Физические свойства

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С — С₄) — газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С₅ — С₁₇) — жидкости, начиная с С₁₈ и выше — твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов.

При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких, как бензол, тетрахлорметан и т.п.

Основные физические показатели некоторых алканов

Химические свойства

1. Реакции окисления.

1. Горение

а) полное окисление СН₄ + 2О₂ ^t° CO₂ + 2H₂O + Q

СО↑ + Н₂О

б) неполное окисление СН₄ + О₂

С + Н₂О

в) неполное каталитическое окисление СН₄ (О₂ воздуха в присутствии kat)

2CH₄ + O₂ ^t°_kat 2CH₃OH _{метанол}

CH₄ + O₂ ^t°_kat Н + Н₂О

^{метаналь}

2СН₄ + 3О₂ ^t°_kat 2 + 2Н₂О

_{метановая к.}

2С₄Н₁₀ + 5О₂ ^{Mn2, Co2+} 4CH₃ – COOH + 2H₂O

^{муравьиная кислота}

г) устойчивы к действию окислителей: KMnO₄, Br₂, I_2.

2. Термические превращения алканов.

термический (450° - 700°)

1) крекинг

каталитический (400° - 500°, kat – Al₂O₃ + Cr₂O₃, Al₂O₃ + SiO₂)

C₈H₁₈ ^t° C₄H₁₀ + C₄H₈

C₄H₁₀ ^{400° - 500°} C₂H₆ + C₂H₄

C₄H₁₀ ^t° CH₄ + C₃H₆

2) пиролиз СН₄ ^>1000° С + 2Н₂↑

3) дегидрирование

2CH₄ ^1500° С₂Н₂ + 3Н₂↑

или окислительное дегидрирование 6CH₄ + O₂ ^1500° 2С₂Н₂ + 2СО↑ + 10Н₂↑

C₂H₆^500°_Ni C₂H₄ + Н₂↑

H₂C = CH – CH₂ – CH₃ + Н₂↑

^бутен-1

C₄H₁₀ ^{600°, Al2O3+Cr2O3} Н₃С – СН = СН – СН₃ + Н₂↑

^{бутен – 2}

Н₂С = СН – СН = СН₂ + 2Н₂↑

^{бутадиен-1,3}

4) изомеризация (преимущественно для бутана и пентана)

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ ^{AlCl3, 100°} CH₃ – CH – CH₃

‌ ‌

CH₃

III Реакции замещения (механизм – sr)

1. Реакции галогенирования (механизм реакции цепной, идёт через образование свободных радикалов • R. Реакционная способность галогенов с алканами уменьшается в ряду: F₂ > Cl₂ > Br₂ (I₂ – не реагирует)

S_R включает три стадии:

I стадия – инициирование – зарождение цепи – гомолитический разрыв связи в молекуле Hal₂: .. .. _hν .. ..

:Cl : Cl: :Cl· + ·Cl:

‌‌‌ ˙˙ ˙˙ ˙˙ ˙˙

II стадия – рост цепи

.. .. .. ..

+ :Cl : Cl: :Cl: + ·Cl:

˙˙ ˙˙ ¨ ¨

III стадия – обрыв цепи ·Cl + ·Cl → Cl : Cl , ·CH₃ + ·CH₃ → H₃C : CH₃ и т.д.

СН₄ + Cl₂ ^hν_-HCl CH₃Cl ^{+Cl2, hν}_-HCl CH₂Cl₂^{+Cl2, hν}_-HCl CHCl₃ ^{+Cl2, hν}_-HCl CCl₄

^{хлорметан дихлорметан трихлорметан тетрахлорметан}

^{(метилхлорид) (хлористый (хлороформ) (четырехлористый}

^{метилен) углерод)}

2СН₃ – СН₂ – СН₃ + 2Сl₂ ^{hν, 25˚} CH₃ – CH – CH₃ + СН₃ – СН₂ – СН₂Cl + 2HCl

Cl 55% 45%

СН₃ – СН₂ – СН₃ ^{высокие t°} СН₃ – СН₂ – СН₂Cl + HCl (из-за высокой активности

75% Cl₂ при сильном нагревании)

2. реакция нитрования

а) в газовой фазе при t° = 400°-500° (R-NO₂ – нитроалканы)

CH₄ + HO-NO₂ ^400˚-500˚ CH₃ – NO₂ + Н₂О

^{нитрометан}

Алканы с большим числом атомов углерода образуют смесь нитроалканов, реакция идёт с разрывом углеродной цепи:

СН₃ – СН₂ – СН₃ ^{+ HNO3, > 400˚}_-H2O CH₃ – NO₂ + C₂H₅-NO₂ + СН₃ – СН₂ – СН₂ – NO₂ + + CH₃ – CH – CH₃

NO₂

б) нитрование в жидкой фазе: с HNO₃ разбавленной (14-20%) при t° = 140°-150°, образуется смесь изомерных нитроалканов, реакция идёт без разрыва цепи.

Легче всего замещается водород у третичного углерода, потом вторичный, потом первичный, т.к. Е_{св.(С-Н) трет.} = 376 кДж/моль, Е_{св.(С-Н) втор.} = 390 кДж/моль, Е_{св.(С-Н) перв.} = 415 кДж/моль. Давление – н.у. или повышенное.

СН₃ CH₃

↓

СН₃ → С ← СН₂ ← СН₃ + HO – NO_{2 140˚, P} СН₃ – С – СН₂ – CH₃ + Н₂О

H NO₂

^{2-метил-2-нитробутан (преимущественно)}

в) реакция сульфирования + H₂SO_{4 дымящ.} – образуется алкансульфокислота

СН₃ СН₃

СН₃ – СН₂ – С – СН₃ + HO – SO₃H_дым. ^t˚ СН₃ – СН₂ – С – СН₃ + Н₂О

Н SO₃H

^{2-метилбутан – 2 – сульфокислота}

^{(2 – метил – 2 – сульфобутан)}