ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета.

Например
, хлорметан реагирует с натрием с образованием этана:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Хлорэтан взаимодействует с натрием с образованием бутана:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Реакция больше подходит для получения симметричных алканов.

При проведении синтеза со смесью разных галогеналканов образуется смесь разных алканов.

Например
, при взаимодействии хлорметана и хлорэтана с натрием помимо пропана образуются этан и бутан.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Гомологический ряд алканов

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН 2
– друг от друга. Такие вещества называются гомологами
, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом
.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH 4
. , или Н–СH 2
–H.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН 2
– в углеводородную цепь алкана.

Общая формула гомологического ряда алканов C n
H 2n+2
.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C 5
–C 17
– жидкости, начиная с C 18
– твердые вещества. 

Все алканы легче воды, не растворимы в воде и не смешиваются с ней.



Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном, и относительно него строится название «алкил1алкил2алкил3алкил4метан», например:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

а
: н
-бутил- втор
-бутилизобутилметан
б
: триизопропилметан
в
: триэтилпропилметан


Alkan03.png
Alkan03.png

2,6,6-триметил-3-этилгептан (слева направо) / 2,2,6-триметил-5-этилгептан (справа налево)

При сравнении положений заместителей в обеих комбинациях, предпочтение отдается той, в которой первая отличающаяся цифра является наименьшей. Таким образом, правильное название — 2,,6-триметил-5-этилгептан
.

Реакции замещения

 
В молекулах алканов связи С–Н более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи С–С.

Алканы реагируют с хлором и бромом на свету
или при нагревании
.

При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Химическая активность хлора  выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.

При хлорировании алканов с углеродным скелетом, содержащим более 3 атомов углерода, образуется смесь
хлорпроизводных.

Например
, при хлорировании пропана образуются 1-хлорпропан и 2-хлопропан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Бромирование протекает более медленно и избирательно
.

Избирательность бромирования:
  сначала замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем атом водорода у вторичного атома углерода, и только затем первичный атом.

С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н

Например
, при бромировании 2-метилпропана преимущественно образуется 2-бром-2-метилпропан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

 Свободные радикалы R∙
– это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

1.2. Нитрование алканов

Алканы взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140 о
С и под давлением.  Атом водорода в алкане замещается на нитрогруппу NO 2
.

При этом процесс протекает также избирательно.

С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н

Например. 
При нитровании пропана образуется преимущественно 2-нитропропан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Получение алканов в промышленности

В промышленности алканы получают
из нефти, каменного угля, природного и попутного газа

. При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.



В ИК-спектрах алканов четко проявляются частоты валентных колебаний связи С—Н в области 2850—3000 см −1
. Частоты валентных колебаний связи С—С переменны и часто малоинтенсивны. Характеристические деформационные колебания в связи С—Н в метильной и метиленовой группах обычно лежат в интервале 1400—1470 см −1
, однако метильная группа даёт в спектрах слабую полосу при 1380 см −1
.


Чистые алканы не поглощают излучение в ультрафиолетовой области выше 2000 Å
и по этой причине часто оказываются отличными растворителями для измерения УФ-спектров других соединений.

Строение алканов

Алканы содержат химические связи двух типов: С-С и С-Н . Это типичные ковалентные двухцентровые, двухэлектронные, неполярные химические связи. Прочность связей С-С и С-Н (табл. 9-3) зависит от типа атома углерода, у которого происходит разрыв связи.

Наименее прочной она является у третичного атома углерода, что делает такую связь наиболее уязвимой при химических реакциях. Дипольный момент алканов равен нулю, что свидетельствует о неполярном характере связей С-Н и С-С . Межмолекулярные взаимодействия алканов включают главным образом дисперсионную составляющую и являются очень слабыми. Это предопределяет для алканов в твердом состоянии молекулярный тип кристаллической решетки и легкость ее разрушения.

Пространственные конформационные изомеры алканов (см. раздел 3.2.3) имеют малый энергетический барьер и в нормальных условиях не могут быть выделены в индивидуальном виде, так как они быстро переходят друг в друга. Однако, поскольку конформационная изомерия проявляется относительно каждой С-С связи, ее суммарное влияние становится заметным.

Физические свойства алканов

Слабостью межмолекулярных взаимодействий обусловлены высокая летучесть и испаряемость низших алканов, очень низкая температура плавления (табл. 9-5). Очевидно закономерное влияние молекулярной массы алканов на температуры плавления и кипения, на плотность, которая даже у полиэтилена и полипропилена, тем не менее, остается меньше единицы. Разветвления цепи, уменьшая межмолекулярные взаимодействия и делая более рыхлой упаковку молекулярной кристаллической решетки, закономерно снижают по сравнению с нормальными (неразветвленными) изомерами температуры кипения, плавления и плотность. Первые четыре члена гомологического ряда алканов в нормальных условиях являются газами, от пентана до пентадекана — жидкостями, начиная с гексадекана — твердые вещества. Для бытовых целей обычно используют пропан-бутановую смесь, которая легко сжижается при небольших давлениях.

Получение

8.1. 1. Крекинг

8.1.1. При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются разложению с образованием сложной смеси продуктов.

8.2. 2. Гидрирование непредельных углеводородов

8.2.1. Катализатором реакции являются соединения никеля, Pt или Pd.

8.3. 3. Газификация твердого топлива

8.3.1. Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор — Ni

8.4. 4. Реакция Вюрца

8.4.1. Реакция идёт при температуре −80 °C. При взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (R—R, R`—R`, R—R`)

8.4.1.1. 2 R—Br + 2Na = R—R + 2NaBr

8.5. 5. Декарбоксилирование натриевых солей карбоновых кислот

8.5.1. Нагревание натриевых солей карбоновых кислот с избытком щелочи приводит к отщеплению карбоксильной группы и образованию алканов.

8.5.1.1. R-COONa + NaOH -> R-H + Na2CO3

8.6. 6. Гидролиз карбида алюминия

8.6.1. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан

8.6.1.1. Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3

8.7. 7. Синтез Кольбе

8.7.1. При электролизе солей карбоновых кислот, анион кислоты — RCOO− перемещается к аноду, и там, отдавая электрон превращается в неустойчивый радикал RCOO•, который сразу декарбоксилируется. Радикал R• стабилизируется путем сдваивания с подобным радикалом, и образуется R—R.

8.7.1.1. 2 R-COONa + 2H2O -> R-R +2 NaOH + 2CO2+ H2

Синтез Фишера-Тропша

 
Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

nCO + (2n+1)H 2
 = C n
H 2n+2
+ nH 2
O

Это промышленный процесс получения алканов.

Практическое значение алканов

Понятны в этой связи две основные области применения алканов — в качестве высококалорийного топлива, прежде всего моторного, потребность в котором постоянно растет в мире, и как важнейшее промышленное сырье для получения самых разнообразных химических продуктов.

В обоих качествах алканам в ближайшее время приемлемой альтернативы нет. В ряду углеродсодержащих органических природных продуктов (уголь, торф, древесина, нефть, газ) последние два наиболее насыщены водородом и являются по этой причине наиболее удобным и дешевым сырьем в органическом синтезе. Переход промышленности органического синтеза на это сырье в первой половине XX века позволил качественно обновить и расширить ассортимент химической продукции, значительно снизив ее себестоимость.

Реакции окисления алканов

малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).

3.1. 
Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Например, горение пропана в недостатке кислорода:

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

Эта реакция используется для получения сажи.

  • Каталитическое окисление бутана – промышленный способ получения уксусной кислоты:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

  • При каталитическом окислении метана кислородом возможно образование различных продуктов в зависимости от условий проведения процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

  • Важное значение в промышленности имеет паровая конверсия метана: окисление метана водяным паром при высокой температуре.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Продукт реакции – так называемый  «синтез-газ».

Нахождение в природе


Нахождение в космосе


Нахождение на Земле

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Добыча нефти

В земной атмосфере метан присутствует в очень небольших количествах (около 0,0001 %), он производится некоторыми археями (архебактериями)
, в частности, находящимися в кишечном тракте крупного рогатого скота
. Промышленное значение имеют месторождения низших алканов в форме природного газа
, нефти
и, вероятно, в будущем — газовых гидратов
(найдены в областях вечной мерзлоты
и под океанами). Также метан содержится в биогазе
.

Высшие алканы содержатся в кутикуле растений
, предохраняя их от высыхания, паразитных грибков и мелких растительноядных организмов. Это обыкновенно цепи с нечётным числом атомов
углерода
, образующиеся при декарбоксилировании
жирных кислот
с чётным количеством углеродных атомов. У животных алканы встречаются в качестве феромонов
у насекомых
, в частности у мухи цеце
(2-метилгептадекан C 18
H 38
, 17,21-диметилгептатриаконтан C 39
H 80
, 15,19-диметилгептатриаконтан C 39
H 80
и 15,19,23-триметилгептатриаконтан C 40
H 82
). Некоторые орхидеи
при помощи алканов-феромонов привлекают опылителей.

Гидролиз карбида алюминия

Один из способов получения метана — гидролиз карбида алюминия:


, кислотный гидролиз:

Al 4
C 3
+ 12HCl = 4AlCl 3
+ 3CH 4


или водный гидролиз:

Al 4
C 3
+ 12H 2
О = 4Al(ОН) 3
+ 3CH 4


Гидрирование алкенов, алкинов, циклоалканов, алкадиенов

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

При гидрировании этилена образуется этан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

При полном гидрировании ацетилена также образуется этан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

При гидрировании циклопропана образуется пропан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Физические свойства

2.1. • Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи

2.2. • При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH4 до C4H10 — газы; с C5H12 до C13H28 — жидкости; после C14H30 — твёрдые тела.

2.3. • Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан — жидкость, а неопентан — газ

2.4. • Предельные УВ нерастворимы в воде, но легко растворяются в неполярных органических растворителях.

2.5. •газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Газификация угля

Еще один способ получения метана — газификация твердого топлива. Протекает при нагревании, под давлением в присутствии катализатора :

C + 2Н 2
= CH 4



Низшие алканы обладают наркотическим действием
, вызывают асфиксию, раздражают органы дыхания. При хроническом действии алканы нарушают работу нервной системы, что проявляется в виде бессонницы, брадикардии
, повышенной утомляемости и функциональных неврозов. Вследствие раздражающего действия газов при подострых, острых и хронических отравлениях развивается пневмония и отёк лёгких.

Химические свойства алканов


– предельные углеводороды, поэтому они не могут вступать в реакции присоединения.

Для предельных углеводородов характерны реакции:

Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.

Поэтому для алканов характерны только радикальные реакции.

Алканы устойчивы к действию сильных окислителей
(KMnO 4
, K 2
Cr 2
O 7
и др.), не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

Изомеризация алканов

Под действием катализатора и при нагревании неразветвленные алканы, содержащие не менее четырех атомов углерода в основной цепи, могут превращаться в более разветвленные алканы.

Например
, н-бутан под действием катализатора хлорида алюминия и при нагревании превращается в изобутан:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ


Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что одинарные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку связи С—C неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.


Реакции радикального замещения


Галогенирование алканов протекает по радикальному
механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-излучением
или нагреть.

Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора
и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от хлорметана
до тетрахлорметана
. Хлорирование других алканов приводит к смеси
продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность
атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного, и в 2 раза меньше, чем вторичного. Таким образом, хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Галогенирование происходит тем легче, чем длиннее углеродная цепь н
-алкана. В этом же направлении уменьшается энергия ионизации
молекулы вещества, то есть, алкан легче становится донором электрона
.

Галогенирование — это одна из реакций замещения
. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно с последовательным образованием

хлорметана

,

дихлорметана

,

хлороформа

и тетрахлорметана
: за один этап замещается не более одного атома водорода:













Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы ·СН 3
, которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.

Цепной механизм галогенирования:

[{h\nu }]Cl{\text{·}}+{\text{·}}Cl}}}}”>


2) Рост цепи







3) Обрыв цепи




Бромирование алканов отличается от хлорирования более высокой стереоселективностью из-за большей разницы в скоростях бромирования третичных, вторичных и первичных атомов углерода при низких температурах.

Иодирование алканов иодом
не происходит, получение иодидов прямым иодированием осуществить нельзя.

С фтором
и хлором реакция может протекать со взрывом, в таких случаях галоген разбавляют азотом
или подходящим растворителем.


При одновременном действии на алканы оксидом серы (IV) и кислородом, при ультрафиолетовом облучении или при участии веществ, являющихся донорами свободных радикалов (диазометан, органические перекиси), протекает реакция сульфирования с образованием алкилсульфокислот
:





Сульфохлорирование (реакция Рида)

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ


При облучении ультрафиолетовым излучением алканы реагируют со смесью SO 2

и Cl 2
, После того, как с уходом хлороводорода образуется алкильный радикал, присоединяется диоксид серы. Образовавшийся сложный радикал стабилизируется захватом атома хлора с разрушением очередной молекулы последнего.

Развитие цепного процесса:










Образовавшиеся сульфонилхлориды широко применяются в производстве ПАВ
.


Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты
или

оксидом азота
NO 2
в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных:





Имеющиеся данные указывают на

свободнорадикальный
механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.


Автоокисление

Окисление алканов в жидкой фазе протекает по свободно-радикальному механизму и приводит к образованию

гидропероксидов

, продуктов их разложения и взаимодействия с исходным алканом. Схема основной реакции автоокисления:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ







Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения

. Пример:




Значение достигает 46 000 — 50 000.

В случае нехватки кислорода
вместо углекислого газа получается оксид углерода(II)
или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

Каталитическое окисление

В реакциях каталитического окисления алканов могут образовываться спирты
, альдегиды
, карбоновые кислоты
.

При мягком окислении СН 4
в присутствии катализатора
кислородом при 200 °C могут образоваться:

Окисление также может осуществляться воздухом. Процесс проводится в жидкой или газообразной фазе. В промышленности так получают высшие жирные спирты
и соответствующие кислоты
.

Реакция окисления алканов диметилдиоксираном
:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ


Механизм реакций получения кислот путём каталитического окисления и расщепления алканов показан ниже на примере получения из бутана
уксусной кислоты
:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ



Термические превращения алканов

Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов
.

1000 ^oC} C + 2H_2}”>





Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе
происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции ( углерода в углеродном скелете) и фракции солярового масла ( углерода). Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время термический крекинг полностью вытеснен в промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — и низком давлении — на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Во время крекинга одна из связей (С-С) разрывается, образуя два радикала. Далее одновременно происходят три процесса, вследствие которых реакция дает множество различных продуктов:



















3) β-распад (разрыв связи (C-H)):




Дегидрирование

1) В углеродном скелете 2 (этан) или 3 (пропан) атома углерода — получение (терминальных) алкенов, так как других в данном случае не может получиться; выделение водорода:

Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al 2
O 3
, Cr 2
O 3
, например, образование этилена из этана:




2) В углеродном скелете 4 (бутан, изобутан) или 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентан
) атомов углерода — получение алкадиенов, например, бутадиена-1,3 и бутадиена-1,2 из бутана:







3) В углеродном скелете 6 (гексан) и более атомов углерода — получение бензола и его производных:





В присутствии

никелевого

катализатора протекает реакция:

[{h\nu }]Cl{\text{·}}+{\text{·}}Cl}}}}”>


Продукт этой реакции (смесь CO и H 2
) называется «
синтез-газом

».

Реакции электрофильного замещения

Изомеризация:

Под действием катализатора (например, AlCl

3
) происходит изомеризация алкана: например, бутан (C
4

H

10
), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl
3
), превращается из
н

-бутана в 2-метилпропан.

С марганцевокислым калием (KMnO 4
) и бромной водой (раствор Br 2
в воде) алканы не взаимодействуют.

Биологическое действие
10.1. Низшие алканы обладают наркотическим действием. При хроническом действии алканы нарушают работу нервной системы, что проявляется в виде бессонницы, брадикардии, повышенной утомляемости и функциональных неврозов.

Электролиз солей карбоновых кислот (электролиз по Кольбе
Это электролиз водных растворов солей карбоновых кислот.

В общем виде:

В водном растворе ацетат натрия практически полностью диссоциирует:

При этом 

на катод

 притягиваются катионы натрия Na

+

 и молекулы воды 

H

2
O
.

Разряжаться на катоде будут молекулы воды:
K
атод

(-):    

2H

2

O + 2e = H

2
 
+ 2OH

 
На аноде

 окисляются ацетат-ионы, а именно, атом углерода карбоксильной группы.

При этом от карбоксильной группы отрывается углекислый газ и остаются метильные радикалы, которые образуют газообразный этан:

A
нод
(+):  
  2
CH 3
COO – 
– 2e = 2CO 2
+ CH 3
–CH 3

Суммарное уравнение электролиза водного раствора ацетата натрия:

2CH 3
COONa + 2H 2
O = H 2
+ 2NaOH + 2CO 2
+ CH 3
–CH 3

Структурная изомерия

Для  алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета
.

Структурные изомеры
— это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета
отличаются строением углеродного скелета.

Для н-бутана (алкана с линейной цепью) существует изомер с разветвленным углеродным скелетом – изобутан

С увеличением числа атомов углерода в молекуле увеличивается количество изомеров, соответствующих данной формуле. У метана CH 4
, этана C 2
H 6
и пропана структурных изомеров нет.

Количество изомеров в ряду алканов:

Биологическое действие

5.1. Низшие алканы обладают наркотическим действием. При хроническом действии алканы нарушают работу нервной системы, что проявляется в виде бессонницы, брадикардии, повышенной утомляемости и функциональных неврозов.


Главным источником алканов (а также других углеводородов) являются нефть
и природный газ
, которые обычно встречаются совместно.

Восстановление галогенпроизводных алканов:




Восстановление иодалканов происходит при нагревании последних с иодоводородной кислотой:







Восстановление карбонильных соединений

Реакция Кижнера — Вольфа

:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ


ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ


Гидрирование непредельных углеводородов






Газификация твёрдого топлива (Процессы Бертло, Шрёдера, Бергиуса

)

Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор — Ni

(для Бертло),

Mo

(для Шрёдера) или без катализатора (для Бергиуса):

[{h\nu }]Cl{\text{·}}+{\text{·}}Cl}}}}”>




Синтез Фишера — Тропша







Получением алканов с помощью декарбоксилирования солей карбоновых кислот, при сплавлении со щелочью (обычно NaOH или KOH):



Химические свойства алканов
Неполярность связей С-С и С-Н предопределяет в основном гомолитический тип разрыва связей и радикальный характер химических реакций. Вследствие высокой прочности связей С-С и С-Н следует ожидать от алканов химической инертности. В каких же условиях и с какими реагентами алканы способны вступать в химические реакции? Проведем анализ простейшей реакции хлорирования метана:

Принципиальная возможность протекания данной реакции может быть установлена, согласно уравнению
, для реакции, протекающей в изобарно-изотермических условиях:

ΔG = ΔН – TΔS

Поскольку в результате реакции число частиц не меняется, изменением энтропии ( ΔS ) можно пренебречь, тогда ΔG ≈ ΔН .

Таким образом, для реакции хлорирования метана, согласно

,

получим уравнение изотермы Вант-Гоффа:

ΔG ~ ΔH = -2,3RTlgK. (87)

Оценим теперь глубину протекания реакции, возможный максимальный выход продуктов реакции. Примем Т= 300 К, R = 8,314 Дж/(К·моль). Тогда согласно (80) имеем:

Очевидно, что реакция практически нацело сдвинута вправо. Известно эмпирическое правило для реакций, в которых изменение энтропии незначительно: если ΔН 1, если ΔН>+63 кДж, то К 6С (тв.) + 7Н 2
(газ) С 6
Н 14
(газ)

тепловой эффект ΔН = -167,4 кДж/моль, но К ~ 1.

Хотя реакция хлорирования метана принципиально возможна, тем не менее смесь метана и хлора в темноте в нормальных условиях не реагирует! Такая ситуация объясняется только тем, что велика энергия активации данной реакции. Последнее обстоятельство не позволяет преодолеть энергетический барьер заметному числу исходных молекул.

Любая многостадийная химическая реакция включает медленную, лимитирующую стадию, определяющую скорость реакции. Выявление и изучение такой стадии, анализ факторов, влияющих на ее ход, и являются центральной проблемой для асинхронных процессов. В газовой фазе, где решающим при беспорядочном броуновском движении будет столкновение частиц, более вероятно реализуется асинхронный процесс. Реакция хлорирования метана может начаться с двух реакций, других типов связей нет:

Очевидна предпочтительность реакции в). Атака радикала хлора на водород метана не требует строгой ориентации. Далее возможен только один вариант взаимодействия:

Важной особенностью этого механизма является то, что вместо радикала хлора, расходуемого в реакции в ), появляется другой радикал хлора в реакции д ). Такие процессы называются цепными и имеют три фазы: инициирование, рост цепи и обрыв цепи.

Инициирование обычно осуществляется УФ-, γ-, рентгенол ским облучением, воздействием высоких температур, добавлением активных радикалов, получаемых разложением перекисей или других легко разлагаемых до радикалов соединений.

Обрыв цепи, кроме указанных реакций, возможен на стенках сосуда, при взаимодействии с примесями и т. д. Теоретически одного акта разрыва связи Сl-Сl достаточно для завершения реакции во всем объеме. Однако на самом деле число циклов обычно не превышает 100-10000. Это обусловлено тем, что реакции обрыва цепи идут исключительно быстро, поскольку при этом происходит образование устойчивых молекул из нестабильных радикалов.

Алканы реагируют при освещении с галогенами (хлором и бромом). При этом постепенно происходит замещение атомов водорода в молекуле алкана на атомы галогена:

25-02-2017 13-12-25.jpg

19-02-2017 17-01-15.jpg

19-02-2017 17-01-26.jpg

19-02-2017 17-01-38.jpg

Газообразные алканы (метан — бутан) входят в состав природного газа . Жидкие и твёрдые алканы содержатся в нефти .

Выделение большого количества теплоты позволяет использовать насыщенные углеводороды в качестве топлива .

Способность вступать в химические реакции даёт возможность применять алканы в качестве сырья для производства разнообразных органических веществ.

Мы приступаем к новому разделу – органической химии. Совершенно необязательно (и даже преступно по отношению к собственному времени!) знать наизусть, зубрить свойства органических веществ.

По мере изучения вы поймете, что свойства вещества определяются его строением, и научитесь легко предсказывать ход реакций 😉

Нафазолина нитрат

  • Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности, в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов отражает химическое строение.
  • Зная свойства веществ, можно установить их химическое строение, и наоборот, зная строение вещества можно сделать вывод о его свойствах.
  • Атомы или группы атомов оказывают взаимное влияние друг на друга непосредственно или через другие атомы
  • Свойства вещества зависят от количественного и качественного состава, а также от химического строения молекулы

Теория Бутлерова о химическом строении

Алканы (парафины) – насыщенные углеводороды, имеющие линейное или разветвленное строение, содержащие только простые связи. Относятся к алифатическим углеводородам, так как не содержат ароматических связей.

Алканы являются насыщенными соединениями – содержат максимально возможное число атомов водорода. Общая формула их гомологического ряда – C n
H 2n+2
.

Номенклатура алканов

Номенклатура (от лат. nomen – имя + calare – созывать) – совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса “ан”: метан, этан, пропан, бутан и т.д.

Номенклатура алканов

Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH 2

Перечисленные выше алканы, являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos – соответственный).

Названия алканов формируются по нескольким правилам. Если вы знаете их, можете пропустить этот пункт, однако я должен познакомить читателя с ними. Итак, алгоритм составления названий следующий:

  • В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода
  • Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал)
  • В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д.
  • Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи

Внимательно изучите составленные для различных веществ названия ниже.

Составление названия алканов

В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

Типы атомов углерода

Изомерами (греч. isomeros – составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия).

Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной (геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах.

Виды изомерии

В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана C 5
H 12
существует 3 структурных изомера.

Изомеры пентана

  • В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм
  • Тип гибридизации атомов углерода – sp 3
  • Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28′

Молекула метана напоминает тетраэдр

Природный газ и нефть

Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения.

В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C 8
H 18
, C 12
H 26
. Путем крекинга из нефти получают алканы.

Природный газ и нефть

Получение алканов

В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен.

Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан.

Получение алканов

Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена.

Реакция Вюрца

В ходе синтеза Гриньяра с помощью реактива Гриньяра (алкилмагнийгалогенида) получают различные органические соединения, в том числе несимметричные (в отличие от реакции Вюрца).

Синтез Гриньяра

На схеме выше мы сначала получили реактив Гриньяра, а потом использовали его для синтеза. Однако можно записать получение реактива Гриньяра и сам синтез в одну реакцию, как показано на примерах ниже.

Реакция Гриньяра

В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов.

Синтез Кольбе

В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия.

Химические свойства алканов

Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода, чуть труднее – у вторичного и значительно труднее – у первичного.

Галогенирование метана

Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы, которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода.

Галогенирование

Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму.

Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту – HNO 3
– можно представить как HO-NO 2
.

Нитрование, реакция Коновалова

Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты.

Каталитическое окисление

Пиролиз (греч. πῦρ – огонь + λύσις – разложение) – термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное отличие пиролиза от горения – в отсутствии кислорода.

В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl 3
.

Реакция изомеризации

Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их химическое свойство.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию
.

II. Химические свойства алканов

1. Реакции замещения

При действии света – hν или нагревании (стадийно – замещение атомов водорода на галоген носит последовательный цепной характер. Большой вклад в разработку цепных реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов )

В реакции образуются вещества галогеналканы RГ или С n
H 2n+1
Г

(Г – это галогены F, Cl, Br, I)

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле:


Электронная плотность связи С – Cl смещена к более электроотрицательному хлору, в результате на нём скапливается частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

На атом углерода в метильной группе ( – СН 3
) создаётся дефицит электронной плотности, поэтому он компенсирует свой заряд за счёт соседних атомов водорода, в результате связь С – Н становится менее прочной и атомы водорода легче замещаются на атомы хлора. При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайщего к заместителю:

Со фтором реакция идёт со взрывом.

С хлором и бромом требуется инициатор.

Иодирование происходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления HI из рекции.

В реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных. Для хлорирования эта закономерность не соблюдается при T>400˚C.

б) Нитрование
(реакция М. И. Коновалова , он провёл её впервые в 1888 г)

2. Реакции отщепления (дегидрирование)

б) При нагревании до 1500 С происходит образование ацетилена и водорода:

3. Реакции перегруппировки (изомеризация)

4. Реакции горения
(горят светлым не коптящим пламенем)

Помните!
Смесь метана с воздухом и кислородом взрывоопасна

5. Реакции разложения

а) Крекинг

при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:

б) Пиролиз

при температуре 1000°С разрываются все связи,

продукты – С и Н 2
:

в) Конверсия

метана с образованием синтез – газа (СО + Н 2
)

III. Получение алканов

1. Получение в лаборатории

1. Гидролиз карбида алюминия
(получение метана):

2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):

(R- это радикал; Г- это галоген)

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:

5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот – реакция КОЛЬБЕ

Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия

Анод (+): H 2
O, CH 3
COO – (анионы
органических
кислот
активнее
воды) –
Процесс окисления:

2H 2
O + 2CH 3
COONa эл
.
ток
=
H 2
+ 2NaHCO 3
+ C 2
H 6

2. Получение 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 С 5
10
), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;

легкий газойль
(дизельное топливо) 230-305 С (С 13
17
);

тяжелый газойль и легкий дистиллят
смазочного масла
305-405 С (С 18
25
);

смазочные масла
405-515 С (С 26
38
).

Остаток после перегонки нефти называется асфальтом
или битумом
.

2. Синтезом из водяного газа:

3. Синтезом из простых веществ:

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.


  • Температуры плавления
    и кипения
    увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
  • При стандартных условиях, установленных ИЮПАК
    ( давление
    , температура
    0 °C), неразветвлённые алканы с CH 4
    до C 4
    H 10
    являются газами, с C 5
    H 12
    до C 15
    H 32
     — жидкостями, а начиная с C 16
    H 34
    и далее — твёрдыми веществами.
  • Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвлённых к более разветвлённым. Так, например, при 20 °C н
    -пентан

     — жидкость, а неопентан
     — газ.
  • Газообразные и твердые алканы не пахнут, некоторые жидкие алканы обладают характерным «бензиновым» запахом.
  • Все алканы бесцветны, легче воды и нерастворимы в ней. Алканы хорошо растворяются в органических растворителях, жидкие алканы ( пентан
    , гексан
    ) используются как растворители.

Примечание к таблице: * отмечены значения, полученные для переохлаждённой жидкости.

Нахождение алканов в природе

Основными источниками алканов в природе являются нефть и природный газ. Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений, состоящую в основном из алканов, циклоалканов, ароматических углеводородов; алкены в нефти почти никогда не содержатся. Ее состав сильно варьирует в зависимости от месторождения. Например, алканы в очень большом количестве содержатся в пенсильванской (США), татаро-башкирской, грозненской (Россия) нефти, циклоалканы — в бакинской, в уральской нефти много ароматических углеводородов. Природный газ содержит главным образом метан, а попутный нефтяной газ — в основном метан, а также другие летучие алканы — этан, пропан, бутан, изобутан.

Оптическая изомерия

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными заместителями (атомами или атомными группами), например:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурой, но различным пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу, как зеркальные изображение и предмет. При этом никаким вращением нельзя получить одну молекулу из другой.

Химические свойства

4.1. 1. Горение

4.1.1. При взаимодействии с кислородом алканы горят синим пламенем, с образованием углекислого газа и воды

4.2. 2. Реакции замещения.

4.2.1. – галогенирование

4.2.1.1. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть.

4.2.2. – нитрование (Реакция Коновалова)

4.2.2.1. Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

4.3. 3. Дегидрирование

4.3.1. Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3

4.4. 4. Ароматизация

4.4.1. Алканы с 6 и более атомами углерода в цепи циклизуются с образованием бензола и его производных

4.5. 5. Нитрование (Реакция Коновалова)

4.6. 5. Крекинг

4.6.1. При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются разложению с образованием сложной смеси продуктов.

4.7. 6. Термическое разложение метана

4.7.1. • Полное

4.7.1.1. t > 1000 °C

4.7.2. • Неполное

4.7.2.1. при t= 1500 °C

4.8. 7. Конверсия метана

4.8.1. В присутствии никелевого катализатора протекает реакция

Химические свойства

9.1. 1. Горение

9.1.1. При взаимодействии с кислородом алканы горят синим пламенем, с образованием углекислого газа и воды

9.2. 2. Реакции замещения.

9.2.1. – галогенирование

9.2.1.1. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть.

9.2.2. – нитрование (Реакция Коновалова)

9.2.2.1. Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

9.3. 3. Дегидрирование

9.3.1. Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3

9.4. 4. Ароматизация

9.4.1. Алканы с 6 и более атомами углерода в цепи циклизуются с образованием бензола и его производных

9.5. 5. Нитрование (Реакция Коновалова)

9.6. 5. Крекинг

9.6.1. При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются разложению с образованием сложной смеси продуктов.

9.7. 6. Термическое разложение метана

9.7.1. • Полное

9.7.1.1. t > 1000 °C

9.7.2. • Неполное

9.7.2.1. при t= 1500 °C

9.8. 7. Конверсия метана

9.8.1. В присутствии никелевого катализатора протекает реакция

Реакции разложения

2.1. Дегидрирование и дегидроциклизация

Дегидрирование –
это реакция отщепления атомов водорода.

В качестве катализаторов дегидрирования используют никель Ni, платину Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка и др.

Уравнение дегидрирования алканов в общем виде:

При дегидрировании алканов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, разрываются связи С–Н у соседних атомов углерода и образуются двойные и тройные связи.


ри дегидрировании этана образуются этилен или ацетилен:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Алканы с более длинным углеродным скелетом, содержащие  5 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют циклические соединения.

При этом протекает дегидроциклизация
– процесс  отщепления водорода с образованием замкнутого цикла.

Пентан и его гомологи, содержащие пять атомов углерода в главной цепи, при нагревании над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды.

Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

2.2. Пиролиз (дегидрирование) метана

При медленном и длительном нагревании до 1500 о
С метан разлагается до простых веществ:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен: ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Пиролиз метана
– промышленный способ получения ацетилена.

Крекинг –
это реакция разложения алкана с длинной углеродной цепью на алканы с более короткой углеродной цепью и алкены.

Крекинг бывает термический и каталитический
.

Термический крекинг
протекает при сильном нагревании без доступа воздуха.

При этом получается смесь алканов и алкенов с различной длиной углеродной цепи и различной молекулярной массой.

Например,
 при крекинге н-пентана образуется смесь, в состав которой входят этилен, пропан, метан, бутилен, пропилен, этан и другие углеводороды.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Каталитический крекинг
проводят при более низкой температуре в присутствии катализаторов. Процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования.
Катализаторы каталитического крекинга – цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия).

Получение

3.1. 1. Крекинг

3.1.1. При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются разложению с образованием сложной смеси продуктов.

3.2. 2. Гидрирование непредельных углеводородов

3.2.1. Катализатором реакции являются соединения никеля, Pt или Pd.

3.3. 3. Газификация твердого топлива

3.3.1. Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор — Ni

3.4. 4. Реакция Вюрца

3.4.1. Реакция идёт при температуре −80 °C. При взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (R—R, R`—R`, R—R`)

3.4.1.1. 2 R—Br + 2Na = R—R + 2NaBr

3.5. 5. Декарбоксилирование натриевых солей карбоновых кислот

3.5.1. Нагревание натриевых солей карбоновых кислот с избытком щелочи приводит к отщеплению карбоксильной группы и образованию алканов.

3.5.1.1. R-COONa + NaOH -> R-H + Na2CO3

3.6. 6. Гидролиз карбида алюминия

3.6.1. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан

3.6.1.1. Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3

3.7. 7. Синтез Кольбе

3.7.1. При электролизе солей карбоновых кислот, анион кислоты — RCOO− перемещается к аноду, и там, отдавая электрон превращается в неустойчивый радикал RCOO•, который сразу декарбоксилируется. Радикал R• стабилизируется путем сдваивания с подобным радикалом, и образуется R—R.

3.7.1.1. 2 R-COONa + 2H2O -> R-R +2 NaOH + 2CO2+ H2

Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма
— это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

Декарбоксилирование 
— это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe)  соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Гомологический ряд и изомерия

Алканы образуют гомологический ряд
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *