Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanlar (parafinler), moleküllerindeki tüm karbon atomlarının yalnızca tekli bağlarla bağlandığı siklik olmayan hidrokarbonlardır. Başka bir deyişle alkan moleküllerinde çoklu (ikili veya üçlü) bağ yoktur. Aslında alkanlar, mümkün olan maksimum sayıda hidrojen atomu içeren hidrokarbonlardır ve bu nedenle bunlara sınırlayıcı (doymuş) denir.
Doyma nedeniyle alkanlar katılma reaksiyonlarına giremezler.
Karbon ve hidrojen atomlarının oldukça yakın elektronegatifliğe sahip olması, moleküllerindeki C-H bağlarının son derece düşük kutuplu olmasına yol açar. Bu bakımdan alkanlar için S R sembolüyle gösterilen radikal ikame mekanizması yoluyla ilerleyen reaksiyonlar daha tipiktir.
1. Yer değiştirme reaksiyonları
Bu tür reaksiyonlarda karbon-hidrojen bağları kırılır.
RH + XY → RX + HY
Halojenasyon
Alkanlar, ultraviyole ışığa veya yüksek ısıya maruz kaldıklarında halojenlerle (klor ve brom) reaksiyona girer. Bu durumda, değişen derecelerde hidrojen atomu ikamesine sahip halojen türevlerinin bir karışımı oluşur - mono-, ditri-, vb. halojenle ikame edilmiş alkanlar.
Örnek olarak metanı kullanırsak şuna benzer:
Reaksiyon karışımındaki halojen/metan oranını değiştirerek, ürünlerin bileşiminde metan'ın belirli bir halojen türevinin baskın olmasını sağlamak mümkündür.
Reaksiyon mekanizması
Metan ve klorun etkileşimi örneğini kullanarak serbest radikal ikame reaksiyonunun mekanizmasını analiz edelim. Üç aşamadan oluşur:
- Başlatma (veya zincir çekirdeklenmesi), harici enerjinin (UV ışığı veya ısıtma ile ışınlama) etkisi altında serbest radikallerin oluşma sürecidir. Bu aşamada, klor molekülü, serbest radikallerin oluşumuyla Cl-Cl bağının homolitik bölünmesine uğrar:
Serbest radikaller, yukarıdaki şekilde görülebileceği gibi, bir veya daha fazla eşleşmemiş elektrona (Cl, H, CH3, CH2, vb.) sahip atomlar veya atom gruplarıdır;
2. Zincir geliştirme
Bu aşama aktif serbest radikallerin aktif olmayan moleküllerle etkileşimini içerir. Bu durumda yeni radikaller oluşur. Özellikle klor radikalleri alkan molekülleri üzerinde etki ettiğinde bir alkil radikali ve hidrojen klorür oluşur. Buna karşılık, alkil radikali, klor molekülleriyle çarpışarak bir klor türevi ve yeni bir klor radikali oluşturur:
3) Zincirin kırılması (ölümü):
İki radikalin birbirleriyle inaktif moleküller halinde rekombinasyonu sonucu oluşur:
2. Oksidasyon reaksiyonları
Normal koşullar altında alkanlar, konsantre sülfürik ve nitrik asitler, potasyum permanganat ve dikromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7) gibi güçlü oksitleyici maddelere karşı etkisizdir.
Oksijende yanma
A) Aşırı oksijenle tam yanma. Karbondioksit ve su oluşumuna yol açar:
CH4 + 2O2 = C02 + 2H2O
B) oksijen eksikliği nedeniyle eksik yanma:
2CH4 + 3O2 = 2CO + 4H2O
CH4 + O2 = C + 2H2O
Oksijenle katalitik oksidasyon
Alkanların katalizör varlığında oksijenle (~200 o C) ısıtılması sonucunda bunlardan çok çeşitli organik ürünler elde edilebilir: aldehitler, ketonlar, alkoller, karboksilik asitler.
Örneğin metan, katalizörün yapısına bağlı olarak metil alkol, formaldehit veya formik asit halinde oksitlenebilir:
3. Alkanların termal dönüşümleri
Çatlama
Çatlama (İngilizce'den çatlamaya - yırtılmaya), yüksek sıcaklıklarda meydana gelen, bunun sonucunda alkan moleküllerinin karbon iskeletinin, orijinal alkanlara göre daha düşük moleküler ağırlığa sahip alken molekülleri ve alkanların oluşmasıyla parçalanması sonucu oluşan kimyasal bir işlemdir. . Örneğin:
CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH3 → CH3 -CH2 -CH2 -CH3 + CH3 -CH=CH2
Çatlama termal veya katalitik olabilir. Katalitik parçalamayı gerçekleştirmek için katalizör kullanımı sayesinde termal parçalamaya kıyasla önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklar kullanılır.
Dehidrojenasyon
Hidrojenin ortadan kaldırılması, C-H bağlarının bölünmesinin bir sonucu olarak meydana gelir; yüksek sıcaklıklarda katalizörlerin varlığında gerçekleştirilir. Metanın hidrojeni giderildiğinde asetilen oluşur:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Metanın 1200 °C'ye ısıtılması, metanın basit maddelere ayrışmasına yol açar:
CH 4 → C + 2H 2
Kalan alkanlar dehidrojene edildiğinde alkenler oluşur:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Hidrojen giderirken N-butan, buten-1 ve buten-2 oluşur (ikincisi formdadır) cis- Ve trans-izomerler):
Dehidrosiklizasyon
İzomerizasyon
Sikloalkanların kimyasal özellikleri
Halkalarında dörtten fazla karbon atomu bulunan sikloalkanların kimyasal özellikleri genel olarak alkanların özellikleriyle hemen hemen aynıdır. İşin garibi, siklopropan ve siklobutan ilave reaksiyonlarıyla karakterize edilir. Bunun nedeni döngü içindeki yüksek gerilimdir ve bu döngülerin kırılma eğiliminde olmasına neden olur. Dolayısıyla siklopropan ve siklobütan kolayca brom, hidrojen veya hidrojen klorür ekler:
Alkenlerin kimyasal özellikleri
1. İlave reaksiyonları
Alken moleküllerindeki çift bağ, bir güçlü sigma ve bir zayıf pi bağından oluştuğundan, kolayca katılma reaksiyonlarına girebilen oldukça aktif bileşiklerdir. Alkenler genellikle soğukta, sulu çözeltilerde ve organik çözücülerde, ılımlı koşullar altında bile bu tür reaksiyonlara girerler.
Alkenlerin hidrojenasyonu
Alkenler, katalizörlerin (platin, paladyum, nikel) varlığında hidrojen ekleme yeteneğine sahiptir:
CH3 -CH = CH2 + H2 → CH3 -CH2 -CH3
Alkenlerin hidrojenasyonu normal basınçta ve hafif ısıtmada bile kolayca meydana gelir. İlginç bir gerçek şu ki, aynı katalizörler alkanların alkenlere dehidrojenasyonu için kullanılabilir, yalnızca dehidrojenasyon işlemi daha yüksek sıcaklıkta ve daha düşük basınçta gerçekleşir.
Halojenasyon
Alkenler, hem sulu çözeltilerde hem de organik çözücülerde brom ile kolayca katılma reaksiyonlarına girerler. Etkileşim sonucunda başlangıçta sarı olan brom çözeltileri renklerini kaybederler. rengi bozulur.
CH2 =CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br
Hidrohalojenasyon
Görülmesi kolay olduğu gibi, simetrik olmayan bir alken molekülüne hidrojen halojenürün eklenmesi teorik olarak iki izomerin karışımına yol açmalıdır. Örneğin propene hidrojen bromür eklendiğinde aşağıdaki ürünler elde edilmelidir:
Bununla birlikte, belirli koşulların yokluğunda (örneğin, reaksiyon karışımında peroksitlerin varlığı), bir hidrojen halojenür molekülünün eklenmesi, Markovnikov kuralına uygun olarak kesinlikle seçici olarak gerçekleşecektir:
Bir alkene hidrojen halojenürün eklenmesi, daha fazla sayıda hidrojen atomuna sahip (daha fazla hidrojenlenmiş) bir karbon atomuna bir hidrojenin eklendiği ve daha az sayıda hidrojen içeren bir karbon atomuna bir halojenin eklendiği şekilde gerçekleşir. atomlar (daha az hidrojenlenmiş).
Hidrasyon
Bu reaksiyon alkol oluşumuna yol açar ve aynı zamanda Markovnikov kuralına göre ilerler:
Kolayca tahmin edebileceğiniz gibi, bir alken molekülüne su eklenmesi Markovnikov kuralına göre gerçekleştiğinden, birincil alkol oluşumu yalnızca etilen hidrasyonu durumunda mümkündür:
CH2 =CH2 + H20 → CH3-CH2-OH
Büyük ölçekli endüstride etil alkolün büyük bir kısmı bu reaksiyon yoluyla gerçekleştirilir.
Polimerizasyon
Ekleme reaksiyonunun özel bir durumu, halojenasyon, hidrohalojenasyon ve hidrasyondan farklı olarak serbest radikal mekanizması yoluyla ilerleyen polimerizasyon reaksiyonudur:
Oksidasyon reaksiyonları
Diğer tüm hidrokarbonlar gibi alkenler de oksijen içinde kolaylıkla yanarak karbondioksit ve su oluştururlar. Alkenlerin aşırı oksijende yanmasına ilişkin denklem şu şekildedir:
C n H 2n + (3/2) nO 2 → nCO2 + nH2 O
Alkanların aksine alkenler kolayca oksitlenir. Alkenler sulu bir KMnO4 çözeltisine maruz bırakıldığında, organik madde moleküllerindeki çift ve üçlü CC bağlarına niteliksel bir reaksiyon olan renk değişikliği meydana gelir.
Alkenlerin nötr veya zayıf alkali bir çözelti içinde potasyum permanganat ile oksidasyonu diollerin (dihidrik alkoller) oluşumuna yol açar:
C2H4 + 2KMnO4 + 2H2O → CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH (soğutma)
Asidik ortamda çift bağ tamamen kırılır ve çift bağı oluşturan karbon atomları karboksil gruplarına dönüşür:
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 (ısıtma)
Çift C=C bağı alken molekülünün ucunda bulunuyorsa, çift bağdaki en dıştaki karbon atomunun oksidasyonunun bir ürünü olarak karbondioksit oluşur. Bunun nedeni, ara oksidasyon ürünü olan formik asidin, aşırı oksitleyici madde içinde kendisini kolayca oksitlemesidir:
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 (ısıtma)
Çift bağdaki C atomunun iki hidrokarbon ikame edicisi içerdiği alkenlerin oksidasyonu bir keton üretir. Örneğin 2-metilbuten-2'nin oksidasyonu aseton ve asetik asit üretir.
Karbon iskeletinin çift bağda kırıldığı alkenlerin oksidasyonu, yapılarını belirlemek için kullanılır.
Alkadienlerin kimyasal özellikleri
İlave reaksiyonları
Örneğin halojenlerin eklenmesi:
Bromlu suyun rengi değişir.
Normal koşullar altında, 1,3-butadien molekülünün uçlarında halojen atomlarının eklenmesi meydana gelir, π bağları kırılırken, aşırı karbon atomlarına brom atomları eklenir ve serbest valanslar yeni bir π bağı oluşturur . Böylece çift bağda bir "hareket" meydana gelir. Bromun fazla olması durumunda oluşan çift bağın bulunduğu yere başka bir molekül eklenebilir.
Polimerizasyon reaksiyonları
Alkinlerin kimyasal özellikleri
Alkinler doymamış (doymamış) hidrokarbonlardır ve bu nedenle katılma reaksiyonlarına girebilmektedirler. Alkinlerin katılma reaksiyonları arasında elektrofilik katılma en yaygın olanıdır.
Halojenasyon
Alkin moleküllerinin üçlü bağı bir güçlü sigma bağı ve iki zayıf pi bağından oluştuğu için bir veya iki halojen molekülünü bağlayabilirler. İki halojen molekülünün bir alkin molekülüyle eklenmesi, elektrofilik bir mekanizma yoluyla ardışık olarak iki aşamada ilerler:
Hidrohalojenasyon
Hidrojen halojenür moleküllerinin eklenmesi de elektrofilik bir mekanizma yoluyla ve iki aşamada gerçekleşir. Her iki aşamada da katılım Markovnikov kuralına göre ilerliyor:
Hidrasyon
Alkinlere su eklenmesi, asidik bir ortamda ruti tuzlarının varlığında meydana gelir ve Kucherov reaksiyonu olarak adlandırılır.
Hidrasyon sonucunda asetilene su ilavesi asetaldehit (asetik aldehit) üretir:
Asetilen homologları için su eklenmesi keton oluşumuna yol açar:
Alkinlerin hidrojenasyonu
Alkinler hidrojenle iki aşamada reaksiyona girer. Katalizör olarak platin, paladyum ve nikel gibi metaller kullanılır:
Alkinlerin trimerizasyonu
Asetilen yüksek sıcaklıkta aktif karbonun üzerinden geçirildiğinde, esas olarak asetilen trimerizasyonunun bir ürünü olan benzen olan çeşitli ürünlerden oluşan bir karışım oluşur:
Alkinlerin dimerizasyonu
Asetilen ayrıca bir dimerizasyon reaksiyonuna da uğrar. İşlem, katalizör olarak bakır tuzlarının varlığında gerçekleşir:
Alkin oksidasyonu
Alkinler oksijende yanar:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO2 + (n-1)H 2 O
Alkinlerin bazlarla reaksiyonu
Molekül ucunda üçlü C≡C bulunan alkinler, diğer alkinlerden farklı olarak üçlü bağdaki hidrojen atomunun bir metalle yer değiştirdiği reaksiyonlara girebilmektedir. Örneğin asetilen, sıvı amonyakta sodyum amid ile reaksiyona girer:
HC≡CH + 2NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3 ,
ve ayrıca gümüş oksitin amonyak çözeltisiyle asetilenitler adı verilen çözünmeyen tuz benzeri maddeler oluşturur:
Bu reaksiyon sayesinde, terminal üçlü bağa sahip alkinleri tanımak ve ayrıca böyle bir alkini diğer alkinlerle karışımdan izole etmek mümkündür.
Tüm gümüş ve bakır asetilenitlerin patlayıcı madde olduğu unutulmamalıdır.
Asetilenidler, üçlü bağa sahip daha karmaşık organik bileşiklerin sentezinde kullanılan halojen türevleriyle reaksiyona girebilir:
CH3 -C≡CH + NaNH2 → CH3 -C≡CNa + NH3
CH3 -C≡CNa + CH3Br → CH3 -C≡C-CH3 + NaBr
Aromatik hidrokarbonların kimyasal özellikleri
Bağın aromatik yapısı benzenlerin ve diğer aromatik hidrokarbonların kimyasal özelliklerini etkiler.
Birleşik 6pi elektron sistemi sıradan pi bağlarından çok daha kararlıdır. Bu nedenle aromatik hidrokarbonlar için ekleme reaksiyonlarından ziyade ikame reaksiyonları daha tipiktir. Arenler elektrofilik bir mekanizma yoluyla ikame reaksiyonlarına girerler.
İkame reaksiyonları
Halojenasyon
nitrasyon
Nitratlama reaksiyonu en iyi şekilde saf nitrik asidin değil, bunun konsantre sülfürik asitle olan karışımının, yani nitratlama karışımının etkisi altında ilerler:
alkilasyon
Aromatik halkadaki hidrojen atomlarından birinin bir hidrokarbon radikaliyle yer değiştirdiği reaksiyon:
Halojenlenmiş alkanların yerine alkenler de kullanılabilir. Katalizör olarak alüminyum halojenürler, ferrik halojenürler veya inorganik asitler kullanılabilir.<
İlave reaksiyonları
Hidrojenasyon
Klor ilavesi
Ultraviyole ışıkla yoğun ışınlama üzerine radikal bir mekanizma yoluyla ilerler:
Benzer bir reaksiyon yalnızca klor ile meydana gelebilir.
Oksidasyon reaksiyonları
Yanma
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Eksik oksidasyon
Benzen halkası, KMnO4 ve K2Cr207 gibi oksitleyici maddelere karşı dayanıklıdır. Hiçbir tepki yok.
Benzen halkasındaki ikame ediciler iki türe ayrılır:
Örnek olarak tolueni kullanarak benzen homologlarının kimyasal özelliklerini ele alalım.
Tolüenin kimyasal özellikleri
Halojenasyon
Toluen molekülünün benzen ve metan moleküllerinin parçalarından oluştuğu düşünülebilir. Bu nedenle, tolüenin kimyasal özelliklerinin, ayrı ayrı ele alınan bu iki maddenin kimyasal özelliklerini bir dereceye kadar birleştirmesi gerektiğini varsaymak mantıklıdır. Bu genellikle halojenlenmesi sırasında gözlemlenen şeydir. Benzen'in elektrofilik bir mekanizma yoluyla klor ile ikame reaksiyonuna girdiğini zaten biliyoruz ve bu reaksiyonu gerçekleştirmek için katalizörlerin (alüminyum veya ferrik halojenürler) kullanılması gereklidir. Aynı zamanda metan da klor ile reaksiyona girebilir, ancak bu, başlangıç reaksiyon karışımının UV ışığı ile ışınlanmasını gerektiren bir serbest radikal mekanizması yoluyla gerçekleşir. Toluen, klorlamaya tabi tutulduğu koşullara bağlı olarak, benzen halkasındaki hidrojen atomlarının ikame ürünlerini verebilir - bunun için benzenin klorlanmasıyla aynı koşulları veya hidrojen ikame ürünlerini kullanmanız gerekir. Metil radikalindeki atomlar, eğer öyleyse, klorun ultraviyole ışınlama altında metan üzerinde nasıl etki ettiği:
Gördüğünüz gibi, tolüenin alüminyum klorür varlığında klorlanması iki farklı ürüne yol açtı: orto- ve para-klorotoluen. Bunun nedeni metil radikalinin birinci türden bir ikame edici olmasıdır.
Tolüenin AlCl3 varlığında klorlanması aşırı klorla gerçekleştirilirse, trikloro ikameli toluenin oluşumu mümkündür:
Benzer şekilde, toluen ışıkta daha yüksek bir klor/toluen oranında klorlandığında, diklorometilbenzen veya triklorometilbenzen elde edilebilir:
nitrasyon
Tolüenin konsantre nitrik ve sülfürik asit karışımı ile nitrasyonu sırasında hidrojen atomlarının bir nitro grubu ile değiştirilmesi, metil radikalinden ziyade aromatik halkada ikame ürünlerinin oluşmasına yol açar:
alkilasyon
Daha önce de belirtildiği gibi, metil radikali birinci türden bir yönlendirme maddesidir, dolayısıyla Friedel-Crafts'a göre alkilasyonu orto ve para pozisyonlarında ikame ürünlerine yol açar:
İlave reaksiyonları
Toluen, metal katalizörler (Pt, Pd, Ni) kullanılarak metilsikloheksana hidrojenlenebilir:
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O
Eksik oksidasyon
Sulu potasyum permanganat çözeltisi gibi oksitleyici bir maddeye maruz kaldığında yan zincir oksidasyona uğrar. Aromatik çekirdek bu koşullar altında oksitlenemez. Bu durumda çözeltinin pH'ına bağlı olarak ya bir karboksilik asit ya da bunun tuzu oluşacaktır.
Moleküllerindeki atomların tekli bağlarla bağlandığı ve CnH2n+2 genel formülüne karşılık gelen hidrokarbonlar.
Alkan moleküllerinde tüm karbon atomları sp3 hibridizasyonu durumundadır. Bu, karbon atomunun dört hibrit yörüngesinin hepsinin şekil ve enerji açısından aynı olduğu ve eşkenar üçgen piramidin (bir tetrahedron) köşelerine yönlendirildiği anlamına gelir. Yörüngeler arasındaki açılar 109° 28'dir.
Tek bir karbon-karbon bağı etrafında neredeyse serbest dönüş mümkündür ve alkan molekülleri, örneğin molekülde dört yüzlüye yakın (109° 28′) karbon atomlarındaki açılarla çok çeşitli şekiller alabilir. N-pentan.
Alkan moleküllerindeki bağları özellikle hatırlamakta fayda var. Doymuş hidrokarbon moleküllerindeki tüm bağlar tektir. Örtüşme eksen boyunca meydana gelir,
atomların çekirdeklerini birbirine bağlar, yani. bunlar σ bağlarıdır. Karbon-karbon bağları polar değildir ve zayıf polarize edilebilir. Alkanlardaki C-C bağının uzunluğu 0,154 nm'dir (1,54 · 10 - 10 m). C-H bağları biraz daha kısadır. Elektron yoğunluğu daha elektronegatif olan karbon atomuna doğru hafifçe kayar, yani C-H bağı zayıf polardır.
Doymuş hidrokarbon moleküllerinde polar bağların bulunmaması, bunların suda az çözünmelerine ve yüklü parçacıklar (iyonlar) ile etkileşime girmemelerine yol açar. Alkanlar için en karakteristik reaksiyonlar serbest radikalleri içeren reaksiyonlardır.
Homolog metan serisi
Homologlar- yapı ve özellik bakımından benzer olan ve bir veya daha fazla CH2 grubu bakımından farklılık gösteren maddeler.
İzomerizm ve isimlendirme
Alkanlar yapısal izomerizm olarak adlandırılan özelliklerle karakterize edilir. Yapısal izomerler karbon iskeletinin yapısında birbirinden farklıdır. Yapısal izomerlerle karakterize edilen en basit alkan bütandır. 
İsimlendirme Temelleri
1. Ana devrenin seçimi. Bir hidrokarbon adının oluşumu, ana zincirin tanımıyla başlar - moleküldeki en uzun karbon atomu zinciri, sanki onun temelidir.
2. Ana zincirdeki atomların numaralandırılması. Ana zincirin atomlarına numaralar verilmiştir. Ana zincirin atomlarının numaralandırılması, ikame edicinin en yakın olduğu uçtan (A, B yapıları) başlar. İkame ediciler zincirin sonundan eşit uzaklıkta bulunuyorsa, numaralandırma bunların daha fazla olduğu uçtan başlar (B yapısı). Farklı ikame ediciler zincirin uçlarından eşit uzaklıkta bulunuyorsa, numaralandırma kıdemli olanın en yakın olduğu uçtan başlar (yapı D). Hidrokarbon ikame edicilerinin kıdemi, adlarının başladığı harfin alfabede görünme sırasına göre belirlenir: metil (-CH3), ardından etil (-CH2-CH3), propil (-CH2-CH2) -CH3) vb.
İkame edicinin adının -an son ekinin - son ekiyle değiştirilmesiyle oluşturulduğunu lütfen unutmayın. silt karşılık gelen alkan adına.
3. İsmin oluşumu. İsmin başında sayılar belirtilir - ikame edicilerin bulunduğu karbon atomlarının sayıları. Belirli bir atomda birden fazla ikame edici varsa, isimdeki karşılık gelen sayı, virgülle (2,2-) ayrılarak iki kez tekrarlanır. Numaradan sonra, ikame edicilerin sayısı kısa çizgi ile gösterilir ( di- iki, üç- üç, dörtlü- dört, penta- beş) ve ikame edicinin adı (metil, etil, propil). Daha sonra boşluk veya kısa çizgi olmadan ana zincirin adı. Ana zincire, homolog metan serisinin bir üyesi olan hidrokarbon adı verilir ( metan CH 4, etan C2H6, propan C3H8, C4H10, pentan C5H12, heksan C6H14, heptan C7H16, oktan C8H18, nonan S 9 N 20, dekan C10H22).
Alkanların fiziksel özellikleri
Homolog metan serisinin ilk dört temsilcisi gazlardır. Bunlardan en basiti metandır - renksiz, tatsız ve kokusuz bir gaz ("gaz" kokusu, kokladığınızda 04'ü aramanız gerekir, merkaptanların kokusuyla belirlenir - kullanılan metana özel olarak eklenen kükürt içeren bileşikler) Ev ve endüstriyel gazlı cihazlarda, yanlarında bulunan kişilerin sızıntıyı koku yoluyla tespit edebilmeleri için).
C4H12 ila C15H32 arasındaki bileşimdeki hidrokarbonlar sıvıdır; Daha ağır hidrokarbonlar katıdır. Alkanların kaynama ve erime noktaları, karbon zinciri uzunluğunun artmasıyla birlikte giderek artar. Tüm hidrokarbonlar suda az çözünür; sıvı hidrokarbonlar yaygın organik çözücülerdir.
Alkanların kimyasal özellikleri
Yer değiştirme reaksiyonları.
Alkanlar için en karakteristik reaksiyonlar, bir hidrojen atomunun bir halojen atomu veya bir grup ile değiştirildiği serbest radikal ikame reaksiyonlarıdır. Karakteristik reaksiyonların denklemlerini sunalım halojenasyon: 
Halojenin fazla olması durumunda, klorlama daha da ileri giderek tüm hidrojen atomlarının tamamen klor ile değiştirilmesine kadar gidebilir: 
Ortaya çıkan maddeler, organik sentezlerde çözücüler ve başlangıç malzemeleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.
Dehidrojenasyon reaksiyonu(hidrojen çıkarımı).
Alkanlar yüksek sıcaklıklarda (400-600 ° C) bir katalizör (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) üzerinden geçirildiğinde, bir hidrojen molekülü elimine edilir ve bir alken oluşur:
Karbon zincirinin tahribatının eşlik ettiği reaksiyonlar.
Tüm doymuş hidrokarbonlar yanarak karbondioksit ve su oluşturur. Belirli oranlarda havayla karışan gaz halindeki hidrokarbonlar patlayabilir.
1. Doymuş hidrokarbonların yanması alkanları yakıt olarak kullanırken çok önemli olan serbest radikal ekzotermik bir reaksiyondur:
Alkanların yanma reaksiyonları genel olarak şu şekilde yazılabilir:
2. Hidrokarbonların termal bölünmesi.
Süreç serbest radikal mekanizması yoluyla gerçekleşir. Sıcaklıktaki bir artış, karbon-karbon bağının homolitik bölünmesine ve serbest radikallerin oluşumuna yol açar.
Bu radikaller birbirleriyle etkileşime girerek bir hidrojen atomu alışverişi yaparak bir alkan molekülü ve bir alken molekülü oluşturur:
Termal ayrışma reaksiyonları, endüstriyel hidrokarbon parçalama işleminin temelini oluşturur. Bu işlem petrol rafinasyonunun en önemli aşamasıdır.
3. Piroliz. Metan 1000 °C sıcaklığa ısıtıldığında metan pirolizi başlar - basit maddelere ayrışma: 
1500 °C sıcaklığa ısıtıldığında asetilen oluşumu mümkündür:
4. İzomerizasyon. Doğrusal hidrokarbonlar bir izomerizasyon katalizörü (alüminyum klorür) ile ısıtıldığında, dallanmış karbon iskeletine sahip maddeler oluşur: 
5. Aromatizasyon. Zincirde altı veya daha fazla karbon atomu bulunan alkanlar, benzen ve türevlerini oluşturmak üzere bir katalizör varlığında siklikleşir: 
Alkan moleküllerindeki tüm karbon atomları sp3 hibridizasyonu durumunda olduğundan alkanlar serbest radikal mekanizmasına göre ilerleyen reaksiyonlara girerler. Bu maddelerin molekülleri, kovalent polar olmayan C-C (karbon-karbon) bağları ve zayıf polar C-H (karbon-hidrojen) bağları kullanılarak oluşturulur. Artan veya azalan elektron yoğunluğuna sahip alanlar veya kolayca polarize olabilen bağlar, yani elektron yoğunluğunun dış faktörlerin etkisi altında (iyonların elektrostatik alanları) değişebileceği bağlar içermezler. Sonuç olarak alkan moleküllerindeki bağlar heterolitik mekanizma tarafından kırılmadığından alkanlar yüklü parçacıklarla reaksiyona girmeyecektir. 
TANIM
Alkanlar Molekülleri birbirine yalnızca σ bağlarıyla bağlanan karbon ve hidrojen atomlarından oluşan doymuş hidrokarbonlar denir.
Normal koşullar altında (25 o C'de ve atmosferik basınçta), homolog alkan serisinin (C1 - C4) ilk dört üyesi gazdır. Pentandan heptadekan'a kadar olan normal alkanlar (C5 - C17) sıvıdır, C18 ve üzeri ise katılardır. Bağıl molekül ağırlığı arttıkça alkanların kaynama ve erime noktaları artar. Molekülünde aynı sayıda karbon atomu bulunan dallı alkanların kaynama noktaları normal alkanlara göre daha düşüktür. Örnek olarak metan kullanan alkan molekülünün yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.
Pirinç. 1. Metan molekülünün yapısı.
Alkanlar, molekülleri düşük kutuplu olduğundan ve su molekülleri ile etkileşime girmediğinden suda pratik olarak çözünmezler. Sıvı alkanlar birbirleriyle kolayca karışır. Benzen, karbon tetraklorür, dietil eter vb. gibi polar olmayan organik çözücülerde iyi çözünürler.
Alkanların hazırlanması
40'a kadar karbon atomu içeren çeşitli doymuş hidrokarbonların ana kaynakları petrol ve doğal gazdır. Az sayıda karbon atomuna (1 - 10) sahip alkanlar, doğal gazın veya yağın benzin fraksiyonunun fraksiyonel damıtılmasıyla izole edilebilir.
Alkanların üretimi için endüstriyel (I) ve laboratuvar (II) yöntemleri vardır.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H2 → CH4 + H20 (kat = Ni, t0 = 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t0).
- doymamış hidrokarbonların hidrojenasyonu
CH3-CH=CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
- haloalkanların azaltılması
C2H5I + HI →C2H6 + I2 (t 0);
- monobazik organik asitlerin tuzlarının alkali erime reaksiyonları
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2C03 (t 0);
- haloalkanların sodyum metali ile etkileşimi (Wurtz reaksiyonu)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
- monobazik organik asitlerin tuzlarının elektrolizi
2C2H5COONa + 2H20 → H2 + 2NaOH + C4H10+2C02;
K(-): 2H20 + 2e → H2 + 2OH-;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanlar, yapıları ile açıklanabilen, en az reaktif organik bileşikler arasındadır.
Normal koşullar altında alkanlar, asidik bir ortamda konsantre asitler, erimiş ve konsantre alkaliler, alkali metaller, halojenler (flor hariç), potasyum permanganat ve potasyum dikromat ile reaksiyona girmez.
Alkanlar için en tipik reaksiyonlar radikal bir mekanizmayla ilerleyen reaksiyonlardır. C-H ve C-C bağlarının homolitik bölünmesi, heterolitik bölünmesinden enerji açısından daha uygundur.
Radikal ikame reaksiyonları en kolay şekilde üçüncül karbon atomunda, daha sonra ikincil karbon atomunda ve son olarak birincil karbon atomunda meydana gelir.
Alkanların tüm kimyasal dönüşümleri bölünmeyle devam eder:
1) C-H bağları
— halojenasyon (SR)
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl ( hv);
CH3 -CH2 -CH3 + Br2 → CH3 -CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrasyon (SR)
CH3-C(CH3)H-CH3 + HONO2 (seyreltik) → CH3-C(NO2)H-CH3 + H20 (t 0).
- sülfoklorlama (SR)
R-H + S02 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- dehidrojenasyon
CH3-CH3 → CH2 =CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- dehidrosiklizasyon
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr203, t0).
2) C-H ve C-C bağları
- izomerizasyon (molekül içi yeniden düzenleme)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C(CH3)H-CH3 (kat=AlCl3, t 0).
- oksidasyon
2CH3-CH2-CH2-CH3+502 → 4CH3COOH + 2H20 (t0,p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5) Ö 2 → nC02 + (n+1) H 2 Ö (t 0).
Alkanların uygulamaları
Alkanlar çeşitli endüstrilerde uygulama alanı bulmuştur. Homolog serilerin bazı temsilcilerinin yanı sıra alkan karışımlarının örneğini kullanarak daha ayrıntılı olarak ele alalım.
Metan, karbon ve hidrojen, asetilen, oksijen içeren organik bileşikler - alkoller, aldehitler, asitlerin üretimi için en önemli kimyasal endüstriyel süreçlerin hammadde temelini oluşturur. Propan otomobil yakıtı olarak kullanılır. Bütan, sentetik kauçuk üretiminin hammaddesi olan bütadien üretmek için kullanılır.
Tıpta merhemlerin temeli olarak Vazelin adı verilen C 25'e kadar sıvı ve katı alkanların bir karışımı kullanılır. Çeşitli malzemeleri (kağıt, kumaş, ahşap) hidrofobik özellikler kazandırmak için emprenye etmek için katı alkanlar C 18 - C 25 (parafin) karışımı kullanılır; su ile ıslanmaz. Tıpta fizyoterapötik prosedürler (parafin tedavisi) için kullanılır.
Problem çözme örnekleri
ÖRNEK 1
| Egzersiz yapmak | Metanın klorlanması sırasında, havadaki buhar yoğunluğu 5.31 olan 1.54 g bileşik elde edildi. Reaksiyona katılan metan ve klor hacimlerinin oranı 1:2 ise, klor üretmek için gerekli olacak manganez dioksit MnO2 kütlesini hesaplayın. |
| Çözüm | Belirli bir gazın kütlesinin, aynı hacimde, aynı sıcaklıkta ve aynı basınçta alınan başka bir gazın kütlesine oranına, birinci gazın ikinciye göreli yoğunluğu denir. Bu değer, birinci gazın ikinci gazdan kaç kat daha ağır veya daha hafif olduğunu gösterir. Havanın bağıl moleküler ağırlığı 29 olarak alınır (havadaki nitrojen, oksijen ve diğer gazların içeriği dikkate alınarak). Hava bir gaz karışımı olduğundan “havanın bağıl moleküler kütlesi” kavramının şartlı olarak kullanıldığına dikkat edilmelidir. Metanın klorlanması sırasında oluşan gazın molar kütlesini bulalım: M gaz = 29 ×D hava (gaz) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Bu karbon tetraklorür - CCl4'tür. Reaksiyon denklemini yazalım ve stokiyometrik katsayıları düzenleyelim: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Karbon tetraklorür maddesinin miktarını hesaplayalım: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n(CCl4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Reaksiyon denklemine göre n(CCl4) : n(CH4) = 1:1, yani n(CH4) = n(CCl4) = 0,01 mol. O halde klor maddesi miktarı n(Cl2) = 2 × 4 n(CH4)'e eşit olmalıdır, yani. n(Cl2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Klor üretimi için reaksiyon denklemini yazalım: MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H20. Manganez dioksitin mol sayısı 0,08 mol'dür, çünkü n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Manganez dioksitin kütlesini bulun: m(Mn02) = n(Mn02) × M(Mn02); M(MnO2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Cevap | Manganez dioksitin kütlesi 10,4 g'dır. |
ÖRNEK 2
