§ 10. Получение и применение алканов

5.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно охарактеризовать химические свойства пропана и 2-метилпропана.

6.В каком случае реакция бромирования пойдет с большей скоростью: в случае пентана или изопентана (2-метилбутана)? Свой ответ аргументируйте.

7.Во сколько раз плотность метана при нормальных условиях меньше, чем плотность смеси равных массовых частей азота и хлороводорода при температуре 100 °С и давлении 2 атм?

8.Под действием электрических разрядов метан превращается в ацетилен С2Н2. Уменьшится или увеличится при этом объем газообразных веществ и во сколько раз?

9.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить цепочку превращений веществ: бутан → 2-метилпропан → 2-бром-2-метилпропан.

10.При полном сгорании порции углеводорода массой 11 г образовалось 16,8 л (н.у.) углекислого газа и 18 г воды. Плотность паров этого углеводорода по воздуху составляет 1,517. Выведите формулу углеводорода.

11.В результате хлорирования предельного углеводорода было получено вещество, в котором массовая доля углерода составляет 10,04 %, доля водорода — 0,84 %, доля хлора — 89,12 %. Выведите формулу галогенопроизводного углеводорода и напишите уравнение реакции, в ходе которой его можно получить.

§ 10. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ

Получение алканов

В промышленности алканы добывают из природных источников: газообразные — из природного и сопутствующих нефтяных газов, жидкие и твердые — из нефти. Рассмотрим основные способы получения алканов.

1.Получение алканов из синтез-газа

Вотсутствие природных источников углеводородов их можно получить из синтез-газа — взаимодействием оксида углерода(II) с водородом в присутствии никелевых катализаторов (реакция Фишера (Franz Joseph Emil Fischer)) — Тропша (Hans Tropsch)):

nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O.

2.Синтез алканов из алкилгалогенидов

При взаимодействии алкилгалогенидов с металлическим натрием (реак-

ция Вюрца) образуются алканы. В общем виде реакцию Вюрца (Charles Adolphe Würtz) можно записать так:

2R–Hal + 2Na → R–R + 2NaCl

(R — углеводородный радикал, Hal — галоген).

67

Глава 2. Алканы

Шарль Адольф Вюрц (1817–1884)

Французский химик-органик и педагог, профессор Парижского университета; президент Парижской академии наук. Вюрц — один из основателей синтетического направления в органической химии; впервые синтезировал алкиламины — метиламин и этиламин; открыл новый метод синтеза углеводородов действием металлического натрия на галогенопроизводныеуглеводородов;синтезировалэтиленгликоль и его гомологи — пропиленгликоль ибутиленгликоль.

Пользуясь этой схемой, запишем уравнение реакции синтеза 2,5-диметил- гексана:

В процессе реакции Вюрца происходит наращивание углеродной цепочки. Такие реакции называются конструктивными.

Реакция Вюрца находит ограниченное применение, поскольку таким путем можно получать только симметричные алканы. Если же в реакцию вступает смесь галогенпроизводных алканов, то образуется смесь соответствующих алканов. Например, при взаимодействии метил- и этилиодидов с натрием образуются наряду с пропаном этан и бутан — продукты димеризации метильных и этильных радикалов.

Запишите полное уравнение этой реакции.

3.Декарбоксилирование карбоновых кислот

Реакция заключается в отщеплении СО2 от молекул карбоновых кислот. Для осуществления декарбоксилирования проводится щелочное плавление соли карбоновой кислоты. Продуктом реакции является алкан с меньшим числом углеродных атомов в цепи:

Реакции, в ходе которых сокращается число углеродных атомов в цепи, называются деструктивными.

68

§ 10. Получение и применение алканов

4.Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе (Adolph Wilhelm Hermann Kolbe))

CH3COONa + 2H2O → CH3–CH3 + CO2 + NaOH + H2.

Анионы карбоновых кислот окисляются на аноде с образованием свободных радикалов.

CH3COONa → Na+ +CH3COO– (электролитическая диссоциация в растворе). Катод: Na+, H2O

2H2O + 2e– → 2OH– + H20 (восстановление). Анод: CH3COO–, H2O

CH3COO– — e– → CH3COO˙ (окисление).

CH3COO˙ → CH˙3 + CO2. 2CH˙3 → CH3–CH3.

5.Гидрирование непредельных углеводородов

Эта реакция проходит в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd):

CH2 = CH2 + H2 Ni CH3 — CH3.

6.Карбидный способ

Метан можно получить в результате гидролиза карбида алюминия:

Al4C3 + 12HOH → 4Al(OH)3 + 3CH4↑ или Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4↑.

Однако этот способ не может быть широко использован в промышленности вследствие высокой стоимости карбида алюминия.

Применение алканов

Высокая теплота сгорания углеводородов обусловливает применение их в качестве топлива. Метан в составе природного газа используется в быту и на производстве. Реакции горения и разложения метана лежат в основе промышленного производства сажи, которая требуется при изготовлении типографской краски и резиновых изделий из каучука.

Метан — основной источник получения водорода в промышленности для синтеза аммиака и ряда органических соединений. Наиболее распространенный способ получения водорода из метана — конверсия метана водяным паром. Реакцию проводят в трубчатых печах при температуре около 400 °С, давлении 2–3 МПа в присутствии алюмо-никелевого катализатора:

СН4 + H2O → 3Н2 + СО.

69

Глава 2. Алканы

Образующийся синтез-газ используется при получении синтетического бензина, метанола. Если же для последующих процессов нужен чистый водород (как в случае получения аммиака), оксид углерода(II) окисляют водяным паром, используя различные катализаторы:

СО + Н2O → СО2 + Н2.

Реакцией хлорирования получают хлорпроизводные метана.

Хлорметан CH3Cl — газ, легко переходящий в жидкое состояние и поглощающий большое количество теплоты при последующем испарении. Применяется в качестве хладагента в холодильных установках.

Дихлорметан CH2Cl2, трихлорметан (хлороформ) СНСl3 и тетрахлорметан CCl4 — жидкости; используются как растворители. Тетрахлорметан применяется также при тушении огня (особенно в тех случаях, когда нельзя использовать воду), поскольку тяжелые негорючие пары этого вещества, образующиеся при испарении жидкости, быстро изолируют горящий предмет от кислорода воздуха.

Неполным пиролизом метана получают ацетилен, необходимый для синтеза многих органических веществ:

2CH4 1500 °C CH CH + 3H2.

Ацетилен

При сжигании метана при 1000 °С в условиях недостатка кислорода образуются сажа и водород. Пропан и бутан применяются в виде «сжиженного газа». Жидкие углеводороды используют как горючее для двигателей внутреннего сгорания в автомашинах, самолетах и т. д. Изомеризацией алканов получают углеводороды разветвленного строения. Они находят применение в производстве каучуков и высококачественных сортов бензина. Высшие углеводороды служат исходными веществами для получения синтетических моющих средств.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Напишите уравнения реакции, с помощью которых можно получить: бутан; 2,5-диметилгексан.

2.Установите строение углеводорода C8H18, если он может быть получен в качестве единственного продукта реакции из первичного алкилгалогенида по реакции Вюрца, а при его мононитровании образуется третичное нитросоединение. Обсудите, какая информация, представленная в условии задачи, оказалась для вас

наиболее принципиальной.

3.Расшифруйте структуру углеводорода А, имеющего состав С10Н22, если известно, что он может быть получен из первичного алкилгалогенида в качестве единствен-

70

§ 10. Получение и применение алканов

ного органического продукта по реакции Вюрца и при его хлорировании образуются два различных монохлорида — вторичный и первичный.

4.Почему радикальное хлорирование пропана не является оптимальным методом получения 2-хлорпропана?

5.Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить цепочку превращений:

Назовите вещества A, B, C, D.

6.Какую структуру может иметь изомер нонана, если при его бромировании получаются два третичных монобромида, а при хлорировании — пять монохлоридов?

7.Какие углеводороды образуются при электролизе водных растворов калиевых солей уксусной, пропионовой и изомасляной кислот?

8.При бромировании пропана образуются два монозамещенных продукта в соотношении 50 : 1. Дайте объяснение этому экспериментальному факту и напишите уравнение реакции бромирования пропана.

9.Какими способами можно получить метан, содержащий изотоп углерода 13С, из меченого карбида кальция (потери 13С должны быть минимальными)?

10.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить цепочку превращений веществ:

а) метан → хлорметан → этан → хлорэтан→ бутан → 2-метилпропан → 2-бром-2-метилпропан;

11.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующую цепочку превращений веществ:

12.Используя текст § 10, составьте схему применения метана в промышленности.

13.Органическое вещество массой 14,4 г сожгли в избытке кислорода. Образовавшуюся смесь продуктов реакции пропустили сначала через хлоркальциевую трубку, заполненную оксидом фосфора(V). Ее масса увеличилась на 21,6 г. Затем смесь пропустили через трубку, заполненную оксидом кальция. Ее масса возросла на 44 г. Плотность по воздуху исходного органического вещества составляет 2,483. Определите молекулярную формулу исходного вещества и составьте формулы всех его структурных изомеров.

71