Лабораторная работа № 2 Тема: алканы Цель работы: изучение методов получения и химических свойств алканов.

Оборудование и реактивы: пинцет; стеклянная палочка газоотводная трубка, уксуснокислый натрий, обезвоженный; натронная известь; бромная вода, насыщенный раствор; марганцево-кислый калий, 1 н. раствор; жидкие алканы; раствор брома в органическом растворителе; аммиак, 25%-ный раствор; лакмусовая бумага синяя; жидкие алканы; марганцовокислый калий, 1 н. раствор; углекислый натрий, 1 н. раствор; жидкие алканы; серная кислота концентрированная (d == 1,84 г/см³); азотная кислота (d = 1,4 г/см³).

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Методы получения

Главным природным источником предельных углеводородов является нефть, а для первых членов гомологического ряда — природный газ. Однако, выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга — весьма трудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам получения.

1. Алканы образуются при действии металлического натрия на моногало-генпроизводные – реакция Вюрца:

H₃C-CH₂-Br + Br-CH₂-CH₃ CН₃-CН₂–CН₂-CH₃ + 2NaBr

Если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе одинаковых или разных молекул равна, а реакционная способность их близка:

3С₂Н₅I + 3CH₃CH₂CH₂I C₄H₁₀ + C₅H₁₂ + C₆H₁₄ + 6NaI

2. Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов.

Н_зС-СН=СН-СН₃ Н_зС-СН₂–СН₂-СН₃

3. Самые разнообразные производные алканов могут быть восстановлены при высокой температуре йодоводородной кислотой:

(CH₃)₂CHBr + 2HI (CH₃)₂CH₂ + HBr + I₂

4. Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота:

CH₃-COONa + NaOH CH₄ + Na₂CO₃

2.1.2 Химические свойства

Предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью. Это объясняется тем, что все -связи углерод — углерод и углерод — водород в них весьма прочны (энергии этих связей порядка 350-400 кДж/моль). К реакциям присоединения они вообще не способны вследствие насыщенности всех связей атомов углерода. C большинством химических реагентов алканы или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. Так, концентрированная серная кислота, обугливающая многие органические соединения, на предельные углеводороды не действует при комнатной температуре. Сильные окислители (например, перманганат калия) при комнатной температуре тоже не действуют на алканы.

1. Радикальное галогенирование. На свету галогены (энергичнее всего хлор, с йодом реакция не идет) последовательно замещают атомы водорода в предельных углеводородах:

CH₄ + Cl₂ CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ CCl₄ + HCl

Механизм этой реакции сложен. На первой стадии под влиянием света происходит гомолитический разрыв связи в молекуле хлора, и она распадается на два радикала: Сl₂ + h 2Cl•

На следующей стадии реакции радикал Cl• атакует молекулу метана, образуя НС1 и генерируя углеводородный радикал метил:

Н₃С:Н + Cl• НСl + CH₃•

Радикал метил атакует молекулу хлора с образованием молекулы хлористого метила и регенерацией радикала

CH₃• + Cl:Cl СН₃Cl + Cl•

Хлористый метил

Затем процесс начинается снова. Точно таким же образом получаются и другие продукты процесса: CH₂Cl₂ - хлористый метилен, CHCl₃ – хлороформ и CCl₄ -четыреххлористый углерод.

Процессы такого типа называются радикально-цепными, поскольку в принципе один радикал хлора может вызвать (инициировать) хлорирование бесконечно большого числа молекул метана.

На практике течение цепных реакций ограничивается процессами обрыва цепи, при которых радикалы, реагируя один с другим, выбывают из процесса, например

2Cl• Сl₂; 2CH₃• CH₃-CH₃

2. Нитрование. Азотная кислота при обычной температуре почти не действует на предельные углеводороды; при нагревании же действует главным образом как окислитель. При нагревании (около140⁰С) и под давлением азотная кислота действует как нитрующий агент, т. е. один из атомов водорода предельного углеводорода замещается на остаток кислоты –NO₂ (нитрогруппа):

RH + HO-NO₂ R-NO₂ + H₂O

Эта реакция тоже радикального типа и подчиняется тем же закономерностям, что и реакция галогенирования, т. е. легче всего замещается водород у третичного атома, затем у вторичного и труднее всего у первичного атома углерода.

3. Окисление. Окислители, даже такие, как хромовая смесь и марганцевокислый калий, при обычных температурах не действуют на предельные углеводороды.

При температуре выше 300^оС предельные углеводороды воспламеняются и сгорают с образованием СО₂ и Н₂О:

С₅Н₁₂ + 8О₂ 5СО₂ + 6Н₂О

При очень высоких температурах в промышленности реализован процесс взаимодействия метана с водой:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂О

4. Сульфохлорирование. Эта реакция имеет большое значение в производстве моющих средств. Тяжелые фракции синтетических углеводородов С₁₂–С₁₈ в условиях ультрафиолетового облучения подвергаются совместному действию Cl₂ и SO₂. Образующиеся сульфонилхлориды при омылении щелочами дают соли сульфокислот:

а) Сl₂ 2Cl•;

б) CH₃(CH₂)₁₀CH₃ CH₃(CH₂)₁₀CH₂• + HCI

в)CH₃(CH₂)₁₀CH₂• CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₂

CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₂Сl CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₃Na + HCI

натриевая соль додекансульфо-кислоты (моющее средство)

Реакция сульфохлорирования, как и реакция радикального галогенирования, является цепной реакцией.