Теоретичний матеріал для вивчення теми Алкани

Алкани або насичені вуглеводні - це такі вуглеводні, в молекулах яких всі атоми карбону з’єднані одинарними зв’язками та насичені воднем.

Склад алканів виражається загальною формулою C_nH_2n+2.

Вони утворюють гомологічний ряд - це ряд сполук схожої будови і хімічних властивостей, в якому кожний наступний член відрізняється від попереднього на групу атомів СН₂. Група СН₂ називається гомологічною різницею ряду, а представники цього ряду - гомологами.

Гомологічний ряд алканів

При розриві ковалентного зв'язку карбону з одним з атомів водню по вільнорадикальному способу утворюються одновалентні радикали алканів із загальною формулою C_nH_2n+1 (дивись таблицю).

Молекули алканів утворені ковалентними σ С-С і σ С-Н зв'язками.

Так як валентний кут між σ зв'язками дорівнює 109^о28^', то молекули алканів мають просторову будову. Наприклад, молекула метану має форму тетраедра.

У алканів sp³ гібридизація.

Вуглецевий скелет алканів, починаючи з пропану буде зигзагоподібним.

Для алканів починаючи з бутану, властива ізомерія. Вона визначається розгалуженням карбонового ланцюга (скелету). Алкани з лінійним розташуванням атомів вуглецю називають нормальними, а з розгалуженим - ізомерами.

 l

                                                  норм.бутан                                       ізо-бутан

Для назв ізомерів застосовують дві номенклатури:

• стару - раціональну, по якій алкани розглядаються як похідні метану, у якого один або кілька атомів водню заміщені радикалами. Якщо однакові радикали повторюються кілька разів, то їх вказують грецькими числівниками ди-, три-, тетра- ...

                          l

                                         триметилтеман

• систематичну (міжнародну, Женевську)

Ознайомлення з міжнародною номенклатурою органічних сполук IUPAC

1. У структурній формулі вуглеводню знаходимо головний ланцюг. Головний ланцюг — це найдовша безперервна послідовність атомів Карбону.

2. Частинки, що не ввійшли до головного ланцюга, — замісники.

3. Головний ланцюг нумерується з того кінця, до якого ближче замісники або кратний зв’язок. Якщо різні замісники розташовані однаково до обох кінців головного ланцюга, то нумерація йде з того боку, до якого ближче замісник з меншою кількістю атомів карбону, або головніший замісник (Cl, Br і т.д.). Цифри біля атомів карбону мають назву локанти.

4. Вказуємо місце розташування цифрами на назви замісників.

5. Назва насиченого вуглеводню: номер атома головного ланцюга, біля якого є замісник, — назва замісника + назва головного ланцюга + суфікс -ан. Наприклад:

6. Якщо до головного ланцюга приєднано кілька однакових замісників, то в назві цифрою вказується положення кожного з них, а перед назвою замісника ставляться префікси: ди- (два замісники), три- (три замісники), тетра- (чотири замісники) і т. д. Якщо два однакові замісники перебувають біля одного атома головного ланцюга, то в назві його номер пишеться двічі.

7. Якщо до головного ланцюга приєднано кілька різних замісників, то в назві вони перелічуються за абеткою.

Фізичні властивості алканів

С₁-С₄ за звичайних умов – гази, С₅-С₁₇ – рідини, починаючи з С₁₈ – тверді речовини. Алкани практично нерозчинні у воді, але добре розчиняються в неполярних розчинниках, наприклад, в бензолі. Так, метан СН₄(болотний, рудничий газ) – газ без кольору та запаху, добре розчинний в етанолі, ефірі, вуглеводнях, але погано розчинний у воді.

Хімічні властивості

При звичайних умовах алкани хімічно інертні — не реагують з кислотами, ні з лугами. Це пояснюється високою міцністю сигма-зв’язків С-С і С-Н. Неполярні зв’язки С-С і С-Н здатні розщеплюватися тільки гомолітично під дією активних вільних радикалів. Тому алкани вступають у реакції, що протікають за механізмом заміщення. В першу чергу заміщують атоми водню у третинних, потім у вторинних і первинних атомів вуглецю.

1. Галогенування. При взаємодії алканів з хлором і бромом при дії УФ-випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно- до полігалогенпохідних алканів:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl - монохлорметан

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl - дихлорметан

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl - трихлорметан

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl – тетрахлорметан

2. Нітрування (реакція Коновалова). При дії розбавленої азотної кислоти на алкани при 140⁰ і невеликому тиску протікає радикальна реакція:

СН₃-СН₃ +НNO₃ → СН₃-СН₂-NО₂ (нітроетан) + Н₂О

3. Горіння в атмосфері кисню з утворенням CO₂ ↑ + H₂O

CH₄ + 2O₂ → CO₂ ↑ + H₂O

4. Ізомеризація. При нагріванні в присутності AlCl₃ алкани, починаючи з бутану, підвергаються ізомеризації  

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ → CH₃ – CH – CH₃

                                                                      |

                                                                    CH₃

5. Піроліз. Алкани при сильному нагріванні без доступу повітря розкладаються з утворенням сажі і водню (термічний розклад)

CH₄ → C + 2H₂

6. Дегідрування. Починаючи з етану, алкани при нагріванні в присутності каталізатора нікелю або платини піддаються відщепленню атомів водню:  

C₄H₁₀ → C₄H₈ + H₂↑

7. Крекінг (розрив ланцюга атомів карбону):

  С₄H₁₀ → C₂H₆↑ + C₂H₄↑

Способи добування алканів

У промисловості:

1. Основне джерело алканів – природний газ, нафта, кам’яне вугілля.

2. Переробка синтез-газу за наявності каталізаторів

 СО + Н₂ → Н₂О + суміш вуглеводнів

3. Нагріванням вуглецю з воднем

 С + 2Н₂ → СН₄

У лабораторії:

1.Термічний крекінг алканів:

С₈Н₁₈ → С₄Н₁₀ ↑ + С₄Н₈ ↑

2.Гідрування алкенів, алкінів, алкадієнів

 С₂Н₄ + Н₂ → С₂Н₆

3.Реакція Вюрца – на першій стадії отримуємо хлорзаміщені алкани (першої стадії), на другій стадії – взаємодія хлорпохідних алканів з натрієм.

С₂Н₅Сl + 2Na + С₂Н₅Сl → С₄Н₁₀ + NaCl

Метан СН₄

Є складовою частиною природних газів, утворюється при повільному розкладанні рослинних залишків без доступу повітря. Виділяється з дна боліт і з кам'яновугільних пластів. Тому його називають болотним або рудниковим газом. Це газ без кольору і запаху. Молекулярна маса - 16.

Завдяки великій теплотворній здатності його застосовують як паливо в побуті і в промисловості. При неповному термічному розкладанні метану утворюється ацетилен і водень, при повному - сажа і водень, які служать вихідним сировиною для виробництва формальдегіду, метанолу та ін. речовин.

Добування метану:

1. У лабораторії метан отримують при нагріванні суміші ацетату натрію з гідроксидом натрію (200^оС)              СН₃СООН + NaОН → Na₂СО₃ + СН₄↑ 

2.При взаємодії карбіду алюмінію з водою Al₄С₃ + 12Н₂О → 4Al(ОН)₃ + 3СН₄ ↑

3.Синтезом з карбону і водню: С + 2Н₂ → СН₄ ↑

4. З природного газу - в промисловості.

Особливі хімічні властивості метану

НЕ піддається ізомеризації, дегідруванню. Крім галогенування, горіння і повного термічного розкладання, метан піддається

1. Неповний термічний розклад:   2CH₄ → C₂H₂ ↑ + 3H₂ ↑ етин та водень

2. Окислення з утворенням формальдегіду:   CH₄ → HCOH + H₂O

3. Утворення водню під дією водяної пари:CH₄ + H₂O →  CO ↑ + 3H₂ ↑

Застосування алканів.

Метан використовують в якості висококалорійного палива у складі природного газу, в якості сировини для виробництва водню, ацетилену, хлороформу та інших органічних речовин у промислових масштабах.

Пропан С₃Н₈ і бутан С₄Н₁₀ – гази, що застосовуються в побуті, як балонний газ. Пропан використовується в якості автомобільного палива, оскільки є більш екологічно чистим, ніж бензин.

Бутан – сировина для одержання 1,3–бутадієну, що використовується у виробництві синтетичного каучуку.

Основним природним джерелом цих речовин є такі цінні продукти, як природний газ і нафта. Області застосування алканів на сьогоднішній день дуже широкі і різноманітні. Наприклад, газоподібні речовини використовують як цінне джерело палива. Ще одне джерело алканів - нафта, значення якої для сучасного людства переоцінити важко. До нафтових продуктів відносять: бензини - використовуються в якості палива; гас; дизельне паливо, або легкий газойль; важкий газойль, який застосовують в якості мастила; залишки нафтової перегонки використовують для виготовлення асфальту. Нафтові продукти також використовуються для отримання пластмас, синтетичних волокон, каучуків і деяких миючих засобів.

Але застосування алканів набагато ширше. Деякі рідкі форми цих речовин використовуються як розчинники, а також в якості ракетного палива.

Вазелін і вазелінове масло - продукти, які складаються з суміші алканів. Їх використовують в медицині і косметології (в основному для приготування мазей і кремів), а також в парфумерії.

Парафін - ще один всім відомий продукт, який є сумішшю твердих алканів. Це тверда біла маса, температура топлення якої становить 50 - 70 градусів. У сучасному виробництві парафін використовується для виготовлення свічок. Цією ж речовиною просочують сірники. У медицині за допомогою парафіну проводять різного роду теплові процедури.

Галогенопохідні алканів

CH₃Cl – в холодильних установках;

CH₂Cl₂, CCl₄ – розчинники;

CH₃Cl – хлороформ – в медицині для наркозу

C₂H₅Cl – хлоретил – для місцевої анестезії

CHI₃ – йодоформ – як зовнішній антисептик.