Алканы - соединения гомологического ряда метана. Это насыщенные нециклические углеводороды. Химические свойства алканов зависят от строения молекулы и физического состояния веществ.

Строение алканов

Молекула алкана состоит из атомов углерода и водорода, которые образуют метиленовые (-CH 2 -) и метильные (-CH 3) группы. Углерод может создавать четыре ковалентные неполярные связи с соседними атомами. Именно наличие прочных σ-связей -С-С- и -С-Н обуславливает инертность гомологического ряда алканов.

Рис. 1. Строение молекулы алкана.

Соединения реагируют на свету или при нагревании. Реакции протекают по цепному (свободно-радикальному) механизму. Таким образом, связи способны расщепляться только под действием свободных радикалов. В результате замещения водорода образуются галогеналканы, соли, циклоалканы.

Алканы относятся к предельным или насыщенным углеродам. Это значит, что молекулы содержат максимальное количество атомов водорода. Из-за отсутствия свободных связей реакции присоединения для алканов не характерны.

Химические свойства

Общие свойства алканов приведены в таблице.

Типы химических реакций	Описание	Уравнение
Галогенирование	Реагируют с F 2 , Cl 2 , Br 2 . Реакция с йодом не идёт. Галогены замещают атом водорода. Реакция с фтором сопровождается взрывом. Хлорирование и бромирование происходит при температуре 300-400°C. В результате образуются галогеналканы	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Нитрование (реакция Коновалова)	Взаимодействие с разбавленной азотной кислотой при температуре 140°C. Атом водорода замещается нитрогруппой NO 2 . В результате образуются нитроалканы	CH 3 -CH 3 +HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O
Сульфохлорирование	Сопровождается окислением с образованием алкансульфонилхлоридов	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Сульфоокисление	Образование алкансульфоновых кислот в избытке кислорода. Атом водорода замещается группой SO 3 H	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Происходит в присутствии катализатора при высоких температурах. В результате разрыва связей С-С образуются алканы и алкены	C 4 H 10 → C 2 H 6 + C 2 H 4
	В избытке кислорода происходит полное окисление до углекислого газа. При недостатке кислорода происходит неполное окисление с образованием угарного газа, сажи	CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O
Каталитическое окисление	Происходит частичное окисление алканов при небольшой температуре и в присутствии катализаторов. Могут образовываться кетоны, альдегиды, спирты, карбоновые кислоты	C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O
Дегидрирование	Отщепление водорода в результате разрыва связей С-Н в присутствии катализатора (платины, оксида алюминия, оксида хрома) при температуре 400-600°С. Образуются алкены	C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Ароматизация	Реакция дегидрирования с образованием циклоалканов	C 6 H 14 → C 6 H 6 + 4H 2
Изомеризация	Образование изомеров под действием температуры и катализаторов	C 5 H 12 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

Чтобы понимать, как проходит реакция и какие радикалы замещаются, рекомендуется записывать структурные формулы.

Рис. 2. Структурные формулы.

Применение

Алканы широко применяются в промышленной химии, косметологии, строительстве. Из соединений изготавливают:

• топливо (бензин, керосин);
• асфальт;
• смазочные масла;
• вазелин;
• парафин;
• мыло;
• лаки;
• краски;
• эмали;
• спирты;
• синтетические ткани;
• каучук;
• адьдегиды;
• пластмассы;
• моющие средства;
• кислоты;
• пропелленты;
• косметические средства.

Рис. 3. Продукция, получаемая из алканов.

Что мы узнали?

Узнали о химических свойствах и применении алканов. Из-за прочных ковалентных связей между атомами углерода, а также между атомами углерода и водорода, алканы проявляют инертность. Возможны реакции замещения и разложения в присутствии катализатора при высоких температурах. Алканы - предельные углеводороды, поэтому реакции присоединения невозможны. Алканы используются для производства материалов, моющих средств, органических соединений.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 227.

Алканами в химии называют предельные углеводороды, у которых углеродная цепь является незамкнутой и состоит из углерода, связанных друг с другом при помощи одинарных связей. Также характерной особенностью алканов есть то, что они совсем не содержат двойных либо тройных связей. Порой алканы называют парафинами, дело в том, что парафины собственно и являются смесью предельных углеродов, то есть алканов.

Формула алканов

Формулу алкана можно записать как:

При этом n больше или равно 1.

Алканам свойственна изомерия углеродного скелета. При этом соединения могут принимать разные геометрические формы, как например это показано на картинке ниже.

Изомерия углеродного скелета алканов

С увеличением роста углеродной цепи увеличивается и количество изомеров. Так, например, у бутана есть два изомера.

Получение алканов

Алкан как правило получают различными синтетическими методами. Скажем, один из способов получения алкана предполагает реакцию «гидрирования», когда алканы добываются из ненасыщенных углеводов под воздействием катализатора и при температуре.

Физические свойства алканов

Алканы от других веществ отличаются полным отсутствием цвета, также они не растворим в воде. Температура плавления алканов повышается с увеличением их молекулярной массы и длины углеводородной цепи. То есть чем более разветвленным является алкан, тем у него большая температура горения и плавления. Газообразные алканы и вовсе горят бледно-голубым или бесцветным пламенем, при этом выделяя много тепла.

Химические свойства алканов

Алканы в химическом плане малоактивные вещества, по причине прочности крепких сигма связей С-С и С-Н. При этом связи С-С неполярны, а С-Н малополярны. А так как все это малополяризируемые виды связей, которые относятся к сигма виду, то разрываться они будут по механизму гомолитическому, в результате чего образуются радикалы. И как следствия химические свойства алканов представляют собой в основном реакции радикального замещения.

Так выглядит формула радикального замещения алканов (галогенирование алканов).

Помимо этого также можно выделить такие химические реакции как нитрирование алканов (реакция Коновалова).

Реакция эта протекает при температуре 140 С, причем лучше всего именно с третичным атомом углерода.

Крекинг алканов – эта реакция протекает при действии высоких температур и катализаторов. Тогда создаются условия, когда высшие алканы могут рвать свои связи образуя алканы более низкого порядка.

Химические свойства насыщенных углеводородов обусловлены наличием в их молекулах атомов углерода, водорода и связей $C-H$ и $C-C$.

В молекуле простейшего алкана метана химические связи образуют 8 валентных электронов (4 электрона атома углерода и 4 - атомов водорода), которые размещены на четырех связующих молекулярных орбиталях.

Итак, в молекуле метана из четырех $sp3$-гибридизированных орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуются четыре $sp3-s (C-H)$ ковалентные связи (рис 1.).

Молекула этана образуется из двух углеродных тетраэдров - одной $sp3-sp3 (C-C)$ ковалентной связи и шести $sp3-s (C-H)$ ковалентных связей (рис. 2).

Рисунок 2. Строение молекулы этана: а - размещение $\sigma $-связей в молекуле; б - тетраэдрическое модель молекулы; в - шаростержневая модель молекулы; г- масштабная модель молекулы по Стюарту - Бриглебу

Особенности химических связей в алканах

В рассмотренных типах ковалентных связей области наибольшей электронной плотности находятся на линии, соединяющей ядра атомов. Эти ковалентные связи образованы локализованными $\sigma $-${\rm M}$${\rm O}$ и называются $\sigma $-связями. Важной особенностью этих связей является то, что электронная плотность в них распределена симметрично относительно оси, проходящей через ядра атомов (цилиндрическая симметрия электронной плотности). Благодаря этому атомы или группы атомов, которые соединены этой связью, могут свободно вращаться не вызывая деформации связи. Угол между направлениями валентностей атомов углерода в молекулах алканов составляет $109^\circ 28"$. Поэтому в молекулах этих веществ даже с прямой углеродной цепью атомы углерода в действительности размещаются не по прямой. Эта цепь имеет зигзагообразную форму, которая связана с сохранением межвалентных углов атомов углерода (рис. 3).

Рисунок 3. Схема строения углеродной цепи нормального алкана

В молекулах алканов с достаточно длинной углеродной цепью этот угол увеличен на $2^\circ$ вследствие отталкивания валентно не соединенных между собой атомов углерода.

Замечание 1

Каждая химическая связь характеризуется определенной энергией. Экспериментально установлено, что энергия связи $C-H$ в молекуле метана составляет 422,9 кДж/моль, этана - 401,9 кДж/моль, других алканов - около 419 кДж/моль. Энергия связи $C-C$ равен 350 кДж / моль.

Взаимосвязь строения алканов с их реакционной способностью

Высокая энергия связей $C-C$ и $C-H$ обуславливает низкую реакционную способность насыщенных углеводородов при комнатной температуре. Так, алканы не обесцвечивают бромную воду, раствор перманганата калия, не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), не реагируют с окислителями, с активными металлами. Поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине, который представляет собой смесь насыщенных углеводородов. Даже концентрированная серная кислота, которая обугливает много органических веществ, при комнатной температуре не действует на алканы. Учитывая сравнительно малую реакционную способность насыщенных углеводородов, их в свое время назвали парафинами. Алканы не имеют способности присоединять водород, галогены и другие реагенты. Поэтому этот класс органических веществ назвали насыщенными углеводородами.

Химические реакции насыщенных углеводородов могут происходить за счет разрыва связей $C-C$ или $C-H$. Разрыв $C-H$-связей сопровождается отщеплением атомов водорода с образованием ненасыщеных соединений или последующим замещением отщеплений атомов водорода другими атомами или группами атомов.

В зависимости от строения алкана и условий реакции в молекулах насыщенных углеводородов связь $C-H$ может разрываться гомолитично:

Рисунок 4. Химические свойства алканов

И гетеролитично с образованием анионов и катионов:

Рисунок 5. Химические свойства алканов

При этом могут образовываться свободные радикалы, имеющие неспаренный электрон, но не имеют электрического заряда, или карбкатионы или карбанионы, которые имеют соответствующие электрические заряды. Свободные радикалы образуются в качестве промежуточных частиц в реакциях радикального механизма, а карбкатионы и карбанионы - в реакциях ионного механизма.

Вследствие того, что связи $C-C$ неполярные, а $C-H$-связи - малополярные и эти $\sigma $-связи имеют низкую поляризуемость, гетеролитический разрыв $\sigma $-связей в молекулах алканов с образованием ионов требует большой затраты энергии. Гемолитическое расщепление этих связей требует меньше енергии. Поэтому для насыщенных углеводородов более характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Расщепление $\sigma $-связи $C-C$ требует меньшей затраты энергии, чем расщепление связи $C-H$, поскольку энергия $C-C$-связи меньше энергии $C-H$-связи. Однако химические реакции чаще происходят с расщеплением $C-H$-связей, поскольку они более доступны для реагентов.

Влияние разветвленности и размеров алканов на их реакционную способность

Реакционная способность $C-H$-связи меняется при переходе от алканов линейной структуры к алканам-разветвленной структуры. Например, энергия диссоциации связи $C-H$ (кДж / моль) при образовании свободных радикалов меняется следующим образом:

Рисунок 6. Химические свойства алканов

Кроме того, значение энергии ионизации (ЭИ) для алканов показывает, что рост общего количества $\sigma $-связей повышает их донорные свойства и отколоть электрон становится легче для соединений с большей молекулярной массой, например:

Рисунок 7. Химические свойства алканов

Итак, в свободнорадикальных процессах реакции происходят преимущественно у третичного атома углерода, затем у вторичного и в последнюю очередь у первичного, что совпадает с рядом устойчивости свободных радикалов. Однако с повышением температуры наблюдаемая тенденция уменьшается или совсем нивелируется.

Таким образом, для алканов характерны два типа химических реакций:

1. замещения водорода, в основном по радикальному механизму и
2. расщепление молекулы за связями $C-C$ или $C-H$.

Химические свойства. Физические свойства алканов

Физические свойства алканов

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С 1 - С 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С 5 - С 17) - жидкости, начиная с С 18 и выше - твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возраста­ют температуры кипения и плавления алканов.

При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворя­ются в неполярных органических растворителях, таких, как бен­зол, тетрахлорметан и т.п.

Строение

Молекула простейшего алкана - метана - имеет форму пра­вильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах - атомы водорода. Углы между осями связей С-Н составляют 109°28" (рис. 29).

В молекулах других предельных углеводородов углы между связями (как С-Н, так и С-С) имеют такое же значение. Для описания формы молекул используется понятие гибри­дизации атомных орбиталей (см. часть I, §6).

В алканах все атомы углерода на­ходятся в состоянии sp 3 - гибридиза­ции (рис. 30).

Таким образом, атомы углерода в углеродной цепи не находятся на одной прямой. Расстояние между соседними атомами углерода (между ядрами атомов) строго фиксирова­но - это длина химической связи (0,154 нм). Расстояние С 1 - С 3 , С 2 - С 4 и т.д. (через один атом) тоже постоянны, т.к. постоянен угол между связями -валент­ный угол.

Расстояния между более удаленными атомами углерода могут изменяться (в некоторых пределах) в результате вращения вокруг s-связей. Такое вращение не нарушает перекрывания орбиталей, образующих s-связь, поскольку эта связь имеет осевую симметрию.

Разные пространственные формы одной молекулы, образующиеся при вращении групп атомов вокруг s-связей, называют конформациями (рис. 31).

Конформации различают по энер­гии, но это различие невелико (12-15 кДж/моль). Более устойчивы такие конформации алканов, в которых атомы расположены возможно дальше друг от друга (отталкивание электронных обо­лочек). Переход от одной конформации к другой осуществляется за счет энергии теплового движения. Для изображения конформации используют специальные пространственные формулы (формулы Ньюмена).

Не путать!

Следует различать понятия конформация и конфигурация.

Разные конформации могут превращаться друг в друга без разрыва химических связей. Для превращения молекулы с одной конфигурацией в молекулу с другой конфигурацией требуется разрыв химических связей.

Из четырех видов изомерии для алканов характерны два: изомерия углеродного скелета и оптическая изомерия (см. часть

Химические связи в алканах, их разрыв и образование опре­деляют химические свойства алканов. Связи С-С и С-Н ковалент­ные, простые (s-связи), практически неполярные, достаточно прочные, поэтому:

1) алканы вступают чаще всего в такие реакции, которые идут с гемолитическим разрывом связей;

2) по сравнению с органическими соединениями других классов алканы обладают низкой реакционной способностью (их за это называют парафинами - «лишенными свойства»). Так, алка­ны устойчивы к действию водных растворов кислот, щелочей и окислителей (например, перманганата калия) даже при ки­пячении.

Алканы не вступают в реакции присоединения к ним дру­гих молекул, т.к. алканы не имеют в своих молекулах кратных связей.

Алканы подвергаются разложению при сильном нагревании в присутствии катализаторов в виде платины или никеля, при этом от алканов отщепляется водород.

Алканы могут вступать в реакции изомеризации. Характер­ной реакцией для них является реакция замещения, протекаю­щая по радикальному механизму.

Химические свойства

Реакции радикального замещения

В качестве примера рассмотрим взаимодействие алканов с галогенами. Фтор реагирует очень энергично (как правило, со взрывом) - при этом рвутся все С-Н и С-С связи, и в результате образуются соединения CF 4 и HF. Практического значения реак­ция не имеет. Иод с алканами не взаимодействует. Реакции с хлором или бромом идут либо при освещении, либо при сильном нагревании; при этом происходит образование от моно- до полигалогензамещенных алканов, например:

СН 3 -СН 3 +Сl 2 ® hv СН 3 -СН 2 -Сl+НСl

Образование галогенопроизводных метана протекает по цеп­ному свободнорадикальному механизму. Под действием света мо­лекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:

Неорганический радикал Сl . отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя НС1 и свободный ра­дикал СН 3

Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Сl 2 , образуя галогенопроизводное и радикал хлора.

Реакция окисления начинается с отрыва атома водорода мо­лекулой кислорода (которая представляет собой бирадикал) и далее идет как разветвленная цепная реакция. Количество ради­калов в ходе реакции увеличивается. Процесс сопровождается

выделением большого количества теплоты, рвутся уже не только С-Н, но и С-С связи, так что в результате образуется оксид угле­рода (IV) и вода. Реакция может протекать как горение или при­водит к взрыву.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСO 2 +(2n+2)Н 2 O

При обычной температуре реакция окисления не идет; ее можно инициировать либо поджиганием, либо действием элект­рического разряда.

При сильном нагревании (свыше 1000°С) алканы полностью разлагаются на углерод и водород. Эта реакция называется пиро­лизом.

СН 4 ® 1200° С+2Н 2

При мягком окислении алканов, в частности метана, кисло­родом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота.

Если метан пропускать через нагретую зону очень быстро, а затем сразу охлаждать водой, то в результате образуется аце­тилен.

Эта реакция - основа промышленного синтеза, который на­зывается крекингом (неполным разложением) метана.

Крекинг гомологов метана проводят при более низкой темпе­ратуре (около 600°С). Например, крекинг пропана включает сле­дующие стадии:

Итак, крекинг алканов приводит к образованию смеси алканов и алкенов меньшей молекулярной массы.

Нагревание алканов до 300-350°С (крекинг еще не идет) в присутствии катализатора (Pt или Ni) приводит к дегидрирова­нию - отщеплению водорода.

При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

СН 3 -СН 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + Н 2 О Изомеризация

При определенных условиях алканы нормального строения могут превращаться в алканы с разветвленной цепью.

Получение алканов

Рассмотрим получение алканов на примере получения метана. Метан широко распространен в природе. Он является главной со­ставной частью многих горючих газов, как природных (90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Природные газы, особенно попутные газы нефтяных месторождений, помимо метана содержат этан, пропан, бутан и пентан.

Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении расти­тельных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто назы­вают болотным газом или рудничным газом.

В лаборатории метан получают при нагревании смеси ацетата натрия с гидроксидом натрия:

CH 3 COONa+NaOH® 200° Na 2 CO 3 +CH 4 ­

или при взаимодействии карбида алюминия с водой: Аl 4 Сl 3 +12H 2 O®4Аl(ОН) 3 +3CH 4 ­

В последнем случае метан получается весьма чистым.

Метан может быть получен из простых веществ при нагрева­нии в присутствии катализатора:

С+2Н 2 ® Ni СН 4 8 также синтезом на основе водяного газа

CO+3H 2 ® Ni CH 4 +H 2 O

Этот способ имеет промышленное значение. Однако используют обычно метан природных газов или газов, образующихся при кок­совании каменных углей и при переработке нефти.

Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях полу­чают прокаливанием солей соответствующих органических кис­лот с щелочами. Другой способ - реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием, например:

С 2 Н 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® С 2 Н 5 -С 2 Н 5 +2NaBr

В технике для получения технического бензина (смесь угле­водородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез

из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении. Процесс

можно выразить уравнением

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

I Итак, основным источником алканов служат природный газ и нефть. Однако некоторые предельные углеводороды синтезиру­ют из других соединений.

Применение алканов

Большая часть алканов используется как топливо. Крекинг и

Дегидрирование их приводит к непредельным углеводородам, на

базе которых получают множество других органических веществ.

Метан - основная часть природных газов (60-99%). В состав

природных газов входят пропан и бутан. Жидкие углеводороды

применяются в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания а автомашинах, самолетах и др. Очищенная смесь жидких

и твердых алканов образует вазелин. Высшие алканы являются

исходными веществами при получении синтетических моющих средств. Алканы, полученные путем изомеризации, используют­ся в производстве высококачественных бензинов и каучука. Ниже приведена схема применения метана

Циклоалканы

Строение

Циклоалканы - насыщенные углеводороды, в молекулах ко­торых имеется замкнутое кольцо из углеродных атомов.

Циклоалканы (циклопарафины) образуют гомологический ряд с общей формулой С n Н 2 n , в котором первым членом является

циклопропан С 3 Н 6 , т.к. для образования кольца необходимо на­личие не менее трех атомов углерода.

Циклоалканы имеют несколько названий: циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены. Примеры некоторых соеди­нений:

Формула С n Н 2 n характерна для циклопарафинов, и точно такая же формула описывает гомологический ряд алкенов (непре­дельных углеводородов, имеющих одну кратную связь). Из этого можно сделать вывод, что каждому циклоалкану изомерен соот­ветствующий алкен - это пример «межклассовой» изомерии.

Циклоалканы по размеру цикла делятся на ряд групп, из которых рассмотрим две: малые (С 3 , С 4) и обычные (С 5 -С 7) циклы.

Названия циклоалканов строятся путем добавления пристав­ки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода. Нумерацию в цикле проводят так, чтобы заместители получили наименьшие номера.

Структурные формулы циклоалканов обычно записываются в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водорода. Например:

Структурная изомерия циклоалканов обусловлена размером цикла (циклобутан и метилциклопропан - изомеры) и положе­нием заместителей в цикле (например, 1,1- и 1,2-диметилбутан), а также их строением.

Пространственная изомерия также характерна для цикло­алканов, т.к. она связана с различным расположением замес­тителей относительно плоскости цикла. При расположении за­местителей по одну сторону от плоскости цикла получаются цис-изомеры, по разные стороны - транс-изомеры.

← Вернуться