Właściwości izomerii w nomenklaturze alkanów. Alkany. Ogólna charakterystyka. Czego się nauczyliśmy

Alkany- węglowodory nasycone (ograniczające). Przedstawicielem tej klasy jest metan ( CH 4). Wszystkie kolejne węglowodory nasycone różnią się o CO 2- grupa, która nazywana jest grupą homologiczną, a związki nazywane są homologami.

Formuła ogólna - ZnH 2 n +2 .

Struktura alkanów.

Każdy atom węgla jest w sp 3- hybrydyzacja, formy 4 σ - połączenia (1 SS i 3 S-N). Kształt cząsteczki ma kształt czworościanu o kącie 109,5°.

Wiązanie jest tworzone przez nakładające się orbitale hybrydowe, przy czym maksymalny obszar nakładania się leży w przestrzeni na linii prostej łączącej jądra atomów. Jest to najbardziej efektywne nakładanie się, więc wiązanie σ jest uważane za najsilniejsze.

Izomeria alkanów.

Do alkany izomeria szkieletu węglowego. Połączenia graniczne mogą przybierać różne kształty geometryczne, przy zachowaniu kąta pomiędzy wiązaniami. Na przykład,

Różne pozycje łańcucha węglowego nazywane są konformacjami. W normalnych warunkach konformacje alkanów swobodnie przechodzą w siebie za pomocą rotacji Krawaty C-C, dlatego często określa się je mianem izomerów rotacyjnych. Istnieją 2 główne konformacje - "zahamowana" i "zaciemniona":

Izomeria szkieletu węglowego alkanów.

Liczba izomerów wzrasta wraz ze wzrostem łańcucha węglowego. Na przykład butan ma 2 znane izomery:

Dla pentanu - 3, dla heptanu - 9 itd.

Jeśli cząsteczka alkany odejmij jeden proton (atom wodoru), otrzymasz rodnik:

Właściwości fizyczne alkanów.

W normalnych warunkach - C1-C4- gazy , C5 -C17- ciecze i węglowodory zawierające więcej niż 18 atomów węgla - ciała stałe.

Wraz ze wzrostem łańcucha wzrastają temperatury wrzenia i topnienia. Alkany rozgałęzione mają więcej niskie temperatury gotowanie niż normalnie.

Alkany nierozpuszczalny w wodzie, ale łatwo rozpuszczalny w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych. Łatwo mieszać ze sobą.

Otrzymywanie alkanów.

Syntetyczne metody otrzymywania alkanów:

1. Z węglowodorów nienasyconych - reakcja „uwodornienia” zachodzi pod wpływem katalizatora (nikiel, platyna) i w temperaturze:

2. Z pochodnych halogenowych - reakcja wurtza: reakcja monohaloalkanów z metalicznym sodem, w wyniku której powstają alkany o dwukrotnej liczbie atomów węgla w łańcuchu:

3. Z soli kwasów karboksylowych. Gdy sól wchodzi w interakcję z zasadą, otrzymuje się alkany zawierające o 1 atom węgla mniej w porównaniu z oryginalnym kwasem karboksylowym:

4. Pozyskiwanie metanu. W łuku elektrycznym w atmosferze wodoru:

C + 2H2 = CH4.

W laboratorium metan uzyskuje się w następujący sposób:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 3CH 4 + 4Al (OH) 3.

Właściwości chemiczne alkanów.

W normalnych warunkach alkany są związkami chemicznie obojętnymi, nie reagują ze stężonym kwasem siarkowym i azotowym, ze stężonymi zasadami ani z nadmanganianem potasu.

Stabilność tłumaczy się siłą wiązań i ich niepolarnością.

Związki nie są podatne na reakcje zrywania wiązań (reakcja addycji), charakteryzują się substytucją.

1. Halogenowanie alkanów. Pod wpływem kwantu światła rozpoczyna się radykalna substytucja (chlorowanie) alkanu. Schemat ogólny:

Reakcja przebiega zgodnie z mechanizmem łańcuchowym, w którym występują:

A) Inicjacja obwodu:

B) Wzrost łańcucha:

C) obwód otwarty:

W sumie można to przedstawić jako:

2. Azotowanie (reakcja Konowałowa) alkanów. Reakcja przebiega w temperaturze 140 °C:

Reakcja przebiega najłatwiej z trzeciorzędowym atomem węgla niż z pierwszorzędowym i drugorzędowym.

3. Izomeryzacja alkanów. W określonych warunkach alkany o normalnej strukturze mogą przekształcić się w rozgałęzione:

4. Krakingowe alkany. Pod wpływem wysokich temperatur i katalizatorów wyższe alkany mogą zerwać wiązania, tworząc niższe alkeny i alkany:

5. Utlenianie alkanów. W różnych warunkach i przy różnych katalizatorach utlenianie alkanu może prowadzić do powstania alkoholu, aldehydu (ketonu) i kwas octowy. W warunkach całkowitego utlenienia reakcja przebiega do końca - aż do powstania wody i dwutlenek węgla:

Zastosowanie alkanów.

Alkany znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle, w syntezie ropy naftowej, paliw itp.

Ogrzewanie soli sodowej kwasu octowego (octan sodu) z nadmiarem alkaliów prowadzi do eliminacji grupy karboksylowej i powstania metanu:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2CO3

Jeśli zamiast octanu sodu weźmiemy propionian sodu, wówczas powstaje etan, z butanianu sodu - propan itp.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2CO3

5. Synteza Wurtza. Gdy haloalkany reagują z sodem metalu alkalicznego, tworzą się węglowodory nasycone i halogenek metalu alkalicznego, na przykład:

Działanie metalu alkalicznego na mieszaninę halowęglowodorów (np. bromoetan i bromometan) spowoduje powstanie mieszaniny alkanów (etan, propan i butan).

Reakcja, na której opiera się synteza Wurtza, przebiega dobrze tylko z haloalkanami, w cząsteczkach których atom halogenu jest przyłączony do pierwotnego atomu węgla.

6. Hydroliza węglików. Podczas przetwarzania niektórych węglików zawierających węgiel na stopniu utlenienia -4 (na przykład węglika glinu) z wodą tworzy się metan:

Al4C3 + 12H20 = ZCH4 + 4Al(OH)3 Właściwości fizyczne

Pierwszymi czterema przedstawicielami homologicznej serii metanu są gazy. Najprostszym z nich jest metan - gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu (zapach „gazu”, po wyczuciu, który należy nazwać 04, określa zapach merkaptanów - związków zawierających siarkę, specjalnie dodawanych do metanu używanego w gospodarstwie domowym i przemysłowych urządzeń gazowych, aby osoby znajdujące się w ich pobliżu mogły wyczuć wyciek).

Węglowodory o składzie od C5H12 do C15H32 są cieczami, cięższe węglowodory są ciałami stałymi.

Temperatura wrzenia i topnienia alkanów stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory są słabo rozpuszczalne w wodzie, ciekłe węglowodory są powszechnymi rozpuszczalnikami organicznymi.

Właściwości chemiczne

1. Reakcje podstawienia. Najbardziej charakterystyczne dla alkanów są reakcje podstawienia wolnych rodników, podczas których atom wodoru jest zastępowany przez atom halogenu lub jakąś grupę.

Przedstawmy równania najbardziej typowych reakcji.

Halogenacja:

CH4 + C12 -> CH3Cl + HCl

W przypadku nadmiaru halogenu chlorowanie może iść dalej, aż do całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru przez chlor:

CH3Cl + C12 -> HCl + CH2Cl2
dichlorometan chlorek metylenu

CH2Cl2 + Cl2 -> HCl + CHCl3
trichlorometan chloroform

CHCl3 + Cl2 -> HCl + CCl4
czterochlorek węgla czterochlorek węgla

Otrzymane substancje są szeroko stosowane jako rozpuszczalniki i materiały wyjściowe w syntezie organicznej.

2. Odwodornienie (eliminacja wodoru). Kiedy alkany są przepuszczane przez katalizator (Pt, Ni, A12O3, Cr2O3) w wysokiej temperaturze (400-600 °C), cząsteczka wodoru zostaje odszczepiona i powstaje alken:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. Reakcje, którym towarzyszy zniszczenie łańcucha węglowego. Wszystkie węglowodory nasycone spalają się, tworząc dwutlenek węgla i wodę. Węglowodory gazowe zmieszane z powietrzem w określonych proporcjach mogą eksplodować. Spalanie węglowodorów nasyconych jest wolnorodnikową reakcją egzotermiczną, która ma bardzo bardzo ważne używanie alkanów jako paliwa.

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 880kJ

W ogólna perspektywa Reakcję spalania alkanów można zapisać w następujący sposób:

Reakcje rozszczepiania termicznego leżą u podstaw procesu przemysłowego - krakingu węglowodorów. Ten proces jest najważniejszym etapem rafinacji ropy naftowej.

Po podgrzaniu metanu do temperatury 1000 ° C rozpoczyna się piroliza metanu - rozkład na proste substancje. Po podgrzaniu do temperatury 1500 ° C możliwe jest tworzenie się acetylenu.

4. Izomeryzacja. Podczas ogrzewania węglowodorów liniowych za pomocą katalizatora izomeryzacji (chlorku glinu) powstają substancje o rozgałęzionym szkielecie węglowym:

5. Aromatyzacja. Alkany z sześcioma lub więcej atomami węgla w łańcuchu w obecności katalizatora są cyklizowane do benzenu i jego pochodnych:

Z jakiego powodu alkany wchodzą w reakcje zachodzące zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym? Wszystkie atomy węgla w cząsteczkach alkanu są w stanie hybrydyzacji sp3. Cząsteczki tych substancji są zbudowane za pomocą kowalencyjnych niepolarnych wiązań C-C (węgiel-węgiel) i słabo polarnych wiązań C-H (węgiel-wodór). Nie posiadają obszarów o zwiększonej i zmniejszonej gęstości elektronowej, wiązań łatwo polaryzowalnych, czyli takich wiązań, w których gęstość elektronowa może być przesuwana pod wpływem wpływów zewnętrznych (pola elektrostatyczne jonów). W konsekwencji alkany nie będą reagować z naładowanymi cząstkami, ponieważ wiązania w cząsteczkach alkanów nie są rozrywane przez mechanizm heterolityczny.

Najbardziej charakterystycznymi reakcjami alkanów są reakcje podstawienia wolnych rodników. Podczas tych reakcji atom wodoru jest zastępowany atomem halogenu lub jakąś grupą.

Kinetykę i mechanizm wolnorodnikowych reakcji łańcuchowych, tj. reakcji zachodzących pod wpływem wolnych rodników - cząstek z niesparowanymi elektronami - zbadał wybitny rosyjski chemik N. N. Semenov. Za te studia otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Zwykle mechanizm reakcji podstawienia wolnych rodników jest reprezentowany przez trzy główne etapy:

1. Inicjacja (zarodkowanie łańcucha, tworzenie wolnych rodników pod wpływem źródła energii - światła ultrafioletowego, ogrzewanie).

2. Rozwój łańcucha (łańcuch kolejnych oddziaływań wolnych rodników i nieaktywnych cząsteczek, w wyniku którego powstają nowe rodniki i nowe cząsteczki).

3. Zakończenie łańcucha (kombinacja wolnych rodników w nieaktywne cząsteczki (rekombinacja), „śmierć” rodników, ustanie łańcucha reakcji).

Badania naukowe N.N. Siemionowa

Siemionow Nikołaj Nikołajewicz

(1896 - 1986)

Radziecki fizyk i fizykochemik, akademik. Laureat nagroda Nobla (1956). Badania naukowe dotyczą doktryny procesów chemicznych, katalizy, reakcji łańcuchowych, teorii wybuchu termicznego i spalania mieszanin gazowych.

Rozważ ten mechanizm na przykładzie reakcji chlorowania metanu:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

Inicjacja łańcucha następuje w wyniku tego, że pod wpływem promieniowania ultrafioletowego lub ogrzewania dochodzi do homolitycznego rozszczepienia wiązania Cl-Cl, a cząsteczka chloru rozkłada się na atomy:

Cl: Cl -> Cl + + Cl

Powstałe wolne rodniki atakują cząsteczki metanu, odrywając ich atom wodoru:

CH4 + Cl -> CH3 + HCl

i przekształcanie w rodniki CH3, które z kolei zderzając się z cząsteczkami chloru niszczą je tworząc nowe rodniki:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl itp.

Sieć się rozwija.

Wraz z powstawaniem rodników ich „śmierć” następuje w wyniku procesu rekombinacji - powstania nieaktywnej cząsteczki z dwóch rodników:

CH3 + Cl -> CH3Cl

Cl+ + Cl+ -> Cl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Warto zauważyć, że podczas rekombinacji uwalniana jest dokładnie taka ilość energii, jaka jest niezbędna do zniszczenia nowo utworzonego wiązania. W związku z tym rekombinacja jest możliwa tylko wtedy, gdy w zderzeniu dwóch rodników uczestniczy trzecia cząstka (inna cząsteczka, ściana naczynia reakcyjnego), która przejmuje nadmiar energii. Umożliwia to regulację, a nawet zatrzymanie reakcji łańcuchowych wolnych rodników.

Zwróć uwagę na ostatni przykład reakcji rekombinacji - tworzenie cząsteczki etanu. Ten przykład pokazuje, że reakcja polegająca na związki organiczne jest procesem dość złożonym, w wyniku którego wraz z głównym produktem reakcji bardzo często powstają produkty uboczne, co prowadzi do konieczności opracowania złożonych i kosztownych metod oczyszczania i izolacji substancji docelowych.

Mieszanina reakcyjna uzyskana przez chlorowanie metanem, wraz z chlorometanem (CH3Cl) i chlorowodorem, będzie zawierała: dichlorometan (CH2Cl2), trichlorometan (CHCl3), tetrachlorek węgla (CCl4), etan i produkty jego chlorowania.

Spróbujmy teraz rozważyć reakcję halogenowania (na przykład bromowania) bardziej złożonego związku organicznego - propanu.

Jeżeli w przypadku chlorowania metanu możliwa jest tylko jedna pochodna monochlorowa, to już w tej reakcji mogą powstać dwie monobromopochodne:

Widać, że w pierwszym przypadku atom wodoru zostaje zastąpiony na pierwotnym atomie węgla, aw drugim przypadku na wtórnym. Czy tempo tych reakcji jest takie samo? Okazuje się, że w końcowej mieszaninie dominuje produkt podstawienia atomu wodoru, który znajduje się przy węglu drugorzędowym, czyli 2-bromopropan (CH3-CHBr-CH3). Spróbujmy to wyjaśnić.

W tym celu będziemy musieli wykorzystać ideę stabilności cząstek pośrednich. Czy zauważyłeś, że opisując mechanizm reakcji chlorowania metanu, wspomnieliśmy o rodniku metylowym - CH3 ? Rodnik ten jest cząstką pośrednią pomiędzy metanem CH4 i chlorometanem CH3Cl. Cząstka pośrednia pomiędzy propanem a 1-bromopropanem jest rodnikiem z niesparowanym elektronem na węglu pierwotnym, a pomiędzy propanem a 2-bromopropanem - na wtórnym.

Rodnik z niesparowanym elektronem przy drugorzędowym atomie węgla (b) jest bardziej stabilny niż wolny rodnik z niesparowanym elektronem przy pierwszorzędowym atomie węgla (a). Jest produkowany w większych ilościach. Z tego powodu głównym produktem reakcji bromowania propanu jest 2-bromopropan, związek, którego tworzenie przebiega przez bardziej stabilną cząstkę pośrednią.

Oto kilka przykładów reakcji wolnorodnikowych:

Reakcja azotowania (reakcja Konowałowa)

Reakcja służy do otrzymywania związków nitrowych – rozpuszczalników, materiałów wyjściowych do wielu syntez.

Katalityczne utlenianie alkanów tlenem

Reakcje te są podstawą najważniejszych procesów przemysłowych otrzymywania aldehydów, ketonów, alkoholi bezpośrednio z węglowodorów nasyconych, np.:

CH4 + [O] -> CH3OH

Aplikacja

Węglowodory nasycone, zwłaszcza metan, są szeroko stosowane w przemyśle (Schemat 2). Są prostym i dość tanim paliwem, surowcem do otrzymywania dużej liczby najważniejszych związków.

Związki pochodzące z metanu, najtańszego surowca węglowodorowego, są wykorzystywane do produkcji wielu innych substancji i materiałów. Metan wykorzystywany jest jako źródło wodoru w syntezie amoniaku, a także do produkcji gazu syntezowego (mieszaniny CO i H2) wykorzystywanego do przemysłowej syntezy węglowodorów, alkoholi, aldehydów i innych związków organicznych.

Węglowodory wysokowrzących frakcji olejowych wykorzystywane są jako paliwo do silników wysokoprężnych i turboodrzutowych, jako baza olejów smarowych, jako surowiec do produkcji tłuszczów syntetycznych itp.

Oto kilka ważnych dla przemysłu reakcji z udziałem metanu. Metan służy do produkcji chloroformu, nitrometanu, pochodnych zawierających tlen. Alkohole, aldehydy, kwasy karboksylowe mogą powstawać przez bezpośrednie oddziaływanie alkanów z tlenem, w zależności od warunków reakcji (katalizator, temperatura, ciśnienie):

Jak już wiesz, węglowodory o składzie od C5H12 do C11H24 są zawarte we frakcji benzynowej oleju i są wykorzystywane głównie jako paliwo do silników spalinowych. Wiadomo, że najcenniejszymi składnikami benzyny są węglowodory izomeryczne, ponieważ mają one najwyższą odporność na uderzenia.

Węglowodory w kontakcie z tlenem atmosferycznym powoli tworzą z nim związki - nadtlenki. Jest to powolna reakcja wolnorodnikowa inicjowana przez cząsteczkę tlenu:

Należy zauważyć, że grupa wodoronadtlenkowa jest tworzona przy drugorzędowych atomach węgla, które są najliczniejsze w liniowych lub normalnych węglowodorach.

Wraz z gwałtownym wzrostem ciśnienia i temperatury, który następuje pod koniec suwu sprężania, rozkład tych związków nadtlenkowych rozpoczyna się od powstania dużej liczby wolnych rodników, które „wyzwalają” wolny rodnik reakcja łańcuchowa spalanie wcześniej niż to konieczne. Tłok wciąż podnosi się, a produkty spalania benzyny, które już powstały w wyniku przedwczesnego zapłonu mieszanki, spychają go w dół. Prowadzi to do gwałtownego spadku mocy silnika, jego zużycia.

Tak więc główną przyczyną detonacji jest obecność związków nadtlenkowych, których zdolność do tworzenia jest maksymalna dla węglowodorów liniowych.

k-heptan ma najniższą odporność na detonację spośród węglowodorów frakcji benzynowej (C5H14 - C11H24). Najbardziej stabilny (tj. w najmniejszym stopniu tworzy nadtlenki) jest tak zwany izooktan (2,2,4-trimetylopentan).

Ogólnie przyjętą cechą odporności na stukanie benzyny jest liczba oktanowa. Liczba oktanowa 92 (na przykład benzyna A-92) oznacza, że ​​ta benzyna ma takie same właściwości jak mieszanka składająca się z 92% izooktanu i 8% heptanu.

Podsumowując można dodać, że zastosowanie wysokooktanowej benzyny umożliwia zwiększenie stopnia sprężania (ciśnienia na końcu suwu sprężania), co prowadzi do wzrostu mocy i sprawności silnika spalinowego.

Bycie na łonie natury i zdobywanie

Na dzisiejszej lekcji zapoznałeś się z takim pojęciem jak alkany, a także dowiedziałeś się o nim. skład chemiczny i metody pozyskiwania. Dlatego przyjrzyjmy się teraz bardziej szczegółowo tematowi znajdowania alkanów w przyrodzie i dowiedzmy się, jak i gdzie alkany znalazły zastosowanie.

Głównymi źródłami pozyskiwania alkanów są gaz ziemny i ropa naftowa. Stanowią większość produktów z rafinacji ropy naftowej. Metan, powszechny w złożach skał osadowych, jest również hydratami gazowymi alkanów.

Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan, ale zawiera on również niewielką ilość etanu, propanu i butanu. Metan można znaleźć w emisjach z pokładów węgla, bagnach i związanych z nimi gazach ropopochodnych.

Ankans można również pozyskać z węgla koksującego. W naturze występują również tzw. alkany stałe – ozoceryty, które występują w postaci złóż wosku górskiego. Ozokeryt można znaleźć w powłokach woskowych roślin lub ich nasion, a także w składzie wosku pszczelego.

Przemysłowa izolacja alkanów pochodzi z naturalnych źródeł, które na szczęście wciąż są niewyczerpane. Otrzymuje się je przez katalityczne uwodornienie tlenków węgla. Metan można również otrzymać w laboratorium metodą ogrzewania octanu sodu ze stałą zasadą lub hydrolizy niektórych węglików. Ale także alkany można otrzymać przez dekarboksylację kwasów karboksylowych i ich elektrolizę.

Zastosowanie alkanów

Alkany na poziomie gospodarstwa domowego są szeroko stosowane w wielu obszarach działalności człowieka. Bardzo trudno wyobrazić sobie życie bez gazu ziemnego. I nikomu nie będzie tajemnicą, że podstawą gazu ziemnego jest metan, z którego wytwarzana jest sadza, która jest wykorzystywana do produkcji farb topograficznych i opon. Lodówka, którą każdy ma w domu, działa również dzięki związkom alkanów stosowanym jako czynniki chłodnicze. A acetylen pozyskiwany z metanu służy do spawania i cięcia metali.

Teraz już wiesz, że alkany są używane jako paliwo. Występują w składzie benzyny, nafty, oleju solarnego i oleju opałowego. Ponadto wchodzą również w skład olejów smarowych, wazeliny i parafiny.

Jako rozpuszczalnik i do syntezy różnych polimerów cykloheksan znalazł szerokie zastosowanie. Cyklopropan stosuje się w znieczuleniu. Skwalan jako wysokiej jakości olej smarny jest składnikiem wielu preparatów farmaceutycznych i kosmetycznych. Alkany to surowce, z których otrzymuje się związki organiczne, takie jak alkohol, aldehydy i kwasy.

Parafina jest mieszaniną wyższych alkanów, a ponieważ jest nietoksyczna, znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym. Służy do impregnacji opakowań na produkty mleczne, soki, płatki zbożowe itp., ale także do produkcji gumy do żucia. A podgrzana parafina jest stosowana w medycynie do leczenia parafinowego.

Oprócz powyższego główki zapałek są impregnowane parafiną, aby dla ich lepszego spalania robiono z niej ołówki i świece.

Poprzez utlenianie parafiny otrzymuje się produkty zawierające tlen, głównie kwasy organiczne. Po zmieszaniu ciekłych węglowodorów o określonej liczbie atomów węgla otrzymuje się wazelinę, która znalazła szerokie zastosowanie zarówno w perfumerii i kosmetologii, jak i medycynie. Służy do przygotowania różnych maści, kremów i żeli. A także stosowany do zabiegów termicznych w medycynie.

Zadania praktyczne

1. Napisz ogólny wzór na węglowodory homologicznego szeregu alkanów.

2. Napisz wzory na możliwe izomery heksanu i nazwij je zgodnie z nazewnictwem systematycznym.

3. Co to jest pękanie? Jakie znasz rodzaje crackowania?

4. Napisz wzory na możliwe produkty krakingu heksanu.

5. Rozszyfruj następujący łańcuch przekształceń. Nazwij związki A, B i C.

6. Podaj wzór strukturalny węglowodoru C5H12, który podczas bromowania tworzy tylko jedną monobromopochodną.

7. Do całkowitego spalenia 0,1 mola alkanu o nieznanej strukturze zużyto 11,2 litra tlenu (przy nd.). Jaki jest wzór strukturalny alkanu?

8. Jaki jest wzór strukturalny gazowego węglowodoru nasyconego, jeśli 11 g tego gazu zajmuje objętość 5,6 litra (wg. n.d.)?

9. Sprawdź, co wiesz na temat stosowania metanu i wyjaśnij, dlaczego wyciek gazu z gospodarstw domowych można wykryć za pomocą zapachu, mimo że jego składniki są bezwonne.

dziesięć*. Jakie związki można otrzymać przez katalityczne utlenianie metanu w różnych warunkach? Napisz równania dla odpowiednich reakcji.

jedenaście*. Produkty całkowitego spalania (z nadmiarem tlenu) 10,08 litra (n.d.) mieszaniny etanu i propanu przepuszczono przez nadmiar wody wapiennej. Utworzyło to 120 g osadu. Określ skład objętościowy mieszaniny początkowej.

12*. Gęstość etanu w mieszaninie dwóch alkanów wynosi 1,808. Po bromowaniu tej mieszaniny wyizolowano tylko dwie pary izomerycznych monobromoalkanów. Całkowita masa lżejszych izomerów w produktach reakcji jest równa całkowitej masie cięższych izomerów. Określ ułamek objętościowy cięższego alkanu w początkowej mieszaninie.

Alkany (parafiny lub węglowodory nasycone)- najprostsza klasa związków organicznych pod względem składu pierwiastkowego. Składają się z węgla i wodoru. Przodkiem tej klasy jest metan CH 4 . Wszystkie inne węglowodory związane z alkanami należą do serii homologicznej do metanu. Ogólna formuła alkanów C n H 2 n +2

Węgiel ma cztery elektrony walencyjne na zewnętrznej powłoce, więc może tworzyć cztery dwuelektronowe wiązania kowalencyjne z atomami wodoru:

Przechodząc do wyższych homologów, liczba izomerów gwałtownie wzrasta (patrz wyżej).

Atom węgla związany z jednym sąsiednim atomem węgla nazywa się podstawowy, z dwoma - wtórny, z trzema trzeciorzędowy i z czterema Czwartorzędowy:

Dla nazw alkanów można użyć kilku nomenklatur.: nomenklatura historyczna lub trywialna - jest to podsumowanie ustalonych historycznie nazw powszechnie stosowanych związków organicznych. - racjonalna nomenklatura. Przy kompilacji nazwy zgodnie z tą nomenklaturą związek uważa się za otrzymany od najprostszego przedstawiciela serii w wyniku zastąpienia w nim atomów wodoru przez rodniki alkilowe.

– Nomenklatura IUPAC

seria homologiczna, sekwencja związków organicznych o tych samych grupach funkcyjnych i tym samym typie struktury, z których każdy członek różni się od sąsiedniego stałą jednostką strukturalną (różnica homologiczna), najczęściej grupą metylenową -CH 2 -. Członkowie serii homologicznej nazywani są homologami. W szeregach homologicznych wiele właściwości fizycznych zmienia się naturalnie. Na przykład temperatury wrzenia w środku szeregu związków o prostym łańcuchu (C5-C14) różnią się w sąsiednich homologach o 20-30°C; różnica homologiczna -CH 2 -odpowiada wzrostowi ciepła spalania o 630-640 kJ / mol i refrakcji molekularnej o 4,6 dla linii D sodu. W wyższych członkach szeregu homologicznego różnice te są stopniowo wygładzane.

Właściwości fizyczne i chemiczne alkanów. Metody otrzymywania i identyfikacji alkanów. indywidualnych przedstawicieli.

Właściwości fizyczne alkanów.

Pierwsze cztery elementy serii - metan, etan, propan i butan - to gazy w warunkach pokojowych. Alkany C5-C15 są ciekłe, a C16 i dalsze są stałe.

W normalnych warunkach

Właściwości chemiczne alkany

Węglowodory z serii metanowej w zwykłej temperaturze są chemicznie bardzo obojętne. Nie dodają wodoru (stąd granica), nie reagują bez inicjacji z Cl 2 i Br 2, nie utleniają się na zimno tak silnymi utleniaczami jak nadmanganian potasu i kwas chromowy. łatwo ulega homolitycznemu rozszczepieniu z powstawaniem rodników. Dlatego w przypadku alkanów bardziej charakterystyczne są reakcje podstawienia rodnikowego.

– Halogenacja

W świetle alkany mogą sukcesywnie zastępować atomy wodoru atomami halogenów, np.:

Na temperatura » 500 °C metan pod wpływem kwasu azotowego i dwutlenku azotu jest nitrowany:

– Sulfonacja

Kwas siarkowy (oleum) powoli sulfonuje alkany po podgrzaniu z trzeciorzędnym atom węgla:

– Sulfochlorowanie

Pod działaniem światła ultrafioletowego alkany wchodzą w reakcję podstawienia z mieszaniną SO 2 + Cl 2:

– Utlenianie

W izoalkanach trzeciorzędowa grupa CH jest stosunkowo łatwo utleniana. Przedmiotem zainteresowania przemysłowego jest katalityczne utlenianie mieszaniny wyższych węglowodorów nasyconych C 8 - C 18:

– Odwodornienie

W t = 300 °C ... 400 °C alkany przepuszczone przez katalizator tracą dwa atomy wodoru i zamieniają się w alkeny:

– Izomeryzacja

Pod działaniem katalizatorów kwasowych (na przykład AlCl 3, H 2 SO 4 itp.) Alkany są zdolne do przestawiania szkieletu węglowego:

Metody otrzymywania alkanów

– Uwodornienie węglowodorów nienasyconych

– Z halogenków alkilowych ( reakcja Wurtza, 1870)

- z kwasów karboksylowych

– Kraking i piroliza alkanów olejowych:

5. Alkeny. ogólna charakterystyka: struktura, izomeria, nazewnictwo.

Seria homologiczna alkenów zaczyna się od etylenu. Alkeny(olefiny, węglowodory etylenowe) – węglowodory zawierające w cząsteczce jedno podwójne wiązanie. Ogólny wzór to C n H 2n.

Izomeria. Nomenklatura

Podobnie jak w serii węglowodorów nasyconych, izomeria strukturalna alkenów zaczyna się od czwartego członka serii. Jednak liczba izomerów jest znacznie większa. Izomeria olefin wynika z budowy łańcucha węglowego, po drugie z położenia wiązania podwójnego w łańcuchu, a po trzecie z przestrzennego rozmieszczenia atomów lub grup przy węglach z wiązaniem podwójnym

Alkeny są nazywane według różnych nomenklatury. W trywialnej nomenklaturze przyrostek –en dodaje się do nazwy odpowiedniego nasyconego rodnika węglowodorowego: etylen, propylen, butylen, izobutylen, amylen itp. Zgodnie z racjonalną nomenklaturą olefiny określa się jako pochodne etylenu. Podczas kompilacji nazwy zgodnie z nomenklaturą IUPAC jako główny łańcuch związku wybiera się najdłuższy łańcuch węglowy, w tym wiązanie podwójne. Nazwa jest oparta na nazwie alkanu z końcówką -a zastąpioną przez
-pl. Liczba reprezentuje numer atomu węgla, po którym następuje podwójne wiązanie. Atomy węgla głównego łańcucha należy liczyć od końca najbliższego wiązaniu podwójnemu.

izomeria

Zdolność atomów węgla do tworzenia czterech wiązań kowalencyjnych, w tym z innymi atomami węgla, otwiera możliwość istnienia kilku związków o tym samym składzie pierwiastkowym - izomerów.

Wszystkie izomery dzielą się na dwie duże klasy - izomery strukturalne i izomery przestrzenne. Izomery strukturalne to takie, które odpowiadają różnym wzorom strukturalnym związków organicznych (o różnej kolejności połączeń atomów). Izomery przestrzenne mają te same podstawniki na każdym atomie węgla i różnią się tylko ich wzajemne porozumienie w kosmosie. izomery strukturalne. Zgodnie z powyższą klasyfikacją związków organicznych według typów, wśród izomerów strukturalnych wyróżnia się trzy grupy:

1) związki zawierające różne grupy funkcyjne i należące do różnych klas związków organicznych, na przykład:

CH3-CH2-NO2 HOOC-CH2-NH2

kwas nitroetanoamiooctowy (glicyna)

2) związki różniące się szkieletami węglowymi:

butan 2-metnlpropan (izobutan)

3) związki różniące się pozycją podstawnika lub wiązania wielokrotnego w cząsteczce:

CH3-CH=CH-CH3 CH3-CH2-CH=CH2

buten-2 buten-1

propanol-2 propanol-1

Izomery przestrzenne (stereoizomery). Stereoizomery można podzielić na dwa typy: izomery geometryczne i izomery optyczne.

Izomeria geometryczna jest charakterystyczna dla związków zawierających podwójne wiązanie lub pierścień. W takich cząsteczkach często możliwe jest narysowanie płaszczyzny warunkowej w taki sposób, że podstawniki na różnych atomach węgla mogą znajdować się po tej samej stronie (cis-) lub po przeciwnych stronach (trans-) tej płaszczyzny.

Jeżeli zmiana orientacji tych podstawników względem płaszczyzny jest możliwa tylko z powodu zerwania jednego z wiązań chemicznych, to mówi się o obecności izomerów geometrycznych. Izomery geometryczne różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi.

trans-1,2-cis-1,2-cis-buten-2 ​​trans-6uten-2

dimetylo-dimetylo-

cyklopentan cyklopentan

Izomery optyczne to cząsteczki, których lustrzane odbicia są ze sobą niezgodne.

Tę właściwość posiadają cząsteczki posiadające centrum asymetryczne - atom węgla związany z czterema różnymi podstawnikami. Na przykład w postaci dwóch izomerów optycznych występuje cząsteczka kwasu mlekowego CH 3-CH (OH) - COOH zawierająca jedno centrum asymetryczne:

Alkany. ogólna charakterystyka

Węglowodory to najprostsze związki organiczne, składające się z dwóch pierwiastków: węgla i wodoru. Węglowodory graniczne, czyli alkany (nazwa międzynarodowa) to związki, których skład wyraża ogólny wzór C n H2n + 2, gdzie n to liczba atomów węgla. W cząsteczkach węglowodorów nasyconych atomy węgla są połączone prostym (pojedynczym) wiązaniem, a wszystkie inne wartościowości są nasycone atomami wodoru. Alkany są również nazywane węglowodorami nasyconymi lub parafinami (określenie „parafiny” oznacza „mające niskie powinowactwo”).

Pierwszym przedstawicielem homologicznej serii alkanów jest metan CH4. Końcówka -an jest typowa dla nazw węglowodorów nasyconych. Po nim następuje etan C2H6, propan C3H8, butan C4H10. Zaczynając od piątego węglowodoru, nazwa pochodzi od greckiej cyfry, wskazującej liczbę atomów węgla w cząsteczce, a na końcu -an. Są to pentan C5H12, heksan C6H14, heptan C7H16, oktan C8H18, nonan C9H20, dekan C10H22 itp.

W serii homologicznej następuje stopniowa zmiana właściwości fizyczne węglowodory: wzrastają temperatury wrzenia i topnienia, wzrasta gęstość. W normalnych warunkach (temperatura ~22 °C) pierwsze cztery elementy serii (metan, etan, propan, butan) to gazy, od C5H12 do C16H34 - ciecze, a od C17H36 - ciała stałe.

Alkany, począwszy od czwartego członka serii (butan), mają izomery.

Wszystkie alkany są nasycone wodorem do granicy (maksimum). Ich atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp 3, co oznacza, że ​​posiadają proste (pojedyncze) wiązania.

Nomenklatura:

Podano już nazwy pierwszych dziesięciu członków serii węglowodorów nasyconych. Aby podkreślić, że alkan ma nierozgałęziony łańcuch węglowy, często do nazwy dodaje się słowo normal (n-), na przykład:

CH3--CH2--CH2--CH3 CH3--CH2--CH2-CH2--CH2--CH2-CH3

n-butan n-heptan

(normalny butan) (normalny heptan)

Gdy atom wodoru zostaje odłączony od cząsteczki alkanu, powstają jednozaworowe cząstki, zwane rodnikami węglowodorowymi (w skrócie R). Nazwy rodników jednowartościowych pochodzą od nazw odpowiednich węglowodorów z końcówką -an zastąpioną przez -yl. Oto odpowiednie przykłady:

węglowodory

Heksan C6H14

Etan C 2 H 6

Heptan C7H16

Propan C3H8

Oktan C 8 H 18

Butan C 4 H 10

Nonan C 9 H 20

Pentan C 5 H 12

Dziekan C 10 H 22

Jednowartościowe rodniki

CH3 metylu -

Heksyl C6H13 -

Etyl C 2 H 5 -

Heptyl C 7 H 15 -

Cięcie C 3 H 7 -

Oktyl C 8 H 17 -

Butyl C 4 H 9 -

nonyl C 9 H 19 -

Pentyl (amyl) C 5 H 11 -

Decyl C 10 H 21 -

Rodniki tworzą nie tylko organiczne, ale także związki nieorganiczne. Jeśli więc z kwasu azotowego usuniemy grupę hydroksylową OH, to otrzymamy jednowartościowy rodnik - NO2, zwany grupą nitrową itp.

Gdy dwa atomy wodoru są usuwane z cząsteczki węglowodoru, otrzymuje się rodniki dwuwartościowe. Ich nazwy pochodzą również od nazw odpowiednich węglowodorów nasyconych z końcówką -an zastąpioną przez -yliden (jeśli atomy wodoru są oddzielone od jednego atomu węgla) lub -ylen (jeśli atomy wodoru są oddzielone od dwóch sąsiednich atomów węgla) . Rodnik CH2= nazywa się metylenem.

Nazwy rodników są używane w nomenklaturze wielu pochodnych węglowodorów. Na przykład: CH3I - jodek metylu, C4H9Cl - chlorek butylu, CH 2Cl 2 - chlorek metylenu, C2H4Br 2 - bromek etylenu (jeśli atomy bromu są połączone z różnymi atomami węgla) lub bromek etylidenu (jeśli atomy bromu są połączone z jednym atomem węgla) .

Powszechnie stosowane są dwie nomenklatury dla nazw izomerów: stara – racjonalna i nowoczesna – substytucja, zwana także systematyczną lub międzynarodową (propozycja Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej IUPAC).

Zgodnie z racjonalną nomenklaturą węglowodory są uważane za pochodne metanu, w których jeden lub więcej atomów wodoru jest zastąpionych przez rodniki. Jeśli te same rodniki powtarzają się kilka razy we wzorze, są one oznaczone cyframi greckimi: di - dwa, trzy - trzy, tetra - cztery, penta - pięć, hexa - sześć itd. Na przykład:

Racjonalna nomenklatura jest wygodna dla niezbyt skomplikowanych połączeń.

Zgodnie z nomenklaturą podstawieniową nazwa oparta jest na jednym łańcuchu węglowym, a wszystkie pozostałe fragmenty cząsteczki uważa się za podstawniki. W tym przypadku wybiera się najdłuższy łańcuch atomów węgla, a atomy łańcucha są numerowane od końca najbliższego rodnikowi węglowodorowemu. Następnie wymieniają: 1) numer atomu węgla, z którym związany jest rodnik (zaczynając od najprostszego rodnika); 2) węglowodór, który odpowiada długi łańcuch. Jeśli formuła zawiera kilka identycznych rodników, to przed ich nazwą wskaż liczbę słownie (di-, tri-, tetra- itp.), A liczby rodników są oddzielone przecinkami. Oto jak należy nazywać izomery heksanu zgodnie z tą nomenklaturą:

Nomenklaturę substytucyjną i racjonalną stosuje się nie tylko dla węglowodorów, ale także dla innych klas związków organicznych. W przypadku niektórych związków organicznych stosuje się ustalone historycznie (empiryczne) lub tzw. nazwy trywialne (kwas mrówkowy, eter siarkowy, mocznik itp.).

Pisząc wzory izomerów, łatwo zauważyć, że atomy węgla zajmują w nich nierówną pozycję. Atom węgla, który jest połączony tylko z jednym atomem węgla w łańcuchu, nazywany jest pierwotnym, z dwoma - drugorzędowymi, z trzema - trzeciorzędowymi, z czterema - czwartorzędowymi. Na przykład w ostatnim przykładzie atomy węgla 1 i 7 są pierwszorzędowe, 4 i 6 są drugorzędowe, 2 i 3 są trzeciorzędowe, 5 jest czwartorzędowe. Właściwości atomów wodoru, innych atomów i grup funkcyjnych zależą od tego, z którym atomem węgla są powiązane: pierwszorzędowym, drugorzędowym lub trzeciorzędowym. Należy to zawsze brać pod uwagę.