Kemiska egenskaper hos alkaner
Alkaner (paraffiner) är icke-cykliska kolväten, i vars molekyler alla kolatomer är sammankopplade endast med enkelbindningar. Det finns med andra ord inga multipel-, dubbel- eller trippelbindningar i alkanernas molekyler. Faktum är att alkaner är kolväten som innehåller största möjliga antal väteatomer, och därför kallas de begränsande (mättade).
På grund av mättnad kan alkaner inte ingå i additionsreaktioner.
Eftersom kol- och väteatomer har ganska nära elektronegativitet leder detta till att CH-bindningarna i deras molekyler har extremt låg polaritet. I detta avseende, för alkaner, är reaktioner som fortskrider enligt mekanismen för radikalsubstitution, betecknade med symbolen S R, mer karakteristiska.
1. Substitutionsreaktioner
I reaktioner av denna typ bryts kol-vätebindningar.
RH + XY → RX + HY
Halogenering
Alkaner reagerar med halogener (klor och brom) under inverkan av ultraviolett ljus eller med stark värme. I detta fall bildas en blandning av halogenderivat med olika grader av substitution av väteatomer - mono-, di-tri-, etc. halogensubstituerade alkaner.
I exemplet metan ser det ut så här:
Genom att ändra halogen/metan-förhållandet i reaktionsblandningen är det möjligt att säkerställa att vilket särskilt metan-halogenderivat som helst dominerar i sammansättningen av produkterna.
reaktionsmekanism
Låt oss analysera mekanismen för substitutionsreaktionen med fria radikaler med hjälp av exemplet på interaktionen mellan metan och klor. Den består av tre steg:
- initiering (eller kedjeinitiering) - processen för bildning av fria radikaler under inverkan av energi från utsidan - bestrålning med UV-ljus eller uppvärmning. I detta skede genomgår klormolekylen en homolytisk klyvning av Cl-Cl-bindningen med bildandet av fria radikaler:
Fria radikaler, som framgår av figuren ovan, kallas atomer eller grupper av atomer med en eller flera oparade elektroner (Cl, H, CH 3 , CH 2, etc.);
2. Kedjeutveckling
Detta stadium består i interaktionen av aktiva fria radikaler med inaktiva molekyler. I det här fallet bildas nya radikaler. I synnerhet när klorradikaler verkar på alkanmolekyler bildas en alkylradikal och väteklorid. I sin tur bildar alkylradikalen, som kolliderar med klormolekyler, ett klorderivat och en ny klorradikal:
3) Avbrott (död) av kedjan:
Uppstår som ett resultat av rekombinationen av två radikaler med varandra till inaktiva molekyler:
2. Oxidationsreaktioner
Under normala förhållanden är alkaner inerta med avseende på sådana starka oxidationsmedel som koncentrerad svavelsyra och salpetersyra, permanganat och kaliumdikromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Förbränning i syre
A) fullständig förbränning med ett överskott av syre. Leder till bildning av koldioxid och vatten:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
B) ofullständig förbränning med brist på syre:
2CH4 + 3O2 \u003d 2CO + 4H2O
CH4 + O2 \u003d C + 2H2O
Katalytisk oxidation med syre
Som ett resultat av uppvärmning av alkaner med syre (~200 o C) i närvaro av katalysatorer kan en mängd olika organiska produkter erhållas från dem: aldehyder, ketoner, alkoholer, karboxylsyror.
Till exempel kan metan, beroende på katalysatorns natur, oxideras till metylalkohol, formaldehyd eller myrsyra:
3. Termiska omvandlingar av alkaner
Krackning
Sprickbildning (från engelskan till crack - att riva) är en kemisk process som sker vid hög temperatur, som ett resultat av vilken kolskelettet av alkanmolekyler bryter med bildandet av alken- och alkanmolekyler med lägre molekylvikter jämfört med de ursprungliga alkanerna. Till exempel:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH \u003d CH 2
Sprickbildning kan vara termisk eller katalytisk. För implementering av katalytisk krackning, på grund av användningen av katalysatorer, används betydligt lägre temperaturer jämfört med termisk krackning.
Dehydrering
Elimineringen av väte sker som ett resultat av att bryta CH-bindningarna; utförs i närvaro av katalysatorer vid förhöjda temperaturer. Dehydrering av metan producerar acetylen:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Uppvärmning av metan till 1200 ° C leder till dess nedbrytning till enkla ämnen:
CH4 → C + 2H2
Dehydrering av andra alkaner ger alkener:
C2H6 → C2H4 + H2
Vid dehydrering n-butan, buten-1 och buten-2 bildas (det senare i formen cis- Och Trans-isomerer):
Dehydrocyklisering
Isomerisering
Kemiska egenskaper hos cykloalkaner
De kemiska egenskaperna hos cykloalkaner med mer än fyra kolatomer i cyklerna är i allmänhet nästan identiska med de för alkaner. För cyklopropan och cyklobutan är konstigt nog additionsreaktioner karakteristiska. Detta beror på den höga spänningen inom cykeln, vilket leder till att dessa cykler tenderar att gå sönder. Så cyklopropan och cyklobutan tillsätter lätt brom, väte eller väteklorid:
Kemiska egenskaper hos alkener
1. Tilläggsreaktioner
Eftersom dubbelbindningen i alkenmolekyler består av en stark sigmabindning och en svag pi-bindning är de ganska aktiva föreningar som lätt går in i additionsreaktioner. Alkener går ofta in i sådana reaktioner även under milda förhållanden - i kyla, i vattenlösningar och organiska lösningsmedel.
Hydrering av alkener
Alkener kan tillsätta väte i närvaro av katalysatorer (platina, palladium, nickel):
CH3-CH \u003d CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3
Hydreringen av alkener sker lätt även vid normalt tryck och lätt uppvärmning. Ett intressant faktum är att samma katalysatorer kan användas för dehydrering av alkaner till alkener, endast dehydreringsprocessen fortsätter vid högre temperatur och lägre tryck.
Halogenering
Alkener går lätt in i en additionsreaktion med brom både i vattenlösning och i organiska lösningsmedel. Som ett resultat av interaktionen förlorar initialt gula lösningar av brom sin färg, d.v.s. missfärgas.
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Hydrohalogenering
Det är lätt att se att tillsatsen av en vätehalogenid till en osymmetrisk alkenmolekyl teoretiskt sett bör leda till en blandning av två isomerer. Till exempel, när vätebromid tillsätts till propen, bör följande produkter erhållas:
Icke desto mindre, i frånvaro av specifika förhållanden (till exempel närvaron av peroxider i reaktionsblandningen), kommer tillsatsen av en vätehalogenidmolekyl att ske strikt selektivt i enlighet med Markovnikov-regeln:
Tillsatsen av en vätehalogenid till en alken sker på ett sådant sätt att väte binds till en kolatom med ett större antal väteatomer (mer hydrerad), och en halogen är bunden till en kolatom med ett mindre antal väteatomer (mindre hydrogenerad).
Hydrering
Denna reaktion leder till bildandet av alkoholer och fortsätter också i enlighet med Markovnikov-regeln:
Som du kanske kan gissa, på grund av det faktum att tillsatsen av vatten till alkenmolekylen sker enligt Markovnikov-regeln, är bildandet av primär alkohol endast möjlig i fallet med etenhydratisering:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH
Det är genom denna reaktion som huvudmängden etylalkohol utförs i industrin med stor kapacitet.
Polymerisation
Ett specifikt fall av additionsreaktionen är polymerisationsreaktionen, som, till skillnad från halogenering, hydrohalogenering och hydratisering, fortskrider genom en fri radikalmekanism:
Oxidationsreaktioner
Liksom alla andra kolväten brinner alkener lätt i syre för att bilda koldioxid och vatten. Ekvationen för förbränning av alkener i överskott av syre har formen:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
Till skillnad från alkaner oxideras alkener lätt. Under inverkan av en vattenlösning av KMnO 4 på alkener, missfärgning, som är en kvalitativ reaktion på dubbla och trippel CC-bindningar i molekyler av organiska ämnen.
Oxidation av alkener med kaliumpermanganat i en neutral eller svagt alkalisk lösning leder till bildning av dioler (tvåvärda alkoholer):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (kylning)
I en sur miljö sker en fullständig klyvning av dubbelbindningen med omvandlingen av kolatomerna som bildade dubbelbindningen till karboxylgrupper:
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 (uppvärmning)
Om den dubbla C=C-bindningen är i änden av alkenmolekylen, bildas koldioxid som oxidationsprodukten av den extrema kolatomen vid dubbelbindningen. Detta beror på det faktum att den mellanliggande oxidationsprodukten, myrsyra, lätt oxideras av sig själv i ett överskott av ett oxidationsmedel:
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 (uppvärmning)
Vid oxidation av alkener, där C-atomen vid dubbelbindningen innehåller två kolvätesubstituenter, bildas en keton. Till exempel producerar oxidationen av 2-metylbuten-2 aceton och ättiksyra.
Oxidationen av alkener, som bryter kolskelettet vid dubbelbindningen, används för att fastställa deras struktur.
Kemiska egenskaper hos alkadiener
Tilläggsreaktioner
Till exempel tillsats av halogener:
Bromvatten blir färglöst.
Under normala förhållanden sker tillsatsen av halogenatomer i ändarna av butadien-1,3-molekylen, medan π-bindningar bryts, bromatomer fästs vid de extrema kolatomerna och fria valenser bildar en ny π-bindning. Alltså, som om det finns en "rörelse" av dubbelbindningen. Med ett överskott av brom kan ytterligare en brommolekyl tillsättas vid platsen för den bildade dubbelbindningen.
polymerisationsreaktioner
Kemiska egenskaper hos alkyner
Alkyner är omättade (omättade) kolväten och kan därför ingå i additionsreaktioner. Bland additionsreaktionerna för alkyner är elektrofil addition den vanligaste.
Halogenering
Eftersom trippelbindningen av alkynmolekyler består av en starkare sigmabindning och två svagare pi-bindningar, kan de fästa antingen en eller två halogenmolekyler. Tillsatsen av två halogenmolekyler med en alkynmolekyl sker genom den elektrofila mekanismen sekventiellt i två steg:
Hydrohalogenering
Tillsatsen av vätehalogenidmolekyler sker också genom den elektrofila mekanismen och i två steg. I båda stegen fortsätter tillägget i enlighet med Markovnikov-regeln:
Hydrering
Tillsatsen av vatten till alkyner sker i närvaro av ruthiumsalter i ett surt medium och kallas Kucherov-reaktionen.
Som ett resultat av hydratiseringen av tillsatsen av vatten till acetylen bildas acetaldehyd (ättiksyraaldehyd):
För acetylenhomologer leder tillsatsen av vatten till bildandet av ketoner:
Alkynhydrering
Alkyner reagerar med väte i två steg. Metaller som platina, palladium, nickel används som katalysatorer:
Alkyntrimerisering
När acetylen passeras över aktivt kol vid hög temperatur, bildas en blandning av olika produkter av det, varav huvuddelen är bensen, en produkt av acetylentrimerisering:
Dimerisering av alkyner
Acetylen går också in i en dimeriseringsreaktion. Processen fortsätter i närvaro av kopparsalter som katalysatorer:
Alkynoxidation
Alkyner brinner i syre:
C n H 2n-2 + (3n-1) / 2 O 2 → nCO 2 + (n-1) H 2 O
Interaktionen mellan alkyner och baser
Alkyner med en trippel C≡C i änden av molekylen kan, till skillnad från andra alkyner, gå in i reaktioner där väteatomen i trippelbindningen ersätts med en metall. Till exempel reagerar acetylen med natriumamid i flytande ammoniak:
HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,
och även med en ammoniaklösning av silveroxid, som bildar olösliga saltliknande ämnen som kallas acetylenider:
Tack vare denna reaktion är det möjligt att känna igen alkyner med en terminal trippelbindning, samt att isolera en sådan alkyn från en blandning med andra alkyner.
Det bör noteras att alla silver- och kopparacetylenider är explosiva ämnen.
Acetylider kan reagera med halogenderivat, som används i syntesen av mer komplexa organiska föreningar med en trippelbindning:
CH3-C≡CH + NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Kemiska egenskaper hos aromatiska kolväten
Den aromatiska naturen hos bindningen påverkar de kemiska egenskaperna hos bensener och andra aromatiska kolväten.
Ett enda 6pi elektronsystem är mycket mer stabilt än konventionella pi-bindningar. Därför, för aromatiska kolväten, är substitutionsreaktioner mer karakteristiska än additionsreaktioner. Arener går in i substitutionsreaktioner genom en elektrofil mekanism.
Substitutionsreaktioner
Halogenering
Nitrering
Nitreringsreaktionen fortskrider bäst under inverkan av inte ren salpetersyra, utan dess blandning med koncentrerad svavelsyra, den så kallade nitreringsblandningen:
Alkylering
Reaktionen där en av väteatomerna vid den aromatiska kärnan ersätts med en kolväteradikal:
Alkener kan också användas istället för halogenerade alkaner. Aluminiumhalogenider, ferrijärnhalogenider eller oorganiska syror kan användas som katalysatorer.<
Tilläggsreaktioner
hydrering
Tillträde av klor
Det fortsätter genom en radikal mekanism under intensiv bestrålning med ultraviolett ljus:
På liknande sätt kan reaktionen fortgå endast med klor.
Oxidationsreaktioner
Förbränning
2C 6 H 6 + 15O 2 \u003d 12CO 2 + 6H 2 O + Q
ofullständig oxidation
Bensenringen är resistent mot oxidationsmedel såsom KMnO 4 och K 2 Cr 2 O 7 . Reaktionen går inte.
Uppdelning av substituenter i bensenringen i två typer:
Betrakta de kemiska egenskaperna hos bensenhomologer med toluen som exempel.
Kemiska egenskaper hos toluen
Halogenering
Toluenmolekylen kan anses bestå av fragment av bensen- och metanmolekyler. Därför är det logiskt att anta att toluens kemiska egenskaper i viss mån bör kombinera de kemiska egenskaperna hos dessa två ämnen var för sig. I synnerhet är detta exakt vad som observeras under dess halogenering. Vi vet redan att bensen går in i en substitutionsreaktion med klor genom en elektrofil mekanism, och katalysatorer (aluminium eller ferrihalogenider) måste användas för att utföra denna reaktion. Samtidigt kan metan också reagera med klor, men genom en fri radikalmekanism, som kräver bestrålning av den initiala reaktionsblandningen med UV-ljus. Toluen, beroende på de förhållanden under vilka det genomgår klorering, kan ge antingen substitutionsprodukterna av väteatomer i bensenringen - för detta måste du använda samma förhållanden som vid kloreringen av bensen, eller substitutionsprodukterna av väteatomer i metylradikalen, om på den, hur man agerar på metan med klor när den bestrålas med ultraviolett strålning:
Som du kan se ledde kloreringen av toluen i närvaro av aluminiumklorid till två olika produkter - orto- och para-klortoluen. Detta beror på det faktum att metylradikalen är en substituent av det första slaget.
Om kloreringen av toluen i närvaro av AlCl 3 utförs i överskott av klor, är bildningen av triklorsubstituerad toluen möjlig:
På liknande sätt, när toluen kloreras i ljuset vid ett högre klor/toluen-förhållande, kan diklormetylbensen eller triklormetylbensen erhållas:
Nitrering
Substitutionen av väteatomer för nitrogruppen, under nitreringen av toluen med en blandning av koncentrerad salpetersyra och svavelsyra, leder till substitutionsprodukter i den aromatiska kärnan och inte i metylradikalen:
Alkylering
Som redan nämnts är metylradikalen en orientant av det första slaget, därför leder dess Friedel-Crafts-alkylering till substitutionsprodukter i orto- och parapositionerna:
Tilläggsreaktioner
Toluen kan hydreras till metylcyklohexan med hjälp av metallkatalysatorer (Pt, Pd, Ni):
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O
ofullständig oxidation
Under verkan av ett sådant oxidationsmedel som en vattenlösning av kaliumpermanganat, genomgår sidokedjan oxidation. Den aromatiska kärnan kan inte oxideras under sådana förhållanden. I detta fall, beroende på lösningens pH, kommer antingen en karboxylsyra eller dess salt att bildas.
Kolväten, i vilkas molekyler atomerna är förbundna med enkelbindningar och som motsvarar den allmänna formeln C n H 2 n +2.
I alkanmolekyler är alla kolatomer i ett tillstånd av sp 3 hybridisering. Detta betyder att alla fyra hybridorbitaler av kolatomen är identiska i form, energi och är riktade mot hörnen av en liksidig triangulär pyramid - en tetraeder. Vinklarna mellan orbitalerna är 109° 28'.
Nästan fri rotation är möjlig runt en enda kol-kolbindning, och alkanmolekyler kan anta en mängd olika former med vinklar vid kolatomer nära tetraedriska (109 ° 28 ′), till exempel i en molekyl n-pentan.
Det är särskilt värt att påminna om bindningarna i alkanernas molekyler. Alla bindningar i molekylerna av mättade kolväten är enkla. Överlappning sker längs axeln,
som förbinder atomernas kärnor, dvs dessa är σ-bindningar. Kol-kolbindningar är opolära och dåligt polariserbara. Längden på C-C-bindningen i alkaner är 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). CH-bindningar är något kortare. Elektrondensiteten är något förskjuten mot den mer elektronegativa kolatomen, dvs. CH-bindningen är svagt polär.
Frånvaron av polära bindningar i molekylerna av mättade kolväten leder till att de är dåligt lösliga i vatten och inte interagerar med laddade partiklar (joner). Det mest karakteristiska för alkaner är reaktioner som involverar fria radikaler.
Homolog serie av metan
homologer- Ämnen som liknar struktur och egenskaper och skiljer sig åt genom en eller flera CH 2 -grupper.
Isomerism och nomenklatur
Alkaner kännetecknas av den så kallade strukturella isomerismen. Strukturella isomerer skiljer sig från varandra i strukturen av kolskelettet. Den enklaste alkanen, som kännetecknas av strukturella isomerer, är butan. 
Grunderna i nomenklaturen
1. Välja huvudkrets. Bildandet av namnet på ett kolväte börjar med definitionen av huvudkedjan - den längsta kedjan av kolatomer i en molekyl, som så att säga är dess grund.
2. Numrering av atomer i huvudkedjan. Atomerna i huvudkedjan är tilldelade nummer. Numreringen av atomerna i huvudkedjan börjar från den ände som är närmast substituenten (strukturerna A, B). Om substituenterna är på lika avstånd från slutet av kedjan, börjar numreringen från den ände där det finns fler av dem (struktur B). Om olika substituenter är på lika avstånd från kedjans ändar, börjar numreringen från den ände som den äldre är närmare (struktur G). Ancienniteten för kolvätesubstituenter bestäms av den ordning i vilken bokstaven som deras namn börjar med följer i alfabetet: metyl (-CH 3), sedan etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH3) etc.
Observera att namnet på ersättaren bildas genom att ersätta suffixet -an med suffixet - slam i namnet på motsvarande alkan.
3. Namnbildning. Siffror anges i början av namnet - antalet kolatomer där substituenterna är belägna. Om det finns flera substituenter vid en given atom, så upprepas motsvarande nummer i namnet två gånger åtskilda av ett kommatecken (2,2-). Efter siffran anger ett bindestreck antalet substituenter ( di- två, tre- tre, tetra- fyra, penta- fem) och namnet på substituenten (metyl, etyl, propyl). Då utan mellanslag och bindestreck - namnet på huvudkedjan. Huvudkedjan kallas ett kolväte - en medlem av den homologa metanserien ( metan CH 4, etan C2H6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C5H12, hexan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C8H18, nonan C 9 H 20, dekanus C10H22).
Fysikaliska egenskaper hos alkaner
De första fyra representanterna för den homologa serien av metan är gaser. Den enklaste av dem är metan - en färglös, smaklös och luktfri gas (lukten av "gas", efter att ha känts, som du måste ringa 04, bestäms av lukten av merkaptaner - svavelhaltiga föreningar speciellt tillsatta till metan som används i hushålls- och industrigasapparater så att människor i närheten kunde känna lukten av läckan).
Kolväten med sammansättning från C4H12 till C15H32 - vätskor; tyngre kolväten är fasta ämnen. Kok- och smältpunkterna för alkaner ökar gradvis med ökande kolkedjelängd. Alla kolväten är dåligt lösliga i vatten, flytande kolväten är vanliga organiska lösningsmedel.
Kemiska egenskaper hos alkaner
substitutionsreaktioner.
Det mest karakteristiska för alkaner är substitutionsreaktioner med fria radikaler, under vilka en väteatom ersätts med en halogenatom eller någon grupp. Låt oss presentera ekvationerna för karakteristiska reaktioner halogenering: 
Vid överskott av halogen kan kloreringen gå längre, upp till fullständig ersättning av alla väteatomer med klor: 
De resulterande ämnena används i stor utsträckning som lösningsmedel och utgångsmaterial i organisk syntes.
Dehydreringsreaktion(väte splittras av).
Under passagen av alkaner över katalysatorn (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) vid en hög temperatur (400-600 ° C), spjälkas en vätemolekyl och en alken bildas:
Reaktioner åtföljda av förstörelsen av kolkedjan.
Alla mättade kolväten brinner med bildning av koldioxid och vatten. Gasformiga kolväten blandade med luft i vissa proportioner kan explodera.
1. Förbränning av mättade kolvätenär en exoterm reaktion från fria radikaler, vilket är mycket viktigt när man använder alkaner som bränsle:
I allmänhet kan förbränningsreaktionen av alkaner skrivas som följer:
2. Termisk klyvning av kolväten.
Processen fortsätter enligt mekanismen för fria radikaler. En ökning av temperaturen leder till ett homolytiskt brott av kol-kolbindningen och bildandet av fria radikaler.
Dessa radikaler interagerar med varandra, utbyter en väteatom, med bildandet av en alkanmolekyl och en alkenmolekyl:
Termiska klyvningsreaktioner ligger till grund för den industriella processen - kolvätekrackning. Denna process är det viktigaste steget i oljeraffineringen.
3. Pyrolys. När metan värms upp till en temperatur av 1000 ° C, börjar pyrolys av metan - sönderdelning till enkla ämnen: 
Vid uppvärmning till en temperatur på 1500 ° C är bildningen av acetylen möjlig:
4. Isomerisering. När linjära kolväten värms upp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), bildas ämnen med ett grenat kolskelett: 
5. Aromatisering. Alkaner med sex eller fler kolatomer i kedjan i närvaro av en katalysator cykliseras för att bilda bensen och dess derivat: 
Alkaner går in i reaktioner som fortskrider enligt mekanismen för fria radikaler, eftersom alla kolatomer i alkanmolekyler är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering. Molekylerna av dessa ämnen är byggda med hjälp av kovalenta opolära C-C (kol - kol) bindningar och svagt polära C-H (kol - väte) bindningar. De har inte områden med hög och låg elektrondensitet, lätt polariserbara bindningar, dvs sådana bindningar, vars elektrontäthet kan förskjutas under påverkan av yttre faktorer (elektrostatiska jonfält). Följaktligen kommer alkaner inte att reagera med laddade partiklar, eftersom bindningar i alkanmolekyler inte bryts av en heterolytisk mekanism. 
DEFINITION
Alkaner mättade kolväten kallas, vars molekyler består av kol- och väteatomer, kopplade till varandra endast genom σ-bindningar.
Under normala förhållanden (vid 25 o C och atmosfärstryck) är de första fyra medlemmarna av den homologa serien av alkaner (C 1 - C 4) gaser. Normala alkaner från pentan till heptadekan (C 5 - C 17) är vätskor, från C 18 och uppåt är fasta ämnen. När den relativa molekylvikten ökar ökar alkanernas kok- och smältpunkter. Med samma antal kolatomer i en molekyl har grenade alkaner lägre kokpunkter än normala alkaner. Strukturen av alkanmolekylen med metan som exempel visas i fig. 1.
Ris. 1. Metanmolekylens struktur.
Alkaner är praktiskt taget olösliga i vatten, eftersom deras molekyler har låg polaritet och inte interagerar med vattenmolekyler. Flytande alkaner blandas lätt med varandra. De löser sig väl i opolära organiska lösningsmedel som bensen, koltetraklorid, dietyleter, etc.
Erhålla alkaner
De huvudsakliga källorna till olika mättade kolväten som innehåller upp till 40 kolatomer är olja och naturgas. Alkaner med ett litet antal kolatomer (1 - 10) kan isoleras genom fraktionerad destillation av naturgas eller bensinfraktion av olja.
Det finns industriella (I) och laboratoriemetoder (II) för att erhålla alkaner.
C + H2 -> CH4 (kat = Ni, to);
CO + 3H2 → CH4 + H2O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O (kat, to).
— Hydrogenering av omättade kolväten
CH3-CH \u003d CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat \u003d Ni, to);
— Reduktion av haloalkaner
C2H5I + HI → C2H6 + I2 (t 0);
- alkaliska smältreaktioner av salter av monobasiska organiska syror
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2CO3 (t 0);
- interaktion mellan haloalkaner och metalliskt natrium (Wurtz-reaktion)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
– Elektrolys av salter av monobasiska organiska syror
2C2H5COONa + 2H2O → H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2;
K (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH-;
A (+): 2C2H5COO - -2e → 2C2H5COO + → 2C2H5+ + 2CO2.
Kemiska egenskaper hos alkaner
Alkaner är bland de minst reaktiva organiska föreningarna, vilket förklaras av deras struktur.
Alkaner under normala förhållanden reagerar inte med koncentrerade syror, smälta och koncentrerade alkalier, alkalimetaller, halogener (förutom fluor), kaliumpermanganat och kaliumdikromat i en sur miljö.
För alkaner är reaktioner som fortskrider enligt radikalmekanismen mest karakteristiska. Den homolytiska klyvningen av CH- och C-C-bindningar är energimässigt gynnsammare än deras heterolytiska klyvning.
Radikala substitutionsreaktioner fortskrider lättast vid den tertiära kolatomen, lättare vid den sekundära kolatomen och sist vid den primära kolatomen.
Alla kemiska omvandlingar av alkaner fortsätter med splittring:
1) CH-bindningar
- halogenering (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH3-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrering (SR)
CH3-C (CH3) H-CH3 + HONO2 (utspädd) → CH3-C (NO2) H-CH3 + H2O (t 0).
– sulfoklorering (SR)
R-H + SO2 + Cl2 → RSO2Cl + HCl ( hv).
– dehydrering
CH3-CH3 → CH2 \u003d CH2 + H2 (kat \u003d Ni, t 0).
— dehydrocyklisering
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr2O3, to).
2) C-H och C-C bindningar
- isomerisering (intramolekylär omarrangering)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C (CH3) H-CH3 (kat \u003d AlCl3, t 0).
- oxidation
2CH3-CH2-CH2-CH3 + 502 -> 4CH3COOH + 2H2O (t 0, p);
CnH2n + 2+ (1,5n + 0,5) O2 -> nCO2+ (n + 1) H2O (t0).
Applicering av alkaner
Alkaner har funnits i olika industrier. Låt oss överväga mer i detalj, med hjälp av exemplet med några representanter för den homologa serien, såväl som blandningar av alkaner.
Metan är råvarubasen för de viktigaste kemiska industriella processerna för att producera kol och väte, acetylen, syrehaltiga organiska föreningar - alkoholer, aldehyder, syror. Propan används som bilbränsle. Butan används för att tillverka butadien, som är en råvara för tillverkning av syntetiskt gummi.
En blandning av flytande och fasta alkaner upp till C 25, kallad vaselin, används inom medicinen som bas för salvor. En blandning av fasta alkaner C 18 - C 25 (paraffin) används för att impregnera olika material (papper, tyger, trä) för att ge dem hydrofoba egenskaper, d.v.s. vattentäthet. Inom medicinen används det för fysioterapeutiska procedurer (paraffinbehandling).
Exempel på problemlösning
EXEMPEL 1
| Träning | Vid klorering av metan erhölls 1,54 g av föreningen, vars ångdensitet i luft är 5,31. Beräkna massan av mangandioxid MnO 2 som kommer att krävas för att producera klor om förhållandet mellan volymerna metan och klor som införs i reaktionen är 1:2. |
| Lösning | Förhållandet mellan massan av en given gas och massan av en annan gas tagen i samma volym, vid samma temperatur och samma tryck, kallas den första gasens relativa densitet jämfört med den andra. Detta värde visar hur många gånger den första gasen är tyngre eller lättare än den andra gasen. Luftens relativa molekylvikt tas lika med 29 (med hänsyn till innehållet av kväve, syre och andra gaser i luften). Det bör noteras att begreppet "luftens relativa molekylvikt" används villkorligt, eftersom luft är en blandning av gaser. Låt oss hitta den molära massan av gasen som bildas under kloreringen av metan: M gas \u003d 29 × D luft (gas) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Detta är koltetraklorid - CCl 4 . Vi skriver reaktionsekvationen och ordnar de stökiometriska koefficienterna: CH4 + 4Cl2 \u003d CCl4 + 4HCl. Beräkna mängden koltetrakloridämne: n(CC14) = m(CCl4)/M(CC14); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. Enligt reaktionsekvationen n (CCl 4): n (CH 4) = 1: 1, då n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Då ska mängden klorämne vara lika med n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), dvs. n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Vi skriver reaktionsekvationen för produktionen av klor: MnO2 + 4HCl \u003d MnCl2 + Cl2 + 2H2O. Antalet mol mangandioxid är 0,08 mol, eftersom n (Cl 2): n (MnO 2) = 1: 1. Hitta massan av mangandioxid: 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 g / mol; m (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Svar | Massan av mangandioxid är 10,4 g. |
EXEMPEL 2
