Алканы, свойства, химические реакции

Алканы, свойства, химические реакции.

 

 

Алканы – углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые химические связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+2.

 

Алканы, насыщенные углеводороды, парафины

Гомологический ряд алканов. Изомеры алканов

Физические свойства алканов

Химические свойства алканов

 

Алканы, насыщенные углеводороды, парафины:

Алканы (насыщенные углеводороды, парафины) – ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые химические связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+2.

Все алканы относятся к более крупному классу алифатических углеводородов, т.е. к углеводородным соединениям, не содержащих ароматических связей (бензольное кольцо и другие подобные замкнутые структуры).

Алканы являются насыщенными углеводородами, то есть содержат максимально возможное число атомов водорода для заданного числа атомов углерода.

Атомы углерода в алканах соединены между собой одинарными связями.

Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp³-гибридизации. Это означает, что все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, что все 4 связи направлены в вершины (углы) равносторонней треугольной пирамиды – тетраэдра под углами 109°28′.

Углерод-углеродные связи (C-C) представляют собой σ-связи, отличающиеся низкой полярностью и поляризуемостью. Длина связи C-C составляет 0,154 нм, длина связи C-H – 0,1087 нм.

Самым простым алканом является метан, имеющий формулу CH₄.

Самым длинным алканом является нонаконтатриктан, имеющий формулу C₃₉₀H₇₈₂. Он был впервые синтезирован в 1985 г.

 

Гомологический ряд алканов. Изомеры алканов:

Алканы образуют гомологический ряд, т.е. ряд химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга по составу на определённое число повторяющихся структурных единиц – так называемую гомологическую разность, которой для алканов является метиленовое звено -СН₂-.

Гомологический ряд алканов (первые 20 членов):
Метан	CH4	CH4
Этан	CH3-CH3	C2H6
Пропан	CH3-CH2-CH3	C3H8
Бутан	CH3-CH2-CH2-CH3	C4H10
Пентан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH3	C5H12
Гексан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C6H14
Гептан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C7H16
Октан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C8H18
Нонан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C9H20
Декан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C10H22
Ундекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C11H24
Додекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C12H26
Тридекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C13H28
Тетрадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C14H30
Пентадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C15H32
Гексадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C16H34
Гептадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C17H36
Октадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C18H38
Нанадекан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C19H40
Эйкозан	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3	C20H42

Все алканы, начиная с бутана (C₄H₁₀), имеют изомеры, т.е. химические соединения, одинаковые по атомному составу и молекулярной массе, но различающиеся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, имеющие разнее свойства.

Все алканы, начиная с гептана (C₇H₁₆), имеют также оптические (зеркальные) изомеры, т.е. химические соединения, представляющие собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве.

При этом количество изомеров алканов с увеличением количества атомов углерода существенно увеличивается. Однако какая-либо простая прямая связь между количеством атомов углерода в молекуле алкана и числом его изомеров отсутствует.

Ниже в таблице приводится число изомеров алканов:

Количество атомов С в молекуле алкана:	Число изомеров алкана:	Число изомеров алкана с учётом стереоизомерии:
1	1	1
2	1	1
3	1	1
4	2	2
5	3	3
6	5	5
7	9	11
8	18	24
9	35	55
10	75	136
11	159	345
12	355	900
13	802	2412
14	1858	6563
15	4347	18 127
20	366 319	3 396 844
25	36 797 588	749 329 719
30	4 111 846 763	182 896 187 256

 

Физические свойства алканов:

В целом для алканов характерны следующие физические свойства и особенности:

– с увеличением количества атомов углерода в молекуле (и соответственно с увеличением молекулярной массы и длины главной углеродной цепи) увеличивается температура плавления и температура кипения алкана;

– при стандартных условиях, установленных ИЮПАК (при 0 °C и давлении 10⁵ Па) неразветвленные алканы с СН₄ по С₄Н₁₀ являются газами, с C₅H₁₂ по C₁₃H₂₈ – жидкостями, с C₁₄H₃₀ и далее – твёрдыми веществами;

– от менее разветвленных к более разветвленным алканам понижается температура плавления и кипения. Так, температура плавления н-пентана составляет -129,72 °C, изопентана – -159,89 °C, неопентана – -16,55 °C; температура кипения н-пентана составляет 36,07 °C, изопентана – 27,85 °C, неопентана – 9,5 °C;

– пожаро- и взрывоопасны,

– токсичны;

– все алканы плохо растворяются в воде,

– жидкие алканы являются распространенными органическими растворителями.

 

Химические свойства алканов:

Алканы имеют низкую химическую активность. Обусловлено это тем, что одинарные связи C-H и C-C относительно прочны, и их сложно разрушить.

Для алканов характерны следующие химические реакции:

1. 1. каталитическое дегидрирование (отщепление водорода):

Пропуская алкан над катализатором (Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃) при высокой температуре (400-600 °С), происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена. Исключение составляет дегидрирование метана – оно происходит без катализатора, при большей температуре.

2CH₄  → C₂H₂ + 3H₂ (при t^o > 1500 ^оС);

CH₃-CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂ (kat = Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃, t^o = 400-600 °C);

CH₃-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₃ + H₂ (kat = Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃, t^o = 575 °C).

и т.д.

1. 2. галогенирование:

Реакция галогенирования протекает по свободнорадикальному механизму, в ходе которого атом водорода в алкане замещается на атом галогена (брома, хлора, йода и т.д.) или какую-либо группу.

Продемонстрируем на примере молекулы этана.

CH₃-CH₃ + Br₂ → CH₃-CH₂Br + HBr (hv или повышенная t^o).

Реакция носит цепной характер. Молекула брома или йода под действием света распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана – этана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуется свободный радикал – этил  CH₃-CH₂·, который сталкиваются с молекулами брома (йода), разрушая их и образуя новые радикалы йода или брома:

Br₂ → Br·+ Br· (hv); – инициирование реакции галогенирования;

CH₃-CH₃ + Br· → CH₃-CH₂· + HBr; – рост цепи реакции галогенирования;

CH₃-CH₂· + Br₂ → CH₃-CH₂Br + Br·;

CH₃-CH₂· + Br· → CH₃-CH₂Br; – обрыв цепи реакции галогенирования.

Галогенирование – это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алкана – этана проходит поэтапно – за один этап замещается не более одного атома водорода.

CH₃-CH₃ + Br₂ → CH₃-CH₂Br + HBr (hv или повышенная t^o);

CH₃-CH₂Br + Br₂ → CH₃-CHBr₂ + HBr (hv или повышенная t^o);

и т.д.

Галогенирование будет происходить и далее, пока в алкане не будут замещены все атомы водорода.

1. 3. нитрование:

Данная реакция известна как реакция Коновалова.

Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO₂ в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

CH₃-CH₃ + HONO_{2 (dilute)} → CH₃-C(NO₂)H₂ + H₂O (повышенная t^o).

Реакция также протекает по свободнорадикальному механизму.

1. 4. окисление (горение):

При избытке кислорода:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O;

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O;

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O и т.д.

С_nН_2n+2 + ((3n+1)/2)O₂ → _nCO₂ + (n+1)H₂O.

При нехватке кислорода вместо углекислого газа (СО₂) получается оксид углерода (СО), при еще меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный углерод (в различном виде, в т.ч. в виде графена, фуллерена и пр.) либо их смесь.

1. 5. сульфохлорирование:

При облучении ультрафиолетовым излучением алканы реагируют со смесью SO₂ и Cl₂. В результате реакции образуется среди прочего сульфонилхлориды.

CH₄ + SO₂ + Cl₂ → CH₃-SO₂Cl + … (hv);

C₂H₆ + SO₂ + Cl₂ → C₂H₅-SO₂Cl + … (hv);

C₃H₈ + SO₂ + Cl₂ → C₃H₇-SO₂Cl + … (hv).

и т.д.

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.

1. 6. сульфоокисление:

При одновременном действии на алканы оксидом серы (IV) и кислородом и при ультрафиолетовом облучении протекает реакция сульфирования с образованием алкилсульфокислот.

2CH₄ + 2SO₂ + О₂ → 2CH₃-SO₂ОН (повышенная t^o);

2C₂H₆ + 2SO₂ + О₂ → 2C₂H₅-SO₂ОН  (повышенная t^o);

2C₃H₈ + 2SO₂ + О₂ → 2C₃H₇-SO₂ОН (повышенная t^o);

и т.д.

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.

7. 7. крекинг.

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов – алканов и алкенов, состав и соотношение которых зависят от температуры, давления и времени реакции.

При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей (С-С) с образованием алкильных радикалов. Далее одновременно происходят три процесса (рекомбинация, диспропорционирование и разрыв связи С-Н), вследствие которых реакция дает множество различных продуктов. Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.

Различают термический крекинг (пиролиз) и каталитический крекинг. Последний протекает при меньшей температуре – 400-450 °C в присутствии катализатора.

C_nH_2n+2 → C_n–kH_2(n–k)+2 + C_kH_2k (kat, t^o = 400-500 °C).

8. 8. пиролиз.

При нагревании метана происходит его разложение на составляющие простые вещества.

CH₄ → C + 2H₂ (при t^o > 1000 ^оС).

9. 9. изомеризация.

При нагревании неразветвленных алканов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия, AlCl₃) происходит образование алканов с разветвленным углеродным скелетом.

Например, н-бутан (C₄H_10, CH₃-CH₂-CH₂-CH₃), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl₃), превращается в изобутан (2-метилпропан) (CH(CH₃)₃).

10. 10. ароматизация.

Алканы с шестью или более атомами углерода в линейной цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола и его производных.

Например, гексан дегидроциклизуется в бензол:

C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂ (kat, t^o).

 

Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com