Ваше сообщение отправлено. Мы Вам перезвоним!
Вторая индустриализация России

Перезвоните мне!

Закрыть
Главная » Все статьи на сайте » Химические соединения и вещества » Алканы, свойства, химические реакции

Алканы, свойства, химические реакции

  • Array

Алканы, свойства, химические реакции.

 



 

Алканы – углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые химические связи и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+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 CnH2n+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 to > 1500 оС);

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

CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2 (kat = Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3, to = 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 to).

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 to);

CH3-CH2Br + Br2 → CH3-CHBr2 + HBr (hv или повышенная to);

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 + HONO2 (dilute) → CH3-C(NO2)H2 + H2O (повышенная to).

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.

СnН2n+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 to);

2C2H6 + 2SO2 + О2 → 2C2H5-SO2ОН  (повышенная to);

2C3H8 + 2SO2 + О2 → 2C3H7-SO2ОН (повышенная to);

и т.д.

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму.

  1. 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.

CnH2n+2 → CnkH2(nk)+2 + CkH2k (kat, to = 400-500 °C).

  1. 8. пиролиз.

При нагревании метана происходит его разложение на составляющие простые вещества.

CH4 → C + 2H2 (при to > 1000 оС).

  1. 9. изомеризация.

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

Например, н-бутан (C4H10, CH3-CH2-CH2-CH3), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl3), превращается в изобутан (2-метилпропан) (CH(CH3)3).

  1. 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, to).

 

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

 





карта сайта

 

переходи https://www.techno-rus.com/