알칸의 방향족화 예. 알칸 - 명명법, 준비, 화학적 특성. 알칸의 화학적 성질

알칸의 구조

알칸은 원자가 단일 결합으로 연결되어 있고 일반식에 해당하는 분자의 탄화수소입니다. C n H 2n+2. 알칸 분자에서는 모든 탄소 원자가 다음 상태에 있습니다. sp 3 -혼성화.

이는 탄소 원자의 4개 혼성 궤도가 모두 모양과 에너지가 동일하고 정삼각형 피라미드의 모서리를 향하고 있음을 의미합니다. 사면체. 궤도 사이의 각도는 109° 28′입니다. 단일 탄소-탄소 결합 주위에서는 거의 자유로운 회전이 가능하며, 알칸 분자는 예를 들어 n-펜탄 분자에서 사면체(109° 28')에 가까운 탄소 원자에서 각도를 갖는 다양한 모양을 취할 수 있습니다.

특히 알칸 분자의 결합을 기억해 볼 가치가 있습니다. 포화 탄화수소 분자의 모든 결합은 단일 결합입니다. 중첩은 원자핵을 연결하는 축을 따라 발생합니다. σ 채권. 탄소-탄소 결합은 비극성이며 분극성이 낮습니다. 알칸의 C-C 결합 길이는 0.154 nm(1.54 10 10 m)입니다. C-H 결합은 다소 짧습니다. 전자 밀도는 전기 음성도가 더 높은 탄소 원자 쪽으로 약간 이동합니다. 즉, C-H 결합은 다음과 같습니다. 약한 극성.

메탄의 동종 계열

동족체- 구조와 성질이 유사하고 성질이 다른 물질 하나 이상의 CH 그룹 2 .

포화 탄화수소메탄의 동종 계열을 구성합니다.

알칸의 이성질체와 명명법

알칸의 특징은 소위 구조적 이성질체. 구조 이성질체는 탄소 골격의 구조가 서로 다릅니다. 구조 이성질체를 특징으로 하는 가장 단순한 알칸은 부탄입니다.

알칸의 기본 명명법을 더 자세히 고려해 보겠습니다. IUPAC.

1. 주회로선정. 탄화수소 이름의 형성은 분자에서 가장 긴 탄소 원자 사슬, 즉 기본 사슬의 정의로 시작됩니다.

2. 주쇄 원자의 번호 매기기. 주 사슬의 원자에는 번호가 지정되어 있습니다. 주쇄 원자의 번호 매기기는 치환기가 가장 가까운 끝(구조 A, B)부터 시작됩니다. 치환기가 사슬 끝에서 동일한 거리에 위치하는 경우 번호 매기기는 더 많은 치환기가 있는 끝부터 시작됩니다(구조 B). 서로 다른 치환기가 사슬의 끝에서 동일한 거리에 위치하는 경우, 번호 매기기는 상위 치환기가 가장 가까운 끝부터 시작됩니다(구조 D). 탄화수소 치환기의 서열은 이름이 시작되는 문자가 알파벳으로 나타나는 순서에 따라 결정됩니다: 메틸(-CH 3), 프로필(-CH 2 -CH 2 -CH 3), 에틸(-CH 2) -CH 3 ) 등

치환기의 이름은 해당 알칸의 이름에서 접미사 -ane을 접미사 -yl로 대체하여 형성됩니다.

3. 이름의 형성. 이름의 시작 부분에는 치환기가 위치한 탄소 원자의 수인 숫자가 표시됩니다. 주어진 원자에 여러 개의 치환기가 있는 경우 이름의 해당 숫자가 쉼표(2,2-)로 구분되어 두 번 반복됩니다. 숫자 뒤의 하이픈은 치환기 수(디-2, 3-3, 테트라-4, 펜타-5)와 치환기 이름(메틸, 에틸, 프로필)을 나타냅니다. 그런 다음 공백이나 하이픈 없이 메인 체인의 이름을 입력합니다. 주 사슬은 메탄(메탄, 에탄, 프로판 등)의 동종 계열의 구성원인 탄화수소라고 합니다.

위에 주어진 구조식을 갖는 물질의 이름은 다음과 같습니다.

구조 A: 2-메틸프로판;

구조 B: 3-에틸헥산;

구조 B: 2,2,4-트리메틸펜탄;

구조 D: 2-메틸 4-에틸헥산.

분자에 포화 탄화수소가 없음 극성 결합그들에게로 이어진다 물에 잘 녹지 않음, 하전입자(이온)와 상호작용하지 않음. 알칸에 대한 가장 특징적인 반응은 다음과 같습니다. 자유 라디칼.

알칸의 물리적 특성

메탄의 동종 계열의 처음 4개 대표자는 다음과 같습니다. 가스. 가장 간단한 것은 무색, 무미, 무취의 가스인 메탄입니다("가스"의 냄새는 냄새를 맡을 때 04로 전화해야 하며, 사용된 메탄에 특별히 첨가된 황 함유 화합물인 메르캅탄의 냄새에 따라 결정됩니다). 옆에 있는 사람이 냄새로 누출을 감지할 수 있도록 가정용 및 산업용 가스 기기에 사용합니다.

다음의 구성 탄화수소 와 함께 5 N 12 ~ 전에 와 함께 15 N 32 - 액체; 더 무거운 탄화수소는 고체입니다. 알칸의 끓는점과 녹는점은 탄소 사슬 길이가 증가함에 따라 점차 증가합니다. 모든 탄화수소는 물에 잘 녹지 않습니다. 액체 탄화수소는 일반적인 유기 용매입니다.

알칸의 화학적 성질

대체 반응.

알칸의 가장 특징적인 반응은 다음과 같습니다. 자유라디칼 치환, 그 동안 수소 원자는 할로겐 원자 또는 일부 그룹으로 대체됩니다.

특성방정식을 제시해보자 할로겐화 반응:

할로겐이 과잉인 경우 염소화가 더 진행될 수 있습니다. 모든 수소 원자가 염소로 완전히 대체될 때까지:

생성된 물질은 유기 합성에서 용매 및 출발 물질로 널리 사용됩니다.

탈수소 반응(수소 추출).

알칸이 고온(400~600°C)에서 촉매(Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) 위를 통과하면 수소 분자가 제거되고 알켄:

탄소 사슬의 파괴를 동반하는 반응. 모든 포화 탄화수소 불타고있다이산화탄소와 물의 형성으로. 특정 비율로 공기와 혼합된 기체 탄화수소는 폭발할 수 있습니다.

1. 포화 탄화수소의 연소자유 라디칼 발열 반응은 알칸을 연료로 사용할 때 매우 중요합니다.

일반적으로 알칸의 연소 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

2. 탄화수소의 열분해.

절차는 다음과 같이 진행됩니다. 자유 라디칼 메커니즘. 온도가 증가하면 탄소-탄소 결합이 균일하게 절단되고 자유 라디칼이 형성됩니다.

이 라디칼은 서로 상호 작용하여 수소 원자를 교환하여 분자를 형성합니다. 알칸과 알켄 분자:

열분해 반응은 산업 공정의 기초가 됩니다. 탄화수소 분해. 이 과정은 정유의 가장 중요한 단계입니다.

3. 열분해. 메탄을 1000°C의 온도로 가열하면, 메탄 열분해- 단순 물질로 분해:

1500°C의 온도로 가열하면 다음과 같은 물질이 형성됩니다. 아세틸렌:

4. 이성질체화. 선형 탄화수소를 이성질화 촉매(염화알루미늄)로 가열하면 다음과 같은 물질이 생성됩니다. 가지형 탄소 골격:

5. 방향화. 사슬에 6개 이상의 탄소 원자를 가진 알칸은 촉매 존재 하에서 고리화되어 벤젠과 그 유도체를 형성합니다.

알칸 분자의 모든 탄소 원자가 sp 3 혼성화 상태에 있기 때문에 알칸은 자유 라디칼 메커니즘에 따라 진행되는 반응에 들어갑니다. 이들 물질의 분자는 공유 비극성 C-C(탄소-탄소) 결합과 약한 극성 C-H(탄소-수소) 결합을 사용하여 만들어집니다. 여기에는 전자 밀도가 증가하거나 감소한 영역이나 쉽게 분극 가능한 결합, 즉 외부 요인(이온의 정전기장)의 영향으로 전자 밀도가 이동할 수 있는 결합이 포함되어 있지 않습니다. 결과적으로, 알칸 분자의 결합은 이종분해 메커니즘에 의해 깨지지 않기 때문에 알칸은 하전 입자와 반응하지 않습니다.

알칸- 포화 (포화) 탄화수소. 이 클래스의 대표자는 메탄 ( 채널 4). 이후의 모든 포화 탄화수소는 다음과 같이 다릅니다. 채널 2- 상동성 그룹이라 불리는 그룹, 화합물을 상동성 그룹이라고 합니다.

일반식 - 와 함께N시간 2 N +2 .

알칸의 구조.

각 탄소 원자는 sp 3- 혼성화, 형태 4 σ - 통신 (1 봄 여름 시즌그리고 3 S-N). 분자의 모양은 각도가 109.5°인 사면체 형태입니다.

결합은 하이브리드 오비탈의 중첩을 통해 형성되며, 최대 중첩 면적은 원자핵을 연결하는 직선상의 공간에 있습니다. 이것이 가장 효율적인 중첩이므로 σ 결합이 가장 강한 것으로 간주됩니다.

알칸의 이성질체.

을 위한 알칸탄소 골격의 이성질체가 특징적입니다. 제한 연결은 연결 사이의 각도를 유지하면서 다양한 기하학적 모양을 취할 수 있습니다. 예를 들어,

탄소 사슬의 서로 다른 위치를 형태라고 합니다. 정상적인 조건에서 알칸의 형태는 C-C 결합의 회전을 통해 서로 자유롭게 변형되며, 이것이 회전 이성질체라고 불리는 이유입니다. 2가지 주요 형태가 있습니다 - "억제된" 및 "가림된":

알칸 탄소 골격의 이성질체.

탄소 사슬 성장이 증가함에 따라 이성질체의 수가 증가합니다. 예를 들어 부탄에는 2개의 이성질체가 있습니다.

펜탄의 경우 - 3, 헵탄의 경우 - 9 등

분자라면 알칸양성자(수소 원자) 하나를 빼면 라디칼이 됩니다.

알칸의 물리적 특성.

정상적인 조건에서 - C1-C4- 가스 , 5일부터 17일까지- 액체 및 탄소수 18개 이상의 탄화수소 - 고체.

사슬이 성장함에 따라 끓는점과 녹는점이 증가합니다. 분지형 알칸은 일반 알칸보다 끓는점이 낮습니다.

알칸물에는 녹지 않으나 비극성 유기용매에는 녹는다. 서로 쉽게 섞으세요.

알칸의 준비.

알칸 생산을 위한 합성 방법:

1. 불포화 탄화수소에서 - "수소화" 반응은 촉매(니켈, 백금)의 영향과 다음 온도에서 발생합니다.

2. 할로겐 유도체로부터 - 부르츠 반응: 모노할로알칸과 나트륨 금속의 상호작용으로 인해 사슬의 탄소 원자 수가 두 배인 알칸이 생성됩니다.

3. 카르복실산 염에서. 염이 알칼리와 반응하면 원래 카르복실산에 비해 탄소 원자가 1개 적은 알칸이 생성됩니다.

4. 메탄 생산. 수소 대기의 전기 아크에서:

C + 2H 2 = CH 4.

실험실에서는 다음과 같이 메탄을 얻습니다.

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4Al(OH) 3.

알칸의 화학적 성질.

정상적인 조건에서 알칸은 화학적으로 불활성 화합물이며 진한 황산 및 질산, 진한 알칼리 또는 과망간산 칼륨과 반응하지 않습니다.

안정성은 결합의 강도와 비극성에 의해 설명됩니다.

화합물은 결합 파괴 반응(부가 반응)을 일으키지 않으며 치환을 특징으로 합니다.

1. 알칸의 할로겐화. 가벼운 양자의 영향으로 알칸의 라디칼 치환(염소화)이 시작됩니다. 일반 계획:

반응은 다음과 같은 연쇄 메커니즘을 따릅니다.

A) 회로 시작:

B) 연쇄 성장:

B) 개방 회로:

전체적으로 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

2. 알칸의 질산화(Konovalov 반응). 반응은 140°C에서 발생합니다.

반응은 1차 및 2차 탄소 원자보다 3차 탄소 원자에서 가장 쉽게 진행됩니다.

3. 알칸의 이성질체화. 특정 조건에서 일반 구조의 알칸은 가지형 구조로 변형될 수 있습니다.

4. 알칸 분해. 고온과 촉매의 작용으로 고급 알칸은 결합을 깨뜨려 알켄과 저급 알칸을 형성할 수 있습니다.

5. 알칸의 산화. 다양한 조건과 다양한 촉매를 사용하면 알칸 산화로 인해 알코올, 알데히드(케톤) 및 아세트산이 형성될 수 있습니다. 완전 산화 조건에서 반응은 물과 이산화탄소가 형성될 때까지 완료됩니다.

알칸의 응용.

알칸은 산업, 석유, 연료 등의 합성에서 폭넓게 응용되고 있습니다.

알칸의 구조

가장 간단한 알칸(메탄, 에탄, 프로판)의 화학 구조(분자 내 원자 연결 순서)는 섹션 2에 주어진 구조식으로 표시됩니다. 이 공식을 통해 두 가지 유형의 화학 결합이 있음이 분명합니다. 알칸:

S–S 및 S–N.

C-C 결합은 공유 비극성 결합입니다. C-H 결합은 공유결합이고 극성이 약합니다. 탄소와 수소의 전기음성도는 비슷합니다(탄소는 2.5, 수소는 2.1). 탄소와 수소 원자의 공유 전자쌍으로 인한 알칸의 공유 결합 형성은 전자 공식을 사용하여 표시할 수 있습니다.

전자 및 구조식은 화학 구조를 반영하지만 물질의 특성에 큰 영향을 미치는 분자의 공간 구조에 대한 아이디어를 제공하지 않습니다.

공간 구조, 즉 공간에서 분자 원자의 상대적 배열은 이들 원자의 원자 궤도(AO) 방향에 따라 달라집니다. 탄화수소에서 주요 역할은 탄소 원자 궤도의 공간적 방향에 의해 수행됩니다. 왜냐하면 수소 원자의 구형 1s-AO에는 특정 방향이 없기 때문입니다.

탄소 AO의 공간 배열은 하이브리드화 유형에 따라 달라집니다(1부, 섹션 4.3). 알칸의 포화 탄소 원자는 4개의 다른 원자와 결합되어 있습니다. 따라서 그 상태는 sp3 혼성화에 해당합니다(파트 I, 섹션 4.3.1). 이 경우, 4개의 sp3-하이브리드 탄소 AO 각각은 수소의 s-AO 또는 다른 탄소 원자의 sp3-AO와 축 방향(σ-) 중첩에 참여하여 σ-CH 또는 C-C 결합을 형성합니다.

탄소의 4개의 σ 결합은 공간에서 109°28"의 각도로 향하며 이는 전자의 최소 반발력에 해당합니다. 따라서 가장 간단한 알칸 대표 분자인 메탄 CH4는 사면체 모양을 갖습니다. 중앙에는 탄소 원자가 있고 꼭지점에는 수소 원자가 있습니다.

H-C-H 결합각은 109°28"입니다. 메탄의 공간 구조는 체적(규모) 모델과 볼-스틱 모델을 사용하여 표시할 수 있습니다.

녹음에는 공간(입체화학적) 공식을 사용하는 것이 편리합니다.

다음 동족체인 에탄 C2H6의 분자에서는 두 개의 사면체 sp3 탄소 원자가 더 복잡한 공간 구조를 형성합니다.

2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 알칸 분자는 곡선 모양을 특징으로 합니다. 이는 n-부탄(VRML 모델) 또는 n-펜탄의 예를 사용하여 표시할 수 있습니다.

알칸의 이성질체

이성질체 현상은 동일한 조성(동일한 분자식)을 가지지만 구조가 다른 화합물이 존재하는 현상입니다. 이러한 연결을 호출합니다. 이성질체.

원자가 분자로 결합되는 순서(즉, 화학 구조)의 차이로 인해 구조적 이성질체. 구조 이성질체의 구조는 구조식에 반영됩니다. 일련의 알칸에서 구조 이성질체는 사슬에 4개 이상의 탄소 원자가 포함될 때 나타납니다. 부탄 C 4 H 10으로 시작합니다. 동일한 조성과 동일한 화학 구조의 분자에서 공간에서 원자의 상대적인 위치가 다를 수 있다면 우리는 관찰합니다. 공간 이성질체 현상 (입체 이성질체 현상). 이 경우 구조식을 사용하는 것만으로는 충분하지 않으며 분자 모델이나 특수 공식(입체화학(공간) 또는 투영)을 사용해야 합니다.

에탄 H 3 C–CH 3로 시작하는 알칸은 다양한 공간 형태로 존재합니다( 형태), C-C σ 결합을 따른 분자 내 회전으로 인해 발생하며 소위 회전(구조) 이성질체.

또한 분자가 4개의 서로 다른 치환기에 결합된 탄소 원자를 포함하는 경우 두 개의 입체 이성질체가 서로 물체와 거울상으로 관련될 때(왼쪽 손이 오른쪽과 관련되는 방식과 유사) 또 다른 유형의 공간 이성질체가 가능합니다. . 이러한 분자 구조의 차이를 다음과 같이 부릅니다. 광학 이성질체.

. 알칸의 구조적 이성질체

구조 이성질체는 원자 결합 순서가 다른 동일한 조성의 화합물입니다. 분자의 화학 구조.

일련의 알칸에서 구조적 이성질체가 나타나는 이유는 탄소 원자가 다른 구조의 사슬을 형성하는 능력 때문입니다. 이러한 유형의 구조적 이성질체를 호출합니다. 탄소골격 이성질체.

예를 들어, C 4 H 10 조성의 알칸은 다음과 같은 형태로 존재할 수 있습니다. 둘구조 이성질체:

및 알칸 C 5 H 12 - 형태로 삼탄소 사슬의 구조가 다른 구조 이성질체:

분자의 탄소 원자 수가 증가하면 사슬 분기 가능성이 증가합니다. 이성질체의 수는 탄소 원자의 수에 따라 증가합니다.

구조 이성질체는 물리적 특성이 다릅니다. 분지 구조를 가진 알칸은 분자의 밀도가 낮고 그에 따른 분자간 상호 작용이 더 작기 때문에 분지되지 않은 이성질체보다 낮은 온도에서 끓습니다.

이성질체의 구조식을 구성하는 기술

알칸의 예를 살펴보자 와 함께 6 N 14 .

1. 먼저, 선형 이성질체 분자(탄소 골격)를 묘사합니다.

2. 그런 다음 사슬을 탄소 원자 1개만큼 단축하고 이 원자를 극단 위치를 제외하고 사슬의 모든 탄소 원자에 가지로 부착합니다.

(2) 또는 (3)

탄소 원자를 극단 위치 중 하나에 부착하면 사슬의 화학 구조가 변하지 않습니다.

또한, 반복이 없는지 확인해야 합니다. 따라서 구조는 구조(2)와 동일하다.

3. 주 사슬의 모든 위치가 소진되면 사슬을 또 다른 탄소 원자 1개만큼 단축합니다.

이제 곁가지에는 2개의 탄소 원자가 있게 됩니다. 여기서는 다음과 같은 원자 조합이 가능합니다.

측면 치환체는 직렬로 연결된 2개 이상의 탄소 원자로 구성될 수 있지만 헥산의 경우 이러한 측면 가지를 가진 이성질체가 없으며 구조는 구조 (3)과 동일합니다.

측면 치환기 - C-C는 5개 이상의 탄소 원자를 포함하는 사슬에만 위치할 수 있으며 사슬 끝에서 3번째 이상의 원자에만 부착될 수 있습니다.

4. 이성질체의 탄소 골격을 구성한 후에는 탄소가 4가라는 점을 고려하여 분자의 모든 탄소 원자에 수소 결합을 보충해야 합니다.

그래서 구성은 와 함께 6 N 14 5개 이성질체에 해당: 1) 2) 3) 4) 5)

과량의 알칼리로 아세트산의 나트륨 염 (아세트산 나트륨)을 가열하면 카르복실기가 제거되고 메탄이 형성됩니다.

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

아세트산 나트륨 대신 프로피온산 나트륨을 섭취하면 부타노산 나트륨-프로판 등에서 에탄이 형성됩니다.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. 부르츠 합성. 할로알칸이 알칼리 금속 나트륨과 상호 작용하면 포화 탄화수소와 알칼리 금속 할로겐화물이 형성됩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

할로카본 혼합물(예: 브로모에탄 및 브로모메탄)에 알칼리 금속이 작용하면 알칸 혼합물(에탄, 프로판 및 부탄)이 형성됩니다.

Wurtz 합성의 기초가 되는 반응은 할로겐 원자가 1차 탄소 원자에 결합된 분자의 할로알칸을 통해서만 잘 진행됩니다.

6. 탄화물의 가수분해. -4 산화 상태의 탄소를 함유한 일부 탄화물(예: 탄화알루미늄)을 물로 처리하면 메탄이 생성됩니다.

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 물리적 특성

동종 메탄 계열의 처음 4개 대표자는 가스입니다. 그 중 가장 간단한 것은 메탄입니다 - 색, 맛 및 냄새가 없는 가스입니다 (04로 전화해야 하는 "가스"의 냄새는 메르캅탄의 냄새에 의해 결정됩니다 - 가정에서 사용되는 메탄에 특별히 첨가된 황 함유 화합물) 근처에 있는 사람이 냄새로 누출을 감지할 수 있도록 하기 위한 것입니다.

C5H12에서 C15H32까지의 탄화수소는 액체이고, 더 무거운 탄화수소는 고체입니다.

알칸의 끓는점과 녹는점은 탄소 사슬 길이가 증가함에 따라 점차 증가합니다. 모든 탄화수소는 물에 잘 녹지 않습니다. 액체 탄화수소는 일반적인 유기 용매입니다.

화학적 특성

1. 대체 반응. 알칸에 대한 가장 특징적인 반응은 자유 라디칼 치환 반응으로, 이 동안 수소 원자는 할로겐 원자 또는 일부 그룹으로 대체됩니다.

가장 특징적인 반응의 방정식을 제시해 보겠습니다.

할로겐화:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

할로겐이 과잉인 경우 염소화는 모든 수소 원자가 염소로 완전히 대체될 때까지 진행될 수 있습니다.

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
디클로로메탄 염화메틸렌

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
트리클로로메탄 클로로포름

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
사염화탄소 사염화탄소

생성된 물질은 유기 합성에서 용매 및 출발 물질로 널리 사용됩니다.

2. 탈수소화(수소 제거). 알칸이 고온(400~600°C)에서 촉매(Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) 위를 통과하면 수소 분자가 제거되고 알켄이 형성됩니다.

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. 탄소 사슬의 파괴를 동반하는 반응. 모든 포화 탄화수소는 연소되어 이산화탄소와 물을 형성합니다. 특정 비율로 공기와 혼합된 기체 탄화수소는 폭발할 수 있습니다. 포화 탄화수소의 연소는 자유 라디칼 발열 반응이며, 이는 알칸을 연료로 사용할 때 매우 중요합니다.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ

일반적으로 알칸의 연소 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

열분해 반응은 탄화수소 분해의 산업 공정의 기초가 됩니다. 이 과정은 정유의 가장 중요한 단계입니다.

메탄이 1000 ° C의 온도로 가열되면 메탄 열분해가 시작되어 단순 물질로 분해됩니다. 1500 °C의 온도로 가열하면 아세틸렌이 형성될 수 있습니다.

4. 이성질체화. 선형 탄화수소를 이성질화 촉매(염화알루미늄)로 가열하면 가지형 탄소 골격을 가진 물질이 형성됩니다.

5. 향료. 사슬에 6개 이상의 탄소 원자를 가진 알칸은 촉매 존재 하에서 고리화되어 벤젠과 그 유도체를 형성합니다.

알칸이 자유 라디칼 반응을 일으키는 이유는 무엇입니까? 알칸 분자의 모든 탄소 원자는 sp 3 혼성화 상태에 있습니다. 이들 물질의 분자는 공유 비극성 C-C(탄소-탄소) 결합과 약한 극성 C-H(탄소-수소) 결합을 사용하여 만들어집니다. 여기에는 전자 밀도가 증가하거나 감소한 영역이나 쉽게 분극 가능한 결합, 즉 외부 영향(이온의 정전기장)의 영향으로 전자 밀도가 이동할 수 있는 결합이 포함되어 있지 않습니다. 결과적으로, 알칸 분자의 결합은 이종분해 메커니즘에 의해 깨지지 않기 때문에 알칸은 하전 입자와 반응하지 않습니다.

알칸의 가장 특징적인 반응은 자유 라디칼 치환 반응입니다. 이러한 반응 중에 수소 원자는 할로겐 원자 또는 일부 그룹으로 대체됩니다.

자유 라디칼 연쇄 반응의 동역학 및 메커니즘, 즉 자유 라디칼의 영향으로 발생하는 반응(홀전자가 있는 입자)은 뛰어난 러시아 화학자 N. N. Semenov에 의해 연구되었습니다. 이 연구로 그는 노벨 화학상을 받았습니다.

일반적으로 자유 라디칼 치환 반응의 메커니즘은 세 가지 주요 단계로 표시됩니다.

1. 개시(사슬의 핵형성, 에너지원의 영향으로 자유 라디칼 형성 - 자외선, 가열).

2. 사슬 발달(자유 라디칼과 비활성 분자의 연속적인 상호 작용 사슬로 인해 새로운 라디칼과 새로운 분자가 형성됨).

3. 사슬 종료(자유 라디칼이 비활성 분자로 결합(재결합), 라디칼의 "사멸", 일련의 반응 발달 중단).

N.N.의 과학 연구 세메노프

세메노프 니콜라이 니콜라예비치

(1896 - 1986)

소련의 물리학자이자 물리화학자, 학자. 노벨상 수상자(1956년). 과학 연구는 화학 공정, 촉매 작용, 연쇄 반응, 열 폭발 이론 및 가스 혼합물의 연소에 대한 연구와 관련됩니다.

메탄 염소화 반응의 예를 사용하여 이 메커니즘을 고려해 보겠습니다.

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

사슬 개시는 자외선 조사 또는 가열의 영향으로 Cl-Cl 결합의 균일 절단이 발생하고 염소 분자가 원자로 분해된다는 사실의 결과로 발생합니다.

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

그 결과로 발생하는 자유 라디칼은 메탄 분자를 공격하여 수소 원자를 떼어냅니다.

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

CH3· 라디칼로 변환되고, 이는 다시 염소 분자와 충돌하여 새로운 라디칼이 형성되면서 염소 분자를 파괴합니다.

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl 등

체인이 발전합니다.

라디칼의 형성과 함께 두 라디칼로부터 비활성 분자가 형성되는 재조합 과정의 결과로 "죽음"이 발생합니다.

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

재결합 중에는 새로 형성된 결합을 끊는 데 필요한 만큼의 에너지만 방출된다는 점은 흥미롭습니다. 이와 관련하여, 과도한 에너지를 흡수하는 두 라디칼의 충돌에 세 번째 입자(또 다른 분자, 반응 용기의 벽)가 참여하는 경우에만 재결합이 가능합니다. 이를 통해 자유 라디칼 연쇄 반응을 조절하고 심지어 중지할 수도 있습니다.

재조합 반응의 마지막 예인 에탄 분자의 형성에 주목하십시오. 이 예는 유기 화합물과 관련된 반응이 다소 복잡한 공정이며 그 결과 주요 반응 생성물과 함께 부산물이 매우 자주 형성되므로 복잡하고 값비싼 정제 방법을 개발할 필요가 있음을 보여줍니다. 및 표적물질의 분리.

메탄의 염소화에서 얻은 반응 혼합물은 클로로메탄(CH3Cl) 및 염화수소와 함께 디클로로메탄(CH2Cl2), 트리클로로메탄(CHCl3), 사염화탄소(CCl4), 에탄 및 염소화 생성물을 포함합니다.

이제 더 복잡한 유기 화합물인 프로판의 할로겐화 반응(예: 브롬화)을 고려해 보겠습니다.

메탄 염소화의 경우 하나의 모노클로로 유도체만 가능하다면 이 반응에서 두 개의 모노브로모 유도체가 형성될 수 있습니다.

첫 번째 경우에는 수소 원자가 1차 탄소 원자에서 대체되고 두 번째 경우에는 2차 탄소 원자에서 대체되는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 반응의 속도는 동일합니까? 2차 탄소에 위치한 수소 원자의 치환 생성물, 즉 2-브로모프로판(CH3-CHBg-CH3)이 최종 혼합물에서 우세한 것으로 나타났습니다. 이것을 설명해보자.

이를 위해서는 중간입자의 안정성에 대한 아이디어를 활용해야 할 것이다. 메탄 염소화 반응의 메커니즘을 설명할 때 메틸 라디칼(CH3·)을 언급했다는 사실을 알고 계셨습니까? 이 라디칼은 메탄 CH4와 클로로메탄 CH3Cl 사이의 중간 입자입니다. 프로판과 1-브로모프로판 사이의 중간 입자는 1차 탄소에 짝을 이루지 않은 전자를 갖고, 2차 탄소에 프로판과 2-브로모프로판 사이에 있는 라디칼입니다.

2차 탄소 원자(b)에 짝을 이루지 않은 전자를 가진 라디칼은 1차 탄소 원자(a)에 짝을 이루지 않은 전자를 가진 자유 라디칼에 비해 더 안정적입니다. 더 많은 양으로 형성됩니다. 이러한 이유로 프로판 브롬화 반응의 주요 생성물은 보다 안정적인 중간 종을 통해 형성되는 화합물인 2-브로모프로판입니다.

다음은 자유 라디칼 반응의 몇 가지 예입니다.

니트로화 반응(Konovalov 반응)

이 반응은 니트로 화합물(용매, 많은 합성의 출발 물질)을 얻는 데 사용됩니다.

산소에 의한 알칸의 촉매 산화

이러한 반응은 포화 탄화수소로부터 직접 알데히드, 케톤 및 알코올을 생산하는 가장 중요한 산업 공정의 기초입니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

CH4 + [O] -> CH3OH

애플리케이션

포화 탄화수소, 특히 메탄은 산업계에서 널리 사용됩니다(도식 2). 이는 간단하고 상당히 저렴한 연료이며 수많은 중요한 화합물을 생산하는 데 사용되는 원료입니다.

가장 저렴한 탄화수소 원료인 메탄에서 얻은 화합물은 다른 많은 물질과 재료를 생산하는 데 사용됩니다. 메탄은 암모니아 합성에서 수소 공급원으로 사용될 뿐만 아니라 탄화수소, 알코올, 알데히드 및 ​​기타 유기 화합물의 산업적 합성에 사용되는 합성 가스(CO와 H2의 혼합물)를 생성하는 데에도 사용됩니다.

끓는점이 높은 유분의 탄화수소는 디젤 및 터보제트 엔진의 연료, 윤활유의 기초, 합성 지방 생산의 원료 등으로 사용됩니다.

다음은 메탄의 참여로 발생하는 산업적으로 중요한 몇 가지 반응입니다. 메탄은 클로로포름, 니트로메탄 및 산소 함유 유도체를 생산하는 데 사용됩니다. 알코올, 알데히드, 카르복실산은 반응 조건(촉매, 온도, 압력)에 따라 알칸과 산소의 직접적인 상호 작용에 의해 형성될 수 있습니다.

이미 알고 있듯이 C5H12에서 C11H24까지의 탄화수소는 오일의 가솔린 ​​분율에 포함되며 주로 내연 기관의 연료로 사용됩니다. 휘발유의 가장 귀중한 구성 요소는 폭발 저항이 최대이기 때문에 이성질체 탄화수소로 알려져 있습니다.

탄화수소가 대기 산소와 접촉하면 천천히 과산화물과 같은 화합물을 형성합니다. 이것은 산소 분자에 의해 시작되는 천천히 발생하는 자유 라디칼 반응입니다.

하이드로퍼옥사이드 그룹은 선형 또는 일반 탄화수소에 가장 풍부한 2차 탄소 원자에서 형성됩니다.

압축 행정이 끝날 때 발생하는 압력과 온도의 급격한 증가로 인해 이러한 과산화물 화합물의 분해는 많은 수의 자유 라디칼 형성으로 시작되어 필요보다 일찍 자유 라디칼 연소 연쇄 반응을 "촉발"합니다. 피스톤은 계속 올라가고 혼합물의 조기 점화로 인해 이미 형성된 가솔린의 연소 생성물이 피스톤을 아래로 밀어냅니다. 이로 인해 엔진 출력과 마모가 급격히 감소합니다.

따라서 폭발의 주요 원인은 선형 탄화수소에서 최대 형성 능력인 과산화물 화합물의 존재입니다.

C-헵탄은 가솔린 유분의 탄화수소(C5H14 - C11H24) 중에서 폭발 저항이 가장 낮습니다. 가장 안정적인 것(즉, 최소한의 과산화물을 형성하는 것)은 소위 이소옥탄(2,2,4-트리메틸펜탄)입니다.

휘발유의 노크 저항성에 대해 일반적으로 인정되는 특성은 옥탄가입니다. 옥탄가 92(예: A-92 가솔린)는 이 가솔린이 이소옥탄 92%와 헵탄 8%로 구성된 혼합물과 동일한 특성을 가짐을 의미합니다.

결론적으로, 고옥탄가 가솔린을 사용하면 압축비(압축 행정 종료 시 압력)를 높일 수 있어 내연기관의 출력과 효율이 높아진다고 덧붙일 수 있습니다.

자연 속에 있고 받아들이는 것

오늘 수업에서 여러분은 알칸의 개념을 알게 되었고, 알칸의 화학적 구성과 준비 방법에 대해서도 배웠습니다. 그러므로 이제 자연에 알칸이 존재한다는 주제에 대해 더 자세히 설명하고 알칸이 어떻게, 어디에 적용되는지 알아 보겠습니다.

알칸 생산의 주요 공급원은 천연 가스와 석유입니다. 그들은 대부분의 정유 제품을 구성합니다. 퇴적암 퇴적물에서 흔히 발견되는 메탄은 알칸의 가스 수화물이기도 합니다.

천연가스의 주성분은 메탄이지만, 에탄, 프로판, 부탄도 소량 포함되어 있습니다. 메탄은 석탄층, 늪 및 관련 석유가스의 배출물에서 발견될 수 있습니다.

안칸은 원료탄으로도 얻을 수 있습니다. 자연에는 소위 고체 알칸(오조케라이트)도 있는데, 이는 산 왁스 침전물의 형태로 제공됩니다. 오조케라이트는 밀랍뿐만 아니라 식물이나 씨앗의 왁스 코팅에서 발견될 수 있습니다.

알칸의 산업적 분리는 다행스럽게도 여전히 무궁무진한 천연 자원에서 이루어집니다. 이는 탄소 산화물의 촉매 수소화에 의해 얻어집니다. 메탄은 고체 알칼리로 아세트산나트륨을 가열하거나 특정 탄화물을 가수분해하는 방법을 사용하여 실험실에서 생산할 수도 있습니다. 그러나 알칸은 카르복실산의 탈카르복실화와 전기분해를 통해서도 얻을 수 있습니다.

알칸의 응용

가정 수준의 알칸은 인간 활동의 여러 영역에서 널리 사용됩니다. 결국, 천연가스가 없는 우리의 삶을 상상하는 것은 매우 어렵습니다. 그리고 천연 가스의 기초가 지형 페인트와 타이어 생산에 사용되는 카본 블랙이 생성되는 메탄이라는 사실은 누구에게도 비밀이 아닙니다. 모든 사람이 집에 갖고 있는 냉장고도 냉매로 사용되는 알칸 화합물 덕분에 작동합니다. 메탄에서 얻은 아세틸렌은 금속을 용접하고 절단하는 데 사용됩니다.

이제 여러분은 알칸이 연료로 사용된다는 것을 이미 알고 있습니다. 이는 휘발유, 등유, 디젤유 및 연료유에 존재합니다. 또한 윤활유, 바셀린, 파라핀에서도 발견됩니다.

시클로헥산은 용매 및 다양한 중합체의 합성에 널리 사용됩니다. 사이클로프로판은 마취에 사용됩니다. 고품질 윤활유인 스쿠알란은 많은 제약 및 화장품 제제의 구성 요소입니다. 알칸은 알코올, 알데히드, 산과 같은 유기 화합물을 생산하는 데 사용되는 원료입니다.

파라핀은 고급 알칸의 혼합물이며 무독성이므로 식품 산업에서 널리 사용됩니다. 유제품, 주스, 시리얼 등의 포장재 함침에 사용되며 츄잉껌 제조에도 사용됩니다. 그리고 가열된 파라핀은 파라핀 치료를 위한 의학에 사용됩니다.

위의 것 외에도 더 나은 연소를 위해 성냥 머리에 파라핀을 함침시키고 연필과 양초를 만듭니다.

파라핀을 산화함으로써 산소 함유 생성물, 주로 유기산이 얻어집니다. 일정 수의 탄소 원자를 가진 액체 탄화수소를 혼합하면 바셀린이 얻어지며, 이는 향수 및 화장품은 물론 의학에도 널리 사용됩니다. 다양한 연고, 크림, 젤을 제조하는 데 사용됩니다. 또한 의학의 열 치료에도 사용됩니다.

실무적인 업무

1. 동종 알칸 계열의 탄화수소의 일반식을 적어보세요.

2. 가능한 헥산 이성질체의 공식을 쓰고 체계적인 명명법에 따라 이름을 지정하십시오.

3. 크래킹이란 무엇입니까? 어떤 유형의 균열을 알고 있습니까?

4. 헥산 분해의 가능한 생성물의 공식을 쓰십시오.

5. 다음 변환 체인을 해독하십시오. 화합물의 이름을 A, B, C로 지정하십시오.

6. 브롬화 시 단 하나의 모노브롬 유도체를 형성하는 탄화수소 C5H12의 구조식을 제시하시오.

7. 구조를 알 수 없는 알칸 0.1mol을 완전 연소시키기 위해 11.2리터의 산소가 소비되었습니다(주변 조건에서). 알칸의 구조식은 무엇입니까?

8. 이 기체 11g이 (표준 조건에서) 5.6리터의 부피를 차지한다면 기체 포화 탄화수소의 구조식은 무엇입니까?

9. 메탄의 사용에 대해 알고 있는 것을 상기하고, 가정에서 가스 누출이 냄새로 감지될 수 있는 이유를 설명하십시오. 비록 그 성분은 무취입니다.

10*. 다양한 조건에서 메탄을 촉매 산화하여 얻을 수 있는 화합물은 무엇입니까? 해당 반응에 대한 방정식을 작성하십시오.

열하나*. 완전 연소 생성물(과잉 산소) 10.08리터(N.S.)의 에탄과 프로판 혼합물을 과량의 석회수에 통과시켰습니다. 이 경우 120g의 침전물이 형성되었습니다. 초기 혼합물의 부피 구성을 결정합니다.

12*. 두 알칸 혼합물의 에탄 밀도는 1.808입니다. 이 혼합물의 브롬화 시, 두 쌍의 이성질체 모노브로모알칸만이 분리되었습니다. 반응 생성물의 가벼운 이성질체의 총 질량은 무거운 이성질체의 총 질량과 같습니다. 초기 혼합물에서 더 무거운 알칸의 부피 분율을 결정하십시오.