Каждый класс химических соединений способен проявлять свойства, обусловленные их электронным строением. Для алканов характерны реакции замещения, отщепления или окисления молекул. Все имеют свои особенности протекания, о которых пойдет дальше речь.
Что такое алканы
Это насыщенные углеводородные соединения, которые носят название парафинов. Их молекулы состоят только из атомов углеродных и водородных, имеют линейную или разветвленную ациклическую цепочку, в которой есть лишь одинарные соединения. Учитывая характеристику класса, можно вычислить, какие реакции характерны для алканов. Они подчиняются формуле для всего класса: H 2n+2 C n .
Строение химическое
Молекула парафинов включает углеродные атомы, проявляющие sp 3 -гибридизацию. У них все валентные четыре орбитали обладают одинаковой формой, энергией и направлением в пространстве. Размер угла между энергетическими уровнями составляет 109° и 28".
Наличие одинарных связей в молекулах определяет, какие реакции характерны для алканов. В них присутствуют σ-соединения. Связь между углеродами является неполярной и слабо поляризуемой, она немного длиннее, чем в C−H. Также наблюдается смещение электронной плотности к углеродному атому, как наиболее электроотрицательному. В результате соединение C−H характеризуется малой полярностью.
Реакции замещения
Вещества класса парафинов обладают слабой химической активностью. Это можно объяснить прочностью связей между C−C и C−H, которые трудно разорвать из-за неполярности. В основе их разрушения лежит механизм гомолитический, при котором участвуют радикалы свободного типа. Именно поэтому для алканов характерны реакции замещения. Такие веществ не способны взаимодействовать с молекулами воды или несущими заряд ионами.
Им причисляют замещение свободнорадикальное, в котором водородные атомы заменяются на галогеновые элементы или другие активные группы. К таким реакциям относят процессы, связанные с галогенированием, сульфохлорированием и нитрованием. Их результатом является получение алкановых производных.
В основе механизма реакций замещения по свободнорадикальному типу лежат основные три стадии:
- Начинается процесс с инициирования или зарождения цепочки, в результате которого формируются свободные радикалы. Катализаторами служат источники света ультрафиолетового и нагревание.
- Затем развивается цепочка, в которой осуществляются последовательные взаимодействия активных частиц с неактивными молекулами. Происходит их превращение в молекулы и радикалы соответственно.
- Конечным этапом будет обрыв цепочки. Наблюдается рекомбинация или исчезновение активных частиц. Так прекращается развитие цепной реакции.
Процесс галогенирования
В его основе лежит механизм радикального типа. Реакция галогенирования алканов проходит при облучении ультрафиолетом и нагревании смеси из галогенов и углеводородов.
Все стадии процесса подчиняются правилу, которое высказал Марковников. В нем указано, что подвергается замещению галогеном, прежде всего, который принадлежит самому гидрированному углероду. Галогенирование протекает в такой последовательности: от третичного атома до первичного углерода.
Процесс проходит лучше у молекул алканов с длинной основной углеродной цепочкой. Это связано с уменьшением ионизирующей энергии в данном направлении, от вещества легче отщепляется электрон.
Примером может служить хлорирование молекулы метана. Действие ультрафиолета приводит к расщеплению хлора на радикальные частицы, которые осуществляют атаку на алкан. Происходит отрыв атомарного водорода и формирование H 3 C· или метильного радикала. Такая частица, в свою очередь, атакует молекулярный хлор, приводя к разрушению ее структуры и образованию нового химического реагента.
На каждом этапе процесса осуществляется замещение только одного водородного атома. Реакция галогенирования алканов приводит к постепенному формированию хлорметановой, дихлорметановой, трихлорметановой и тетрахлорметановой молекулы.
Схематически процесс выглядит следующим образом:
H 4 C + Cl:Cl → H 3 CCl + HCl,
H 3 CCl + Cl:Cl → H 2 CCl 2 + HCl,
H 2 CCl 2 + Cl:Cl → HCCl 3 + HCl,
HCCl 3 + Cl:Cl → CCl 4 + HCl.
В отличие от хлорирования молекулы метана, проведение такого процесса с другими алканами характеризуется получением веществ, у которых замещение водорода происходит не у одного атома углерода, а у нескольких. Их количественное соотношение связано с температурными показателями. В холодных условиях наблюдается уменьшение скорости образования производных с третичной, вторичной и первичной структурой.
С повышением температурного показателя быстрота формирования таких соединений выравнивается. На процесс галогенирования существует влияние фактора статического, который указывает на разную вероятность столкновения радикала с углеродным атомом.
Процесс галогенирования йодом в обычных условиях не протекает. Необходимо создание специальных условий. При воздействии на метан данным галогеном происходит возникновение йодистого водорода. На него оказывает действие йодистый метил, в результате выделяются первоначальные реагенты: метан и йод. Такая реакция считается обратимой.
Реакция Вюрца для алканов
Является методом получения с симметричной структурой. В качестве реагирующих веществ используют натрий металлический, алкилбромиды или алкилхлориды. При их взаимодействии получают галогенид натрия и увеличенную углеводородную цепь, которая является суммой двух радикалов углеводородов. Схематически синтез выглядит следующим образом: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Реакция Вюрца для алканов возможна только в том случае, если в их молекулах галогены находятся у первичного углеродного атома. Например, CH 3 −CH 2 −CH 2 Br.
Если в процессе участвует галогенуглеводорододная смесь из двух соединений, то при конденсации их цепочек образуются три разных продукта. Примером такой реакции алканов может служить взаимодействие натрия с хлорметаном и хлорэтаном. На выходе получается смесь, содержащая бутан, пропан и этан.
Кроме натрия, можно применять другие щелочные металлы, к которым относят литий или калий.
Процесс сульфохлорирования
Его еще называют реакцией Рида. Протекает она по принципу свободнорадикального замещения. тип реакции алканов на действие смеси из диоксида серы и молекулярного хлора в присутствии ультрафиолетового излучения.
Процесс начинается с инициации цепного механизма, при котором из хлора получаются два радикала. Один из них атакует алкан, что приводит к возникновению алкильной частицы и молекулы хлороводорода. К углеводородному радикалу прикрепляется серы диоксид с формированием сложной частицы. Для стабилизации происходит захват одного хлорного атома из другой молекулы. Конечным веществом является сульфонилхлорид алкана, его применяют при синтезе поверхностно-активных соединений.
Схематически процесс выглядит так:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl,
HR + ∙Cl → R∙ + HCl,
R∙ + OSO → ∙RSO 2 ,
∙RSO 2 + ClCl → RSO 2 Cl + ∙Cl.
Процессы, связанные с нитрованием
Алканы вступают в реакции с кислотой азотной в виде раствора 10%, а также с азота четырехвалентного оксидом в газообразном состоянии. Условиями ее протекания являются высокие температурные значения (около 140 °C) и низкие показатели давления. На выходе продуцируются нитроалканы.
Данный процесс свободнорадикального типа назвали в честь ученого Коновалова, открывшего синтез нитрования: CH 4 + HNO 3 → CH 3 NO 2 + H 2 O.
Механизм отщепления
Для алканов характерны реакции дегидрирования и крекинга. Молекула метана подвергается полному термическому разложению.
Основным механизмом вышеуказанных реакций является отщепление атомов от алканов.
Процесс дегидрирования
При отделении атомов водорода от углеродного скелета парафинов, за исключением метана, получаются непредельные соединения. Такие химические реакции алканов проходят в условиях высокой температуры (от 400 до 600 °C) и под действием ускорителей в виде платины, никеля, и алюминия.
Если в реакции участвуют молекулы пропана или этана, то ее продуктами будет пропен или этен с одной двойной связью.
При дегидрировании четырех или пятиуглеродного скелета получаются диеновые соединения. Из бутана формируются бутадиен-1,3 и бутадиен-1,2.
Если в реакции присутствуют вещества с 6 и более атомами углеродов, то образуется бензол. В нем имеется ароматическое ядро с тремя связями двойными.
Процесс, связанный с разложением
В условиях высокой температуры реакции алканов могут проходить с разрывом связей углеродных и формированием активных частиц радикального типа. Такие процессы называют крекингом или пиролизом.
Нагревание реагирующих веществ до температур, превышающих 500 °C, приводит к разложению их молекул, в ходе которого образуются сложные смеси из радикалов алкильного типа.
Проведение при сильном нагревании пиролиза алканов с длинными углеродными цепочками связано с получением предельных и непредельных соединений. Его называют термическим крекингом. Такой процесс использовали до середины 20 века.
Недостатком было получение углеводородов с низким октановым числом (не более 65), поэтому его заменили Процесс проходит при температурных условиях, которые ниже 440 °C, и значениях давления, меньше 15 атмосфер, в присутствие алюмосиликатного ускорителя с выделением алканов, имеющих разветвлённую структуру. Примером может служить метановый пиролиз: 2CH 4 → t ° C 2 H 2 + 3H 2 . В ходе данной реакции образуется ацетилен и молекулярный водород.
Молекула метана может подвергаться конверсии. Для такой реакции необходима вода и никелевый катализатор. На выходе получается смесь из угарного газа и водорода.
Окислительные процессы
Химические реакции, характерные для алканов, связаны с отдачей электронов.
Существует автоокисление парафинов. В нем задействован свободно-радикальный механизм окисления насыщенных углеводородов. В ходе реакции из жидкой фазы алканов получают гидроперекиси. На начальном этапе молекула парафина взаимодействует с кислородом, в результате выделяются активные радикалы. Далее с алкильной частицей взаимодействует еще одна молекула O 2 , получается ∙ROO. С перекисным радикалом жирной кислоты контактирует молекула алкана, после чего выделяется гидроперекись. Примером может служить автоокисление этана:
C 2 H 6 + O 2 → ∙C 2 H 5 + HOO∙,
∙C 2 H 5 + O 2 → ∙OOC 2 H 5 ,
∙OOC 2 H 5 + C 2 H 6 → HOOC 2 H 5 + ∙C 2 H 5 .
Для алканов характерны реакции горения, которые относятся к главным химическим свойствам, при определении их в составе топлива. Они имеют окислительный характер с выбросом тепла: 2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 + 6H 2 O.
Если в процессе наблюдается малое количество кислорода, то конечным продуктом может быть уголь или углерода двухвалентный оксид, что определяется концентрацией O 2 .
При окислении алканов под влиянием каталитических веществ и нагревании до 200 °C получаются молекулы спирта, альдегида или карбоновой кислоты.
Пример с этаном:
C 2 H 6 + O 2 → C 2 H 5 OH (этанол),
C 2 H 6 + O 2 → CH 3 CHO + H 2 O (этаналь и вода),
2C 2 H 6 + 3O 2 → 2CH 3 COOH + 2H 2 O (этановая кислота и вода).
Алканы могут окисляться при действии на них трёхчленных циклических пероксидов. К ним относят диметилдиоксиран. Результатом окисления парафинов является молекула спирта.
Представители парафинов не реагируют на KMnO 4 или марганцовокислый калий, а также на
Изомеризация
На алканы тип реакции характеризуется замещением с электрофильным механизмом. Сюда причисляют изомеризацию углеродной цепи. Катализирует данный процесс алюминия хлорид, который взаимодействует с насыщенным парафином. Примером служит изомеризация молекулы бутана, которая становится 2-метилпропаном: C 4 H 10 → C 3 H 7 CH 3 .
Процесс ароматизации
Насыщенные вещества, у которых в основной цепочке углеродной содержится шесть или больше атомов углеродных, способны проводить дегидроциклизацию. Для коротких молекул не характерна такая реакция. Результатом всегда является шестичленный цикл в виде циклогексана и его производных.
В присутствии реакционных ускорителей проходит дальнейшее дегидрирование и превращение в более устойчивое бензольное кольцо. Происходит превращение ациклических углеводородов в ароматические соединения или арены. В качестве примера служит дегидроциклизация гексана:
H 3 C−CH 2 − CH 2 − CH 2 − CH 2 −CH 3 → C 6 H 12 (циклогексан),
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 (бензол).
Определение 1
Алканами называют такие углеводороды, атомы углерода, в молекулах которых соединены между собой простыми (одинарными) $\sigma $- связями. Все остальные единицы валентности атомов углерода в этих соединениях заняты (насыщенны) атомами водорода.
Атомы углерода в молекулах насыщенных углеводородов находятся в первом валентном состоянии, то есть в состоянии $sp3$-гибридизации. Такие насыщенные углеводороды еще называют парафинами .
Парафинами эти органические соединения называют потому, что долгое время их считали малореакцийноспособными (от лат. parum - мало и affinis - имеет сродство).
Старое название насыщенных углеводородов - алифатические или жирные, углеводороды (от лат. alifatic - жирный). Это название происходит от названия первых изученных соединений, которые когда-то относили к этим веществам, - жиров.
Насыщенные углеводороды образуют ряд соединений с общей формулой $C_nH_{(2_n+2)}$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$. Простой соединением этого ряда является метан $CH_4$. Поэтому ряд этих соединений называют еще рядом метановых углеводородов.
Гомологические ряды
Соединения ряда метана имеют подобные строение и свойства. Такой ряд соединений, представители которого имеют близкие химические свойства и характеризуются закономерной сменой физических свойств, имеют однотипную структуру и отличаются друг от друга на одну или несколько $-CH_2$-групп, называют гомологичным рядом (от греч. «гомос » - сходство). Каждый последующий углеводород данного ряда отличается от предыдущего на группу $-CH_2$. Эта группа называется гомологичной разницей, а отдельные члены этого ряда - гомологами.
Происхождение названий алканов
Названия первых четырех насыщенных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан) возникли случайно. Например, корень слова «этан» произошел от латинского слова ether - эфиы, так как остаток этана $-C_2H_5$ входит в состав медицинского эфира. Начиная с $C_5H_{12}$, названия алканов образованы от греческих или латинских числительных, которые указывают количество углеродных атомов в молекуле данного насыщенного углеводорода с добавлением к этим названиям суффикса -ан. Так, углеводород $C_5H_{12}$ называется пентан (от греч. «пента » - пять), $C_6H_{14}$ - гексан (от греч. «гекса » - шесть), $C_7H_{10}$ - гептан (от греч. «гепта » - семь) и т. д.
Правила систематической номенклатуры
Для названия органических веществ комиссией Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) были разработаны правила систематической (научной) номенклатуры. Согласно этим правилам, названия углеводородам дают таким образом:
В молекуле углеводорода выбирают основную - длинную и сложную (которая имеет наибольшее число ответвлений) - углеродную цепь.
Нумеруют атомы углерода основной цепи. Нумерацию осуществляют последовательно с того конца цепи, который дает радикалу наименьший номер. Если существует несколько алкильных радикалов, то сравнивают величину цифр двух возможных последовательных нумерации. И нумерация, в которой первой встречается меньше цифра, чем во второй последовательной нумерации, считается «меньше» и используется для составления названия углеводорода.
Нумерация справа налево будет «меньше», чем нумерация слева направо.
Называют углеводородные радикалы, которые образуют боковые цепи. Перед названием каждого радикала ставят цифру, которая указывает номер углеродного атома главной цепи, у которого с находится данный радикал. Цифру от названия отделяют дефисом. Названия алкильных радикалов перечисляют в алфавитном порядке. Если углеводород имеет в своем составе несколько одинаковых радикалов, то записывают в порядке возрастания номера углеродных атомов, у которых стоят эти радикалы. Цифры отделяют друг от друга запятыми. После цифр записывают префиксы: ди- (если одинаковых радикалов два), три- (когда одинаковых радикалов три), тетра-, пента- и т. д. (если одинаковых радикалов соответственно четыре, пять и т. д.). Префиксы указывают, сколько одинаковых радикалов имеет данный углеводород. После префикса ставят название радикала. В том случае, если два одинаковых радикалы находятся у одного углеродного атома, номер этого атома углерода ставится в названии дважды.
Называют углеводород основной пронумерованной углеродной цепи, помня при этом, что названия всех насыщенных углеводородов имеют суффикс -ан.
Приведенный ниже пример поможет уяснить эти правила:
Рисунок 1.
Алкильные радикалы боковых цепей
Иногда алкильные радикалы боковых цепей разветвленные. В этом случае их называют так, как соответствующие насыщенные углеводороды, только вместо суффикса -ан принимают суффикс -ил.
Углеродную цепь разветвленного радикала нумеруют. Атом углерода этого радикала, соединенный с основным цепью, получает номер $1$. Для удобства углеродную цепь разветвленного радикала нумеруют цифрами со штрихами и полное название такого радикала берут в скобки:
Рисунок 2.
Рациональная номенклатура
Кроме систематической для названия насыщенных углеводородов используют еще рациональную номенклатуру. По этой номенклатуре насыщенные углеводороды рассматривают как производные метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Название насыщенного углеводорода по рациональной номенклатуре образуют таким образом: называют по степени сложности все радикалы, которые находятся у атома углерода с наибольшим количеством заместителей (отмечая их количество, если они одинаковые), а затем добавляют основу названия углеводорода по этой номенклатуре - слово «метан». К примеру:
Рисунок 3.
Рациональную номенклатуру пользуются для названия сравнительно простых углеводородов. Эта номенклатура не так усовершенствована и гораздо менее удобна в пользовании по сравнению с систематической номенклатурой. По рациональной номенклатуре одно и то же вещество может иметь разные названия, что очень неудобно. Кроме того, по данной номенклатуре можно назвать далеко не все насыщенные углеводороды.
Алканы - насыщенные (предельные) углеводороды. Представителем этого класса является метан (СН 4 ). Все последующие предельные углеводороды отличаются на СН 2 - группу, которая называется гомологической группой, а соединения - гомологами.
Общая формула - С n H 2 n +2 .
Строение алканов.
Каждый атом углерода находится в sp 3 - гибридизации , образует 4 σ - связи (1 С-С и 3 С-Н ). Форма молекулы в виде тетраэдра с углом 109,5°.
Связь образуется посредством перекрывания гибридных орбиталей, причем максимальная область перекрывания лежит в пространстве на прямой, соединяющей ядра атомов . Это наиболее эффективное перекрывание, поэтому σ-связь считается наиболее прочной.
Изомерия алканов.
Для алканов свойственна изомерия углеродного скелета. Предельные соединения могут принимать различные геометрические формы, сохраняя при этом угол между связями. Например,
Различные положения углеродной цепи называются конформациями. В нормальных условиях конформации алканов свободно переходят друг в друга с помощью вращения С-С связей, поэтому их часто называют поворотными изомерами. Существует 2 основные конформации - «заторможенное» и «заслоненное»:
Изомерия углеродного скелета алканов.
Количество изомеров возрастает с увеличением роста углеродной цепи. Например у бутана известно 2 изомера:
Для пентана - 3, для гептана - 9 и т.д.
Если у молекулы алкана отнять один протон (атом водорода), то получится радикал:
Физические свойства алканов.
В нормальных условиях - С 1 -С 4 - газы, С 5 -С 17 - жидкости, а углеводороды с количеством атомов углерода больше 18 - твердые вещества.
С ростом цепи повышается температура кипения и плавления. Разветвленные алканы имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные.
Алканы нерастворимы в воде , но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях. Легко смешиваются друг с другом.
Получение алканов.
Синтетические методы получения алканов:
1. Из ненасыщенных углеводородов - реакция «гидрирования» протекает под воздействием катализатора (никель, платина) и при температуре:
2. Из галогенпроизводных - реакция Вюрца : взаимодействие моногалогенаклканов с металлическим натрием, в результате чего получаются алканы с удвоенным числом углеродных атомов в цепи:
3. Из солей карбоновых кислот . При взаимодействии соли с щелочи, получаются алканы, которые содержат на 1 атом углерод меньше по сравнению с исходной карбоновой кислотой:
4. Получение метана. В электрической дуге в атмосфере водорода:
С + 2Н 2 = СН 4 .
В лаборатории метан получают так:
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4Al(OH) 3 .
Химические свойства алканов.
В нормальных условиях алканы - химически инертные соединения, они не реагируют с концентрированной серной и азотной кислотой, с концентрированной щелочью, с перманганатом калия.
Устойчивость объясняется прочностью связей и их неполярностью.
Соединения не склонны к реакциях разрыва связи (реакция присоединения), для них свойственно замещение.
1. Галогенирование алканов. Под воздействием кванта света начинается радикальное замещение (хлорирование) алкана. Общая схема:
Реакция идет по цепному механизму, в которой различают:
А) Инициирование цепи:
Б) Рост цепи:
В) Обрыв цепи:
Суммарно можно представить в виде:
2. Нитрование (реакция Коновалова)алканов. Реакция протекает при 140 °С:
Легче всего реакция протекает с третитичным атомом углерода, чем с первичным и вторичным.
3. Изомризацияалканов. При конкретных условиях алканы нормального строения могут превращаться в разветвленные:
4. Крекингалканов. При дейсвии высоких температур и катализаторов высшие алканы могут рвать свои связи, образуя алкены и алканы более низшие:
5. Окислениеалканов. В различных условиях и при разных катализаторах окисление алкана может привести к образованию спирта, альдегида (кетона) и уксусной кислоты. В условиях полного окисления реакция протекает до конца - до образования воды и углекислого газа:
Применение алканов.
Алканы нашли широкое применение в промышленности, в синтезе нефти, топлива и т.д.
АЛКАНЫ (предельные углеводороды, парафины)
- Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.
Алканы
– название предельных углеводородов по международной номенклатуре.
Парафины
– исторически сложившееся название, отражающее свойства этих соединений (от лат. parrum affinis
– имеющий мало сродства, малоактивный).
Предельными
, или насыщенными
, эти углеводороды называют в связи с полным насыщением углеродной цепи атомами водорода.
Простейшие представители алканов:
Модели молекул:
При сравнении этих соединений видно, что они отличаются друг от друга на группу -СН 2 - (метилен ). Добавляя к пропану еще одну группу -СН 2 - , получим бутан С 4 Н 10 , затем алканы С 5 Н 12 , С 6 Н 14 и т.д.
Теперь можно вывести общую формулу алканов. Число атомов углерода в ряду алканов примем за n
, тогда число атомов водорода составит величину 2n+2
. Следовательно, состав алканов соответствует общей формуле C n H 2n+2
.
Поэтому часто используется такое определение:
Алканы - углеводороды, состав которых выражается общей формулой C n H 2n+2 , где n – число атомов углерода.
Строение алканов
Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:
С–С и С–Н .
Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:
Электронные и структурные формулы отражают химическое строение , но не дают представления о пространственном строении молекул , которое существенно влияет на свойства вещества.
Пространственное строение , т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.
Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp 3 -гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp 3 -гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp 3 -АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.
Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109 о 28", что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН 4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:
Валентный угол Н-С-Н равен 109 о 28". Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.
Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.
В молекуле следующего гомолога – этана С 2 Н 6 – два тетраэдрических sp 3 -атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:
Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н -бутана (VRML-модель) или н -пентана:
Изомерия алканов
- Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами .
Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии
. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С 4 Н 10 .
Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия)
. В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы - стереохимические (пространственные) или проекционные.
Алканы, начиная с этана H 3 C–СН 3 , существуют в различных пространственных формах (конформациях ), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию .
Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют оптической изомерией .
Структурная изомерия алканов
- Структурные изомеры - соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.
Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета .
Например, алкан состава C 4 H 10 может существовать в виде двух структурных изомеров:
а алкан С 5 Н 12 – в виде трех структурных изомеров,отличающихся строением углеродной цепи:
С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваютсявозможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет сростом числа углеродных атомов.
Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и,соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при болеенизкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.
При выводе структурных формул изомеров используют следующие приемы.
Нелишне будет начать с определения понятия алканов. Это насыщенные либо предельные Также можно сказать, что это углероды, в которых соединение атомов C осуществляется посредством простых связей. Общая формула имеет вид: CnH₂n+ 2.
Известно, что соотношение количества атомов H и C в их молекулах максимально, если сравнивать с другими классами. Ввиду того что все валентности заняты либо C, либо H, химические свойства алканов выражены недостаточно ярко, поэтому их вторым названием выступает словосочетание предельные либо насыщенные углеводороды.
Также существует более древнее наименование, которое лучше всего отражает их относительную химинертность - парафины, что в переводе означает «лишенные сродства».
Итак, тема нашего сегодняшнего разговора: «Алканы: гомологический ряд, номенклатура, строение, изомерия». Также будут представлены данные касательно их физических свойств.
Алканы: строение, номенклатура
В них атомы C пребывают в таком состоянии, как sp3-гибридизация. В связи с этим молекулу алканов можно продемонстрировать в качестве набора тетраэдрических структур C, которые связаны не только между собой, но и с H.
Между атомами C и H присутствуют прочные, весьма малополярные s-связи. Атомы же вокруг простых связей всегда вращаются, ввиду чего молекулы алканов принимают разнообразные формы, причем длина связи, угол между ними - постоянные величины. Формы, которые трансформируются друг в друга из-за вращения молекулы, происходящего вокруг σ-связей, принято называть ее конформациями.
В процессе отрыва атома H от рассматриваемой молекулы сформировываются 1-валентные частицы, называемые углеводородными радикалами. Они появляются в результате соединений не только но и неорганических. Если отнять 2 атома водорода от молекулы предельного углеводорода, то получатся 2-валентные радикалы.
Таким образом, номенклатура алканов может быть:
- радиальной (старый вариант);
- заместительной (международная, систематическая). Она предложена ИЮПАК.
Особенности радиальной номенклатуры
В первом случае номенклатура алканов характеризуется следующим:
- Рассмотрение углеводородов в качестве производных метана, у которого замещен 1 либо несколько атомов H радикалами.
- Высокая степень удобства в случае с не очень сложными соединениями.
Особенности заместительной номенклатуры
Заместительная номенклатура алканов имеет следующие особенности:
- Основа для названия - 1 углеродная цепь, остальные же молекулярные фрагменты рассматриваются в качестве заместителей.
- При наличии нескольких идентичных радикалов перед их наименованием указывается число (строго прописью), а радикальные номера разделяются запятыми.
Химия: номенклатура алканов
Для удобства информация представлена в виде таблицы.
Название вещества | Основа названия (корень) | Молекулярная формула | Название углеродного заместителя | Формула углеродного заместителя |
Вышеуказанная номенклатура алканов включает названия, которые сложились исторически (первые 4 члена ряда предельных углеводородов).
Наименования неразвернутых алканов с 5 и более атомами C образованы от греческих числительных, которые отражают данное число атомов C. Так, суффикс -ан говорит о том, что вещество из ряда насыщенных соединений.
При составлении названий развернутых алканов в роли основной цепи выбирается та, которая содержит максимальное количество атомов C. Она нумеруется так, чтобы заместители были с наименьшим номером. В случае двух и более цепей одинаковой длины главной становится та, которая содержит наибольшее количество заместителей.
Изомерия алканов
В качестве углеводорода-родоначальника их ряда выступает метан CH₄. С каждым последующим представителем метанового ряда наблюдается отличие от предыдущего на метиленовую группу - CH₂. Данная закономерность прослеживается во всем ряду алканов.
Немецкий ученый Шиль выдвинул предложение назвать этот ряд гомологическим. В переводе с греческого означает «сходный, подобный».
Таким образом, гомологический ряд - набор родственных органических соединений, имеющих однотипную структуру с близкими химсвойствами. Гомологи - члены данного ряда. Гомологическая разность - метиленовая группа, на которую отличаются 2 соседних гомолога.
Как уже упоминалось ранее, состав любого насыщенного углеводорода может быть выражен посредством общей формулы CnH₂n + 2. Так, следующим за метаном членом гомологического ряда является этан - C₂H₆. Чтобы вывести его структуру из метановой, необходимо заменить 1 атом H на CH₃ (рисунок ниже).
Структура каждого последующего гомолога может быть выведена из предыдущего таким же образом. В итоге из этана образуется пропан - C₃H₈.
Что такое изомеры?
Это вещества, которые имеют идентичный качественный и количественный молекулярный состав (идентичную молекулярную формулу), однако различное химическое строение, а также обладающие разными химсвойствами.
Вышерассмотренные углеводороды отличаются по такому параметру, как температура кипения: -0,5° - бутан, -10° - изобутан. Данный вид изомерии именуется как изомерия углеродистого скелета, она относится к структурному типу.
Число структурных изомеров растет быстрыми темпами с увеличением количества углеродных атомов. Таким образом, C₁₀H₂₂ будет соответствовать 75 изомерам (не включая пространственные), а для C₁₅H₃₂ уже известны 4347 изомеров, для C₂₀H₄₂ - 366 319.
Итак, уже стало понятно, что такое алканы, гомологический ряд, изомерия, номенклатура. Теперь стоит перейти к правилам составления названий по ИЮПАК.
Номенклатура ИЮПАК: правила образования названий
Во-первых, необходимо отыскать в углеводородной структуре углеродную цепь, которая наиболее длинна и содержит максимальное количество заместителей. Затем требуется пронумеровать атомы C цепи, начиная с конца, к которому ближе всего расположен заместитель.
Во-вторых, основа - название неразветвленного насыщенного углеводорода, которому по количеству атомов C соответствует самая главная цепь.
В-третьих, перед основой необходимо указать номера локантов, возле которых расположены заместители. За ними записываются через дефис названия заместителей.
В-четвертых, в случае наличия идентичных заместителей при разных атомах C локанты объединяются, при этом перед названием появляется умножающая приставка: ди - для двух идентичных заместителей, три - для трех, тетра - четырех, пента - для пяти и т. д. Цифры должны быть отделены друг от друга запятой, а от слов - дефисом.
Если один и тот же атом C содержится сразу два заместителя, локант тоже записывается дважды.
Согласно этим правилам и формируется международная номенклатура алканов.
Проекции Ньюмена
Этот американский ученый предложил для графической демонстрации конформаций специальные проекционные формулы - проекции Ньюмена. Они соответствуют формам А и Б и представлены на рисунке ниже.
В первом случае это А-заслоненная конформация, а во втором - Б-заторможенная. В позиции А атомы H располагаются на минимальном расстоянии друг от друга. Данной форме соответствует самое большое значение энергии, ввиду того что отталкивание между ними наибольшее. Это энергетически невыгодное состояние, вследствие чего молекула стремится покинуть его и перейти к более устойчивому положению Б. Здесь атомы H максимально удалены друг от друга. Так, энергетическая разница этих положений - 12 кДж/моль, благодаря чему свободное вращение вокруг оси в молекуле этана, которая соединяет метильные группы, получается неравномерным. После попадания в энергетически выгодное положение молекула там задерживается, другими словами, «тормозится». Именно поэтому оно и называется заторможенным. Результат - 10 тыс. молекул этана пребывают в заторможенной форме конформации при условии комнатной температуры. Только одна имеет другую форму - заслоненную.
Получение предельных углеводородов
Из статьи уже стало известно, что это алканы (строение, номенклатура их подробно описаны ранее). Будет нелишне рассмотреть способы их получения. Они выделяются из таких природных источников, как нефть, природный, каменный уголь. Применяются также и синтетические методы. Например, H₂ 2H₂:
- Процесс гидрирования CnH₂n (алкены)→ CnH₂n+2 (алканы)← CnH₂n-2 (алкины).
- Из смеси монооксида C и H - синтез-газа: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
- Из карбоновых кислот (их солей): электролиз на аноде, на катоде:
- электролиз Кольбе: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
- реакция Дюма (сплав со щелочью): CH₃COONa+NaOH (t)→CH₄+Na₂CO₃.
- Крекинг нефти: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
- Газификация топлива (твердого): C+2H₂→CH₄.
- Синтез сложных алканов (галогенопроизводных), которые имеют меньшее количество атомов C: 2CH₃Cl (хлорметан) +2Na →CH₃- CH₃ (этан) +2NaCl.
- Разложение водой метанидов (карбидов металлов): Al₄C₃+12H₂O→4Al(OH₃)↓+3CH₄.
Физические свойства предельных углеводородов
Для удобства данные сгруппированы в таблицу.
Формула | Алкан | Температура плавления в °С | Температура кипения в °С | Плотность, г/мл |
0,415 при t = -165°С |
||||
0,561 при t= -100°C |
||||
0,583 при t = -45°C |
||||
0,579 при t =0°C |
||||
2-Метилпропан | 0,557 при t = -25°C |
|||
2,2-Диметил-пропан | ||||
2-Метилбутан | ||||
2-Метилпентан | ||||
2,2,3,3-Тетра-метилбутан | ||||
2,2,4-Триметил-пентан | ||||
н-C₁₀H₂₂ | ||||
н-C₁₁H₂₄ | н-Ундекан | |||
н-C₁₂H₂₆ | н-Додекан | |||
н-C₁₃H₂₈ | н-Тридекан | |||
н-C₁₄H₃₀ | н-Тетрадекан | |||
н-C₁₅H₃₂ | н-Пентадекан | |||
н-C₁₆H₃₄ | н-Гексадекан | |||
н-C₂₀H₄₂ | н-Эйкозан | |||
н-C₃₀H₆₂ | н-Триаконтан | 1 мм рт. ст | ||
н-C₄₀H₈₂ | н-Тетраконтан | 3 мм рт. ст. | ||
н-C₅₀H₁₀₂ | н-Пентаконтан | 15 мм рт. ст. | ||
н-C₆₀H₁₂₂ | н-Гексаконтан | |||
н-C₇₀H₁₄₂ | н-Гептаконтан | |||
н-C₁₀₀H₂₀₂ |
Заключение
В статье было рассмотрено такое понятие, как алканы (строение, номенклатура, изомерия, гомологический ряд и пр.). Немного рассказано об особенностиях радиальной и заместительной номенклатур. Описаны способы получения алканов.
Кроме того, в статье подробно перечислена вся номенклатура алканов (тест может помочь усвоить полученную информацию).
