ALKANE (mettede hydrokarboner, parafiner)

• Alkaner er alifatiske (acykliske) mettede hydrokarboner der karbonatomene er bundet sammen med enkle (enkelt)bindinger i rette eller forgrenede kjeder.

Alkaner– navnet på mettede hydrokarboner i henhold til den internasjonale nomenklaturen.
Parafiner– et historisk etablert navn som gjenspeiler egenskapene til disse forbindelsene (fra lat. parrum affinis– har liten tilhørighet, lav aktivitet).
Grense, eller mettet, disse hydrokarbonene er navngitt på grunn av fullstendig metning av karbonkjeden med hydrogenatomer.

De enkleste representantene for alkaner:

Molekylmodeller:

Når man sammenligner disse forbindelsene, er det klart at de skiller seg fra hverandre med en gruppe -CH 2 - (metylen). Legger til en annen gruppe til propan -CH 2 -, vi får butan C4H10, deretter alkaner C 5 H 12, C 6 H 14 etc.

Nå kan vi utlede den generelle formelen for alkaner. Antallet karbonatomer i rekken av alkaner antas å være n , da blir antallet hydrogenatomer 2n+2 . Derfor tilsvarer sammensetningen av alkaner den generelle formelen CnH2n+2.
Derfor brukes ofte følgende definisjon:

Alkaner- hydrokarboner, hvis sammensetning er uttrykt ved den generelle formelen CnH2n+2, Hvor n – antall karbonatomer.

Struktur av alkaner

Kjemisk struktur(rekkefølgen for tilkobling av atomer i molekyler) av de enkleste alkanene - metan, etan og propan - er vist ved deres strukturformler gitt i seksjon 2. Fra disse formlene er det klart at det er to typer kjemiske bindinger i alkaner:

S–S Og S–H.

C–C-bindingen er kovalent ikke-polar. CH-bindingen er kovalent, svakt polar, fordi karbon og hydrogen er tett i elektronegativitet (2,5 for karbon og 2,1 for hydrogen). Dannelsen av kovalente bindinger i alkaner på grunn av delte elektronpar av karbon- og hydrogenatomer kan vises ved hjelp av elektroniske formler:

Elektroniske og strukturelle formler reflekterer kjemisk struktur, men ikke gi en ide om romlig struktur av molekyler, som i betydelig grad påvirker egenskapene til stoffet.

Romlig struktur, dvs. det relative arrangementet av atomene til et molekyl i rommet avhenger av retningen til atomorbitalene (AO) til disse atomene. I hydrokarboner spilles hovedrollen av den romlige orienteringen av atomorbitalene til karbon, siden den sfæriske 1s-AO til hydrogenatomet mangler en spesifikk orientering.

Det romlige arrangementet av karbon AO avhenger i sin tur av typen hybridisering (del I, avsnitt 4.3). Det mettede karbonatomet i alkaner er bundet til fire andre atomer. Derfor tilsvarer tilstanden sp 3 hybridisering (del I, avsnitt 4.3.1). I dette tilfellet deltar hver av de fire sp 3-hybrid karbon AOene i aksial (σ-) overlapping med s-AO for hydrogen eller med sp 3 -AO til et annet karbonatom, og danner σ-CH eller C-C bindinger.

De fire σ-bindingene av karbon er rettet i rommet i en vinkel på 109 ca. 28", som tilsvarer den minste frastøtingen av elektroner. Derfor har molekylet til den enkleste representanten for alkaner - metan CH4 - formen av et tetraeder, i sentrum er det et karbonatom, og ved toppunktene er det hydrogenatomer:

H-C-H-bindingsvinkelen er 109°28". Den romlige strukturen til metan kan vises ved hjelp av volumetriske (skala) og ball-and-stick-modeller.

For opptak er det praktisk å bruke en romlig (stereokjemisk) formel.

I molekylet til neste homolog - etan C 2 H 6 - to tetraedriske sp 3 karbonatomer danner en mer kompleks romlig struktur:

Alkanmolekyler som inneholder mer enn 2 karbonatomer er preget av buede former. Dette kan vises med et eksempel n-butan (VRML-modell) eller n-pentan:

Isomerisme av alkaner

• Isomerisme er fenomenet med eksistensen av forbindelser som har samme sammensetning (samme molekylformel), men forskjellige strukturer. Slike forbindelser kalles isomerer.

Forskjeller i rekkefølgen atomer er kombinert i molekyler (dvs. kjemisk struktur) fører til strukturell isomerisme. Strukturen til strukturelle isomerer reflekteres av strukturformler. I rekken av alkaner viser strukturell isomerisme seg når kjeden inneholder 4 eller flere karbonatomer, dvs. starter med butan C 4 H 10.
Hvis det er mulig i molekyler med samme sammensetning og samme kjemiske struktur forskjellige relative posisjoner av atomer i rommet, så observerer vi romlig isomerisme (stereoisomerisme). I dette tilfellet er bruken av strukturformler ikke nok, og molekylære modeller eller spesielle formler - stereokjemisk (romlig) eller projeksjon - bør brukes.

Alkaner, som starter med etan H 3 C – CH 3, finnes i forskjellige romlige former ( konformasjoner), forårsaket av intramolekylær rotasjon langs C–C σ-bindinger, og viser den s.k. rotasjons (konformasjons) isomerisme.

I tillegg, hvis et molekyl inneholder et karbonatom bundet til 4 forskjellige substituenter, er en annen type romlig isomerisme mulig, når to stereoisomerer forholder seg til hverandre som et objekt og dets speilbilde (ligner på hvordan venstre hånd forholder seg til høyre) . Slike forskjeller i strukturen til molekyler kalles optisk isomeri.

Strukturell isomerisme av alkaner

• Strukturelle isomerer er forbindelser av samme sammensetning som er forskjellige i rekkefølgen av binding av atomer, dvs. kjemisk struktur av molekyler.

Årsaken til manifestasjonen av strukturell isomeri i rekken av alkaner er karbonatomers evne til å danne kjeder av forskjellige strukturer.Denne typen strukturell isomeri kalles karbonskjelett-isomerisme.

For eksempel kan en alkan med sammensetning C 4 H 10 eksistere i formen to strukturelle isomerer:

og alkan C5H12 - i form tre strukturelle isomerer, forskjellig i strukturen til karbonkjeden:

Med en økning i antall karbonatomer i molekylene øker mulighetene for kjedeforgrening, d.v.s. antall isomerer øker med antall karbonatomer.

Strukturelle isomerer er forskjellige i fysiske egenskaper. Alkaner med en forgrenet struktur, på grunn av den mindre tette pakkingen av molekyler og følgelig mindre intermolekylære interaksjoner, koker ved en lavere temperatur enn deres uforgrenede isomerer.

Når man skal utlede strukturformlene til isomerer, brukes følgende teknikker.

Alkaner er mettede hydrokarboner i molekylene som alle karbonatomer er okkupert gjennom enkle bindinger av hydrogenatomer. Derfor er homologer av metanserien preget av strukturell isomerisme av alkaner.

Isomerisme av karbonskjelettet

Homologer med fire eller flere karbonatomer er preget av strukturell isomerisme på grunn av endringer i karbonskjelettet. Metylgrupper -CH 2 kan feste seg til et hvilket som helst karbon i kjeden, og danne nye stoffer. Jo flere karbonatomer i kjeden, jo flere isomerhomologer kan danne. Det teoretiske antallet homologer beregnes matematisk.

Ris. 1. Omtrentlig antall isomerer av metanhomologer.

I tillegg til metylgrupper kan lange karbonkjeder festes til karbonatomer og danne komplekse forgrenede stoffer.

Eksempler på isomerisme av alkaner:

• normal butan eller n-butan (CH3-CH2-CH2-CH3) og 2-metylpropan (CH3-CH(CH3)-CH3);
• n-pentan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metylbutan (CH3-CH2-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetylpropan (CH3-C (CH3)2-CH3);
• n-heksan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), 2-metylpentan (CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3), 3-metylpentan ( CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3), 2,3-dimetylbutan (CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3), 2,2-dimetylbutan ( CH3-C(CH3)2-CH2-CH3).

Ris. 2. Eksempler på strukturelle isomerer.

Forgrenede isomerer skiller seg fra lineære molekyler i fysiske egenskaper. Forgrenede alkaner smelter og koker ved lavere temperaturer enn deres lineære motstykker.

Nomenklatur

IUPACs internasjonale nomenklatur har etablert regler for navngivning av forgrenede kjeder. For å navngi en strukturell isomer:

• finn den lengste kjeden og navngi den;
• nummer karbonatomene fra enden med flest substituenter;
• angi antall identiske substituenter ved å bruke numeriske prefikser;
• gi navn til vikarene.

Navnet består av fire deler som følger hverandre:

• tall som indikerer atomene i kjeden som har substituenter;
• numeriske prefikser;
• navn på stedfortreder;
• navnet på hovedkretsen.

For eksempel, i CH3-CH(CH3)-CH2-C(CH3)2-CH3-molekylet, har hovedkjeden fem karbonatomer. Så det er pentan. Den høyre enden har flere grener, så nummereringen av atomene starter herfra. I dette tilfellet har det andre atomet to identiske substituenter, noe som også gjenspeiles i navnet. Det viser seg at dette stoffet kalles 2,2,4-trimetylpentan.

De forskjellige substituentene (metyl, etyl, propyl) er oppført i navnet alfabetisk: 4,4-dimetyl-3-etylheptan, 3-metyl-3-etyloktan.

Vanligvis brukes numeriske prefikser fra to til fire: di- (to), tri- (tre), tetra- (fire).

Hva har vi lært?

Alkaner er preget av strukturell isomerisme. Strukturelle isomerer er karakteristiske for alle homologer, starter med butan. I strukturell isomerisme fester substituenter seg til karbonatomer i karbonkjeden, og danner komplekse forgrenede kjeder. Navnet på isomeren består av navnene på hovedkjeden, substituenter, en verbal betegnelse på antall substituenter, og en digital betegnelse på karbonatomene som substituentene er festet til.

Oppvarming av natriumsaltet av eddiksyre (natriumacetat) med et overskudd av alkali fører til eliminering av karboksylgruppen og dannelse av metan:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Hvis du tar natriumpropionat i stedet for natriumacetat, dannes etan, fra natriumbutanoat - propan, etc.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtz syntese. Når haloalkaner interagerer med alkalimetallnatriumet, dannes mettede hydrokarboner og et alkalimetallhalogenid, for eksempel:

Virkningen av et alkalimetall på en blanding av halokarboner (f.eks. brometan og brommetan) vil resultere i dannelse av en blanding av alkaner (etan, propan og butan).

Reaksjonen som Wurtz-syntesen er basert på, går bra bare med haloalkaner i molekylene hvor et halogenatom er festet til et primært karbonatom.

6. Hydrolyse av karbider. Når noen karbider som inneholder karbon i -4-oksidasjonstilstanden (for eksempel aluminiumkarbid) behandles med vann, dannes metan:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fysiske egenskaper

De fire første representantene for den homologe serien av metan er gasser. Den enkleste av dem er metan - en gass uten farge, smak og lukt (lukten av "gass", som du må ringe 04, bestemmes av lukten av merkaptaner - svovelholdige forbindelser, spesielt tilsatt metan brukt i husholdningen og industrielle gassapparater, slik at folk i nærheten kan oppdage en lekkasje ved lukt).

Hydrokarboner med sammensetning fra C5H12 til C15H32 er væsker, tyngre hydrokarboner er faste stoffer.

Koke- og smeltepunktene til alkaner øker gradvis med økende karbonkjedelengde. Alle hydrokarboner er dårlig løselige i vann, flytende hydrokarboner er vanlige organiske løsningsmidler.

Kjemiske egenskaper

1. Substitusjonsreaksjoner. De mest karakteristiske reaksjonene for alkaner er substitusjonsreaksjoner med frie radikaler, der et hydrogenatom erstattes med et halogenatom eller en gruppe.

La oss presentere ligningene for de mest karakteristiske reaksjonene.

Halogenering:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Ved overflødig halogen kan kloreringen gå videre, opp til fullstendig erstatning av alle hydrogenatomer med klor:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
diklormetan metylenklorid

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triklormetan kloroform

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
karbontetraklorid karbontetraklorid

De resulterende stoffene er mye brukt som løsningsmidler og utgangsmaterialer i organiske synteser.

2. Dehydrogenering (eliminering av hydrogen). Når alkaner føres over en katalysator (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) ved høye temperaturer (400-600 °C), elimineres et hydrogenmolekyl og det dannes et alken:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reaksjoner ledsaget av ødeleggelse av karbonkjeden. Alle mettede hydrokarboner brenner for å danne karbondioksid og vann. Gassformige hydrokarboner blandet med luft i visse proporsjoner kan eksplodere. Forbrenning av mettede hydrokarboner er en friradikal eksoterm reaksjon, som er svært viktig når man bruker alkaner som brensel.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

Generelt kan forbrenningsreaksjonen til alkaner skrives som følger:

Termiske dekomponeringsreaksjoner ligger til grunn for den industrielle prosessen med hydrokarbonkrakking. Denne prosessen er det viktigste stadiet i oljeraffinering.

Når metan varmes opp til en temperatur på 1000 ° C, begynner metanpyrolyse - dekomponering til enkle stoffer. Ved oppvarming til en temperatur på 1500 °C er det mulig å danne acetylen.

4. Isomerisering. Når lineære hydrokarboner varmes opp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), dannes stoffer med et forgrenet karbonskjelett:

5. Smakstilsetning. Alkaner med seks eller flere karbonatomer i kjeden ringslutter i nærvær av en katalysator for å danne benzen og dets derivater:

Hva er grunnen til at alkaner gjennomgår frie radikaler? Alle karbonatomer i alkanmolekyler er i en tilstand av sp 3 hybridisering. Molekylene til disse stoffene er bygget ved hjelp av kovalente ikke-polare C-C (karbon-karbon) bindinger og svakt polare C-H (karbon-hydrogen) bindinger. De inneholder ikke områder med økt eller redusert elektrontetthet, eller lett polariserbare bindinger, dvs. slike bindinger hvor elektrontettheten kan skifte under påvirkning av ytre påvirkninger (elektrostatiske felt av ioner). Følgelig vil ikke alkaner reagere med ladede partikler, siden bindingene i alkanmolekyler ikke brytes av en heterolytisk mekanisme.

De mest karakteristiske reaksjonene til alkaner er substitusjonsreaksjoner med frie radikaler. Under disse reaksjonene erstattes et hydrogenatom med et halogenatom eller en gruppe.

Kinetikken og mekanismen til frie radikalkjedereaksjoner, dvs. reaksjoner som skjer under påvirkning av frie radikaler - partikler med uparrede elektroner - ble studert av den bemerkelsesverdige russiske kjemikeren N. N. Semenov. Det var for disse studiene han ble tildelt Nobelprisen i kjemi.

Vanligvis er mekanismen for substitusjonsreaksjoner med frie radikaler representert av tre hovedstadier:

1. Initiering (kjernedannelse av en kjede, dannelse av frie radikaler under påvirkning av en energikilde - ultrafiolett lys, oppvarming).

2. Kjedeutvikling (en kjede av sekvensielle interaksjoner mellom frie radikaler og inaktive molekyler, som et resultat av at det dannes nye radikaler og nye molekyler).

3. Kjedeavslutning (kombinasjon av frie radikaler til inaktive molekyler (rekombinasjon), "død" av radikaler, opphør av utviklingen av en kjede av reaksjoner).

Vitenskapelig forskning av N.N. Semenov

Semenov Nikolay Nikolaevich

(1896 - 1986)

Sovjetisk fysiker og fysisk kjemiker, akademiker. Nobelprisvinner (1956). Vitenskapelig forskning er knyttet til studiet av kjemiske prosesser, katalyse, kjedereaksjoner, teorien om termisk eksplosjon og forbrenning av gassblandinger.

La oss vurdere denne mekanismen ved å bruke eksemplet på metankloreringsreaksjonen:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Kjedeinitiering skjer som et resultat av det faktum at under påvirkning av ultrafiolett bestråling eller oppvarming skjer homolytisk spaltning av Cl-Cl-bindingen og klormolekylet desintegrerer til atomer:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

De resulterende frie radikalene angriper metanmolekyler og river av hydrogenatomet deres:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

og transformerer til CH3·-radikaler, som igjen, kolliderer med klormolekyler, ødelegger dem med dannelse av nye radikaler:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl osv.

Kjeden utvikler seg.

Sammen med dannelsen av radikaler oppstår deres "død" som et resultat av prosessen med rekombinasjon - dannelsen av et inaktivt molekyl fra to radikaler:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Det er interessant å merke seg at under rekombinasjon frigjøres bare så mye energi som er nødvendig for å bryte den nydannede bindingen. I denne forbindelse er rekombinasjon bare mulig hvis en tredje partikkel (et annet molekyl, veggen til reaksjonsbeholderen) deltar i kollisjonen av to radikaler, som absorberer overflødig energi. Dette gjør det mulig å regulere og til og med stoppe frie radikaler kjedereaksjoner.

Legg merke til det siste eksemplet på en rekombinasjonsreaksjon - dannelsen av et etanmolekyl. Dette eksemplet viser at en reaksjon som involverer organiske forbindelser er en ganske kompleks prosess, som et resultat av at det sammen med hovedreaksjonsproduktet svært ofte dannes biprodukter, noe som fører til behovet for å utvikle komplekse og dyre metoder for rensing. og isolering av målstoffer.

Reaksjonsblandingen oppnådd fra klorering av metan, sammen med klormetan (CH3Cl) og hydrogenklorid, vil inneholde: diklormetan (CH2Cl2), triklormetan (CHCl3), karbontetraklorid (CCl4), etan og dets kloreringsprodukter.

La oss nå prøve å vurdere halogeneringsreaksjonen (for eksempel bromering) av en mer kompleks organisk forbindelse - propan.

Hvis ved metanklorering bare ett monoklorderivat er mulig, kan det i denne reaksjonen dannes to monobromderivater:

Det kan sees at i det første tilfellet erstattes hydrogenatomet ved det primære karbonatomet, og i det andre tilfellet ved det sekundære. Er frekvensen av disse reaksjonene de samme? Det viser seg at produktet av substitusjon av hydrogenatomet, som er lokalisert ved det sekundære karbonet, dominerer i den endelige blandingen, dvs. 2-brompropan (CH3-CHBg-CH3). La oss prøve å forklare dette.

For å gjøre dette, må vi bruke ideen om stabiliteten til mellompartikler. La du merke til at når vi beskrev mekanismen for metankloreringsreaksjonen, nevnte vi metylradikalet - CH3·? Dette radikalet er en mellompartikkel mellom metan CH4 og klormetan CH3Cl. Mellompartikkelen mellom propan og 1-brompropan er en radikal med et uparet elektron ved det primære karbonet, og mellom propan og 2-brompropan ved det sekundære karbonet.

Et radikal med et uparet elektron ved det sekundære karbonatomet (b) er mer stabilt sammenlignet med et fritt radikal med et uparet elektron ved det primære karbonatomet (a). Det dannes i større mengder. Av denne grunn er hovedproduktet av propanbromeringsreaksjonen 2-brompropan, en forbindelse hvis dannelse skjer gjennom en mer stabil mellomart.

Her er noen eksempler på frie radikaler:

Nitreringsreaksjon (Konovalov-reaksjon)

Reaksjonen brukes til å oppnå nitroforbindelser - løsningsmidler, utgangsmaterialer for mange synteser.

Katalytisk oksidasjon av alkaner med oksygen

Disse reaksjonene er grunnlaget for de viktigste industrielle prosessene for produksjon av aldehyder, ketoner og alkoholer direkte fra mettede hydrokarboner, for eksempel:

CH4 + [O] -> CH3OH

applikasjon

Mettede hydrokarboner, spesielt metan, er mye brukt i industrien (skjema 2). De er et enkelt og ganske billig drivstoff, et råmateriale for produksjon av et stort antall viktige forbindelser.

Forbindelser hentet fra metan, det billigste hydrokarbonråstoffet, brukes til å produsere mange andre stoffer og materialer. Metan brukes som en kilde til hydrogen i syntesen av ammoniakk, samt for å produsere syntesegass (en blanding av CO og H2), som brukes til industriell syntese av hydrokarboner, alkoholer, aldehyder og andre organiske forbindelser.

Hydrokarboner av høyerekokende oljefraksjoner brukes som drivstoff for diesel- og turbojetmotorer, som grunnlag for smøreoljer, som råmateriale for produksjon av syntetisk fett, etc.

Her er flere industrielt betydningsfulle reaksjoner som oppstår med deltakelse av metan. Metan brukes til å produsere kloroform, nitrometan og oksygenholdige derivater. Alkoholer, aldehyder, karboksylsyrer kan dannes ved direkte interaksjon av alkaner med oksygen, avhengig av reaksjonsforholdene (katalysator, temperatur, trykk):

Som du allerede vet, er hydrokarboner med sammensetningen fra C5H12 til C11H24 inkludert i bensinfraksjonen av olje og brukes hovedsakelig som drivstoff for forbrenningsmotorer. Det er kjent at de mest verdifulle komponentene i bensin er isomere hydrokarboner, siden de har maksimal detonasjonsmotstand.

Når hydrokarboner kommer i kontakt med atmosfærisk oksygen, danner de sakte forbindelser med det - peroksider. Dette er en sakte forekommende frie radikalreaksjon, initiert av et oksygenmolekyl:

Vær oppmerksom på at hydroperoksidgruppen dannes ved sekundære karbonatomer, som er mest tallrike i lineære eller normale hydrokarboner.

Med en kraftig økning i trykk og temperatur som oppstår på slutten av kompresjonsslaget, begynner nedbrytningen av disse peroksidforbindelsene med dannelsen av et stort antall frie radikaler, som "utløser" forbrenningskjedereaksjonen for frie radikaler tidligere enn nødvendig. Stempelet går fortsatt opp, og forbrenningsproduktene av bensin, som allerede er dannet som et resultat av for tidlig tenning av blandingen, skyver det ned. Dette fører til en kraftig reduksjon i motorkraft og slitasje.

Dermed er hovedårsaken til detonasjon tilstedeværelsen av peroksidforbindelser, evnen til å danne som er maksimal i lineære hydrokarboner.

C-heptan har den laveste detonasjonsmotstanden blant hydrokarbonene i bensinfraksjonen (C5H14 - C11H24). Den mest stabile (dvs. danner peroksider i minst grad) er det såkalte isooktanet (2,2,4-trimetylpentan).

Et generelt akseptert kjennetegn ved bankemotstanden til bensin er oktantallet. Et oktantall på 92 (for eksempel A-92 bensin) betyr at denne bensinen har samme egenskaper som en blanding bestående av 92 % isooktan og 8 % heptan.

Avslutningsvis kan vi legge til at bruken av høyoktanbensin gjør det mulig å øke kompresjonsforholdet (trykket ved slutten av kompresjonsslaget), noe som fører til økt kraft og effektivitet til forbrenningsmotoren.

Å være i naturen og ta imot

I dagens leksjon ble du kjent med begrepet alkaner, og lærte også om dets kjemiske sammensetning og fremstillingsmetoder. Derfor, la oss nå dvele mer detaljert på temaet tilstedeværelsen av alkaner i naturen og finne ut hvordan og hvor alkaner har funnet anvendelse.

Hovedkildene for produksjon av alkaner er naturgass og olje. De utgjør hoveddelen av oljeraffineringsprodukter. Metan, vanlig i sedimentære bergarter, er også et gasshydrat av alkaner.

Hovedkomponenten i naturgass er metan, men den inneholder også en liten andel etan, propan og butan. Metan kan finnes i utslipp fra kull, sumper og tilhørende petroleumsgasser.

Ankans kan også fås ved kokskull. I naturen er det også såkalte faste alkaner - ozokeritter, som presenteres i form av forekomster av fjellvoks. Ozokeritt kan finnes i voksaktige belegg av planter eller frøene deres, så vel som i bivoks.

Den industrielle isolasjonen av alkaner er hentet fra naturlige kilder, som heldigvis fortsatt er uuttømmelige. De oppnås ved katalytisk hydrogenering av karbonoksider. Metan kan også produseres i laboratoriet ved å bruke metoden for oppvarming av natriumacetat med fast alkali eller hydrolyse av visse karbider. Men alkaner kan også oppnås ved dekarboksylering av karboksylsyrer og ved deres elektrolyse.

Anvendelser av alkaner

Alkaner på husholdningsnivå er mye brukt i mange områder av menneskelig aktivitet. Tross alt er det veldig vanskelig å forestille seg livet vårt uten naturgass. Og det vil ikke være en hemmelighet for noen at grunnlaget for naturgass er metan, hvorfra carbon black produseres, som brukes til produksjon av topografiske malinger og dekk. Kjøleskapet som alle har i hjemmet fungerer også takket være alkanforbindelser som brukes som kjølemedier. Acetylen hentet fra metan brukes til sveising og skjæring av metaller.

Nå vet du allerede at alkaner brukes som drivstoff. De finnes i bensin, parafin, dieselolje og fyringsolje. I tillegg finnes de også i smøreoljer, vaselin og parafin.

Sykloheksan har funnet utstrakt bruk som løsningsmiddel og for syntese av forskjellige polymerer. Syklopropan brukes i anestesi. Squalane, som en høykvalitets smøreolje, er en komponent i mange farmasøytiske og kosmetiske preparater. Alkaner er råvarene som brukes til å produsere organiske forbindelser som alkohol, aldehyder og syrer.

Parafin er en blanding av høyere alkaner, og siden den er giftfri, er den mye brukt i næringsmiddelindustrien. Den brukes til impregnering av emballasje for meieriprodukter, juice, frokostblandinger, etc., men også til fremstilling av tyggegummi. Og oppvarmet parafin brukes i medisin for parafinbehandling.

I tillegg til det ovennevnte er fyrstikkhodene impregnert med parafin for bedre brenning, blyanter og stearinlys er laget av det.

Ved å oksidere parafin får man oksygenholdige produkter, hovedsakelig organiske syrer. Når flytende hydrokarboner med et visst antall karbonatomer blandes, oppnås vaselin, som er mye brukt i parfyme og kosmetikk, så vel som i medisin. Den brukes til å tilberede ulike salver, kremer og geler. De brukes også til termiske prosedyrer i medisin.

Praktiske oppgaver

1. Skriv ned den generelle formelen for hydrokarboner i den homologe rekken av alkaner.

2. Skriv formlene for mulige isomerer av heksan og navngi dem i henhold til systematisk nomenklatur.

3. Hva er cracking? Hvilke typer sprekker kjenner du til?

4. Skriv formlene for mulige produkter av heksansprekking.

5. Dechiffrer følgende kjede av transformasjoner. Nevn forbindelsene A, B og C.

6. Gi strukturformelen til hydrokarbonet C5H12, som kun danner ett monobromderivat ved bromering.

7. For fullstendig forbrenning av 0,1 mol av en alkan med ukjent struktur ble det forbrukt 11,2 liter oksygen (ved omgivelsesbetingelser). Hva er strukturformelen til en alkan?

8. Hva er strukturformelen til et gassformig mettet hydrokarbon hvis 11 g av denne gassen opptar et volum på 5,6 liter (ved standardforhold)?

9. Husk hva du vet om bruk av metan og forklar hvorfor en husholdningsgasslekkasje kan oppdages ved lukt, selv om dens komponenter er luktfrie.

10*. Hvilke forbindelser kan oppnås ved katalytisk oksidasjon av metan under ulike forhold? Skriv likningene for de tilsvarende reaksjonene.

elleve*. Produkter av fullstendig forbrenning (i overskudd av oksygen) 10,08 liter (N.S.) av en blanding av etan og propan ble ført gjennom et overskudd av kalkvann. I dette tilfellet ble det dannet 120 g sediment. Bestem den volumetriske sammensetningen av den opprinnelige blandingen.

12*. Etan-tettheten til en blanding av to alkaner er 1,808. Ved bromering av denne blandingen ble bare to par isomere monobromalkaner isolert. Den totale massen av lettere isomerer i reaksjonsproduktene er lik den totale massen av tyngre isomerer. Bestem volumfraksjonen av den tyngre alkanen i den opprinnelige blandingen.

Isomerisme

Karbonatomers evne til å danne fire kovalente bindinger, inkludert med andre karbonatomer, åpner muligheten for eksistensen av flere forbindelser med samme elementære sammensetning - isomerer.

Alle isomerer er delt inn i to store klasser - strukturelle isomerer og romlige isomerer. Strukturelle isomerer er de som tilsvarer forskjellige strukturformler for organiske forbindelser (med forskjellige rekkefølger av atomer). Romlige isomerer har de samme substituentene på hvert karbonatom og skiller seg bare i deres relative plassering i rommet. Strukturelle isomerer. I samsvar med klassifiseringen ovenfor av organiske forbindelser etter type, skilles tre grupper mellom strukturelle isomerer:

1) forbindelser som inneholder forskjellige funksjonelle grupper og som tilhører forskjellige klasser av organiske forbindelser, for eksempel:

CH3-CH2-NO2 HOOC-CH2-NH2

nitroetan amioeddiksyre (glycin)

2) forbindelser som er forskjellige i karbonskjeletter:

butan 2-metylpropan (isobutan)

3) forbindelser som er forskjellige i posisjonen til substituenten eller multippelbindingen i molekylet:

CH3-CH=CH-CH3CH3-CH2-CH=CH2

buten-2 buten-1

propanol-2 propanol-1

Romlige isomerer (stereoisomerer). Stereoisomerer kan deles inn i to typer: geometriske isomerer, optiske isomerer.

Geometrisk isomeri er karakteristisk for forbindelser som inneholder en dobbeltbinding eller ring. I slike molekyler er det ofte mulig å tegne et konvensjonelt plan på en slik måte at substituentene på forskjellige karbonatomer kan være på samme side (cis-) eller på motsatte sider (trans-) av dette planet.

Hvis en endring i orienteringen til disse substituentene i forhold til planet bare er mulig på grunn av brudd på en av de kjemiske bindingene, snakker de om tilstedeværelsen av geometriske isomerer. Geometriske isomerer er forskjellige i deres fysiske og kjemiske egenskaper.

trans-1,2-cis-1,2-cis-buten-2 ​​trans-6uten-2

dimetyl-dimetyl-

cyklopentan cyklopentan

Optiske isomerer er molekyler hvis speilbilder er inkompatible med hverandre.

Denne egenskapen besittes av molekyler som har et asymmetrisk senter - et karbonatom koblet til fire forskjellige substituenter. For eksempel, i form av to optiske isomerer, er det et molekyl av melkesyre CH 3-CH(OH)-COOH, som inneholder ett asymmetrisk senter:

Alkaner. generelle egenskaper

Hydrokarboner er de enkleste organiske forbindelsene som består av to grunnstoffer: karbon og hydrogen. Mettede hydrokarboner, eller alkaner (internasjonalt navn), er forbindelser hvis sammensetning er uttrykt med den generelle formelen C n H2n+2, hvor n er antall karbonatomer. I molekylene til mettede hydrokarboner er karbonatomer forbundet med hverandre med en enkel (enkelt)binding, og alle andre valenser er mettet med hydrogenatomer. Alkaner kalles også mettede hydrokarboner eller parafiner (begrepet "parafiner" betyr "lav affinitet").

Det første medlemmet av den homologe serien av alkaner er metan CH4. Endelsen -an er typisk for navnene på mettede hydrokarboner. Dette etterfølges av etan C2H6, propan C3H8, butan C4H10. Fra og med det femte hydrokarbonet, er navnet dannet fra det greske tallet, som indikerer antall karbonatomer i molekylet, og endelsen -an. Disse er pentan C5H12 heksan C6H14, heptan C7H16, oktan C8H18, nonan C9H20, dekan C10H22, etc.

I den homologe serien observeres en gradvis endring i de fysiske egenskapene til hydrokarboner: koke- og smeltepunkt øker, tetthet øker. Under normale forhold (temperatur ~ 22°C) er de fire første medlemmene av serien (metan, etan, propan, butan) gasser, fra C5H12 til C16H34 er væsker, og fra C17H36 er faste stoffer.

Alkaner, fra det fjerde medlemmet av serien (butan), har isomerer.

Alle alkaner er mettet med hydrogen til grensen (maksimum). Karbonatomene deres er i en tilstand av sp 3 hybridisering, noe som betyr at de har enkle (enkelt)bindinger.

Nomenklatur:

Navnene på de ti første medlemmene av serien av mettede hydrokarboner er allerede gitt. For å understreke at en alkan har en rett karbonkjede, legges ofte ordet normal (n-) til navnet, for eksempel:

CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

n-butan n-heptan

(normal butan) (normal heptan)

Når et hydrogenatom fjernes fra et alkanmolekyl, dannes det enverdige partikler kalt hydrokarbonradikaler (forkortet R). Navnene på enverdige radikaler er avledet fra navnene på de tilsvarende hydrokarboner med endingen -an erstattet med -yl. Her er relevante eksempler:

Hydrokarboner

Heksan C6H14

Etan C2H6

Heptan C 7 H 16

Propan C 3 H 8

Oktan C 8 H 18

Butan C4H10

Nonan C 9 H 20

Pentan C5H12

Dekan C 10 H 22

Monovalente radikaler

Metyl CH 3 -

Hexyl C 6 H 13 -

Etyl C2H5 -

Heptyl C 7 H 15 -

Kutt C 3 H 7 -

Octyl C 8 H 17 -

Butyl C4H9 -

Nonyl C 9 H 19 -

Pentyl (amyl) C 5 H 11 -

Decyl C 10 H 21 -

Radikaler dannes ikke bare av organiske, men også av uorganiske forbindelser. Så hvis du trekker hydroksylgruppen OH fra salpetersyre, får du et monovalent radikal - NO2, kalt en nitrogruppe, etc.

Når to hydrogenatomer fjernes fra et hydrokarbonmolekyl, oppnås toverdige radikaler. Navnene deres er også avledet fra navnene på de tilsvarende mettede hydrokarbonene med endelsen -an erstattet av -yliden (hvis hydrogenatomene er atskilt fra ett karbonatom) eller -ylen (hvis hydrogenatomene er fjernet fra to tilstøtende karbonatomer) . CH2= radikalet kalles metylen.

Navnene på radikaler brukes i nomenklaturen til mange hydrokarbonderivater. For eksempel: CH3I - metyljodid, C4H9Cl - butylklorid, CH 2Cl 2 - metylenklorid, C2H4Br 2 - etylenbromid (hvis bromatomer er bundet til forskjellige karbonatomer) eller etylidenbromid (hvis bromatomer er bundet til ett karbonatom) .

For å navngi isomerer er to nomenklaturer mye brukt: gammel - rasjonell og moderne - substitutiv, som også kalles systematisk eller internasjonal (foreslått av International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC).

Ifølge rasjonell nomenklatur anses hydrokarboner å være derivater av metan, hvor ett eller flere hydrogenatomer er erstattet med radikaler. Hvis de samme radikalene gjentas flere ganger i en formel, er de indikert med greske tall: di - to, tre - tre, tetra - fire, penta - fem, heksa - seks, osv. For eksempel:

Rasjonell nomenklatur er praktisk for ikke veldig komplekse forbindelser.

I følge substitutiv nomenklatur er navnet basert på én karbonkjede, og alle andre fragmenter av molekylet anses som substituenter. I dette tilfellet velges den lengste kjeden av karbonatomer, og atomene i kjeden er nummerert fra den enden som hydrokarbonradikalet er nærmest. Deretter kaller de: 1) nummeret på karbonatomet som radikalet er knyttet til (begynner med det enkleste radikalet); 2) et hydrokarbon som har en lang kjede. Hvis formelen inneholder flere identiske radikaler, før navnene deres angir tallet i ord (di-, tri-, tetra-, etc.), og tallene til radikalene er atskilt med komma. Her er hvordan heksanisomerer skal kalles i henhold til denne nomenklaturen:

Både substituerende og rasjonell nomenklatur brukes ikke bare for hydrokarboner, men også for andre klasser av organiske forbindelser. For enkelte organiske forbindelser brukes historisk etablerte (empiriske) eller såkalte trivielle navn (maursyre, svovelsyre, urea, etc.).

Når man skriver formlene til isomerer, er det lett å legge merke til at karbonatomene opptar forskjellige posisjoner i dem. Et karbonatom som er bundet til bare ett karbonatom i kjeden kalles primært, til to kalles sekundært, til tre er tertiært og til fire er kvaternært. Så, for eksempel, i det siste eksemplet er karbonatomene 1 og 7 primære, 4 og 6 er sekundære, 2 og 3 er tertiære, 5 er kvaternære. Egenskapene til hydrogenatomer, andre atomer og funksjonelle grupper avhenger av om de er bundet til et primært, sekundært eller tertiært karbonatom. Dette bør alltid tas i betraktning.

Hydrokarboner i hvis molekyler atomene er forbundet med enkeltbindinger og som tilsvarer den generelle formelen C n H 2 n +2.
I alkanmolekyler er alle karbonatomer i en tilstand av sp 3 hybridisering. Dette betyr at alle de fire hybridorbitalene til karbonatomet er identiske i form, energi og er rettet mot hjørnene av en likesidet trekantet pyramide - et tetraeder. Vinklene mellom orbitalene er 109° 28′.

Nesten fri rotasjon er mulig rundt en enkelt karbon-karbonbinding, og alkanmolekyler kan anta en lang rekke former med vinkler på karbonatomene nær tetraedrisk (109° 28′), for eksempel i molekylet n-pentan.

Det er spesielt verdt å huske bindingene i alkanmolekyler. Alle bindinger i molekylene til mettede hydrokarboner er enkeltstående. Overlappingen skjer langs aksen,
forbinder atomkjernene, dvs. disse er σ-bindinger. Karbon-karbonbindinger er ikke-polare og dårlig polariserbare. Lengden på C-C-bindingen i alkaner er 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). CH-bindinger er noe kortere. Elektrontettheten er litt forskjøvet mot det mer elektronegative karbonatomet, dvs. C-H-bindingen er svakt polar.

Fraværet av polare bindinger i molekylene til mettede hydrokarboner fører til at de er dårlig løselige i vann og ikke samhandler med ladede partikler (ioner). De mest karakteristiske reaksjonene for alkaner er de som involverer frie radikaler.

Homolog serie av metan

Homologer- stoffer som er like i struktur og egenskaper og avviker med en eller flere CH 2 -grupper.

Isomerisme og nomenklatur

Alkaner er preget av såkalt strukturell isomeri. Strukturelle isomerer skiller seg fra hverandre i strukturen til karbonskjelettet. Den enkleste alkanen, som er preget av strukturelle isomerer, er butan.

Grunnleggende om nomenklatur

1. Valg av hovedkrets. Dannelsen av navnet på et hydrokarbon begynner med definisjonen av hovedkjeden - den lengste kjeden av karbonatomer i molekylet, som så å si er grunnlaget.
2. Nummerering av atomer i hovedkjeden. Atomene i hovedkjeden er tildelt tall. Nummereringen av atomene i hovedkjeden begynner fra den enden som substituenten er nærmest (strukturene A, B). Hvis substituentene er plassert i lik avstand fra enden av kjeden, starter nummereringen fra den enden der det er flere av dem (struktur B). Hvis forskjellige substituenter er plassert i lik avstand fra endene av kjeden, begynner nummereringen fra den enden som den øverste er nærmest (struktur D). Ansienniteten til hydrokarbonsubstituenter bestemmes av rekkefølgen som bokstaven som navnet deres begynner med vises i alfabetet: metyl (-CH 3), deretter etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) osv.
Vær oppmerksom på at navnet på substituenten dannes ved å erstatte suffikset -an med suffikset - silt i navnet til den tilsvarende alkanen.
3. Dannelse av navnet. I begynnelsen av navnet er tall indikert - tallene på karbonatomene der substituentene er lokalisert. Hvis det er flere substituenter ved et gitt atom, blir det tilsvarende tallet i navnet gjentatt to ganger atskilt med komma (2,2-). Etter tallet er antallet substituenter angitt med en bindestrek ( di- to, tre- tre, tetra- fire, penta- fem) og navnet på substituenten (metyl, etyl, propyl). Deretter, uten mellomrom eller bindestrek, navnet på hovedkjeden. Hovedkjeden kalles et hydrokarbon - et medlem av den homologe serien av metan ( metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan S 9 H 20, dekanus C10H22).

Fysiske egenskaper til alkaner

De fire første representantene for den homologe serien av metan er gasser. Den enkleste av dem er metan - en fargeløs, smakløs og luktfri gass (lukten av "gass", når du lukter den, må du ringe 04, bestemmes av lukten av merkaptaner - svovelholdige forbindelser spesielt tilsatt metan som brukes i husholdnings- og industrigassapparater, slik at personer som befinner seg ved siden av dem, kunne oppdage lekkasjen ved lukt).
Hydrokarboner med sammensetning fra C4H12 til C15H32 er væsker; tyngre hydrokarboner er faste stoffer. Koke- og smeltepunktene til alkaner øker gradvis med økende karbonkjedelengde. Alle hydrokarboner er dårlig løselige i vann, flytende hydrokarboner er vanlige organiske løsningsmidler.

Kjemiske egenskaper til alkaner

Substitusjonsreaksjoner.
De mest karakteristiske reaksjonene for alkaner er substitusjonsreaksjoner med frie radikaler, der et hydrogenatom erstattes med et halogenatom eller en gruppe. La oss presentere likningene for karakteristiske reaksjoner halogenering:


Ved overflødig halogen kan kloreringen gå videre, opp til fullstendig erstatning av alle hydrogenatomer med klor:

De resulterende stoffene er mye brukt som løsningsmidler og utgangsmaterialer i organiske synteser.
Dehydrogeneringsreaksjon(hydrogenabstraksjon).
Når alkaner føres over en katalysator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) ved høye temperaturer (400-600 ° C), elimineres et hydrogenmolekyl og et alken dannes:


Reaksjoner ledsaget av ødeleggelse av karbonkjeden.
Alle mettede hydrokarboner brenner for å danne karbondioksid og vann. Gassformige hydrokarboner blandet med luft i visse proporsjoner kan eksplodere.
1. Forbrenning av mettede hydrokarboner er en eksoterm reaksjon fra frie radikaler, som er veldig viktig når du bruker alkaner som drivstoff:

Generelt kan forbrenningsreaksjonen til alkaner skrives som følger:

2. Termisk spaltning av hydrokarboner.

Prosessen skjer via en frie radikalmekanisme. En økning i temperatur fører til homolytisk spaltning av karbon-karbonbindingen og dannelse av frie radikaler.

Disse radikalene samhandler med hverandre, utveksler et hydrogenatom, for å danne et alkanmolekyl og et alkenmolekyl:

Termiske dekomponeringsreaksjoner ligger til grunn for den industrielle prosessen med hydrokarbonkrakking. Denne prosessen er det viktigste stadiet i oljeraffinering.

3. Pyrolyse. Når metan varmes opp til en temperatur på 1000 °C, begynner metanpyrolyse - nedbrytning til enkle stoffer:

Ved oppvarming til en temperatur på 1500 °C er dannelsen av acetylen mulig:

4. Isomerisering. Når lineære hydrokarboner varmes opp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), dannes stoffer med et forgrenet karbonskjelett:

5. Aromatisering. Alkaner med seks eller flere karbonatomer i kjeden ringslutter i nærvær av en katalysator for å danne benzen og dets derivater:

Alkaner går inn i reaksjoner som foregår i henhold til frie radikalmekanismen, siden alle karbonatomer i alkanmolekyler er i en tilstand av sp 3 hybridisering. Molekylene til disse stoffene er bygget ved hjelp av kovalente ikke-polare C-C (karbon-karbon) bindinger og svakt polare C-H (karbon-hydrogen) bindinger. De inneholder ikke områder med økt eller redusert elektrontetthet, eller lett polariserbare bindinger, dvs. slike bindinger hvor elektrontettheten kan forskyves under påvirkning av ytre faktorer (elektrostatiske felt av ioner). Følgelig vil ikke alkaner reagere med ladede partikler, siden bindingene i alkanmolekyler ikke brytes av den heterolytiske mekanismen.