Właściwości chemiczne alkanów
Alkany (parafiny) to niecykliczne węglowodory, w cząsteczkach których wszystkie atomy węgla są połączone tylko pojedynczymi wiązaniami. Innymi słowy, w cząsteczkach alkanów nie ma wiązań wielokrotnych, podwójnych ani potrójnych. W rzeczywistości alkany są węglowodorami zawierającymi maksymalną możliwą liczbę atomów wodoru, dlatego nazywane są ograniczającymi (nasyconymi).
Ze względu na nasycenie alkany nie mogą wchodzić w reakcje addycji.
Ponieważ atomy węgla i wodoru mają dość bliską elektroujemność, prowadzi to do tego, że wiązania CH w ich cząsteczkach mają wyjątkowo niską polarność. Pod tym względem dla alkanów bardziej charakterystyczne są reakcje przebiegające zgodnie z mechanizmem podstawienia rodnikowego, oznaczanego symbolem S R.
1. Reakcje podstawienia
W reakcjach tego typu dochodzi do zerwania wiązań węgiel-wodór.
PR + XY → RX + HY
halogenowanie
Alkany reagują z halogenami (chlorem i bromem) pod wpływem światła ultrafioletowego lub silnego ciepła. W tym przypadku powstaje mieszanina pochodnych halogenów o różnych stopniach podstawienia atomów wodoru - mono-, di-tri-itd. alkany podstawione halogenem.
Na przykładzie metanu wygląda to tak:
Zmieniając stosunek halogen/metan w mieszaninie reakcyjnej, można zapewnić, że w składzie produktów dominuje jakakolwiek konkretna pochodna halogenu metanu.
mechanizm reakcji
Przeanalizujmy mechanizm reakcji podstawienia wolnorodnikowego na przykładzie oddziaływania metanu i chloru. Składa się z trzech etapów:
- inicjacja (lub inicjacja łańcucha) - proces powstawania wolnych rodników pod działaniem energii z zewnątrz - naświetlania światłem UV lub ogrzewania. Na tym etapie cząsteczka chloru ulega homolitycznemu rozszczepieniu wiązania Cl-Cl z utworzeniem wolnych rodników:
Wolne rodniki, jak widać na powyższym rysunku, nazywane są atomami lub grupami atomów z jednym lub więcej niesparowanymi elektronami (Cl, H, CH 3 , CH 2 itd.);
2. Rozwój łańcucha
Ten etap polega na oddziaływaniu aktywnych wolnych rodników z nieaktywnymi cząsteczkami. W takim przypadku powstają nowe rodniki. W szczególności, gdy rodniki chloru działają na cząsteczki alkanu, powstaje rodnik alkilowy i chlorowodór. Z kolei rodnik alkilowy zderzając się z cząsteczkami chloru tworzy pochodną chloru i nowy rodnik chloru:
3) Zerwanie (śmierć) łańcucha:
Występuje w wyniku rekombinacji dwóch rodników ze sobą w nieaktywne cząsteczki:
2. Reakcje utleniania
W normalnych warunkach alkany są obojętne w stosunku do silnych utleniaczy, takich jak stężony kwas siarkowy i azotowy, nadmanganian i dwuchromian potasu (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Spalanie w tlenie
A) całkowite spalanie z nadmiarem tlenu. Prowadzi do powstawania dwutlenku węgla i wody:
CH4 + 2O2 \u003d CO2 + 2H2O
B) niecałkowite spalanie z brakiem tlenu:
2CH4 + 3O2 \u003d 2CO + 4H2O
CH4 + O2 \u003d C + 2H2O
Katalityczne utlenianie tlenem
W wyniku ogrzewania alkanów z tlenem (~200 o C) w obecności katalizatorów można otrzymać z nich szeroką gamę produktów organicznych: aldehydy, ketony, alkohole, kwasy karboksylowe.
Na przykład metan, w zależności od rodzaju katalizatora, można utlenić do alkoholu metylowego, formaldehydu lub kwasu mrówkowego:
3. Przemiany termiczne alkanów
Pękanie
Cracking (z ang. crack – to tear) to proces chemiczny zachodzący w wysokiej temperaturze, w wyniku którego szkielet węglowy cząsteczek alkanów pęka z utworzeniem cząsteczek alkenów i alkanów o niższych masach cząsteczkowych w porównaniu do pierwotnych alkanów. Na przykład:
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
Kraking może być termiczny lub katalityczny. Do realizacji krakingu katalitycznego, dzięki zastosowaniu katalizatorów, stosuje się znacznie niższe temperatury w porównaniu do krakingu termicznego.
Odwodornienie
Eliminacja wodoru następuje w wyniku zerwania wiązań C-H; w obecności katalizatorów w podwyższonej temperaturze. W wyniku odwodornienia metanu powstaje acetylen:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Ogrzanie metanu do 1200°C prowadzi do jego rozkładu na proste substancje:
CH4 → C + 2H2
Odwodornienie innych alkanów daje alkeny:
do 2 H 6 → do 2 H 4 + H 2
Podczas odwodorniania N-butan, buten-1 i buten-2 (ten ostatni w postaci cis- I trans-izomery):
Dehydrocyklizacja
izomeryzacja
Właściwości chemiczne cykloalkanów
Właściwości chemiczne cykloalkanów z więcej niż czterema atomami węgla w cyklach są na ogół prawie identyczne z właściwościami alkanów. W przypadku cyklopropanu i cyklobutanu, co dziwne, charakterystyczne są reakcje addycji. Wynika to z wysokiego napięcia wewnątrz cyklu, co prowadzi do tego, że cykle te mają tendencję do pękania. Tak więc cyklopropan i cyklobutan łatwo dodają brom, wodór lub chlorowodór:
Właściwości chemiczne alkenów
1. Reakcje addycji
Ponieważ wiązanie podwójne w cząsteczkach alkenów składa się z jednego silnego wiązania sigma i jednego słabego wiązania pi, są to dość aktywne związki, które łatwo wchodzą w reakcje addycji. Alkeny często wchodzą w takie reakcje nawet w łagodnych warunkach - na zimno, w roztworach wodnych i rozpuszczalnikach organicznych.
Uwodornianie alkenów
Alkeny mogą dodawać wodór w obecności katalizatorów (platyna, pallad, nikiel):
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3
Uwodornianie alkenów przebiega łatwo nawet przy normalnym ciśnieniu i lekkim ogrzewaniu. Ciekawostką jest fakt, że te same katalizatory mogą być użyte do odwodornienia alkanów do alkenów, tylko proces odwodornienia przebiega w wyższej temperaturze i niższym ciśnieniu.
halogenowanie
Alkeny łatwo wchodzą w reakcję addycji z bromem zarówno w roztworze wodnym, jak iw rozpuszczalnikach organicznych. W wyniku oddziaływania początkowo żółte roztwory bromu tracą barwę, tj. odbarwiać.
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hydrohalogenacja
Łatwo zauważyć, że dodanie halogenowodoru do niesymetrycznej cząsteczki alkenu powinno teoretycznie prowadzić do mieszaniny dwóch izomerów. Na przykład dodając bromowodór do propenu, należy otrzymać następujące produkty:
Niemniej jednak, w przypadku braku określonych warunków (na przykład obecności nadtlenków w mieszaninie reakcyjnej), dodanie cząsteczki halogenowodoru nastąpi ściśle selektywnie zgodnie z regułą Markownikowa:
Dodanie halogenowodoru do alkenu następuje w ten sposób, że wodór jest przyłączony do atomu węgla większą liczbą atomów wodoru (bardziej uwodorniony), a halogen jest przyłączony do atomu węgla mniejszą liczbą atomów wodoru atomy (mniej uwodornione).
Uwodnienie
Ta reakcja prowadzi do powstania alkoholi, a także przebiega zgodnie z regułą Markownikowa:
Jak można się domyślić, w związku z tym, że dodanie wody do cząsteczki alkenu następuje zgodnie z regułą Markownikowa, powstanie alkoholu pierwszorzędowego jest możliwe tylko w przypadku hydratacji etylenu:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
To dzięki tej reakcji główna ilość alkoholu etylowego jest przeprowadzana w przemyśle o dużej wydajności.
Polimeryzacja
Szczególnym przypadkiem reakcji addycji jest reakcja polimeryzacji, która w przeciwieństwie do chlorowcowania, hydrohalogenacji i hydratacji przebiega poprzez mechanizm wolnorodnikowy:
Reakcje utleniania
Podobnie jak wszystkie inne węglowodory, alkeny łatwo spalają się w tlenie, tworząc dwutlenek węgla i wodę. Równanie spalania alkenów w nadmiarze tlenu ma postać:
C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2O
W przeciwieństwie do alkanów, alkeny łatwo ulegają utlenieniu. Pod wpływem wodnego roztworu KMnO 4 na alkeny następuje odbarwienie, które jest jakościową reakcją na podwójne i potrójne wiązania CC w cząsteczkach substancji organicznych.
Utlenianie alkenów nadmanganianem potasu w roztworze obojętnym lub lekko zasadowym prowadzi do powstania dioli (alkoholi dwuwodorotlenowych):
C 2 H 4 + 2 KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH – CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (chłodzenie)
W środowisku kwaśnym następuje całkowite rozszczepienie wiązania podwójnego z przekształceniem atomów węgla, które utworzyły wiązanie podwójne, w grupy karboksylowe:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2SO 4 + 17H 2O (ogrzewanie)
Jeśli wiązanie podwójne C=C znajduje się na końcu cząsteczki alkenu, to dwutlenek węgla powstaje jako produkt utleniania skrajnego atomu węgla przy wiązaniu podwójnym. Wynika to z faktu, że pośredni produkt utleniania, kwas mrówkowy, sam łatwo utlenia się w nadmiarze środka utleniającego:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2SO 4 + 20H 2O (ogrzewanie)
Podczas utleniania alkenów, w których atom C przy podwójnym wiązaniu zawiera dwa podstawniki węglowodorowe, powstaje keton. Na przykład utlenianie 2-metylobutenu-2 daje aceton i kwas octowy.
Utlenianie alkenów, które rozbija szkielet węglowy przy podwójnym wiązaniu, służy do ustalenia ich struktury.
Właściwości chemiczne alkadienów
Reakcje addycji
Na przykład dodanie halogenów:
Woda bromowa staje się bezbarwna.
W normalnych warunkach na końcach cząsteczki butadienu-1,3 następuje addycja atomów halogenu, podczas gdy wiązania π zostają zerwane, atomy bromu przyłączają się do skrajnych atomów węgla, a wolne wartościowości tworzą nowe wiązanie π. Tak jakby następuje „ruch” wiązania podwójnego. Przy nadmiarze bromu w miejscu utworzonego wiązania podwójnego można dodać jeszcze jedną cząsteczkę bromu.
reakcje polimeryzacji
Właściwości chemiczne alkinów
Alkiny są nienasyconymi (nienasyconymi) węglowodorami i dlatego mogą wchodzić w reakcje addycji. Wśród reakcji addycji alkinów najpowszechniejsza jest addycja elektrofilowa.
halogenowanie
Ponieważ potrójne wiązanie cząsteczek alkinu składa się z jednego silniejszego wiązania sigma i dwóch słabszych wiązań pi, są one w stanie przyłączyć jedną lub dwie cząsteczki halogenu. Dodanie dwóch cząsteczek halogenu przez jedną cząsteczkę alkinu przebiega według mechanizmu elektrofilowego sekwencyjnie w dwóch etapach:
Hydrohalogenacja
Dodawanie cząsteczek halogenowodoru również przebiega na zasadzie mechanizmu elektrofilowego iw dwóch etapach. W obu etapach dodawanie przebiega zgodnie z regułą Markownikowa:
Uwodnienie
Dodanie wody do alkinów zachodzi w obecności soli rutu w środowisku kwaśnym i nazywa się reakcją Kucherowa.
W wyniku uwodnienia dodatku wody do acetylenu powstaje aldehyd octowy (aldehyd octowy):
W przypadku homologów acetylenu dodanie wody prowadzi do powstania ketonów:
Uwodornianie alkinów
Alkiny reagują z wodorem w dwóch etapach. Jako katalizatory stosuje się metale takie jak platyna, pallad, nikiel:
Trimeryzacja alkinów
Podczas przepuszczania acetylenu nad węglem aktywnym w wysokiej temperaturze powstaje z niego mieszanina różnych produktów, z których głównym jest benzen, produkt trimeryzacji acetylenu:
Dimeryzacja alkinów
Acetylen również wchodzi w reakcję dimeryzacji. Proces przebiega w obecności soli miedzi jako katalizatorów:
Utlenianie alkinów
Alkiny palą się w tlenie:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Oddziaływanie alkinów z zasadami
Alkiny z potrójnym C≡C na końcu cząsteczki, w przeciwieństwie do innych alkinów, mogą wchodzić w reakcje, w których atom wodoru w wiązaniu potrójnym jest zastępowany metalem. Na przykład acetylen reaguje z amidkiem sodu w ciekłym amoniaku:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3,
a także z roztworem amoniaku tlenku srebra, tworząc nierozpuszczalne, podobne do soli substancje zwane acetylenkami:
Dzięki tej reakcji możliwe jest rozpoznanie alkinów z końcowym potrójnym wiązaniem, a także wyizolowanie takiego alkinu z mieszaniny z innymi alkinami.
Należy zauważyć, że wszystkie acetylenki srebra i miedzi są substancjami wybuchowymi.
Acetylidy są zdolne do reagowania z pochodnymi halogenów, co jest wykorzystywane w syntezie bardziej złożonych związków organicznych z potrójnym wiązaniem:
CH 3 -C≡CH + NaNH 2 → CH 3 -C≡CNa + NH 3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Właściwości chemiczne węglowodorów aromatycznych
Aromatyczny charakter wiązania wpływa na właściwości chemiczne benzenów i innych węglowodorów aromatycznych.
Pojedynczy układ elektronów 6pi jest znacznie bardziej stabilny niż konwencjonalne wiązania pi. Dlatego dla węglowodorów aromatycznych reakcje podstawienia są bardziej charakterystyczne niż reakcje addycji. Areny wchodzą w reakcje substytucji za pomocą mechanizmu elektrofilowego.
Reakcje podstawienia
halogenowanie
Nitrowanie
Reakcja nitrowania przebiega najlepiej pod działaniem nie czystego kwasu azotowego, ale jego mieszaniny ze stężonym kwasem siarkowym, tzw. mieszaniny nitrującej:
alkilowanie
Reakcja, w której jeden z atomów wodoru w jądrze aromatycznym zostaje zastąpiony przez rodnik węglowodorowy:
Zamiast fluorowcowanych alkanów można również stosować alkeny. Jako katalizatory można stosować halogenki glinu, halogenki żelazowo-żelazowe lub kwasy nieorganiczne.<
Reakcje addycji
uwodornienie
Przystąpienie chloru
Postępuje według radykalnego mechanizmu pod intensywnym napromieniowaniem światłem ultrafioletowym:
Podobnie reakcja może przebiegać tylko z chlorem.
Reakcje utleniania
Spalanie
2C 6H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2O + Q
niepełne utlenianie
Pierścień benzenowy jest odporny na środki utleniające, takie jak KMnO 4 i K 2 Cr 2 O 7 . Reakcja nie idzie.
Podział podstawników w pierścieniu benzenowym na dwa typy:
Rozważ właściwości chemiczne homologów benzenu na przykładzie toluenu.
Właściwości chemiczne toluenu
halogenowanie
Cząsteczkę toluenu można uznać za składającą się z fragmentów cząsteczek benzenu i metanu. Dlatego logiczne jest założenie, że właściwości chemiczne toluenu powinny w pewnym stopniu łączyć właściwości chemiczne tych dwóch substancji wziętych z osobna. W szczególności dokładnie to obserwuje się podczas jego halogenowania. Wiemy już, że benzen wchodzi w reakcję podstawienia z chlorem na zasadzie mechanizmu elektrofilowego, a do przeprowadzenia tej reakcji muszą być użyte katalizatory (halogenki glinu lub żelaza). Jednocześnie metan może również reagować z chlorem, ale na zasadzie mechanizmu wolnorodnikowego, który wymaga naświetlenia początkowej mieszaniny reakcyjnej światłem UV. Toluen w zależności od warunków w jakich ulega chlorowaniu może dawać albo produkty podstawienia atomów wodoru w pierścieniu benzenowym – trzeba do tego zastosować takie same warunki jak przy chlorowaniu benzenu, albo produkty podstawienia atomów wodoru w rodniku metylowym, jeśli na nim, jak oddziaływać na metan z chlorem po naświetleniu promieniowaniem ultrafioletowym:
Jak widać chlorowanie toluenu w obecności chlorku glinu doprowadziło do powstania dwóch różnych produktów - orto- i para-chlorotoluenu. Wynika to z faktu, że rodnik metylowy jest podstawnikiem pierwszego rodzaju.
Jeśli chlorowanie toluenu w obecności AlCl 3 przeprowadza się w nadmiarze chloru, możliwe jest tworzenie toluenu podstawionego trichlorem:
Podobnie, gdy toluen jest chlorowany w świetle przy wyższym stosunku chloru do toluenu, można otrzymać dichlorometylobenzen lub trichlorometylobenzen:
Nitrowanie
Zastąpienie atomów wodoru grupą nitrową podczas nitrowania toluenu mieszaniną stężonych kwasów azotowego i siarkowego prowadzi do powstania produktów podstawienia w jądrze aromatycznym, a nie w rodniku metylowym:
alkilowanie
Jak już wspomniano, rodnik metylowy jest orientantem pierwszego rodzaju, dlatego jego alkilowanie Friedela-Craftsa prowadzi do produktów podstawienia w pozycjach orto i para:
Reakcje addycji
Toluen można uwodornić do metylocykloheksanu przy użyciu katalizatorów metalicznych (Pt, Pd, Ni):
C 6H 5CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2O
niepełne utlenianie
Pod działaniem takiego utleniacza, jak wodny roztwór nadmanganianu potasu, łańcuch boczny ulega utlenieniu. W takich warunkach jądro aromatyczne nie może ulec utlenieniu. W takim przypadku, w zależności od pH roztworu, powstanie kwas karboksylowy lub jego sól.
Węglowodory, w cząsteczkach których atomy są połączone pojedynczymi wiązaniami i które odpowiadają ogólnemu wzorowi C n H 2 n +2.
W cząsteczkach alkanów wszystkie atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp 3. Oznacza to, że wszystkie cztery orbitale hybrydowe atomu węgla mają identyczny kształt, energię i są skierowane w rogi równobocznej trójkątnej piramidy - czworościanu. Kąty między orbitalami wynoszą 109° 28'.
Możliwa jest prawie swobodna rotacja wokół pojedynczego wiązania węgiel-węgiel, a cząsteczki alkanów mogą przybierać różnorodne kształty z kątami przy atomach węgla zbliżonymi do czworościennych (109 ° 28 ′), na przykład w cząsteczce N-pentan.
Szczególnie warto przypomnieć wiązania w cząsteczkach alkanów. Wszystkie wiązania w cząsteczkach węglowodorów nasyconych są pojedyncze. Nakładanie się występuje wzdłuż osi,
łączące jądra atomów, czyli są to wiązania σ. Wiązania węgiel-węgiel są niespolaryzowane i słabo polaryzowalne. Długość wiązania C-C w alkanach wynosi 0,154 nm (1,54 · 10 - 10 m). Wiązania C-H są nieco krótsze. Gęstość elektronów jest nieco przesunięta w kierunku bardziej elektroujemnego atomu węgla, tj. wiązanie CH jest słabo polarne.
Brak wiązań polarnych w cząsteczkach węglowodorów nasyconych prowadzi do tego, że są one słabo rozpuszczalne w wodzie i nie oddziałują z naładowanymi cząstkami (jonami). Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje z udziałem wolnych rodników.
Szereg homologiczny metanu
homologi- substancje o podobnej strukturze i właściwościach, różniące się jedną lub więcej grupami CH2.
Izomeria i nomenklatura
Alkany charakteryzują się tzw. izomerią strukturalną. Izomery strukturalne różnią się między sobą budową szkieletu węglowego. Najprostszym alkanem, który charakteryzuje się izomerami strukturalnymi, jest butan. 
Podstawy nazewnictwa
1. Wybór obwodu głównego. Tworzenie nazwy węglowodoru rozpoczyna się od określenia głównego łańcucha - najdłuższego łańcucha atomów węgla w cząsteczce, który jest niejako jego podstawą.
2. Numeracja atomów łańcucha głównego. Atomy łańcucha głównego mają przypisane numery. Numeracja atomów łańcucha głównego rozpoczyna się od końca najbliższego podstawnikowi (struktury A, B). Jeżeli podstawniki znajdują się w równej odległości od końca łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, na którym jest ich więcej (struktura B). Jeśli różne podstawniki znajdują się w równej odległości od końców łańcucha, to numeracja zaczyna się od końca, do którego starszy jest bliższy (struktura G). Starszeństwo podstawników węglowodorowych zależy od kolejności, w jakiej zaczyna się ich nazwa w alfabecie: metyl (-CH 3), następnie etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) itd.
Zwróć uwagę, że nazwa zamiennika jest tworzona przez zastąpienie przyrostka -an przyrostkiem - muł w imieniu odpowiedniego alkanu.
3. Tworzenie nazw. Liczby są wskazane na początku nazwy - liczby atomów węgla, przy których znajdują się podstawniki. Jeśli przy danym atomie występuje kilka podstawników, to odpowiednia liczba w nazwie jest powtarzana dwukrotnie, oddzielona przecinkiem (2,2-). Po liczbie myślnik wskazuje liczbę podstawników ( di- dwa, trzy- trzy, tetra- cztery, penta- pięć) i nazwę podstawnika (metyl, etyl, propyl). Następnie bez spacji i myślników - nazwa głównego łańcucha. Główny łańcuch jest określany jako węglowodór - członek serii homologicznej do metanu ( metan CH 4, etan C2H6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C5H12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan C 9 H 20, dziekan C10H22).
Właściwości fizyczne alkanów
Pierwsi czterej przedstawiciele serii homologicznej metanu to gazy. Najprostszym z nich jest metan - gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu (zapach „gazu”, mając filc, który trzeba nazwać 04, określa zapach merkaptanów - związków zawierających siarkę, specjalnie dodawanych do metanu stosowanego w domowych i przemysłowych urządzeń gazowych, aby osoby znajdujące się w ich pobliżu mogły wyczuć wyciek).
Węglowodory o składzie od C 4 H 12 do C 15 H 32 - ciecze; cięższe węglowodory są ciałami stałymi. Temperatury wrzenia i topnienia alkanów stopniowo rosną wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory są słabo rozpuszczalne w wodzie; ciekłe węglowodory są powszechnymi rozpuszczalnikami organicznymi.
Właściwości chemiczne alkanów
reakcje podstawienia.
Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje podstawienia wolnorodnikowego, podczas których atom wodoru jest zastępowany atomem halogenu lub jakąś grupą. Przedstawmy równania reakcji charakterystycznych halogenowanie: 
W przypadku nadmiaru halogenu chlorowanie może iść dalej, aż do całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru chlorem: 
Otrzymane substancje są szeroko stosowane jako rozpuszczalniki i materiały wyjściowe w syntezie organicznej.
Reakcja odwodornienia(odszczepienie wodoru).
Podczas przepuszczania alkanów przez katalizator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) w wysokiej temperaturze (400-600 ° C) cząsteczka wodoru zostaje odszczepiona i powstaje alken:
Reakcje, którym towarzyszy zniszczenie łańcucha węglowego.
Wszystkie węglowodory nasycone spalają się z wytworzeniem dwutlenku węgla i wody. Węglowodory gazowe zmieszane z powietrzem w określonych proporcjach mogą eksplodować.
1. Spalanie węglowodorów nasyconych jest wolnorodnikową reakcją egzotermiczną, co jest bardzo ważne przy stosowaniu alkanów jako paliwa:
Ogólnie reakcję spalania alkanów można zapisać w następujący sposób:
2. Rozszczepianie termiczne węglowodorów.
Proces przebiega zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym. Wzrost temperatury prowadzi do homolitycznego zerwania wiązania węgiel-węgiel i powstania wolnych rodników.
Te rodniki oddziałują ze sobą, wymieniając atom wodoru, tworząc cząsteczkę alkanu i cząsteczkę alkenu:
Reakcje rozszczepienia termicznego leżą u podstaw procesu przemysłowego - krakingu węglowodorów. Proces ten jest najważniejszym etapem rafinacji ropy naftowej.
3. Piroliza. Po podgrzaniu metanu do temperatury 1000 ° C rozpoczyna się piroliza metanu - rozkład na proste substancje: 
Po podgrzaniu do temperatury 1500 ° C możliwe jest tworzenie acetylenu:
4. izomeryzacja. Gdy węglowodory liniowe są ogrzewane katalizatorem izomeryzacji (chlorek glinu), powstają substancje o rozgałęzionym szkielecie węglowym: 
5. Aromatyzacja. Alkany z sześcioma lub więcej atomami węgla w łańcuchu w obecności katalizatora cyklizują do benzenu i jego pochodnych: 
Alkany wchodzą w reakcje, które przebiegają zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym, ponieważ wszystkie atomy węgla w cząsteczkach alkanów są w stanie hybrydyzacji sp 3. Cząsteczki tych substancji zbudowane są z kowalencyjnych niepolarnych wiązań C-C (węgiel - węgiel) oraz słabo polarnych wiązań C-H (węgiel - wodór). Nie posiadają obszarów o dużej i małej gęstości elektronowej, wiązań łatwo polaryzowalnych, czyli takich, w których gęstość elektronowa może ulec przesunięciu pod wpływem czynników zewnętrznych (pola elektrostatyczne jonów). W konsekwencji alkany nie będą reagować z naładowanymi cząstkami, ponieważ wiązania w cząsteczkach alkanów nie są rozrywane przez mechanizm heterolityczny. 
DEFINICJA
alkany nazywane są węglowodorami nasyconymi, których cząsteczki składają się z atomów węgla i wodoru, połączonych ze sobą tylko wiązaniami σ.
W normalnych warunkach (w temperaturze 25 o C i pod ciśnieniem atmosferycznym) pierwsze cztery człony szeregu homologicznego alkanów (C 1 - C 4) są gazami. Normalne alkany od pentanu do heptadekanu (C 5 - C 17) są cieczami, począwszy od C 18 i powyżej są ciałami stałymi. Wraz ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej wzrastają temperatury wrzenia i topnienia alkanów. Przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce rozgałęzione alkany mają niższe temperatury wrzenia niż zwykłe alkany. Strukturę cząsteczki alkanów na przykładzie metanu pokazano na ryc. 1.
Ryż. 1. Struktura cząsteczki metanu.
Alkany są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, ponieważ ich cząsteczki mają niską polarność i nie wchodzą w interakcje z cząsteczkami wody. Ciekłe alkany łatwo mieszają się ze sobą. Dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzen, tetrachlorek węgla, eter dietylowy itp.
Otrzymywanie alkanów
Głównymi źródłami różnych węglowodorów nasyconych zawierających do 40 atomów węgla są ropa naftowa i gaz ziemny. Alkany o niewielkiej liczbie atomów węgla (1 - 10) można wydzielić metodą destylacji frakcyjnej gazu ziemnego lub frakcji benzynowej oleju.
Istnieją przemysłowe (I) i laboratoryjne (II) metody otrzymywania alkanów.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t0);
CO + 3H 2 → CH4 + H2O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (kat, t0).
— uwodornianie węglowodorów nienasyconych
CH3-CH \u003d CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat \u003d Ni, t 0);
— redukcja haloalkanów
C2H5I + HI → C2H6 + I2 (t 0);
- alkaliczne reakcje topnienia soli jednozasadowych kwasów organicznych
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t 0);
- oddziaływanie haloalkanów z metalicznym sodem (reakcja Wurtza)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– elektroliza soli jednozasadowych kwasów organicznych
2C2H5COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2;
K (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH -;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Właściwości chemiczne alkanów
Alkany należą do najmniej reaktywnych związków organicznych, co tłumaczy się ich budową.
Alkany w normalnych warunkach nie reagują ze stężonymi kwasami, stopionymi i stężonymi zasadami, metalami alkalicznymi, halogenami (z wyjątkiem fluoru), nadmanganianem potasu i dwuchromianem potasu w środowisku kwaśnym.
Dla alkanów najbardziej charakterystyczne są reakcje przebiegające według mechanizmu rodnikowego. Homolityczne rozszczepianie wiązań C-H i C-C jest energetycznie korzystniejsze niż ich rozszczepianie heterolityczne.
Rodnikowe reakcje podstawienia przebiegają najłatwiej na trzeciorzędowym atomie węgla, łatwiej na drugorzędowym atomie węgla i wreszcie na pierwszorzędowym atomie węgla.
Wszystkie przemiany chemiczne alkanów przebiegają z rozszczepieniem:
1) wiązania CH
- halogenowanie (SR)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- nitrowanie (SR)
CH3-C (CH3) H-CH3 + HONO2 (rozcieńczony) → CH3-C (NO2) H-CH3 + H2O (t 0).
– sulfochlorowanie (SR)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– odwodornienie
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
— dehydrocyklizacja
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → do 6 H 6 + 4H 2 (kat \u003d Cr 2 O 3, t 0).
2) wiązania C-H i C-C
- izomeryzacja (przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- utlenianie
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5 n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Zastosowanie alkanów
Alkany znalazły zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Rozważmy bardziej szczegółowo na przykładzie niektórych przedstawicieli serii homologicznej, a także mieszanin alkanów.
Metan jest podstawą surowcową najważniejszych chemicznych procesów przemysłowych do produkcji węgla i wodoru, acetylenu, związków organicznych zawierających tlen - alkoholi, aldehydów, kwasów. Propan jest stosowany jako paliwo samochodowe. Butan służy do produkcji butadienu, który jest surowcem do produkcji kauczuku syntetycznego.
Mieszanina ciekłych i stałych alkanów do C 25, zwana wazeliną, jest stosowana w medycynie jako baza do maści. Mieszanina stałych alkanów C 18 - C 25 (parafina) służy do impregnacji różnych materiałów (papier, tkaniny, drewno) w celu nadania im właściwości hydrofobowych, tj. nieprzepuszczalność wody. W medycynie wykorzystywana jest do zabiegów fizjoterapeutycznych (zabiegi parafinowe).
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenia | Podczas chlorowania metanu otrzymano 1,54 g związku, którego gęstość par w powietrzu wynosi 5,31. Oblicz masę dwutlenku manganu MnO 2 potrzebnego do wytworzenia chloru, jeśli stosunek objętości metanu i chloru wprowadzonych do reakcji wynosi 1:2. |
| Rozwiązanie | Stosunek masy danego gazu do masy innego gazu w tej samej objętości, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem nazywa się względną gęstością pierwszego gazu w stosunku do drugiego. Ta wartość pokazuje, ile razy pierwszy gaz jest cięższy lub lżejszy niż drugi gaz. Przyjmuje się, że względna masa cząsteczkowa powietrza wynosi 29 (biorąc pod uwagę zawartość azotu, tlenu i innych gazów w powietrzu). Należy zauważyć, że pojęcie „względnej masy cząsteczkowej powietrza” jest stosowane warunkowo, ponieważ powietrze jest mieszaniną gazów. Znajdźmy masę molową gazu powstającego podczas chlorowania metanu: M gaz \u003d 29 × D powietrze (gaz) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. To jest tetrachlorek węgla - CCl 4 . Piszemy równanie reakcji i ustalamy współczynniki stechiometryczne: CH4 + 4Cl2 \u003d CCl4 + 4HCl. Oblicz ilość czterochlorku węgla: n(CC14) = m(CC14) / M(CC14); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mola. Zgodnie z równaniem reakcji n (CCl 4) : n (CH 4) = 1: 1, a następnie n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mola. Wtedy ilość substancji chlorowej powinna być równa n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), tj. n(Cl2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mola. Piszemy równanie reakcji na produkcję chloru: MnO2 + 4HCl \u003d MnCl2 + Cl2 + 2H2O. Liczba moli dwutlenku manganu wynosi 0,08 mola, ponieważ n (Cl 2) : n (MnO 2) = 1: 1. Znajdź masę dwutlenku manganu: m (MnO2) \u003d n (MnO2) × M (MnO2); M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) \u003d 55 + 2 × 16 \u003d 87 g / mol; m (MnO2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Odpowiedź | Masa dwutlenku manganu wynosi 10,4 g. |
PRZYKŁAD 2
