Süsivesinikud on lihtsaimad orgaanilised ühendid. Need koosnevad süsinikust ja vesinikust. Nende kahe elemendi ühendeid nimetatakse küllastunud süsivesinikeks või alkaanideks. Nende koostis on väljendatud alkaanide CnH2n + 2 üldvalemiga, kus n on süsinikuaatomite arv.

Kontaktis kasutajaga

Klassikaaslased

Alkaanid on nende ühendite rahvusvaheline nimetus... Neid ühendeid nimetatakse ka parafiinideks ja küllastunud süsivesinikeks. Alkaanimolekulide side on lihtne (või üksik). Ülejäänud valentsid on küllastunud vesinikuaatomitega. Kõik alkaanid on piirini küllastunud vesinikuga, selle aatomid on sp3-hübridisatsiooni olekus.

Küllastunud süsivesinike homoloogne seeria

Metaan on küllastunud süsivesinike homoloogilises reas esimene. Selle valem on CH4. Lõpp -an küllastunud süsivesinike nimel on eristav tunnus. Edasi, vastavalt ülaltoodud valemile, asuvad etaan - C2H6, propaan C3H8, butaan - C4H10 homoloogilises reas.

Alates viiendast alkaanist homoloogilises seerias moodustatakse ühendite nimed järgmiselt: kreeka number, mis näitab süsivesinikuaatomite arvu molekulis + lõpp -an. Nii et kreeka keeles on number 5 vastavalt pendé, pärast butaani on pentaan - C5H12. Järgmine on heksaan C6H14. heptaan - C7H16, oktaan - C8H18, nonaan - C9H20, dekaan - C10H22 jne.

Alkaanide füüsikalised omadused muutuvad homoloogilises reas märgatavalt: sulamis- ja keemistemperatuurid suurenevad ning tihedus suureneb. Metaan, etaan, propaan, butaan on normaalsetes tingimustes, see tähendab temperatuuril umbes 22 kraadi Celsiuse järgi, gaasid alates pentaanist kuni heksadekaani kaasa arvatud - vedelikud, koos heptadekaaniga - tahked ained. Alustades butaanist, on alkaanidel isomeere.

Seal on peegeldavad tabelid muutused alkaanide homoloogses seeriasmis neid selgelt kajastavad füüsikalised omadused.

Küllastunud süsivesinike ja nende derivaatide nomenklatuur

Kui süsivesiniku molekulist eraldatakse vesinikuaatom, moodustuvad ühevalentsed osakesed, mida nimetatakse radikaalideks (R). Radikaali nime annab süsivesinik, millest see radikaal pärineb, ja lõpp -an muutub lõpuks -yl. Näiteks kui metaanist eemaldatakse vesinikuaatom, moodustub metüülradikaal, etaan - etüül, propaan - propüül jne.

Moodustuvad ka radikaalid ja anorgaanilised ühendid... Näiteks lahutades lämmastikhappest OH hüdroksüülrühma, võib saada monovalentse radikaali -NO2, mida nimetatakse nitrogrupiks.

Molekulist eraldatuna kahest vesinikuaatomist koosnev alkaan moodustuvad kahevalentsed radikaalid, mille nimed moodustuvad samuti vastavate süsivesinike nimedest, kuid lõpp muutub:

• orien juhul, kui vesiniku aatomid on ühest süsinikuaatomist lahti rebitud,
• ylen, juhul kui kahest külgnevast süsinikuaatomist rebitakse lahti kaks vesiniku aatomit.

Alkaanid: keemilised omadused

Vaatleme alkaanidele omaseid reaktsioone. Kõigil alkaanidel on ühine omadus keemilised omadused... Need ained on passiivsed.

Kõik teadaolevad süsivesinikega seotud reaktsioonid on jagatud kahte tüüpi:

• murda side C-H (näiteks on asendusreaktsioon);
• c-C sideme purustamine (lõhenemine, eraldi osade moodustumine).

Radikaalid on moodustamise hetkel väga aktiivsed. Iseenesest on nad olemas sekundi murdosa jooksul. Radikaalid reageerivad üksteisega kergesti. Nende paarimata elektronid moodustavad uue kovalentse sideme. Näide: CH3 + CH3 → C2H6

Radikaalid reageerivad kergesti molekulidega orgaaniline aine... Nad kas kinnituvad nende külge või rebivad nendega aatomi paardumata elektron, mille tagajärjel tekivad uued radikaalid, mis omakorda võivad teiste molekulidega reageerida. Sellise ahelreaktsiooniga saadakse makromolekulid, mis lakkavad kasvama alles siis, kui ahel on katki (näide: kahe radikaali kombinatsioon)

Reaktsioonid vabad radikaalid selgitada paljusid olulisi keemilisi protsesse, näiteks:

• Plahvatused;
• Oksüdeerumine;
• Õli lõhenemine;
• Küllastumata ühendite polümerisatsioon.

Üksikasjalikult võite kaaluda keemilisi omadusi küllastunud süsivesinikud metaani näitel. Eespool oleme juba kaalunud alkaanimolekuli struktuuri. Metaanimolekuli süsinikuaatomid on sp3 hübridisatsiooni olekus ja moodustub piisavalt tugev side. Metaan on lõhna ja värvi baasgaas. See on õhust kergem. Vees lahustub kergelt.

Alkaanid võivad põleda. Metaan põleb sinakas kahvatu leegiga. Sellisel juhul on reaktsiooni tulemuseks süsinikoksiid ja vesi. Õhuga segatuna, samuti hapnikuga segatuna, eriti kui ruumala suhe on 1: 2, moodustavad need süsivesinikud plahvatusohtlikud segud, mis muudab selle igapäevaelus ja miinides kasutamiseks äärmiselt ohtlikuks. Kui metaan pole täielikult põlenud, moodustub tahm. Tööstuses saavad nad seda nii.

Formaldehüüd ja metüülalkohol saadakse metaanist oksüdeerimisel katalüsaatorite juuresolekul. Kui metaani kuumutatakse tugevalt, laguneb see vastavalt valemile CH4 → C + 2H2

Metaani lagunemine saab valmistada kuni vahesaaduseni spetsiaalselt varustatud ahjudes. Vaheühendiks on atsetüleen. Reaktsioonivalem on 2CH4 → C2H2 + 3H2. Atsetüleeni eraldamine metaanist vähendab tootmiskulusid peaaegu poole võrra.

Samuti saadakse vesinik metaanist metaani muundamisel auruga. Metaanile on tüüpilised asendusreaktsioonid. Niisiis tõrjuvad valguse käes halogeenid (Cl, Br) metaanimolekulist vesiniku järk-järgult. Sel viisil moodustuvad ained, mida nimetatakse halogeeni derivaatideks. Kloori aatomidasendades süsivesiniku molekulis vesiniku aatomid, moodustavad need segu erinevatest ühenditest.

See segu sisaldab klorometaani (CH3CI või metüülkloriidi), diklorometaani (CH2Cl2 või metüleenkloriidi), triklorometaani (CHCl3 või kloroformi), süsiniktetrakloriidi (CCl4 või süsiniktetrakloriidi).

Kõiki neid ühendeid saab segust eraldada. Tootmises on kloroformil ja süsiniktetrakloriidil suur tähtsus, kuna need on lahustid orgaanilised ühendid (rasvad, vaigud, kumm). Halogeenitud metaani derivaadid moodustuvad vabade radikaalide ahela mehhanismi abil.

Valgus mõjutab kloori molekule mille tagajärjel nad lagunevad anorgaanilistele radikaalidele, mis rebivad metaani molekulist ühe elektroniga vesiniku aatomi. See moodustab HCl ja metüüli. Metüül reageerib kloormolekuliga, mille tulemuseks on halogeeni derivaat ja klooriradikaal. Lisaks jätkab kloorradikaal ahelreaktsiooni.

Normaalsel temperatuuril on metaan leeliste, hapete ja paljude oksüdeerivate ainete suhtes piisavalt vastupidav. Erandiks on lämmastikhape. Sellega reageerides moodustuvad nitrometaan ja vesi.

Liitumisreaktsioonid pole metaanile tüüpilised, kuna kõik selle molekuli valentsid on küllastunud.

Reaktsioonid, milles süsivesinikud osalevad, võivad toimuda mitte ainult C-H sideme, vaid ka C-C sideme lõhustamisega. Sellised muundamised toimuvad kõrgel temperatuuril. ja katalüsaatorid. Need reaktsioonid hõlmavad dehüdrogeenimist ja krakkimist.

Happed saadakse küllastunud süsivesinikest oksüdeerimise teel - äädikhape (butaanist), rasvhapped (parafiinist).

Metaani tootmine

Looduslik metaan laialdaselt levitatud. Ta on peamine komponent kõige süttivamad looduslikud ja kunstlikud gaasid. See paistab silma kaevanduste söeõmblustest, soode põhjast. Looduslikud gaasid (mis on aastal 2006 väga märgatav) seotud gaasid naftaväljad) sisaldavad lisaks metaanile ka teisi alkaane. Nende ainete kasutamine on mitmekesine. Neid kasutatakse kütusena erinevates tööstusharudes, meditsiinis ja tehnoloogias.

Laboritingimustes eraldub see gaas naatriumatsetaadi + naatriumhüdroksiidi segu kuumutamisel, samuti alumiiniumkarbiidi ja vee reageerimisel. Samuti saadakse metaani lihtsad ained. Selleks eeldused on küte ja katalüsaator. Tööstuslikult on oluline metaani tootmine veeaurul põhineva sünteesi teel.

Metaani ja selle homolooge saab vastavate orgaaniliste hapete soolade leelistamisega. Teine võimalus alkaanide saamiseks on Würzi reaktsioon, milles metaannaatriumiga monohalogeeni derivaate kuumutatakse.

"Ufa Riiklik Nafta Tehnikaülikool"

Osakond: "Füüsikaline ja orgaaniline keemia"

abstraktne

P haruldased süsivesinikud (alkaanid)

Jaamarühm BTP-09-01 Antipin A.

Dotsent S.M.Kalašnikov

Alcanes (ka küllastunud süsivesinikud , parafiinid , alifaatsed ühendid) - hargnemata või hargnenud atsüklilised süsivesinikud, mis sisaldavad ainult lihtsaid sidemeid ja moodustavad homoloogilise rea üldvalemiga C n H 2n + 2.

Alkaanid on küllastunud süsivesinikud ja sisaldavad võimalikult palju vesiniku aatomeid. Iga alkaanimolekulides olev süsinikuaatom on sp 3 -hübridisatsiooni olekus - kõik 4 C-aatomi hübriidorbitaali on kuju ja energiaga võrdsed, 4 elektronpilv on suunatud tetraeedri tippudele nurkades 109 ° 28 ". C-aatomite vaheliste üksiksidemete jaoks on süsiniku sideme ümber võimalik vaba pöörlemine. Süsiniksideme tüüp on σ-side, sidemed on madala polaarsusega ja halvasti polariseeritavad. Süsiniksideme pikkus on 0,154 nm.

Alkaaninimed.

Sõna "alkaan" on sama päritolu kui "alkohol". Vananenud termin "parafiin" pärineb ladina parumist - vähe, vähe ja affinis - seotud; parafiinidel on enamiku keemiliste reaktiividega võrreldes madal reaktiivsus. Paljud parafiinid on homoloogsed; alkaanide homoloogilises seerias erineb iga järgnev liige eelmisest ühe metüleenrühma CH2 poolest. Mõiste pärineb kreeka keeles homologos - sobiv, sarnane.

Nomenklatuur (lat. nomenklatuur - nimede loetelu) alkaanide nimed on üles ehitatud vastavalt teatud reeglitele, mis pole alati üheselt mõistetavad. Niisiis, kui alkaanimolekulis on erinevaid asendajaid, siis on alkaani nimel need tähestikulises järjekorras. Kuid aastal erinevates keeltes see järjestus võib erineda. Näiteks süsivesinikke СН 3 –СН (СН 3) –СН (С 2 Н 5) –СН 2 –СН 2 –СН 3 nimetatakse selle venekeelse reegli kohaselt 2-metüül-3-etüülheksaaniks ja inglise keeles 3-etüül-2-metüülheksaan ...

Vastavalt süsivesinike nimele nimetatakse alküülradikaale ka: metüül (CH3-), etüül (C2H5-), isopropüül (CH3) 2CH-, s -butüül-C2Hs-CH (CH3) -, hõõrub -butüül (CH3) 3C - jne. Alküülradikaalid kuuluvad tervikuna paljude orgaaniliste ühendite hulka; vabas olekus on need paardumata elektroniga osakesed ülimalt aktiivsed.

Mõnel alkaanisomeeril on ka triviaalsed nimed, näiteks isobutaan (2-metüülpropaan), isooktaan (2,2,4-trimetüülpentaan), neopentaan (2,3-dimetüülpropaan), skvalaan (2,6,10,15,19, 23 -heksametüültetrakosaan), mille nimi pärineb lat squalus - hai (skvalaani küllastumata derivaat - ainevahetuse jaoks oluline ühend skvaleen avastati esmakordselt haimaksast). Sageli kasutatakse ka pentüülradikaali (C5H11) tühist nimetust - amüül. See pärineb kreeka keelest. amüloon - tärklis: kunagi nimetati isoamüülalkoholi C 5 H 11 OH (3-metüülbutanool-1) "kääritatava amüülalkoholiks", kuna see on fuseliõli alus ja see tekib suhkrut sisaldavate ainete - toodete kääritamise tulemusena tärklise hüdrolüüs.

Süstemaatiline nomenklatuur IUPAC

IUPAC-i nomenklatuuri järgi moodustatakse alkaanide nimed sufiksi abil -ja lisades süsivesiniku nimest vastava juure. Pikim hargnemata süsivesinike ahel valitakse nii, et kõige suuremal arvul asendajatel oleks ahelas minimaalne arv. Ühendi nimes tähistab number süsinikuaatomi arvu, kus asendusradikaal asub, seejärel radikaali nime ja peaahela nime. Kui radikaale korratakse, on loetletud nende positsiooni tähistavad numbrid ja identsete radikaalide arv on tähistatud eesliidetega di-, tri-, tetra-. Kui radikaalid pole ühesugused, on nende nimed toodud tähestikulises järjekorras.

Ratsionaalne nomenklatuur

Valitakse üks süsinikuahela aatomitest, seda peetakse asendatuks metaaniga ja nimega „alküül1alküül2alküül3а

Küllastunud süsivesinike (alkaanid) füüsikalised omadused Alkaanid on värvusetud ained, vees lahustumatud. Normaalsetes tingimustes on nad keemiliselt inertsed, kuna kõik nende molekulides olevad sidemed moodustuvad süsinikuaatomi sp3-hübriidorbitaalide osalusel ja on väga tugevad. Alkaanid liitumisreaktsiooni ei alga: kõik süsinikuaatomite sidemed on täielikult küllastunud.

Sulamis- ja keemistemperatuurid suurenevad koos molekulmass ja peamise süsinikuahela pikkus

· Normaalsetes tingimustes on hargnemata ahelad CH4 kuni C4H10 gaasid; C5H12 kuni C13H28 - vedelikud; pärast C14H30 - tahkeid aineid.

· Sulamis- ja keemistemperatuurid vähenevad vähem hargnenud harulistest. Nii näiteks on n-pentaan temperatuuril 20 ° C vedel ja neopentaan on gaas.

· Gaasilised alkaanid põlevad värvitu või kahvatu sinise leegiga, eraldades palju kuumust.

Küllastunud süsivesinike (alkaanid) keemilised omadused

Metaaniseeria süsivesinikud on tavalistel temperatuuridel keemiliselt väga inertsed, mistõttu neid nimetatakse parafiinideks (ladinakeelsetest sõnadest parum affinis - madala afiinsusega). Nendes tingimustes ei reageeri need süsivesinikud enamiku keemiliste reaktiividega või reageerivad üliaeglaselt. Suhteliselt madalatel temperatuuridel toimub ainult väike arv reaktsioone, milles vesinikuaatomid asendatakse erinevate aatomite ja rühmadega (metal-cuu reaktsioonid). Need reaktsioonid toovad kaasa vastavate süsivesinike derivaatide tootmise.

Alkaanidel on madal reaktsioonivõime. Seda seetõttu, et üksikud C-H ja C-C sidemed on suhteliselt tugevad ja neid on raske katkestada. Kuna süsiniksidemed on mittepolaarsed ja C - H sidemed on madala polaarsusega, on mõlemad sidemete tüübid vähe polariseeritavad ja kuuluvad σ-tüüpi, on nende purunemine kõige tõenäolisem homolüütilise mehhanismi abil, see tähendab radikaalidest.

Radikaalsed asendusreaktsioonid

Halogeenimine

Alkaanide halogeenimine toimub radikaalse mehhanismi abil. Reaktsiooni algatamiseks tuleb alkaani ja halogeeni segu kiiritada UV-valgusega või kuumutada. Metaani kloorimine ei peatu metüülkloriidi saamise etapis (kui võtta ekvimolaarsetes kogustes kloori ja metaani), vaid viib kõigi võimalike asendusproduktide moodustumiseni metüülkloriidist süsiniktetrakloriidini. Teiste alkaanide kloorimisel saadakse vesiniku asendusproduktide segu erinevatel süsinikuaatomitel. Kloorimistoodete suhe sõltub temperatuurist. Primaarse, sekundaarse ja tertsiaarse aatomi kloorimiskiirus sõltub temperatuurist, madalatel temperatuuridel seerias: tertsiaarne, sekundaarne, primaarne. Temperatuuri tõustes väheneb kiiruste vahe, kuni see muutub samaks. Lisaks kineetilisele tegurile mõjutab kloorimisproduktide jaotust statistiline tegur: kloori rünnaku tõenäosus tertsiaarsele süsinikuaatomile on 3 korda väiksem kui primaarsel ja pool sekundaarsel. Seega on alkaanide kloorimine mitte-stereoselektiivne reaktsioon, välja arvatud juhul, kui võimalik on ainult üks monokloorimisprodukt.

Halogeenimine on üks asendusreaktsioonidest. Kõigepealt halogeenitakse kõige vähem hüdrogeenitud süsinikuaatomit (tertsiaarne aatom, seejärel sekundaarsed, primaarsed aatomid halogeenitakse viimasena). Alkaanide halogeenimine toimub järk-järgult - ühes etapis ei asendata rohkem kui ühte vesiniku aatomit:

1. CH4 + Cl2 → CH3CI + HCl (klorometaan)

2.CH3CI + Cl2 → CH2CI2 + HCI (diklorometaan)

3. CH2CI2 + Cl2 → CHCl3 + HCI (triklorometaan)

4. CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCI (süsiniktetrakloriid).

Valguse mõjul laguneb kloormolekul radikaalideks, seejärel ründavad nad alkaanimolekule, asendades nende vesiniku aatomi, mille tulemusena moodustuvad metüül-CH 3 radikaalid, mis põrkuvad kloori molekulidega kokku, hävitades neid ja moodustades uusi radikaale.

Alkaanide broomimine erineb kloorimisest suurema stereoselektiivsuse tõttu, kuna madalamal temperatuuril on tertsiaarsete, sekundaarsete ja primaarsete süsinikuaatomite broomimise määrades suurem erinevus.

Alkaanide joodimist joodiga ei toimu, jodiidide tootmist otsese jodeerimise teel ei saa läbi viia.

Fluori ja kloori kasutamisel võib reaktsioon kulgeda plahvatuslikult, sellistel juhtudel lahjendatakse halogeeni lämmastiku või lahustiga.

Nitreerimine (Konovalovi reaktsioon)

Alkaanid reageerivad lämmastikhappe või lämmastikoksiidi N 2 O 4 10% lahusega gaasifaasis temperatuuril 140 ° C ja madalal rõhul, moodustades lämmastiku derivaadid. Reaktsioon täidab ka Markovnikovi reeglit.

RH + HNO3 \u003d RN02 + H20

Kõik olemasolevad andmed osutavad vabade radikaalide mehhanismile. Reaktsiooni tulemusena moodustuvad toodete segud.

Oksüdeerumisreaktsioonid

Põlemine

Küllastunud süsivesinike peamine keemiline omadus, mis määrab nende kasutamise kütusena, on põlemisreaktsioon. Näide:

CH4 + 2O2 → CO 2 + 2H 2 O + Q

Hapnikupuuduse korral tekib süsinikdioksiidi asemel süsinikmonooksiid või kivisüsi (sõltuvalt hapniku kontsentratsioonist).

IN üldine vaade alkaanide põlemisreaktsiooni võib kirjutada järgmiselt:

PÄRAST n H 2 n +2 +(1,5n +0,5) 02 \u003d n CO 2 + ( n +1) H20

Katalüütiline oksüdatsioon

Võib moodustuda alkoholid, aldehüüdid, karboksüülhapped.

CH 4 kerge katalüsaatori (katalüsaator, hapnik, 200 ° C) oksüdeerimisel võivad moodustuda:

Metüülalkohol: CH4 + O2 \u003d CH30H

MÄÄRATLUS

Alkaanid - piiravad (alifaatsed) süsivesinikud, mille koostis on väljendatud valemiga C nH2n +2.

Alkaanid moodustavad homoloogse rea, mille iga keemiline ühend erineb koostiselt järgmisest ja eelmisest sama arvu süsiniku- ja vesinikuaatomite - CH2 järgi ning homoloogsetesse seeriatesse kuuluvaid aineid nimetatakse homoloogideks. Alkaanide homoloogne seeria on esitatud tabelis 1.

Tabel 1. Alkaanide homoloogiline seeria.

Alkaanimolekulides eraldatakse primaarsed (s.t ühe sidemega seotud), sekundaarsed (s.t kahe sidemega seotud), tertsiaarsed (s.t kolme sidemega seotud) ja kvaternaarsed (s.t nelja sidemega seotud) süsinikuaatomid.

C1H3 - C2H2 - C1H3 (1 - primaarne, 2 sekundaarset süsinikuaatomit)

CH3 –C3H (CH3) - CH3 (3-tertsiaarne süsinikuaatom)

CH3 - C4 (CH3) 3 - CH3 (4 on kvaternaarne süsinikuaatom)

Alkaanidele on iseloomulik struktuurne isomeeria (süsiniku skeleti isomeeria). Niisiis, pentaanil on järgmised isomeerid:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentaan)

CH3-CH (CH3) -CH2-CH3 (2-metüülbutaan)

CH3-C (CH3) 2-CH3 (2,2-dimetüülpropaan)

Alkaanidele, alates heptaanist, on iseloomulik optiline isomeeria.

Küllastunud süsivesinike süsinikuaatomid on sp3-hübridiseerunud. Alkaanimolekulides olevate sidemete vahelised nurgad on 109,5.

Alkaanide keemilised omadused

Normaaltingimustes on alkaanid keemiliselt inertsed - nad ei reageeri hapete ega leelistega. Selle põhjuseks on C-C ja C-H sidemete tugev tugevus. Mittepolaarsed C-C ja C-H sidemed on aktiivsete vabade radikaalide toimel võimelised lõhustuma ainult homolüütiliselt. Seetõttu satuvad alkaanid reaktsioonidesse radikaalse asendamise mehhanismi kaudu. Radikaalsetes reaktsioonides asendatakse kõigepealt vesinikuaatomid tertsiaarsetes, seejärel sekundaarsetes ja primaarsetes süsinikuaatomites.

Radikaalsetel asendusreaktsioonidel on ahel iseloom. Peamised etapid: ahela tuumastumine (initsieerimine) (1) - toimub UV-kiirguse toimel ja viib vabade radikaalide moodustumiseni, ahela kasv (2) - toimub vesiniku aatomi eraldumise tõttu alkaanimolekul; ahelamurd (3) - tekib siis, kui põrkuvad kaks identset või erinevat radikaali.

X: X → 2X . (1)

R: H + X . → HX + R . (2)

R . + X: X → R: X + X . (2)

R . + R . → R: R (3)

R . + X . → R: X (3)

X . + X . → X: X (3)

Halogeenimine. Kui alkaanid reageerivad UV-kiirguse või kõrgete temperatuuride mõjul kloori ja broomiga, tekib mono- kuni polühalogeenitud alkaanide toodete segu:

CH3CI + Cl2 \u003d CH2CI2 + HCI (diklorometaan)

CH2CI2 + Cl2 \u003d CHCI3 + HCI (triklorometaan)

CHCl3 + Cl2 \u003d CCl4 + HCl (süsiniktetrakloriid)

Nitreerimine (Konovalovi reaktsioon) ... Lahjendatud lämmastikhappe toimel alkaanidel temperatuuril 140 ° C ja madalal rõhul toimub radikaalne reaktsioon:

CH3-CH3 + HNO3 \u003d CH3-CH2-NO2 (nitroetaan) + H20

Sulfokloorimine ja sulfooksüdatsioon. Alkaanide otsene sulfoonimine toimub raskustega ja sellega kaasneb kõige sagedamini oksüdeerumine, mille tulemusena moodustuvad alkaanisulfonüülkloriidid:

R-H + S02 + Cl2 → R-S03CI + HCl

Sulfo-oksüdatsioonireaktsioon kulgeb sarnasel viisil, ainult sel juhul moodustuvad alkaanisulfoonhapped:

R-H + S02 + 1/2 O2 → R-S03H

Pragunemine - C-C sidemete radikaalne purunemine. See tekib kuumutamisel ja katalüsaatorite juuresolekul. Kõrgemate alkaanide krakkimisel tekivad alkeenid, metaani ja etaani krakkimisel atsetüleen:

C8H18 \u003d C4H10 (butaan) + C3H8 (propaan)

2CH4 \u003d C2H2 (atsetüleen) + 3H2

Oksüdeerumine... Metaani kergel oksüdeerimisel atmosfääri hapnikuga võib saada metanooli, sipelghappe aldehüüdi või sipelghapet. Õhus põlevad alkaanid süsinikdioksiidiks ja veeks:

CnH2n +2 \u200b\u200b+ (3n + 1) / 2O2 \u003d nCO2 + (n + 1) H20

Alkaanide füüsikalised omadused

Tavatingimustes on Ci-C4 gaasid, C5-C17 on vedelikud, alates C18 on tahked ained. Alkaanid ei lahustu vees praktiliselt, kuid lahustuvad kergesti mittepolaarsetes lahustites nagu benseen. Niisiis, metaan CH4 (raba, tuletamp) on värvitu ja lõhnatu gaas, mis lahustub kergesti etanoolis, eetris, süsivesinikes, kuid on vees halvasti lahustuv. Metaani kasutatakse kõrge kütteväärtusega kütusena maagaasis, toorainena vesiniku, atsetüleeni, kloroformi ja muude orgaaniliste ainete tootmiseks tööstuslikus ulatuses.

Propaan C 3 H 8 ja butaan C 4 H 10 on gaasid, mida igapäevases elus kasutatakse õhupalligaasidena, tänu nende hõlpsale veeldamisele. Propaani kasutatakse sõiduki kütusena, kuna see on keskkonnasõbralikum kui bensiin. Butaan on tooraine 1,3-butadieeni tootmiseks, mida kasutatakse sünteetilise kautšuki tootmisel.

Alkaanide saamine

Alkaanid saadakse looduslikest allikatest - maagaas (80–90% - metaan, 2–3% - etaan ja muud küllastunud süsivesinikud), kivisüsi, turvas, puit, õli ja mägivaha.

Alkaanide tootmiseks on olemas laboratoorsed ja tööstuslikud meetodid. Tööstuses saadakse alkaanid bituumensöest (1) või Fischeri-Tropschi reaktsiooniga (2):

nC + (n + 1) H2 \u003d C nH2 n +2 (1)

nCO + (2n + 1) H2 \u003d C nH2n +2 \u200b\u200b+ H20 (2)

Alkaanide tootmise laborimeetodite hulka kuuluvad: hüdrogeenimine küllastumata süsivesinikud kuumutamisel ja katalüsaatorite (Ni, Pt, Pd) (1) juuresolekul vee vastasmõju metallorgaaniliste ühenditega (2), karboksüülhapete elektrolüüs (3) dekarboksüülimisreaktsioonide (4) ja Würzi (5) ja muud meetodid.

R1-C≡C-R2 (alküün) → R1-CH \u003d CH-R2 (alkeen) → R1-CH2-CH2-R2 (alkaan) (1)

R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H20 → R-H (alkaan) + Mg (OH) Cl (2)

CH3COONa↔ CH3COO - + Na +

2CH3COO - → 2CO2 + C2H6 (etaan) (3)

CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)

R1-Cl + 2Na + Cl-R2 → 2NaCl + R1-R2 (5)

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Küllastunud süsivesinikke nimetatakse alkaanideks. Nende molekulides on aatomitel üksiksidemed. Struktuur määratakse valemiga CnH2n + 2. Mõelge alkaanidele: keemilised omadused, tüübid, kasutusalad.

Ühenduse struktuur

Süsiniku struktuuris on neli orbiiti, milles aatomid pöörlevad. Orbitaalidel on sama kuju, energia.

Märge!Nurgad nende vahel on 109 kraadi ja 28 minutit, need on suunatud tetraeedri tippudele.

Lihtne süsinikside võimaldab alkaanimolekulidel vabalt pöörelda, mille tulemusel struktuurid omandavad mitmesugused vormidmoodustades süsinikuaatomitel tippe.

Kõik alkaanühendid on jagatud kahte põhirühma:

1. Alifaatsed süsivesinikud. Sellistel struktuuridel on lineaarne seos. Üldvalem näeb välja selline: CnH2n + 2. N väärtus on võrdne või suurem kui üks, tähistab süsinikuaatomite arvu.
2. Tsüklilise struktuuriga tsükloalkaanid. Tsükliliste alkaanide keemilised omadused erinevad oluliselt lineaarsete ühendite omadest. Tsükloalkaanide valem muudab need mõnevõrra sarnaseks kolmekordse aatomsidemega süsivesinikega, see tähendab alküünidega.

Alkaanitüübid

Alkaaniühendeid on mitut tüüpi, millest igaühel on oma valem, struktuur, keemilised omadused ja alküülasendajad. Tabelis on homoloogne seeria

Alkaanide nimetus

Küllastunud süsivesinike üldvalem on CnH2n + 2. N väärtuse muutmisega saadakse lihtne aatomitevahelise sidemega ühend.

Kasulik video: alkaanid - molekulaarne struktuur, füüsikalised omadused

Alkaanide sordid, reaktsioonivõimalused

Looduslikes tingimustes on alkaanid keemiliselt inertsed ühendid. Süsivesinikud ei reageeri kokkupuutel lämmastik- ja väävelhappe, leelise ja kaaliumpermanganaadi kontsentraadiga.

Üksikud molekulaarsed sidemed määravad alkaanidele iseloomulikud reaktsioonid. Alkaanahelaid eristatakse mittepolaarsete ja nõrgalt polariseeruvate sidemetega. See on mõnevõrra pikem kui SN.

Alkaanide üldvalem

Asendusreaktsioon

Parafiiniaineid iseloomustab ebaoluline keemiline aktiivsus. Seda seletatakse ketiühenduse suurenenud tugevusega, mida pole kerge murda. Hävitamiseks kasutatakse homoloogilist mehhanismi, milles osalevad vabad radikaalid.

Alkaanide puhul on asendusreaktsioonid loomulikumad. Nad ei reageeri veemolekulidele ja laetud ioonidele. Asendamine hõlmab vesinikuosakeste asendamist halogeeni ja muude aktiivsete elementidega. Sellistest protsessidest eristatakse halogeenimist, nitraerimist ja sulfokloorimist. Selliseid reaktsioone kasutatakse alkaaniderivaatide moodustamiseks.

Vabade radikaalide asendamine toimub kolmes põhietapis:

1. Vabade radikaalide loomise keti tekkimine. Katalüsaatoritena kasutatakse soojust ja ultraviolettvalgust.
2. Ahela väljatöötamine, mille struktuuris toimuvad aktiivsete ja passiivsete osakeste vastastikmõjud. Nii moodustuvad molekulid ja radikaalsed osakesed.
3. Lõpuks on kett lõpetatud. Aktiivsed elemendid loovad uusi kombinatsioone või kaovad üldse. Ahelreaktsioon lõpeb.

Halogeenimine

Protsess viiakse läbi radikaalselt. Halogeenimine toimub ultraviolettkiirguse mõjul ning süsivesinike ja halogeenide segu termilisel kuumutamisel.

Kogu protsess järgib Markovnikovi reeglit. Selle olemus seisneb selles, et hüdrogeenitud süsinikule kuuluv vesinikuaatom läbib esimese halogeenimise. Protsess algab tertsiaarse aatomiga ja lõpeb primaarse süsinikuga.

Sulfokloorimine

Teine nimi on Reedi reaktsioon. See viiakse läbi vabade radikaalide asendamise meetodil. Seega reageerivad alkaanid ultraviolettkiirguse mõjul vääveldioksiidi ja kloori kombinatsioonile.

Reaktsioon algab ahela mehhanismi aktiveerimisega. Sel ajal eraldub kloorist kaks radikaali. Ühe toime on suunatud alkaanile, mille tulemusena moodustuvad vesinikkloriidmolekul ja alküülelement. Teine radikaal ühendab vääveldioksiidiga, moodustades kompleksse kombinatsiooni. Tasakaalu saavutamiseks võetakse üks klooriaatom teisest molekulist. Selle tulemusena saadakse alkaansulfonüülkloriid. Seda ainet kasutatakse pindaktiivsete ainete väljatöötamiseks.

Sulfokloorimine

Nitreerimine

Nitreerimisprotsess hõlmab küllastunud süsinike kombineerimist gaasilise neljavalentse lämmastikoksiidi ja lämmastikhappega, viies 10% lahuseni. Reaktsioon eeldab madalat rõhutaset ja kõrget temperatuuri, umbes 104 kraadi. Nitreerimise tulemusena saadakse nitroalkaanid.

Lahti ajamine

Aatomite eraldamisega viiakse läbi dehüdrogeenimisreaktsioonid. Metaani molekulaarne osake laguneb temperatuuri mõjul täielikult.

Dehüdrogeenimine

Kui vesinikuaatom eraldatakse parafiini süsinikvõre (välja arvatud metaan), moodustuvad küllastumata ühendid. Need reaktsioonid viiakse läbi olulistes temperatuuritingimustes (400-600 kraadi). Kasutatakse ka mitmesuguseid metallkatalüsaatoreid.

Alkaanid saadakse küllastumata süsivesinike hüdrogeenimisel.

Lagunemisprotsess

Alkaanireaktsioonide ajal toimuvate temperatuuride mõjul võivad tekkida molekulaarsete sidemete purunemised ja aktiivsete radikaalide vabanemine. Neid protsesse tuntakse pürolüüsi ja krakkimise nime all.

Reaktsioonikomponendi kuumutamisel 500 kraadini hakkavad molekulid lagunema ja nende asemele moodustuvad keerulised radikaalalküüli segud. Nii saadakse tööstuses alkaane ja alkeene.

Oksüdeerumine

seda keemilised reaktsioonidpõhineb elektronide annetamisel. Parafiinidele on iseloomulik autooksüdatsioon. Protsessis kasutatakse küllastunud süsivesinike vabade radikaalide oksüdeerimist. Vedelas olekus olevad ühendid muudetakse hüdroperoksiidiks. Esiteks reageerib parafiin hapnikuga. Moodustuvad aktiivsed radikaalid. Seejärel reageerib alküülosake teise hapniku molekuliga. Moodustub peroksiidradikaal, mis seejärel interakteerub alkaanimolekuliga. Protsessi tulemusena eraldub hüdroperoksiid.

Alkaani oksüdatsioonireaktsioon

Alkaanide kasutamine

Süsinikuühendeid kasutatakse laialdaselt peaaegu kõigis peamistes inimelu valdkondades. Mõned ühenditüübid on teatud tööstusharude ja kaasaegse inimese mugava olemasolu jaoks hädavajalikud.

Gaasilised alkaanid on väärtusliku kütuse alus. Enamiku gaaside põhikomponent on metaan.

Metaanil on võime luua ja vabastada suur hulk kuumus. Seetõttu kasutatakse seda tööstuses märkimisväärses mahus tarbimiseks Rumeenias elutingimused... Butaani ja propaani segamine annab hea leibkonna kütuse.

Metaani kasutatakse selliste toodete tootmiseks:

• metanool;
• lahustid;
• freoon;
• tint;
• kütus;
• sünteesgaas;
• atsetüleen;
• formaldehüüd;
• sipelghape;
• plastikust.

Metaani pealekandmine

Vedelad süsivesinikud on mõeldud mootorite ja rakettide kütuse, lahustite loomiseks.

Kõrgemad süsivesinikud, kus süsinikuaatomite arv ületab 20, on seotud määrdeainete, värvide ja lakkide, seepide ja detergentide tootmisega.

Rasvade süsivesinike kombinatsioon, milles on vähem kui 15 H aatomit, on vedel parafiin. Seda maitsetut läbipaistvat vedelikku kasutatakse kosmeetikas, parfüümide loomisel ja meditsiinilistel eesmärkidel.

Vaseliin on vähem kui 25 süsinikuaatomiga tahkete ja rasvaste alkaanide ühendamise tulemus.Aine osaleb meditsiiniliste salvide loomises.

Parafiin, mis saadakse tahkete alkaanide ühendamisel, on tahke, maitsetu mass, valge värvusega ja aroomita. Küünlad valmistatakse ainest, mis immutab ainet pakkepaberi ja tikkude jaoks. Samuti on parafiin populaarne termoprotseduuride rakendamisel kosmetoloogias ja meditsiinis.

Märge!Alkaanisegusid kasutatakse ka sünteetiliste kiudude, plasti, detergentide ja kummi valmistamiseks.

Halogeenitud alkaanühendid toimivad lahustite, külmutusagensidena ja edasise sünteesi alusena.

Kasulik video: alkaanid - keemilised omadused

Väljund

Alkaanid on hargnemata või hargnenud struktuuriga atsüklilised süsivesinikuühendid. Aatomite vahel on loodud üks side, mis ei võimalda ennast hävitada. Alkaanireaktsioonid, mis põhinevad seda tüüpi ühenditele omastes molekulides. Homoloogsel seerial on üldine struktuurivalem CnH2n + 2. Süsivesinikud kuuluvad küllastunud klassi, kuna need sisaldavad vesinikuaatomite maksimaalset lubatud arvu.

Kontaktis kasutajaga

Küllastunud süsivesinike keemilised omadused tulenevad süsinikuaatomite, vesinikuaatomite ning $ C-H $ ja $ C-C $ sidemete olemasolust nende molekulides.

Lihtsaima alkaanimetaani molekulis moodustavad keemilised sidemed 8 valentselektroni (4 süsinikuaatomi ja 4 - vesiniku aatomit), mis asuvad neljal siduval molekulaarsel orbitaalil.

Niisiis moodustuvad metaanimolekulis neli $ sp3-s (C-H) $ kovalentset sidet neljast $ sp3 $ -hübridiseeritud süsinikuaatomi orbitaalist ja nelja vesiniku aatomi s-orbitaalist (joonis 1).

Etaanimolekul moodustub kahest süsiniktetraeedrist - ühest kovalentsest sidemest $ sp3-sp3 (C-C) $ ja kuuest kovalentsest sidemest $ sp3-s (C-H) $ (joonis 2).

Joonis 2. Etaanmolekuli struktuur: a - $ \\ sigma $ -sidemete paiknemine molekulis; b - molekuli tetraeedriline mudel; c - molekuli palli-varda mudel; z - molekuli mudel vastavalt Stewart - Briglebile

Keemiliste sidemete tunnused alkaanides

Vaadeldavates kovalentsete sidemete tüüpides asuvad kõige suurema elektrontihedusega piirkonnad aatomituume ühendaval joonel. Need kovalentsed võlakirjad on moodustatud lokaliseeritud $ \\ sigma $ - $ (\\ rm M) $$ (\\ rm O) $ ja neid nimetatakse $ \\ sigma $ -võlakirjadeks. Oluline omadus nendest sidemetest on see, et neis olev elektronide tihedus jaotub aatomite tuuma läbiva telje suhtes sümmeetriliselt (elektronitiheduse silindriline sümmeetria). Tänu sellele saavad selle sidemega ühendatud aatomid või aatomirühmad vabalt pöörelda, põhjustamata sideme deformatsiooni. Alkaanimolekulides olevate süsinikuaatomite valentside suundade vaheline nurk on $ 109 ^ \\ circ 28 "$. Seetõttu ei asu süsinikuaatomid isegi sirge süsinikuahelaga sirgjoonel Sellel ahelil on siksakiline kuju, mis on seotud aatomite süsiniku intervallnurkade säilimisega (joonis 3).

Joonis 3. Normaalse alkaani süsinikuahela struktuuri skemaatiline diagramm

Piisavalt pika süsinikuahelaga alkaanimolekulides suureneb see nurk valentsühendamata süsinikuaatomite tõrjumise tõttu $ 2 ^ \\ circ $ võrra.

Märkus 1

Igat keemilist sidet iseloomustab teatud energia. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et metaanimolekuli $ C-H $ sideme energia on 422,9 kJ / mol, etaan - 401,9 kJ / mol ja muud alkaanid - umbes 419 kJ / mol. Sideme energia $ C-C $ on 350 kJ / mol.

Alkaanide struktuuri ja nende reaktsioonivõime seos

$ C-C $ ja $ C-H $ võlakirjade kõrge energia põhjustab küllastunud süsivesinike vähese reaktsioonivõime toatemperatuuril. Seega ei muuda alkaanid broomvesi, kaaliumpermanganaadi lahust, ei reageeri ioonsete reaktiividega (happed, leelised), ei reageeri oksüdeerijatega, aktiivsed metallid... Seetõttu võib näiteks naatriummetalli säilitada petrooleumis, mis on küllastunud süsivesinike segu. Isegi kontsentreeritud väävelhape, mis karboniseerib paljusid orgaanilisi aineid, ei toimi alkaanidel toatemperatuuril. Arvestades küllastunud süsivesinike suhteliselt madalat reaktiivsust, kutsuti neid kunagi parafiinideks. Alkaanidel puudub võime lisada vesinikku, halogeene ja muid reaktiive. Seetõttu nimetati seda orgaaniliste ainete klassi küllastunud süsivesinikeks.

Küllastunud süsivesinike keemilised reaktsioonid võivad ilmneda tänu $ C-C $ või $ C-H $ sidemete lõhenemisele. $ C-H $ -sidemete lõhustumisega kaasneb vesinikuaatomite elimineerimine küllastumata ühendite moodustumisega või järgnev vesinikuaatomite elimineerimise asendamine teiste aatomite või aatomirühmadega.

Sõltuvalt alkaani struktuurist ja küllastunud süsivesinike molekulide reaktsioonitingimustest võib $ C-H $ side homolüütiliselt puruneda:

Joonis 4. Alkaanide keemilised omadused

Ja heterolüütiline anioonide ja katioonide moodustumisega:

Joonis 5. Alkaanide keemilised omadused

Sellisel juhul võivad tekkida vabad radikaalid, millel on paardumata elektron, kuid millel pole elektrilaengut, või karbokatsioonid või karbanionid, millel on vastavad elektrilaengud... Vabad radikaalid moodustuvad radikaalmehhanismi reaktsioonides vahepartiklitena, ioonmehhanismi reaktsioonides aga karbokationid ja karbanioonid.

Tulenevalt asjaolust, et $ CC $ võlakirjad on mittepolaarsed ja $ CH $ -võlakirjad on madala polaarsusega ja neil $ \\ sigma $ -võlakirjadel on madal polarisatsioon, on $ \\ sigma $ -võlakirjade alkaanis lõhustamine ioonide moodustumisega molekulid nõuavad suuri energiakulusid. Nende sidemete hemolüütiline lõhustamine nõuab vähem energiat. Seetõttu on küllastunud süsivesinike puhul radikaalse mehhanismiga toimuvad reaktsioonid iseloomulikumad. $ \\ Sigma $ -obligatsiooni $ C-C $ jagamine nõuab vähem energiat kui $ C-H $ võlakirja jagamine, kuna $ C-C $ -obligatsiooni energia on väiksem kui $ C-H $ -obligatsiooni energia. Kuid keemilised reaktsioonid toimuvad sagedamini $ C-H $ sidemete lõhustamisel, kuna need on reaktiividele paremini ligipääsetavad.

Alkaanide hargnemise ja suuruse mõju nende reaktsioonivõimele

$ C-H $ -sideme reaktsioonivõime muutub lineaarsetest alkaanidest hargnenud alkaanideks liikumisel. Näiteks $ C-H $ sideme dissotsieerumisenergia (kJ / mol) vabade radikaalide moodustumisel muutub järgmiselt:

Joonis 6. Alkaanide keemilised omadused

Lisaks näitab alkaanide ionisatsioonienergia (EI) väärtus, et $ \\ sigma $ -sidemete koguarvu suurenemine suurendab nende doonoriomadusi ja suurema molekulmassiga ühendite jaoks on elektroni kergem lahutada, näiteks:

Joonis 7. Alkaanide keemilised omadused

Niisiis toimuvad vabade radikaalide protsessides reaktsioonid peamiselt tertsiaarse süsinikuaatomi juures, seejärel sekundaarse ja kõige lõpuks primaarse juures, mis langeb kokku vabade radikaalide stabiilsuse reaga. Kuid temperatuuri tõusuga täheldatud tendents väheneb või isegi kaob täielikult.

Seega iseloomustavad alkaane kahte tüüpi keemilised reaktsioonid:

1. vesiniku asendamine peamiselt radikaalse mehhanismiga ja
2. molekuli jagamine sidemetega $ C-C $ või $ C-H $.