε αυτή την περίπτωση, το αποτέλεσμα της αντίδρασης θα είναι μονοξείδιο του άνθρακα και νερό. Όταν αναμιγνύονται με αέρα, καθώς και σε μείγμα με οξυγόνο, ειδικά εάν η αναλογία όγκου είναι 1:2, αυτοί οι υδρογονάνθρακες σχηματίζουν εκρηκτικά μείγματα, γεγονός που το καθιστά εξαιρετικά επικίνδυνο για χρήση στην καθημερινή ζωή και στα ορυχεία. Εάν το μεθάνιο δεν καεί εντελώς, σχηματίζεται αιθάλη. Στη βιομηχανία, έτσι αποκτάται.

Η φορμαλδεΰδη και η μεθυλική αλκοόλη λαμβάνονται από το μεθάνιο με την οξείδωσή του παρουσία καταλυτών. Εάν το μεθάνιο θερμανθεί έντονα, αποσυντίθεται σύμφωνα με τον τύπο CH4 → C + 2H2

Διάσπαση μεθανίουμπορεί να μεταφερθεί στο ενδιάμεσο προϊόν σε ειδικά εξοπλισμένους φούρνους. Το ενδιάμεσο προϊόν θα είναι η ακετυλίνη. Ο τύπος αντίδρασης είναι 2CH4 → C2H2 + 3H2. Ο διαχωρισμός του ακετυλενίου από το μεθάνιο μειώνει το κόστος παραγωγής σχεδόν στο μισό.

Το υδρογόνο παράγεται επίσης από το μεθάνιο μετατρέποντας το μεθάνιο με υδρατμούς. Οι αντιδράσεις υποκατάστασης είναι χαρακτηριστικές του μεθανίου. Έτσι, σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, στο φως, τα αλογόνα (Cl, Br) εκτοπίζουν το υδρογόνο από το μόριο του μεθανίου σταδιακά. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζονται ουσίες που ονομάζονται παράγωγα αλογόνου. Άτομα χλωρίουΑντικαθιστώντας τα άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο υδρογονάνθρακα, σχηματίζουν ένα μείγμα διαφορετικών ενώσεων.

Αυτό το μείγμα περιέχει χλωρομεθάνιο (CH3Cl ή μεθυλοχλωρίδιο), διχλωρομεθάνιο (CH2Cl2 ή μεθυλενοχλωρίδιο), τριχλωρομεθάνιο (CHCl3 ή χλωροφόρμιο), τετραχλωράνθρακα (CCl4 ή τετραχλωράνθρακας).

Οποιαδήποτε από αυτές τις ενώσεις μπορεί να απομονωθεί από το μείγμα. Στην παραγωγή, το χλωροφόρμιο και ο τετραχλωράνθρακας έχουν μεγάλη σημασία, λόγω του ότι είναι διαλύτες οργανικών ενώσεων (λίπη, ρητίνες, καουτσούκ). Τα παράγωγα αλογόνου μεθανίου σχηματίζονται από έναν αλυσιδωτό μηχανισμό ελεύθερων ριζών.

Το φως επηρεάζει τα μόρια του χλωρίου με αποτέλεσμα να καταρρέουνσε ανόργανες ρίζες που αφαιρούν ένα άτομο υδρογόνου με ένα ηλεκτρόνιο από το μόριο του μεθανίου. Αυτό παράγει HCl και μεθύλιο. Το μεθύλιο αντιδρά με ένα μόριο χλωρίου, με αποτέλεσμα ένα παράγωγο αλογόνου και μια ρίζα χλωρίου. Στη συνέχεια, η ρίζα χλωρίου συνεχίζει την αλυσιδωτή αντίδραση.

Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, το μεθάνιο είναι επαρκώς ανθεκτικό σε αλκάλια, οξέα και πολλούς οξειδωτικούς παράγοντες. Η εξαίρεση είναι το νιτρικό οξύ. Σε αντίδραση με αυτό, σχηματίζεται νιτρομεθάνιο και νερό.

Οι αντιδράσεις προσθήκης δεν είναι τυπικές για το μεθάνιο, αφού όλα τα σθένη στο μόριό του είναι κορεσμένα.

Αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν υδρογονάνθρακες μπορούν να συμβούν όχι μόνο με τη διάσπαση του δεσμού C-H, αλλά και με τη διάσπαση του δεσμού C-C. Τέτοιοι μετασχηματισμοί συμβαίνουν παρουσία υψηλών θερμοκρασιώνκαι καταλύτες. Αυτές οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν αφυδρογόνωση και πυρόλυση.

Από κορεσμένους υδρογονάνθρακες, λαμβάνονται οξέα με οξείδωση - οξικό οξύ (από βουτάνιο), λιπαρά οξέα (από παραφίνη).

Παραγωγή μεθανίου

Το μεθάνιο στη φύσηδιανεμηθεί αρκετά ευρέως. Είναι το κύριο συστατικό των περισσότερων εύφλεκτων φυσικών και τεχνητών αερίων. Απελευθερώνεται από τις ραφές άνθρακα στα ορυχεία, από τον πυθμένα των ελών. Τα φυσικά αέρια (που είναι πολύ αισθητά στα συναφή αέρια από κοιτάσματα πετρελαίου) περιέχουν όχι μόνο μεθάνιο, αλλά και άλλα αλκάνια. Οι χρήσεις αυτών των ουσιών ποικίλλουν. Χρησιμοποιούνται ως καύσιμο σε διάφορες βιομηχανίες, ιατρική και τεχνολογία.

Σε εργαστηριακές συνθήκες, το αέριο αυτό απελευθερώνεται με θέρμανση ενός μίγματος οξικού νατρίου + υδροξειδίου του νατρίου, καθώς και με την αντίδραση καρβιδίου του αργιλίου και νερού. Το μεθάνιο λαμβάνεται επίσης από απλές ουσίες. Για αυτό, προϋποθέσειςείναι θερμαντικές και καταλυτικές. Η παραγωγή μεθανίου με σύνθεση με βάση υδρατμούς είναι βιομηχανικής σημασίας.

Το μεθάνιο και τα ομόλογά του μπορούν να ληφθούν με φρύξη αλάτων των αντίστοιχων οργανικών οξέων με αλκάλια. Μια άλλη μέθοδος για την παραγωγή αλκανίων είναι η αντίδραση Wurtz, στην οποία τα μονοαλογόνα παράγωγα θερμαίνονται με μέταλλο νατρίου.

• Οι χημικές ιδιότητες οποιασδήποτε ένωσης καθορίζονται από τη δομή της, δηλ. τη φύση των ατόμων που περιλαμβάνονται στη σύνθεσή του και τη φύση των μεταξύ τους δεσμών.

Πρώτον, ο ακραίος κορεσμός των αλκανίων δεν επιτρέπει αντιδράσεις προσθήκης, αλλά δεν εμποδίζει τις αντιδράσεις αποσύνθεσης, ισομερισμού και υποκατάστασης.

Δεύτερον, η συμμετρία των μη πολικών ομοιοπολικών δεσμών C-C και ασθενώς πολικών C-H υποδηλώνει την ομολυτική (συμμετρική) διάσπασή τους σε ελεύθερες ρίζες.

Ως εκ τούτου, οι αντιδράσεις των αλκανίων χαρακτηρίζονται από ριζοσπαστικός μηχανισμός.

Δεδομένου ότι η ετερολυτική διάσπαση των δεσμών C-C και C-H δεν συμβαίνει υπό κανονικές συνθήκες, τα αλκάνια πρακτικά δεν εισέρχονται σε ιοντικές αντιδράσεις. Αυτό εκδηλώνεται με την αντοχή τους στη δράση των πολικών αντιδραστηρίων (οξέα, αλκάλια, ιοντικά οξειδωτικά μέσα: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 και τα λοιπά.). Αυτή η αδράνεια των αλκανίων στις ιοντικές αντιδράσεις ήταν προηγουμένως η βάση για να θεωρηθούν ανενεργές ουσίες και να ονομαστούν παραφίνες.

Βίντεο YouTube

2. Ισομερισμός αλκανίων

Τα αλκάνια κανονικής δομής υπό την επίδραση καταλυτών και κατά τη θέρμανση είναι ικανά να μετατραπούν σε διακλαδισμένα αλκάνια χωρίς να αλλάξουν τη σύσταση των μορίων, δηλ. εισέρχονται σε αντιδράσεις ισομερισμού. Αυτές οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν αλκάνια των οποίων τα μόρια περιέχουν τουλάχιστον 4 άτομα άνθρακα.

Για παράδειγμα, ο ισομερισμός του ν-πεντανίου σε ισοπεντάνιο (2-μεθυλοβουτάνιο) συμβαίνει στους 100°C παρουσία ενός καταλύτη χλωριούχου αργιλίου:

Η πρώτη ύλη και το προϊόν της αντίδρασης ισομερισμού έχουν τους ίδιους μοριακούς τύπους και είναι δομικά ισομερή (ισομερισμός σκελετού άνθρακα).

3. Αφυδρογόνωση αλκανίων

Όταν τα αλκάνια θερμαίνονται παρουσία καταλυτών (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO), η καταλυτική τους αφυδρογόνωση– αφαίρεση ατόμων υδρογόνου λόγω θραύσης δεσμών C-H.

Η δομή των προϊόντων αφυδρογόνωσης εξαρτάται από τις συνθήκες αντίδρασης και το μήκος της κύριας αλυσίδας στο αρχικό μόριο αλκανίου.

1. Κατώτερα αλκάνια που περιέχουν από 2 έως 4 άτομα άνθρακα στην αλυσίδα, όταν θερμαίνονται σε καταλύτη Ni, αφαιρούν το υδρογόνο από γειτονικόςάτομα άνθρακα και μετατρέπονται σε αλκένια:

Μαζί με βουτένιο-2αυτή η αντίδραση παράγει βουτένιο-1 CH2 =CH-CH2-CH3.
Παρουσία ενός καταλύτη Cr 2 O 3 / Al 2 O 3 στους 450-650 ° C από n-παράγεται επίσης βουτάνιο βουταδιένιο-1,3 CH2 =CH-CH=CH2.

2. Για τη λήψη χρησιμοποιούνται αλκάνια που περιέχουν περισσότερα από 4 άτομα άνθρακα στην κύρια αλυσίδα κυκλικόςσυνδέσεις. Αυτό συμβαίνει αφυδροκυκλοποίηση– αντίδραση αφυδρογόνωσης, που οδηγεί στο κλείσιμο της αλυσίδας σε έναν σταθερό κύκλο.

3. Στους 1500 °C εμφανίζεται διαμοριακή αφυδρογόνωσημεθάνιο σύμφωνα με το σχήμα:

4. Αντιδράσεις οξείδωσης αλκανίων

Σε αντιδράσεις οργανικής χημείας οξείδωση και αναγωγή θεωρούνται ως αντιδράσεις σχετίζεται με την απώλεια και την απόκτηση ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου από μια οργανική ένωση . Αυτές οι διεργασίες συνοδεύονται φυσικά από μια αλλαγή στις καταστάσεις οξείδωσης των ατόμων.

Η οξείδωση μιας οργανικής ουσίας είναι η εισαγωγή οξυγόνου στη σύνθεσή της και (ή) η αποβολή υδρογόνου. Η αναγωγή είναι η αντίστροφη διαδικασία (εισαγωγή υδρογόνου και αποβολή οξυγόνου). Λαμβάνοντας υπόψη τη σύνθεση των αλκανίων (C n H 2n + 2), μπορούμε να συμπεράνουμε ότι είναι ανίκανα να συμμετέχουν σε αντιδράσεις αναγωγής, αλλά μπορούν να συμμετέχουν σε αντιδράσεις οξείδωσης.

Τα αλκάνια είναι ενώσεις με χαμηλές καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα και ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης, μπορούν να οξειδωθούν για να σχηματίσουν διάφορες ενώσεις.

Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, τα αλκάνια δεν αντιδρούν ακόμη και με ισχυρά οξειδωτικά μέσα (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4, κ.λπ.). Όταν εισάγονται σε ανοιχτή φλόγα, τα αλκάνια καίγονται. Σε αυτή την περίπτωση, σε περίσσεια οξυγόνου, οξειδώνονται πλήρως σε CO 2, όπου ο άνθρακας έχει την υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης +4, και το νερό. Η καύση των υδρογονανθράκων οδηγεί στη ρήξη όλων των δεσμών C-C και C-H και συνοδεύεται από απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας θερμότητας (εξώθερμη αντίδραση).

Παραδείγματα:

Τα κατώτερα (αέρια) ομόλογα - μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο - είναι εύκολα εύφλεκτα και σχηματίζουν εκρηκτικά μείγματα με τον αέρα, τα οποία πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη χρήση τους. Καθώς το μοριακό βάρος αυξάνεται, τα αλκάνια είναι πιο δύσκολο να αναφλεγούν.

Η διαδικασία καύσης των υδρογονανθράκων χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή ενέργειας (σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, θερμοηλεκτρικούς σταθμούς κ.λπ.).

Η εξίσωση για την αντίδραση καύσης των αλκανίων σε γενική μορφή:

Από αυτή την εξίσωση προκύπτει ότι με την αύξηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα ( n) σε ένα αλκάνιο αυξάνεται η ποσότητα οξυγόνου που απαιτείται για την πλήρη οξείδωσή του. Κατά την καύση υψηλότερων αλκανίων ( n>>1) το οξυγόνο που περιέχεται στον αέρα μπορεί να μην είναι αρκετό για την πλήρη οξείδωσή τους σε CO 2 . Τότε προϊόντα μερικής οξείδωσης :

• μονοξείδιο του άνθρακαCO (κατάσταση οξείδωσης του άνθρακα +2),
• αιθάλη(λεπτός άνθρακας, κατάσταση μηδενικής οξείδωσης).

Επομένως, υψηλότερα αλκάνια καίγονται στον αέρα με καπνιστή φλόγα, και το τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται στην πορεία (άοσμο και άχρωμο) αποτελεί κίνδυνο για τον άνθρωπο.

Η καύση του μεθανίου με έλλειψη οξυγόνου συμβαίνει σύμφωνα με τις εξισώσεις:

Η τελευταία αντίδραση χρησιμοποιείται βιομηχανικά για την παραγωγή αιθάλης από φυσικό αέριο που περιέχει 80-97% μεθάνιο.

Η μερική οξείδωση των αλκανίων σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία και με τη χρήση καταλυτών συνοδεύεται από τη ρήξη μόνο μέρους των δεσμών C-C και C-H και χρησιμοποιείται για τη λήψη πολύτιμων προϊόντων: καρβοξυλικά οξέα, κετόνες, αλδεΰδες και αλκοόλες. Για παράδειγμα, με ατελή οξείδωση του βουτανίου (σπάζοντας τον δεσμό C 2 - C 3), λαμβάνεται οξικό οξύ:

ΣΕΤα ανώτερα αλκάνια (n>25) υπό την επίδραση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στην υγρή φάση παρουσία αλάτων μαγγανίου μετατρέπονται σε ένα μείγμα καρβοξυλικών οξέων με μέσο μήκος αλυσίδας C 12 - C 18, τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή απορρυπαντικών και απορρυπαντικών και επιφανειοδραστικές ουσίες.

Η αντίδραση μεταξύ μεθανίου και υδρατμών είναι σημαντική, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μείγματος μονοξειδίου του άνθρακα (II) με υδρογόνο - «αέριο σύνθεσης»:

Αυτή η αντίδραση χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου. Το αέριο σύνθεσης χρησιμεύει ως πρώτη ύλη για την παραγωγή διαφόρων υδρογονανθράκων.

5. Αντιδράσεις υποκατάστασης

Στα μόρια των αλκανίων, οι δεσμοί C-H είναι χωρικά πιο προσιτοί στην επίθεση από άλλα σωματίδια από τους ασθενέστερους δεσμούς C-C. Υπό ορισμένες συνθήκες, οι δεσμοί C-H είναι που σπάνε και τα άτομα υδρογόνου αντικαθίστανται από άλλα άτομα ή ομάδες ατόμων.

1. Αλογόνωση

Η αλογόνωση των αλκανίων είναι η αντίδραση αντικατάστασης ενός ή περισσότερων ατόμων υδρογόνου σε ένα μόριο αλκανίου με ένα αλογόνο. Τα προϊόντα της αντίδρασης ονομάζονται αλογονοαλκάνια ή παράγωγα αλογόνου των αλκανίων. Η αντίδραση των αλκανίων με το χλώριο και το βρώμιο συμβαίνει στο φως ή όταν θερμαίνονται.

Χλωρίωση μεθανίου:

Η θέρμανση του άλατος νατρίου του οξικού οξέος (οξικό νάτριο) με περίσσεια αλκαλίου οδηγεί στην εξάλειψη της καρβοξυλικής ομάδας και στο σχηματισμό μεθανίου:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Εάν πάρετε προπιονικό νάτριο αντί για οξικό νάτριο, τότε σχηματίζεται αιθάνιο, από βουτανοϊκό νάτριο - προπάνιο κ.λπ.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Σύνθεση Wurtz. Όταν τα αλογονοαλκάνια αλληλεπιδρούν με το νάτριο αλκαλιμετάλλου, σχηματίζονται κορεσμένοι υδρογονάνθρακες και ένα αλογονίδιο αλκαλιμετάλλου, για παράδειγμα:

Η δράση ενός μετάλλου αλκαλίου σε ένα μείγμα αλογονανθράκων (π.χ. βρωμοαιθάνιο και βρωμομεθάνιο) θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μείγματος αλκανίων (αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο).

Η αντίδραση στην οποία βασίζεται η σύνθεση του Wurtz προχωρά καλά μόνο με αλογονοαλκάνια στα μόρια των οποίων ένα άτομο αλογόνου είναι συνδεδεμένο με ένα πρωτογενές άτομο άνθρακα.

6. Υδρόλυση καρβιδίων. Όταν ορισμένα καρβίδια που περιέχουν άνθρακα σε κατάσταση οξείδωσης -4 (για παράδειγμα, καρβίδιο του αργιλίου) υποβάλλονται σε επεξεργασία με νερό, σχηματίζεται μεθάνιο:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Φυσικές ιδιότητες

Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι αέρια. Το πιο απλό από αυτά είναι το μεθάνιο - ένα αέριο χωρίς χρώμα, γεύση και οσμή (η μυρωδιά του "αερίου", που πρέπει να καλέσετε 04, καθορίζεται από τη μυρωδιά των μερκαπτανών - ενώσεων που περιέχουν θείο, που προστίθενται ειδικά στο μεθάνιο που χρησιμοποιείται στα νοικοκυριά και βιομηχανικές συσκευές αερίου, για να μπορούν οι κοντινοί άνθρωποι να ανιχνεύουν μια διαρροή από τη μυρωδιά).

Οι υδρογονάνθρακες με σύνθεση από C5H12 έως C15H32 είναι υγροί, οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες είναι στερεοί.

Τα σημεία βρασμού και τήξης των αλκανίων αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι υδρογονάνθρακες είναι ελάχιστα διαλυτοί στο νερό Οι υγροί υδρογονάνθρακες είναι κοινοί οργανικοί διαλύτες.

Χημικές ιδιότητες

1. Αντιδράσεις υποκατάστασης. Οι πιο χαρακτηριστικές αντιδράσεις για τα αλκάνια είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών, κατά τις οποίες ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.

Ας παρουσιάσουμε τις εξισώσεις των πιο χαρακτηριστικών αντιδράσεων.

Αλογόνωση:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Σε περίπτωση περίσσειας αλογόνου, η χλωρίωση μπορεί να προχωρήσει περαιτέρω, μέχρι την πλήρη αντικατάσταση όλων των ατόμων υδρογόνου με χλώριο:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
διχλωρομεθάνιο μεθυλενοχλωρίδιο

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
τριχλωρομεθάνιο χλωροφόρμιο

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
τετραχλωράνθρακας τετραχλωράνθρακας

Οι ουσίες που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ευρέως ως διαλύτες και πρώτες ύλες σε οργανικές συνθέσεις.

2. Αφυδρογόνωση (αποβολή υδρογόνου). Όταν τα αλκάνια περνούν πάνω από έναν καταλύτη (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) σε υψηλές θερμοκρασίες (400-600 °C), ένα μόριο υδρογόνου αποβάλλεται και ένα αλκένιο σχηματίζεται:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Αντιδράσεις που συνοδεύονται από την καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας. Όλοι οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες καίγονται για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αέριοι υδρογονάνθρακες αναμεμειγμένοι με αέρα σε ορισμένες αναλογίες μπορούν να εκραγούν. Η καύση κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι μια εξώθερμη αντίδραση ελεύθερων ριζών, η οποία είναι πολύ σημαντική όταν χρησιμοποιούνται αλκάνια ως καύσιμο.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

Γενικά, η αντίδραση καύσης των αλκανίων μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Οι αντιδράσεις θερμικής αποσύνθεσης αποτελούν τη βάση της βιομηχανικής διαδικασίας πυρόλυσης υδρογονανθράκων. Αυτή η διαδικασία είναι το πιο σημαντικό στάδιο της διύλισης λαδιού.

Όταν το μεθάνιο θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1000 ° C, αρχίζει η πυρόλυση μεθανίου - αποσύνθεση σε απλές ουσίες. Όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασία 1500 °C, είναι δυνατός ο σχηματισμός ακετυλενίου.

4. Ισομερισμός. Όταν οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες θερμαίνονται με καταλύτη ισομερισμού (χλωριούχο αργίλιο), σχηματίζονται ουσίες με διακλαδισμένο σκελετό άνθρακα:

5. Αρωματικό. Τα αλκάνια με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην αλυσίδα κυκλοποιούνται παρουσία ενός καταλύτη για να σχηματίσουν βενζόλιο και τα παράγωγά του:

Ποιος είναι ο λόγος που τα αλκάνια υφίστανται αντιδράσεις ελεύθερων ριζών; Όλα τα άτομα άνθρακα στα μόρια αλκανίου βρίσκονται σε κατάσταση υβριδισμού sp 3. Τα μόρια αυτών των ουσιών κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ομοιοπολικούς μη πολικούς δεσμούς C-C (άνθρακας-άνθρακας) και ασθενώς πολικούς δεσμούς C-H (άνθρακας-υδρογόνο). Δεν περιέχουν περιοχές με αυξημένη ή μειωμένη πυκνότητα ηλεκτρονίων ή εύκολα πολωμένους δεσμούς, δηλαδή τέτοιους δεσμούς στους οποίους η πυκνότητα των ηλεκτρονίων μπορεί να μετατοπιστεί υπό την επίδραση εξωτερικών επιρροών (ηλεκτροστατικά πεδία ιόντων). Κατά συνέπεια, τα αλκάνια δεν θα αντιδράσουν με φορτισμένα σωματίδια, αφού οι δεσμοί στα μόρια των αλκανίων δεν διασπώνται από έναν ετερολυτικό μηχανισμό.

Οι πιο χαρακτηριστικές αντιδράσεις των αλκανίων είναι οι αντιδράσεις υποκατάστασης ελεύθερων ριζών. Κατά τη διάρκεια αυτών των αντιδράσεων, ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα άτομο αλογόνου ή κάποια ομάδα.

Η κινητική και ο μηχανισμός των αλυσιδωτών αντιδράσεων ελεύθερων ριζών, δηλαδή αντιδράσεων που συμβαίνουν υπό την επίδραση ελεύθερων ριζών - σωματιδίων με ασύζευκτα ηλεκτρόνια - μελετήθηκαν από τον αξιόλογο Ρώσο χημικό N. N. Semenov. Ήταν για αυτές τις σπουδές που του απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας.

Συνήθως, ο μηχανισμός των αντιδράσεων υποκατάστασης ελεύθερων ριζών αντιπροσωπεύεται από τρία κύρια στάδια:

1. Έναρξη (πυρήνωση αλυσίδας, σχηματισμός ελεύθερων ριζών υπό την επίδραση πηγής ενέργειας - υπεριώδες φως, θέρμανση).

2. Ανάπτυξη αλυσίδας (αλυσίδα διαδοχικών αλληλεπιδράσεων ελεύθερων ριζών και ανενεργών μορίων, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται νέες ρίζες και νέα μόρια).

3. Τερματισμός αλυσίδας (συνδυασμός ελεύθερων ριζών σε ανενεργά μόρια (ανασυνδυασμός), «θάνατος» ριζών, παύση ανάπτυξης αλυσίδας αντιδράσεων).

Επιστημονική έρευνα του Ν.Ν. Σεμένοφ

Σεμένοφ Νικολάι Νικολάεβιτς

(1896 - 1986)

Σοβιετικός φυσικός και φυσικοχημικός, ακαδημαϊκός. Νικητής του βραβείου Νόμπελ (1956). Η επιστημονική έρευνα σχετίζεται με τη μελέτη χημικών διεργασιών, κατάλυσης, αλυσιδωτών αντιδράσεων, τη θεωρία της θερμικής έκρηξης και την καύση αερίων μειγμάτων.

Ας εξετάσουμε αυτόν τον μηχανισμό χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της αντίδρασης χλωρίωσης μεθανίου:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Η έναρξη της αλυσίδας συμβαίνει ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας ή της θέρμανσης, λαμβάνει χώρα ομολυτική διάσπαση του δεσμού Cl-Cl και το μόριο χλωρίου αποσυντίθεται σε άτομα:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Οι ελεύθερες ρίζες που προκύπτουν επιτίθενται στα μόρια μεθανίου, αποκόπτοντας το άτομο υδρογόνου τους:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

και μετασχηματίζονται σε ρίζες CH3·, οι οποίες, με τη σειρά τους, συγκρούοντας με μόρια χλωρίου, τα καταστρέφουν με το σχηματισμό νέων ριζών:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl κ.λπ.

Η αλυσίδα αναπτύσσεται.

Μαζί με το σχηματισμό ριζών, ο "θάνατός" τους συμβαίνει ως αποτέλεσμα της διαδικασίας ανασυνδυασμού - ο σχηματισμός ενός ανενεργού μορίου από δύο ρίζες:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια του ανασυνδυασμού, απελευθερώνεται μόνο τόση ενέργεια όση χρειάζεται για να σπάσει ο νεοσχηματισμένος δεσμός. Από αυτή την άποψη, ο ανασυνδυασμός είναι δυνατός μόνο εάν ένα τρίτο σωματίδιο (άλλο μόριο, το τοίχωμα του δοχείου αντίδρασης) συμμετέχει στη σύγκρουση δύο ριζών, το οποίο απορροφά την περίσσεια ενέργειας. Αυτό καθιστά δυνατή τη ρύθμιση και ακόμη και τη διακοπή των αλυσιδωτών αντιδράσεων ελεύθερων ριζών.

Σημειώστε το τελευταίο παράδειγμα μιας αντίδρασης ανασυνδυασμού - το σχηματισμό ενός μορίου αιθανίου. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ότι μια αντίδραση που περιλαμβάνει οργανικές ενώσεις είναι μια μάλλον πολύπλοκη διαδικασία, ως αποτέλεσμα της οποίας, μαζί με το κύριο προϊόν αντίδρασης, σχηματίζονται πολύ συχνά υποπροϊόντα, γεγονός που οδηγεί στην ανάγκη ανάπτυξης πολύπλοκων και δαπανηρών μεθόδων για τον καθαρισμό και απομόνωση ουσιών-στόχων.

Το μείγμα αντίδρασης που λαμβάνεται από τη χλωρίωση του μεθανίου, μαζί με το χλωρομεθάνιο (CH3Cl) και το υδροχλώριο, θα περιέχει: διχλωρομεθάνιο (CH2Cl2), τριχλωρομεθάνιο (CHCl3), τετραχλωράνθρακα (CCl4), αιθάνιο και τα προϊόντα χλωρίωσης του.

Τώρα ας προσπαθήσουμε να εξετάσουμε την αντίδραση αλογόνωσης (για παράδειγμα, βρωμίωση) μιας πιο πολύπλοκης οργανικής ένωσης - προπανίου.

Εάν στην περίπτωση της χλωρίωσης μεθανίου είναι δυνατό μόνο ένα μονοχλωρικό παράγωγο, τότε σε αυτή την αντίδραση μπορούν να σχηματιστούν δύο μονοβρωμοπαράγωγα:

Μπορεί να φανεί ότι στην πρώτη περίπτωση, το άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται στο πρωτεύον άτομο άνθρακα και στη δεύτερη περίπτωση, στο δευτερεύον. Είναι τα ίδια ποσοστά αυτών των αντιδράσεων; Αποδεικνύεται ότι το προϊόν της υποκατάστασης του ατόμου υδρογόνου, το οποίο βρίσκεται στον δευτερογενή άνθρακα, κυριαρχεί στο τελικό μείγμα, δηλαδή το 2-βρωμοπροπάνιο (CH3-CHBg-CH3). Ας προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε αυτό.

Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την ιδέα της σταθερότητας των ενδιάμεσων σωματιδίων. Παρατηρήσατε ότι όταν περιγράφαμε τον μηχανισμό της αντίδρασης χλωρίωσης μεθανίου αναφέραμε τη ρίζα μεθυλίου - CH3·; Αυτή η ρίζα είναι ένα ενδιάμεσο σωματίδιο μεταξύ μεθανίου CH4 και χλωρομεθανίου CH3Cl. Το ενδιάμεσο σωματίδιο μεταξύ προπανίου και 1-βρωμοπροπανίου είναι μια ρίζα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στον πρωτεύοντα άνθρακα και μεταξύ προπανίου και 2-βρωμοπροπανίου στον δευτερογενή άνθρακα.

Μια ρίζα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο δευτερεύον άτομο άνθρακα (b) είναι πιο σταθερή σε σύγκριση με μια ελεύθερη ρίζα με ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο στο πρωτεύον άτομο άνθρακα (α). Σχηματίζεται σε μεγαλύτερες ποσότητες. Για το λόγο αυτό, το κύριο προϊόν της αντίδρασης βρωμίωσης προπανίου είναι το 2-βρωμοπροπάνιο, μια ένωση της οποίας ο σχηματισμός συμβαίνει μέσω ενός πιο σταθερού ενδιάμεσου είδους.

Ακολουθούν μερικά παραδείγματα αντιδράσεων ελεύθερων ριζών:

Αντίδραση νίτρωσης (αντίδραση Konovalov)

Η αντίδραση χρησιμοποιείται για να ληφθούν νιτροενώσεις - διαλύτες, πρώτες ύλες για πολλές συνθέσεις.

Καταλυτική οξείδωση αλκανίων με οξυγόνο

Αυτές οι αντιδράσεις αποτελούν τη βάση των πιο σημαντικών βιομηχανικών διεργασιών για την παραγωγή αλδεΰδων, κετονών και αλκοολών απευθείας από κορεσμένους υδρογονάνθρακες, για παράδειγμα:

CH4 + [O] -> CH3OH

Εφαρμογή

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, ιδιαίτερα το μεθάνιο, χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία (Σχήμα 2). Είναι ένα απλό και αρκετά φθηνό καύσιμο, μια πρώτη ύλη για την παραγωγή μεγάλου αριθμού σημαντικών ενώσεων.

Οι ενώσεις που λαμβάνονται από το μεθάνιο, τη φθηνότερη πρώτη ύλη υδρογονανθράκων, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολλών άλλων ουσιών και υλικών. Το μεθάνιο χρησιμοποιείται ως πηγή υδρογόνου στη σύνθεση αμμωνίας, καθώς και για την παραγωγή αερίου σύνθεσης (μίγμα CO και H2), που χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική σύνθεση υδρογονανθράκων, αλκοολών, αλδεϋδών και άλλων οργανικών ενώσεων.

Οι υδρογονάνθρακες των κλασμάτων λαδιού υψηλότερου βρασμού χρησιμοποιούνται ως καύσιμο για κινητήρες ντίζελ και στροβιλοκινητήρες, ως βάση λιπαντικών ελαίων, ως πρώτες ύλες για την παραγωγή συνθετικών λιπών κ.λπ.

Ακολουθούν αρκετές βιομηχανικά σημαντικές αντιδράσεις που συμβαίνουν με τη συμμετοχή του μεθανίου. Το μεθάνιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή χλωροφορμίου, νιτρομεθανίου και παραγώγων που περιέχουν οξυγόνο. Οι αλκοόλες, οι αλδεΰδες, τα καρβοξυλικά οξέα μπορούν να σχηματιστούν από την άμεση αλληλεπίδραση των αλκανίων με το οξυγόνο, ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης (καταλύτης, θερμοκρασία, πίεση):

Όπως ήδη γνωρίζετε, οι υδρογονάνθρακες της σύνθεσης από C5H12 έως C11H24 περιλαμβάνονται στο κλάσμα βενζίνης του λαδιού και χρησιμοποιούνται κυρίως ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Είναι γνωστό ότι τα πιο πολύτιμα συστατικά της βενζίνης είναι οι ισομερείς υδρογονάνθρακες, αφού έχουν μέγιστη αντοχή στην έκρηξη.

Όταν οι υδρογονάνθρακες έρχονται σε επαφή με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, σχηματίζουν σιγά-σιγά ενώσεις με αυτό - υπεροξείδια. Αυτή είναι μια αργά εξελισσόμενη αντίδραση ελεύθερων ριζών, που ξεκινά από ένα μόριο οξυγόνου:

Λάβετε υπόψη ότι η ομάδα υδροϋπεροξειδίου σχηματίζεται σε δευτερεύοντα άτομα άνθρακα, τα οποία είναι πιο άφθονα σε γραμμικούς ή κανονικούς υδρογονάνθρακες.

Με μια απότομη αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας που συμβαίνει στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης, η αποσύνθεση αυτών των ενώσεων υπεροξειδίου ξεκινά με το σχηματισμό μεγάλου αριθμού ελεύθερων ριζών, οι οποίες «πυροδοτούν» την αλυσιδωτή αντίδραση καύσης των ελεύθερων ριζών νωρίτερα από όσο χρειάζεται. . Το έμβολο εξακολουθεί να ανεβαίνει και τα προϊόντα καύσης της βενζίνης, που έχουν ήδη σχηματιστεί ως αποτέλεσμα της πρόωρης ανάφλεξης του μείγματος, το σπρώχνουν προς τα κάτω. Αυτό οδηγεί σε απότομη μείωση της ισχύος και της φθοράς του κινητήρα.

Έτσι, η κύρια αιτία της έκρηξης είναι η παρουσία ενώσεων υπεροξειδίου, η ικανότητα σχηματισμού η οποία είναι μέγιστη στους γραμμικούς υδρογονάνθρακες.

Το C-επτάνιο έχει τη χαμηλότερη αντίσταση στην έκρηξη μεταξύ των υδρογονανθράκων του κλάσματος της βενζίνης (C5H14 - C11H24). Το πιο σταθερό (δηλαδή, σχηματίζει υπεροξείδια στο μικρότερο βαθμό) είναι το λεγόμενο ισοοκτάνιο (2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο).

Ένα γενικά αποδεκτό χαρακτηριστικό της αντίστασης κρούσης της βενζίνης είναι ο αριθμός οκτανίων. Ένας αριθμός οκτανίων 92 (για παράδειγμα, βενζίνη A-92) σημαίνει ότι αυτή η βενζίνη έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα μείγμα που αποτελείται από 92% ισοοκτάνιο και 8% επτάνιο.

Συμπερασματικά, μπορούμε να προσθέσουμε ότι η χρήση βενζίνης υψηλών οκτανίων καθιστά δυνατή την αύξηση του λόγου συμπίεσης (πίεση στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης), γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη ισχύ και απόδοση του κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Το να είσαι στη φύση και να λαμβάνεις

Στο σημερινό μάθημα, εξοικειωθείτε με την έννοια των αλκανίων, καθώς και για τη χημική τους σύνθεση και τις μεθόδους παρασκευής τους. Επομένως, ας σταθούμε τώρα λεπτομερέστερα στο θέμα της παρουσίας αλκανίων στη φύση και ας μάθουμε πώς και πού έχουν βρει εφαρμογή τα αλκάνια.

Οι κύριες πηγές για την παραγωγή αλκανίων είναι το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο. Αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των προϊόντων διύλισης πετρελαίου. Το μεθάνιο, κοινό στις αποθέσεις ιζηματογενών πετρωμάτων, είναι επίσης ένας ένυδρος αερίων αλκανίων.

Το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου είναι το μεθάνιο, αλλά περιέχει επίσης μια μικρή αναλογία αιθανίου, προπανίου και βουτανίου. Το μεθάνιο μπορεί να βρεθεί σε εκπομπές από ραφές άνθρακα, βάλτους και συναφή αέρια πετρελαίου.

Τα Ankan μπορούν επίσης να ληφθούν με άνθρακα οπτανθρακοποίησης. Στη φύση, υπάρχουν επίσης τα λεγόμενα στερεά αλκάνια - οζοκερίτες, τα οποία παρουσιάζονται με τη μορφή αποθέσεων κεριού του βουνού. Ο οζοκερίτης μπορεί να βρεθεί στις κηρώδεις επικαλύψεις των φυτών ή των σπόρων τους, καθώς και στο κερί μέλισσας.

Η βιομηχανική απομόνωση των αλκανίων λαμβάνεται από φυσικές πηγές, οι οποίες, ευτυχώς, είναι ακόμη ανεξάντλητες. Λαμβάνονται με την καταλυτική υδρογόνωση οξειδίων του άνθρακα. Το μεθάνιο μπορεί επίσης να παραχθεί στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας τη μέθοδο θέρμανσης οξικού νατρίου με στερεό αλκάλιο ή υδρόλυση ορισμένων καρβιδίων. Αλλά τα αλκάνια μπορούν επίσης να ληφθούν με αποκαρβοξυλίωση καρβοξυλικών οξέων και με ηλεκτρόλυση τους.

Εφαρμογές αλκανίων

Τα αλκάνια σε επίπεδο νοικοκυριού χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Εξάλλου, είναι πολύ δύσκολο να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς φυσικό αέριο. Και δεν θα είναι μυστικό για κανέναν ότι η βάση του φυσικού αερίου είναι το μεθάνιο, από το οποίο παράγεται η αιθάλη, η οποία χρησιμοποιείται στην παραγωγή τοπογραφικών χρωμάτων και ελαστικών. Το ψυγείο που έχει ο καθένας στο σπίτι του λειτουργεί επίσης χάρη σε ενώσεις αλκανίων που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά μέσα. Το ακετυλένιο που λαμβάνεται από μεθάνιο χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση και την κοπή μετάλλων.

Τώρα γνωρίζετε ήδη ότι τα αλκάνια χρησιμοποιούνται ως καύσιμο. Υπάρχουν στη βενζίνη, την κηροζίνη, το ντίζελ και το μαζούτ. Επιπλέον, βρίσκονται επίσης σε λιπαντικά έλαια, βαζελίνη και παραφίνη.

Το κυκλοεξάνιο έχει βρει ευρεία χρήση ως διαλύτης και για τη σύνθεση διαφόρων πολυμερών. Το κυκλοπροπάνιο χρησιμοποιείται στην αναισθησία. Το Squalane, ως υψηλής ποιότητας λιπαντικό, είναι συστατικό πολλών φαρμακευτικών και καλλυντικών σκευασμάτων. Τα αλκάνια είναι οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή οργανικών ενώσεων όπως αλκοόλη, αλδεΰδες και οξέα.

Η παραφίνη είναι ένα μείγμα ανώτερων αλκανίων και επειδή είναι μη τοξική, χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων. Χρησιμοποιείται για εμποτισμό συσκευασιών γαλακτοκομικών προϊόντων, χυμών, δημητριακών κ.λπ., αλλά και στην κατασκευή τσίχλας. Και η θερμαινόμενη παραφίνη χρησιμοποιείται στην ιατρική για θεραπεία παραφίνης.

Εκτός από τα παραπάνω, οι κεφαλές των σπίρτων είναι εμποτισμένες με παραφίνη για καλύτερη καύση, από αυτήν κατασκευάζονται μολύβια, και κεριά.

Με την οξείδωση της παραφίνης, λαμβάνονται προϊόντα που περιέχουν οξυγόνο, κυρίως οργανικά οξέα. Όταν αναμιγνύονται υγροί υδρογονάνθρακες με ορισμένο αριθμό ατόμων άνθρακα, λαμβάνεται βαζελίνη, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην αρωματοποιία και την κοσμετολογία, καθώς και στην ιατρική. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή διαφόρων αλοιφών, κρεμών και τζελ. Χρησιμοποιούνται επίσης για θερμικές διαδικασίες στην ιατρική.

Πρακτικές εργασίες

1. Να γράψετε τον γενικό τύπο των υδρογονανθράκων της ομόλογης σειράς των αλκανίων.

2. Να γράψετε τους τύπους των πιθανών ισομερών του εξανίου και να τους ονομάσετε σύμφωνα με τη συστηματική ονοματολογία.

3. Τι είναι το σπάσιμο; Τι είδους ρωγμές γνωρίζετε;

4. Γράψτε τους τύπους για πιθανά προϊόντα πυρόλυσης εξανίου.

5. Αποκρυπτογραφήστε την ακόλουθη αλυσίδα μετασχηματισμών. Να ονομάσετε τις ενώσεις Α, Β και Γ.

6. Δώστε τον συντακτικό τύπο του υδρογονάνθρακα C5H12, ο οποίος σχηματίζει μόνο ένα μονοβρωμικό παράγωγο κατά τη βρωμίωση.

7. Για την πλήρη καύση 0,1 mol αλκανίου άγνωστης δομής, καταναλώθηκαν 11,2 λίτρα οξυγόνου (σε συνθήκες περιβάλλοντος). Ποιος είναι ο συντακτικός τύπος ενός αλκανίου;

8. Ποιος είναι ο δομικός τύπος ενός αέριου κορεσμένου υδρογονάνθρακα εάν 11 g αυτού του αερίου καταλαμβάνουν όγκο 5,6 λίτρων (σε τυπικές συνθήκες);

9. Θυμηθείτε τι γνωρίζετε για τη χρήση του μεθανίου και εξηγήστε γιατί μια διαρροή οικιακού αερίου μπορεί να ανιχνευθεί από τη μυρωδιά, αν και τα συστατικά του είναι άοσμα.

10*. Ποιες ενώσεις μπορούν να ληφθούν με την καταλυτική οξείδωση του μεθανίου υπό διάφορες συνθήκες; Να γράψετε τις εξισώσεις για τις αντίστοιχες αντιδράσεις.

11*. Προϊόντα πλήρους καύσης (σε περίσσεια οξυγόνου) 10,08 λίτρα (N.S.) μίγματος αιθανίου και προπανίου πέρασαν από περίσσεια ασβεστόνερου. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίστηκαν 120 g ιζήματος. Προσδιορίστε την ογκομετρική σύνθεση του αρχικού μείγματος.

12*. Η πυκνότητα αιθανίου ενός μείγματος δύο αλκανίων είναι 1,808. Κατά τη βρωμίωση αυτού του μίγματος, απομονώθηκαν μόνο δύο ζεύγη ισομερών μονοβρωμοαλκανίων. Η συνολική μάζα των ελαφρύτερων ισομερών στα προϊόντα αντίδρασης είναι ίση με τη συνολική μάζα των βαρύτερων ισομερών. Προσδιορίστε το κλάσμα όγκου του βαρύτερου αλκανίου στο αρχικό μείγμα.

Αλκάνια- κορεσμένοι (κορεσμένοι) υδρογονάνθρακες. Ένας εκπρόσωπος αυτής της κατηγορίας είναι το μεθάνιο ( CH 4). Όλοι οι επόμενοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες διαφέρουν κατά CH 2- μια ομάδα που ονομάζεται ομόλογη ομάδα και οι ενώσεις ονομάζονται ομόλογα.

Γενικός τύπος - ΜΕnH 2 n +2 .

Δομή αλκανίων.

Κάθε άτομο άνθρακα είναι μέσα sp 3- υβριδισμός, μορφές 4 σ - επικοινωνίες (1 S-Sκαι 3 S-N). Το σχήμα του μορίου έχει τη μορφή τετραέδρου με γωνία 109,5°.

Ο δεσμός σχηματίζεται μέσω της επικάλυψης υβριδικών τροχιακών, με τη μέγιστη περιοχή επικάλυψης να βρίσκεται στο διάστημα στην ευθεία γραμμή που συνδέει τους ατομικούς πυρήνες. Αυτή είναι η πιο αποτελεσματική επικάλυψη, επομένως ο δεσμός σ θεωρείται ο ισχυρότερος.

Ισομέρεια αλκανίων.

Για αλκάνιαΧαρακτηριστική είναι η ισομέρεια του ανθρακικού σκελετού. Οι οριακές συνδέσεις μπορούν να λάβουν διαφορετικά γεωμετρικά σχήματα διατηρώντας παράλληλα τη γωνία μεταξύ των συνδέσεων. Για παράδειγμα,

Οι διαφορετικές θέσεις της ανθρακικής αλυσίδας ονομάζονται διαμορφώσεις. Υπό κανονικές συνθήκες, οι διαμορφώσεις των αλκανίων μετασχηματίζονται ελεύθερα μεταξύ τους μέσω της περιστροφής των δεσμών C-C, γι' αυτό και ονομάζονται συχνά περιστροφικά ισομερή. Υπάρχουν 2 κύριες διαμορφώσεις - "αναστολή" και "έκλειψη":

Ισομερισμός του ανθρακικού σκελετού των αλκανίων.

Ο αριθμός των ισομερών αυξάνεται με την αύξηση της ανθρακικής αλυσίδας. Για παράδειγμα, το βουτάνιο έχει 2 ισομερή:

Για πεντάνιο - 3, για επτάνιο - 9, κ.λπ.

Αν ένα μόριο αλκάνιοαφαιρώντας ένα πρωτόνιο (άτομο υδρογόνου), παίρνετε μια ρίζα:

Φυσικές ιδιότητες των αλκανίων.

Υπό κανονικές συνθήκες - C 1 - C 4- αέρια , Από 5 έως Από 17- υγρά, και υδρογονάνθρακες με περισσότερα από 18 άτομα άνθρακα - στερεά.

Καθώς η αλυσίδα μεγαλώνει, τα σημεία βρασμού και τήξης αυξάνονται. Τα διακλαδισμένα αλκάνια έχουν χαμηλότερα σημεία βρασμού από τα κανονικά.

Αλκάνιααδιάλυτο στο νερό, αλλά διαλυτό σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες. Ανακατεύουμε εύκολα μεταξύ τους.

Παρασκευή αλκανίων.

Συνθετικές μέθοδοι για την παραγωγή αλκανίων:

1. Από ακόρεστους υδρογονάνθρακες - η αντίδραση «υδρογόνωσης» συμβαίνει υπό την επίδραση ενός καταλύτη (νικέλιο, πλατίνα) και σε θερμοκρασία:

2. Από παράγωγα αλογόνου - Αντίδραση Wurtz: η αλληλεπίδραση μονοαλογονοαλκανίων με μέταλλο νατρίου, με αποτέλεσμα αλκάνια με διπλάσιο αριθμό ατόμων άνθρακα στην αλυσίδα:

3. Από άλατα καρβοξυλικών οξέων. Όταν ένα άλας αντιδρά με ένα αλκάλιο, λαμβάνονται αλκάνια που περιέχουν 1 λιγότερο άτομο άνθρακα σε σύγκριση με το αρχικό καρβοξυλικό οξύ:

4. Παραγωγή μεθανίου. Σε ηλεκτρικό τόξο σε ατμόσφαιρα υδρογόνου:

C + 2H 2 = CH 4.

Στο εργαστήριο, το μεθάνιο λαμβάνεται ως εξής:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4Al(OH) 3.

Χημικές ιδιότητες των αλκανίων.

Υπό κανονικές συνθήκες, τα αλκάνια είναι χημικά αδρανείς ενώσεις, δεν αντιδρούν με πυκνό θειικό και νιτρικό οξύ, με συμπυκνωμένο αλκάλιο ή με υπερμαγγανικό κάλιο.

Η σταθερότητα εξηγείται από την αντοχή των δεσμών και τη μη πολικότητα τους.

Οι ενώσεις δεν είναι επιρρεπείς σε αντιδράσεις θραύσης δεσμών (αντιδράσεις προσθήκης χαρακτηρίζονται από υποκατάσταση).

1. Αλογόνωση αλκανίων. Υπό την επίδραση ενός ελαφρού κβαντικού, αρχίζει η ριζική υποκατάσταση (χλωρίωση) του αλκανίου. Γενικό σχήμα:

Η αντίδραση ακολουθεί έναν αλυσιδωτό μηχανισμό, στον οποίο υπάρχουν:

Α) Εκκίνηση του κυκλώματος:

Β) Ανάπτυξη της αλυσίδας:

Β) Ανοικτό κύκλωμα:

Συνολικά μπορεί να παρουσιαστεί ως:

2. Νίτρωση (αντίδραση Konovalov) αλκανίων. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα στους 140 °C:

Η αντίδραση προχωρά πιο εύκολα με το τριτοταγές άτομο άνθρακα παρά με το πρωτεύον και το δευτερεύον.

3. Ισομερισμός αλκανίων. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, τα αλκάνια κανονικής δομής μπορούν να μετατραπούν σε διακλαδισμένα:

4. Αλκάνιο πυρόλυσης. Υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και καταλυτών, τα υψηλότερα αλκάνια μπορούν να σπάσουν τους δεσμούς τους, σχηματίζοντας αλκένια και κατώτερα αλκάνια:

5. Οξείδωση αλκανίων. Κάτω από διαφορετικές συνθήκες και με διαφορετικούς καταλύτες, η οξείδωση των αλκανίων μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό αλκοόλης, αλδεΰδης (κετόνης) και οξικού οξέος. Υπό συνθήκες πλήρους οξείδωσης, η αντίδραση προχωρά στην ολοκλήρωση - έως ότου σχηματιστεί νερό και διοξείδιο του άνθρακα:

Εφαρμογή αλκανίων.

Τα αλκάνια έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία, στη σύνθεση λαδιού, καυσίμου κ.λπ.

Οι άκυκλοι υδρογονάνθρακες ονομάζονται αλκάνια. Υπάρχουν 390 αλκάνια συνολικά. Το Nonacontatrictan έχει τη μεγαλύτερη δομή (C 390 H 782). Τα αλογόνα μπορούν να προσκολληθούν σε άτομα άνθρακα για να σχηματίσουν αλογονοαλκάνια.

Δομή και ονοματολογία

Εξ ορισμού, τα αλκάνια είναι κορεσμένοι ή κορεσμένοι υδρογονάνθρακες που έχουν γραμμική ή διακλαδισμένη δομή. Ονομάζονται και παραφίνες. Τα μόρια αλκανίων περιέχουν μόνο απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα. Γενικός τύπος -

Για να ονομάσετε μια ουσία, πρέπει να ακολουθήσετε τους κανόνες. Σύμφωνα με τη διεθνή ονοματολογία, τα ονόματα σχηματίζονται χρησιμοποιώντας το επίθημα -an. Τα ονόματα των πρώτων τεσσάρων αλκανίων σχηματίστηκαν ιστορικά. Ξεκινώντας από τον πέμπτο εκπρόσωπο, τα ονόματα αποτελούνται από ένα πρόθεμα που υποδεικνύει τον αριθμό των ατόμων άνθρακα και το επίθημα -an. Για παράδειγμα, το οκτα (οκτώ) σχηματίζει οκτάνιο.

Για διακλαδισμένες αλυσίδες, τα ονόματα προστίθενται:

• από αριθμούς που υποδεικνύουν τον αριθμό των ατόμων άνθρακα κοντά στα οποία βρίσκονται οι ρίζες.
• από το όνομα των ριζοσπαστών?
• από το όνομα του κύριου κυκλώματος.

Παράδειγμα: 4-μεθυλοπροπάνιο - το τέταρτο άτομο άνθρακα στην αλυσίδα προπανίου έχει μια ρίζα (μεθύλιο).

Ρύζι. 1. Δομικοί τύποι με τα ονόματα των αλκανίων.

Κάθε δέκατο αλκάνιο δίνει το όνομα στα επόμενα εννέα αλκάνια. Μετά το δεκανό έρχονται το ενδεκάνιο, το δωδεκάνιο και μετά, μετά το εικοσάνιο - χενικόσαν, το δοκοσάνιο, το τρικοζάνιο κ.λπ.

Ομόλογη σειρά

Ο πρώτος εκπρόσωπος είναι το μεθάνιο, γι' αυτό και τα αλκάνια ονομάζονται και ομόλογες σειρές μεθανίου. Ο πίνακας των αλκανίων δείχνει τους πρώτους 20 αντιπροσώπους.

Ξεκινώντας με το βουτάνιο, όλα τα αλκάνια έχουν δομικά ισομερή. Το πρόθεμα ισο- προστίθεται στο όνομα: ισοβουτάνιο, ισοπεντάνιο, ισοεξάνιο.

Ρύζι. 2. Παραδείγματα ισομερών.

Φυσικές ιδιότητες

Η κατάσταση συνάθροισης των ουσιών αλλάζει στη λίστα των ομολόγων από πάνω προς τα κάτω. Όσο περισσότερα άτομα άνθρακα περιέχει και, κατά συνέπεια, όσο μεγαλύτερο είναι το μοριακό βάρος των ενώσεων, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού και τόσο πιο σκληρή είναι η ουσία.

Οι υπόλοιπες ουσίες που περιέχουν περισσότερα από 15 άτομα άνθρακα βρίσκονται σε στερεή κατάσταση.

Τα αέρια αλκάνια καίγονται με μπλε ή άχρωμη φλόγα.

Παραλαβή

Τα αλκάνια, όπως και άλλες κατηγορίες υδρογονανθράκων, λαμβάνονται από πετρέλαιο, αέριο και άνθρακα. Για αυτό χρησιμοποιούνται εργαστηριακές και βιομηχανικές μέθοδοι:

• αεριοποίηση στερεών καυσίμων:

  C + 2H2 → CH4;

• υδρογόνωση μονοξειδίου του άνθρακα (II):

  CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O;

• υδρόλυση καρβιδίου του αργιλίου:

  Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH4;

• αντίδραση καρβιδίου του αργιλίου με ισχυρά οξέα:

  Al 4 C 3 + H 2 Cl → CH 4 + AlCl 3;

• αναγωγή αλογονοαλκανίων (αντίδραση υποκατάστασης):

  2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;

• υδρογόνωση αλογονοαλκανίων:

  CH 3 Cl + H 2 → CH 4 + HCl;

• σύντηξη αλάτων οξικού οξέος με αλκάλια (αντίδραση Dumas):

  CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.

Τα αλκάνια μπορούν να ληφθούν με υδρογόνωση αλκενίων και αλκυνίων παρουσία καταλύτη - πλατίνα, νικέλιο, παλλάδιο.

Χημικές ιδιότητες

Τα αλκάνια αντιδρούν με ανόργανες ουσίες:

• καύση:

  CH4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O;

• αλογόνωση:

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• νίτρωση (αντίδραση Konovalov):

  CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O;

• ένταξη: