Предельные углеводороды
-связи). Предельными углеводородами являются алканы и циклоалканы.
Алканы
Алканы образуют гомологический ряд, каждое химическое соединение которого по составу отличается от последующего и предыдущего на одинаковое число атомов углерода и водорода – CH2, а вещества, входящие в гомологический ряд, называются гомологами. Гомологический ряд алканов представлен в таблице 1.
Таблица 1. Гомологический ряд алканов.
| Название вещества | Структурная формула |
|---|---|
|
Метан |
CH4 |
|
Этан |
C2H6 |
|
Пропан |
C3H8 |
|
Бутан |
C4H10 |
|
Пентан |
C5H12 |
|
Гексан |
C6H14 |
|
Гептан |
C7H16 |
|
Октан |
C8H18 |
|
Нонан |
C9H20 |
|
Декан |
C10H22 |
В молекулах алканов выделяют первичные (т.е. связанные одной связью), вторичные (т.е. связанные двумя связями), третичные (т.е. связанные тремя связями) и четвертичные (т.е. связанные четырьмя связями) атомы углерода.
C1H3 – C2H2 – C1H3 (1 – первичные, 2- вторичные атомы углерода)
CH3 –C3H(CH3) – CH3 (3- третичный атом углерода)
CH3 – C4(CH3)3 – CH3 (4- четвертичный атом углерода)
Изомерия
Для предельных углеводородов характерны структурная изомерия (изомерия углеродного скелета). Так, у пентана имеются следующие изомеры:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (пентан)
CH3 –CH(CH3)-CH2-CH3 (2-метилбутан)
CH3-C(CH3)2-CH3 (2,2 – диметилпропан)
Для алканов, начиная с гептана, характерна оптическая изомерия.
Строение
Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в sp3 –гибридизации. Рассмотрим это на примере метана – CH4. Молекула метана в общем виде соответствует формуле AB4. Центральный атом – атом углерода, атомы водорода – лиганды.
6С 1s22s22p2
Основное состояние
Чтобы принять четыре атома водорода, атому углерода необходимо перейти в возбужденное состояние:
1H 1s1
В гибридизацию вступают все валентные электроны углерода, следовательно, атом углерода находится в sp3-гибридизации. Углы между связями в молекулах алканов 109,5
.
Физические свойства
При обычных условиях С1-С4 – газы, С5-С17 – жидкости, начиная с С18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле.
Получение
Алканы получают из природных источников – природного газа (80-90% — метан, 2-3% — этан и другие предельные углеводороды), угля, торфа, древесины, нефти и горного воска.
Выделяют лабораторные и промышленные способы получения алканов. В промышленности алканы получают из битумного угля (1) или по реакции Фишера-Тропша (2):
nC + (n+1)H2 = CnH2n+2 (1)
nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + H2O (2)
К лабораторным способам получения алканов относят: гидрирование непредельных углеводородов при нагревании и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1), взаимодействием воды с металлоорганическими соединениями (2), электролизом карбоновых кислот (3), по реакциям декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.
R1-C≡C-R2 (алкин) → R1-CH=CH-R2 (алкен) → R1-CH2 – CH2 -R2 (алкан) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H2O → R-H (алкан) + Mg(OH)Cl (2)
CH3COONa↔ CH3COO— + Na+
2CH3COO— → 2CO2↑ + C2H6 (этан) (3)
CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (4)
R1-Cl +2Na +Cl-R2 →2NaCl + R1-R2 (5)
Химические свойства
При обычных условиях алканы химически инертны — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами. Это объясняется высокой прочностью -связей С-С и С-Н. Неполярные связи С-С и С-Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакция в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.
Галогенирование. При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (хлорметан)
CH3Cl +Cl2 = CH2Cl2 + HCl (дихлорметан)
CH2Cl2 +Cl2 = CHCl3 + HCl (трихлорметан)
CHCl3 +Cl2 = CCl4 + HCl (тетрахлорметан)
Нитрование (реакция Коновалова). При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:
CH3-CH3 +HNO3 = CH3-CH2-NO2 (нитроэтан) + H2O
Крекинг – радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:
С8H18 = C4H10 (бутан)+ C3H8 (пропан)
2CH4 = C2H2 (ацетилен) + 3H2↑
Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздухха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 = nCO2 + (n+1)H2O
Примеры решения задач
| Задание | Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана. |
| Решение | Запишем уравнение реакции:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl (хлорметан) Найдем количество вещества метана: v(CH4) = V(CH4)/Vm v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 моль По уравнению реакции количество моль хлора: v(Cl2) = v(CH4) =0,5 моль Тогда, масса хлора будет равна: m(Cl2)=v(Cl2)×M(Cl2) m(Cl2)=0,5×71=35,5 г |
| Ответ | Масса хлора равна 35,5 г |
| Задание | Напишите все возможные изомеры для гексана |
| Ответ |
для гексана характерная изомерия углеродного скелета и наличие четырех изомеров:
CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 (гексан) CH3 — CH(СH3) — CH2 — CH2 — CH3 (2-метилпентан) CH3 — CH(СH3) – CH(CH3) — CH3 (2,3-диметилбутан) CH3 — C(СH3)2 – CH2 — CH3 (2,2-диметилбутан) CH3 — C(С2H5) – CH2 — CH3 (2-этилбутан) |
