приховати рекламу

Граничні або насичені вуглеводні ряду метану алкани або парафіни

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Алкани, або парафіни - аліфатичні граничні вуглеводні, в молекулах яких атоми вуглецю зв'язані між собою простий (одинарної) (s-связью.

Решта валентності вуглецевого атома, не витрачені на зв'язок з іншими атомами вуглецю, повністю насичені воднем. Тому граничні (насичені) вуглеводні містять в молекулі максимальне число водневих атомів.

1.1. Будова алканів

Найпростішим представником і родоначальником граничних вуглеводнів є метан СН4. Будова молекули метану можна висловити структурної (I) або електронною (II) формулою:

H

|

H-C-H

|

H

(I)

H

..

H: C: H

..

H

(II)

У граничних вуглеводнях атоми вуглецю знаходяться в першому валентному стані (sp3-гібpідізaція). У цьому випадку,. Як відомо, всі чотири гібридні орбіталі в просторі складають геометричну фігуру - тетраедр (кути між осями зв'язків С-Н рівні 109 ° 28 '). Просторове розташування атомів в молекулі метану можна показати за допомогою тетраедричних і шаростержневих моделей. Для цього найбільш зручні об'ємні моделі Бріглеба, які більш наочно відображають відносні розміри атомів в молекулі. Ці моделі виготовлені відповідно до дійсного співвідношенням радіусів атомів (у масштабі 0,05 нм = 1 см).

Якщо в молекулі метану один атом водню замістити на метильную групу СН3, то можна вивести структурну формулу наступного за метаном вуглеводню - етану C2H6:

HH

| |

H-C-C-H

| |

HH

або H3C-CH3

Заміщаючи в молекулі етану один атом водню на метальне групу, виводимо формулу третього вуглеводню - пропану С3Н8:

HHH

| | |

H-C-C-С-H

| | |

HHH

або H3C-CH2-CH3

Повторюючи цю дію багато разів, можна вивести формули і інших граничних вуглеводнів, що відрізняються один від одного числом вуглецевих атомів (табл. 1). У результаті утворюється ряд сполук, в якому кожен член відрізняється від попереднього на одну групу СН2. Такий ряд називається гомологічних поруч (від грец. Homos - послідовний), а його окремі члени - гомологами. Вони мають близькими хімічними властивостями і закономірним зміною фізичних властивостей. З таблиці. 1 видно, що у кожного члена гомологічного ряду на п атомів вуглецю припадає 2n + 2 атомів водню. Отже, склад будь-якого члена цього ряду буде виражатися загальною формулою СnН2n + 2. Використовуючи цю формулу, можна легко написати молекулярну формулу будь-якого граничного вуглеводню - алкану, знаючи число вуглецевих атомів у молекулі. Наприклад, якщо п = 25, то вуглець буде виражатися формулою C25H52.

Таблиця 1. Відповідний ряд граничних вуглеводнів (алканів) нормального (неразветвленной) будови і їх одновалентні радикали

Вуглеводень (алкан) Число можливих ізомерів у алкану Радикал (алкіл)
Формула Назва Формула Назва
СН4 Метан 1 СН3- Метил
С2Н6 Етан 1 С2Н5- Етил
С3Н8 Пропан 1 С3Н7- Пропив
С4Н10 Бутан 2 С4Н9- Бутил
С5Н12 Пентан 3 С5Н11- Пентил
С6Н14 Гексан 5 С6Н13- Гексил
C7H16 Гептан 9 C7H15- Гептил
C8H18 Октан 18 C8H17- Октіл
С9Н20 Нонан 35 С9Н19- Ноніл
С10Н22 Декан 75 С10Н21-

Децил

(Декіль)

Гомологічні ряди характерні для всіх класів органічних сполук. Вони є чудовим підтвердженням основного закону природи - переходу кількісних змін у якісні.

Якщо від алкану "відняти" один атом водню, то утворюється одновалентних вуглеводневий залишок - радикал (не змішуйте з реально існуючим вільним радикалом). При втраті двох або трьох атомів водню утворюються відповідно двох-або тривалентні радикали (табл. 2).

Таблиця 2. Найбільш часто зустрічаються вуглеводневі радикали

Назва Формула радикала Назва Формула радикала
Метил СН3- Етил CH3-CH2-
Метилен СН2 == Етіліден CH3-CH ==
Метін СН º º Етілідін CH3-C º º
н-Пропив CH3-CH2-CH2- Ізобутіл (первинний ізобутіл) (СН3) 2СН-СН2-
Пропіліден CH3-CH2-CH == втор-Бутил

CH3

|

CH3-CH2-CH-

Ізопропіл (СН3) 2СН- терти-Бутил (СН3) 3С-
н-Бутил CH3-CH2-CH2-CH2- н-пентил CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-

У наведених назвах радикалів використовують позначення: н-нормальний, втор-- вторинний, тре-- третинний.

Як видно з табл. 2, вільна валентність в радикалі може знаходитися при різних вуглецевих атомах. Якщо вільна валентність в радикалі знаходиться у первинного атома вуглецю, то такий радикал називається первинним. Відповідно до цього можуть бути вторинні (вільна валентність належить вторинному атому вуглецю) і третинні (вільна валентність у третинного вуглецевого атома) радикали:.

Н3С-- первинний одновалентних радикал (метил);

(СН3) 2СН-- вторинний одновалентних радикал (ізопропіл);

(СН3) 3С-- третинний одновалентних радикал (mpem-бутил).

1.2. Номенклатура і ізомерія

Номенклатура. Для назви граничних вуглеводнів застосовують в основному систематичну і раціональну номенклатури.

Назви перших чотирьох членів гомологічного ряду метану тривіальні: метан, етан, пропан, бутан. Починаючи з п'ятого назви утворені від грецьких числівників з додаванням суфікса-ан (цим підкреслюється подібність всіх граничних вуглеводнів з родоначальником цього ряду - метаном).

Загальне (родове) назва граничних вуглеводнів - алкани. Назви за систематичною номенклатурою складають у такий спосіб:

У формулі молекули алкану вибирають головну ланцюг - найдовшу.

H3C-CH-CH2-CH-CH2-CH3

-------- | ----------- |

CH3 | CH2-CH2-CH3

---------------------

Потім цей ланцюг нумерують з того кінця, до якого ближче розташований заступник (радикал). Якщо заступників кілька, то поступають так, щоб цифри, що вказують їх становище, були найменшими. Заступники перераховують за алфавітом.

1 2 3 4

H3C-CH-CH2-CH-CH2-CH3

| 5 | 6 липня

CH3 CH2-CH2-CH3

3. Вуглеводень називають у такому порядку: спочатку вказують (цифрою) місце розташування заступника, потім називають цей заступник (радикал), а в кінці додають назва головної (найдовшої) ланцюга. Таким чином, вуглеводень може бути названо: 2-метил-4-етілгептан (але не 6-метил-4-етілгептан).

Якщо в головного ланцюга міститься кілька однакових заступників, то їх число позначають грецьким числівником, яке ставлять перед назвою цих заступників. Приставки ді-, три-, тетра-і т.д. не впливають на алфавітне розташування замісників у назві.

Для найпростіших вуглеводнів изостроения зберігаються їх несистематичні назви: ізобутан, ізопентан, неопентад.

За раціональної номенклатурі алкани розглядають як похідні найпростішого вуглеводню - метану, в молекулі якої один або кілька водневих атомів заміщені на радикали. Ці заступники (радикали) називають за старшинством (від менш складних до більш складних). Якщо ці заступники однакові, то вказують їх кількість. В основу назви включають слово "метан":

CH3

|

H3C-C-CH3

|

CH3

C2H5

|

H3C-CH-CH-CH3

|

CH3

тетраметілметан (2,2-діметілпропан) метілетілізопропілметан (2,3-діметілпентан)

Свою номенклатуру мають і радикали (вуглеводневі радикали). Одновалентні радикали називають алкіл і позначають буквою R або Alk. Їх загальна формула CnH2n + 1. Назви радикалів складають з назв відповідних вуглеводнів заміною суфікса-ан на суфікс-іл (метан - метил, етан - етил, пропан - пропив і т.д.). Двовалентні радикали називають, замінюючи суфікс-ан на-іліден (виняток - радикал метилен == СН2). Тривалентні радикали мають суфікс-ілідін (виняток - радикал Метін º º СН).

Ізомерія.

Для алканів характерний найпростіший вид ізомерії - структурна ізомерія.

У молекулах метану, етану і пропану може бути тільки один порядок з'єднання атомів.

Якщо в молекулі алкану міститься більше трьох вуглецевих атомів, то порядок їх з'єднання може бути різним - з'являється можливість ізомерії. Наприклад, для вуглеводню С4Н10 можливі дві структури:

HHH H

| | | |

H-C-C-С-С-H

| | | |

HHHH

HHH

| | |

H-C-C-С-H

| | |

H | H

H-C-H

|

H

н-бутан (н-C4H10) ізобутан (з-С4Н10)

Один з цих ізомерів (н-бутан) містить неразветвленную вуглецевий ланцюг, а інший - ізобутан - розгалужену (изостроения). Таким чином, молекули бутану та ізобутану, маючи однаковий склад, різняться між собою хімічною будовою, тобто вони є структурними ізомерами. Ізомери мають подібними хімічними властивостями і різними - фізичними.

Атоми вуглецю в алканів можуть відрізнятися за характером свого з'єднання з іншими вуглецевими атомами. Атом вуглецю, пов'язаний тільки з одним вуглецевим атомом, називається первинним, з двома - вторинним, з трьома - третинним і, нарешті, з чотирма - четвертинним.

Тут первинні вуглецеві атоми обведені кружком, вторинний - квадратом, третинний - трикутником, четвертинний - пунктирним гуртком.

Такий розподіл має велике значення, так як водневі атоми при первинному, вторинному та третинному вуглецевих атомах володіють різною реакційною здатністю.

У ряді радикалів ми також зустрічаємося з явищем ізомерії (див. табл. 2). Причому кількість ізомерів в радикалів значно більше, ніж у відповідних їм алканів. Наприклад, пропан, як відомо, ізомерів не має, а радикал пропив має два ізомеру: н-пропіл і з-пропіл:

|

СН3-СН3-СН2-і Н3С-СН-СН3

Це пов'язано з тим, що вільна валентність може знаходитися при різних вуглецевих атомах (вторинному та третинному).

1.3. Отримання алканів

Для отримання алканів використовують в основному природні джерела. Газоподібні алкани отримують з природного і попутних нафтових газів, а тверді алкани - з нафти. Природної сумішшю твердих високомолекулярних алканів є гірський віск (озокерит) - різновид твердого природного бітуму.

Багато граничні вуглеводні можна отримувати методом гідрування вугілля:

500 ° С

nC + 2nН2 ® СnН2n + 2

оксиди заліза

Так що при цьому з твердого вугілля утворюється суміш рідких продуктів, процес називається скраплення вугілля.

З цією ж метою використовують суміш оксиду вуглецю і водню (синтез-газ) в присутності каталізатора (кобальту або нікелю):

200 ° С

nCО + (2n + 1) Н2 ® СnН2n + 2 + n Н2О

кат.

Утворені алкани знаходять застосування в якості моторного палива (синтетичний бензин - "сінтін").

Для отримання алканів часто застосовують лабораторні методи - органічний синтез.

1. Гідрування етиленових і ацетиленових вуглеводнів в присутності каталізатора (Pt, Pd, Ni):

Pt Pt

H2C == CH2 + H2 ® H3C-CH3 H-C º º C-H + 2H2 ® H3C-CH3

етилен етан ацетилен етан

2. Дія металевого натрію на Галогенопохідні алканів (галогеналкіли) - реакція французького хіміка А. Вюрца:

Н3С-I + 2Na + I-СН3 ® Н3С-СН3 + 2NaI

йодистий метил

Цей синтез служить для отримання алканів з однорідних галогеналкіли. Якщо в реакцію вводять два різних галогеналкіла, то утворюється не один продукт, а їх суміш. Наприклад:

Н3С-I + 2Na + I-С2Н5 ® Н3С-С2Н5 + 2NaI

пропан

Н5С2-I + 2Na + I-С2Н5 ® Н5С2-С2Н5 + 2NaI

бутан

3. Сплавляння солей карбонових кислот з лугами:

Н3С-СOONa + NaOH ® СН4 + Na2CО3

4. Відновлення галогенпохідних:

Pt

Н3С-С1 + Н2 ® CH4 + НС1

хлористий метил

1.4. Фізичні і хімічні властивості

Фізичні властивості. Перші чотири члени гомологічного ряду метану - газоподібні речовини, починаючи з пентану - рідини, а вуглеводні з числом вуглецевих атомів 16 і вище - тверді речовини (при звичайній температурі). Температура кипіння алканів з розгалуженою ланцюгом нижче, ніж сполук нормальної будови (табл. 3).

Алкани - неполярні сполуки і важко поляризації. Вони легші за воду і в ній практично не розчиняються. Не розчиняються також в інших розчинниках з високою полярністю. Рідкі алкани - хороші розчинники для багатьох органічних речовин.

Метан і етан, а також вищі алкани не мають запаху, але серед інших легколетучих нижчих вуглеводнів зустрічаються сполуки, що володіють слабким запахом.

Алкани - горючі речовини. Метан горить безбарвним полум'ям.

Таблиця 3. Фізичні властивості алканів

Назва Формула tпл ° С tкип ° С d204
Метан СН4 -182,5 -161,5

0,4150

(При -164 ° С)

Етан С2Н6 -182,8 -88,6

0,5610

(При -100 ° С)

Пропан С3Н8 -187,7 -42

0,5853

(При -44,5 ° С)

Бутан С4Н10 -138,3 -0,5

0,6000

(При 0 ° С)

Пентан C5H12 -129,7 +36,1 0,6262
Гексан С6Н14 -95,3 68,7 0,6594
Гептан С7H16 -90,6 98,4 0,6838
Октан C8H18 -56,8 124,7 0,7025
Нонан С9Н20 -53,7 150,8 0,7176
Декан C10H22 -29,6 174,0 0,7300
Пентадекан C15H32 +10 270,6 0,7683
Ейкозан С20Н42 36,8 342,7

0,7780

(При 37 ° С)

Пентакозан C25H52 53,7 400 0,8012
Тріаконтан С30Н62 66,1 457 0,8097

Хімічні властивості.

У алканів всі атоми зв'язані між собою міцними (s-зв'язками, а валентності вуглецевих атомів повністю насичені воднем. Тому алкани не вступають в реакції приєднання. При звичайних умовах вони проявляють високу хімічну стійкість. З цієї причини алкани свого часу дістали назву парафінів (від лат. parum affinis - мало діяльний, мало спорідненості).

Основні хімічні перетворення алканів йдуть тільки при повідомленні їм достатньо високої енергії (при нагріванні або опроміненні УФ-світлом). При цьому може статися або розрив зв'язку С-Н з наступним заміщенням атома водню на інший атом або групу атомів, або ж розрив молекули по зв'язку С-С. Незважаючи на те що енергії цих зв'язків рівні відповідно 415-420 (для первинних вуглецевих атомів) і 350 кДж / моль, розрив краще йде по зв'язку С-Н. Це пов'язано з тим, що зв'язок С-Н більш доступна для реагенту.

Оскільки алкани - з'єднання неполярні, то при розриві зв'язків утворюються головним чином не іони, а радикали, тобто цей процес йде по гомолитического механізму.

Таким чином, для алканів розрізняють два основних типи хімічних реакцій:

реакції заміщення водню (з розривом зв'язку С-Н);

реакції розщеплення (з розривом зв'язків С-С і С-Н).

Реакції заміщення. У цих реакціях заміщення водню легше відбувається при третинному вуглецевому атомі, важче - при вторинному і зовсім погано - при первинному.

1. Галогепірованіе (заміщення галогеном) - найважливіша реакція алканів. Вона протікає при освітлені УФ-світлом або в темряві при сильному нагріванні, а також у присутності каталізаторів. Порівняно легко алкани вступають в реакцію заміщення з хлором і бромом, дуже важко - з йодом. З фтором реакція протікає з вибухом (тому зазвичай фтор розбавляють азотом або використовують розчинники). У результаті заміщення водню галогеном утворюються галогено-похідні алканів. Наприклад, хлорування метану протікає з послідовним заміщенням у його молекулі всіх атомів водню на хлор:

СН4 + Cl2 ® СН3С1 + НС1

хлорметан

СН3С1 + Cl2 ® СН2С12 + НС1

дихлорметан

СН2С12 + Cl2 ® СНС13 + НС1

тріхлорметан

СНС13 + Cl2 ® СС14 + НС1

тетрахлорметан

Реакція галогенування має ланцюговий вільно-радикальний характер (М. М. Семенов). На першій стадії цього процесу під впливом УФ-опромінення (або високої температури) відбувається розпад молекули хлору на два вільних радикала. Такий процес називається ініціюванням:

Сl: Сl ® С1 × + С1 ×

Потім починається ріст ланцюга. Вільний радикал взаємодіє з молекулою метану:

СН4 + С1 × ® СН3 × + НС1

СН3 × + Cl2 ® СН3Сl + С1 × і т.д.

Ця реакція обривається, якщо зникнуть вільні радикали. Тому обрив ланцюга часто пов'язаний із взаємодією вільних радикалів один з одним:

СН3 × + СН3 × ® Н3С: СН3

етан

С1 × + С1 × ® С1: С1

хлор

СН3 × + С1 × ® СН3: С1

хлорметан

2. Нітрування (заміщення нітрогрупою NO2). Вперше цю реакцію відкрив російський учений М. І. Коновалов в 1888 р. (з тих пір вона названа його ім'ям). Алкани взаємодіють з розведеною азотної кислотою при нагріванні, утворюючи нітропохідні алканів:

Н3С-СН2-СН3 + HNO3 ® Н3С-СН-СН3 + H2O

|

NO2

2-нітропропан

У промисловості реакцію нітрування проводять, нагріваючи алкани з парами азотної кислоти при 250-500 ° С і тиску (парофазного нітрування). Реакція нітрування, як і галогенування, йде по ланцюговому радикальному механізму. Нітруючою агентом є радікалоподобний оксид азоту NO2, який, взаємодіючи з алканів, утворює вільний радикал - алкіл R ×:

R-H + NO2 × ® R × + HNO2

Взаємодія цих радикалів призводить до утворення нітросполук:

R × + NO2 × ® R-NO2

3. Сульфірованіе. Димна сірчана кислота (містить розчинений в ній SO3) з вищими алканами дає сульфокислоти. Наприклад:

С17Н36 + H2SO4 ® С17Н35SО3Н + Н2O

гептадекан гептадеціл-

сульфокислота

У результаті таких реакцій атом водню в молекулі алкану заміщується на сульфогрупп - SO3Н.

Солі сульфокислот (алкілсульфонати) з C12-18 широко використовуються в якості миючих засобів. Ці солі можна отримати і реакцією сульфохлорірованія - дією на алкани сумішшю діоксиду сірки та хлору:

С10Н22 + SO2 + Cl2 ® C10H21SO2Cl + HC1

Декан сульфохлорид

декана

При взаємодії сульфохлорид з лугом утворюється алкілсульфонати:

C10H21SO2Cl + 2NaOH ® C10H21SO3Na + NaCI + H2O

Реакції розщеплення протікають при нагріванні (у присутності каталізаторів або без них).

1. Відщеплення водню {дегидрирование). При нагріванні алканів присутності каталізатора (СrО3) відбувається відщеплення атомів водню з утворенням неграничних вуглеводнів:

t

Н3С-СН2-СН3 ® Н2С == СН-СН3

пропан-H2 пропілен

2. Термічне розкладання (розрив зв'язків С-С і С-Н). Відомо, що алкани стійкі лише при порівняно невисоких температурах. При нагріванні алканів до 500 ° С і вище, (без каталізаторів або в їх присутності) вони розкладаються з розривом зв'язків С-С і С-Н. У результаті відбувається утворення більш простих вуглеводнів - граничних і неграничних. Цей процес називають крекінгом.

3. Ізомеризація. При цій реакції неразветвленная вуглецева ланцюг перетворюється на розгалужену мережу. Це супроводжується розривом зв'язків С-С:

Процес ізомеризації проходить при нагріванні в присутності каталізатора (А1С13). У цю реакцію вступають тільки ті алкани, які в вуглецевого ланцюга містять не менше чотирьох вуглецевих атомів.

Реакції окислення.

При звичайних умовах алкани стійкі до дії навіть сильних окислювачів (КМnO4, К2СrO4 та ін.) Тому при додаванні до алканами водного розчину перманганату калію забарвлення розчину не змінюється. Однак при каталітичному окислюванні (у присутності солей марганцю) і одночасному нагріванні відбувається окислення алканів (особливо вищих) з утворення багатьох кисневмісних речовин (спиртів, кетонів, карбонових кислот та ін.)

Основним способом переробки метану є його конверсія окислення водяною парою, киснем або оксидом вуглецю (IV) присутності каталізатора і при високій температурі:

СН4 + H2O ® CO + 3H2

CH4 + 1/2O2 ® CO + 2H2

CH4 + CO2 ® 2CO + 2H2

У результаті цих реакцій утворюється синтез-газ (водяний газ) - цінна сировина для отримання багатьох органічних сполук (вуглеводнів, метилового та інших спиртів і т.д.).

На повітрі алкани горять з утворенням оксиду вуглецю (IV) і води. Наприклад:

СН4 + 2O2 ® СO2 + 2Н2O

При цьому виділяється значна кількість теплоти.

1.5. Окремі представники

Метан СН4 є головною складовою частиною природних (до 98%) і попутних газів. У значних кількостях він присутній у газах нафтопереробки. Метан використовують в основному в якості дешевого палива в промисловості і побуті.

Метан - безбарвний газ, без запаху. Для виявлення його витоку в газопроводах використовують деякі сильно пахнуть речовини (одоранти), наприклад нижчі тіоспірти. У суміші з повітрям метан вибухонебезпечний.

Метан є цінною сировиною для хімічної промисловості. З нього отримують ацетилен, Галогенопохідні, метанол, формальдегід та інші речовини. Метан служить для виробництва синтез-газу, газової сажі:

СН4 + O2 ® С + 2Н2O

Етан С2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 і пентан C5H12 застосовують для отримання відповідно етилену, пропілену, дивинила і ізопрену. Пропан в суміші з бутаном використовують в якості палива (побутовий зріджений газ, що транспортується в балонах).

Изооктан C8H18 (2,2,4-триметилпентана) - цінний складова частина високоякісного пального (бензину) для двигунів внутрішнього згоряння:

СH3

|

H3C-C-CH2-CH-CH3

| |

CH3 CH3

Моторне паливо повинне мати максимальну стійкістю до детонації. У двигунах внутрішнього згоряння детонація викликається передчасним займанням горючої суміші. Найменш детонують розгалужені вуглеводні, наприклад такі, як ізооктан. Його стійкість до детонації прийнята за 100 (н-гептан, навпаки, за 0). Тому якість бензинів характеризують "октановим числом" (наприклад, 76; 93 та ін). Для підвищення детонаційної стійкості бензину до нього додають Антидетонатори (тетраетилсвинець та ін.)

Середні члени гомологічного ряду метану (C7 - C17) використовують як розчинники і моторне паливо.

Вищі алкани (C18 - С44) застосовують для виробництва вищих кислот і спиртів, синтетичних жирів, мастил, пластифікаторів і неграничних сполук.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
44.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Граничні вуглеводні алкани
Ненасичені чи ненасичені вуглеводні ряду етилену алкени або олефіни
Граничні вуглеводні
Аліфатичні граничні вуглеводні та їх будова
Ненасичені вуглеводні ряду ацетилену алкіни
Етикет поведінки у православному або католицькому храмі синагозі або мечеті
Розкрадання або вимагання наркотичних засобів або психотропних речовин
Порушення правил водіння або експлуатації машин Порушення правил польотів або підготовки до них
Випадок або казка
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru