Алкани: загальні відомості. Фізичні і хімічні властивості алканів
Граничні вуглеводні - це такі сполуки, які являють собою молекули, що складаються з атомів вуглецю, що знаходяться в стані гібридизації sp3. Вони пов'язані між собою виключно ковалентними сигма-зв'язками. Назва «граничні» або «насичені» вуглеводні виходить з того факту, що ці сполуки не мають можливості приєднувати будь-які атоми. Вони граничних, повністю насичені. Виняток становлять Циклоалкани.
Що таке алкани?
Алкани - це вуглеводні граничні, а їх вуглецевий ланцюг незамкнута і складається з атомів вуглецю, пов'язаних між собою за допомогою одинарних зв'язків. Вона не містить інших (тобто подвійних, як у алкенів, або ж потрійних, як у алкілів) зв'язків. Алкани також називають парафинами. Цю назву вони отримали, так як загальновідомі парафіни є сумішшю переважно даних граничних вуглеводнів С18-З35 з особливою інертністю.
Загальні відомості про алканах і їх радикалах
Їх формула: СnР2n+2, тут n більше або дорівнює 1. Молярна маса обчислюється за формулою: М = 14n + 2. Характерна особливість: закінчення в їхніх назвах - «ан». Залишки їх молекул, які утворюються в результаті заміщення водневих атомів на інші атоми, мають назву аліфатичних радикалів, або алкілів. Їх позначають буквою R. Загальна формула одновалентних аліфатичних радикалів: ЗnР2n+1, тут n більше або дорівнює 1. Молярна маса аліфатичних радикалів обчислюється за формулою: М = 14n + 1. Характерна особливість аліфатичних радикалів: закінчення в назвах «-іл». Молекули алканів мають свої особливості будови:
- зв'язок С-С характеризується довжиною 0,154 нм;
- зв'язок С-Н характеризується довжиною 0,109 нм;
- валентний кут (кут між зв'язками вуглець-вуглець) дорівнює 109 градусів і 28 хвилин.
Починають гомологічний ряд алкани: метан, етан, пропан, бутан і так далі.
Фізичні властивості алканів
Алкани - це речовини, які не мають кольору і нерозчинні у воді. Температура, при якій алкани починають плавитися, і температура, при якій вони закипають, підвищуються відповідно до збільшення молекулярної маси і довжини вуглеводневого ланцюга. Від менш розгалужених до більш розгалуженим алканами температури кипіння і плавлення знижуються. Газоподібні алкани здатні горіти блідо-блакитним або безбарвним полум'ям, при цьому виділяється досить багато тепла. СН4-З4Н10 являють собою гази, у яких відсутній також і запах. З5Н12-З15Н32 - це рідини, які володіють специфічним запахом. З15Н32 і так далі - це тверді речовини, які також не мають запаху.
Хімічні властивості алканів
Дані сполуки є малоактивними в хімічному плані, що можна пояснити міцністю трудноразриваемих сигма-зв'язків - С-С і С-Н. Також варто враховувати, що зв'язки С-С неполярних, а С-Н малополярни. Це малополярізуемие види зв'язків, що відносяться до сигма-увазі і, відповідно, розриватися по найбільшої ймовірності вони стануть по механізму гомолитического, в результаті чого будуть утворюватися радикали. Таким чином, хімічні властивості алканів в основному обмежуються реакціями радикального заміщення.
Реакції нітрування
Алкани взаємодіють тільки з азотною кислотою з концентрацією 10% або з оксидом чотирьохвалентного азоту в газовому середовищі при температурі 140 ° С. Реакція нітрування алканів носить назву реакції Коновалова. В результаті утворюються нитросоединения і вода: CH4 + азотна кислота (Розбавлена) = CH3 - NO2 (Нитрометан) + вода.
Реакції горіння
Граничні вуглеводні дуже часто застосовуються як паливо, що обгрунтовано їх здатністю до горіння: ЗnР2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O2 = (N + 1) H2O + n СО2.
Реакції окислення
В хімічні властивості алканів також входить їх здатність до окислення. Залежно від того, які умови супроводжують реакцію і як їх змінюють, можна з одного і того ж речовини отримати різні кінцеві продукти. М'яке окислення метану киснем при наявності каталізатора, прискорюючого реакцію, і температури близько 200 ° С може дати в результаті такі речовини:
1) 2СН4 (Окислення киснем) = 2СН3ВІН (спирт - метанол).
2) СН4 (Окислення киснем) = СН2О (альдегід - метаналь або формальдегід) + Н2О.
3) 2СН4 (Окислення киснем) = 2НСООН (карбонова кислота - метанова або мурашина) + 2Н2О.
Також окислення алканів може проводитися в газоподібному або рідкому середовищі повітрям. Такі реакції призводять до утворення вищих жирних спиртів і відповідних кислот.
Ставлення до нагрівання
При температурах, що не перевищують + 150-250 ° С, обов'язково в присутності каталізатора, відбувається структурна перебудова органічних речовин, яка полягає в зміні порядку з'єднання атомів. Даний процес називається ізомеризацією, а речовини, отримані в результаті реакції - изомерами. Таким чином, з нормального бутану виходить його ізомер - изобутан. При температурах 300-600 ° С і наявності каталізатора відбувається розрив зв'язків С-Н з утворенням молекул водню (реакції дегідрування), молекул водню з замиканням вуглецевого ланцюга в цикл (реакції циклізації або ароматизації алканів):
1) 2СН4 = С2Н4 (Етен) + 2Н2.
2) 2СН4 = С2Н2 (Етін) + 3Н2.
3) З7Н16 (Нормальний гептан) = С6Н5 - СН3 (Толуол) + 4Н2.
Реакції галогенування
Такі реакції полягають у введенні в молекулу органічної речовини галогенів (їх атомів), в результаті чого утворюється зв'язок С-галоген. При взаємодії алканів з галогенами утворюються галогенпохідних. Дана реакція має специфічними особливостями. Вона протікає по механізму радикальному, і щоб її проініціювати, необхідно на суміш галогенів і алканів впливати ультрафіолетовим випромінюванням або ж просто нагріти її. Властивості алканів дозволяють реакції галогенування протікати, поки не буде досягнуто повне заміщення на атоми галогену. Тобто хлорування метану не закінчиться однією стадією та отриманням метилхлорида. Реакція піде далі, будуть утворюватися всі можливі продукти заміщення, починаючи з хлорметана і закінчуючи тетрахлорметаном. Вплив хлору за даних умов на інші алкани призведе до утворення різних продуктів, отриманих в результаті заміщення водню в різних атомів вуглецю. Від температури, при якій йде реакція, залежатиме співвідношення кінцевих продуктів і швидкість їх утворення. Чим довше вуглеводнева ланцюг алкана, тим легше буде йти дана реакція. При Галогенування спочатку буде заміщатися атом вуглецю найменш гідрування (третинний). Первинний вступить в реакцію після всіх інших. Реакція галогенування відбуватиметься поетапно. На першому етапі замістити тільки один атом водню. C розчинами галогенів (хлорного і бромной водою) алкани не взаємодіють.
Реакції сульфохлорування
Хімічні властивості алканів також доповнюються реакцією сульфохлорування (вона носить назву реакції Ріда). При впливі ультрафіолетового випромінювання алкани здатні реагувати з сумішшю хлору і діоксиду сірки. В результаті утворюється хлороводень, а також алкільний радикал, який приєднує до себе діоксид сірки. У результаті виходить складне з'єднання, яке стає стабільним завдяки захопленню атома хлору і руйнування черговий його молекули: RH + SO2 + Cl2 + ультрафіолетове випромінювання = R-SO2Cl + HCl. Утворилися в результаті реакції сульфонілхлоріди знаходять широке застосування у виробництві поверхнево-активних речовин.
