Химия 10 класс 10-Х-2

1. Алканы

Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны только `σ`-связями `"C"  -  "C"` и `"C"  -  "H"`, относятся к предельным углеводородам (алканам). Другое историческое название алканов – парафины. Общая формула гомологического ряда алканов `"C"_n"H"_(2n+2)`.

Простейшие представители этого ряда:

Строение

Каждый атом углерода в алканах находится в состоянии `"sp"^3`-гибридизации и образует четыре `σ`-связи. Длина связи `"C" – "C"` в алканах равна `0,154` нм. Энергия связей `"C"- "H"` в алканах неодинакова: прочнее всего  атомы водорода связаны с первичными атомами углерода в группах `"CH"_3`, затем – со вторичными в группах `"CH"_2`, и наименее – с третичными атомами углерода в группах `"CH"`. Углеродный скелет молекул может быть линейным или разветвлённым. Алканы первого типа называются линейными или нормальными, а вторые – разветвлёнными или изоструктурными.

Независимо от числа углеродных атомов в цепи всегда сохраняется тетраэдрическая ориентация связей. Поэтому реальная цепь углеродных атомов никогда не может быть линейной. Она всегда имеет зигзагообразный характер:

В реальных молекулах атомы и  группы атомов свободно вращаются вокруг `σ`-связи. В результате углеродная цепь  может принимать различные пространственные формы:

При вращении вокруг `σ`-связей в молекуле пентана образовались две формы молекулы: одна более изогнутая, чем исходный зигзаг, а вторая имеет почти кольцеобразную структуру. При вращении фрагментов молекулы вокруг `σ`-связи порядок соединения атомов друг с другом не меняется.  Подобное вращение атомов в молекулах является результатом теплового движения, если нет препятствующих этому факторов. Наиболее энергетически выгодна вытянутая форма молекулы, в которой фрагменты больше всего удалены друг от друга и испытывают наименьшее отталкивание групп и связей. Разновидности пространственных структур, вызванные вращением вокруг `σ`-связей, называют конформациями. Они легко претерпевают взаимные переходы. Поэтому различные конформации не могут быть разделены.

Номенклатура

Молекулы алканов отличаются друг от друга на группу `"CH"_2` – при переходе от одного члена ряда к следующему. Данная группа называется метиленовой группой. Алканы составляют совокупность подобных по структуре, а также по химическим свойствам соединений – гомологов, которая получила название гомологического ряда.

     Если от алкана  «отнять» один атом водорода,  то образуется одновалентный остаток – радикал. Названия некоторых углеводородных ради-калах приведены в таблице.

Общее (родовое) название предельных углеводородов – алканы.

По систематической  номенклатуре основой для названия служит наиболее длинная углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители. Приведём пример структурной формулы `2,5`-диметил-`3`-изопропил-`5`-этилгептана:

Данный алкан имеет в качестве главной -  цепь, содержащую `7` атомов углерода. При втором и пятом углероде находятся заместители – метилы, при пятом атоме углерода – этил, а при третьем  – изопропил.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода – метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Эти радикалы называют в порядке их усложнения. Если заместили одинаковые, то используют приставки умножения (ди, три, тетра) и добавляют слово «метан».

Физические свойства

При обычных условиях алканы `"C"_1-"C"_4  -` газы, `"C"_5-"C"_17  -` жидкости, начиная с `"C"_18` - твёрдые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях (бензол и др.) Температуры  кипения алканов с разветвлённой цепью ниже, чем соединений нормального строения. Алканы – горючие вещества.

Получение

Основные природные источники алканов – нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от `"C"_5"H"_12` до `"C"_30"H"_62`. Природный газ  состоит из метана `(96%)` с примесью этана и пропана.

Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:

1. Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии металлических катализаторов (`"Ni"`, `"Pd"`):

CH3-CH=CH2+H2t°Cкат.CH3-CH2-CH3{\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CH}={\mathrm{CH}}_2+{\mathrm H}_2\xrightarrow[{\mathrm t^\circ\mathrm C}]{\mathrm{кат}.}{\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3

2. Обработка галогеналканов натрием (реакция Вюрца):

`2"C"_2"H"_5"Br"+2"Na" -> "C"_2"H"_5 - "C"_2"H"_5+2"NaBr"`

Эта реакция пригодна только для получения алканов с симметричным углеродным скелетом, так как при введении в реакцию  Вюрца двух разных галогеналканов результатом будет смесь трех продуктов. Так, если обработать натрием смесь бромметана `"CH"_3"Br"` и бромэтана `"C"_2"H"_5"Br"`, то продуктами будут этан `"CH"_3-"CH"_3`, пропан `"CH"_3-"C"_2"H"_5` и бутан `"C"_2"H"_5-"C"_2"H"_5`.

3. Сплавление солей карбоновых кислот с избытком щёлочи с образованием алканов, содержащих на один атом углерода меньше, чем исходная соль (реакция декарбоксилирования):

C2H5COOK+KOHt°C2H6+K2CO3{\mathrm C}_2{\mathrm H}_5\mathrm{COOK}+\mathrm{KOH}\xrightarrow{\mathrm t^\circ}{\mathrm C}_2{\mathrm H}_6+{\mathrm K}_2{\mathrm{CO}}_3

4. Алканы симметричного строения могут быть получены в результате электролиза растворов солей карбоновых кислот (реакция Кольбе): 

5. Промышленный способ получения на металлическом катализаторе (`"Ni"`, `"Co"`) (синтез Фишера-Тропша):

nCO+2n+1H2t°кат.CnH2n+2+nH2On\mathrm{CO}+\left(2n+1\right){\mathrm H}_2\xrightarrow[{\mathrm t^\circ}]{\mathrm{кат}.}{\mathrm C}_n{\mathrm H}_{2n+2}+n{\mathrm H}_2\mathrm O

6. В лабораторных условиях простейший алкан – метан можно получить при гидролизе карбида алюминия:

`"Al"_4"C"_3+12"H"_2"O"->3"CH"_4+4"Al(OH)"_3`

Метан можно получить при нагревании углерода в атмосфере водорода до `400-500^@"С"` при повышенном давлении в присутствии катализатора  C+2H2t°,pкат.CH4\left(\mathrm C+2{\mathrm H}_2\xrightarrow[{\mathrm t^\circ,\mathrm p}]{\mathrm{кат}.}{\mathrm{CH}}_4\right).

Химические свойства

В обычных условиях алканы химически инертны, что объясняется высокой прочностью `σ`-связей `"C" - "C"` и `"C" - "H"`.  Неполярные связи не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. При обычных условиях алканы проявляют высокую химическую устойчивость. По этой причине алканы получили название парафинов.

Основные химические превращения алканов идут только при  сообщении им достаточно высокой энергии. Неполярные связи не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. При этом  может произойти или разрыв связи `"C"–"H"` с последующим замещением атома водорода на другой атом  или группу атомов, или же разрыв молекулы по связи `"C"–"C"`. Несмотря на то, что энергии этих связей равны соответственно `415` – `420` кДж/моль (для первичных атомов углерода) и `350` кДж/моль, разрыв предпочтительнее идёт по связи `"C"–"H"`, т. к. данная связь более доступна для реагента.

Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения `"S"_"R"` (от англ. substitution radicalic).

1. Галогенирование. Алканы реагируют с хлором и бромом под действием УФ излучения или высокой температуры. Реакция протекает по цепному механизму, который характеризуется следующими стадиями:

а) инициирование цепи: `"Cl"_2->2"Cl"*`

б) рост цепи: `"Cl"*+"CH"_4->"HCl"+"CH"_3*`

                          `"CH"_3*+"Cl"_2->"CH"_3"Cl"+"Cl"*`

в) обрыв цепи:  `"Cl"*+"Cl"* ->"Cl"_2`

                             `"Cl"*+"CH"_3* ->"CH"_3"Cl"`

                              `"CH"_3*+"CH"_3* ->"C"_2"H"_6`. 

Суммарное уравнение реакции: 

CH4+Cl2hv/t°CH3Cl+HCl{\mathrm{CH}}_4+{\mathrm{Cl}}_2\xrightarrow{\mathrm{hv}/\mathrm t^\circ}{\mathrm{CH}}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}.

Если галоген взят в избытке, то реакция не заканчивается образованием моногалогенпроизводного, а происходит последовательное замещение атомов водорода в алкане на атомы галогена. Так, при радикальном хлорировании метана избытком хлора продуктами реакции будут `"CH"_3"Cl"`, `"CH"_2"Cl"_2`, `"CHCl"_3` и `"CCl"_4`.

Как правило, селективность (избирательность) радикальных реакций тем больше, чем мягче условия их протекания (например, ниже температура) и меньше активность реагента. Так, в одинаковых условиях проведения реакции атомы брома обладают большей избирательность, чем атомы хлора:

2. Нитрование (реакция Коновалова). При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при `140^@` под давлением протекает реакция `"S"_"R"` с замещением водорода на нитрогруппу:

CH3-CH3+HNO3t°,pCH3-CH2-NO2+H2O{\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_3+{\mathrm{HNO}}_3\xrightarrow{\mathrm t^\circ,\mathrm p}{\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{NO}}_2+{\mathrm H}_2\mathrm O.

При  радикальных   реакциях  в  первую  очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и в последнюю очередь у первичных атомов углерода.

3. Изомеризация. Нормальные алканы при определённых условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:

      

4. Крекингэто гомолитический разрыв связей `"C" - "C"`, который протекает при нагревании под действием катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены и низшие алканы, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:

C6H14t°кат.C2H6+C4H8{\mathrm C}_6{\mathrm H}_{14}\xrightarrow[{\mathrm t^\circ}]{\mathrm{кат}.}{\mathrm C}_2{\mathrm H}_6+{\mathrm C}_4{\mathrm H}_8,

2CH41500°CC2H2+3H22{\mathrm{CH}}_4\xrightarrow{1500^\circ\mathrm C}{\mathrm C}_2{\mathrm H}_2+3{\mathrm H}_2,

C2H61200°CC2H2+2H2{\mathrm C}_2{\mathrm H}_6\xrightarrow{1200^\circ\mathrm C}{\mathrm C}_2{\mathrm H}_2+2{\mathrm H}_2.

5. Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха (`200^@"C"`, катализатор) могут быть получены `"CH"_3"OH"`, `"HCOH"`, `"HCOOH"`. Мягкое окисление бутана дает уксусную кислоту:

2C4H10+5O2t°кат.4CH3COOH+2H2O2{\mathrm C}_4{\mathrm H}_{10}+5{\mathrm O}_2\xrightarrow[{\mathrm t^\circ}]{\mathrm{кат}.}4{\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}+2{\mathrm H}_2\mathrm O

На воздухе алканы сгорают до `"CO"_2` и `"H"_2"O"`:

`"C"_n"H"_(2n+2)+((3n+1))/2 "O"_2 -> n"CO"_2+(n+1)"H"_2"O"`