36 Алканы. Состав и химическое строение. Гомологический ряд. Номенклатура. Физические и химические свойства, получение, применение.

• Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми

водородом, они насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или

предельные углеводороды. Их также называют парафинами. Общая черта в

строении алканов и циклоалканов – простая или одинарная связь

между атомами углерода. на образование этой связи затрачивается одна пара

электронов, причем максимальное перекрывание орбиталей находится на линии,

соединяющей центры атомов. Такую связь называют σ-связью, а электроны,

образующие её – σ-электронами. Распределение электронной плотности

σ‑ связи симметрично относительно оси, проходящей через центры

связанных атомов. В молекулах насыщенных углеводородов атомы углерода находятся

в состоянии sp³-гибридизации и каждый из них образует четыре

σ-связи с углеродом или водородом. Состояние sp³-гибридизации

характеризуется тетраэдрической конфигурацией, т.е. пространственное

направление связей составляет 109º28’. Для алканов характерно структурное

изомерия: различие в порядке связей. Для названия алканов используется

рациональное номенклатура, но первые четыре представителя имеют тривиальные

названия: это метан, этан, пропан, бутан. Первые четыре члена гомологического

ряда являются газами, от С₅ до С₁₅ – жидкости , с С

₁₆ – твёрдые вещества. В гомологическом ряду алканов постепенно повышаются

температуры кипения, плавления, а так же относительная плотность. Алканы с

разветвлённой цепью кипят при более низких температурах, чем изомеры с

нормальной цепью плотности всех алканов меньше единицы. Они практически не

растворимы в воде, однако растворимы в эфире и других органических

растворителях метан и этан практически лишены запаха, углеводороды С₃

– С₁₅ имеют хорошо известный запах бензина или керосина, высшие члены

ряда лишены запаха из-за их малой летучести. В химическом отношении алканы

малоактивны. Парафины вступают лишь в радикальные реакции замещения, идущие в

довольно жёстких условиях. К реакциям присоединения алканы не способны!

1. Галогенирование:

CH₄ + Cl₂

→ CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ +

Cl₂ → CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄

(hν)

Реакция идет по цепному механизму:

a) Инициирование цепи:

Cl₂ → 2Cl∙

b) Рост цепи:

H₃C:H + Cl∙ → H:Cl + H₃C∙

H₃C∙ +Cl:Cl → H₃C:Cl + Cl∙

c) Обрыв цепи:

2Cl∙ → Cl₂

2H₃C∙ → CH₃–CH₃

H₃C∙ + Cl∙ → CH₃–Cl

2. Нитрование (р-ция Коновалова):

CH₃CH₂CH₃ + HONO₂ → CH₃CH(NO₂)CH₃ + H₂O (t=140°, p, 10%)

3. Крекинг: нагревание до 400°-600˚ сообщает

молекулам достаточно энергии для того, чтобы произошел гомолитический разрыв

С–С связи. При крекинге предельных углеводородов образуются более простые

предельные и непредельные углеводороды. Наряду с собственно крекингом при

термокаталитической обработке предельных углеводородов идут и другие процессы:

v Дегидрирование – отнятие водорода с превращением предельных

углеводородов в непредельные.

v Ароматизация алканов и циклоалканов с превращением в

ароматические углеводороды.

v Изомеризация – перестройка углеродого скелета (при действии AlCl₃).

Метан используется в основном в качестве дешевого топлива. При горении он

дает почти бесцветное пламя. Из метана получают ценные химические продукты:

метанол, синтез-газ, формальдегид, ацетилен, различные хлорпроизводные. Этан

используется при синтезе этилена. Пропан в смеси с бутаном используется в

качестве топлива. Средние члены гомологического ряда используют как горючее

для двигателей (бензин, керосин), а также в качестве растворителей. Высшие

алканы – топливо для дизельных двигателей, смазочные масла и сырье для

производства моющих средств.