Гомологический ряд, номенклатура, электронное строение, sp3-гибридизация и физические свойства алканов.
Алканами называют алифатические углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны простыми ковалентными σсвязями.
Общая формула алканов СnН2n+2.
Алканы образуют гомологический ряд, родоначальником которого является метан. Каждый гомолог этого ряда отличается от последующего на звено СН2 (гомологическая разность). Алканы с неразветвленной цепью атомов углерода называют нормальными, или н-алканами.
Строение: Все атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp3-гибридизации и имеют тетраэдрическую конфигурацию. Валентные углы между связями равны 109°28′ (тетраэдрический угол). Расстояние между атомами углерода в алканах составляет 0,154 нм, а между углеродным и водородным атомами – 0,110 нм.
Номенклатура: базовые знания, писать не буду
Физические свойства: В обычных условиях четыре первых представителя гомологического ряда алканов — газообразные вещества; нормальные алканы, содержащие от 5 до 17 атомов углерода — жидкости, последующие гомологи — твердые вещества. В гомологическом ряду алканов по мере увеличения молекулярной массы возрастают температуры плавления и кипения. Температуры кипения изомеров с разветвленной углеродной цепью более низкие по сравнению с алканами нормального строения. Газообразные и твердые алканы не имеют запаха, жидкие — обладают характерным «бензиновым» запахом. Все алканы легче воды и практически не растворяются в ней. Наряду с этим, они хорошо растворимы в неполярных растворителях — диэтиловом эфире, четыреххлористом углероде, бензоле и других, причем с увеличением молекулярной массы растворимость уменьшается.
Химические свойства алканов. Общие представления о механизме цепных радикальных реакций замещения в алканах (на примере реакции галогенирования).
Алканы не вступают в реакции присоединения!!!!!
Для алканов различают типы химических реакций:
А. реакции замещения водорода (с разрывом связи С—Н);
Б. реакции расщепления (с разрывом связей С—С и С—Н);
В. изомеризации;
Г. окисления.
А) Реакции замещения
1. Галогенирование – реакция замещения одного или более атомов водорода в молекуле алкана на галоген. Фторирование метана и его ближайших гомологов протекает со взрывом. Взрыв при хлорировании возможен только при интенсивном освещении, а также при УФ - облучении. Бромирование протекает относительно медленно, а прямое иодирование невозможно.
Механизм:
В цепном процессе выделяют три стадии: инициирование, рост цепи, обрыв цепи.
Инициирование. Под действием энергии квантов света (hn) или нагревания молекула хлора активируется и претерпевает гомолитический разрыв связи с образованием двух свободных радикалов:
Рост цепи. Свободные радикалы хлора атакуют связь С—Н в молекуле метана, отрывая при этом атом водорода с образованием хлороводорода HCl и свободного метильного радикала СН3·:
Метильный радикал, в свою очередь, атакует молекулу хлора, отрывает атом галогена и образует хлорметан СН3Сl и свободный радикал хлора:
Образовавшийся радикал хлора повторяет цикл указанных превращений, то есть происходит цепной процесс, в котором атом хлора, прореагировавший на предыдущей стадии роста цепи, способствует высвобождению нового радикала хлора на последующей стадии. В результате образуется смесь моно-, ди-, три- и тетрахлорпроизводных метана:
Обрыв цепи. В результате рекомбинации (димеризации) свободных радикалов происходит обрыв цепи:
2. Нитрование (реакция Коновалова)
Осуществляется с использованием разбавленной азотной кислоты (концентрация 10—20 %) при температуре 110—140 °С, нормальном или повышенном давлении:
Если алканы нитруют концентрированной HNO3 при t = 500°C, то наблюдается разрыв связи (С-С)и образуются мононитропроизводные, имеющие разную длину цепи:
3. Сульфирование
При обычной температуре серная кислота с алканами не реагирует, но при слабом нагревании дымящаяся серная кислота сульфирует алканы:
4. Сульфохлорирование
Под действием серы (IV) оксида и хлора в условиях УФ-облучения алканы образуют алкансульфонилхлориды:
Б) Реакции расщепления
1. Дегидрирование
Реакция дегидрирования или отщепления водорода происходит в присутствии катализатора, например, Сг2О3 и при нагревании.
При t = 1500°С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:
2. Крекинг – расщепление молекул органических соединений с разрывом связей (С-С) под действием высоких температур. Различают термический крекинг и каталитический крекинг. Термический крекинг проводят при температуре 800 °С и выше, каталитический — при температуре 450—550 °С в присутствии алюмосиликатных катализаторов (алюминия оксид Аl2О3 на силикагеле SiO2).
В) Изомеризация
Алканы нормального строения под влиянием катализаторов (обычно кислот Льюиса) и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул.
Г) Реакции окисления
При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KMnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят.
В промышленности широко используется способ получения уксусной кислоты окислением кислородом воздуха бутана.
Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром (конверсия метана), в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом – "синтез-газ":
