Общая формула алканов

СН₄ – метан

С₂Н₆ – этан

С₃Н₈ – пропан

С₄Н₁₀ – бутан

С₅Н₁₂ – пентан

С₆Н₁₄ – гексан

С₇Н₁₆ – гептан

С₈Н₁₈ – октан

С₉Н₂₀ – нонан

С₁₀Н₂₂ – декан и т.д.

Первые четыре члена гомологического ряда метана имеют исторически сложившиеся названия.

– СН₃ метил

– С₂Н₅ этил

– С₃Н₇ пропил

– С₄Н₉ бутил

– С₅Н₁₁ пентил

– С₆Н₁₃ гексил и т.д.

СН₃ – СН – изопропил

|

СН₃

СН₃ – СН – СН₂ – изобутил

|

СН₃

СН₃ – СН₂ – СН – вторичный бутил

|

CH₃

CH₃

|

CH₃ – C – третичный бутил

|

CH₃

Физические свойства алканов.

Первые четыре члена гомологического ряда при обычных условиях – газы, остальные до С₁₆Н₃₄ – жидкости, а с С₁₆Н₃₄ и выше – твёрдые вещества. Температура плавления и температура кипения с увеличением числа углеродных атомов в основном повышается. Плотность тоже увеличивается. но все парафины легче воды и в ней не растворимы. Газообразные и твёрдые – не имеют запаха, а жидкие имеют характерный запах бензина и керосина.

Электронное строение этана и метана.

₊₆С 1 S² 2 S² 2 p²

2 S² 2p²







₊₆С

2 S¹ 2p³









^*₊₆С

Валентность углерода IV.

Атом углерода находится в Sp³-гибридизации.

Гибридное облако

имеет форму

неправильной восьмёрки.

Гибридные облака атома углерода направлены к вершинам тетраэдра и валентный угол равен 109⁰28^.

Н Образуются в молекуле

∙∙ метана: четыре равноценные

Н : С : Н связи С – Н.

∙∙  – связь характеризуется

Н энергией и межъядерным

СН₄ – метан расстоянием.

Н Н

∙∙ ∙∙

Н : С : С : Н Е(С–С) = 83,6 ккал/моль

∙∙ ∙∙

Н Н Е(С–Н) = 98,8 ккал/моль

С₂Н₆ – этан

Межъядерное расстояние С – С = 1,548 А⁰, так как валентный угол 109⁰28^, поэтому углеродная цепь принимает зигзагообразную форму:

109⁰28^

Химические свойства алканов.

Ковалентные  связи, образуемые каждым атомом углерода, малополярны. Поэтому алканы вступают только в реакции – замещения, протекающие по радикальному механизму.

1. Реакция галогенирования протекает в жёстких условиях (высокая температура, освещение):

h

CH₄ + Cl₂ → HCl + CH₃Cl (хлорметан)

СH₃Cl + Cl₂ → HCl + CH₂Cl₂ (хлористый метил)

CH₂Cl₂ + Cl₂ → HCl + CHCl₃ (хлороформ)

CHCl₃ + Cl₂ → HCl + CCl₄ (тетрахлоруглерод)

Механизм реакции радикальный.

а) Молекула хлора под действием кванта света распадается на атомы – радикалы:

∙∙ ∙∙ h ∙∙ ∙∙

: Cl : Cl : → : Cl ∙ + ∙ Cl :

∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙

б) Радикал – активная частица обладает повышенной кинетической энергией – действует на молекулу метана и наблюдается цепная реакция.

Н Н

∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙

: Cl ∙ + Н : C : Н → Н : Cl : + Н : C ∙

∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙

Н Н (радикал метил)

Радикал метил действует на молекулу хлора:

Н Н

∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙

Н : C ∙ + : Cl : Cl : → Н : C : Cl : + : Cl ∙

∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙ ∙∙ (радикал хлора)

Н Н

И так далее, пока вся смесь хлора и метана не прореагирует.

Частицы, имеющие непарный электрон, называются свободными радикалами. Реакции, в результате которых происходит цепь последовательных превращений, называются цепными реакциями. в разработке цепных реакций большую роль сыграли труды академика лауреата Нобелевской премии Н.Н. Семёнова. Атомы брома обладают наибольшей избирательностью, атомы хлора менее избирательны. Если в молекуле алкана есть третичный атом углерода, то реакция галогенирования происходит в основном по нему; если нет третичного, то реакция замещения происходит у вторичного атома углерода, если нет вторичного, то у первичного. Причём, если в реакцию с алканом, имеющим третичный атом углерода вступает бром, то реакция идёт только у этого атома, а если хлор, то реакция идёт у третичного и у вторичного атома углерода, но у третичного преимущественнее. Br

h |

CH₃ – CH₂ – CH – CH₃ + Br₂ → CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + HBr

| |

CH₃ CH₃

Cl Cl

h | |

CH₃ – CH₂ – CH – CH₃ + Cl₂ → CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + CH₃ – CH – CH – CH₃

| | |

CH₃ CH₃ CH₃

(70%) (30%)

+ HCl

Br

h |

CH₃ – CH₂ – CH₃ + Br₂ → CH₃ – CH – CH₃ + HBr

Cl Cl

h | |

CH₃ – CH₂ – CH₃ + Cl₂ → CH₃ – CH – CH₃ + CH₃ – CH₂ – CH₂ + HCl

(70%) (30%)

2. Реакция нитрования – реакция Коновалова.

t⁰

R – H + HO – NO₂ → R – NO₂ + H₂O

Механизм реакции Коновалова происходит по свободнорадикальному механизму:

t⁰

HO – NO₂ → HO – + NO₂ –

H₃C – H + ∙ NO₂ → HNO₂ + CH₃ ∙

HNO₂ + HNO₃ → H₂O + N₂O₄

N₂O₄  2 ∙ NO₂

CH₃ ∙ + ∙ NO₂ → CH₃ – NO₂

Нитрование происходит при высокой температуре:

t⁰

C₂H₆ + HO – NO₂ → C₂H₅ – NO₂ + H₂O

нитроэтан

В промышленности часто применяют парафазное нитрование при повышенной температуре, например, нитрование метана:

250⁰С

CH₄ + HO – NO₂ → CH₃ – NO₂ + H₂O

пар нитрометан

используется в производстве взрывчатых веществ.

3. Реакция сульфирования.

При обычной температуре концентрированная серная кислота (H₂SO₄) на предельные углеводороды не действует. Реакция сульфирования протекает при нагревании. Сульфирующими свойствами обладает олеум:

C₅H₁₂ + HO – SO₃H → C₅H₁₁ – SO₃H + H₂O

серная кислота пентосульфокислота

4. Реакции окисления.

Предельные углеводороды при обычных условиях не окисляются. Окисление проводят при повышенной температуре и введении катализаторов кислородом:

Cat; t⁰

2СН₄ + О₂ → 2СН₃ОН

метанол

О

Cat; t⁰ //

CH₄ + O₂ → H – C + H₂O

\

Н

метаналь

Окислительным пиролизом из метана получают ацетилен:

1400⁰C

4СН₄ + 2 О₂ → CH ≡ CH + 6H₂ + CO₂ + 2H₂O

ацетилен

Полное окисление – горение:

С₃Н₈ + 5О₂ → 3СО₂ + 4Н₂О

5. Дегидрирование – отщепление водорода.

Pt

СН₃ – СН₂ – СН₃ → СН₂ = СН – СН₃ + Н₂

6. Крекинг предельных углеводородов осуществляется при высокой температуре:

1500⁰С

2СН₄ → CH ≡ CH + 3H₂

400 - 500⁰С

2СН₄ → CH₂ = CH₂ + 2H₂

1000⁰С

СН₄ → C + 2H₂

Cat; t⁰

С₈Н₁₆ → С₄Н₈ + С₄Н₁₀

7. Изомеризация.

AlCl₃; t⁰

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

|

CH₃

8. Циклизация.

Ni, t⁰

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ → + Н₂

9. А роматизация.

Pt, Ni, t⁰

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СН₃ → + 4H₂

Получение алканов.

I. Источниками алканов и циклоалканов в промышленности является нефть, природный газ и каменный уголь.

II. Синтетические способы получения.

1. Взаимодействием галогенопроизводных с металлическим натрием. Эта реакция открыта Вюрцем, а механизм разработан Шорыгиным:

CH₃Cl + 2Na + CH₃ – CH₂ – Cl → CH₃ – CH₂ – CH₃ + 2NaCl

2. Каталитическое гидрирование этиленовых углеводородов:

Ni, Pt

CH₂ = CH₂ + H₂ → CH₃ – CH₃

3. Сплавление солей карбоновых кислот с гидроксидом натрия:

t⁰

C H₃ – COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

4. Восстановление галогеноалканов:

C₂H₅I + HI → C₂H₆ + I₂

5. Взаимодействие галогеноалканов с металлами и разложением металлоорганических соединений водой:

эфир

С₂Н₅Br + Mg → C₂H₅MgBr

бромистый этил магния

OH

|

С₂Н₅MgBr + H₂O → Mg – Br + C₂H₆

6. Метан, может быть получен в результате соединения водорода и углерода при температуре 500⁰С в присутствии катализатора – никеля:

t, Ni

С + Н₂ → СН₄

7. Метан, можно получить на основе водяного газа. Этот способ имеет промышленное значение и называется синтезом Орлова – Фишера – Тропша:

Ni, 300⁰C

CO + H₂ → CH₄ + H₂O

Ni, 400⁰C

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

III. В лабораторных условиях метан можно получить из карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Применение алканов.

1. Метан широко применяется как топливо.

2. Метан применяется для получения водорода, ацетилена, сажи, метанола, формальдегида:

1000⁰С

СН₄ → 2Н₂ + С

3. При окислении углеводородов с С₂₀Н₄₂ и далее получают мыло, моющие средства, смазочные материалы, лаки, эмали.

4. Жидкие углеводороды используются как горючее (бензин, керосин).

5. Конверсия метана водяным паром приводит к образованию СО и Н₂, а эта смесь служит для получения синтетического бензина, метилового спирта и др.:

800⁰С

СН₄ + Н₂О → СО + 2Н₂

6. Окисление метана воздухом в присутствии катализаторов получают метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту:

О О

О₂ О₂ // [O] //

СН₄ → СН₃ – ОН → Н – С → Н – С

\ \

Н ОН

7. Метан применяют для получения синтез-газа:

2СН₄ + О₂ → 2СО + 4Н₂

8. Получают синильную кислоту пиролизом смеси метана и аммиака в присутствии кислорода:

2СН₄ + 2NH₃ + 3O₂ → 2HCN + 6H₂O

9. Хлорпроизводные метана применяются:

CH₃Cl – хлористый метил – в холодильных установках.

CHCl₃ – хлороформ – растворитель.

CCl₄ – четырёххлористый углерод – растворитель.