خواص شیمیایی آلکان ها
آلکان ها (پارافین ها) هیدروکربن های غیر حلقوی هستند که در مولکول های آنها تمام اتم های کربن تنها با پیوندهای منفرد به هم متصل می شوند. به عبارت دیگر، هیچ پیوند چندگانه، دو یا سه گانه در مولکول های آلکان وجود ندارد. در واقع آلکان ها هیدروکربن هایی هستند که دارای حداکثر تعداد ممکن اتم های هیدروژن هستند و به همین دلیل به آنها محدود کننده (اشباع) می گویند.
به دلیل اشباع، آلکان ها نمی توانند وارد واکنش های اضافه شوند.
از آنجایی که اتم های کربن و هیدروژن دارای الکترونگاتیوی نسبتاً نزدیک هستند، این منجر به این واقعیت می شود که پیوندهای CH در مولکول های آنها قطبیت بسیار پایینی دارند. از این نظر، برای آلکان ها، واکنش هایی که بر اساس مکانیسم جایگزینی رادیکال انجام می شود، که با نماد SR نشان داده می شود، مشخصه تر است.
1. واکنش های جایگزینی
در واکنش هایی از این نوع، پیوندهای کربن-هیدروژن شکسته می شوند.
RH + XY → RX + HY
هالوژناسیون
آلکان ها با هالوژن ها (کلر و برم) تحت تأثیر نور فرابنفش یا با حرارت قوی واکنش می دهند. در این حالت، مخلوطی از مشتقات هالوژن با درجات مختلف جایگزینی اتم های هیدروژن تشکیل می شود - تک، دی-تری و غیره. آلکان های جایگزین هالوژن
در مثال متان، به این صورت است:
با تغییر نسبت هالوژن به متان در مخلوط واکنش، می توان اطمینان حاصل کرد که هر مشتق هالوژن متان خاصی در ترکیب محصولات غالب است.
مکانیسم واکنش
اجازه دهید مکانیسم واکنش جایگزینی رادیکال آزاد را با استفاده از مثال برهمکنش متان و کلر تجزیه و تحلیل کنیم. شامل سه مرحله است:
- شروع (یا شروع زنجیره ای) - فرآیند تشکیل رادیکال های آزاد تحت تأثیر انرژی از خارج - تابش با نور UV یا گرمایش. در این مرحله، مولکول کلر با تشکیل رادیکال های آزاد، تحت یک شکاف همولیتیک پیوند Cl-Cl قرار می گیرد:
رادیکال های آزاد، همانطور که از شکل بالا مشاهده می شود، اتم ها یا گروه هایی از اتم ها با یک یا چند الکترون جفت نشده (Cl, H, CH 3 , CH 2, و غیره) نامیده می شوند.
2. توسعه زنجیره ای
این مرحله شامل برهمکنش رادیکال های آزاد فعال با مولکول های غیر فعال است. در این صورت رادیکال های جدیدی شکل می گیرند. به طور خاص، هنگامی که رادیکال های کلر روی مولکول های آلکان اثر می کنند، یک رادیکال آلکیل و کلرید هیدروژن تشکیل می شود. به نوبه خود، رادیکال آلکیل، در برخورد با مولکول های کلر، یک مشتق کلر و یک رادیکال کلر جدید را تشکیل می دهد:
3) شکستن (مرگ) زنجیره:
در نتیجه ترکیب مجدد دو رادیکال با یکدیگر در مولکول های غیرفعال رخ می دهد:
2. واکنش های اکسیداسیون
در شرایط عادی، آلکان ها نسبت به عوامل اکسید کننده قوی مانند اسیدهای سولفوریک و نیتریک غلیظ، پرمنگنات و دی کرومات پتاسیم (KMnO4، K2Cr2O7) بی اثر هستند.
احتراق در اکسیژن
الف) احتراق کامل با اکسیژن اضافی. منجر به تشکیل دی اکسید کربن و آب می شود:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
ب) احتراق ناقص با کمبود اکسیژن:
2CH 4 + 3O 2 \u003d 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 \u003d C + 2H 2 O
اکسیداسیون کاتالیزوری با اکسیژن
در نتیجه حرارت دادن آلکان ها با اکسیژن (~ 200 درجه سانتیگراد) در حضور کاتالیزورها، طیف گسترده ای از محصولات آلی را می توان از آنها به دست آورد: آلدئیدها، کتون ها، الکل ها، اسیدهای کربوکسیلیک.
به عنوان مثال، متان، بسته به ماهیت کاتالیزور، می تواند به متیل الکل، فرمالدئید یا اسید فرمیک اکسید شود:
3. تبدیلات حرارتی آلکان ها
ترک خوردن
ترک خوردن (از انگلیسی به کرک - به پاره شدن) یک فرآیند شیمیایی است که در دمای بالا رخ می دهد، در نتیجه اسکلت کربن مولکول های آلکان با تشکیل مولکول های آلکن و آلکان با وزن مولکولی کمتر در مقایسه با آلکان های اصلی شکسته می شود. مثلا:
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 \u003d CH 2
ترک خوردگی می تواند حرارتی یا کاتالیزوری باشد. برای اجرای کراکینگ کاتالیستی به دلیل استفاده از کاتالیزورها از دماهای پایین تری نسبت به ترک حرارتی استفاده می شود.
هیدروژن زدایی
حذف هیدروژن در نتیجه شکستن پیوندهای C-H اتفاق می افتد. در حضور کاتالیزورها در دماهای بالا انجام می شود. هیدروژن زدایی متان باعث تولید استیلن می شود:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
گرم کردن متان تا 1200 درجه سانتیگراد منجر به تجزیه آن به مواد ساده می شود:
CH 4 → C + 2H 2
هیدروژن زدایی سایر آلکان ها باعث ایجاد آلکن می شود:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
هنگام هیدروژن زدایی n-بوتان، بوتن-1 و بوتن-2 تشکیل می شود (دومی به شکل سیس-و ترنسایزومرها):
چرخه زدایی آب
ایزومریزاسیون
خواص شیمیایی سیکلوآلکان ها
خواص شیمیایی سیکلوآلکان هایی با بیش از چهار اتم کربن در چرخه ها به طور کلی تقریباً با آلکان ها یکسان است. برای سیکلوپروپان و سیکلوبوتان، به طور عجیبی، واکنش های افزودن مشخصه است. این به دلیل تنش زیاد درون چرخه است که منجر به این واقعیت می شود که این چرخه ها تمایل به شکستن دارند. بنابراین سیکلوپروپان و سیکلوبوتان به راحتی برم، هیدروژن یا کلرید هیدروژن اضافه می کنند:
خواص شیمیایی آلکن ها
1. واکنش های اضافه
از آنجایی که پیوند دوگانه در مولکول‌های آلکن از یک پیوند سیگما قوی و یک پیوند پی ضعیف تشکیل شده است، آنها ترکیبات کاملاً فعالی هستند که به راحتی وارد واکنشهای اضافه می‌شوند. آلکن ها اغلب حتی در شرایط ملایم - در سرما، در محلول های آبی و حلال های آلی وارد چنین واکنش هایی می شوند.
هیدروژناسیون آلکن ها
آلکن ها می توانند هیدروژن را در حضور کاتالیزورها (پلاتین، پالادیوم، نیکل) اضافه کنند:
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
هیدروژناسیون آلکن ها حتی در فشار معمولی و حرارت جزئی به راحتی انجام می شود. یک واقعیت جالب این است که از همان کاتالیزورها می توان برای هیدروژن زدایی آلکان ها به آلکن ها استفاده کرد، فقط فرآیند هیدروژن زدایی در دمای بالاتر و فشار کمتر انجام می شود.
هالوژناسیون
آلکن ها هم در محلول های آبی و هم در حلال های آلی به راحتی وارد واکنش افزودن با برم می شوند. در نتیجه برهمکنش، ابتدا محلول های زرد برم رنگ خود را از دست می دهند، یعنی. تغییر رنگ دادن
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
هیدروهالوژناسیون
به راحتی می توان دید که افزودن هالید هیدروژن به یک مولکول آلکن نامتقارن باید از نظر تئوری به مخلوطی از دو ایزومر منجر شود. به عنوان مثال، هنگامی که هیدروژن برومید به پروپن اضافه می شود، محصولات زیر باید به دست آیند:
با این وجود، در صورت عدم وجود شرایط خاص (به عنوان مثال، وجود پراکسیدها در مخلوط واکنش)، افزودن یک مولکول هیدروژن هالید به طور کاملاً انتخابی مطابق با قانون مارکوفنیکوف اتفاق می افتد:
افزودن هالید هیدروژن به یک آلکن به این صورت است که هیدروژن با تعداد بیشتری اتم هیدروژن (هیدروژنه بیشتر) به اتم کربن متصل می شود و هالوژن با تعداد کمتری هیدروژن به اتم کربن متصل می شود. اتم ها (کمتر هیدروژنه شده).
هیدراتاسیون
این واکنش منجر به تشکیل الکل می شود و همچنین مطابق با قانون مارکوفنیکف پیش می رود:
همانطور که ممکن است حدس بزنید، با توجه به این واقعیت که افزودن آب به مولکول آلکن طبق قانون مارکوفنیکوف اتفاق می افتد، تشکیل الکل اولیه فقط در مورد هیدراتاسیون اتیلن امکان پذیر است:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
با این واکنش است که مقدار اصلی اتیل الکل در صنایع با ظرفیت بالا انجام می شود.
بسپارش
یک مورد خاص از واکنش افزودن، واکنش پلیمریزاسیون است که بر خلاف هالوژناسیون، هیدروهالوژناسیون و هیدراتاسیون، از طریق مکانیسم رادیکال آزاد انجام می شود:
واکنش های اکسیداسیون
مانند تمام هیدروکربن های دیگر، آلکن ها به راحتی در اکسیژن می سوزند و دی اکسید کربن و آب تشکیل می دهند. معادله احتراق آلکن ها در اکسیژن اضافی به شکل زیر است:
C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
بر خلاف آلکان ها، آلکن ها به راحتی اکسید می شوند. تحت تأثیر محلول آبی KMnO 4 بر روی آلکن ها، تغییر رنگ، که یک واکنش کیفی به پیوندهای دوگانه و سه گانه CC در مولکول های مواد آلی است.
اکسیداسیون آلکن ها با پرمنگنات پتاسیم در محلول خنثی یا کمی قلیایی منجر به تشکیل دیول ها (الکل های دی هیدریک) می شود:
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (خنک کننده)
در یک محیط اسیدی، با تبدیل اتم‌های کربنی که پیوند دوگانه را به گروه‌های کربوکسیل تشکیل می‌دهند، یک شکاف کامل پیوند دوگانه رخ می‌دهد:
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 (گرم کردن)
اگر پیوند دوگانه C=C در انتهای مولکول آلکن باشد، دی اکسید کربن به عنوان محصول اکسیداسیون اتم کربن شدید در پیوند دوگانه تشکیل می شود. این به این دلیل است که محصول اکسیداسیون میانی، اسید فرمیک، به راحتی به خودی خود در مقدار بیش از یک عامل اکسید کننده اکسید می شود:
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 (گرم کردن)
در اکسیداسیون آلکن ها، که در آن اتم C در پیوند دوگانه حاوی دو جایگزین هیدروکربنی است، یک کتون تشکیل می شود. به عنوان مثال، اکسیداسیون 2-متیل بوتن-2 باعث تولید استون و اسید استیک می شود.
اکسیداسیون آلکن ها که اسکلت کربن را در پیوند دوگانه می شکند، برای ایجاد ساختار آنها استفاده می شود.
خواص شیمیایی آلکادین ها
واکنش های اضافه
به عنوان مثال، افزودن هالوژن ها:
آب برم بی رنگ می شود.
در شرایط عادی، افزودن اتم‌های هالوژن در انتهای مولکول بوتادین-1،3 اتفاق می‌افتد، در حالی که پیوندهای π شکسته می‌شوند، اتم‌های برم به اتم‌های کربن شدید متصل می‌شوند و ظرفیت‌های آزاد یک پیوند π جدید را تشکیل می‌دهند. بنابراین، گویی یک "حرکت" پیوند دوگانه وجود دارد. با بیش از حد برم، یک مولکول برم دیگر را می توان در محل پیوند دوگانه تشکیل شده اضافه کرد.
واکنش های پلیمریزاسیون
خواص شیمیایی آلکین ها
آلکین ها هیدروکربن های غیر اشباع (غیراشباع) هستند و بنابراین قادر به وارد شدن به واکنش های افزودن هستند. در میان واکنش های افزودنی برای آلکین ها، افزودن الکتروفیل رایج ترین است.
هالوژناسیون
از آنجایی که پیوند سه گانه مولکول های آلکین شامل یک پیوند سیگما قوی تر و دو پیوند pi ضعیف تر است، آنها می توانند یک یا دو مولکول هالوژن را به هم متصل کنند. افزودن دو مولکول هالوژن توسط یک مولکول آلکین توسط مکانیسم الکتروفیلیک به صورت متوالی در دو مرحله انجام می شود:
هیدروهالوژناسیون
افزودن مولکول های هیدروژن هالید نیز با مکانیسم الکتروفیلیک و در دو مرحله انجام می شود. در هر دو مرحله، اضافه کردن مطابق با قانون مارکوفنیکف انجام می شود:
هیدراتاسیون
افزودن آب به آلکین ها در حضور نمک های روتیوم در یک محیط اسیدی اتفاق می افتد و واکنش کوچروف نامیده می شود.
در نتیجه هیدراتاسیون افزودن آب به استیلن، استالدهید (استیک آلدهید) تشکیل می شود:
برای همولوگ های استیلن، افزودن آب منجر به تشکیل کتون ها می شود:
هیدروژناسیون آلکین
آلکین ها در دو مرحله با هیدروژن واکنش می دهند. فلزاتی مانند پلاتین، پالادیوم، نیکل به عنوان کاتالیزور استفاده می شود:
تریمریزاسیون آلکین
هنگامی که استیلن در دمای بالا از روی کربن فعال عبور داده می شود، مخلوطی از محصولات مختلف از آن تشکیل می شود که اصلی ترین آنها بنزن است که محصول سه گانه سازی استیلن است:
دیمریزاسیون آلکین ها
استیلن نیز وارد واکنش دیمریزاسیون می شود. این فرآیند در حضور نمک های مس به عنوان کاتالیزور ادامه می یابد:
اکسیداسیون آلکین
آلکین ها در اکسیژن می سوزند:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
برهمکنش آلکین ها با بازها
آلکین هایی با C≡C سه گانه در انتهای مولکول، بر خلاف سایر آلکین ها، می توانند وارد واکنش هایی شوند که در آن اتم هیدروژن در پیوند سه گانه با یک فلز جایگزین می شود. به عنوان مثال، استیلن با آمید سدیم در آمونیاک مایع واکنش می دهد:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3،
و همچنین با محلول آمونیاک اکسید نقره، مواد نمک مانند نامحلول به نام استیلنیدها را تشکیل می دهد:
به لطف این واکنش، می توان آلکین هایی را با یک پیوند سه گانه پایانی تشخیص داد و همچنین چنین آلکینی را از مخلوط با سایر آلکین ها جدا کرد.
لازم به ذکر است که تمام استیلنیدهای نقره و مس مواد منفجره هستند.
استیلیدها قادر به واکنش با مشتقات هالوژن هستند که در سنتز ترکیبات آلی پیچیده تر با پیوند سه گانه استفاده می شود:
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
خواص شیمیایی هیدروکربن های آروماتیک
ماهیت آروماتیک پیوند بر خواص شیمیایی بنزن ها و سایر هیدروکربن های معطر تأثیر می گذارد.
یک سیستم تک الکترونی 6 پی بسیار پایدارتر از پیوندهای پی معمولی است. بنابراین، برای هیدروکربن های آروماتیک، واکنش های جانشینی بیشتر از واکنش های افزودن مشخص است. آرن ها با مکانیسم الکتروفیلی وارد واکنش های جانشینی می شوند.
واکنش های جایگزینی
هالوژناسیون
نیتراسیون
واکنش نیتراسیون تحت اثر اسید نیتریک خالص نیست، بلکه تحت اثر مخلوط آن با اسید سولفوریک غلیظ، به اصطلاح مخلوط نیترات کننده، به بهترین وجه انجام می شود:
آلکیلاسیون
واکنشی که در آن یکی از اتم های هیدروژن در هسته آروماتیک با رادیکال هیدروکربنی جایگزین می شود:
همچنین می توان از آلکن ها به جای آلکان های هالوژنه استفاده کرد. هالیدهای آلومینیوم، هالیدهای آهن آهن یا اسیدهای معدنی می توانند به عنوان کاتالیزور استفاده شوند.<
واکنش های اضافه
هیدروژناسیون
الحاق کلر
با یک مکانیسم رادیکال تحت تابش شدید نور ماوراء بنفش پیش می رود:
به طور مشابه، واکنش فقط با کلر می تواند ادامه یابد.
واکنش های اکسیداسیون
احتراق
2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
اکسیداسیون ناقص
حلقه بنزن در برابر عوامل اکسید کننده مانند KMnO 4 و K 2 Cr 2 O 7 مقاوم است. واکنش نمی رود.
تقسیم جانشین های موجود در حلقه بنزن به دو نوع:
خواص شیمیایی همولوگ های بنزن را با استفاده از تولوئن به عنوان مثال در نظر بگیرید.
خواص شیمیایی تولوئن
هالوژناسیون
مولکول تولوئن را می توان متشکل از قطعاتی از مولکول های بنزن و متان در نظر گرفت. بنابراین، منطقی است که فرض کنیم خواص شیمیایی تولوئن باید تا حدی خواص شیمیایی این دو ماده را به طور جداگانه ترکیب کند. به ویژه، این دقیقاً همان چیزی است که در طول هالوژناسیون آن مشاهده می شود. قبلاً می دانیم که بنزن با مکانیزم الکتروفیلیک وارد واکنش جایگزینی با کلر می شود و برای انجام این واکنش باید از کاتالیزورها (آلومینیوم یا هالیدهای آهن) استفاده شود. در همان زمان، متان همچنین قادر به واکنش با کلر است، اما با یک مکانیسم رادیکال آزاد، که نیاز به تابش مخلوط واکنش اولیه با نور UV دارد. تولوئن، بسته به شرایطی که تحت آن کلر می شود، می تواند محصولات جایگزینی اتم های هیدروژن را در حلقه بنزن بدهد - برای این کار باید از شرایط مشابه در کلرزنی بنزن یا محصولات جایگزین استفاده کنید. اتم های هیدروژن در رادیکال متیل، اگر روی آن باشد، چگونه روی متان با کلر در هنگام تابش اشعه ماوراء بنفش عمل کنیم:
همانطور که می بینید، کلرزنی تولوئن در حضور کلرید آلومینیوم منجر به تولید دو محصول مختلف - ارتو و پارا کلروتولوئن شد. این به دلیل این واقعیت است که رادیکال متیل یک جایگزین از نوع اول است.
اگر کلرزنی تولوئن در حضور AlCl3 بیش از کلر انجام شود، تشکیل تولوئن جایگزین شده با تری کلر امکان پذیر است:
به طور مشابه، هنگامی که تولوئن در نور با نسبت کلر به تولوئن بالاتر کلر می شود، دی کلرو متیل بنزن یا تری کلرومتیل بنزن به دست می آید:
نیتراسیون
جایگزینی اتم های هیدروژن به جای گروه نیترو، در حین نیتراسیون تولوئن با مخلوطی از اسیدهای نیتریک و سولفوریک غلیظ، منجر به جایگزینی محصولات در هسته معطر و نه در رادیکال متیل می شود:
آلکیلاسیون
همانطور که قبلاً ذکر شد، رادیکال متیل یک جهت دهنده از نوع اول است، بنابراین، آلکیلاسیون Friedel-Crafts آن منجر به جایگزینی محصولات در موقعیت های ارتو و پارا می شود:
واکنش های اضافه
تولوئن را می توان با استفاده از کاتالیزورهای فلزی (Pt, Pd, Ni) به متیل سیکلوهگزان هیدروژنه کرد:
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O
اکسیداسیون ناقص
تحت عمل یک عامل اکسید کننده به عنوان محلول آبی پرمنگنات پتاسیم، زنجیره جانبی تحت اکسیداسیون قرار می گیرد. هسته معطر در چنین شرایطی نمی تواند اکسید شود. در این حالت بسته به PH محلول یا کربوکسیلیک اسید یا نمک آن تشکیل می شود.
هیدروکربن هایی که در مولکول های آن اتم ها با پیوندهای منفرد به هم متصل شده اند و با فرمول کلی C n H 2 n + 2 مطابقت دارند.
در مولکول های آلکان، تمام اتم های کربن در حالت هیبریداسیون sp 3 هستند. این بدان معنی است که هر چهار اوربیتال هیبریدی اتم کربن از نظر شکل، انرژی یکسان هستند و به گوشه های یک هرم مثلثی متساوی الاضلاع - یک چهار وجهی هدایت می شوند. زاویه بین اوربیتال ها 109 درجه و 28 دقیقه است.
چرخش تقریباً آزاد حول یک پیوند کربن-کربن منفرد امکان‌پذیر است و مولکول‌های آلکان می‌توانند شکل‌های متنوعی را با زوایایی در اتم‌های کربن نزدیک به چهار وجهی (109 درجه 28 دقیقه) به خود بگیرند، به عنوان مثال، در یک مولکول. n-پنتان
به ویژه ارزش یادآوری پیوندهای موجود در مولکول های آلکان ها را دارد. تمام پیوندهای موجود در مولکول های هیدروکربن های اشباع، منفرد هستند. همپوشانی در امتداد محور رخ می دهد،
هسته اتم ها را به هم متصل می کند، یعنی اینها پیوند σ هستند. پیوندهای کربن-کربن غیرقطبی هستند و قطبش ضعیفی دارند. طول پیوند C-C در آلکان ها 0.154 نانومتر (1.54 10 - 10 متر) است. پیوندهای C-H تا حدودی کوتاهتر هستند. چگالی الکترون کمی به سمت اتم کربن الکترونگاتیو تر تغییر می کند، یعنی پیوند C-H قطبی ضعیفی است.
عدم وجود پیوندهای قطبی در مولکول های هیدروکربن های اشباع شده منجر به این واقعیت می شود که آنها در آب کم محلول هستند و با ذرات باردار (یون ها) تعامل ندارند. مشخصه ترین آلکان ها واکنش هایی است که شامل رادیکال های آزاد می شود.
سری همولوگ متان
همولوگ ها- مواد مشابه در ساختار و خواص و با یک یا چند گروه CH 2 متفاوت است.
ایزومریسم و نامگذاری
آلکان ها با ایزومری ساختاری مشخص می شوند. ایزومرهای ساختاری در ساختار اسکلت کربنی با یکدیگر متفاوت هستند. ساده ترین آلکان که با ایزومرهای ساختاری مشخص می شود، بوتان است. 
مبانی نامگذاری
1. انتخاب مدار اصلی.شکل گیری نام یک هیدروکربن با تعریف زنجیره اصلی آغاز می شود - طولانی ترین زنجیره اتم های کربن در یک مولکول، که، همانطور که بود، اساس آن است.
2. شماره گذاری اتم های زنجیره اصلی.اتم های زنجیره اصلی اعدادی هستند. شماره گذاری اتم های زنجیره اصلی از انتهای نزدیک به جانشین شروع می شود (ساختارهای A، B). اگر جانشین ها در فاصله مساوی از انتهای زنجیره باشند، شماره گذاری از انتهایی که تعداد آنها بیشتر است (ساختار B) شروع می شود. اگر جانشین‌های مختلف در فاصله مساوی از انتهای زنجیره باشند، شماره‌گذاری از انتهایی که قدیمی‌تر به آن نزدیک‌تر است شروع می‌شود (ساختار D). قدمت جایگزین های هیدروکربنی با ترتیبی که نام آنها با آن شروع می شود در الفبا تعیین می شود: متیل (-CH 3)، سپس اتیل (-CH 2 -CH 3)، پروپیل (-CH 2 -CH 2). -CH 3) و غیره
توجه داشته باشید که نام جایگزین با جایگزینی پسوند -an با پسوند - تشکیل می شود. سیلبه نام آلکان مربوطه.
3. تشکیل نام. اعداد در ابتدای نام نشان داده شده اند - تعداد اتم های کربن که در آن جانشین ها قرار دارند. اگر چندین جانشین در یک اتم وجود داشته باشد، عدد مربوطه در نام دو بار تکرار می شود که با کاما (2،2-) از هم جدا می شوند. بعد از عدد، یک خط فاصله نشان دهنده تعداد جایگزین ها ( دی- دو، سه- سه، تترا- چهار، پنتا- پنج) و نام جایگزین (متیل، اتیل، پروپیل). سپس بدون فاصله و خط تیره - نام زنجیره اصلی. زنجیره اصلی به عنوان یک هیدروکربن شناخته می شود - عضوی از سری همولوگ متان ( متان CH 4، اتان C 2 H 6، پروپان C 3 H 8، C 4 H 10، پنتان C 5 H 12، هگزان C 6 H 14، هپتان C 7 H 16، اکتان C 8 H 18، نونان C 9 H 20، رئیس C 10 H 22).
خواص فیزیکی آلکان ها
چهار نماینده اول سری همولوگ متان گازها هستند. ساده ترین آنها متان است - گازی بی رنگ، بی مزه و بی بو (بوی "گاز" که احساس می کنید، باید با شماره 04 تماس بگیرید، با بوی مرکاپتان ها مشخص می شود - ترکیبات حاوی گوگرد که مخصوصاً به متان اضافه شده است. وسایل گازسوز خانگی و صنعتی تا اطرافیانشان بوی نشت را حس کنند).
هیدروکربن های ترکیبی از C 4 H 12 تا C 15 H 32 - مایعات. هیدروکربن های سنگین تر جامد هستند. نقطه جوش و ذوب آلکان ها به تدریج با افزایش طول زنجیره کربن افزایش می یابد. همه هیدروکربن ها در آب کم محلول هستند، هیدروکربن های مایع حلال های آلی رایج هستند.
خواص شیمیایی آلکان ها
واکنش های جایگزینی
مشخصه ترین آلکان ها واکنش های جایگزینی رادیکال های آزاد است که طی آن یک اتم هیدروژن با یک اتم هالوژن یا گروهی جایگزین می شود. اجازه دهید معادلات واکنش های مشخصه را ارائه کنیم هالوژناسیون: 
در مورد هالوژن بیش از حد، کلر زنی می تواند تا جایگزینی کامل تمام اتم های هیدروژن با کلر ادامه یابد: 
مواد حاصل به طور گسترده ای به عنوان حلال و مواد اولیه در سنتز آلی استفاده می شود.
واکنش هیدروژن زدایی(شکاف هیدروژن).
در حین عبور آلکان ها از روی کاتالیزور (Pt، Ni، Al 2 0 3، Cr 2 0 3) در دمای بالا (400-600 درجه سانتیگراد)، یک مولکول هیدروژن جدا می شود و یک آلکن تشکیل می شود:
واکنش هایی که با تخریب زنجیره کربن همراه است.
تمام هیدروکربن های اشباع شده با تشکیل دی اکسید کربن و آب می سوزند. هیدروکربن های گازی مخلوط شده با هوا در نسبت های خاصی می توانند منفجر شوند.
1. احتراق هیدروکربن های اشباعیک واکنش گرمازا رادیکال آزاد است که هنگام استفاده از آلکان ها به عنوان سوخت بسیار مهم است:
به طور کلی واکنش احتراق آلکان ها را می توان به صورت زیر نوشت:
2. تقسیم حرارتی هیدروکربن ها.
فرآیند طبق مکانیسم رادیکال آزاد پیش می رود. افزایش دما منجر به پارگی همولیتیک پیوند کربن-کربن و تشکیل رادیکال های آزاد می شود.
این رادیکال‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند و یک اتم هیدروژن را مبادله می‌کنند و یک مولکول آلکان و یک مولکول آلکن تشکیل می‌دهند:
واکنش های تقسیم حرارتی زیربنای فرآیند صنعتی - کراکینگ هیدروکربنی است. این فرآیند مهمترین مرحله پالایش نفت است.
3. پیرولیز. هنگامی که متان تا دمای 1000 درجه سانتیگراد گرم می شود، تجزیه در اثر حرارت متان شروع می شود - تجزیه به مواد ساده: 
هنگامی که تا دمای 1500 درجه سانتیگراد گرم می شود، تشکیل استیلن امکان پذیر است:
4. ایزومریزاسیون. هنگامی که هیدروکربن های خطی با یک کاتالیزور ایزومریزاسیون (کلرید آلومینیوم) گرم می شوند، موادی با اسکلت کربن منشعب تشکیل می شوند: 
5. معطر سازی. آلکان هایی با شش یا بیشتر اتم کربن در زنجیره در حضور یک کاتالیزور چرخه ای می شوند تا بنزن و مشتقات آن را تشکیل دهند: 
آلکان ها وارد واکنش هایی می شوند که طبق مکانیسم رادیکال آزاد پیش می روند، زیرا تمام اتم های کربن در مولکول های آلکان در حالت هیبریداسیون sp 3 هستند. مولکول های این مواد با استفاده از پیوندهای کووالانسی غیرقطبی C-C (کربن - کربن) و پیوندهای قطبی ضعیف C-H (کربن - هیدروژن) ساخته می شوند. آنها مناطقی با چگالی الکترونی بالا و پایین، پیوندهای به راحتی قطبش پذیر ندارند، یعنی چنین پیوندهایی، چگالی الکترونی که می تواند تحت تأثیر عوامل خارجی (میدان های الکترواستاتیک یون ها) جابجا شود. در نتیجه، آلکان ها با ذرات باردار واکنش نشان نمی دهند، زیرا پیوندهای موجود در مولکول های آلکان توسط مکانیسم هترولیتیک شکسته نمی شوند. 
تعریف
آلکان هاهیدروکربن های اشباع شده نامیده می شوند که مولکول های آن از اتم های کربن و هیدروژن تشکیل شده است که فقط با پیوند σ به یکدیگر متصل می شوند.
در شرایط عادی (در دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار اتمسفر)، چهار عضو اول سری همولوگ آلکانها (C 1 - C 4) گاز هستند. آلکان های معمولی از پنتان تا هپتادکان (C 5 - C 17) مایع هستند و از C 18 به بالا جامد هستند. با افزایش وزن مولکولی نسبی، نقطه جوش و ذوب آلکان ها افزایش می یابد. با تعداد اتم های کربن یکسان در یک مولکول، آلکان های شاخه دار نقطه جوش کمتری نسبت به آلکان های معمولی دارند. ساختار مولکول آلکان با استفاده از متان به عنوان مثال در شکل 1 نشان داده شده است. 1.
برنج. 1. ساختار مولکول متان.
آلکان ها عملاً در آب نامحلول هستند، زیرا مولکول های آنها قطبیت پایینی دارند و با مولکول های آب برهمکنش ندارند. آلکان های مایع به راحتی با یکدیگر مخلوط می شوند. آنها به خوبی در حلال های آلی غیر قطبی مانند بنزن، تتراکلرید کربن، دی اتیل اتر و غیره حل می شوند.
به دست آوردن آلکان
منابع اصلی انواع هیدروکربن های اشباع شده که تا 40 اتم کربن دارند، نفت و گاز طبیعی هستند. آلکان هایی با تعداد کمی اتم کربن (1 تا 10) را می توان با تقطیر جزئی گاز طبیعی یا کسر بنزینی نفت جدا کرد.
روش های صنعتی (I) و آزمایشگاهی (II) برای به دست آوردن آلکان ها وجود دارد.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni، t 0).
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat \u003d Ni، t 0 \u003d 200 - 300)؛
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat، t 0).
- هیدروژناسیون هیدروکربن های غیر اشباع
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni، t 0)؛
- بازیابی هالوآلکان ها
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- واکنشهای ذوب قلیایی نمکهای اسیدهای آلی تک باز
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
برهمکنش هالوآلکان ها با سدیم فلزی (واکنش ورتز)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr.
- الکترولیز نمکهای اسیدهای آلی تک باز
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.
خواص شیمیایی آلکان ها
آلکان ها جزو کم واکنش ترین ترکیبات آلی هستند که با ساختار آنها توضیح داده می شود.
آلکان ها در شرایط عادی با اسیدهای غلیظ، قلیایی های مذاب و غلیظ، فلزات قلیایی، هالوژن ها (به جز فلوئور)، پرمنگنات پتاسیم و دی کرومات پتاسیم در محیط اسیدی واکنش نمی دهند.
برای آلکان ها، واکنش هایی که طبق مکانیسم رادیکال پیش می روند، مشخصه ترین هستند. برش همولیتیک پیوندهای C-H و C-C از نظر انرژی مطلوب تر از برش هترولیتیک آنها است.
واکنشهای جایگزینی رادیکال به راحتی در اتم کربن سوم، آسان‌تر در اتم کربن ثانویه و در نهایت در اتم کربن اولیه انجام می‌شود.
تمام تبدیل های شیمیایی آلکان ها با شکافتن انجام می شود:
1) پیوندهای C-H
- هالوژناسیون (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).
- نیتراسیون (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (رقیق) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
- سولفوکلره (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- هیدروژن زدایی
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni، t 0).
- چرخه زدایی از آب
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat \u003d Cr 2 O 3، t 0).
2) پیوندهای C-H و C-C
- ایزومریزاسیون (بازآرایی درون مولکولی)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- اکسیداسیون
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).
کاربرد آلکان ها
آلکان ها در صنایع مختلف کاربرد پیدا کرده اند. اجازه دهید با استفاده از مثال برخی از نمایندگان سری همولوگ و همچنین مخلوط آلکان ها، جزئیات بیشتری را در نظر بگیریم.
متان پایه مواد اولیه مهم ترین فرآیندهای صنعتی شیمیایی برای تولید کربن و هیدروژن، استیلن، ترکیبات آلی حاوی اکسیژن - الکل ها، آلدئیدها، اسیدها است. پروپان به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. از بوتان برای تولید بوتادین که ماده اولیه تولید لاستیک مصنوعی است استفاده می شود.
مخلوطی از آلکان های مایع و جامد تا C 25 به نام وازلین در پزشکی به عنوان پایه پماد استفاده می شود. مخلوطی از آلکان های جامد C 18 - C 25 (پارافین) برای آغشته کردن مواد مختلف (کاغذ، پارچه، چوب) استفاده می شود تا خواص آبگریز به آنها بدهد. نفوذ ناپذیری آب در پزشکی از آن برای اعمال فیزیوتراپی (پارافین درمانی) استفاده می شود.
نمونه هایی از حل مسئله
مثال 1
| ورزش | هنگام کلرزنی متان، 1.54 گرم از ترکیب به دست آمد که چگالی بخار در هوا 5.31 است. اگر نسبت حجم متان و کلر وارد شده به واکنش 1:2 باشد، جرم دی اکسید منگنز MnO 2 را که برای تولید کلر لازم است محاسبه کنید. |
| راه حل | نسبت جرم یک گاز معین به جرم گاز دیگری که در همان حجم، در همان دما و فشار یکسان گرفته می شود، چگالی نسبی گاز اول بر گاز دوم نامیده می شود. این مقدار نشان می دهد که چند بار گاز اول سنگین تر یا سبک تر از گاز دوم است. وزن مولکولی نسبی هوا برابر با 29 در نظر گرفته می شود (با در نظر گرفتن محتوای نیتروژن، اکسیژن و سایر گازهای موجود در هوا). لازم به ذکر است که مفهوم "وزن مولکولی نسبی هوا" به طور مشروط استفاده می شود، زیرا هوا مخلوطی از گازها است. بیایید جرم مولی گاز تشکیل شده در طول کلرزنی متان را پیدا کنیم: M گاز \u003d 29 × D هوا (گاز) \u003d 29 × 5.31 \u003d 154 گرم در مول. این تتراکلرید کربن - CCl 4 است. معادله واکنش را می نویسیم و ضرایب استوکیومتری را مرتب می کنیم: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. مقدار ماده تتراکلرید کربن را محاسبه کنید: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n (CCl 4) \u003d 1.54 / 154 \u003d 0.01 مول. با توجه به معادله واکنش n (CCl 4) : n (CH 4) = 1: 1، سپس n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0.01 مول. سپس، مقدار ماده کلر باید برابر با n(Cl 2) = 2 × 4 n (CH 4) باشد، یعنی. n (Cl 2) \u003d 8 × 0.01 \u003d 0.08 مول. معادله واکنش تولید کلر را می نویسیم: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. تعداد مول دی اکسید منگنز 0.08 مول است، زیرا n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. جرم دی اکسید منگنز را بیابید: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2)؛ M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) \u003d 55 + 2 × 16 \u003d 87 گرم در مول؛ m (MnO 2) \u003d 0.08 × 87 \u003d 10.4 گرم. |
| پاسخ | جرم دی اکسید منگنز 10.4 گرم است. |
مثال 2
