Хімічні властивості алканів
Алканами (парафінами) називають нециклічні вуглеводні, у молекулах яких атоми вуглецю з'єднані лише одинарними зв'язками. Тобто в молекулах алканів відсутні кратні - подвійні або потрійні зв'язки. Фактично алкани є вуглеводнями, що містять максимально можливу кількість атомів водню, через що їх називають граничним (насиченими).
Зважаючи на насиченість, алкани не можуть вступати в реакції приєднання.
Оскільки атоми вуглецю та водню мають досить близькі електронегативності, це призводить до того, що зв'язки С-Н у їх молекулах вкрай малополярні. У зв'язку з цим для алканів більш характерні реакції, що протікають механізмом радикального заміщення, що позначається символом S R .
1. Реакції заміщення
У реакціях даного типу відбувається розрив зв'язків вуглець-водень
RH + XY → RX + HY
Галогенування
Алкани реагують з галогенами (хлором та бромом) під дією ультрафіолетового світла або при сильному нагріванні. При цьому утворюється суміш галогенпохідних з різним ступенем заміщення атомів водню - моно-, ди-три-і т.д. галогенозаміщених алканів.
На прикладі метану це виглядає так:
Змінюючи співвідношення галоген/метан в реакційній суміші можна домогтися того, що у складі продуктів переважатиме якесь конкретне галогенпохідне метану.
Механізм реакції
Розберемо механізм реакції вільнорадикального заміщення на прикладі взаємодії метану та хлору. Він складається із трьох стадій:
- ініціювання (або зародження ланцюга) - процес утворення вільних радикалів під впливом енергії ззовні – опромінення УФ-світлом або нагрівання. На цій стадії молекула хлору зазнає гомолітичного розриву зв'язку Cl-Cl з утворенням вільних радикалів:
Вільними радикалами, як можна бачити з малюнка вище, називають атоми або групи атомів з одним або декількома неспареними електронами (Сl, Н, СН3, СН2 і т.д.);
2. Розвиток ланцюга
Ця стадія полягає у взаємодії активних вільних радикалів із неактивними молекулами. У цьому утворюються нові радикали. Зокрема, при дії радикалів хлору на молекули алкану утворюється алкільний радикал та хлороводень. У свою чергу, алкільний радикал, стикаючись з молекулами хлору, утворює хлорпохідне та новий радикал хлору:
3) Обрив (загибель) ланцюга:
Відбувається внаслідок рекомбінації двох радикалів один з одним у неактивні молекули:
2. Реакції окиснення
У звичайних умовах алкани інертні щодо таких сильних окислювачів, як концентрована сірчана та азотна кислоти, перманганат і дихромат калію (КMnО 4 , К 2 Cr 2 Про 7).
Горіння в кисні
А) повне згоряння при надлишку кисню. Приводить до утворення вуглекислого газу та води:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Б) неповне згоряння при нестачі кисню:
2CH 4 + 3O 2 = 2CO + 4H 2 O
CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O
Каталітичне окиснення киснем
В результаті нагрівання алканів з киснем (~200 о С) у присутності каталізаторів, з них може бути отримана велика різноманітність органічних продуктів: альдегіди, кетони, спирти, карбонові кислоти.
Наприклад, метан, залежно від природи каталізатора, може бути окислений у метиловий спирт, формальдегід або мурашину кислоту:
3. Термічні перетворення алканів
Крекінг
Крекінг (від англ. to crack - рвати) - це хімічний процес, що протікає при високій температурі, в результаті якого відбувається розрив вуглецевого скелета молекул алканів з утворенням молекул алкенів і алканів з володіють меншими молекулярними масами в порівнянні з вихідними алканами. Наприклад:
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=CH 2
Крекінг буває термічний та каталітичний. Для здійснення каталітичного крекінгу завдяки використанню каталізаторів використовують помітно менші температури порівняно з термічним крекінгом.
Дегідрування
Відщеплення водню відбувається внаслідок розриву зв'язків С-Н; здійснюється у присутності каталізаторів за підвищених температур. При дегідруванні метану утворюється ацетилен:
2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2
Нагрівання метану до 1200 ° С призводить до його розкладання на прості речовини:
СН 4 → С + 2Н 2
При дегідруванні інших алканів утворюються алкени:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
При дегідруванні н-бутану утворюються бутен-1 і бутен-2 (останній у вигляді цис-і транс-ізомерів):
Дегідроциклізація
Ізомеризація
Хімічні властивості циклоалканів
Хімічні властивості циклоалканів із числом атомів вуглецю в циклах більше чотирьох, загалом практично ідентичні властивостям алканів. Для циклопропану та циклобутану, як не дивно, характерні реакції приєднання. Це зумовлено великою напругою всередині циклу, що призводить до того, що ці цикли прагнуть розірватися. Так циклопропан і циклобутан легко приєднують бром, водень або хлороводень:
Хімічні властивості алкенів
1. Реакції приєднання
Оскільки подвійний зв'язок у молекулах алкенів складається з одного міцного сигма- і одного слабкого пи-зв'язку, вони є досить активними сполуками, які легко вступають у реакції приєднання. У такі реакції алкени часто вступають навіть у м'яких умовах - на холоді, у водних розчинах та органічних розчинниках.
Гідрування алкенів
Алкени здатні приєднувати водень у присутності каталізаторів (платина, паладій, нікель):
CH 3 -СН=СН 2 + Н 2 → CH 3 -СН 2 -СН 3
Гідрування алкенів легко протікає навіть при звичайному тиску та незначному нагріванні. Цікавий той факт, що для дегідрування алканів до алкенів можуть використовуватися ті ж каталізатори, тільки процес дегідрування протікає при вищій температурі і меншому тиску.
Галогенування
Алкени легко вступають у реакцію приєднання з бромом як і водному розчині, і з органічних розчинниках. Через війну взаємодії спочатку жовті розчини брому втрачають своє забарвлення, тобто. знебарвлюються.
СН 2 = СН 2 + Br 2 → CH 2 Br-CH 2 Br
Гідрогалогенування
Як неважко помітити, приєднання галогеноводороду до молекули несиметричного алкену має теоретично приводити до суміші двох ізомерів. Наприклад, при приєднанні бромоводню до пропену мали б виходити продукти:
Проте відсутність специфічних умов (наприклад, наявність пероксидів у реакційної суміші) приєднання молекули галогеноводороду відбуватиметься строго селективно відповідно до правилом Марковникова:
Приєднання галогеноводу до алкену відбувається таким чином, що водень приєднується до атома вуглецю з більшим числом атомів водню (більше гідрованого), а галоген - до атома вуглецю з меншим числом атомів водню (менше гідрованого).
Гідратація
Ця реакція призводить до утворення спиртів, а також протікає відповідно до правила Марковнікова:
Як легко здогадатися, через те, що приєднання води до молекули алкену відбувається згідно з правилом Марковникова, утворення первинного спирту можливе лише у разі гідратації етилену:
CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH
Саме за такою реакції проводять основну кількість етилового спирту у великотоннажній промисловості.
Полімеризація
Специфічним випадком реакції приєднання можна реакцію полімеризації, яка на відміну від галогенування, гідрогалогенування та гадратації, протікає для вільно-радикального механізму:
Реакції окиснення
Як і всі інші вуглеводні, алкени легко згоряють у кисні з утворенням вуглекислого газу та води. Рівняння горіння алкенів у надлишку кисню має вигляд:
C n H 2n + (3/2)nO 2 → nCO 2 + nH 2 O
На відміну від алканів, алкени легко окислюються. При дії на алкени водного розчину KMnO 4 знебарвлення, що є якісною реакцією на подвійні та потрійні CC зв'язки в молекулах органічних речовин.
Окислення алкенів перманганатом калію в нейтральному або слаболужному розчині призводить до утворення діолів (двохатомних спиртів):
C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH (охолодження)
У кислому середовищі відбувається повне розрив подвійного зв'язку з перетворення атомів вуглецю, що утворювали подвійний зв'язок у карбоксильні групи:
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 (нагрівання)
У разі, якщо подвійна З=З зв'язок знаходиться в кінці молекули алкену, то як продукт окислення крайнього вуглецевого атома при подвійному зв'язку утворюється вуглекислий газ. Пов'язано це з тим, що проміжний продукт окислення - мурашина кислота легко сама окислюється в надлишку окислювача:
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 (нагрівання)
При окисленні алкенів, в яких атом C при подвійному зв'язку містить два вуглеводневі замісники, утворюється кетон. Наприклад, при окисленні 2-метилбутена-2 утворюється ацетон та оцтова кислота.
Окислення алкенів, у якому відбувається розрив вуглецевого скелета по подвійного зв'язку використовується встановлення їх структури.
Хімічні властивості алкадієнів
Реакції приєднання
Наприклад, приєднання галогенів:
Бромна вода знебарвлюється.
У звичайних умовах приєднання атомів галогену відбувається по кінцях молекули бутадієну-1,3, при цьому π-зв'язки розриваються, до крайніх атомів вуглецю приєднуються атоми брому, а вільні валентності утворюють новий π-зв'язок. Таким чином, як би відбувається переміщення подвійного зв'язку. При надлишку брому може бути приєднана ще одна його молекула за місцем подвійного зв'язку, що утворився.
Реакції полімеризації
Хімічні властивості алкінів
Алкіни є ненасиченими (ненасиченими) вуглеводнями у зв'язку з чим здатні вступати в реакції приєднання. Серед реакції приєднання для алкінів найбільш поширене електрофільне приєднання.
Галогенування
Оскільки потрійний зв'язок молекул алкінів складається з одного міцнішого сигма-зв'язку і двох менш міцних пі-зв'язків вони здатні приєднувати як одну, так і дві молекули галогену. Приєднання однією молекулою алкіну двох молекул галогену протікає по електрофільному механізму послідовно у дві стадії:
Гідрогалогенування
Приєднання молекул галогеноводороду також протікає по електрофільному механізму і в дві стадії. В обох стадіях приєднання йде відповідно до правила Марковнікова:
Гідратація
Приєднання води до алкінами відбувається в присутності солей руті в кислому середовищі і називається реакцією Кучерова.
В результаті гідратації приєднання води до ацетилену утворюється ацетальдегід (укусний альдегід):
Для гомологів ацетилену приєднання води призводить до утворення кетонів:
Гідрування алкінів
Алкіни реагують з воднем на два щаблі. Як каталізатори використовують такі метали як платина, паладій, нікель:
Тримеризація алкінів
При пропущенні ацетилену над активованим вугіллям при високій температурі з нього утворюється суміш різних продуктів, основним з яких є бензол продукт тримеризації ацетилену:
Димеризація алкінів
Також ацетилен вступатиме в реакцію димеризації. Процес протікає у присутності солей міді як каталізаторів:
Окислення алкінів
Алкіни згоряють у кисні:
З n H 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO 2 + (n-1)H 2 O
Взаємодія алкінів із основами
Алкіни з потрійною C≡C кінці кінці молекули, на відміну інших алкінів, здатні вступати у реакції, у яких атом водню при потрійного зв'язку заміщається метал. Наприклад, ацетилен реагує з амідом натрію в рідкому аміаку:
HC≡CH + 2NaNH 2 → NaC≡CNa + 2NH 3 ,
а також з аміачним розчином оксиду срібла, утворюючи нерозчинні солеподібні речовини звані ацетиленідами:
Завдяки такій реакції можна розпізнати алкіни з кінцевим потрійним зв'язком, а також виділити такий алкін із суміші з іншими алкінами.
Слід зазначити, що всі ацетиленіди срібла та міді є вибухонебезпечними речовинами.
Ацетиленіди здатні реагувати з галогенпохідними, що використовується при синтезі складніших органічних сполук з потрійним зв'язком:
СН 3 -C≡CН + NaNН 2 → СН 3 -C≡CNa + NН 3
СН 3 -C≡CNa + CH 3 Br → СН 3 -C≡C-СН 3 + NaBr
Хімічні властивості ароматичних вуглеводнів
Ароматичний характер зв'язку впливає хімічні властивості бензолів та інших ароматичних вуглеводнів.
Єдина 6пі-електронна система набагато стійкіша, ніж звичайні пі-зв'язки. Тому для ароматичних вуглеводнів більш характерні реакції заміщення, а чи не приєднання. У реакції заміщення арени вступають за електрофільним механізмом.
Реакції заміщення
Галогенування
Нітрування
Найкраще реакція нітрування протікає під дією не чистої азотної кислоти, а її суміші з концентрованою сірчаною кислотою, так званої нітруючої суміші:
Алкілювання
Реакція при якій один із атомів водню при ароматичному ядрі заміщається на вуглеводневий радикал:
Також замість галогенпохідних алканів можна використовувати алкени. Як каталізатори можна використовувати галогеніди алюмінію, тривалентного заліза або неорганічні кислоти.<
Реакції приєднання
Гідрування
Приєднання хлору
Протікає за радикальним механізмом при інтенсивному опроміненні ультрафіолетовим світлом:
Подібним чином реакція може протікати лише з хлором.
Реакції окиснення
Горіння
2С 6 Н 6 + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О+Q
Неповне окиснення
Бензольне кільце стійке до дії таких окислювачів як KMnO 4 і K 2 Cr 2 O 7 . Реакція не йде.
Розподіл заступників у бензольному кільці на два типи:
Розглянемо хімічні властивості гомологів бензолу з прикладу толуолу.
Хімічні властивості толуолу
Галогенування
Молекулу толуолу можна розглядати як складову з фрагментів молекул бензолу та метану. Тому логічно припустити, що хімічні властивості толуолу мають певною мірою поєднувати хімічні властивості цих двох речовин, взятих окремо. Зокрема, саме це і спостерігається при його галогенуванні. Ми вже знаємо, що бензол вступає в реакцію заміщення з хлором по електрофільному механізму, і для реалізації цієї реакції необхідно використовувати каталізатори (галогеніди алюмінію або тривалентного заліза). У той же час метан також здатний реагувати з хлором, але вже за вільно-радикальним механізмом, для чого потрібне опромінення вихідної реакційної суміші УФ-світлом. Толуол, залежно від того, в яких умовах піддається хлоруванню, здатний дати або продукти заміщення атомів водню в бензольному кільці - для цього потрібно використовувати ті ж умови, що і при хлоруванні бензолу, або продукти заміщення атомів водню в метильному радикалі, якщо на нього, як і на метан діяти хлором при опроміненні ультрафіолетом:
Як можна помітити хлорування толуолу в присутності хлориду алюмінію призвело до двох різних продуктів - орто-і парахлортолуолу. Це пов'язано з тим, що метильний радикал є заступником I роду.
Якщо хлорування толуолу в присутності AlCl 3 проводити надлишку хлору, можливе утворення трихлорзаміщеного толуолу:
Аналогічно при хлоруванні толуолу на світлі при більшому співвідношенні хлор/толуол можна отримати дихлорметилбензол або трихлорметилбензол:
Нітрування
Заміщення атомів водню на нітрогрпу, при нітруванні толуолу сумішшю концентрованих азотної та сірчаної кислот, призводить до продуктів заміщення в ароматичному ядрі, а не метильному радикалі:
Алкілювання
Як було сказано метильный радикал, є орієнтантом I роду, тому його алкілування по Фріделю-Крафтсу наводить продуктам заміщення в орто- і пара-положення:
Реакції приєднання
Толуол можна прогідрувати до метилциклогексану при використанні металевих каталізаторів (Pt, Pd, Ni):
З 6 Н 5 СН 3 + 9O 2 → 7СO 2 + 4Н 2 O
Неповне окиснення
При дії такого окислювача як водний розчин перманганату калію окисленню піддається бічний ланцюг. Ароматичне ядро за таких умов окислитися не може. При цьому залежно від pH розчину утворюватиметься або карбонова кислота, або її сіль.
Вуглеводні, в молекулах яких атоми пов'язані одинарними зв'язками та відповідають загальній формулі C n H 2 n +2 .
У молекулах алканів всі атоми вуглецю перебувають у стані sр 3 -гібридизації. Це означає, що всі чотири гібридні орбіталі атома вуглецю однакові за формою, енергією і направлені в кути рівносторонньої трикутної піраміди - тетраедра. Кути між орбіталями дорівнюють 109 ° 28 '.
Навколо одинарного вуглець-вуглецевого зв'язку можливе практично вільне обертання, і молекули алканів можуть набувати найрізноманітнішої форми з кутами при атомах вуглецю, близькими до тетраедричного (109° 28′), наприклад, в молекулі н-Пентана.
Варто нагадати про зв'язки в молекулах алканів. Усі зв'язки в молекулах граничних вуглеводнів одинарні. Перекривання відбувається по осі,
що з'єднує ядра атомів, тобто це σ-зв'язку. Зв'язки вуглець - вуглець є неполярними і погано поляризуються. Довжина С-З зв'язку в алканах дорівнює 0,154 нм (1,54 10 - 10 м). Зв'язки С-Н дещо коротші. Електронна густина трохи зміщена у бік більш електронегативного атома вуглецю, тобто зв'язок С-Н є слабополярним.
Відсутність у молекулах граничних вуглеводнів полярних зв'язків призводить до того, що вони погано розчиняються у воді, не вступають у взаємодію із зарядженими частинками (іонами). Найбільш характерними для алканів є реакції, що відбуваються за участю вільних радикалів.
Гомологічний ряд метану
Гомологи- Речовини, подібні за будовою та властивостями і відрізняються на одну або більше груп СН 2 .
Ізомерія та номенклатура
Для алканів характерна так звана структурна ізомерія. Структурні ізомери відрізняються один від одного будовою вуглецевого скелета. Найпростіший алкан, котрим характерні структурні ізомери, - це бутан. 
Основи номенклатури
1. Вибір головного кола.Формування назви вуглеводню починається з визначення головного ланцюга - найдовшого ланцюжка атомів вуглецю в молекулі, яка є ніби її основою.
2. Нумерація атомів головного кола.Атомам головного ланцюга надають номери. Нумерація атомів головного ланцюга починається з того кінця, якого ближче стоїть заступник (структури А, Б). Якщо заступники знаходяться на рівній відстані від кінця ланцюга, то нумерація починається від того кінця, при якому їх більше (структура). Якщо різні заступники знаходяться на рівній відстані від кінців ланцюга, то нумерація починається з того кінця, до якого ближче старший (структура Г). Старшинство вуглеводневих заступників визначається за тим, в якому порядку слідує в алфавіті буква, з якої починається їх назва: метил (-СН 3), потім етил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3 ) і т.д.
Назва заступника формується заміною суфікса -ан на суфікс - мулу назві відповідного алкану.
3. Формування назви. На початку назви вказують цифри - номери атомів вуглецю, у яких перебувають заступники. Якщо при цьому атомі знаходяться декілька заступників, то відповідний номер у назві повторюється двічі через кому (2,2-). Після номера через дефіс вказують кількість заступників ( ді- два, три- три, тетра- чотири, пента- п'ять) та назва заступника (метил, етил, пропил). Потім без пробілів та дефісів – назва головного ланцюга. Головний ланцюг називається як вуглеводень - член гомологічного ряду метану ( метанСН 4 , етанЗ 2 Н 6 , пропан C 3 H 8 З 4 Н 10, пентанЗ 5 Н 12 , гексанЗ 6 Н 14 , гептан C 7 H 16, октан C 8 H 18, нонанЗ 9 Н 20, деканЗ 10 Н 22).
Фізичні властивості алканів
Перші чотири представники гомологічного ряду метану – гази. Найпростіший з них - метан - газ без кольору, смаку та запаху (запах «газу», відчувши який, треба дзвонити 04, визначається запахом меркаптанів - сірковмісних сполук, що спеціально додаються до метану, що використовується в побутових та промислових газових приладах для того, щоб люди , що знаходяться поряд з ними, могли за запахом визначити витік).
Вуглеводні складу від 4 Н 12 до 15 Н 32 - рідини; Тяжкі вуглеводні - тверді речовини. Температури кипіння та плавлення алканів поступово збільшуються із зростанням довжини вуглецевого ланцюга. Усі вуглеводні погано розчиняються у воді, рідкі вуглеводні є поширеними органічними розчинниками.
Хімічні властивості алканів
Реакція заміщення.
Найбільш характерними для алканів є реакції вільнорадикального заміщення, в ході якого атом водню заміщається на атом галогену або групу. Наведемо рівняння характерних реакцій галогенування: 
У разі надлишку галогену хлорування може піти далі, аж до повного заміщення всіх атомів водню на хлор: 
Отримані речовини широко використовуються як розчинники та вихідні речовини в органічних синтезах.
Реакція дегідрування(відщеплення водню).
У ході пропускання алканів над каталізатором (Pt, Ni, А1 2 0 3 , Сг 2 0 3) при високій температурі (400-600 ° С) відбувається відщеплення молекули водню та утворення алкену:
Реакції, що супроводжуються руйнуванням вуглецевого ланцюга.
Усі граничні вуглеводні горять з утворенням вуглекислого газу та води. Газоподібні вуглеводні, змішані з повітрям у певних співвідношеннях, можуть вибухати.
1. Горіння граничних вуглеводнів- це вільнорадикальна екзотермічна реакція, яка має дуже велике значення при використанні алканів як паливо:
У загальному вигляді реакцію горіння алканів можна записати так:
2. Термічне розщеплення вуглеводнів.
Процес протікає за вільнорадикальним механізмом. Підвищення температури призводить до гомолітичного розриву вуглець-вуглецевого зв'язку та утворення вільних радикалів.
Ці радикали взаємодіють між собою, обмінюючись атомом водню, з утворенням молекули алкану та молекули алкену:
Реакції термічного розщеплення лежать в основі промислового процесу – крекінгу вуглеводнів. Цей процес є найважливішою стадією переробки нафти.
3. Піроліз. При нагріванні метану до температури 1000 ° С починається піроліз метану - розкладання на прості речовини: 
При нагріванні до температури 1500 °С можливе утворення ацетилену:
4. Ізомеризація. При нагріванні лінійних вуглеводнів з каталізатором ізомеризації (хлоридом алюмінію) відбувається утворення речовин із розгалуженим вуглецевим скелетом: 
5. Ароматизація. Алкани з шістьма або більше вуглецевими атомами в ланцюгу в присутності каталізатора циклізуються з утворенням бензолу та його похідних: 
Алкани вступають у реакції, що протікають за вільнорадикальним механізмом, тому що всі атоми вуглецю в молекулах алканів знаходяться в стані sp 3 -гібридизації. Молекули цих речовин побудовані за допомогою ковалентних неполярних С-С (вуглець - вуглець) зв'язків та слабополярних С-Н (вуглець - водень) зв'язків. У них немає ділянок з підвищеною та зі зниженою електронною щільністю, легко поляризованих зв'язків, тобто таких зв'язків, електронна щільність у яких може зміщуватися під дією зовнішніх факторів (електростатичних полів іонів). Отже, алкани не реагуватимуть із зарядженими частинками, тому що зв'язки в молекулах алканів не розриваються за гетеролітичним механізмом. 
ВИЗНАЧЕННЯ
Алканаминазиваються насичені вуглеводні, молекули яких складаються з атомів вуглецю та водню, пов'язаних між собою лише σ-зв'язками.
У звичайних умовах (при 25 o З та атмосферному тиску) перші чотири члени гомологічного ряду алканів (C 1 - C 4) - гази. Нормальні алкани від пентану до гептадекану (З 5 - З 17) - рідини, починаючи з 18 і вище - тверді речовини. У міру збільшення відносної молекулярної маси зростають температури кипіння та плавлення алканів. При однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі алкани з розгалуженою будовою мають нижчі температури кипіння, ніж нормальні алкани. Будова молекули алканів з прикладу метану наведено на рис. 1.
Мал. 1. Будова молекули метану.
Алкани мало розчинні у питній воді, оскільки їх молекули малополярны і взаємодіють із молекулами води. Рідкі алкани легко поєднуються один з одним. Вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як бензол, тетрахлорметан, діетиловий ефір та ін.
Отримання алканів
Основні джерела різних граничних вуглеводнів, що містять до 40 атомів вуглецю, - нафта та природний газ. Алкани з невеликим числом атомів вуглецю (1 - 10) можна виділити фракційною перегонкою газу або бензинової фракції нафти.
Розрізняють промислові (I) та лабораторні (II) способи отримання алканів.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat = Ni, t 0 = 200 – 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
- гідрування ненасичених вуглеводнів
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t 0);
- Відновлення галогеналканів
C 2 H 5 I + HI →C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- Реакції лужного плавлення солей одноосновних органічних кислот
C 2 H 5 -COONa + NaOH→ C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- Взаємодія галогеналканів з металевим натрієм (реакція Вюрца)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
- Електроліз солей одноосновних органічних кислот
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O→H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2 ;
К(-): 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 .
Хімічні властивості алканів
Алкани відносяться до найменш реакційноздатних органічних сполук, що пояснюється їх будовою.
Алкани у звичайних умовах не реагують з концентрованими кислотами, розплавленими та концентрованими лугами, лужними металами, галогенами (крім фтору), перманганатом калію та дихроматом калію в кислому середовищі.
Для алканів найбільш характерними є реакції, що протікають за радикальним механізмом. Енергетично вигідніший гомолітичний розрив зв'язків C-H і C-C, ніж їх гетеролітичний розрив.
Реакції радикального заміщення найбільше легко протікають по третинному, дплее - по вторинному і в останню чергу по первинному атому вуглецю.
Усі хімічні перетворення алканів протікають із розщепленням:
1) зв'язків C-H
- Галогенування (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).
- Нітрування (S R)
CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 + HONO 2 (dilute) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t 0).
- сульфохлорування (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- Дегідрування
CH 3 -CH 3 → CH 2 = CH 2 + H 2 (kat = Ni, t 0).
- Дегідроциклізація
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3 , t 0).
2) зв'язків C-H та C-C
- Ізомеризація (внутрішньомолекулярне перегрупування)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C(CH 3)H-CH 3 (kat=AlCl 3 , t 0).
- Окислення
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).
Застосування алканів
Алкани знайшли застосування у різних галузях промисловості. Розглянемо докладніше, з прикладу деяких представників гомологічного ряду, і навіть сумішей алканов.
Метан становить сировинну основу найважливіших хімічних промислових процесів одержання вуглецю та водню, ацетилену, кисневмісних органічних сполук - спиртів, альдегідів, кислот. Пропан застосовується як автомобільне паливо. Бутан використовується для отримання бутадієну, що є сировиною для синтетичного каучуку.
Суміш рідких і твердих алканів до 25 , звана вазеліном застосовується в медицині як основа мазей. Суміш твердих алканів З 18 - З 25 (парафін) застосовується для просочення різних матеріалів (папір, тканини, деревина) надання їм гідрофобних властивостей, тобто. незмочування водою. У медицині використовується для фізіотерапевтичних процедур (парафінолікування).
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | При хлоруванні метану отримано 1,54 г сполуки, щільність пари повітря якої дорівнює 5,31. Розрахуйте масу діоксиду марганцю MnO 2 , яка буде потрібна для отримання хлору, якщо співвідношення обсягів метану і хлору, введених у реакцію, дорівнює 1:2. |
| Рішення | Відношення маси даного газу до маси іншого газу, взятого в тому ж обсязі, при тій же температурі і тому ж тиску, називається відносною щільністю першого газу по другому. Ця величина показує, у скільки разів перший газ важчий або легший за другий газ. Відносну молекулярну масу повітря приймають рівною 29 (з урахуванням вмісту в повітрі азоту, кисню та інших газів). Слід зазначити, що поняття «відносна молекулярна маса повітря» використовується умовно, оскільки повітря це суміш газів. Знайдемо молярну масу газу, що утворюється при хлоруванні метану: M gas = 29 × D Air (gas) = 29 × 5,31 = 154 г/моль. Це тетрахлорметан - CCl 4 . Запишемо рівняння реакції та розставимо стехіометричні коефіцієнти: CH 4 + 4Cl 2 = CCl 4 + 4HCl. Розрахуємо кількість речовини тетрахлорметану: n(CCl 4) = m(CCl 4) / M(CCl 4); n(CCl 4) = 1,54/154 = 0,01 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CCl 4) : n(CH 4) = 1: 1, отже n(CH 4) = n(CCl 4) = 0,01 моль. Тоді, кількість речовини хлору має дорівнювати n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), тобто. n(Cl 2) = 8 × 0,01 = 0,08 моль. Запишемо рівняння реакції одержання хлору: MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Число моль діоксиду марганцю дорівнює 0,08 моль, т.к. n(Cl 2) :n(MnO 2) = 1: 1. Знайдемо масу діоксиду марганцю: m(MnO 2) = n(MnO 2) ×M(MnO 2); M(MnO 2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 г/моль; m(MnO 2) = 0,08 × 87 = 10,4 р. |
| Відповідь | Маса діоксиду марганцю дорівнює 104 г. |
ПРИКЛАД 2
