Строение алканов

Молекула метана представляет собой правильную треугольную пирамиду – тетраэдр, все четыре связи С-Н в которой равноценны (Есв = 415 кДж/моль, lсв = 0.109 нм), а валентные углы составляют 109°5’.

Различные пространственные формы (конформации) молекулы алканов могут принимать при вращении вокруг простых С-С связей1; число конформаций бесконечно велико. Две из них для молекулы бутана (а – более выгодная заторможенная и б - менее выгодная заслоненная) показаны на рисунке.

С ростом длины цепи молекулы алкана различия в энергиях разных пространственных форм увеличиваются, и, следовательно, чем длиннее молекула, тем выгоднее для нее находиться в форме протяженной цепи (аналогичной (а) для молекулы бутана). Эта особенность играет очень важную роль в химии жизни.

Физические свойства алканов

Это бесцветные вещества, легче воды (относительная плотность < 1), с водой практически не смешиваются.

С увеличением количества атомов углерода в молекуле алкана температуры кипения и плавления повышаются (исключение – для Т. пл. первых трех членов ряда).

Агрегантое состояние н-алканов:

Количество С -атомов в алкане	С1-С4	С5-С17	С18 и выше
Агрегантое состояние	газ	жидкость	Твердое вещество

Физические свойства изомеров: для более разветвленного алкана характерна более низкая температура кипения:

алкан	С4Н10	С5Н12
	н-бутан изобутан	н-пентан изопентан неопентан
Т. пл., °С	-138,4 -159,6	-129,7 -159,9 -16,6
Т. кип., °С	-0,5 -11,7	36,1 27,8 9,5

Химические свойства алканов

1) Полное окисление (горение). Алканы воспламеняются на воздухе при температурах выше 300 оС:

Применение: в энергетических целях, например, в двигателях внутреннего сгорания.

2) Неполное окисление. Происходит в присутствии катализаторов. При высоких температурах может сопровождаться разрывом С-С связей.

Применение: в промышленном органическом синтезе для получения кислородсодержащих соединений.

а) окисление метана:
б) окисление алканов до карбоновых кислот
Пример: окисление бутана в синтезе уксусной кислоты:

3) Реакции замещения – радикальное хлорирование и бромирование. Протекают при действии хлора или брома на алкан на свету или при нагревании:

Особенность – реакция хлорирования неизбирательна.

Соотношение образующихся изомерных продуктов реакции характеризует ее избирательность. Избирательной называют реакцию, в результате которой преимущественно образуется только один продукт из нескольких возможных.

Бром менее активен и реакция бромирования гораздо более избирательна.

Примеры:

Применение: в химической промышленности для получения хлоруглеводородов.

Пример: при хлорировании метана получают четыре ценных продукта – хлорметан, дихлорметан, трихлорметан (хлороформ) и тетрахлорметан, из них три последние широко применяются как растворители:

4) Конверсия метана с водяным паром в смесь углерод(II)-оксида и водорода:

Применение: образующийся так называемый синтез-газ используется в промышленных синтезах, например, для получения метанола.

5) Пиролиз. При сильном нагревании (до 1500°С) алканы разлагаются до углерода и водорода. Например:

Применение: в производстве сажи.

6) Термический крекинг. Происходит при нагревании алканов до высоких температур.

а) крекинг метана. При быстром нагревании до температуры 1500оС происходит неполное разложение метана до ацетилена и водорода:

Применение: реакция лежит в основе крупнотоннажного производства ацетилена. При электрокрекинге метан с большой скоростью пропускают через электрическую дугу между металлическими электродами при температуре 1500-1600С. Более экономичен термоокислительный крекинг – реакция протекает под действием теплоты, выделяющейся при сгорании метана в недостатке кислорода.

б) Крекинг алканов (гомологов метана). Протекает при температурах около 500^оС. В этих условиях преобладающим процессом является разрушение связей С-С.

Пример – крекинг бутана:

Применение: в нефтеперерабатывающей промышленности для получения низших алкенов.

7) Реакции изомеризации. Под действием кислот Льюиса (например, AlCl₃, AlBr₃) при повышенной температуре н-алканы частично превращаются в изоалканы. В итоге образуется равновесная смесь н-алкана и алканов изостроения:

Применение: один из процессов каталитического крекинга, применяемого для производства высокооктанового топлива. Катализаторы процесса – алюмосиликаты.

Октановое число численно равно содержанию в объёмных процентах изооктана (2,2,4-триметилпентана), октановое число которого принято за 100, в его смеси с н-гептаном (его октановое число принято за 0), при котором эта смесь по стойкости к детонации эквивалентна испытуемому горючему.