Качественная реакция на алканы: гомологический ряд и область применения

Гомологи и изомеры

Алканы называют насыщенными или предельными углеводородами, как и парафины. В общем, их формула выглядит так: CnH (2n + 2), где n — целое число атомов. Гомологический ряд первых восьми представителей алканов можно отметить в таблице.

Имя	Формула
Метан	CH4
Этан	C2H6
Пропан	C3H8
Бутан	C4H10
Пентан	C5H12
Гексан	C6H14
Гептан	C7H16
Октан	C8H18

Как указано в таблице, парафины ряда отличаются друг от друга по метиленовому звену -СН2-. Это гомологическое различие характерно также для углеводородов, содержащих кратные связи (алкены, алкины).

Алканы характеризуются изомерией, то есть существованием химических соединений одного и того же состава, но разного строения или расположения атомов в пространстве. Это явление бывает нескольких типов; парафины характеризуются двумя из них:

• Структурный. Бутан и гомологичные соединения с большим количеством атомов углерода характеризуются наличием изомеров углеродного скелета. Это связано с тем, что они могут иметь не только линейную, но и разветвленную структуру с разным порядком атомных связей.
• Космос. У предельных углеводородов есть энантиомеры — зеркальные соединения, имеющие одинаковую структуру, но разное расположение атомов в пространстве.

Метан и этан

Самый простой алкан называется метаном. Это бесцветный газ без запаха и вкуса, устойчивый к химическому воздействию. Это вещество мало токсично, так как плохо растворяется в воде и крови, но длительное вдыхание соединения отрицательно влияет на нервную систему.

Метан используется одновременно в нескольких сферах деятельности человека:

• Дома в составе природный газ. Поскольку он взрывоопасен при высвобождении и смешивании с воздухом, он не имеет запаха с добавлением трет-бутилтиола в качестве примеси.
• В качестве топлива. Для этого используется жидкая смесь метана и кислорода.
• В органическом синтезе. Как сырье для производства метилового спирта и других веществ.

Широкое использование соединения приводит к его накоплению в атмосфере. Метан вносит значительный вклад в парниковый эффект, который является серьезной экологической проблемой.

Второй член гомологического ряда — этан. При отсутствии запаха, вкуса и цвета, а также взрывоопасности на воздухе и низкой растворимости в жидкостях он похож на метан, но вещество, полученное из природного газа и нефти, используется для других целей, а именно для получения следующих химических соединений:

• этилен расщеплением водорода при температуре около 600 градусов (при дальнейшем нагревании до 800 градусов получаются ацетилен, бензол и сажа);
• этилхлорид термическим хлорированием при 300-450 градусах;
• нитроэтан и нитрометан, вводящие нитрогруппу в газовую фазу.

Для этана характерен четвертый класс опасности. Его физиологическое действие на организм зависит от вдыхаемого количества:

• в малых дозах — нехватка воздуха;
• в умеренных количествах — от головокружения и сонливости до потери сознания;
• в высокой концентрации — остановка сердца и дыхания.

Основы номенклатуры

1. Выбор главной цепи. Образование названия углеводорода начинается с определения основной цепи — самой длинной цепи атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2. Нумерация атомов основной цепи. Номера присвоены атомам в основной цепи. Нумерация атомов основной цепи начинается с конца, к которому ближайший заместитель (структуры A, B). Если заместители находятся на одинаковом расстоянии от конца цепи, нумерация начинается с конца, где их больше (структура B). Если несколько заместителей расположены на одинаковом расстоянии от концов цепи, нумерация начинается с конца, к которому ближе всего самый старый (структура D). Приоритет углеводородных заместителей определяется порядком, в котором следует буква, с которой начинается их название в алфавите: метил (-CH3), затем этил (-CH2-CH3), пропил (-CH2-CH2-CH3) и т.д.на
Обратите внимание, что название заместителя образовано заменой суффикса -an суффиксом -yl в соответствующем названии алкана.
3. Формирование имени. В начале названия указывают числа — номера атомов углерода, в которых расположены заместители. Если у данного атома несколько заместителей, соответствующий номер в названии повторяется дважды, разделенный запятыми (2,2-). После номера через дефис указывается количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и тире название основной цепочки. Основная цепь называется углеводородом — член гомологического ряда метана (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, пентан C5H12, гексан C6H14, гептан C7H16, октан C8H18, нонан C9H20, декан C10H22).

Пропан и бутан

Третий представитель ряда, пропан, также содержится в природном газе и нефтепродуктах. Подобно метану и этану, он взрывоопасен и малотоксичен. Однако его вдыхание в больших количествах вызывает галлюцинации, удушье и может быть смертельным. Его области применения следующие:

• В качестве топлива он дороже метана, но более удобен для хранения и транспортировки. Благодаря способности пропана сжижаться при комнатной температуре и низком давлении баллоны с ним легче, но в то же время содержат больше газа.
• В химии вещество используется как сырье для производства растворителей и пропилена, из которого впоследствии получают полипропилен.
• В пищевой промышленности состав зарегистрирован как добавка E944.
• В стационарных системах охлаждения и кондиционирования пропан, смешанный с изобутаном, действует как хладагент. Его преимущество — низкий парниковый потенциал, а значит, он безопасен для озонового слоя.

Бутан — бесцветный горючий газ со специфическим характерным запахом, содержащийся в нефтепродуктах. Его выделение из природных источников связано с необходимостью очистки от соединений серы, которая происходит путем щелочной экстракции примесей и последующей регенерации гидроксида.

Полученная фракция, смешанная с пропаном, используется в зажигалках и газовых баллонах. Соотношение веществ в составе зависит от сезона:

• летом допускается использование бутана до 50;
• зимой — не более 15%.

Это связано с разницей температур кипения соединений. Для бутана он значительно выше, чем для пропана: -0,5 ° C против -42 ° C.

Есть и другие способы употребления вещества:

• сырье для производства малеинового ангидрида и бутилена;
• высокооктановый бензиновый компонент;
• хладагент;
• пищевая добавка Е943а.

Бутан не очень токсичен, но в высоких концентрациях он обладает наркотическими свойствами, вызывает дисфункцию легочной дыхательной системы и пагубно влияет на нервную систему.

Строение молекул

Атомы углерода и водорода в молекулах алканов связаны только простыми связями. Это ковалентные слабополярные связи.

Все связи C — H в молекуле метана эквивалентны и прямые в пространстве в вершинах тетраэдра. Это облигации (сигма-облигации), очень прочные. Таким образом, метан и другие алканы практически не вступают в химические реакции (для разрыва связей требуется много энергии). Все химические реакции алканов протекают в особых условиях (нагревание, наличие катализатора, зажигание и т.д.), То есть реакции алканов в обычных условиях невозможны.

Какие реакции характерны

Молекулы алканов имеют связи C — H, которые более восприимчивы к атаке со стороны других частиц, чем менее прочные связи C — C. Реакция алканов с хлором и бромом происходит при облучении светом или при высоких температурах.

Реакция

Хлорирование метана на первой стадии приводит к образованию хлорметана:

Хлорметан взаимодействует с хлором. Кроме того, реакция приводит к синтезу дихлорметана, трихлорметана и четыреххлористого углерода:

Высокая скорость и неселективность хлорирования объясняются тем, что хлор имеет более высокую химическую активность, чем бром. Если алканы с углеродным скелетом, содержащим более трех атомов углерода, хлорируются, продукт реакции представляет собой смесь производных хлора.

Реакция

Примером является хлорирование пропана с образованием 1-хлорпропана и 2-хлорпропана:

Процесс бромирования более медленный и селективный. Селективность реакции заключается в том, что, прежде всего, происходит замещение третичных атомов углерода на атом водорода. Затем атом водорода заменяется вторичными атомами углерода, в последнюю очередь первичными атомами.

Реакция

Бромирование 2-метилпропана часто приводит к образованию 2-бром-2метилпропана:

Определение

Свободные радикалы — это атомы или группы атомов, содержащие неспаренные электроны.

Реакции замещения в алканах можно описать с помощью свободнорадикального механизма (реакция радикального замещения):

1. Цепное инициирование. Когда молекула галогена подвергается воздействию света или высокой температуры, она распадается на два радикала (прочность связи в молекулах галогена ниже, чем в алканах):
2. Развитие сети. Взаимодействие радикала галогена с молекулой алкана приводит к извлечению из нее атома водорода. Этап сопровождается образованием промежуточной частицы в виде алкидного радикала, которая взаимодействует с неразложившейся молекулой хлора:
3. Разомкнутая цепь. Когда радикалы сталкиваются, образуются молекулы, и процесс останавливается.

Алканы претерпевают реакции нитрования. Химический процесс возможен при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму при нагревании до 1400 ° C и под давлением. Атом водорода в алкане замещен нитрогруппой NO2. Эта реакция избирательна.

Реакция

Нитрование пропана с образованием в основном 2-нитропропана:

Алканы подвергаются реакциям разложения. В процессе дегидрирования используются катализаторы:

• никель Ni;
• платина pt;
• палладий Pd;
• оксид хрома (III);
• оксид железа (III);
• оксид цинка.

Общая формула дегидрирования алканов:

CnH2n + 2 → CnH2n-x + (х + 1) H2

В результате дегидрирования алканов, которые содержат от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, связь C — H разрывается на соседние атомы углерода, что приводит к образованию двойных и тройных связей.

Реакция

Дегидрирование этана с образованием этилена или ацетилена:

Реакция

При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Бутен-2 в основном образуется:

Реакция

При нагревании бутана с оксидом хрома (III), скорее всего, образуется бутадиен-1,3:

Алканы с более длинным углеродным скелетом, который включает пять атомов углерода в основной цепи, могут образовывать циклические углеводороды во время дегидрирования.

Реакция

Пентан и его гомологи, в основной цепи которых имеется пять атомов углерода, при нагревании на платиновом катализаторе образуют циклопентан и его гомологи:

Дегидрирование алканов с углеродной цепью, которая включает шесть или более атомов углерода в основной цепи, приводит к образованию стабильных шестиатомных колец. При этом образуются циклогексан и его гомологи, которые в дальнейшем превращаются в ароматические углеводороды.

Реакция

При нагревании в присутствии оксида хрома (III) гексан может образовывать циклогексан и, следовательно, бензол:

Реакция

В процессе дегидрирования в присутствии катализатора гептан образует метилциклогексан и, следовательно, толуол:

Реакция

Медленный и продолжительный нагрев до 10000 приводит к разложению метана. В результате образуются простые вещества:

При повышении температуры процесса может наблюдаться межмолекулярное дегидрирование и образование ацетилена:

Реакция крекинга — это разложение алкана, который имеет длинную углеродную цепь. В результате образуются алканы и алкены с более короткими углеродными цепями. Если температура сильно повышается и нет воздуха, реакция — термический крекинг. В результате образуется смесь алканов и алкенов с неодинаковыми углеродными цепями и разной молекулярной массой.

Реакция

Крекинг н-пентана приводит к смеси этилена, пропана, метана, бутилена, пропилена, этана и других углеводородов:

Осуществление процесса каталитического крекинга возможно при более низкой температуре и в присутствии катализаторов в виде цеолитов, таких как алюмосиликаты кальция и натрия. В этом случае могут наблюдаться реакции изомеризации и дегидрирования.

Примечание

Алканы представляют собой соединения с низкой полярностью, что объясняет отсутствие реакций окисления в стандартных условиях с использованием сильных окислителей, включая перманганат калия, хромат или дихромат калия.

Горение алканов сопровождается выделением углекислого газа и воды, а также большого количества тепла.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q

Общий вид уравнения горения алканов:

CnH2n + 2 + (3n + 1) / 2O2 → nCO2 + (n + 1) H2O + Q

В результате сжигания алканов при недостатке кислорода образуется окись углерода CO или сажа C.

Алканы вступают в химические реакции каталитического окисления. Этот процесс активно используется в промышленности.

Реакция

Каталитическое окисление бутана до уксусной кислоты:

Реакция

В процессе каталитического окисления метана кислородом могут образовываться различные продукты, в зависимости от условий процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

Реакция

Окисление метана водяным паром при нагревании:

В присутствии катализатора и при повышенных температурах неразветвленные алканы с четырьмя или более атомами углерода в основной цепи превращаются в более разветвленные алканы.

Реакция

Превращение н-бутана под действием катализатора хлорида алюминия и при нагревании в изобутан:

Что мы узнали?

Алканы представляют собой гомологичный ряд метана, содержащий максимальное количество атомов водорода. Общая формула — CnH2n + 2. Всего известно 390 алканов. Атомы водорода и углерода образуют тетраэдры, которые образуют зигзагообразную молекулу. Формулу молекулы можно записать в молекулярной и структурной форме. Физические свойства соединений зависят от количества атомов углерода в молекуле. Алканы — газы, парафины, жидкости, твердые вещества.

Запись формул

Помимо обычных молекулярных обозначений формул в органической химии, используются структурные формулы молекул веществ. Структурные формулы дают наглядное представление о расположении радикала — от метила до структурной изомерии, галогена, металла.

Структурную формулу можно записать двумя способами:

• с помощью тире, указывающего направление корня;
• с помощью скобок, обозначающих радикал — C (CH3) 3-CH2-CH (CH3) 2.

Рис. 3. Пример написания структурной формулы.

Пентан и гексан

Из-за изомерии углеродной цепи к пентанам одновременно принадлежат три соединения. Они обладают различными свойствами и даже агрегатными состояниями:

• Нормальный пентан и изопентан (2-метилбутан) представляют собой легколетучие подвижные жидкости с характерным запахом.
• Неопентан (2,2-диметилпропан) — бесцветный наркотический газ с характерным запахом.

Все три вещества выделены из нефти и газового конденсата, а также из углеводородов, синтезированных из смеси углерода и водорода. Их фракция используется следующим образом:

• как компонент качественного бензина;
• в производстве нефтяных растворителей.

Изопентан можно выделить из смеси, которая служит сырьем для производства изопрена и дальнейшего производства синтетических каучуков.

Гексан — бесцветная жидкость со слабым сладковатым запахом, пары которой обладают сильным наркотическим действием. В отличие от предыдущих алканов, его присутствие в синтетическом бензине нежелательно, так как снижает качество топлива. Гексан имеет следующие применения:

• сырье для получения бензола в процессе дегидроциклизации;
• присадки к топливу;
• экстрактор для отжима растительных масел;
• органический растворитель;
• активатор цианоакрилатного клея.

Гомологический ряд, общая формула и изомерия

Углеводороды ряда алканов имеют схожие физические и химические свойства, но отличаются друг от друга одной или несколькими группами -CH2-. Такие соединения называются гомологичными, а серия, которой они соответствуют, называется гомологической серией. Первым из гомологического ряда алканов является метан CH4, или H — CH2 — H. Продолжение гомологического ряда связано с последующим присоединением группы –CH2– к углеводородной цепи алкана.

Общая формула гомологического ряда алканов:

CnH2n + 2

От 1 до 4 членов гомологического ряда алканов являются газами, от 5 до 17 — веществами-жидкостями и от 18 — соединениями в твердом агрегатном состоянии. Любой алкан менее полный, чем вода. Все соединения этого типа не растворяются в воде и не смешиваются с ней.

Определение

Структурная изомерия, характерная для алканов, — это изомерия углеродистого скелета.

Определение

Структурные изомеры — это соединения, которые имеют идентичный состав, но различаются порядком связи атомов в молекуле, то есть молекулы имеют различную химическую структуру.

Разница между изомерами заключается в разной структуре углеродного скелета. Например, н-бутан, то есть алкан с линейной углеводородной цепью, имеет изомер, изобутан, который имеет разветвленный углеродный скелет.

Бутан:

Изобутан

По мере увеличения количества атомов углерода в молекуле количество изомеров, соответствующих данной формуле, увеличивается. В таблице указано количество изомеров в алкановом ряду.

При наличии связи между атомом углерода в молекуле и четырьмя различными заместителями в виде атомов или атомных групп возникают два соединения с идентичной структурой, которые различаются пространственным расположением атомов. Молекулы этих соединений являются зеркальным отображением друг друга. В этом случае невозможно получить одну молекулу от другой вращением. Этот тип пространственной изомерии называется оптической изомерией или энантиомерией.

Суффикс «–ан» используется в названии алканов».

Алкан, называемый 2-метилпропаном:

Более простые алканы, такие как метан, этан, пропан, бутан и изобутан, имеют тривиальные названия. Начиная с пятиатомного углеводорода, при формулировании названия неразветвленных (нормальных) алканов используйте корень греческого числа, которое показывает количество атомов углерода в молекуле, и добавьте соответствующий суффикс (для алканов — an, для алкенов — it). Правила построения названий разветвленных алканов:

1. Выбор основной углеродной цепи с учетом заместителей в виде углеводородных радикалов. В этом случае основная цепочка характеризуется максимальной длиной, как на рисунке под буквой «а»:

Основная цепь является наиболее разветвленной (с наибольшим количеством заместителей), как на рисунке под буквой «а»:

1. Нумерация атомов углерода в основной цепи сделана так, чтобы атомы углерода, связанные с заместителями, имели наименьшее возможное количество.
2. Радикальные имена начинаются с числа, указывающего их положение относительно основной цепи. Например, 2-метилпропан: в случае совпадения заместителей эти числа разделяются запятыми. Число аналогичных заместителей обозначается приставками ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять).
3. Названия заменителей, включая префиксы и числа, пишутся в алфавитном порядке. Например, 2,2-диметил-3-этилпентан.
4. Они называют основную цепь углерода, то есть соответствующий нормальный алкан. Например, 2,2,4-триметил-4-этилгексан:

Гептан и октан

Нормальный гептан и все одиннадцать его изомеров представляют собой бесцветные подвижные жидкости. Они хорошо растворяются в органике и плохо в воде. Их можно получить путем отделения адсорбента от бензина. Использование гептана следующее:

• определение ударной вязкости топлив;
• грунтовка для предварительной обработки трудно склеиваемых пластиков (например, полиэтилена, полипропилена или силиконового каучука).

Октан также представляет собой бесцветную жидкость со специфическим запахом. Наряду с восемнадцатью структурными изомерами он содержится в нефти и бензине. Вещество может быть выделено в промышленных масштабах ректификацией и очисткой мочевиной с использованием молекулярных сит.

Октан играет значительную роль при переработке нефтяных фракций бензина. В присутствии водорода он пропускается через катализатор, в результате чего образуются ароматические углеводороды высокого качества, а именно этилбензол и ортодиметилбензол.

Другие алканы

В формуле присутствуют насыщенные углеводороды с более высоким числом атомов углерода. Из них прозрачные жидкости:

• нонано;
• декан;
• ундекано;
• додекан;
• тридекан;
• тетрадекан;
• пентадекан.

Вещества в списке расположены по количеству атомов углерода (от 9 до 15). Они также содержатся в нефти, используются во фракциях бензина, дизельного топлива или в качестве органических растворителей и имеют десятки и даже сотни изомеров. Чем больше атомов углерода содержится в соединении, тем труднее определить его количество. Поэтому для этого используется не прямой счет, а специальный рекурсивный метод.

Алканы, содержащие более 15 атомов углерода, при нормальных условиях находятся в твердом агрегатном состоянии. У них могут быть тысячи и миллионы структурных изомеров. Самый длинный насыщенный углеводород, выделенный в отдельном состоянии, в настоящее время — это неаконтатрикан, вещество с химической формулой C390H782. Впервые он был синтезирован в 1985 году в Англии. Для этого химики И. Бидд и М.К. Уайтинг провели следующие реакции:

• длинноцепочечные альдегиды, обработанные илидами фосфора (реагенты Виттига) с образованием ненасыщенного углеводорода с 390 атомами углерода в скелете;
• полученный продукт реакции восстанавливали водородом.

В настоящее время нонаконатрикан используется в качестве модельного вещества в научных исследованиях, связанных с изучением кристаллизации полиэтилена. Возможно, в будущем алканы с большим числом атомов углерода будут выделены и способы их использования будут еще более интересными.

Физические и химические свойства

Молекулы алканов содержат связи низкой полярности. По этой причине атомы в молекулах не имеют значительных зарядов, в результате молекулы слабо притягиваются друг к другу. Эта особенность объясняет тот факт, что алканы могут иметь следующие агрегатные состояния:

• газ;
• летучая жидкость;
• твердое легкоплавкое вещество.

Примечание

Газообразные углеводороды при смешивании образуют природный газ. Начиная с n = 16 алканы твердые. Очищенные твердые насыщенные углеводороды называют «парафином».

Неполярные углеводороды практически нерастворимы в полярных растворителях, таких как вода, однако они хорошо растворяются в неполярных растворителях. Примером такого растворителя является смесь жидких алканов в виде бензина и керосина. В природе материалом в виде смеси углеводородов является нефть. Это соединение содержит алканы и циклоалканы. В результате очистки масла перегонкой масла под воздействием температуры получаем:

1. попутный нефтяной газ;
2. смесь жидких алканов в виде бензина и керосина;
3. твердые алканы (асфальт, парафин);
4. прочие нефтепродукты.

Алканы — это насыщенные углеводороды. По этой причине соединения не подвергаются химическим реакциям присоединения.

Химические свойства алканов заключаются в их способности вступать в следующие реакции:

• разложение;
• замена;
• окисление.

Разрыв слабополярных связей C — H достигается только по гомолитическому механизму. В результате образуются свободные радикалы. Следовательно, алканы вступают только в радикальные реакции. Вещества устойчивы к сильным окислителям, в том числе KMnO4, K2Cr2O7, не вступают в реакцию с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой (раствор брома в воде).