Limitarea hidrocarburilor (alcani)
Formula generală pentru reprezentanții seriilor omoloage de alcani este CnH2n + 2. Alcanii sunt numite și limitarea sau hidrocarburi saturate, deoarece toți atomii de carbon sunt legați prin legături simple și valențele rămase ale atomilor de carbon pentru a limita saturate cu atomi de hidrogen.
Progenitorul seriei omoloage de alcani este metanul - CH4. Toți membrii ulteriori ai seriei diferă de grupul "-CH2-".
Astfel, următorul termen al seriei are formula C2H6 (etan). Denumirile formate din punct de vedere istoric sunt folosite pentru primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (utilizarea lor este stabilită de regulile IUPAC) - metan, etan, propan și butan. Începând cu cel de-al cincilea membru al seriei, se folosesc și numele, ale căror rădăcini provin din numele grecesc sau latin al numărului corespunzător cu sufixul -an. Deci, al cincilea membru al unui număr de alcani este numit pentan.
Atomii de carbon, așa cum am menționat deja, pot fi conectați nu numai într-un lanț liniar, ci și într-un lanț ramificat. În seria de alcani, apariția ramificării este posibilă pornind de la butan. Poate avea doi izomeri structurali - butan și izobutan (este, de asemenea, 2-metilpropan conform nomenclaturii IUPAC):
Pe măsură ce crește numărul de atomi de carbon, ramificația din lanț devine mai diversă și crește numărul izomerilor. În moleculele de alcani (liniari) neramificați, sunt doar atomi de carbon primari (la capetele lanțului) și secundari (în lanț) atomi de carbon. În alcani ramificați există, de asemenea, atomi de carbon terțiari și cuaternari.
Cu o separare mentală de molecula de alcan a atomului de hidrogen, se obțin radicali de hidrocarburi. Numele lor este construit în același mod ca și pentru alcanul corespunzător, dar sufixul -an este folosit, iar sufixul -il este folosit. În consecință, astfel de radicali sunt numiți în continuare alchil. Astfel, metanul corespunde cu metil (CH3-) radical. În general, radicalii alchil sunt desemnați în general prin simbolul R-. După cum vă amintiți, conceptul de radical (substituent) și numele acestuia sunt utilizate în construirea denumirilor compuse în IUPAC (2-metilpropan). Cu toate acestea, termenul radical (de obicei, în expresia radicală liberă) este de asemenea folosit pentru a se referi la particulele existente efectiv implicate în reacțiile radicale. Aceste concepte nu trebuie în nici un caz confundate! Este evident că pornind de la propan, o hidrocarbură poate corespunde unor radicali diferiți, adică și ei pot avea izomeri. Deci, pentru propan:
Odată cu separarea mentală a celor doi atomi de hidrogen din molecula de alcan, apar așa numiți radicali divalenți. Numele lor sunt construite, din nou sub numele aleanul înlocuind sufixul la un -îiiden sufix -en (dacă atomii de hidrogen sunt separați de un atom de carbon) sau -ilen (dacă la diferiți atomi de carbon). O excepție este radicalul format din metan. Deși are doar un atom de carbon, radicalul corespunzător se numește metilen (CH2 =).
Denumirile radicalilor de hidrocarburi sunt folosite în construirea unor denumiri sistematice de compuși organici:
În cazul alcanilor cu un număr mare de atomi de carbon, izomerii lor ar trebui să fie numiți conform nomenclaturii IUPAC. Astfel se numesc izomerii hexanului în această nomenclatură:
Proprietățile fizice ale alcanilor
În condiții obișnuite, primii patru membri ai seriei omoloage de alcani (C1-C4) sunt gaze. Alcani normali de la pentan la heptadecan (C5 - C17) - lichide, începând cu C18 și solide mai mari. Pe măsură ce crește numărul atomilor de carbon din lanț, adică cu mărirea relativă a greutății moleculare, punctele de fierbere și de topire ale alcanilor cresc.
Cu același număr de atomi de carbon din moleculă, alcani ramificați au puncte de fierbere mai mici decât alcani normali.
Alcanii sunt practic insolubili în apă, deoarece moleculele lor sunt puțin polari și nu interacționează cu moleculele de apă. Alcani lichizi sunt ușor de amestecat unul cu celălalt. Ele sunt ușor solubile în solvenți organici nepolari, cum ar fi benzenul, tetraclorura de carbon și altele asemenea.
Molecula celui mai simplu alcan - metan - are forma unui tetraedru obișnuit, în centrul căruia există un atom de carbon, iar la vârf - atomi de hidrogen. Unghiurile dintre axele de legătură C-H sunt 109 ° 28 '(Figura 29).
În moleculele altor hidrocarburi saturate, unghiurile dintre legături (atât C-H cât și C-C) au aceeași valoare. Conceptul de hibridizare a orbitalilor atomici este folosit pentru a descrie forma moleculelor (vezi partea I, §6).
În alcani, toți atomii de carbon sunt într-o stare de hibridizare sp3 (Figura 30).
Astfel, atomii de carbon din lanțul de carbon nu se află pe aceeași linie dreaptă. Distanța dintre atomii de carbon vecini (între nucleele atomilor) este strict fixată - aceasta este lungimea legăturii chimice (0,154 nm). Distanța este C1-C3, C2-C4 și așa mai departe. (prin intermediul unui atom) sunt, de asemenea, constante, deoarece unghiul dintre legături este constant, este unghiul unghiului.
Distanțele dintre atomii de carbon mai îndepărtați pot varia (în anumite limite) ca rezultat al rotirii în jurul legăturilor . O astfel de rotație nu încalcă suprapunerea orbitalilor care formează -link-ul, deoarece această conexiune are o simetrie axială.
Diferitele forme spațiale ale unei molecule, formate în timpul rotației grupurilor de atomi în jurul legăturilor , se numesc conformații (fig.31).
Conformațiile se disting prin energie, dar această diferență este mică (12-15 kJ / mol). Mai stabile sunt conformațiile alcanilor, în care atomii sunt localizați cât mai departe posibil (repulsia cochiliilor electronice). Trecerea de la o conformație la alta este realizată de energia mișcării termice. Pentru a reprezenta conformația, se folosesc formule spațiale speciale (formulele lui Newman).
Nu confunda!
Este necesar să se facă distincția între conceptele de conformație și configurație.
Diferitele conformații se pot transforma unul în celălalt fără a rupe legăturile chimice. Pentru a transforma o moleculă cu o configurație într-o moleculă cu o configurație diferită, este necesară o ruptură a legăturilor chimice.
Dintre cele patru tipuri de izomerism pentru alcani, două sunt caracteristice: izomerismul scheletului de carbon și izomerismul optic (vezi partea I, §7).
Legăturile chimice în alcani, ruptura și formarea lor determină proprietățile chimice ale alcanilor.
Legăturile C-C și C-H sunt covalente, simple (legăturile ), practic nepolare, suficient de puternice, prin urmare:
1) alcani intră cel mai adesea în reacții care apar cu o ruptură hemolitică a legăturilor;
2) alcani au o reactivitate scăzută în comparație cu compuși organici din alte clase (ele sunt numite parafine - "lipsite de proprietăți") pentru aceasta. Astfel, alcani sunt rezistenți la acțiunea soluțiilor apoase de acizi, alcalii și oxidanți (de exemplu, permanganatul de potasiu), chiar și în timpul fierberii.
Alcani nu intră în reacții de adăugare a altor molecule către ele, tk. alcani nu au legături multiple în moleculele lor.
Alcani sunt descompuși sub încălzire puternică în prezența catalizatorilor sub formă de platină sau nichel, în timp ce hidrogenul este separat de alcani.
Alcanii pot intra în reacțiile de izomerizare. O reacție caracteristică pentru ei este o reacție de substituție care se desfășoară de-a lungul unui mecanism radical.
Cum să înveți chimia? - AskGuru
Reacțiile de substituție radicală
Ca exemplu, luați în considerare interacțiunea alcanilor cu halogeni. Fluorul reacționează foarte puternic (de regulă, cu o explozie) - cu toate legăturile C-H și C-C rupte și, ca rezultat, se formează compușii CF4 și HF. Valoarea practică nu are o reacție. Iodul și alcani nu interacționează. Reacțiile cu clor sau brom se produc fie sub iluminare, fie sub încălzire puternică; În acest caz, se formează alcani mono-polian-halogen-substituiți, de exemplu:
CH3-CH3 + Cl2-hvCH3-CH2-Cl + HCI
Formarea derivaților de metanoglici halogenați are loc printr-un mecanism al radicalilor liberi în lanț. Sub influența luminii, moleculele de clor se descompun în radicali anorganici:
Sl22Sl.
Radicalul anorganic Cl. se separă de molecula de metan un atom de hidrogen cu un electron, formând HCI și CH3 radical liber
Radicalul liber interacționează cu molecula de clor Cl2, formând un derivat halogenat și un radical de clor.
și așa mai departe. Reacțiile substituției radicale includ, de asemenea, oxidarea alcanilor cu oxigen în aer.
Reacția de oxidare începe cu molecula de captare de hidrogen oxigen (adică un diradical) și în continuare se duce ca reacție în lanț ramificat. Numărul de radicali crește în timpul reacției. Procesul este însoțit de
prin eliberarea unei cantități mari de căldură, nu numai C-H, dar și legăturile C-C sunt rupte, astfel încât se formează monoxid de carbon (IV) și apă. Reacția poate avea loc ca o combustie sau poate duce la o explozie.
2CnH2n + 2 + (3n + 1) O2 2nCO2 + (2n + 2) H20
La temperaturi normale, reacția de oxidare nu are loc; acesta poate fi inițiat fie prin aprindere, fie prin acțiunea unei descărcări electrice.
Cu încălzire puternică (peste 1000 ° C), alcani se descompun complet în carbon și hidrogen. Această reacție se numește piroliză.
CH4 -1200 ° C + 2H2
Cu oxidarea ușoară a alcanilor, în special a metanului, cu oxigenul în aer în prezența unor catalizatori diferiți, pot fi obținuți alcool metilic, formaldehidă, acid formic.
Dacă metanul trece prin zona încălzită foarte repede și apoi se răcește imediat cu apă, rezultă acetilă.
Această reacție este baza sintezei industriale, care se numește crăpare (descompunere incompletă) a metanului.
Omologii de cracare a metanului se efectuează la o temperatură mai mică (aproximativ 600 ° C). De exemplu, cracarea cu propan include următoarele etape:
Astfel, cracarea alcanilor conduce la formarea unui amestec de alcani și alcene cu greutate moleculară mică.
Alcani de încălzire până la 300-350 ° C (cracarea nu se produce încă) în prezența unui catalizator (Pt sau Ni) conduce la dehidrogenare - desprinderea hidrogenului.
Sub acțiunea acidului azotic diluat pe alcani la 140 ° C și o presiune redusă, reacționează radical:
CH3-CH3 + HN03-CH3-CH2-N02 + H20
izomerizare
În anumite condiții, alcani cu structură normală pot fi transformați în alcani cu catenă ramificată.
Luați în considerare producerea de alcani prin exemplul producerii de metan. Metanul este distribuit pe scară largă în natură. Este principalul constituent al multor gaze combustibile, atât naturale (90-98%), cât și cele artificiale, eliberate în timpul distilării uscate a lemnului, a turbei, a cărbunelui și, de asemenea, în timpul cracării uleiului. Gazele naturale, în special gazele asociate din câmpurile petroliere, pe lângă metan conțin etan, propan, butan și pentan.
Metanul este eliberat din fundul mlaștinilor și din paturile de cărbuni din mine, unde se formează prin descompunerea lentă a rămășițelor de plante fără acces la aer. Prin urmare, metanul este adesea numit gaz de mlaștină sau gaz de mină.
În laborator, metanul este produs prin încălzirea unui amestec de acetat de sodiu și hidroxid de sodiu:
CH3COONa + NaOH ® 200 ° Na2C03 + CH4
sau în interacțiunea dintre carbură de aluminiu și apă: Al4C13 + 12H2O → 4Al (OH) 3 + 3CH4
În ultimul caz, metanul se obține foarte curat.
Metanul poate fi obținut din substanțe simple prin încălzire în prezența unui catalizator:
C + 2H2 NiCH4 8, de asemenea, prin sinteză pe bază de gaz de apă
CO + 3H2 = NiCh + H20
Această metodă are o importanță industrială. Cu toate acestea, metanul este utilizat în mod obișnuit pentru gazele naturale sau gazele formate în timpul cocsificării cărbunelui și în timpul procesării petrolului.
Homologii de metan, cum ar fi metanul, în condiții de laborator, se obțin prin calcinarea sărurilor acizilor organici corespunzători cu alcalii. O altă metodă este reacția Wurz, adică încălzirea derivaților monohalogen cu sodiu metalic, de exemplu:
C2H5Br + 2Na + BrC2H6 C2H5-C2H5 + 2NaBr
În tehnica de producere a benzinei tehnice (un amestec de hidrocarburi conținând 6-10 atomi de carbon) se utilizează sinteza de la monoxid de carbon (II) și hidrogen în prezența unui catalizator (compus de cobalt) și la o presiune ridicată. Procesul poate fi exprimat prin ecuație
nCO + (2n + 1) H2O 200 ° CnH2n + 2 + nH20
Deci, principala sursă de alcani este gazele naturale și petrolul. Cu toate acestea, anumite hidrocarburi saturate sunt sintetizate din alți compuși.
Cele mai multe alcani sunt utilizați drept combustibil. Cracarea și dehidrogenarea acestora conduce la hidrocarburi nesaturate, pe baza cărora se obțin multe alte substanțe organice.
Metanul este partea principală a gazelor naturale (60-99%). Gazele naturale includ propan și butan.
"Hidrocarburi nesaturate, alcine." Clasa a 10-a
sunt utilizate ca combustibil în motoarele cu combustie internă și în autovehicule, avioane etc. Un amestec purificat de alcani lichizi și solizi formează petrolatum. Alcani mai mari sunt materii prime pentru producerea de detergenți sintetici. Alcanii obținuți prin izomerizare sunt utilizați în producția benzinelor de înaltă calitate și a cauciucului. Mai jos este o diagramă a aplicării metanului
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: