Alkaanide keemilised omadused
Alkaanid (parafiinid) on mittetsüklilised süsivesinikud, mille molekulides on kõik süsinikuaatomid ühendatud ainult üksiksidemetega. Teisisõnu, alkaanide molekulides pole mitmik-, kaksik- ega kolmiksidemeid. Tegelikult on alkaanid süsivesinikud, mis sisaldavad võimalikult palju vesinikuaatomeid ja seetõttu nimetatakse neid piiravateks (küllastunud).
Küllastumise tõttu ei saa alkaanid liitumisreaktsioonidesse astuda.
Kuna süsiniku ja vesiniku aatomite elektronegatiivsus on üsna lähedane, põhjustab see asjaolu, et nende molekulide CH-sidemed on äärmiselt madala polaarsusega. Sellega seoses on alkaanidele iseloomulikumad reaktsioonid, mis kulgevad radikaalse asendusmehhanismi järgi, mida tähistatakse sümboliga SR.
1. Asendusreaktsioonid
Seda tüüpi reaktsioonides katkevad süsinik-vesiniksidemed.
RH + XY → RX + HY
Halogeenimine
Alkaanid reageerivad halogeenidega (kloor ja broom) ultraviolettkiirguse või tugeva kuumuse toimel. Sel juhul moodustub erineva vesinikuaatomite asendusastmega halogeeni derivaatide segu - mono-, di-tri- jne. halogeen-asendatud alkaanid.
Metaani näitel näeb see välja järgmine:
Muutes reaktsioonisegus halogeeni/metaani suhet, on võimalik tagada, et toodete koostises on ülekaalus mõni konkreetne metaani halogeeni derivaat.
reaktsioonimehhanism
Analüüsime vabade radikaalide asendusreaktsiooni mehhanismi metaani ja kloori interaktsiooni näitel. See koosneb kolmest etapist:
- initsiatsioon (või ahelinitsiatsioon) - vabade radikaalide moodustumise protsess väljast tuleva energia toimel - kiiritamine UV-valgusega või kuumutamine. Selles etapis toimub kloori molekulis Cl-Cl sideme homolüütiline lõhustamine, mille käigus moodustuvad vabad radikaalid:
Nagu ülaltoodud jooniselt näha, nimetatakse vabu radikaale aatomiteks või aatomirühmadeks, millel on üks või enam paardumata elektroni (Cl, H, CH 3, CH 2 jne);
2. Ahela arendamine
See etapp seisneb aktiivsete vabade radikaalide koostoimes mitteaktiivsete molekulidega. Sel juhul moodustuvad uued radikaalid. Eelkõige siis, kui klooriradikaalid mõjutavad alkaanimolekule, moodustub alküülradikaal ja vesinikkloriid. Alküülradikaal, põrkudes kloori molekulidega, moodustab omakorda kloori derivaadi ja uue klooriradikaali:
3) Keti katkemine (surm):
Tekib kahe radikaali rekombinatsiooni tulemusena üksteisega mitteaktiivseteks molekulideks:
2. Oksüdatsioonireaktsioonid
Normaalsetes tingimustes on alkaanid inertsed selliste tugevate oksüdeerivate ainete suhtes nagu kontsentreeritud väävel- ja lämmastikhape, permanganaat ja kaaliumdikromaat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Põlemine hapnikus
A) täielik põlemine liigse hapnikuga. Viib süsihappegaasi ja vee moodustumiseni:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
B) mittetäielik põlemine hapnikupuudusega:
2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O
CH4 + O2 \u003d C + 2H2O
Katalüütiline oksüdatsioon hapnikuga
Alkaanide hapnikuga (~200 o C) kuumutamise tulemusena katalüsaatorite juuresolekul saab neist väga erinevaid orgaanilisi tooteid: aldehüüde, ketoone, alkohole, karboksüülhappeid.
Näiteks võib metaani sõltuvalt katalüsaatori olemusest oksüdeerida metüülalkoholiks, formaldehüüdiks või sipelghappeks:
3. Alkaanide termilised muundumised
Pragunemine
Pragunemine (inglise keelest crack - to tear) on kõrgel temperatuuril toimuv keemiline protsess, mille tulemusena alkaanimolekulide süsiniku karkass puruneb, mille tulemusena moodustuvad alkeenid ja alkaanimolekulid, mille molekulmass on algsete alkaanidega võrreldes väiksem. Näiteks:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH2
Krakkimine võib olla termiline või katalüütiline. Katalüütilise krakkimise teostamiseks kasutatakse tänu katalüsaatorite kasutamisele oluliselt madalamaid temperatuure võrreldes termilise krakkimisega.
Dehüdrogeenimine
Vesiniku elimineerimine toimub CH-sidemete katkemise tulemusena; viiakse läbi katalüsaatorite juuresolekul kõrgendatud temperatuuridel. Metaani dehüdrogeenimine annab atsetüleeni:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Metaani kuumutamine temperatuurini 1200 ° C viib selle lagunemiseni lihtsateks aineteks:
CH4 → C + 2H 2
Teiste alkaanide dehüdrogeenimine annab alkeenid:
C2H6 → C2H4 + H2
Dehüdrogeenimisel n Moodustuvad -butaan, buteen-1 ja buteen-2 (viimane kujul cis- Ja transs-isomeerid):
Dehüdrotsüklistamine
Isomerisatsioon
Tsükloalkaanide keemilised omadused
Tsükloalkaanide, mille tsüklites on rohkem kui neli süsinikuaatomit, keemilised omadused on üldiselt peaaegu identsed alkaanide omadega. Tsüklopropaani ja tsüklobutaani puhul on kummalisel kombel iseloomulikud liitumisreaktsioonid. See on tingitud kõrgest pingest tsükli sees, mis viib selleni, et need tsüklid kipuvad katkema. Nii et tsüklopropaan ja tsüklobutaan lisavad kergesti broomi, vesinikku või vesinikkloriidi:
Alkeenide keemilised omadused
1. Lisamisreaktsioonid
Kuna alkeeni molekulide kaksikside koosneb ühest tugevast sigma- ja ühest nõrgast pi-sidemest, on need üsna aktiivsed ühendid, mis lähevad kergesti liitumisreaktsioonidesse. Alkeenid osalevad sageli sellistes reaktsioonides isegi kergetes tingimustes - külmas, vesilahustes ja orgaanilistes lahustites.
Alkeenide hüdrogeenimine
Alkeenid on võimelised lisama vesinikku katalüsaatorite (plaatina, pallaadium, nikkel) juuresolekul:
CH3-CH \u003d CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3
Alkeenide hüdrogeenimine kulgeb kergesti isegi normaalrõhul ja vähesel kuumutamisel. Huvitav fakt on see, et alkaanide alkeenideks dehüdrogeenimiseks saab kasutada samu katalüsaatoreid, ainult dehüdrogeenimine toimub kõrgemal temperatuuril ja madalamal rõhul.
Halogeenimine
Alkeenid astuvad kergesti broomiga liitumisreaktsiooni nii vesilahuses kui ka orgaanilistes lahustites. Interaktsiooni tulemusena kaotavad esialgu broomi kollased lahused oma värvi, s.t. värvi muutma.
CH2 \u003d CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br
Hüdrohalogeenimine
On lihtne näha, et vesinikhalogeniidi lisamine ebasümmeetrilisele alkeeni molekulile peaks teoreetiliselt viima kahe isomeeri seguni. Näiteks kui propeenile lisatakse vesinikbromiidi, tuleks saada järgmised tooted:
Sellegipoolest toimub konkreetsete tingimuste puudumisel (näiteks peroksiidide olemasolu reaktsioonisegus) vesinikhalogeniidi molekuli lisamine rangelt selektiivselt vastavalt Markovnikovi reeglile:
Vesinikhalogeniidi lisamine alkeenile toimub nii, et vesinik on seotud suurema arvu vesinikuaatomitega süsinikuaatomiga (rohkem hüdrogeenitud) ja halogeen on seotud väiksema vesinikuaatomite arvuga süsinikuaatomiga (vähem hüdrogeenitud).
Niisutus
See reaktsioon viib alkoholide moodustumiseni ja kulgeb ka vastavalt Markovnikovi reeglile:
Nagu võite arvata, kuna vee lisamine alkeeni molekulile toimub Markovnikovi reegli kohaselt, on primaarse alkoholi moodustumine võimalik ainult etüleeni hüdratatsiooni korral:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
Just selle reaktsiooniga viiakse suure võimsusega tööstuses läbi peamine kogus etüülalkoholi.
Polümerisatsioon
Liitmisreaktsiooni spetsiifiline juhtum on polümerisatsioonireaktsioon, mis erinevalt halogeenimisest, hüdrohalogeenimisest ja hüdratsioonist toimub vabade radikaalide mehhanismi kaudu:
Oksüdatsioonireaktsioonid
Nagu kõik teised süsivesinikud, põlevad alkeenid kergesti hapnikus, moodustades süsinikdioksiidi ja vett. Alkeenide põlemise võrrand liigses hapnikus on järgmine:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Erinevalt alkaanidest oksüdeeruvad alkeenid kergesti. KMnO 4 vesilahuse toimel alkeenidele värvimuutus, mis on kvalitatiivne reaktsioon orgaaniliste ainete molekulide topelt- ja kolmekordsetele CC-sidemetele.
Alkeenide oksüdeerimine kaaliumpermanganaadiga neutraalses või kergelt leeliselises lahuses põhjustab dioolide (dihüdroksüülsete alkoholide) moodustumist:
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2 MnO 2 + 2KOH (jahutus)
Happelises keskkonnas toimub kaksiksideme täielik lõhustumine koos kaksiksideme moodustanud süsinikuaatomite muundumisega karboksüülrühmadeks:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8 MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (küte)
Kui C=C kaksikside on alkeenimolekuli lõpus, tekib kaksiksideme äärmise süsinikuaatomi oksüdatsiooniproduktina süsinikdioksiid. See on tingitud asjaolust, et oksüdatsiooni vaheprodukt, sipelghape, oksüdeerub kergesti oksüdeeriva aine liias:
5CH 3 CH=CH 2 + 10 KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10 MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20 H 2 O (küte)
Alkeenide oksüdeerimisel, kus kaksiksideme C-aatom sisaldab kahte süsivesiniku asendajat, moodustub ketoon. Näiteks 2-metüülbuteen-2 oksüdeerimisel tekib atsetoon ja äädikhape.
Alkeenide oksüdatsiooni, mis lõhub kaksiksideme süsiniku karkassi, kasutatakse nende struktuuri kindlaksmääramiseks.
Alkadieenide keemilised omadused
Lisamisreaktsioonid
Näiteks halogeenide lisamine:
Broomivesi muutub värvituks.
Normaaltingimustes toimub halogeeniaatomite lisandumine butadieen-1,3 molekuli otstes, samas kui π sidemed katkevad, broomi aatomid kinnituvad äärmuslikele süsinikuaatomitele ja vabad valentsid moodustavad uue π sideme. Seega justkui toimub kaksiksideme "liikumine". Broomi liia korral saab moodustunud kaksiksideme kohta lisada veel ühe broomi molekuli.
polümerisatsioonireaktsioonid
Alküünide keemilised omadused
Alküünid on küllastumata (küllastumata) süsivesinikud ja seetõttu võivad nad osaleda liitumisreaktsioonides. Alküünide liitumisreaktsioonidest on kõige levinum elektrofiilne liitmine.
Halogeenimine
Kuna alküünmolekulide kolmikside koosneb ühest tugevamast sigma- ja kahest nõrgemast pi-sidemest, on nad võimelised siduma kas ühe või kaks halogeenmolekuli. Kahe halogeenmolekuli lisamine ühe alküünmolekuliga toimub elektrofiilse mehhanismi abil järjestikku kahes etapis:
Hüdrohalogeenimine
Vesinikhalogeniidi molekulide lisamine toimub samuti elektrofiilse mehhanismi abil ja kahes etapis. Mõlemas etapis toimub lisamine vastavalt Markovnikovi reeglile:
Niisutus
Vee lisamine alküünidele toimub rutiumisoolade juuresolekul happelises keskkonnas ja seda nimetatakse Kucherovi reaktsiooniks.
Atsetüleenile vee lisamise hüdratsiooni tulemusena moodustub atseetaldehüüd (äädikhappe aldehüüd):
Atsetüleeni homoloogide puhul põhjustab vee lisamine ketoonide moodustumist:
Alküüni hüdrogeenimine
Alküünid reageerivad vesinikuga kahes etapis. Katalüsaatoritena kasutatakse metalle nagu plaatina, pallaadium, nikkel:
Alküüni trimeriseerimine
Kui atsetüleeni juhitakse kõrgel temperatuuril üle aktiivsöe, moodustub sellest mitmesuguste toodete segu, millest peamine on benseen, atsetüleeni trimerisaadus:
Alküünide dimerisatsioon
Atsetüleen osaleb ka dimerisatsioonireaktsioonis. Protsess toimub katalüsaatoritena vasesoolade juuresolekul:
Alküünide oksüdatsioon
Alküünid põlevad hapnikus:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Alküünide interaktsioon alustega
Alküünid, mille molekuli lõpus on kolmik C≡C, on erinevalt teistest alküünidest võimelised astuma reaktsioonidesse, kus kolmiksideme vesinikuaatom asendub metalliga. Näiteks atsetüleen reageerib vedelas ammoniaagis naatriumamiidiga:
HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,
ja ka hõbeoksiidi ammoniaagilahusega, moodustades lahustumatuid soolataolisi aineid, mida nimetatakse atsetüleniidideks:
Tänu sellele reaktsioonile on võimalik ära tunda terminaalse kolmiksidemega alküüne, samuti isoleerida selline alküün segust teiste alküünidega.
Tuleb märkida, et kõik hõbeda ja vase atsetüleniidid on plahvatusohtlikud ained.
Atsetüliidid on võimelised reageerima halogeeni derivaatidega, mida kasutatakse keerukamate kolmiksidemega orgaaniliste ühendite sünteesil:
CH3 -C≡CH + NaNH2 → CH3 -C≡CNa + NH3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Aromaatsete süsivesinike keemilised omadused
Sideme aromaatne olemus mõjutab benseenide ja teiste aromaatsete süsivesinike keemilisi omadusi.
Üks 6pi elektronsüsteem on palju stabiilsem kui tavalised pi-sidemed. Seetõttu on aromaatsete süsivesinike puhul asendusreaktsioonid iseloomulikumad kui liitumisreaktsioonid. Areenid sisenevad asendusreaktsioonidesse elektrofiilse mehhanismi kaudu.
Asendusreaktsioonid
Halogeenimine
Nitreerimine
Nitreerimisreaktsioon kulgeb kõige paremini mitte puhta lämmastikhappe, vaid selle segu kontsentreeritud väävelhappega, nn nitreerimissegu toimel:
Alküleerimine
Reaktsioon, mille käigus üks aromaatse tuuma vesinikuaatomitest asendatakse süsivesiniku radikaaliga:
Halogeenitud alkaanide asemel võib kasutada ka alkeene. Katalüsaatoritena võib kasutada alumiiniumhalogeniide, raudraudhalogeniide või anorgaanilisi happeid.<
Lisamisreaktsioonid
hüdrogeenimine
Kloori liitumine
See toimub radikaalse mehhanismi abil intensiivse ultraviolettkiirgusega kiiritamisel:
Samamoodi võib reaktsioon toimuda ainult klooriga.
Oksüdatsioonireaktsioonid
Põlemine
2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
mittetäielik oksüdatsioon
Benseenitsükkel on vastupidav oksüdeerivatele ainetele nagu KMnO 4 ja K 2 Cr 2 O 7 . Reaktsioon ei lähe.
Benseenitsükli asendajate jagunemine kahte tüüpi:
Mõelge benseeni homoloogide keemilistele omadustele, kasutades näitena tolueeni.
Tolueeni keemilised omadused
Halogeenimine
Tolueeni molekuli võib pidada benseeni ja metaani molekulide fragmentidest koosnevaks. Seetõttu on loogiline eeldada, et tolueeni keemilised omadused peaksid mingil määral ühendama nende kahe aine keemilised omadused eraldi võetuna. Eelkõige on see just see, mida täheldatakse selle halogeenimise ajal. Teame juba, et benseen astub elektrofiilse mehhanismi abil klooriga asendusreaktsiooni ja selle reaktsiooni läbiviimiseks tuleb kasutada katalüsaatoreid (alumiinium- või raudhalogeniide). Samal ajal on metaan võimeline reageerima ka klooriga, kuid seda vabade radikaalide mehhanismi abil, mis nõuab esialgse reaktsioonisegu kiiritamist UV-valgusega. Sõltuvalt kloorimise tingimustest on tolueen võimeline andma benseenitsüklis vesinikuaatomite asendusprodukte - selleks peate kasutama samu tingimusi nagu benseeni kloorimisel, või asendusprodukte. vesinikuaatomitest metüülradikaalis, kui see on peal, kuidas toimida metaanile klooriga ultraviolettvalgusega kiiritamisel:
Nagu näete, andis tolueeni kloorimine alumiiniumkloriidi juuresolekul kahe erineva produkti - orto- ja paraklorotolueeni. See on tingitud asjaolust, et metüülradikaal on esimest tüüpi asendaja.
Kui tolueeni kloorimine AlCl3 juuresolekul viiakse läbi kloori ülemäärases koguses, on võimalik triklooriga asendatud tolueeni moodustumine:
Samamoodi, kui tolueeni klooritakse valguse käes kõrgema kloori/tolueeni suhtega, võib saada diklorometüülbenseeni või triklorometüülbenseeni:
Nitreerimine
Vesinikuaatomite asendamine nitrorühmaga tolueeni nitreerimisel kontsentreeritud lämmastik- ja väävelhappe seguga põhjustab asendusprodukte aromaatses tuumas, mitte metüülradikaalis:
Alküleerimine
Nagu juba mainitud, on metüülradikaal esimest tüüpi orientant, seetõttu põhjustab selle Friedel-Craftsi alküülimine orto- ja para-asendis asendusprodukte:
Lisamisreaktsioonid
Tolueeni saab hüdrogeenida metüültsükloheksaaniks, kasutades metallkatalüsaatoreid (Pt, Pd, Ni):
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O
mittetäielik oksüdatsioon
Sellise oksüdeeriva aine kui kaaliumpermanganaadi vesilahuse toimel külgahel oksüdeerub. Aromaatset tuuma ei saa sellistes tingimustes oksüdeerida. Sel juhul moodustub olenevalt lahuse pH-st kas karboksüülhape või selle sool.
Süsivesinikud, mille molekulides on aatomid ühendatud üksiksidemetega ja mis vastavad üldvalemile C n H 2 n +2.
Alkaani molekulides on kõik süsinikuaatomid sp 3 hübridisatsiooni olekus. See tähendab, et kõik neli süsinikuaatomi hübriidorbitaali on kuju, energia poolest identsed ja suunatud võrdkülgse kolmnurkse püramiidi – tetraeedri – nurkadesse. Orbitaalide vahelised nurgad on 109° 28'.
Peaaegu vaba pöörlemine on võimalik ühe süsinik-süsinik sideme ümber ja alkaanimolekulid võivad omandada mitmesuguseid kujundeid, mille süsinikuaatomite nurgad on tetraeedrile lähedased (109 ° 28 ′), näiteks molekulis. n-pentaan.
Eriti tasub meelde tuletada alkaanide molekulides olevaid sidemeid. Kõik sidemed küllastunud süsivesinike molekulides on üksikud. Kattuvus toimub piki telge,
aatomite tuumasid ühendavad, st need on σ-sidemed. Süsinik-süsinik sidemed on mittepolaarsed ja halvasti polariseeruvad. C-C sideme pikkus alkaanides on 0,154 nm (1,54 ± 10 - 10 m). CH-sidemed on mõnevõrra lühemad. Elektroni tihedus on veidi nihkunud elektronegatiivsema süsinikuaatomi suunas, st CH-side on nõrgalt polaarne.
Polaarsete sidemete puudumine küllastunud süsivesinike molekulides toob kaasa asjaolu, et need lahustuvad vees halvasti ega interakteeru laetud osakeste (ioonidega). Alkaanidele on kõige iseloomulikumad reaktsioonid, mis hõlmavad vabu radikaale.
Metaani homoloogne seeria
homoloogid– struktuurilt ja omadustelt sarnased ained, mis erinevad ühe või mitme CH 2 rühma poolest.
Isomerism ja nomenklatuur
Alkaanidele on iseloomulik nn struktuurne isomeeria. Struktuuriisomeerid erinevad üksteisest süsiniku skeleti struktuuri poolest. Lihtsaim alkaan, mida iseloomustavad struktuursed isomeerid, on butaan. 
Nomenklatuuri alused
1. Põhiahela valimine. Süsivesiniku nime moodustamine algab peaahela määratlemisega - molekuli pikima süsinikuaatomite ahelaga, mis on justkui selle aluseks.
2. Peaahela aatomite nummerdamine. Peaahela aatomitele on määratud numbrid. Peaahela aatomite nummerdamine algab asendajale lähimast otsast (struktuurid A, B). Kui asendajad on ahela lõpust võrdsel kaugusel, siis nummerdamine algab otsast, kus neid on rohkem (struktuur B). Kui erinevad asendajad on ahela otstest võrdsel kaugusel, siis numeratsioon algab otsast, millele vanem on lähemal (struktuur G). Süsivesinikasendajate vanemus määratakse selle järgi, millises järjekorras nende nimi algab tähestikus: metüül (-CH 3), seejärel etüül (-CH 2 -CH 3), propüül (-CH 2 -CH 2 -CH3) jne.
Pange tähele, et asendaja nimi moodustatakse järelliide -an asendamisel sufiksiga - muda vastava alkaani nimel.
3. Nime kujunemine. Numbrid on märgitud nime alguses - süsinikuaatomite arv, mille juures asendajad asuvad. Kui antud aatomi juures on mitu asendajat, siis kordub nimes vastav number kaks korda, eraldades need komaga (2,2-). Numbri järel märgib sidekriips asendajate arvu ( di- kaks, kolm- kolm, tetra- neli, penta- viis) ja asendaja nimetus (metüül, etüül, propüül). Siis ilma tühikute ja sidekriipsudeta - peaahela nimi. Peaahelat nimetatakse süsivesinikuks - metaani homoloogse seeria liikmeks ( metaan CH 4, etaan C 2 H 6, propaan C 3 H 8, C 4 H 10, pentaan C5H12, heksaan C6H14, heptaan C 7 H 16, oktaanarvuga C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dekaan C10H22).
Alkaanide füüsikalised omadused
Metaani homoloogse seeria neli esimest esindajat on gaasid. Lihtsaim neist on metaan - värvitu, maitsetu ja lõhnatu gaas ("gaasi" lõhna, mille tundmisel peate helistama numbril 04, määrab merkaptaanide lõhn - väävlit sisaldavad ühendid, mis on spetsiaalselt lisatud metaanile, mida kasutatakse majapidamis- ja tööstusgaasiseadmed, et läheduses olevad inimesed tunneksid lekke lõhna).
Süsivesinikud koostisega C4H12 kuni C15H32 – vedelikud; raskemad süsivesinikud on tahked ained. Alkaanide keemis- ja sulamistemperatuur tõuseb järk-järgult süsinikuahela pikkuse suurenemisega. Kõik süsivesinikud lahustuvad vees halvasti; vedelad süsivesinikud on tavalised orgaanilised lahustid.
Alkaanide keemilised omadused
asendusreaktsioonid.
Alkaanidele on iseloomulikumad vabade radikaalide asendusreaktsioonid, mille käigus vesinikuaatom asendub halogeeniaatomi või mõne rühmaga. Esitame iseloomulike reaktsioonide võrrandid halogeenimine: 
Halogeeni liia korral võib kloorimine minna kaugemale kuni kõigi vesinikuaatomite täieliku asendamiseni klooriga: 
Saadud aineid kasutatakse laialdaselt lahustitena ja lähteainetena orgaanilises sünteesis.
Dehüdrogeenimisreaktsioon(vesinik eraldub).
Alkaanide läbimisel katalüsaatorist (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) kõrgel temperatuuril (400-600 ° C) vesiniku molekul jaguneb ja moodustub alkeen:
Reaktsioonid, millega kaasneb süsinikuahela hävimine.
Kõik küllastunud süsivesinikud põlevad koos süsihappegaasi ja vee moodustumisega. Teatud vahekorras õhuga segatud gaasilised süsivesinikud võivad plahvatada.
1. Küllastunud süsivesinike põletamine on vabade radikaalide eksotermiline reaktsioon, mis on alkaanide kasutamisel kütusena väga oluline:
Üldiselt võib alkaanide põlemisreaktsiooni kirjutada järgmiselt:
2. Süsivesinike termiline lõhustamine.
Protsess toimub vastavalt vabade radikaalide mehhanismile. Temperatuuri tõus toob kaasa süsinik-süsinik sideme homolüütilise katkemise ja vabade radikaalide moodustumise.
Need radikaalid interakteeruvad üksteisega, vahetades vesinikuaatomit, moodustades alkaani molekuli ja alkeeni molekuli:
Tööstusliku protsessi – süsivesinike krakkimise – aluseks on termilised lõhustamisreaktsioonid. See protsess on nafta rafineerimise kõige olulisem etapp.
3. Pürolüüs. Kui metaani kuumutatakse temperatuurini 1000 ° C, algab metaani pürolüüs - lagunemine lihtsateks aineteks: 
Kuumutamisel temperatuurini 1500 ° C on atsetüleeni moodustumine võimalik:
4. Isomerisatsioon. Lineaarsete süsivesinike kuumutamisel isomerisatsioonikatalüsaatoriga (alumiiniumkloriid) tekivad hargnenud süsiniku karkassiga ained: 
5. Aromatiseerimine. Alkaanid, mille ahelas on kuus või enam süsinikuaatomit, tsükliseeritakse katalüsaatori juuresolekul, moodustades benseeni ja selle derivaate: 
Alkaanid osalevad reaktsioonides, mis kulgevad vastavalt vabade radikaalide mehhanismile, kuna alkaanimolekulides on kõik süsinikuaatomid sp 3 hübridisatsiooni olekus. Nende ainete molekulid on ehitatud kovalentsete mittepolaarsete C-C (süsinik-süsinik) sidemete ja nõrgalt polaarsete C-H (süsinik-vesinik) sidemete abil. Neil puuduvad suure ja madala elektrontihedusega alad, kergesti polariseeritavad sidemed, st sellised sidemed, milles elektrontihedus saab välistegurite (ioonide elektrostaatilise välja) mõjul nihkuda. Järelikult alkaanid ei reageeri laetud osakestega, kuna alkaanimolekulides olevad sidemed ei katke heterolüütilise mehhanismi toimel. 
MÄÄRATLUS
Alkaanid nimetatakse küllastunud süsivesinikke, mille molekulid koosnevad süsiniku- ja vesinikuaatomitest, mis on omavahel seotud ainult σ-sidemetega.
Normaaltingimustes (temperatuuril 25 o C ja atmosfäärirõhul) on alkaanide (C 1 - C 4) homoloogse seeria neli esimest liiget gaasid. Tavalised alkaanid pentaanist heptadekaanini (C5–C17) on vedelikud, alates C18-st ja üle selle on tahked ained. Suhtelise molekulmassi suurenemisega alkaanide keemis- ja sulamistemperatuur tõuseb. Kui molekulis on sama arv süsinikuaatomeid, on hargnenud alkaanidel madalam keemistemperatuur kui tavalistel alkaanidel. Alkaanide molekuli struktuur, kasutades näitena metaani, on näidatud joonisel fig. 1.
Riis. 1. Metaani molekuli struktuur.
Alkaanid on vees praktiliselt lahustumatud, kuna nende molekulid on madala polaarsusega ega interakteeru veemolekulidega. Vedelalkaanid segunevad üksteisega kergesti. Need lahustuvad hästi mittepolaarsetes orgaanilistes lahustites, nagu benseen, süsiniktetrakloriid, dietüüleeter jne.
Alkaanide saamine
Erinevate kuni 40 süsinikuaatomit sisaldavate küllastunud süsivesinike peamised allikad on nafta ja maagaas. Vähese süsinikuaatomite arvuga (1–10) alkaane saab eraldada maagaasi või nafta bensiini fraktsiooni fraktsioneeriva destilleerimise teel.
Alkaanide saamiseks on olemas tööstuslikud (I) ja laboratoorsed (II) meetodid.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H2 → CH4 + H2O (kat = Ni, t 0 = 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t 0).
— küllastumata süsivesinike hüdrogeenimine
CH3-CH \u003d CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
— haloalkaanide vähendamine
C2H5I + HI → C2H6 + I2 (t 0);
- ühealuseliste orgaaniliste hapete soolade leeliselised sulamisreaktsioonid
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t 0);
- haloalkaanide koostoime metallilise naatriumiga (Wurtzi reaktsioon)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– ühealuseliste orgaaniliste hapete soolade elektrolüüs
2C2H5COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2;
K (-): 2H20 + 2e → H2 + 2OH-;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Alkaanide keemilised omadused
Alkaanid on ühed kõige vähem reageerivad orgaanilised ühendid, mis on seletatav nende struktuuriga.
Alkaanid ei reageeri tavatingimustes happelises keskkonnas kontsentreeritud hapete, sula- ja kontsentreeritud leeliste, leelismetallide, halogeenide (v.a fluor), kaaliumpermanganaadi ja kaaliumdikromaadiga.
Alkaanidele on kõige iseloomulikumad radikaalimehhanismi järgi kulgevad reaktsioonid. C-H ja C-C sidemete homolüütiline lõhustamine on energeetiliselt soodsam kui nende heterolüütiline lõhustamine.
Radikaalse asendusreaktsioonid kulgevad kõige kergemini tertsiaarse süsinikuaatomi juures, kergemini sekundaarse süsinikuaatomi juures ja lõpuks primaarse süsinikuaatomi juures.
Kõik alkaanide keemilised muundumised kulgevad lõhustamisega:
1) C-H sidemed
- halogeenimine (SR)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH3-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitreerimine (S R)
CH3-C (CH3)H-CH3 + HONO2 (lahjendatud) → CH3-C (NO2) H-CH3 + H2O (t 0).
– sulfokloorimine (SR)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- dehüdrogeenimine
CH3-CH3 → CH2 \u003d CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- dehüdrotsüklistamine
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr203, t 0).
2) C-H ja C-C sidemed
-isomerisatsioon (molekulaarne ümberkorraldamine)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C (CH3) H-CH3 (kat = AlCl3, t 0).
- oksüdatsioon
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H20 (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5 n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Alkaanide kasutamine
Alkaanid on leidnud rakendust erinevates tööstusharudes. Vaatleme üksikasjalikumalt, kasutades mõne homoloogse seeria esindaja, aga ka alkaanide segusid.
Metaan on süsiniku ja vesiniku, atsetüleeni, hapnikku sisaldavate orgaaniliste ühendite - alkoholide, aldehüüdide, hapete - tootmise olulisemate keemiatööstuse protsesside tooraine baas. Propaani kasutatakse autokütusena. Butaani kasutatakse butadieeni tootmiseks, mis on sünteetilise kautšuki tootmise tooraine.
Salvide alusena kasutatakse meditsiinis vedelate ja tahkete alkaanide segu kuni C 25, mida nimetatakse vaseliiniks. Tahkete alkaanide C 18 - C 25 (parafiin) segu kasutatakse erinevate materjalide (paber, kangad, puit) immutamiseks, et anda neile hüdrofoobseid omadusi, s.t. vee läbilaskvus. Meditsiinis kasutatakse seda füsioterapeutiliste protseduuride jaoks (parafiinravi).
Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
| Harjutus | Metaani kloorimisel saadi 1,54 g ühendit, mille aurutihedus õhus on 5,31. Arvutage mangaandioksiidi MnO 2 mass, mis on vajalik kloori tootmiseks, kui reaktsioonisegusse juhitava metaani ja kloori mahtude suhe on 1:2. |
| Lahendus | Teatud gaasi massi ja teise samas mahus, samal temperatuuril ja samal rõhul võetud gaasi massi suhet nimetatakse esimese gaasi suhteliseks tiheduseks teise suhtes. See väärtus näitab, mitu korda on esimene gaas teisest raskem või kergem. Õhu suhteline molekulmass on võrdne 29-ga (võttes arvesse lämmastiku, hapniku ja muude gaaside sisaldust õhus). Tuleb märkida, et mõistet "õhu suhteline molekulmass" kasutatakse tingimuslikult, kuna õhk on gaaside segu. Leiame metaani kloorimisel tekkinud gaasi molaarmassi: M gaas = 29 × D õhk (gaas) = 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. See on süsiniktetrakloriid - CCl 4 . Kirjutame reaktsioonivõrrandi ja järjestame stöhhiomeetrilised koefitsiendid: CH4 + 4Cl2 \u003d CCl4 + 4HCl. Arvutage süsiniktetrakloriidi aine kogus: n(CCl4) = m(CC14)/M(CC14); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Vastavalt reaktsioonivõrrandile n (CCl 4) : n (CH 4) = 1:1, siis n (CH 4) \u003d n (CCl 4) = 0,01 mol. Seejärel peaks kloori aine kogus olema võrdne n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), st. n (Cl 2) \u003d 8 × 0,01 = 0,08 mol. Kirjutame kloori tootmise reaktsioonivõrrandi: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Mangaandioksiidi moolide arv on 0,08 mooli, sest n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Leidke mangaandioksiidi mass: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) = 55 + 2 × 16 = 87 g / mol; m (MnO 2) = 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Vastus | Mangaandioksiidi mass on 10,4 g. |
NÄIDE 2
