Hemijska svojstva alkana
Alkani (parafini) su neciklični ugljikovodici u čijim su molekulima svi atomi ugljika povezani samo jednostrukim vezama. Drugim riječima, u molekulima alkana nema višestrukih - dvostrukih ili trostrukih veza. Zapravo, alkani su ugljikovodici koji sadrže najveći mogući broj atoma vodika, pa se stoga nazivaju ograničavajućim (zasićenim).
Zbog zasićenja, alkani ne mogu biti podvrgnuti reakcijama adicije.
Budući da atomi ugljika i vodika imaju prilično blisku elektronegativnost, to dovodi do činjenice da su C-H veze u njihovim molekulima izuzetno niskopolarne. U tom smislu, za alkane su tipičnije reakcije koje se odvijaju kroz mehanizam radikalne supstitucije, označen simbolom S R.
1. Reakcije supstitucije
U reakcijama ovog tipa dolazi do prekida veze ugljik-vodik
RH + XY → RX + HY
Halogenacija
Alkani reagiraju s halogenima (hlorom i bromom) kada su izloženi ultraljubičastom svjetlu ili visokoj toplini. U ovom slučaju nastaje mješavina derivata halogena s različitim stupnjevima supstitucije atoma vodika - mono-, ditri-, itd. halogen-supstituisani alkani.
Koristeći metan kao primjer, to izgleda ovako:
Promjenom omjera halogen/metan u reakcionoj smjesi moguće je osigurati da u sastavu proizvoda prevladava određeni halogen derivat metana.
Mehanizam reakcije
Analizirajmo mehanizam reakcije supstitucije slobodnih radikala na primjeru interakcije metana i hlora. Sastoji se od tri faze:
- inicijacija (ili lančana nukleacija) je proces stvaranja slobodnih radikala pod uticajem vanjske energije – ozračivanjem UV svjetlom ili zagrijavanjem. U ovoj fazi, molekula hlora prolazi kroz homolitičko cepanje Cl-Cl veze sa stvaranjem slobodnih radikala:
Slobodni radikali, kao što se može vidjeti sa gornje slike, su atomi ili grupe atoma sa jednim ili više nesparenih elektrona (Cl, H, CH 3, CH 2, itd.);
2. Razvoj lanca
Ova faza uključuje interakciju aktivnih slobodnih radikala sa neaktivnim molekulima. U tom slučaju nastaju novi radikali. Konkretno, kada radikali hlora djeluju na molekule alkana, nastaju alkil radikal i klorovodik. Zauzvrat, alkil radikal, sudarajući se s molekulama hlora, formira derivat hlora i novi radikal hlora:
3) Prekid (smrt) lanca:
Nastaje kao rezultat rekombinacije dva radikala jedan s drugim u neaktivne molekule:
2. Reakcije oksidacije
U normalnim uslovima, alkani su inertni prema jakim oksidantima kao što su koncentrisana sumporna i azotna kiselina, kalijum permanganat i dihromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Sagorevanje u kiseoniku
A) potpuno sagorevanje sa viškom kiseonika. Dovodi do stvaranja ugljičnog dioksida i vode:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
B) nepotpuno sagorevanje zbog nedostatka kiseonika:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Katalitička oksidacija kisikom
Kao rezultat zagrijavanja alkana kisikom (~200 o C) u prisustvu katalizatora, iz njih se može dobiti širok spektar organskih proizvoda: aldehidi, ketoni, alkoholi, karboksilne kiseline.
Na primjer, metan, ovisno o prirodi katalizatora, može se oksidirati u metil alkohol, formaldehid ili mravlju kiselinu:
3. Termičke transformacije alkana
Pucanje
Cracking (od engleskog to crack - trgati) je kemijski proces koji se odvija na visokim temperaturama, uslijed čega se ugljični kostur molekula alkana raspada i formira molekule alkena i alkana niže molekularne težine u odnosu na originalne alkane. Na primjer:
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
Krekiranje može biti termičko ili katalitičko. Za izvođenje katalitičkog krekinga, zahvaljujući upotrebi katalizatora, koriste se znatno niže temperature u odnosu na termički kreking.
Dehidrogenacija
Eliminacija vodonika nastaje kao rezultat cijepanja C-H veza; izvode se u prisustvu katalizatora na povišenim temperaturama. Kada se metan dehidrogenira, nastaje acetilen:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Zagrijavanje metana na 1200 °C dovodi do njegovog razlaganja na jednostavne tvari:
CH 4 → C + 2H 2
Kada se preostali alkani dehidrogeniraju, nastaju alkeni:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Prilikom dehidrogeniranja n-nastaju butan, buten-1 i buten-2 (potonji u obliku cis- I trans-izomeri):
Dehidrociklizacija
Izomerizacija
Hemijska svojstva cikloalkana
Hemijska svojstva cikloalkana s više od četiri atoma ugljika u svojim prstenovima su, općenito, gotovo identična svojstvima alkana. Čudno je da ciklopropan i ciklobutan karakteriziraju reakcije adicije. To je zbog visoke napetosti unutar ciklusa, što dovodi do činjenice da ovi ciklusi imaju tendenciju prekida. Tako ciklopropan i ciklobutan lako dodaju brom, vodik ili klorovodik:
Hemijska svojstva alkena
1. Reakcije sabiranja
Budući da se dvostruka veza u molekulima alkena sastoji od jedne jake sigma i jedne slabe pi veze, oni su prilično aktivni spojevi koji lako prolaze kroz reakcije adicije. Alkeni često prolaze kroz takve reakcije čak i u blagim uslovima - na hladnoći, u vodenim rastvorima i organskim rastvaračima.
Hidrogenacija alkena
Alkeni su sposobni da dodaju vodonik u prisustvu katalizatora (platina, paladijum, nikl):
CH 3 -CH = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Hidrogenacija alkena se odvija lako čak i pri normalnom pritisku i blagom zagrijavanju. Zanimljiva je činjenica da se isti katalizatori mogu koristiti za dehidrogenaciju alkana u alkene, samo što se proces dehidrogenacije odvija na višoj temperaturi i nižem pritisku.
Halogenacija
Alkeni se lako podvrgavaju reakcijama adicije sa bromom kako u vodenom rastvoru tako iu organskim rastvaračima. Kao rezultat interakcije, prvobitno žute otopine broma gube boju, tj. postanu obezbojeni.
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hidrohalogenacija
Kao što je lako vidjeti, dodavanje halogenovodonika molekuli nesimetričnog alkena bi, teoretski, trebalo dovesti do mješavine dva izomera. Na primjer, kada se bromovodonik doda propenu, trebali bi se dobiti sljedeći proizvodi:
Međutim, u nedostatku specifičnih uslova (na primjer, prisutnost peroksida u reakcijskoj smjesi), dodavanje molekule halogen vodika će se dogoditi striktno selektivno u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Dodavanje halogenvodika alkenu se događa na način da se atomu ugljika s većim brojem atoma vodika (više hidrogeniranim) dodaje vodik, a atomu ugljika s manjim brojem vodika dodaje se halogen. atomi (manje hidrogenirani).
Hidratacija
Ova reakcija dovodi do stvaranja alkohola, a također se odvija u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Kao što možete lako pretpostaviti, zbog činjenice da se dodavanje vode molekuli alkena odvija prema Markovnikovom pravilu, formiranje primarnog alkohola moguće je samo u slučaju hidratacije etilena:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
Upravo kroz ovu reakciju najveći dio etilnog alkohola se provodi u velikoj industriji.
Polimerizacija
Specifičan slučaj reakcije adicije je reakcija polimerizacije, koja se, za razliku od halogenacije, hidrohalogenacije i hidratacije, odvija mehanizmom slobodnih radikala:
Reakcije oksidacije
Kao i svi drugi ugljikovodici, alkeni lako sagorevaju u kisiku i stvaraju ugljični dioksid i vodu. Jednačina za sagorijevanje alkena u višku kisika ima oblik:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Za razliku od alkana, alkeni se lako oksidiraju. Kada su alkeni izloženi vodenom rastvoru KMnO 4, dolazi do promene boje, što je kvalitativna reakcija na dvostruke i trostruke CC veze u molekulima organskih supstanci.
Oksidacija alkena kalijevim permanganatom u neutralnoj ili slabo alkalnoj otopini dovodi do stvaranja diola (dihidričnih alkohola):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (hlađenje)
U kiseloj sredini, dvostruka veza je potpuno prekinuta i atomi ugljika koji su formirali dvostruku vezu pretvaraju se u karboksilne grupe:
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 (zagrijavanje)
Ako se dvostruka C=C veza nalazi na kraju molekule alkena, tada nastaje ugljični dioksid kao produkt oksidacije najudaljenijeg atoma ugljika na dvostrukoj vezi. To je zbog činjenice da se međuprodukt oksidacije, mravlja kiselina, lako oksidira u višku oksidacijskog sredstva:
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 (grijanje)
Oksidacija alkena u kojoj C atom na dvostrukoj vezi sadrži dva ugljikovodična supstituenta proizvodi keton. Na primjer, oksidacija 2-metilbutena-2 proizvodi aceton i octenu kiselinu.
Oksidacija alkena, u kojoj se ugljični kostur razbije na dvostrukoj vezi, koristi se za određivanje njihove strukture.
Hemijska svojstva alkadiena
Reakcije sabiranja
Na primjer, dodavanje halogena:
Bromna voda postaje bezbojna.
U normalnim uvjetima, dodavanje atoma halogena događa se na krajevima molekule 1,3-butadiena, dok se π-veze prekidaju, atomi broma se dodaju ekstremnim atomima ugljika, a slobodne valencije formiraju novu π-vezu . Tako dolazi do „kretanja“ dvostruke veze. Ako postoji višak broma, može se dodati još jedan molekul na mjesto formirane dvostruke veze.
Reakcije polimerizacije
Hemijska svojstva alkina
Alkini su nezasićeni (nezasićeni) ugljovodonici i stoga su sposobni da prolaze kroz reakcije adicije. Među reakcijama adicije za alkine, elektrofilna adicija je najčešća.
Halogenacija
Budući da se trostruka veza alkinskih molekula sastoji od jedne jače sigma veze i dvije slabije pi veze, one su u stanju da vežu jedan ili dva molekula halogena. Dodavanje dva molekula halogena jednoj molekuli alkina odvija se kroz elektrofilni mehanizam uzastopno u dvije faze:
Hidrohalogenacija
Dodavanje molekula halogenovodonika također se odvija putem elektrofilnog mehanizma i to u dvije faze. U obje etape pristupanje se odvija u skladu s Markovnikovovim pravilom:
Hidratacija
Dodavanje vode alkinima događa se u prisustvu ruti soli u kiseloj sredini i naziva se Kucherovljeva reakcija.
Kao rezultat hidratacije, dodavanje vode acetilenu proizvodi acetaldehid (octeni aldehid):
Za homologe acetilena, dodavanje vode dovodi do stvaranja ketona:
Hidrogenacija alkina
Alkini reaguju sa vodonikom u dva koraka. Metali kao što su platina, paladijum i nikl se koriste kao katalizatori:
Trimerizacija alkina
Kada se acetilen prebacuje preko aktivnog ugljena na visokoj temperaturi, iz njega nastaje mješavina raznih proizvoda, od kojih je glavni benzen, produkt trimerizacije acetilena:
Dimerizacija alkina
Acetilen također prolazi kroz reakciju dimerizacije. Proces se odvija u prisustvu soli bakra kao katalizatora:
Alkinska oksidacija
Alkini sagorevaju u kiseoniku:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O
Reakcija alkina sa bazama
Alkini sa trostrukim C≡C na kraju molekula, za razliku od drugih alkina, mogu da uđu u reakcije u kojima se atom vodonika na trostrukoj vezi zamenjuje metalom. Na primjer, acetilen reagira s natrijevim amidom u tekućem amonijaku:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,
a također i s otopinom srebrnog oksida amonijaka, tvoreći nerastvorljive tvari slične solima zvane acetilenidi:
Zahvaljujući ovoj reakciji moguće je prepoznati alkine sa terminalnom trostrukom vezom, kao i izolovati takav alkin iz mješavine s drugim alkinima.
Treba napomenuti da su svi acetilenidi srebra i bakra eksplozivne tvari.
Acetilenidi su sposobni da reaguju sa halogenim derivatima, što se koristi u sintezi složenijih organskih jedinjenja sa trostrukom vezom:
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
Hemijska svojstva aromatičnih ugljovodonika
Aromatična priroda veze utiče na hemijska svojstva benzena i drugih aromatičnih ugljovodonika.
Jedinstveni 6pi elektronski sistem je mnogo stabilniji od običnih pi veza. Stoga su reakcije supstitucije prije nego reakcije adicije tipičnije za aromatične ugljikovodike. Areni se podvrgavaju reakcijama supstitucije putem elektrofilnog mehanizma.
Reakcije supstitucije
Halogenacija
Nitracija
Reakcija nitriranja najbolje se odvija pod utjecajem ne čiste dušične kiseline, već njene mješavine s koncentriranom sumpornom kiselinom, tzv.
Alkilacija
Reakcija u kojoj je jedan od atoma vodika u aromatičnom prstenu zamijenjen ugljikovodičnim radikalom:
Alkeni se također mogu koristiti umjesto halogeniranih alkana. Kao katalizatori mogu se koristiti aluminijum halogenidi, feri halogenidi ili neorganske kiseline.<
Reakcije sabiranja
Hidrogenacija
Dodatak hlora
Nastavlja se preko radikalnog mehanizma nakon intenzivnog zračenja ultraljubičastom svjetlošću:
Slična reakcija se može dogoditi samo s hlorom.
Reakcije oksidacije
Sagorijevanje
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Nepotpuna oksidacija
Benzenski prsten je otporan na oksidirajuća sredstva kao što su KMnO 4 i K 2 Cr 2 O 7 . Nema reakcije.
Supstituenti na benzenskom prstenu podijeljeni su u dvije vrste:
Razmotrimo hemijska svojstva homologa benzena koristeći toluen kao primjer.
Hemijska svojstva toluena
Halogenacija
Može se smatrati da se molekul toluena sastoji od fragmenata molekula benzena i metana. Stoga je logično pretpostaviti da bi hemijska svojstva toluena u određenoj mjeri trebala kombinovati hemijska svojstva ove dvije supstance odvojene. To je često ono što se uočava tokom njegovog halogeniranja. Već znamo da benzen prolazi reakciju supstitucije sa hlorom putem elektrofilnog mehanizma, a za izvođenje te reakcije potrebno je koristiti katalizatore (aluminijum ili feri halogenide). U isto vrijeme, metan također može reagirati sa hlorom, ali putem mehanizma slobodnih radikala, što zahtijeva zračenje početne reakcione smjese UV svjetlom. Toluen, u zavisnosti od uslova pod kojima je podvrgnut hloriranju, može dati ili proizvode supstitucije atoma vodika u benzenskom prstenu - za to morate koristiti iste uslove kao za hloriranje benzena, ili proizvode supstitucije vodika atomi u metil radikalu, ako jeste, kako klor djeluje na metan pod ultraljubičastim zračenjem:
Kao što možete vidjeti, kloriranje toluena u prisustvu aluminij klorida dovelo je do dva različita proizvoda - orto- i para-klorotoluena. To je zbog činjenice da je metilni radikal supstituent prve vrste.
Ako se kloriranje toluena u prisustvu AlCl 3 vrši u višku klora, moguće je stvaranje trikloro supstituiranog toluena:
Slično, kada se toluen klorira na svjetlu pri većem omjeru hlor/toluen, može se dobiti diklorometilbenzen ili triklorometilbenzen:
Nitracija
Zamjena atoma vodika s nitro grupom tokom nitriranja toluena mješavinom koncentriranih dušičnih i sumpornih kiselina dovodi do supstitucijskih proizvoda u aromatičnom prstenu, a ne metil radikalu:
Alkilacija
Kao što je već spomenuto, metilni radikal je orijentaciono sredstvo prve vrste, pa njegova alkilacija prema Friedel-Craftsu dovodi do supstitucijskih proizvoda u orto- i para-položajima:
Reakcije sabiranja
Toluen se može hidrogenirati u metilcikloheksan pomoću metalnih katalizatora (Pt, Pd, Ni):
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
Nepotpuna oksidacija
Kada je izložen oksidirajućem agensu kao što je vodeni rastvor kalijum permanganata, bočni lanac prolazi kroz oksidaciju. Aromatično jezgro ne može oksidirati u takvim uvjetima. U tom slučaju, ovisno o pH otopine, formirat će se ili karboksilna kiselina ili njena sol.
Ugljovodonici u čijim su molekulima atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju opštoj formuli C n H 2 n +2.
U molekulama alkana, svi atomi ugljika su u stanju sp 3 hibridizacije. To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene su na uglove jednakostranične trokutne piramide - tetraedra. Uglovi između orbitala su 109° 28′.
Gotovo slobodna rotacija je moguća oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekule alkana mogu poprimiti širok raspon oblika sa uglovima kod atoma ugljika blizu tetraedarskog (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentan.
Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulima alkana. Sve veze u molekulima zasićenih ugljovodonika su jednostruke. Preklapanje se dešava duž ose,
povezuju jezgra atoma, odnosno to su σ veze. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo polarizabilne. Dužina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je malo pomjerena prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarna.
Odsustvo polarnih veza u molekulima zasićenih ugljikovodika dovodi do činjenice da su slabo topljivi u vodi i da ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (ionima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodne radikale.
Homologni niz metana
Homolozi- tvari koje su slične po strukturi i svojstvima i koje se razlikuju po jednoj ili više CH 2 grupa.
Izomerizam i nomenklatura
Alkane karakteriše takozvani strukturni izomerizam. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljičnog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan. 
Osnove nomenklature
1. Izbor glavnog kola. Formiranje imena ugljikovodika počinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca atoma ugljika u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.
2. Numeracija atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeracija atoma glavnog lanca počinje od kraja kojem je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, onda numerisanje počinje od kraja na kojem ih ima više (struktura B). Ako se različiti supstituenti nalaze na jednakim udaljenostima od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojem je stariji najbliži (struktura D). Starost ugljikovodičnih supstituenata određuje se redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihovo ime: metil (-CH 3), zatim etil (-CH 2 -CH 3), propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) itd.
Imajte na umu da se naziv supstituenta formira zamjenom sufiksa -an sufiksom - mulj u ime odgovarajućeg alkana.
3. Formiranje imena. Na početku naziva su naznačeni brojevi - brojevi atoma ugljika na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na datom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, broj supstituenata je označen crticom ( di- dva, tri- tri, tetra- četiri, penta- pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac se naziva ugljovodonik - član homolognog niza metana ( metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan S 9 N 20, dekan C 10 H 22).
Fizička svojstva alkana
Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su gasovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "plina", kada ga osjetite, trebate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju u metan koji se koristi u kućnim i industrijskim plinskim uređajima kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mogli prepoznati curenje po mirisu).
Ugljovodonici sastava od C 4 H 12 do C 15 H 32 su tečnosti; Teži ugljovodonici su čvrste materije. Tačke ključanja i topljenja alkana postepeno se povećavaju sa povećanjem dužine ugljičnog lanca. Svi ugljovodonici su slabo rastvorljivi u vodi; tečni ugljovodonici su uobičajeni organski rastvarači.
Hemijska svojstva alkana
Reakcije supstitucije.
Najkarakterističnije reakcije za alkane su reakcije supstitucije slobodnih radikala, tokom kojih se atom vodika zamjenjuje atomom halogena ili nekom grupom. Predstavimo jednadžbe karakterističnih reakcija halogeniranje: 
U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika klorom: 
Dobivene supstance se široko koriste kao rastvarači i polazni materijali u organskim sintezama.
Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodonika).
Kada se alkani prođu preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), eliminiše se molekul vodonika i formira se alken:
Reakcije praćene uništavanjem ugljičnog lanca.
Svi zasićeni ugljovodonici sagorevaju i formiraju ugljični dioksid i vodu. Plinoviti ugljovodonici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.
1. Sagorijevanje zasićenih ugljovodonika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se alkani koriste kao gorivo:
Općenito, reakcija sagorijevanja alkana može se zapisati na sljedeći način:
2. Termičko cijepanje ugljovodonika.
Proces se odvija putem mehanizma slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.
Ovi radikali međusobno djeluju, razmjenjujući atom vodika, kako bi formirali molekulu alkana i molekulu alkena:
Reakcije termičke razgradnje su u osnovi industrijskog procesa krekiranja ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.
3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, počinje piroliza metana - razlaganje na jednostavne tvari: 
Kada se zagrije na temperaturu od 1500 °C, moguće je stvaranje acetilena:
4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju katalizatorom izomerizacije (aluminij klorid), nastaju tvari s razgranatim ugljičnim skeletom: 
5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora i formiraju benzen i njegove derivate: 
Alkani ulaze u reakcije koje se odvijaju prema mehanizmu slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulima alkana u stanju sp 3 hibridizacije. Molekuli ovih supstanci su izgrađeni pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodonik) veza. Ne sadrže područja sa povećanom ili smanjenom elektronskom gustoćom, niti lako polarizabilne veze, odnosno takve veze u kojima se elektronska gustoća može pomjerati pod utjecajem vanjskih faktora (elektrostatička polja jona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, jer veze u molekulima alkana nisu prekinute heterolitičkim mehanizmom. 
DEFINICIJA
Alkanes nazivaju se zasićeni ugljikovodici, čije se molekule sastoje od atoma ugljika i vodika međusobno povezanih samo σ vezama.
U normalnim uslovima (na 25 o C i atmosferskom pritisku), prva četiri člana homolognog niza alkana (C 1 - C 4) su gasovi. Normalni alkani od pentana do heptadekana (C 5 - C 17) su tečnosti, počevši od C 18 i više su čvrste materije. Kako se relativna molekulska težina povećava, temperature ključanja i topljenja alkana se povećavaju. Sa istim brojem atoma ugljika u molekuli, razgranati alkani imaju niže tačke ključanja od normalnih alkana. Struktura molekula alkana na primjeru metana prikazana je na Sl. 1.
Rice. 1. Struktura molekula metana.
Alkani su praktično netopivi u vodi, jer su njihovi molekuli niskopolarni i ne stupaju u interakciju s molekulima vode. Tečni alkani se lako miješaju jedni s drugima. Dobro se otapaju u nepolarnim organskim rastvaračima kao što su benzen, ugljen-tetrahlorid, dietil eter itd.
Priprema alkana
Glavni izvori različitih zasićenih ugljikovodika koji sadrže do 40 atoma ugljika su nafta i prirodni plin. Alkani s malim brojem atoma ugljika (1 - 10) mogu se izolirati frakcijskom destilacijom prirodnog plina ili benzinske frakcije nafte.
Postoje industrijske (I) i laboratorijske (II) metode za proizvodnju alkana.
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).
— hidrogeniranje nezasićenih ugljovodonika
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
- redukcija haloalkana
C 2 H 5 I + HI →C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- alkalne reakcije topljenja soli jednobaznih organskih kiselina
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
— interakcija haloalkana sa metalnim natrijem (Wurtz reakcija)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
— elektroliza soli jednobaznih organskih kiselina
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 .
Hemijska svojstva alkana
Alkani spadaju među najmanje reaktivna organska jedinjenja, što se objašnjava njihovom strukturom.
Alkani u normalnim uslovima ne reaguju sa koncentrisanim kiselinama, rastopljenim i koncentrisanim alkalijama, alkalnim metalima, halogenima (osim fluora), kalijum permanganatom i kalijum dihromatom u kiseloj sredini.
Za alkane, najtipičnije su reakcije koje se odvijaju radikalnim mehanizmom. Homolitičko cijepanje C-H i C-C veza je energetski povoljnije od njihovog heterolitičkog cijepanja.
Reakcije radikalne supstitucije najlakše se odvijaju na tercijarnom atomu ugljika, zatim na sekundarnom atomu ugljika i na kraju na primarnom atomu ugljika.
Sve hemijske transformacije alkana odvijaju se cijepanjem:
1) C-H veze
— halogeniranje (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- nitracija (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (razblažen) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
— sulfohlorisanje (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- dehidrogenacija
CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
- dehidrociklizacija
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) C-H i C-C veze
- izomerizacija (intramolekulsko preuređenje)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3, t 0).
- oksidacija
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0 , p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n+1) H 2 O (t 0).
Primjena alkana
Alkani su našli primenu u raznim industrijama. Razmotrimo detaljnije, koristeći primjer nekih predstavnika homolognog niza, kao i mješavine alkana.
Metan čini sirovinsku osnovu za najvažnije hemijske industrijske procese za proizvodnju ugljenika i vodonika, acetilena, organskih jedinjenja koja sadrže kiseonik - alkohola, aldehida, kiselina. Propan se koristi kao gorivo za automobile. Butan se koristi za proizvodnju butadiena, koji je sirovina za proizvodnju sintetičke gume.
Mešavina tečnih i čvrstih alkana do C 25, nazvana vazelin, koristi se u medicini kao osnova za masti. Mješavina čvrstih alkana C 18 - C 25 (parafin) koristi se za impregnaciju različitih materijala (papir, tkanine, drvo) kako bi im se dala hidrofobna svojstva, tj. nekvašenje vodom. U medicini se koristi za fizioterapeutske procedure (parafinsko liječenje).
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Prilikom hlorisanja metana dobijeno je 1,54 g jedinjenja čija je gustina pare u vazduhu 5,31. Izračunajte masu mangan-dioksida MnO 2 koja će biti potrebna za proizvodnju klora ako je omjer volumena metana i klora unesenih u reakciju 1:2. |
| Rješenje | Odnos mase datog gasa prema masi drugog gasa uzetog u istoj zapremini, na istoj temperaturi i istom pritisku naziva se relativna gustina prvog gasa prema drugom. Ova vrijednost pokazuje koliko je puta prvi plin teži ili lakši od drugog plina. Uzima se relativna molekularna težina zraka 29 (uzimajući u obzir sadržaj dušika, kisika i drugih plinova u zraku). Treba napomenuti da se koncept "relativne molekularne mase zraka" koristi uvjetno, jer je zrak mješavina plinova. Nađimo molarnu masu gasa koji nastaje tokom hlorisanja metana: M gas = 29 × D vazduh (gas) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Ovo je ugljen-tetrahlorid - CCl 4. Napišimo jednačinu reakcije i uredimo stehiometrijske koeficijente: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. Izračunajmo količinu tvari ugljičnog tetrahlorida: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Prema jednadžbi reakcije n(CCl 4) : n(CH 4) = 1:1, što znači n(CH 4) = n(CCl 4) = 0,01 mol. Tada bi količina supstance hlora trebala biti jednaka n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), tj. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Napišimo jednadžbu reakcije za proizvodnju hlora: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Broj molova mangan dioksida je 0,08 mola, jer n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Pronađite masu mangan dioksida: 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. |
| Odgovori | Masa mangan-dioksida je 10,4 g. |
PRIMJER 2
