Химични свойства на алканите
Алканите (парафините) са нециклични въглеводороди, в чиито молекули всички въглеродни атоми са свързани само чрез единични връзки. С други думи, в молекулите на алканите няма множествени - двойни или тройни връзки. Всъщност алканите са въглеводороди, съдържащи максималния възможен брой водородни атоми, поради което се наричат ограничаващи (наситени).
Поради насищане алканите не могат да претърпят реакции на присъединяване.
Тъй като въглеродните и водородните атоми имат доста близка електроотрицателност, това води до факта, че C-H връзките в техните молекули са изключително нискополярни. В това отношение за алканите реакциите, протичащи по механизма на радикално заместване, обозначени със символа S R, са по-типични.
1. Реакции на заместване
При реакции от този тип връзките въглерод-водород се разрушават
RH + XY → RX + HY
Халогениране
Алканите реагират с халогени (хлор и бром), когато са изложени на ултравиолетова светлина или висока температура. В този случай се образува смес от халогенни производни с различна степен на заместване на водородните атоми - моно-, дитри- и др. халоген-заместени алкани.
Използвайки метан като пример, това изглежда така:
Чрез промяна на съотношението халоген/метан в реакционната смес е възможно да се гарантира, че специфично халогенно производно на метана преобладава в състава на продуктите.
Механизъм на реакцията
Нека анализираме механизма на реакцията на заместване на свободния радикал, като използваме примера за взаимодействие на метан и хлор. Състои се от три етапа:
- инициация (или верижна нуклеация) е процес на образуване на свободни радикали под въздействието на външна енергия - облъчване с UV светлина или нагряване. На този етап хлорната молекула претърпява хомолитично разцепване на Cl-Cl връзката с образуването на свободни радикали:
Свободните радикали, както може да се види от фигурата по-горе, са атоми или групи от атоми с един или повече несдвоени електрони (Cl, H, CH 3, CH 2 и т.н.);
2. Развитие на веригата
Този етап включва взаимодействието на активни свободни радикали с неактивни молекули. В този случай се образуват нови радикали. По-специално, когато хлорните радикали действат върху молекулите на алкани, се образуват алкилов радикал и хлороводород. На свой ред, алкиловият радикал, сблъсквайки се с хлорните молекули, образува хлорно производно и нов хлорен радикал:
3) Прекъсване (смърт) на веригата:
Възниква в резултат на рекомбинацията на два радикала един с друг в неактивни молекули:
2. Окислителни реакции
При нормални условия алканите са инертни към такива силни окислители като концентрирана сярна и азотна киселина, калиев перманганат и дихромат (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Изгаряне в кислород
А) пълно изгаряне с излишък на кислород. Води до образуването на въглероден диоксид и вода:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Б) непълно изгаряне поради липса на кислород:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Каталитично окисление с кислород
В резултат на нагряване на алкани с кислород (~200 o C) в присъствието на катализатори от тях могат да се получат голямо разнообразие от органични продукти: алдехиди, кетони, алкохоли, карбоксилни киселини.
Например метанът, в зависимост от природата на катализатора, може да се окисли до метилов алкохол, формалдехид или мравчена киселина:
3. Термични превръщания на алкани
Напукване
Крекингът (от английски to crack - разкъсване) е химичен процес, протичащ при високи температури, в резултат на който въглеродният скелет на молекулите на алканите се разпада с образуването на молекули на алкени и алкани с по-ниско молекулно тегло в сравнение с изходните алкани . Например:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -CH=CH 2
Крекингът може да бъде термичен или каталитичен. За извършване на каталитичен крекинг, благодарение на използването на катализатори, се използват значително по-ниски температури в сравнение с термичния крекинг.
Дехидрогениране
Елиминирането на водорода става в резултат на разцепването на С-Н връзките; извършва се в присъствието на катализатори при повишени температури. Когато метанът се дехидрогенира, се образува ацетилен:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Нагряването на метана до 1200 °C води до разлагането му на прости вещества:
CH 4 → C + 2H 2
Когато останалите алкани се дехидрогенират, се образуват алкени:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
При дехидрогениране н-бутан, бутен-1 и бутен-2 се образуват (последният във формата цис-И транс-изомери):
Дехидроциклизация
Изомеризация
Химични свойства на циклоалканите
Химичните свойства на циклоалканите с повече от четири въглеродни атома в техните пръстени са като цяло почти идентични със свойствата на алканите. Колкото и да е странно, циклопропанът и циклобутанът се характеризират с реакции на присъединяване. Това се дължи на високото напрежение в рамките на цикъла, което води до факта, че тези цикли са склонни да се прекъсват. Така че циклопропанът и циклобутанът лесно добавят бром, водород или хлороводород:
Химични свойства на алкените
1. Реакции на присъединяване
Тъй като двойната връзка в молекулите на алкена се състои от една силна сигма и една слаба пи връзка, те са доста активни съединения, които лесно се подлагат на реакции на добавяне. Алкените често претърпяват такива реакции дори при меки условия - на студено, във водни разтвори и органични разтворители.
Хидрогениране на алкени
Алкените са способни да добавят водород в присъствието на катализатори (платина, паладий, никел):
CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Хидрогенирането на алкените става лесно дори при нормално налягане и леко нагряване. Интересен факт е, че същите катализатори могат да се използват за дехидрогениране на алкани до алкени, само че процесът на дехидрогениране протича при по-висока температура и по-ниско налягане.
Халогениране
Алкените лесно претърпяват реакции на присъединяване с бром както във воден разтвор, така и в органични разтворители. В резултат на взаимодействието първоначално жълтите бромни разтвори губят цвета си, т.е. обезцветяват се.
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Хидрохалогениране
Както е лесно да се види, добавянето на халогеноводород към молекула на несиметричен алкен теоретично трябва да доведе до смес от два изомера. Например, когато към пропен се добави бромоводород, трябва да се получат следните продукти:
Въпреки това, при липса на специфични условия (например наличието на пероксиди в реакционната смес), добавянето на молекула на халогеноводород ще се извърши строго селективно в съответствие с правилото на Марковников:
Добавянето на водороден халид към алкен става по такъв начин, че водород се добавя към въглероден атом с по-голям брой водородни атоми (по-хидрогениран), а халоген се добавя към въглероден атом с по-малък брой водороди атоми (по-малко хидрогенирани).
Хидратация
Тази реакция води до образуването на алкохоли и също протича в съответствие с правилото на Марковников:
Както можете лесно да се досетите, поради факта, че добавянето на вода към молекулата на алкена става съгласно правилото на Марковников, образуването на първичен алкохол е възможно само в случай на етиленова хидратация:
CH2 =CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
Именно чрез тази реакция се извършва по-голямата част от етиловия алкохол в голямата промишленост.
Полимеризация
Специфичен случай на реакция на присъединяване е реакцията на полимеризация, която за разлика от халогенирането, хидрохалогенирането и хидратацията протича по свободния радикален механизъм:
Окислителни реакции
Както всички други въглеводороди, алкените лесно изгарят в кислород, за да образуват въглероден диоксид и вода. Уравнението за изгаряне на алкени в излишък на кислород има формата:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
За разлика от алканите, алкените лесно се окисляват. Когато алкените са изложени на воден разтвор на KMnO 4, настъпва обезцветяване, което е качествена реакция на двойни и тройни CC връзки в молекулите на органичните вещества.
Окисляването на алкени с калиев перманганат в неутрален или слабо алкален разтвор води до образуването на диоли (двувалентни алкохоли):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охлаждане)
В кисела среда двойната връзка е напълно разкъсана и въглеродните атоми, образували двойната връзка, се превръщат в карбоксилни групи:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (нагряване)
Ако двойната C=C връзка е разположена в края на молекулата на алкена, тогава въглеродният диоксид се образува като продукт на окисление на най-външния въглероден атом при двойната връзка. Това се дължи на факта, че междинният продукт на окисление, мравчена киселина, лесно се окислява при излишък от окислител:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (нагряване)
Окислението на алкени, при които С атомът при двойната връзка съдържа два въглеводородни заместителя, произвежда кетон. Например, окисляването на 2-метилбутен-2 произвежда ацетон и оцетна киселина.
Окислението на алкените, при което въглеродният скелет се разрушава при двойната връзка, се използва за определяне на тяхната структура.
Химични свойства на алкадиените
Реакции на присъединяване
Например добавянето на халогени:
Бромната вода се обезцветява.
При нормални условия добавянето на халогенни атоми става в краищата на 1,3-бутадиеновата молекула, докато π-връзките се разкъсват, бромните атоми се добавят към крайните въглеродни атоми и свободните валенции образуват нова π-връзка . По този начин се получава "движение" на двойната връзка. Ако има излишък от бром, може да се добави друга молекула на мястото на образуваната двойна връзка.
Реакции на полимеризация
Химични свойства на алкините
Алкините са ненаситени (ненаситени) въглеводороди и следователно са способни да претърпят реакции на присъединяване. Сред реакциите на присъединяване за алкини, електрофилното присъединяване е най-често срещаното.
Халогениране
Тъй като тройната връзка на алкиновите молекули се състои от една по-силна сигма връзка и две по-слаби пи връзки, те са способни да прикрепят една или две халогенни молекули. Добавянето на две халогенни молекули от една алкинова молекула протича чрез електрофилен механизъм последователно на два етапа:
Хидрохалогениране
Добавянето на молекули на халогеноводород също става чрез електрофилен механизъм и на два етапа. И на двата етапа присъединяването протича в съответствие с правилото на Марковников:
Хидратация
Добавянето на вода към алкините става в присъствието на соли на рути в кисела среда и се нарича реакция на Кучеров.
В резултат на хидратация добавянето на вода към ацетилена произвежда ацеталдехид (оцетен алдехид):
За ацетиленовите хомолози добавянето на вода води до образуването на кетони:
Хидрогениране на алкини
Алкините реагират с водород в два етапа. Като катализатори се използват метали като платина, паладий и никел:
Тримеризация на алкини
Когато ацетиленът преминава през активен въглен при висока температура, от него се образува смес от различни продукти, основният от които е бензен, продукт на тримеризация на ацетилен:
Димеризация на алкини
Ацетиленът също претърпява реакция на димеризация. Процесът протича в присъствието на медни соли като катализатори:
Алкинно окисление
Алкините изгарят в кислород:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O
Взаимодействие на алкини с основи
Алкините с тройна C≡C в края на молекулата, за разлика от други алкини, могат да влизат в реакции, при които водородният атом при тройната връзка се замества с метал. Например ацетиленът реагира с натриев амид в течен амоняк:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
а също и с амонячен разтвор на сребърен оксид, образувайки неразтворими солеподобни вещества, наречени ацетилениди:
Благодарение на тази реакция е възможно да се разпознаят алкини с крайна тройна връзка, както и да се изолира такъв алкин от смес с други алкини.
Трябва да се отбележи, че всички сребърни и медни ацетилениди са експлозивни вещества.
Ацетиленидите са способни да реагират с халогенни производни, което се използва при синтеза на по-сложни органични съединения с тройна връзка:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH 3 -C≡CNa + CH 3 Br → CH 3 -C≡C-CH 3 + NaBr
Химични свойства на ароматните въглеводороди
Ароматният характер на връзката влияе върху химичните свойства на бензените и другите ароматни въглеводороди.
Обединената 6pi електронна система е много по-стабилна от обикновените pi връзки. Следователно реакциите на заместване, отколкото реакциите на добавяне, са по-типични за ароматните въглеводороди. Арените претърпяват реакции на заместване чрез електрофилен механизъм.
Реакции на заместване
Халогениране
Нитриране
Реакцията на нитриране протича най-добре под въздействието на не чиста азотна киселина, а нейната смес с концентрирана сярна киселина, така наречената нитруваща смес:
Алкилиране
Реакция, при която един от водородните атоми в ароматния пръстен се замества с въглеводороден радикал:
Вместо халогенирани алкани могат да се използват и алкени. Като катализатори могат да се използват алуминиеви халиди, железни халиди или неорганични киселини.<
Реакции на присъединяване
Хидрогениране
Добавяне на хлор
Протича по радикален механизъм при интензивно облъчване с ултравиолетова светлина:
Подобна реакция може да възникне само с хлор.
Окислителни реакции
Изгаряне
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Непълно окисляване
Бензеновият пръстен е устойчив на окислители като KMnO 4 и K 2 Cr 2 O 7 . Няма реакция.
Заместителите на бензеновия пръстен се разделят на два вида:
Нека разгледаме химичните свойства на бензенови хомолози, използвайки толуен като пример.
Химични свойства на толуола
Халогениране
Молекулата на толуен може да се разглежда като съставена от фрагменти от молекули бензен и метан. Следователно е логично да се предположи, че химичните свойства на толуола трябва до известна степен да комбинират химичните свойства на тези две вещества, взети поотделно. Това често се наблюдава по време на неговото халогениране. Вече знаем, че бензенът претърпява реакция на заместване с хлора чрез електрофилен механизъм и за осъществяването на тази реакция е необходимо да се използват катализатори (алуминиеви или железни халиди). В същото време метанът също е способен да реагира с хлор, но чрез механизъм на свободни радикали, което изисква облъчване на първоначалната реакционна смес с UV светлина. Толуенът, в зависимост от условията, при които се подлага на хлориране, може да даде или продукти на заместване на водородни атоми в бензеновия пръстен - за това трябва да използвате същите условия като за хлориране на бензен, или продукти на заместване на водород атоми в метиловия радикал, ако има, как хлорът действа върху метана при ултравиолетово облъчване:
Както можете да видите, хлорирането на толуен в присъствието на алуминиев хлорид води до два различни продукта - орто- и пара-хлоротолуен. Това се дължи на факта, че метиловият радикал е заместител от първи вид.
Ако хлорирането на толуен в присъствието на AlCl3 се извършва в излишък от хлор, е възможно образуването на трихлор-заместен толуен:
По подобен начин, когато толуенът се хлорира на светлина при по-високо съотношение хлор/толуен, може да се получи дихлорометилбензен или трихлорометилбензен:
Нитриране
Замяната на водородни атоми с нитрогрупа по време на нитрирането на толуен със смес от концентрирани азотна и сярна киселини води до заместващи продукти в ароматния пръстен, а не до метилов радикал:
Алкилиране
Както вече беше споменато, метиловият радикал е ориентировъчен агент от първи вид, следователно неговото алкилиране по Friedel-Crafts води до заместващи продукти в орто- и пара-позиции:
Реакции на присъединяване
Толуенът може да бъде хидрогениран до метилциклохексан с помощта на метални катализатори (Pt, Pd, Ni):
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
Непълно окисляване
Когато е изложена на окислител като воден разтвор на калиев перманганат, страничната верига претърпява окисление. Ароматното ядро не може да се окисли при такива условия. В този случай, в зависимост от рН на разтвора, ще се образува или карбоксилна киселина, или нейна сол.
Въглеводороди, в чиито молекули атомите са свързани с единични връзки и които отговарят на общата формула C n H 2 n +2.
В алкановите молекули всички въглеродни атоми са в състояние на sp3 хибридизация. Това означава, че всичките четири хибридни орбитали на въглеродния атом са еднакви по форма, енергия и са насочени към ъглите на равностранна триъгълна пирамида - тетраедър. Ъглите между орбиталите са 109° 28′.
Около една връзка въглерод-въглерод е възможно почти свободно въртене и молекулите на алканите могат да приемат голямо разнообразие от форми с ъгли при въглеродните атоми, близки до тетраедрични (109° 28′), например в молекулата н-пентан.
Особено си струва да си припомним връзките в молекулите на алканите. Всички връзки в молекулите на наситените въглеводороди са единични. Припокриването става по оста,
свързващи ядрата на атомите, т.е. това са σ връзки. Въглерод-въглеродните връзки са неполярни и слабо поляризуеми. Дължината на С-С връзката в алканите е 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H връзките са малко по-къси. Електронната плътност е леко изместена към по-електроотрицателния въглероден атом, т.е. C-H връзката е слабо полярна.
Липсата на полярни връзки в молекулите на наситени въглеводороди води до факта, че те са слабо разтворими във вода и не взаимодействат със заредени частици (йони). Най-характерните реакции за алканите са тези с участието на свободни радикали.
Хомоложна серия на метан
Хомолози- вещества, които са сходни по структура и свойства и се различават по една или повече CH 2 групи.
Изомерия и номенклатура
Алканите се характеризират с така наречената структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Най-простият алкан, който се характеризира със структурни изомери, е бутанът. 
Основи на номенклатурата
1. Избор на главна верига.Образуването на името на въглеводорода започва с дефинирането на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата, която е, така да се каже, нейната основа.
2. Номериране на атомите на основната верига.На атомите на основната верига са присвоени номера. Номерирането на атомите на главната верига започва от края, до който заместителят е най-близо (структури А, В). Ако заместителите са разположени на еднакво разстояние от края на веригата, тогава номерирането започва от края, в който има повече от тях (структура B). Ако различните заместители са разположени на равни разстояния от краищата на веригата, тогава номерирането започва от края, до който е най-близо старшият (структура D). Старшинството на въглеводородните заместители се определя от реда, в който буквата, с която започва името им, се появява в азбуката: метил (-CH 3), след това етил (-CH 2 -CH 3), пропил (-CH 2 -CH 2 -CH3) и т.н.
Моля, обърнете внимание, че името на заместителя се образува чрез замяна на наставката -an с наставката - тиняв името на съответния алкан.
3. Образуване на името. В началото на името се посочват номерата - номерата на въглеродните атоми, при които се намират заместителите. Ако има няколко заместителя при даден атом, тогава съответното число в името се повтаря два пъти, разделени със запетая (2,2-). След номера броят на заместителите се посочва с тире ( ди- две, три- три, тетра- четири, пента- пет) и името на заместителя (метил, етил, пропил). След това, без интервали или тирета, името на основната верига. Основната верига се нарича въглеводород - член на хомоложната серия на метана ( метан CH 4, етан C 2 H 6, пропан C 3 H 8, C 4 H 10, пентан C 5 H 12, хексан C 6 H 14, хептан C 7 H 16, октаново число C 8 H 18, нонан S 9 N 20, декан C 10 H 22).
Физични свойства на алканите
Първите четири представителя на хомоложната серия на метана са газове. Най-простият от тях е метан - газ без цвят, вкус и мирис (миризмата на „газ“, когато го помиришете, трябва да се обадите на 04, се определя от миризмата на меркаптани - съдържащи сяра съединения, специално добавени към използвания метан в битови и промишлени газови уреди, така че хората, намиращи се до тях, да могат да открият теча по миризма).
Въглеводородите със състав от C 4 H 12 до C 15 H 32 са течности; по-тежките въглеводороди са твърди вещества. Точките на кипене и топене на алканите постепенно се увеличават с увеличаване на дължината на въглеродната верига. Всички въглеводороди са слабо разтворими във вода; течните въглеводороди са обикновени органични разтворители.
Химични свойства на алканите
Реакции на заместване.
Най-характерните реакции за алканите са реакциите на заместване на свободните радикали, по време на които водородният атом се замества с халогенен атом или някаква група. Нека представим уравненията на характеристичните реакции халогениране: 
В случай на излишък от халоген, хлорирането може да продължи, до пълното заместване на всички водородни атоми с хлор: 
Получените вещества се използват широко като разтворители и изходни материали в органичните синтези.
Реакция на дехидрогениране(извличане на водород).
Когато алканите преминават през катализатор (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) при високи температури (400-600 ° C), водородната молекула се елиминира и се образува алкен:
Реакции, придружени от разрушаване на въглеродната верига.
Всички наситени въглеводороди изгарят, образувайки въглероден диоксид и вода. Газообразните въглеводороди, смесени с въздух в определени пропорции, могат да експлодират.
1. Изгаряне на наситени въглеводородие свободна радикална екзотермична реакция, която е много важна при използване на алкани като гориво:
Най-общо реакцията на горене на алканите може да се напише по следния начин:
2. Термично разделяне на въглеводороди.
Процесът протича по свободен радикален механизъм. Повишаването на температурата води до хомолитично разцепване на връзката въглерод-въглерод и образуването на свободни радикали.
Тези радикали взаимодействат един с друг, обменяйки водороден атом, за да образуват молекула алкан и молекула алкен:
Реакциите на термично разлагане са в основата на промишления процес на крекинг на въглеводороди. Този процес е най-важният етап от рафинирането на петрол.
3. Пиролиза. Когато метанът се нагрее до температура от 1000 °C, започва пиролиза на метана - разлагане на прости вещества: 
При нагряване до температура от 1500 °C е възможно образуването на ацетилен:
4. Изомеризация. Когато линейните въглеводороди се нагряват с изомеризационен катализатор (алуминиев хлорид), се образуват вещества с разклонен въглероден скелет: 
5. Ароматизиране. Алканите с шест или повече въглеродни атома във веригата се циклизират в присъствието на катализатор, за да образуват бензен и неговите производни: 
Алканите влизат в реакции, които протичат според механизма на свободните радикали, тъй като всички въглеродни атоми в молекулите на алканите са в състояние на sp3 хибридизация. Молекулите на тези вещества са изградени с помощта на ковалентни неполярни C-C (въглерод-въглерод) връзки и слабо полярни C-H (въглерод-водород) връзки. Те не съдържат области с повишена или намалена електронна плътност или лесно поляризуеми връзки, т.е. такива връзки, в които електронната плътност може да се измества под въздействието на външни фактори (електростатични полета на йони). Следователно алканите няма да реагират със заредени частици, тъй като връзките в молекулите на алканите не се разкъсват от хетеролитичния механизъм. 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алканисе наричат наситени въглеводороди, чиито молекули се състоят от въглеродни и водородни атоми, свързани помежду си само чрез σ връзки.
При нормални условия (при 25 o C и атмосферно налягане) първите четири члена на хомоложната серия от алкани (C 1 - C 4) са газове. Нормалните алкани от пентан до хептадекан (C 5 - C 17) са течности, като се започне от C 18 и по-горе са твърди вещества. С увеличаването на относителното молекулно тегло, точките на кипене и топене на алканите се увеличават. С еднакъв брой въглеродни атоми в молекулата, разклонените алкани имат по-ниски точки на кипене от нормалните алкани. Структурата на молекулата на алкана, като се използва метан като пример, е показана на фиг. 1.
Ориз. 1. Структурата на молекулата на метана.
Алканите са практически неразтворими във вода, тъй като техните молекули са нискополярни и не взаимодействат с водните молекули. Течните алкани се смесват лесно един с друг. Те се разтварят добре в неполярни органични разтворители като бензен, въглероден тетрахлорид, диетилов етер и др.
Получаване на алкани
Основните източници на различни наситени въглеводороди, съдържащи до 40 въглеродни атома, са нефтът и природният газ. Алканите с малък брой въглеродни атоми (1 - 10) могат да бъдат изолирани чрез фракционна дестилация на природен газ или бензиновата фракция на нефта.
Има промишлени (I) и лабораторни (II) методи за получаване на алкани.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— хидрогениране на ненаситени въглеводороди
CH3-CH=CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
- редукция на халоалкани
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- алкални реакции на топене на соли на едноосновни органични киселини
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
— взаимодействие на халоалкани с метален натрий (реакция на Wurtz)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
— електролиза на соли на едноосновни органични киселини
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K(-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Химични свойства на алканите
Алканите са сред най-малко реактивоспособните органични съединения, което се обяснява с тяхната структура.
Алканите при нормални условия не реагират с концентрирани киселини, разтопени и концентрирани алкали, алкални метали, халогени (с изключение на флуор), калиев перманганат и калиев дихромат в кисела среда.
За алканите най-характерните реакции са тези, които протичат по радикален механизъм. Хомолитичното разцепване на C-H и C-C връзки е енергийно по-благоприятно от хетеролитичното им разцепване.
Реакциите на радикално заместване най-лесно възникват при третичния въглероден атом, след това при вторичния въглероден атом и накрая при първичния въглероден атом.
Всички химични трансформации на алкани протичат с разделяне:
1) C-H връзки
— халогениране (SR)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( в.в);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( в.в).
- нитриране (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (разреден) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
— сулфохлориране (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( в.в).
- дехидрогениране
CH3-CH3 → CH2 =CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- дехидроциклизация
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H и C-C връзки
- изомеризация (вътремолекулно пренареждане)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C(CH3)H-CH3 (kat=AlCl3, t 0).
- окисление
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O (t 0, p);
C n H 2n+2 + (1.5n + 0.5) O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Приложения на алкани
Алканите са намерили приложение в различни индустрии. Нека разгледаме по-подробно, използвайки примера на някои представители на хомоложната серия, както и смеси от алкани.
Метанът формира суровинната основа за най-важните химически промишлени процеси за производство на въглерод и водород, ацетилен, кислородсъдържащи органични съединения - алкохоли, алдехиди, киселини. Пропанът се използва като автомобилно гориво. Бутанът се използва за производството на бутадиен, който е суровина за производството на синтетичен каучук.
Смес от течни и твърди алкани до C 25, наречена вазелин, се използва в медицината като основа на мехлеми. Смес от твърди алкани C 18 - C 25 (парафин) се използва за импрегниране на различни материали (хартия, тъкани, дърво), за да им се придадат хидрофобни свойства, т.е. ненамокряне с вода. В медицината се използва за физиотерапевтични процедури (парафинолечение).
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | При хлориране на метан се получават 1,54 g съединение, чиято плътност на парите във въздуха е 5,31. Изчислете масата на мангановия диоксид MnO 2, който ще бъде необходим за производството на хлор, ако съотношението на обемите метан и хлор, въведени в реакцията, е 1:2. |
| Решение | Съотношението на масата на даден газ към масата на друг газ, взет в същия обем, при същата температура и същото налягане, се нарича относителна плътност на първия газ спрямо втория. Тази стойност показва колко пъти първият газ е по-тежък или по-лек от втория газ. Относителното молекулно тегло на въздуха се приема за 29 (като се вземе предвид съдържанието на азот, кислород и други газове във въздуха). Трябва да се отбележи, че понятието „относителна молекулна маса на въздуха“ се използва условно, тъй като въздухът е смес от газове. Нека намерим моларната маса на газа, образуван по време на хлорирането на метан: M газ = 29 × D въздух (газ) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Това е въглероден тетрахлорид - CCl 4. Нека напишем уравнението на реакцията и подредим стехиометричните коефициенти: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Нека изчислим количеството въглероден тетрахлорид: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Съгласно уравнението на реакцията n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, което означава n(CH4) = n(CCl4) = 0.01 mol. Тогава количеството на хлорното вещество трябва да бъде равно на n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), т.е. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Нека напишем уравнението на реакцията за получаване на хлор: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Броят на моловете манганов диоксид е 0,08 mol, т.к n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Намерете масата на мангановия диоксид: m(MnO 2) = n(MnO 2) × M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Отговор | Масата на мангановия диоксид е 10,4 g. |
ПРИМЕР 2
