10 класс. Химия. Алканы
Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее.
Химические свойства алканов
Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:
1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.
2. Из-за прочных связей С-С и С-Н (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO4 и т.п.)
3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.
Основной тип реакций – радикальное замещение (radical substitution) SR.
Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.
Взаимодействие алканов с галогенами ( элементы VII-A группы) носит общее название –реакция галогенирования. Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.
Фтор химически слишком активен, и реакции алканов с его участием сопровождаютсявзрывом и окислением до CF4.
Взаимодействие алканов с йодом практически не протекает.
Реакции хлорирования и бромирования проводят при 300–400оC или при облучении УФ-лампой.
Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана
При хлорировании атом Н в молекуле метана замещается на атом Cl. В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:
СН4 + Сl2 CH3Cl + HCl;
CH3Cl + Сl2 CH2Cl2 + HCl;
CH2Cl2 + Сl2 CHCl3 + HCl;
CHCl3 + Сl2 CCl4 + HCl.
Механизм реакции – последовательность стадий, через которые проходит химическая реакция.
Стадия 1 – зарождение цепи (инициация)
Когда молекулу хлора нагревают или облучают, слабая связь между атомами хлора рвется, при этом каждому из атомов при разрыве связи достается по одному электрону.
В результате образуются незаряженные частицы с неспаренным электроном – радикалы. Атомы в радикалах содержат на внешнем уровне нечетное число электронов. Поэтому радикалы – очень неустойчивые и реакционноспособные частицы.
Стадия 2 – развитие (рост) цепи
Атом хлора при столкновении с молекулой алкана отрывает от нее атом Н, и образуется молекула HCl. Возникает новый свободный радикал ·СН3. Он далее реагирует с другой молекулой хлора. Такие взаимодействия могут повторяться много раз, образуя длинную цепь.
Стадия 3 – обрыв цепи (рекомбинация)
Два радикала могут встретиться, и цепь прервется:
Обратите внимание: в последнем случае возникает вещество, в молекуле которого больше атомов углерода, чем в исходном алкане. Поэтому в смеси продуктов радикальных реакций алканов всегда присутствуют небольшие количества веществ с более длинной углеродной цепью.
Особенности радикального замещения
В реакцию радикального замещения легче всего вступают атомы водорода при третичном атоме С, затем при вторичном, а сложнее всего разорвать связь С-Н при первичном атоме углерода. Поэтому при бромировании 2-метилбутана преимущественно образуется 2-бром-2-метилбутан:
Реакция нитрования
По механизму радикального замещения протекает реакция нитрования алканов в газовой фазе (реакция Коновалова). Условия – повышенные температура и давление.
В парообразном состоянии азотная кислота разлагается:
2HNO3 2NO2 + ½ O2 + H2O.
Оксид азота (IV) является радикалом ·NO2. Он атакует молекулу алкана.
СH4 + HNO3 = СН3NO2 + H2O.
Горение алканов
Рис. 1. Горение метана
Горение алканов (рис. 1.) также является радикальной цепной реакцией, но, кроме того – разветвленной. На стадии развития цепи встречаются процессы, приводящие к размножению радикалов (разветвление). Фрагмент механизма горения метана:
ROOH + RH = RO· + R· + H2O
Смесь метана с кислородом (в объёмном соотношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Поэтому смеси метана, пропана, этана, бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в шахтах, в мастерских, в жилых помещениях. С этими газами нужно проявлять осторожность при применении.
Получение и применение алкановВ лаборатории
1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑
2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):
R-Г + 2Na + Г-R1 → R-R1 + 2NaГ
(R- это радикал; Г- это галоген)
a) CH3-Cl + 2Na + Cl-CH3 → CH3-CH3 + 2NaCl
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
б) CH3-I + 2Na + I-C2H5 → CH3-C2H5 + 2NaI
CH3I + 2Na + C2H5I → C3H8 + 2NaI
3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:
(ацетат натрия+ едкий натр=(метан+карбонат натрия)
этилат натрия этан
4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:
a) CnH2n + H2 -t,kat,p → CnH2n+2
b) CnH2n-2 + 2H2 - t,kat→ CnH2n+2
C2H2 + 2H2 - t,kat→ C2H6
5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот - реакция КОЛЬБЕ
Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия
H2O, CH3COONa ↔ Na+ + CH3COO-
КАТОД (-)
АНОД (+)
H2O, Na+
H2O, CH3COO-
2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH-
CH3COO- -1e-→ CH3COO∙ (радикал)
2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2CO2 + 2NaOH + C2H6
2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2NaHCO3 + C2H6
В промышленности
1. Из природного и попутного нефтяного газа
Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье - нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов.
Метан называют ещё и болотным; рудничным газом.
Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:
бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С5-С10), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;
керосин 180-230 C, (С11-С12);
легкий газойль (дизельное топливо) 230-305 С (С13-С17);
тяжелый газойль и легкий дистиллят смазочного масла 305-405 С (С18-С25);
смазочные масла 405-515 С (С26-С38).
Остаток после перегонки нефти называется асфальтом или битумом.
2. Синтезом из водяного газа:
n CO + (2n + 1) H2 - t,kat→ CnH2n+2 + n H2O
CO + 3H2 - t,kat→ CH4 + H2O
3. Синтезом из простых веществ:
n C + (n + 1) H2 -t,kat,p → CnH2n+2
Применение
1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.
2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит
3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках
4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.
5. Метан используется для производства шин и краски
6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.