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
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. 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 → Cn–kH2(n–k)+2 + CkH2k (kat, to = 400-500 °C).
- 8. пиролиз.
При нагревании метана происходит его разложение на составляющие простые вещества.
CH4 → C + 2H2 (при to > 1000 оС).
- 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).
- 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