ALKANE (mättade kolväten, paraffiner)

• Alkaner är alifatiska (acykliska) mättade kolväten där kolatomerna är sammanlänkade genom enkla (enkel)bindningar i raka eller grenade kedjor.

Alkaner– Namnet på mättade kolväten enligt den internationella nomenklaturen.
Paraffiner– ett historiskt etablerat namn som återspeglar egenskaperna hos dessa föreningar (från lat. parrum affinis– har liten affinitet, låg aktivitet).
Begränsa, eller mättad, dessa kolväten namnges på grund av den fullständiga mättnaden av kolkedjan med väteatomer.

De enklaste representanterna för alkaner:

Molekylmodeller:

När man jämför dessa föreningar är det tydligt att de skiljer sig från varandra genom en grupp -CH 2 - (metylen). Lägger till en annan grupp till propan -CH 2 -, vi får butan C4H10, sedan alkaner C5H12, C6H 14 etc.

Nu kan vi härleda den allmänna formeln för alkaner. Antalet kolatomer i serien av alkaner antas vara n , då blir antalet väteatomer 2n+2 . Därför motsvarar sammansättningen av alkaner den allmänna formeln CnH2n+2.
Därför används ofta följande definition:

Alkaner- Kolväten, vars sammansättning uttrycks med den allmänna formeln CnH2n+2, Var n – antal kolatomer.

Struktur av alkaner

Kemisk struktur(ordningen för anslutning av atomer i molekyler) av de enklaste alkanerna - metan, etan och propan - visas av deras strukturformler som ges i avsnitt 2. Från dessa formler är det tydligt att det finns två typer av kemiska bindningar i alkaner:

S–S Och S–H.

C–C-bindningen är kovalent opolär. C–H-bindningen är kovalent, svagt polär, pga kol och väte är nära i elektronegativitet (2,5 för kol och 2,1 för väte). Bildandet av kovalenta bindningar i alkaner på grund av delade elektronpar av kol- och väteatomer kan visas med hjälp av elektroniska formler:

Elektroniska och strukturella formler återspeglar kemisk struktur, men ge ingen uppfattning om molekylernas rumsliga struktur, vilket väsentligt påverkar ämnets egenskaper.

Rumslig struktur, dvs. det relativa arrangemanget av en molekyls atomer i rymden beror på riktningen för dessa atomers atomorbitaler (AO). I kolväten spelas huvudrollen av den rumsliga orienteringen av kolets atomära orbitaler, eftersom väteatomens sfäriska 1s-AO saknar en specifik orientering.

Det rumsliga arrangemanget av kol AO beror i sin tur på typen av hybridisering (del I, avsnitt 4.3). Den mättade kolatomen i alkaner är bunden till fyra andra atomer. Därför motsvarar dess tillstånd sp 3-hybridisering (del I, avsnitt 4.3.1). I detta fall deltar var och en av de fyra sp3-hybridkol-AO i axiell (σ-) överlappning med s-AO för väte eller med sp3-AO för en annan kolatom, och bildar σ-CH- eller C-C-bindningar.

De fyra σ-bindningarna av kol är riktade i rymden med en vinkel på 109 omkring 28", vilket motsvarar minsta repulsion av elektroner. Därför har molekylen av den enklaste representanten för alkaner - metan CH4 - formen av en tetraeder, i mitten av vilken det finns en kolatom, och vid hörnen finns det väteatomer:

H-C-H-bindningsvinkeln är 109°28". Den rumsliga strukturen av metan kan visas med hjälp av volymetriska (skala) och kul-och-stick-modeller.

För inspelning är det bekvämt att använda en rumslig (stereokemisk) formel.

I molekylen av nästa homolog - etan C 2 H 6 - två tetraedriska sp 3 kolatomer bildar en mer komplex rumslig struktur:

Alkanmolekyler som innehåller mer än 2 kolatomer kännetecknas av krökta former. Detta kan visas med ett exempel n-butan (VRML-modell) eller n-pentan:

Isomerism av alkaner

• Isomerism är fenomenet med förekomsten av föreningar som har samma sammansättning (samma molekylformel), men olika strukturer. Sådana kopplingar kallas isomerer.

Skillnader i den ordning i vilken atomer kombineras i molekyler (dvs kemisk struktur) leder till strukturell isomerism. Strukturen hos strukturella isomerer återspeglas av strukturformler. I serien av alkaner visar sig strukturell isomerism när kedjan innehåller 4 eller fler kolatomer, d.v.s. börjar med butan C 4 H 10.
Om i molekyler med samma sammansättning och samma kemiska struktur olika relativa positioner av atomer i rymden är möjliga, så observerar vi rumslig isomerism (stereoisomerism). I det här fallet räcker inte användningen av strukturformler och molekylära modeller eller speciella formler - stereokemiska (spatiala) eller projektion - bör användas.

Alkaner, som börjar med etan H 3 C–CH 3, finns i olika rumsliga former ( konformationer), orsakade av intramolekylär rotation längs C–C σ-bindningar, och uppvisar s.k. rotations (konformationell) isomerism.

Dessutom, om en molekyl innehåller en kolatom bunden till 4 olika substituenter, är en annan typ av rumslig isomerism möjlig, när två stereoisomerer relaterar till varandra som ett objekt och dess spegelbild (liknande hur vänster hand förhåller sig till höger) . Sådana skillnader i strukturen hos molekyler kallas optisk isomerism.

Strukturell isomerism av alkaner

• Strukturella isomerer är föreningar av samma sammansättning som skiljer sig åt i ordningen för bindning av atomer, d.v.s. kemisk struktur hos molekyler.

Anledningen till manifestationen av strukturell isomerism i serien av alkaner är kolatomernas förmåga att bilda kedjor av olika strukturer.Denna typ av strukturell isomerism kallas kolskelettisomerism.

Till exempel kan en alkan med sammansättningen C4H10 existera i formen två strukturella isomerer:

och alkan C5H12- i formen tre strukturella isomerer, som skiljer sig i strukturen av kolkedjan:

Med en ökning av antalet kolatomer i molekylerna ökar möjligheterna till kedjeförgrening, d.v.s. antalet isomerer ökar med antalet kolatomer.

Strukturella isomerer skiljer sig i fysikaliska egenskaper. Alkaner med en grenad struktur, på grund av den mindre täta packningen av molekyler och följaktligen mindre intermolekylära interaktioner, kokar vid en lägre temperatur än deras ogrenade isomerer.

Vid härledning av strukturformlerna för isomerer används följande tekniker.

Alkaner är mättade kolväten i vars molekyler alla kolatomer är upptagna genom enkla bindningar av väteatomer. Därför kännetecknas homologer av metanserien av strukturell isomerism av alkaner.

Isomerism av kolskelettet

Homologer med fyra eller fler kolatomer kännetecknas av strukturell isomerism på grund av förändringar i kolskelettet. Metylgrupper -CH 2 kan fästa till vilket kol som helst i kedjan och bilda nya ämnen. Ju fler kolatomer i kedjan, desto fler isomerhomologer kan bilda. Det teoretiska antalet homologer beräknas matematiskt.

Ris. 1. Ungefärligt antal isomerer av metanhomologer.

Förutom metylgrupper kan långa kolkedjor bindas till kolatomer och bilda komplexa grenade ämnen.

Exempel på isomerism av alkaner:

• normal butan eller n-butan (CH3-CH2-CH2-CH3) och 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-hexan (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. Exempel på strukturella isomerer.

Grenade isomerer skiljer sig från linjära molekyler i fysikaliska egenskaper. Grenade alkaner smälter och kokar vid lägre temperaturer än deras linjära motsvarigheter.

Nomenklatur

IUPAC:s internationella nomenklatur har fastställt regler för namngivning av grenade kedjor. För att namnge en strukturell isomer:

• hitta den längsta kedjan och namnge den;
• numrera kolatomerna med början från slutet med flest substituenter;
• ange antalet identiska substituenter med numeriska prefix;
• ge ersättarna namn.

Namnet består av fyra delar som följer varandra:

• siffror som indikerar atomerna i kedjan som har substituenter;
• numeriska prefix;
• namn på ställföreträdaren;
• namnet på huvudkretsen.

Till exempel, i CH3-CH(CH3)-CH2-C(CH3)2-CH3-molekylen har huvudkedjan fem kolatomer. Så det är pentan. Den högra änden har fler grenar, så numreringen av atomerna börjar härifrån. I det här fallet har den andra atomen två identiska substituenter, vilket också återspeglas i namnet. Det visar sig att detta ämne kallas 2,2,4-trimetylpentan.

De olika substituenterna (metyl, etyl, propyl) är listade i namnet alfabetiskt: 4,4-dimetyl-3-etylheptan, 3-metyl-3-etyloktan.

Vanligtvis används numeriska prefix från två till fyra: di- (två), tri- (tre), tetra- (fyra).

Vad har vi lärt oss?

Alkaner kännetecknas av strukturell isomerism. Strukturella isomerer är karakteristiska för alla homologer, med början butan. I strukturell isomerism fäster substituenter till kolatomer i kolkedjan och bildar komplexa grenade kedjor. Namnet på isomeren består av namnen på huvudkedjan, substituenter, en verbal beteckning på antalet substituenter och en digital beteckning på de kolatomer som substituenterna är bundna till.

Uppvärmning av natriumsaltet av ättiksyra (natriumacetat) med ett överskott av alkali leder till eliminering av karboxylgruppen och bildning av metan:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Tar man natriumpropionat istället för natriumacetat så bildas etan, från natriumbutanoat - propan osv.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtz-syntes. När haloalkaner interagerar med alkalimetallnatriumet bildas mättade kolväten och en alkalimetallhalogenid, till exempel:

Inverkan av en alkalimetall på en blandning av halogenkolväten (t.ex. brometan och brommetan) kommer att resultera i bildning av en blandning av alkaner (etan, propan och butan).

Reaktionen på vilken Wurtz-syntesen är baserad fortskrider väl endast med haloalkaner i vars molekyler en halogenatom är bunden till en primär kolatom.

6. Hydrolys av karbider. När vissa karbider som innehåller kol i -4-oxidationstillståndet (till exempel aluminiumkarbid) behandlas med vatten, bildas metan:

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

De första fyra representanterna för den homologa serien av metan är gaser. Den enklaste av dem är metan - en gas utan färg, smak och lukt (lukten av "gas", som du måste ringa 04, bestäms av lukten av merkaptaner - svavelhaltiga föreningar, speciellt tillsatta till metan som används i hushållen och industriella gasapparater, så att människor i närheten kan upptäcka en läcka genom lukt).

Kolväten med sammansättning från C5H12 till C15H32 är vätskor, tyngre kolväten är fasta ämnen.

Kok- och smältpunkterna för alkaner ökar gradvis med ökande kolkedjelängd. Alla kolväten är dåligt lösliga i vatten, flytande kolväten är vanliga organiska lösningsmedel.

Kemiska egenskaper

1. Substitutionsreaktioner. De mest karakteristiska reaktionerna för alkaner är substitutionsreaktioner med fria radikaler, under vilka en väteatom ersätts med en halogenatom eller någon grupp.

Låt oss presentera ekvationerna för de mest karakteristiska reaktionerna.

Halogenering:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Vid överskott av halogen kan kloreringen gå längre, upp till fullständig ersättning av alla väteatomer med klor:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
diklormetan metylenklorid

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triklormetan kloroform

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
koltetraklorid koltetraklorid

De resulterande ämnena används i stor utsträckning som lösningsmedel och utgångsmaterial i organiska synteser.

2. Dehydrering (eliminering av väte). När alkaner passeras över en katalysator (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) vid höga temperaturer (400-600 °C), elimineras en vätemolekyl och en alken bildas:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reaktioner åtföljda av destruktion av kolkedjan. Alla mättade kolväten brinner för att bilda koldioxid och vatten. Gasformiga kolväten blandade med luft i vissa proportioner kan explodera. Förbränning av mättade kolväten är en friradikal exoterm reaktion, vilket är mycket viktigt när man använder alkaner som bränsle.

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

I allmänhet kan förbränningsreaktionen av alkaner skrivas som följer:

Termiska nedbrytningsreaktioner ligger till grund för den industriella processen för kolvätekrackning. Denna process är det viktigaste steget i oljeraffineringen.

När metan värms upp till en temperatur av 1000 ° C, börjar metan pyrolys - sönderdelning till enkla ämnen. Vid upphettning till en temperatur av 1500 °C är bildning av acetylen möjlig.

4. Isomerisering. När linjära kolväten värms upp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), bildas ämnen med ett grenat kolskelett:

5. Smaksättning. Alkaner med sex eller fler kolatomer i kedjan cykliserar i närvaro av en katalysator för att bilda bensen och dess derivat:

Vad är anledningen till att alkaner genomgår fria radikaler? Alla kolatomer i alkanmolekyler är i ett tillstånd av sp 3 hybridisering. Molekylerna av dessa ämnen är byggda med hjälp av kovalenta opolära C-C (kol-kol) bindningar och svagt polära C-H (kol-väte) bindningar. De innehåller inte områden med ökad eller minskad elektrontäthet, eller lätt polariserbara bindningar, dvs sådana bindningar där elektrondensiteten kan förskjutas under påverkan av yttre påverkan (elektrostatiska jonfält). Följaktligen kommer alkaner inte att reagera med laddade partiklar, eftersom bindningarna i alkanmolekyler inte bryts av en heterolytisk mekanism.

De mest karakteristiska reaktionerna av alkaner är fria radikalsubstitutionsreaktioner. Under dessa reaktioner ersätts en väteatom med en halogenatom eller någon grupp.

Kinetiken och mekanismen för fria radikaler kedjereaktioner, dvs reaktioner som sker under påverkan av fria radikaler - partiklar med oparade elektroner - studerades av den anmärkningsvärda ryske kemisten N. N. Semenov. Det var för dessa studier som han tilldelades Nobelpriset i kemi.

Vanligtvis representeras mekanismen för fria radikalsubstitutionsreaktioner av tre huvudsteg:

1. Initiering (kärnbildning av en kedja, bildning av fria radikaler under påverkan av en energikälla - ultraviolett ljus, uppvärmning).

2. Kedjeutveckling (en kedja av sekventiell interaktion mellan fria radikaler och inaktiva molekyler, som ett resultat av vilka nya radikaler och nya molekyler bildas).

3. Kedjeavbrott (kombination av fria radikaler till inaktiva molekyler (rekombination), "död" av radikaler, upphörande av utvecklingen av en kedja av reaktioner).

Vetenskaplig forskning av N.N. Semenov

Semenov Nikolay Nikolaevich

(1896 - 1986)

Sovjetisk fysiker och fysikalisk kemist, akademiker. Nobelpristagare (1956). Vetenskaplig forskning avser studiet av kemiska processer, katalys, kedjereaktioner, teorin om termisk explosion och förbränning av gasblandningar.

Låt oss överväga denna mekanism med hjälp av exemplet på metankloreringsreaktionen:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Kedjeinitiering sker som ett resultat av det faktum att under påverkan av ultraviolett bestrålning eller uppvärmning sker homolytisk klyvning av Cl-Cl-bindningen och klormolekylen sönderfaller till atomer:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

De resulterande fria radikalerna angriper metanmolekyler och river av deras väteatom:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

och omvandlas till CH3·-radikaler, som i sin tur, kolliderar med klormolekyler, förstör dem med bildning av nya radikaler:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl etc.

Kedjan utvecklas.

Tillsammans med bildandet av radikaler inträffar deras "död" som ett resultat av rekombinationsprocessen - bildandet av en inaktiv molekyl från två radikaler:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Det är intressant att notera att under rekombination frigörs bara så mycket energi som är nödvändigt för att bryta den nybildade bindningen. I detta avseende är rekombination endast möjlig om en tredje partikel (en annan molekyl, reaktionskärlets vägg) deltar i kollisionen av två radikaler, som absorberar överskottsenergi. Detta gör det möjligt att reglera och till och med stoppa fria radikalers kedjereaktioner.

Notera det sista exemplet på en rekombinationsreaktion - bildandet av en etanmolekyl. Detta exempel visar att en reaktion som involverar organiska föreningar är en ganska komplex process, som ett resultat av vilken, tillsammans med huvudreaktionsprodukten, biprodukter mycket ofta bildas, vilket leder till behovet av att utveckla komplexa och dyra metoder för rening och isolering av målämnen.

Reaktionsblandningen som erhålls från kloreringen av metan, tillsammans med klormetan (CH3Cl) och väteklorid, kommer att innehålla: diklormetan (CH2Cl2), triklormetan (CHCl3), koltetraklorid (CCl4), etan och dess kloreringsprodukter.

Låt oss nu försöka överväga halogeneringsreaktionen (till exempel bromering) av en mer komplex organisk förening - propan.

Om i fallet med metanklorering endast ett monoklorderivat är möjligt, kan i denna reaktion två monobromderivat bildas:

Det kan ses att i det första fallet ersätts väteatomen vid den primära kolatomen och i det andra fallet vid den sekundära. Är frekvensen av dessa reaktioner densamma? Det visar sig att produkten av substitution av väteatomen, som är belägen vid det sekundära kolet, dominerar i den slutliga blandningen, dvs 2-brompropan (CH3-CHBg-CH3). Låt oss försöka förklara detta.

För att göra detta måste vi använda idén om stabiliteten hos mellanliggande partiklar. Märkte du att när vi beskrev mekanismen för metankloreringsreaktionen nämnde vi metylradikalen - CH3·? Denna radikal är en mellanliggande partikel mellan metan CH4 och klormetan CH3Cl. Mellanpartikeln mellan propan och 1-bromopropan är en radikal med en oparad elektron vid det primära kolet och mellan propan och 2-bromopropan vid det sekundära kolet.

En radikal med en oparad elektron vid den sekundära kolatomen (b) är mer stabil jämfört med en fri radikal med en oparad elektron vid den primära kolatomen (a). Det bildas i större mängder. Av denna anledning är huvudprodukten av propanbromeringsreaktionen 2-bromopropan, en förening vars bildning sker genom en mer stabil mellanliggande art.

Här är några exempel på fria radikaler:

Nitreringsreaktion (Konovalov-reaktion)

Reaktionen används för att erhålla nitroföreningar - lösningsmedel, utgångsmaterial för många synteser.

Katalytisk oxidation av alkaner med syre

Dessa reaktioner är grunden för de viktigaste industriella processerna för framställning av aldehyder, ketoner och alkoholer direkt från mättade kolväten, till exempel:

CH4 + [O] -> CH3OH

Ansökan

Mättade kolväten, särskilt metan, används i stor utsträckning inom industrin (schema 2). De är ett enkelt och ganska billigt bränsle, ett råmaterial för framställning av ett stort antal viktiga föreningar.

Föreningar erhållna från metan, den billigaste kolväteråvaran, används för att framställa många andra ämnen och material. Metan används som en källa till väte vid syntes av ammoniak, samt för att producera syntesgas (en blandning av CO och H2), som används för industriell syntes av kolväten, alkoholer, aldehyder och andra organiska föreningar.

Kolväten av högre kokande oljefraktioner används som bränsle för diesel- och turbojetmotorer, som bas för smörjoljor, som råmaterial för framställning av syntetiska fetter, etc.

Här är flera industriellt betydelsefulla reaktioner som inträffar med deltagande av metan. Metan används för att producera kloroform, nitrometan och syrehaltiga derivat. Alkoholer, aldehyder, karboxylsyror kan bildas genom direkt interaktion av alkaner med syre, beroende på reaktionsförhållandena (katalysator, temperatur, tryck):

Som du redan vet ingår kolväten med sammansättningen från C5H12 till C11H24 i bensinfraktionen av olja och används huvudsakligen som bränsle för förbränningsmotorer. Det är känt att de mest värdefulla komponenterna i bensin är isomera kolväten, eftersom de har maximal detonationsbeständighet.

När kolväten kommer i kontakt med atmosfäriskt syre, bildar de långsamt föreningar med det - peroxider. Detta är en långsamt förekommande friradikalreaktion, initierad av en syremolekyl:

Observera att hydroperoxidgruppen bildas vid sekundära kolatomer, som är vanligast i linjära eller normala kolväten.

Med en kraftig ökning av tryck och temperatur som inträffar i slutet av kompressionsslaget, börjar nedbrytningen av dessa peroxidföreningar med bildandet av ett stort antal fria radikaler, som "utlöser" den fria radikalens förbränningskedjereaktion tidigare än nödvändigt. Kolven går fortfarande upp, och förbränningsprodukterna av bensin, som redan har bildats som ett resultat av för tidig antändning av blandningen, trycker ner den. Detta leder till en kraftig minskning av motoreffekt och slitage.

Sålunda är den främsta orsaken till detonation närvaron av peroxidföreningar, förmågan att bilda som är maximal i linjära kolväten.

C-heptan har det lägsta detonationsmotståndet bland kolvätena i bensinfraktionen (C5H14 - C11H24). Den mest stabila (d.v.s. bildar peroxider i minsta utsträckning) är den så kallade isooktanen (2,2,4-trimetylpentan).

En allmänt accepterad egenskap hos bensinens slagmotstånd är oktantalet. Ett oktantal på 92 (till exempel A-92 bensin) betyder att denna bensin har samma egenskaper som en blandning bestående av 92 % isooktan och 8 % heptan.

Sammanfattningsvis kan vi tillägga att användningen av högoktanig bensin gör det möjligt att öka kompressionsförhållandet (trycket i slutet av kompressionsslaget), vilket leder till ökad kraft och effektivitet hos förbränningsmotorn.

Att vara i naturen och ta emot

I dagens lektion blev du bekant med begreppet alkaner och lärde dig också om dess kemiska sammansättning och beredningsmetoder. Därför, låt oss nu uppehålla oss mer i detalj på ämnet om närvaron av alkaner i naturen och ta reda på hur och var alkaner har hittat tillämpning.

De huvudsakliga källorna för produktion av alkaner är naturgas och olja. De utgör huvuddelen av oljeraffineringsprodukter. Metan, vanlig i sedimentära bergarter, är också ett gashydrat av alkaner.

Huvudkomponenten i naturgas är metan, men den innehåller också en liten andel etan, propan och butan. Metan finns i utsläpp från kollag, träsk och tillhörande petroleumgaser.

Ankans kan också erhållas genom kokskol. I naturen finns det också så kallade fasta alkaner - ozokeriter, som presenteras i form av avlagringar av bergsvax. Ozokerit kan hittas i vaxartade beläggningar av växter eller deras frön, såväl som i bivax.

Den industriella isoleringen av alkaner är hämtad från naturliga källor, som lyckligtvis fortfarande är outtömliga. De erhålls genom katalytisk hydrogenering av koloxider. Metan kan också framställas i laboratoriet med metoden att värma natriumacetat med fast alkali eller hydrolys av vissa karbider. Men alkaner kan också erhållas genom dekarboxylering av karboxylsyror och genom deras elektrolys.

Tillämpningar av alkaner

Alkaner på hushållsnivå används i stor utsträckning inom många områden av mänsklig verksamhet. Det är trots allt väldigt svårt att föreställa sig vårt liv utan naturgas. Och det kommer inte att vara en hemlighet för någon att grunden för naturgas är metan, från vilken kolsvart produceras, som används vid produktion av topografiska färger och däck. Kylskåpet som alla har i sitt hem fungerar också tack vare alkanföreningar som används som kylmedel. Acetylen erhållen från metan används för svetsning och skärning av metaller.

Nu vet du redan att alkaner används som bränsle. De finns i bensin, fotogen, dieselolja och eldningsolja. Dessutom finns de även i smörjoljor, vaselin och paraffin.

Cyklohexan har funnit stor användning som lösningsmedel och för syntes av olika polymerer. Cyklopropan används vid anestesi. Squalane, som en högkvalitativ smörjolja, är en komponent i många farmaceutiska och kosmetiska preparat. Alkaner är de råvaror som används för att producera organiska föreningar som alkohol, aldehyder och syror.

Paraffin är en blandning av högre alkaner, och eftersom det är giftfritt används det flitigt i livsmedelsindustrin. Det används för impregnering av förpackningar för mejeriprodukter, juicer, spannmål, etc., men också vid tillverkning av tuggummi. Och uppvärmt paraffin används i medicin för paraffinbehandling.

Utöver ovanstående är tändstickshuvudena impregnerade med paraffin för bättre bränning, pennor och ljus är gjorda av det.

Genom att oxidera paraffin erhålls syrehaltiga produkter, främst organiska syror. När flytande kolväten med ett visst antal kolatomer blandas, erhålls vaselin, som används flitigt inom parfymeri och kosmetologi, såväl som inom medicin. Det används för att förbereda olika salvor, krämer och geler. De används också för termiska procedurer inom medicin.

Praktiska uppgifter

1. Skriv ner den allmänna formeln för kolväten i den homologa serien av alkaner.

2. Skriv formlerna för möjliga isomerer av hexan och namnge dem enligt systematisk nomenklatur.

3. Vad är sprickbildning? Vilka typer av sprickbildning känner du till?

4. Skriv formlerna för möjliga produkter av hexan-sprickning.

5. Dechiffrera följande kedja av transformationer. Namnge föreningarna A, B och C.

6. Ge strukturformeln för kolvätet C5H12, som endast bildar ett monobromderivat vid bromering.

7. För fullständig förbränning av 0,1 mol av en alkan med okänd struktur förbrukades 11,2 liter syre (vid omgivningsförhållanden). Vad är strukturformeln för en alkan?

8. Vilken är strukturformeln för ett gasformigt mättat kolväte om 11 g av denna gas upptar en volym på 5,6 liter (vid standardförhållanden)?

9. Kom ihåg vad du vet om användningen av metan och förklara varför en hushållsgasläcka kan upptäckas genom lukt, även om dess komponenter är luktfria.

10*. Vilka föreningar kan erhållas genom katalytisk oxidation av metan under olika förhållanden? Skriv ekvationerna för motsvarande reaktioner.

elva*. Produkter av fullständig förbränning (i överskott av syre) 10,08 liter (N.S.) av en blandning av etan och propan fördes genom ett överskott av kalkvatten. I detta fall bildades 120 g sediment. Bestäm den volymetriska sammansättningen av den ursprungliga blandningen.

12*. Etandensiteten för en blandning av två alkaner är 1,808. Vid bromering av denna blandning isolerades endast två par isomera monobromoalkaner. Den totala massan av lättare isomerer i reaktionsprodukterna är lika med den totala massan av tyngre isomerer. Bestäm volymfraktionen av den tyngre alkanen i den initiala blandningen.

Isomeri

Kolatomers förmåga att bilda fyra kovalenta bindningar, inklusive med andra kolatomer, öppnar möjligheten för förekomsten av flera föreningar med samma elementarsammansättning - isomerer.

Alla isomerer är indelade i två stora klasser - strukturella isomerer och rumsliga isomerer. Strukturella isomerer är de som motsvarar olika strukturformler för organiska föreningar (med olika ordningsföljder av atomer). Rumsliga isomerer har samma substituenter på varje kolatom och skiljer sig endast i deras relativa placering i rymden. Strukturella isomerer. I enlighet med ovanstående klassificering av organiska föreningar efter typ, särskiljs tre grupper bland strukturella isomerer:

1) föreningar som innehåller olika funktionella grupper och som tillhör olika klasser av organiska föreningar, till exempel:

CH3-CH2-NO2 HOOC-CH2-NH2

nitroetan amioättiksyra (glycin)

2) föreningar som skiljer sig åt i kolskelett:

butan 2-metylpropan (isobutan)

3) föreningar som skiljer sig i positionen för substituenten eller multipelbindningen i molekylen:

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

buten-2 buten-1

propanol-2 propanol-1

Rumsliga isomerer (stereoisomerer). Stereoisomerer kan delas in i två typer: geometriska isomerer, optiska isomerer.

Geometrisk isomeri är karakteristisk för föreningar som innehåller en dubbelbindning eller ring. I sådana molekyler är det ofta möjligt att rita ett konventionellt plan på ett sådant sätt att substituenterna på olika kolatomer kan vara på samma sida (cis-) eller på motsatta sidor (trans-) av detta plan.

Om en förändring i orienteringen av dessa substituenter i förhållande till planet endast är möjlig på grund av brytningen av en av de kemiska bindningarna, talar de om närvaron av geometriska isomerer. Geometriska isomerer skiljer sig åt i sina fysikaliska och kemiska egenskaper.

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

dimetyl-dimetyl-

cyklopentan cyklopentan

Optiska isomerer är molekyler vars spegelbilder är inkompatibla med varandra.

Denna egenskap innehas av molekyler som har ett asymmetriskt centrum - en kolatom kopplad till fyra olika substituenter. Till exempel, i form av två optiska isomerer, finns det en molekyl av mjölksyra CH 3-CH(OH)-COOH, som innehåller ett asymmetriskt centrum:

Alkaner. generella egenskaper

Kolväten är de enklaste organiska föreningarna som består av två grundämnen: kol och väte. Mättade kolväten, eller alkaner (internationellt namn), är föreningar vars sammansättning uttrycks av den allmänna formeln C n H2n+2, där n är antalet kolatomer. I molekylerna av mättade kolväten är kolatomer anslutna till varandra genom en enkel (enkel)bindning, och alla andra valenser är mättade med väteatomer. Alkaner kallas också mättade kolväten eller paraffiner (termen "paraffiner" betyder "låg affinitet").

Den första medlemmen av den homologa serien av alkaner är metan CH4. Ändelsen -an är typisk för namnen på mättade kolväten. Detta följs av etan C2H6, propan C3H8, butan C4H10. Börjar med det femte kolvätet, namnet bildas från den grekiska siffran, som anger antalet kolatomer i molekylen och ändelsen -an. Dessa är pentan C5H12 hexan C6H14, heptan C7H16, oktan C8H18, nonan C9H20, dekan C10H22, etc.

I den homologa serien observeras en gradvis förändring av de fysikaliska egenskaperna hos kolväten: kok- och smältpunkter ökar, densiteten ökar. Under normala förhållanden (temperatur ~ 22°C) är de första fyra medlemmarna i serien (metan, etan, propan, butan) gaser, från C5H12 till C16H34 är vätskor och från C17H36 är fasta ämnen.

Alkaner, från och med den fjärde medlemmen i serien (butan), har isomerer.

Alla alkaner är mättade med väte till gränsen (maximalt). Deras kolatomer är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering, vilket betyder att de har enkla (enkel)bindningar.

Nomenklatur:

Namnen på de första tio medlemmarna i serien av mättade kolväten har redan givits. För att understryka att en alkan har en rak kolkedja läggs ofta ordet normal (n-) till namnet, till exempel:

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

n-butan n-heptan

(normal butan) (normal heptan)

När en väteatom avlägsnas från en alkanmolekyl bildas envärda partiklar som kallas kolväteradikaler (förkortas R). Namnen på envärda radikaler härleds från namnen på motsvarande kolväten med ändelsen -an ersatt med -yl. Här är relevanta exempel:

Kolväten

Hexan C6H14

Etan C2H6

Heptan C7H 16

Propan C3H 8

Oktan C8H 18

Butan C4H10

Nonan C9H20

Pentan C5H12

Dekanus C 10 H 22

Monovalenta radikaler

Metyl CH 3 -

Hexyl C 6 H 13 -

Etyl C2H5 -

Heptyl C 7 H 15 -

Skär C 3 H 7 -

Octyl C 8 H 17 -

Butyl C4H9 -

Nonyl C 9 H 19 -

Pentyl (amyl) C 5 H 11 -

Decyl C10H21 -

Radikaler bildas inte bara av organiska utan också av oorganiska föreningar. Så om du subtraherar hydroxylgruppen OH från salpetersyra får du en envärd radikal - NO2, kallad nitrogrupp, etc.

När två väteatomer avlägsnas från en kolvätemolekyl erhålls tvåvärda radikaler. Deras namn är också härledda från namnen på motsvarande mättade kolväten med ändelsen -an ersatt av -yliden (om väteatomerna är separerade från en kolatom) eller -ylen (om väteatomerna är avlägsnade från två intilliggande kolatomer) . CH2=-radikalen kallas metylen.

Namnen på radikaler används i nomenklaturen för många kolvätederivat. Till exempel: CH3I - metyljodid, C4H9Cl - butylklorid, CH 2Cl 2 - metylenklorid, C2H4Br 2 - etylenbromid (om bromatomer är bundna till olika kolatomer) eller etylidenbromid (om bromatomer är bundna till en kolatom) .

För att nämna isomerer används två nomenklaturer i stor utsträckning: gammal - rationell och modern - substitutiv, som också kallas systematisk eller internationell (föreslagen av International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC).

Enligt rationell nomenklatur anses kolväten vara derivat av metan, i vilka en eller flera väteatomer är ersatta av radikaler. Om samma radikaler upprepas flera gånger i en formel, indikeras de med grekiska siffror: di - två, tre - tre, tetra - fyra, penta - fem, hexa - sex, etc. Till exempel:

Rationell nomenklatur är praktiskt för inte särskilt komplexa anslutningar.

Enligt substitutiv nomenklatur är namnet baserat på en kolkedja, och alla andra fragment av molekylen betraktas som substituenter. I detta fall väljs den längsta kedjan av kolatomer och atomerna i kedjan numreras från den ände som kolväteradikalen är närmast. Sedan kallar de: 1) numret på den kolatom som radikalen är associerad med (börjar med den enklaste radikalen); 2) ett kolväte som har en lång kedja. Om formeln innehåller flera identiska radikaler, före deras namn anger numret i ord (di-, tri-, tetra-, etc.), och numren på radikalerna separeras med kommatecken. Så här ska hexanisomerer kallas enligt denna nomenklatur:

Både substitutiv och rationell nomenklatur används inte bara för kolväten utan också för andra klasser av organiska föreningar. För vissa organiska föreningar används historiskt etablerade (empiriska) eller så kallade trivialnamn (myrsyra, svaveleter, urea etc.).

När man skriver formlerna för isomerer är det lätt att märka att kolatomerna upptar olika positioner i dem. En kolatom som är bunden till endast en kolatom i kedjan kallas primär, till två kallas sekundär, till tre är tertiär och till fyra är kvartär. Så, till exempel, i det sista exemplet är kolatomerna 1 och 7 primära, 4 och 6 är sekundära, 2 och 3 är tertiära, 5 är kvartära. Egenskaperna hos väteatomer, andra atomer och funktionella grupper beror på om de är bundna till en primär, sekundär eller tertiär kolatom. Detta bör alltid beaktas.

Kolväten i vars molekyler atomerna är förbundna med enkelbindningar och som motsvarar den allmänna formeln C n H 2 n +2.
I alkanmolekyler är alla kolatomer i ett tillstånd av sp 3 hybridisering. Det betyder att alla fyra hybridorbitaler av kolatomen är identiska i form, energi och är riktade mot hörnen av en liksidig triangulär pyramid - en tetraeder. Vinklarna mellan orbitalerna är 109° 28′.

Nästan fri rotation är möjlig runt en enda kol-kolbindning, och alkanmolekyler kan anta en mängd olika former med vinklar vid kolatomerna nära tetraedriska (109° 28′), till exempel i molekylen n-pentan.

Det är särskilt värt att påminna om bindningarna i alkanmolekyler. Alla bindningar i molekylerna av mättade kolväten är enkla. Överlappningen sker längs axeln,
som förbinder atomernas kärnor, dvs dessa är σ-bindningar. Kol-kolbindningar är opolära och dåligt polariserbara. Längden på C-C-bindningen i alkaner är 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). CH-bindningar är något kortare. Elektrondensiteten är något förskjuten mot den mer elektronegativa kolatomen, dvs CH-bindningen är svagt polär.

Frånvaron av polära bindningar i molekylerna av mättade kolväten leder till att de är dåligt lösliga i vatten och inte interagerar med laddade partiklar (joner). De mest karakteristiska reaktionerna för alkaner är de som involverar fria radikaler.

Homolog serie av metan

Homologer- ämnen som liknar struktur och egenskaper och skiljer sig åt med en eller flera CH 2 -grupper.

Isomerism och nomenklatur

Alkaner kännetecknas av så kallad strukturell isomerism. Strukturella isomerer skiljer sig från varandra i strukturen av kolskelettet. Den enklaste alkanen, som kännetecknas av strukturella isomerer, är butan.

Grunderna i nomenklaturen

1. Val av huvudkrets. Bildandet av namnet på ett kolväte börjar med definitionen av huvudkedjan - den längsta kedjan av kolatomer i molekylen, som så att säga är dess grund.
2. Numrering av atomer i huvudkedjan. Atomerna i huvudkedjan är tilldelade nummer. Numreringen av atomerna i huvudkedjan börjar från den ände som substituenten är närmast (strukturerna A, B). Om substituenterna är belägna på lika avstånd från slutet av kedjan, börjar numreringen från den ände där det finns fler av dem (struktur B). Om olika substituenter är belägna på lika avstånd från kedjans ändar, börjar numreringen från den ände som den äldre är närmast (struktur D). Ancienniteten för kolvätesubstituenter bestäms av den ordning i vilken bokstaven som deras namn börjar med i alfabetet: metyl (-CH 3), sedan etyl (-CH 2 -CH 3), propyl (-CH 2 -CH 2 -CH3) etc.
Observera att namnet på substituenten bildas genom att ersätta suffixet -an med suffixet - slam i namnet på motsvarande alkan.
3. Bildandet av namnet. I början av namnet anges siffror - numren på kolatomerna där substituenterna är belägna. Om det finns flera substituenter vid en given atom, så upprepas motsvarande nummer i namnet två gånger åtskilda av ett kommatecken (2,2-). Efter numret anges antalet substituenter med ett bindestreck ( di- två, tre- tre, tetra- fyra, penta- fem) och namnet på substituenten (metyl, etyl, propyl). Sedan, utan mellanslag eller bindestreck, namnet på huvudkedjan. Huvudkedjan kallas ett kolväte - en medlem av den homologa serien av metan ( metan CH 4, etan C2H6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C5H12, hexan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C8H18, nonan S 9 H 20, dekanus C10H22).

Fysikaliska egenskaper hos alkaner

De första fyra representanterna för den homologa serien av metan är gaser. Den enklaste av dem är metan - en färglös, smaklös och luktfri gas (lukten av "gas", när du luktar den måste du ringa 04, bestäms av lukten av merkaptaner - svavelhaltiga föreningar speciellt tillsatta till metan som används i hushålls- och industrigasapparater så att personer som befinner sig bredvid dem kunde upptäcka läckan genom lukt).
Kolväten med sammansättning från C4H12 till C15H32 är vätskor; tyngre kolväten är fasta ämnen. Kok- och smältpunkterna för alkaner ökar gradvis med ökande kolkedjelängd. Alla kolväten är dåligt lösliga i vatten, flytande kolväten är vanliga organiska lösningsmedel.

Kemiska egenskaper hos alkaner

Substitutionsreaktioner.
De mest karakteristiska reaktionerna för alkaner är substitutionsreaktioner med fria radikaler, under vilka en väteatom ersätts med en halogenatom eller någon grupp. Låt oss presentera ekvationerna för karakteristiska reaktioner halogenering:


Vid överskott av halogen kan kloreringen gå längre, upp till fullständig ersättning av alla väteatomer med klor:

De resulterande ämnena används i stor utsträckning som lösningsmedel och utgångsmaterial i organiska synteser.
Dehydreringsreaktion(väteabstraktion).
När alkaner passeras över en katalysator (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) vid höga temperaturer (400-600 ° C), elimineras en vätemolekyl och en alken bildas:


Reaktioner åtföljda av förstörelsen av kolkedjan.
Alla mättade kolväten brinner för att bilda koldioxid och vatten. Gasformiga kolväten blandade med luft i vissa proportioner kan explodera.
1. Förbränning av mättade kolvätenär en exoterm reaktion från fria radikaler, vilket är mycket viktigt när man använder alkaner som bränsle:

I allmänhet kan förbränningsreaktionen av alkaner skrivas som följer:

2. Termisk klyvning av kolväten.

Processen sker via en mekanism för fria radikaler. En ökning av temperaturen leder till homolytisk klyvning av kol-kolbindningen och bildandet av fria radikaler.

Dessa radikaler interagerar med varandra och byter ut en väteatom för att bilda en alkanmolekyl och en alkenmolekyl:

Termiska nedbrytningsreaktioner ligger till grund för den industriella processen för kolvätekrackning. Denna process är det viktigaste steget i oljeraffineringen.

3. Pyrolys. När metan värms upp till en temperatur av 1000 °C börjar metanpyrolys - sönderdelning till enkla ämnen:

Vid uppvärmning till en temperatur på 1500 °C är bildningen av acetylen möjlig:

4. Isomerisering. När linjära kolväten värms upp med en isomeriseringskatalysator (aluminiumklorid), bildas ämnen med ett grenat kolskelett:

5. Aromatisering. Alkaner med sex eller fler kolatomer i kedjan cykliserar i närvaro av en katalysator för att bilda bensen och dess derivat:

Alkaner går in i reaktioner som fortskrider enligt mekanismen för fria radikaler, eftersom alla kolatomer i alkanmolekyler är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering. Molekylerna av dessa ämnen är byggda med hjälp av kovalenta opolära C-C (kol-kol) bindningar och svagt polära C-H (kol-väte) bindningar. De innehåller inte områden med ökad eller minskad elektrontäthet, eller lätt polariserbara bindningar, dvs sådana bindningar där elektrondensiteten kan förskjutas under påverkan av yttre faktorer (elektrostatiska jonfält). Följaktligen kommer alkaner inte att reagera med laddade partiklar, eftersom bindningarna i alkanmolekyler inte bryts av den heterolytiska mekanismen.