Аліфатичні граничні вуглеводні та їх будова

Зміст

Введення

1. Метан, його будова

2. Будова і номенклатура вуглеводнів ряду метану

3. Хімічні властивості граничних вуглеводнів

4. Застосування та отримання граничних вуглеводнів

6. Ціклопарафіни

Висновок

Список літератури

Введення

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.

До граничним вуглеводням - алканами (парафіну) відносяться з'єднання з відкритим ланцюгом, в яких атоми вуглецю з'єднані один з одним простими (одинарними) зв'язками, а решта вільні їх валентності насичені атомами водню. У звичайних умовах алкани мало реакційно здатні, звідки виникло їх назва "парафіни" - від лат. parrum affinis - малоактивний.

Члени гомологічного ряду граничних вуглеводнів відповідають загальній формулі CnH2n +2. Найпростішим представником насичених вуглеводнів є метан, структурна формула якого.

Мета роботи - вивчити граничні вуглеводні.

Завдання роботи:

1) охарактеризувати метан і його будова;

2) розглянути будову і номенклатуру вуглеводнів ряду метану;

3) позначити хімічні властивості граничних вуглеводнів;

4) вивчити застосування та отримання граничних вуглеводнів;

5) розглянути особливості циклопарафинов.

1. Метан, його будова

Приналежність речовин до групи граничних вуглеводнів визначається характером їх будови. Розглянемо будову найбільш простого вуглеводню - метану.

Метан CH4 - газ без кольору і запаху, майже в два рази легший за повітря. Він утворюється в природі в результаті розкладання без доступу повітря решток рослинних і тваринних організмів. Тому він може бути виявлений, наприклад, в заболочених водоймах, в кам'яновугільних шахтах. У значних кількостях метан міститься в природному газі, який широко використовується зараз в якості палива в побуті та на виробництві.

У молекулі метану хімічні зв'язки атомів водню з атомом вуглецю мають ковалентний характер. Якщо перекриваються попарно електронні хмари при утворенні зв'язків позначити двома точками або валентної рискою, будова метану можна висловити формулами:

або

Коли в органічній хімії стало розвиватися вчення про просторове будові молекул, було з'ясовано, що молекула метану в дійсності має тетраедричну форму, а не плоску, як ми зображуємо на папері.

З'ясуємо, чому ж молекула метану є тетраедр. Ми повинні виходити, очевидно, з будови атома вуглецю. Але тут ми стикаємося з протиріччям. У атомів вуглецю чотири валентних електрони, два з них є спареними s-електронами, вони не можуть утворювати хімічних зв'язків з атомами водню. Хімічні зв'язки можуть встановитися тільки за рахунок двох неспарених p-електронів. Але тоді молекула метану повинна мати формулу не CH4, а CH2, що не відповідає дійсності. Таке протиріччя усувається наступної трактуванням утворення хімічних зв'язків.

Коли атом вуглецю вступає у взаємодію з атомами водню, s-електрони зовнішнього шару в ньому розпарюються, один з них займає вакантне місце третього p-електрона і утворює при своєму русі хмара у вигляді об'ємної вісімки, перпендикулярне по відношенню до хмар двох інших p-електронів . Атом при цьому переходить, як кажуть, в збуджений стан. Тепер всі чотири валентних електрони стали неспареними, вони можуть утворити чотири хімічні зв'язки. Але виникає нове протиріччя. Три p-електрона повинні утворено три хімічні зв'язки з атомами водню у взаємно перпендикулярних напрямках, тобто під кутом 90 °, а четвертий атом водню міг би приєднуватися в довільному напрямі, оскільки хмара s-електрона має сферичну форму і ці зв'язки, очевидно, відрізнялися б за властивостями. Тим часом відомо, що всі зв'язки CH в молекулі метану однакові і розташовані під кутом 109 ° 28 '. Вирішити це протиріччя допомагає уявлення про гібридизації електронних хмар.

У процесі утворення хімічних зв'язків хмари всіх валентних електронів атома вуглецю (одного s - і трьох p-електронів) вирівнюються, стають однаковими. При цьому вони приймають форму несиметричних, витягнутих у напрямку до вершин тетраедра об'ємних вісімок (несиметричне розподіл електронної щільності означає, що ймовірність знаходження електрона по один бік від ядра більше, ніж за іншу).

Кут між осями гібридних електронних хмар виявляється рівним 109 ° 28 ', що дозволяє їм, як однойменно зарядженим, максимально віддалитися один від одного. Будучи витягнутими до вершин тетраедра, такі хмари можуть значно перекриватися з електронними хмарами водневих атомів, що веде до більшого виділення енергії та утворення міцних, однакових за властивостями хімічних зв'язків (рис.1).

Гібридизація може поширюватися на різне число електронних хмар. В даному випадку, коли атом вуглецю утворює ковалентні зв'язки з чотирма атомами водню, в гібридизації беруть участь хмари всіх чотирьох зовнішніх електронів порушеної атома - одного s-електрона і трьох p-електронів. Такий вид її називається sp3-гібридизацією.

Рис.1 Ковалентні хімічні зв'язки в молекулі метану: А - перекривання електронних хмар атома вуглецю з атомами водню; Б - освіта загальних електронних хмар зв'язків CH.

Тетраедричних форма молекули метану обумовлюється, отже, тетраедричних напрямком чотирьох гібридних електронних хмар атома вуглецю в хімічному з'єднанні.

Оскільки електрони при утворенні ковалентних зв'язків утворюють загальні для пов'язують атомів хмари, що охоплюють обидва ядра, електронна будова молекули метану можна ще зобразити так, як показано на рис.1 Б ^1.

2. Будова і номенклатура вуглеводнів ряду метану

Будова вуглеводнів. У природному газі і особливо в нафті міститься багато вуглеводнів, подібних з метаном за будовою і властивостями.

Перші чотири речовини цього ряду мають історично сформовані назви. Назви вуглеводнів, починаючи з пентану, утворені переважно від грецьких назв чисел.

Для найменування всіх граничних вуглеводнів прийнятий суфікс - ан.

Зі збільшенням відносної молекулярної маси в загальному послідовно зростають температури плавлення і кипіння вуглеводнів. Перші чотири речовини (C _{1-C 4)} при звичайних умовах - гази; наступні одинадцять вуглеводнів (C _{5-C 15)} - рідини; починаючи з вуглеводню C ₁₆ H ₃₄ - тверді речовини.

Всі граничні вуглеводні нерозчинні у воді, але можуть розчинятися в органічних розчинниках.

Розглядаючи молекулярні формули речовин, можна помітити постійну різницю в складі молекул при переході від одного члена ряду до іншого на групу атомів CH2 (ця група називається метиленом). Якщо число атомів вуглецю в молекулі прийняти за n, то склад всіх цих вуглеводнів можна виразити загальною формулою CnH _2n +2.

Знаючи число атомів вуглецю в молекулі, легко знайти молекулярну масу речовини. Наприклад, якщо в молекулі містяться п'ять атомів вуглецю, молекулярна маса Mr = 12x5 + 2x5 + 2 = 72. І, навпаки, знаючи молекулярну масу граничного вуглеводню, за загальною формулою можна визначити його молекулярну формулу. Наприклад, якщо Mr = 100, то, вирішуючи рівняння з одним невідомим: 100 = 12n + 2n + 2, знайдемо n = 7, отже, формула вуглеводню C ₇ H _16.

З утворенням нових речовин в результаті кількісної зміни складу ми зустрічаємося в хімії постійно. Згадайте, наприклад, відмінності у складі молекул і властивості кисню і озону, оксидів азоту, оксидів вуглецю. На прикладі вуглеводнів це явище проявляється особливо яскраво.

Відомо і явище ізомерії в ряду вуглеводнів - ізомерії вуглецевого скелета молекул, що обумовлює можливість існування різних речовин одного і того ж складу. Розглянемо просторове і електронна будова цих сполук.

Атоми вуглецю в молекулах вуглеводнів розташовані не по прямій лінії, як ми пишемо в структурних формулах, а зигзагоподібно. Причина цього в тетраедричну напрямку валентних зв'язків атомів вуглецю.

Припустимо, що до одного атома вуглецю приєднався інший атом вуглецю. У цього останнього залишилися три вільні валентності, всі вони направлені до вершин тетраедра. Наступний атом вуглецю може приєднуватися, очевидно, тільки в одному з цих напрямів. Вуглецева ланцюг в такому випадку незмінно приймає зигзагоподібну форму. Кут між ковалентними зв'язками, що з'єднують атоми вуглецю в такому колі, як і в молекулі метану, 109 ° 28 '.

Зигзагоподібна ланцюг атомів вуглецю може приймати різні просторові форми. Це пов'язано з тим, що атоми в молекулі можуть відносно вільно обертатися навколо хімічних зв'язків. Таке обертання існує в молекулах як прояв теплового руху (якщо немає перешкоджають цьому чинників). Найбільш енергетично вигідною є форма з найбільшим видаленням атомів один від одного.

Чудова властивість атомів вуглецю з'єднуватися один з одним у довгі ланцюги пов'язано з положенням елемента в періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва і будовою його атомів.

Вуглець знаходиться в другому малому періоді і очолює собою головну підгрупу IV групи елементів. Радіус його атома порівняно невеликий, в зовнішньому електронному шарі атом має чотири електрона. При хімічній реакції у атома вуглецю важко повністю відірвати чотири валентних електрони, так само як і приєднати до нього стільки ж електронів від інших атомів до утворення повного октету. Тому вуглець майже не утворює іонних сполук. Але він легко утворює ковалентні зв'язки. Оскільки властивість віддавати і притягувати електрони при встановленні ковалентних зв'язків у нього виражено приблизно однаково, такі зв'язки утворюються і між атомами вуглецю.

Позначаючи двома точками перекриваються електронні хмари при утворенні ковалентних зв'язків, можна таким чином зобразити електронні формули граничних вуглеводнів:

HHHH

... ... .

H: C: C: C: C: H

... ... .

HHHH

які не передають їх зигзагоподібного будови.

При розриві зв'язків молекули вуглеводнів можуть перетворюватися у вільні радикали. При відриві одного атома водню від молекули вони утворюють одновалентні радикали з одним неспареним електроном, наприклад:

HHHH

... | |

H: C: C. або HCC-

... | |

HHHH

Назви подібних радикалів утворюються від назв відповідних вуглеводнів шляхом зміни суфікса - ан на - мул: метил CH ₃ -, етил C ₂ H ₅ -, пропив C ₃ H ₇ - і т.д.

Знаючи будову вуглеводнів, можна зрозуміти залежність їх фізичних властивостей від молекулярної маси. З ростом вуглеводневого ланцюга зростають сили притягання між молекулами, і тому потрібно все більш висока температура для подолання цих сил, щоб могло статися плавлення або кипіння речовин. Фізичні властивості залежать і від просторової будови молекул. Наприклад, вуглеводні з розгалуженим ланцюгом атомів киплять при більш низькій температурі, ніж їх ізомери нерозгалуженого будови. Такому явищу можна дати таке пояснення. Молекули нерозгалуженого будови щільніше прилягають один до одного і сильніше взаємодіють між собою, ніж молекули розгалуженої будови, тому для подолання міжмолекулярних сил в першому випадку потрібно більш сильне нагрівання; чим більше розгалужені молекули речовини, тим менше міжмолекулярної взаємодії і тим нижче його температура кипіння.

Номенклатура вуглеводнів. Коли ми зустрічаємося з явищем ізомерії, то назви вуглеводнів, якими користувалися досі, виявляються недостатніми. Виникає необхідність дати ізомерних речовин індивідуальні назви з урахуванням будови їх вуглецевого скелета.

Існують різні системи номенклатури органічних сполук.

На міжнародних нарадах хіміків була вироблена міжнародна систематична номенклатура. В основу її покладено назва вуглеводнів нормального (нерозгалуженого) будови: метан, етан, пропан, бутан, пентан і т.д.

Щоб скласти назву вуглеводню з розгалуженим ланцюгом, його розглядають як продукт заміщення атомів водню в нормальному вуглеводні вуглеводневими радикалами. Порядок дій тут може бути такою:

а) виділяють у структурній формулі найбільш довгий ланцюг атомів вуглецю і нумерують ці атоми, починаючи з того кінця, до якого ближче розгалуження;

б) у назві речовини цифрою вказують, при якому атомі вуглецю знаходиться замещающая група (радикал);

в) якщо заміщуючих груп кілька, цифрами відзначають кожну з них;

г) коли розгалуження починається при атомах вуглецю, рівновіддалених від кінців головного ланцюга, нумерацію ведуть з того кінця, до якого ближче розташований радикал, що має більш просту будову ^2.

3. Хімічні властивості граничних вуглеводнів

Найбільш характерними реакціями граничних вуглеводнів є реакції заміщення. Так, наприклад, при освітленні метан реагує з хлором (при сильному освітленні може статися вибух). Фактично реакції граничних вуглеводнів з галогенами відбуваються більш складно. При поглинанні світлової енергії молекули хлору розпадаються на атоми. Атоми хлору з одним неспареним електроном хімічно дуже активні. При їх зіткненні з молекулою метану відбувається реакція, в результаті якої утворюється вільний хімічно дуже активний радикал метил. Його активність також пояснюється наявністю неспареного електрона (невикористаної валентності).

Частинки, що мають неспарені електрони і володіють у зв'язку з цим невикористаними валентностями, називаються вільними радикалами.

З вищесказаного видно, що реакція метану з хлором протікає по свободнорадікал'ному механізму. Радикал метил (який має дуже високою реакційною здатністю) реагує з іншою молекулою хлору, розриває в ній зв'язку між атомами і отщепляет вільні атоми хлору з неспареними електронами. Таким чином, народжуються нові хімічно активні частинки, які викликають подальші перетворення.

Реакції, в результаті яких відбувається ланцюг послідовних перетворень, називаються ланцюговими реакціями.

Аналогічно реагують з хлором етан, пропан і інші граничні вуглеводні. Утворилися речовини називаються хлорпохідних (у загальному випадку - галогенопохідні). Багато з них використовуються як розчинники. Так як граничні вуглеводні реагують з галогенами тільки при підвищеній температурі або під впливом світла, бромну воду при звичайній температурі вони не знебарвлюють.

Всі граничні вуглеводні горять з утворенням оксиду вуглецю (IV) і води. Метан горить безбарвним полум'ям, з виділенням теплоти:

СН ₄ + 2О ₂ = СО ₂ + 2Н ₂ О + 880 кДж

Суміш метану з повітрям (при вмісті метану від 5 до 15% за обсягом) при підпалюванні згорає з вибухом. Вибух може відбуватися і в сумішах інших граничних вуглеводнів з повітрям. Тому суміші метану, етану, пропану і бутану з повітрям дуже небезпечні. Вони іноді можуть утворитися в кам'яновугільних шахтах, в заводських котельних, у майстернях і в житлових приміщеннях.

При сильному нагріванні (вище 1000 ° С) без доступу повітря граничні вуглеводні розкладаються:

Якщо метан нагріти до високої температури (1500 ° С), то реакція відбувається так:

2СН ₄ → Н - С = С - Н + ЗН ₂

Ця реакція дегидрирования (відщеплення водню) має велике промислове значення, так само як і дегидрирование інших граничних вуглеводнів, у тому числі етану С ₂ Н _6:

Вуглеводні нормального будівлі під впливом каталізаторів і при нагріванні піддаються реакціям ізомеризації і перетворюються на вуглеводні розгалуженого будівлі:

пентан 2-метилбутан

Застосування метану дуже різноманітно. У вигляді природного газу метан широко використовується в якості палива.

Велике практичне значення мають і хлорпохідні метану. Дихлорметан СН ₂ С _12, тріхлорметан (хлороформ) СНС _13, тетрахлорметан (тетра-хлорид вуглецю) СС _14, 1,2-дихлоретан З _{1 СН2 СН2} С _1, - рідини, які використовуються як розчинники. Тріхлорметан (хлороформ) і три-іодметан (йодоформ) застосовуються в медицині. Так як тетрахлорметан при випаровуванні утворює важкі пари, які ізолюють палаючий предмет від доступу кисню повітря, то його застосовують для гасіння пожеж ^3.

4. Застосування та отримання граничних вуглеводнів

Застосування вуглеводнів. Висока теплота згорання вуглеводнів обумовлює використання їх як палива. Метан у складі природного газу знаходить все більш широке застосування в побуті і на виробництві. Набуло поширення застосування пропану і бутану у вигляді "скрапленого газу", особливо в тих місцевостях, де немає підводки природного газу. Рідкі вуглеводні використовуються як пальне для двигунів внутрішнього згоряння в автомобілях, літаках і т.д.

Як досить доступний вуглеводень, метан все більшою мірою використовується як хімічна сировина.

Реакції горіння і розкладання метану використовуються у виробництві сажі, що йде на отримання друкарської фарби і гумових виробів з каучуку. З цією метою в спеціальні печі разом з метаном подають таку кількість повітря, щоб згоріла лише частину газу. Під дією розвивається при горінні високої температури інша частина розкладається, утворюючи тонкодисперсну сажу.

Метан - основне джерело отримання водню в промисловості для синтезу аміаку та ряду органічних сполук. Найбільш поширений спосіб отримання водню з метану - взаємодія його з водяною парою. Реакцію проводять в трубчастих печах при температурі близько 400 ° C, тиску 2-3 МПа, в присутності алюмонікелевого каталізатора:

CH ₄ + H ₂ O -> 3H ₂ + CO

Для деяких синтезів використовується безпосередньо утворюється суміш газів. Якщо ж для подальших процесів потрібен чистий водень (як у випадку отримання аміаку), оксид вуглецю (II) окислюють водяною парою, використовуючи каталізатори.

Реакцією хлорування отримують хлорпохідні метану. Всі вони знаходять практичне застосування.

Хлорметан CH ₃ Cl - газ. Як речовина, легко переходить у рідкий стан і поглинає велику кількість теплоти при подальшому випаровуванні, він застосовується в якості холодоагенту в холодильних установках.

Дихлорметан CH ₂ Cl _2, тріхлорметан (хлороформ) CHCl ₃ та тетрахлорметан CC _l4 - рідини, вони використовуються як розчинники. Тетрахлорметан застосовується, крім того, при гасінні вогню (особливо в тих випадках, коли не можна використовувати воду), так як важкі негорючі пари цієї речовини, що утворюються при випаровуванні рідини, швидко ізолюють палаючий предмет від кисню повітря.

При хлоруванні метану утворюється багато хлороводню. Розчиняючи його у воді, одержують соляну кислоту.

Останнім часом з метану отримують ацетилен, необхідний для синтезу багатьох органічних речовин.

З гомологів метану при реакції ізомеризації отримують вуглеводні розгалуженого будови. Вони використовуються у виробництві каучуків і високоякісних сортів бензину. Вищі вуглеводні служать вихідними речовинами для одержання синтетичних миючих засобів.

Шляхом хімічної переробки граничні вуглеводні часто перетворюють на ненасичені вуглеводні, хімічно більш активні, з яких синтезують численні органічні речовини.

Отримання вуглеводнів. Граничні вуглеводні у великих кількостях містяться в природному газі та нафті. З цих природних джерел і витягують їх для використання як паливо і хімічної сировини.

У теоретичному відношенні цікава реакція синтезу метану, так як вона показує можливість переходу від простих речовин до органічних сполук. Реакція йде при нагріванні вуглецю з воднем в присутності порошкоподібного нікелю як каталізатор:

С + 2H ₂ -> CH ₄

Зіставляючи цю реакцію з термічним розкладанням метану, ми повинні зробити висновок, що вона оборотна.

Враховуючи тепловий ефект реакції, можна записати таке рівняння:

C + 2H ₂ <-> CH ₄ + 75 кДж

На підставі даного рівняння можна висловити припущення про те, які умови сприяють зрушенню рівноваги убік отримання метану, а які будуть викликати його розкладання.

Так як синтез метану - реакція екзотермічна, то сильне нагрівання не буде підвищувати вихід продукту; рівновагу зміститься у бік утворення вихідних речовин. При слабкому нагріванні буде недостатня швидкість утворення метану. Тому оптимальна температура синтезу метану приблизно 500 ° C, а для його розкладання необхідна температура понад 1000 ° C.

На зміщення рівноваги впливає і зміна тиску. Так як зліва направо реакція йде зі зменшенням обсягів газів, то підвищення тиску буде сприяти утворенню метану, а зменшення - розкладання його ^4.

6. Ціклопарафіни

Атоми вуглецю в ціклопарафіни (циклоалканами), як і в алканах, перебувають у sp3-гібрідізованном стані і всі їх валентності повністю насичені.

Найпростіший Циклоалкани - ціклопpопан С3Н6 - являє собою плоский тричленної карбоцікл.

Решта цикли мають неплоскою будова внаслідок прагнення атомів вуглецю до утворення тетраедричних валентних кутів.

За правилами міжнародної номенклатури в циклоалканами головною вважається ланцюг вуглецевих атомів, що утворюють цикл. Назва будується за назвою цієї замкнутої ланцюга з додаванням приставки "цикло" (циклопропан, ціклобутан, циклопентан, циклогексан і т.д.). При наявності в циклі заступників нумерацію атомів вуглецю в кільці проводять так, щоб відгалуження отримали можливо менші номери. Так, з'єднання

слід назвати 1,2-діметілціклобутан, а не 2,3-діметілціклобутан, або 3,4-діметілціклобутан.

Молекули циклоалканов містять на два атоми водню менше, ніж відповідні алкани.

Напpимеp, бутан має фоpмулах С4Н10, а ціклобутан - С4Н8. Тому загальна формула циклоалканов СnH2n.

Структурні формули циклоалканов зазвичай зображаються скорочено у вигляді правильних багатокутників з числом кутів, відповідних числу атомів вуглецю в циклі ^5.

Висновок

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 шаростержневие моделей. Для цього найбільш зручні об'ємні моделі Бріглеба, які більш наочно відображають відносні розміри атомів в молекулі. Ці моделі виготовлені відповідно до дійсним співвідношенням радіусів атомів (у масштабі 0,05 нм = 1 см).

Основні хімічні перетворення алканів йдуть тільки при повідомленні їм достатньо високої енергії (при нагріванні або опроміненні УФ-світлом). При цьому може відбутися або розрив зв'язку С-Н з подальшим 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 - сполуки неполярні, то при розриві зв'язків утворюються головним чином не іони, а радикали, тобто цей процес йде по гомолитического механізму.

Список літератури

1. Максютіна Н.П., Ф.Е. Каган, Л.А. Кириченко, Ф.А. Мітченко. Метан. М., 2003. - 684с.

2. Роговін З.А. Основи хімії. - М: Хімія, 2001. - 739с.

3. Сорокін М.Ф. Хімія. - М.: Хімія, 2003. - 537с.

4. Хімія: Довідкове видання / В. Шретер. М.: Хімія, 1989. - 448 с

5. Шестакова КС, Касьянова А.А. Хімія. - М: Легка індустрія, 2001, -528 с.