Алкани (насичені вуглеводні,або парафіни)

                        (насичені ВВ, або парафіни).

                                       C_nH_2n,      n≥1

• Алкани – це ВВ, в молекулах яких всі атоми Карбону знаходяться в

стані SP³ гібридизації і зв’язані один з одним тільки σ- зв’язками.

                                           σ

                          σ    С    σ

                                  σ

             Кожний атом Карбону в молекулі алкану зв’язаний простими зв’язками з чотирма атомами («С» або «Н») і не може приєднувати інші атоми. Тому алкани і називають насиченими вуглеводнями.

Будова алканів

              Всі атоми С в молекулах алканів знаходяться в стані SP³ гібридизації, кут між зв’язками

             С

                              Складає   109⁰28^/, тому молекули нормальних алканів

      С            С       з великим числом атомів Карбону мають зигзагоподібну будову (зигзаг):

                  Довжина зв’язку  -- С – С --  в насичених ВВ дорівнює 0,154 нм

 (1нм = 10^-9м).

Гомологічний ряд алканів

Ізомерія і номенклатура алканів

              Можлива лише ізомерія ланцюга.

Перші три  члена гомологічного ряду алканів (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈) ізомерів не мають.

                  Відповідно до міжнародної номенклатури ізомери з розгалуженим ланцюгом вуглецевих атомів слід розглядати як похідні алканів з самим найдовшим нерозгалуженим ланцюгом.

                                        Правила утворення назв

                  розгалужених алканів за міжнародною номенклатурою

                                                 ( І Ю П А К )

1.     Знайти самий найдовший (головний) нерозгалужений ланцюг вуглецевих атомів.
2.     Пронумерувати атоми С головного ланцюга.
3.     Номер атома С, у якого є замісник (алкільний радикал), повинен бути найменшим.
4.     Вказати положення замісника (номер атома Карбона, біля якого знаходиться замісник (алкільний радикал)).
5.     Назвати алкільний радикал.
6.     Назвати алкан, що відповідає даному ланцюгу.

                              6             5             4             3

                     СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН –               

                                                                         2

                                                                          СН₂

                                                                         1

                                                                           СН₃                3 метилгексан

            В молекулах з декількома однаковими замісниками необхідно вказати положення кожного замісника. Число однакових замісників позначають грецькими числівниками:

   Ди – (два); три – (три); тетра – (чотири); пента – (п’ять) і т.д.

                                    СН₃

                          1        2           3         4             5

                   Н₃С – СН₂ – С – СН₂  - СН₃              3,3 Диметилпентан   

                                                  СН₃

      1             2             3                 4            5             6          7            8

       СН₃ – СН₂ – СН    –  СН – СН₂ – СН - СН₂ – СН₃

                               С₂Н₅     С₂Н₅            С₂Н₅                        3,4,6 триетил-октан

               Різні замісники називають в алфавітному порядку.

      1             2             3           4             5            6             7             8 

       СН₃ – СН₂ – СН – СН₂ – СН – СН₂ – СН₂ – СН₃ 

                                 СН₂              СН₃ 

                               СН₃                            5метил3етил-октан 

Фізичні властивості алканів

СН₄ … С₄Н₁₀         С₅Н₁₂ … С₁₅Н₃₂         С₁₆Н₃₄ …

Гази без запаху              Рідини (мають запах)        Тверді речовини (без запаху)

                           t⁰  кипіння   і  t⁰ плавлення збільшуються.

         Алкани – безбарвні речовини, легші за воду, погано розчиняються у воді.

Хімічні властивості алканів

                Тривіальна назва алканів – «парафіни» - означає «не имеющие  сродства».

                Алкани хімічно мало активні. Низька реакційна здатність алканів обумовлена дуже малою полярністю зв'язків  С – С та С – Н в їх молекулах внаслідок майже однакової електронегативності атомів Карбона і Гідрогена.

                Для алканів найбільш характерними є реакції заміщення. В цих реакціях гемолітичний розрив ковалентних зв'язків, тобто вони відбуваються по вільно-радикальному (ланцюговому) механізму.

І. Реакції заміщення (розрив зв’язку С- Н)

1). Г а л о г е н у в а н н я  (заміщення атома гідрогена на атом галогена – F, Cl, Bn з утворенням галоген алкана RHal).

            Алкани дуже активно реагують з фтором. Хлорування протікає під дією світла і являється фотохімічною ланцюговою реакцією. Молекули нижчих алканів можна хлорувати повністю.

                  +Сl₂, hυ                            +Сl₂                           +Сl₂                             +Сl₂             

             СН₄                  СН₃Сl             СН₂Сl₂             СНСl₃                   ССl₄  

          метан            -НСl         Хлор-       -НСl     Дихлор-     -НСl    Трихлор-     -НСl      Тетрахлор-

                                                           етан                       етан                    етан                           етан

2).  Н і т р у в а н н я  (заміщення атома гідрогена нітрогрупою з утворенням нітроалканів  R – NО₂).

                   Нітруючий реагент – нітратна кислота НNО₃ (НО -  NО₂)  

                Н                                                   Н

               Н – С – Н    +   НО -    NО₂          Н – С -  NО₂     +   Н₂О 

                            Н                                                   Н 

                                                                                                                Нитрометан

                             Номенклатура нітро- та галоген алканів

                                                                   СН₃           

    1             2           3              4              4              3          2            1              5             4            3             2           1

      СН₃ – СН – СН₂ – СН₃     СН₃ – СН – СН – СН₃     СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃

                         NО₂                                    NО₂                                   Сl                 СН₃

        2 – Нітробутан                      2 метил 3 нітробутан                   2 метил 4 хлорпентал

                      Замісники перераховуються в алфавітному порядку.

3). С у л ь ф у р у в а н н я  (заміщення атома гідрогена сульфогрупою SО₃Н з утворенням алкан сульфокислот RSО₃Н).

     Сульфуруючий реагент – сірчана (сульфатна) кислота Н₂SО₄ (НО-SО₃Н).

     Сульфурування відбувається при дії дуже концентрованої  Н₂SО₄  при незначному нагріванні:

                   Н                                                 Н

                                                                                                      t⁰  

                     Н – С – Н   +  НО - SО₃Н          Н – С -  SО₃Н     +  Н₂О 

                              Н                                                 Н 

                                                                                                                   Сульфометан 

                          СН₃                                                                  СН₃  

                                                                                                                             t⁰       4                 3                 2          1

       СН₃ – СН₂ – С – СН₃   +  НО  -  SО₃Н          СН₃ – СН₂ – С – СН₃   +   Н₂О

                                                                                                              SО₃Н 

                                                                                                                                    2 метилбутан 2 сульфокислота

                                                                                            (2 метил – 2 сульфобутан)  

Номенклатура  сульфоподібних  алканів

         До назви відповідного алкану необхідно добавити префікс «сульфо-» або закінчення «сульфокислота» із вказівкою положення сульфогрупи:

                            СН₃ 

                                                                                                                           3                 2                1

          СН₃ – СН₂ – СН - SО₃Н                       СН₃ – СН₂ – СН₂ - SО₃Н 

             Бутан – 2 - сульфокислота                                     1 сульфопропан 

ІІ. Реакції окиснення

          За звичайних умов алкани стійкі до дії окисників (КМnО₄,  К₂Сr₂О₇).

1). Окиснення киснем повітря при високій температурі (г о р і н н я):

       А) повне окиснення (надлишок О₂):

          -4                                        t⁰      +4 

                 СН₄   +   2О₂           СО₂  +   2Н₂О

        Б) неповне окиснення (недостача О₂):

            -4                                     t⁰             +2

                2СН₄  +  3О₂            2СО   +   4Н₂О

          -4                                   t⁰           0

                СН₄    +  О₂           С  +    2Н₂О

2). Окиснення киснем повітря при невисоких температурах в присутності каталізаторів (неповне каталітичне окиснення):

            -4                                           кат.             -2

                 2СН₄   +   О₂         t⁰ ₁          2СН₃ОН 

                Метан                                    Метанол  

                 -4                                     кат.^/                                 О

                 СН₄  +   О₂       t⁰ ₂        Н – С            +   Н₂О  

                                                                                                      Н

                                              кат.^//                         О

           2СН₄      +    3О₂          t⁰ ₃       2Н – С           +  2Н₂О

                                                                       ОН

ІІІ. Термічне перетворення алканів

1).  К р е к і н г    (р о з щ е п л е н н я) – це розрив зв'язків С – С в молекулах    алканів з довгими вуглецевими ланцюгами, в результаті чого утворюються алкани і алкени з меншим числом атомів С.

                                                 К Р Е К І Н Г

                 Термічний  (піроліз)                                  Каталітичний

                    t⁰ = 450-700⁰С                                         t⁰ = 400-500⁰С

                                                                            каталізатори: Аl₂О₃ + SіО₂

                                                                                                    Аl₂О₃ + Сr₂О₃

    СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃             СН₃ – СН₃  +  СН₂ = СН₂

  СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃         СН₄  +  СН₃ – СН₂ – СН = СН₂

       2). Д е г і д р у в а н н я (-Н₂):

                              1500⁰С

                         2СН₄                  СН  ≡  СН  +  3Н₂

                 Метан                          етин

                                                 t⁰, кат.

                    С₂Н₆                С₂Н₄  +  Н₂

               Етан                    етен  

 3). Дегідроциклізація (ароматизація, дегідрування алканів з утворенням ароматичних сполук):

                                                                                                 СН₃

                                                                                    300⁰С 

        СН₃ – СН₂ - СН₂  - СН₂ -  СН₂ - СН₂ – СН_{3            Рt}             О     +  4Н₂

                            Гептан

                                                                                                            Метилбензол

4). Ізомеризація (перетворення хімічної сполуки в його ізомер):

         Н – алкан            ізоалкан

                                                        100⁰С        1                 2               3

                       СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃             СН₃ – СН – СН₃

                       Н бутан                        АlСl₃              СН₃           ізобутан

                                                                                                      (2 метилпропан)

Добування алканів

     Добування метану:

1). В   п р о м и с л о в о с т і: 

           А) із природного газу;

           Б) синтез із оксиду карбону(ІІ) і водню:

                                                  Nі, 300⁰С

                                                СО  +  3Н₂             СН₄  +  Н₂О

                                                     ^Р

2). В   л а б о р а т о р і ї:

            А). гідроліз карбіду алюмінію:

                   Аl₄С₃  +  12Н₂О          3СН₄      +   4Аl(ОН)₃;

            Б). сплавлення солей оцтової кислоти із лугами:

                                                                              t⁰

                                 СН₃СООNа     +   NаОН              СН₄    +    Nа₂СО₃

                  Ацетат натрію

                             (тв..)                       (тв..)

       Добування гомологів метану:

1). В   п р о м и с л о в о с т і:

             А). із природної  сировини (нафта, газ, гірський віск);

             Б).  синтез із СО і Н₂:

                                                       300⁰С 

                                      nСО  +  (2n + 1)Н₂           С_nН_2n+2      +   nН₂О

                                                                                                                                                           ^Fе

2). В   л а б о р а т о р і ї:

              А). каталітичне гідрування (+Н₂) ненасичених ВВ:

                                              Рt

                                   С_nН_2n    +  Н₂                  С_nН_2n+2     

                    Алкен                 Nі, 150⁰С            Алкан

                                               Рt

                             С_nН_2n-2     +2Н₂                          С_nН_2n+2     

                    Алкін                                       Алкан  

               Б). Реакція В'юруа (взаємодія галоген алканів з металічним натрієм):

              СН₃ Сl                      t⁰          СН₃

                                                  + 2 Nа                       +  2 Nа Сl         або                    

              СН₃ Сl                               СН₃ 

              СН₃ -  Сl     +  2 Nа   +   Сl  - СН₃  =  СН₃ – СН₃  +   2 NаСl

Застосування метану  СН₄:

Метанол СН₃ОН

Розчинники  СН₃Сl,    СН₂Сl₂,  ССl₄

Фреони  СF₂Сl₂

Ацетилен  С₂Н₂

«Синтез – газ»   СО  +  Н₂

Типографська фарба   С

Мурашина кислота   НСООН

                                                          О

Мурашиний альдегід        Н – С

                                                          Н

СН₄         Н₂          NН₃            НNО₃.