Физические свойства . В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С 1 - С 4) - газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C 5 - C 17 ) - жидкости, начиная с С 18 и выше - твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов . При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы .
Алканы практически нерастворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды, они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом.
Основные природные источники алканов - нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C 5 H 12 до С 30 Н 62 . Природный газ состоит из метана (95%) с примесью этана и пропана.
Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:/>
1
. Получение из ненасыщенных углеводородов. Взаимодействие алкенов
или алкинов
с водородом ("гидрирование") происходит в присутствии металлических катализаторов (/>Ni
,
Pd
) при
нагревании:
СН з —C ≡СН + 2Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 3 .
2 . Получение из галогенпротводных . При нагревании моногалогензамещенных алканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца ):/>
С 2 Н 5 Br + 2 Na + Br — C 2 H 5 → C 2 H 5 — C 2 H 5 + 2 NaBr .
Подобную реакцию не проводят с двумя разными галогензамещенными алканами , поскольку при этом получается смесь трех различных алканов
3 . Получение из солей карбоновых кислот. При сплавлении безводных солей карбоновых кислот с щелочами получаются алканы , содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот:/>
4 .Получение метана. В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:/>
С + 2Н 2 → СН 4 .
Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере водорода до 400-500 °С при повышенном давлении в присутствии катализатора.
В лабораторных условиях метан часто получают из карбида алюминия:
А l 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4А l (ОН) 3 .
Химические свойства . В обычных условиях алканы химически инертны . Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями — перманганатом калия KMn О 4 и т.п.
Химическая устойчивость алканов объясняется высокой прочностью s — связей С-С и С-Н, а также их неполярностью . Неполярные связи С-С и С-Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. Следовательно, алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения, обозначаемого символом S R (от англ , substitution radicalic ). По этому механизму легче всего замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.
1. Галогенирование . При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов . Общая схема этой реакции показана на примере метана:/>
б) Рост цепи. Радикал хлора отнимает у молекулы алкана атом водорода:
Cl · + СН 4 →НС/>l + СН 3 ·
При этом образуется алкильный радикал, который отнимает атом хлора у молекулы хлора:
СН 3 · + С l 2 →СН 3 С l + С l ·
Эти реакции повторяются до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи по одной из реакций:
Cl · + Cl · → С l/> 2 , СН 3 · + СН 3 · → С 2 Н 6 , СН 3 · + Cl · → СН 3 С l ·
Суммарное уравнение реакции:
| hv | ||
| СН 4 + Сl 2 | → | СН 3 Сl + НСl. |
Образующийся хлорметан может подвергаться дальнейшему хлорированию, давая смесь продуктов CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , СС l 4 по схеме (*).
Развитие теории цепных свободнорадикальных реакций тесно связано с именем выдающегося русского ученого, лауреата Нобелевской премии Н.И. Семенова (1896-1986).
2. Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:/>
При радикальных реакциях (галогенирование, нитрование) в первую очередь замешаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода. Это объясняется тем, что легче всего разрывается гомолитически связь третичного атома углерода с водородом (энергия связи 376 кДж/моль), затем - вторичного (390 кДж/моль) и только потом - первичного (415 кДж/моль).
3. Изомеризация . Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:/>
4. Крекинг
- это гемолитический разрыв связей С-С
, который протекает при нагревании и под действием катализаторов.
При крекинге высших
алканов
образуются алкены
и низшие алканы
, при крекинге метана и этана образуются ацетилен:/>
C/> 8 H 18 → C 4 H 10 + С 4 Н 8 ,/>
2СН 4 → С 2 Н 2 + ЗН 2 ,
С 2 Н 6 → С 2 Н 2 + 2Н 2 .
Эти реакции имеют большое промышленное значение. Таким путем высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в бензин, керосин и другие ценные продукты.
5. Окисление . При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:
 |
Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха — один из промышленных способов получения уксусной кислоты:
t
°
2
C 4/> H/> 10
+ 5
O/> 2
→ 4
CH/> 3
COOH/> + 2Н 2 О .
кат
На воздухе алканы сгорают до СО 2 и Н 2 О:/>
С n Н 2 n +2 + (З n +1)/2О 2 = n СО 2 + (n +1)Н 2 О.
Предельные углеводороды - это углеводороды, в молекулах которых имеются только простые (одинарные) связи (-связи). Предельными углеводородами являются алканы и циклоалканы.
Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.
Алканы - предельные углеводороды, состав которых выражается общей формулой C n H 2n+2 . Алканы являются насыщенными углеводородами.
Изомеры и гомологи
| г | CH 4 метан |
||||
| CH 3 —CH 3 этан |
|||||
| CH 3 —CH 2 —CH 3 пропан |
|||||
| CH 3 —(CH 2) 2 —CH 3 бутан |
2-метилпропан |
||||
| CH 3 —(CH 2) 3 —CH 3 пентан |
2-метилбутан |
2,2-диметилпропан |
|||
| CH 3 —(CH 2) 4 —CH 3 гексан |
2-метилпентан |
2,2-диметилбутан |
2,3-диметилбутан |
3-метилпентан |
|
| и з о м е р ы | |||||
Физические свойства алканов
При комнатной температуре С 1 -C 4 - газы, C 5 -C 15 - жидкости, C 16 и следующие - твердые вещества; нерастворимы в воде; плотность меньше 1 г/см 3 ; жидкие - с запахом бензина.
С увеличением числа атомов углерода в молекуле возрастает температура кипения.
Химические свойства алканов
Малоактивны в обычных условиях, не реагируют с растворами кислот и щелочей, не обесцвечивают раствор KMnO 4 и бромную воду.
>Получение алканов
>>Циклоалканы - предельные углеводороды, состав которых выражается формулой C n H 2n . В состав молекул циклоалканов входят замкнутые углеродные цепи (циклы).
Изомеры и гомологи
| г | Циклопропан C 3 H 6 или |
||||
| Циклобутан C 4 H 8 или |
Метилциклопропан |
||||
| Циклопентан C 5 H 10 или |
Метилциклобутан |
1,1-диметилциклопропан |
1,2-диметилциклопропан |
Этилциклопропан |
|
| и з о м е р ы | |||||
Упрощенно углеводородный цикл часто изображают правильным многоугольником с соответствующим числом углов.
Физические свойства мало отличаются от свойств алканов.
Химические свойства
За исключением циклопропана и циклобутана циклоалканы, как и алканы, малоактивны в обычных условиях.
Общие свойства циклоалканов (на примере циклогексана):
>Особые свойства циклопропана и циклобутана (склонность к реакциям присоединения):
Способы получения циклоалканов
Алгоритм составления названий предельных углеводородов
- Найдите главную углеродную цепь: это самая длинная цепь атомов углерода.
- Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе разветвление.
- Укажите номер атома углерода в главной цепи, у которого есть заместитель и дайте название заместителю. Если заместителей несколько, расположите их по алфавиту. Перед названием одинаковых заместителей укажите номера всех атомов углерода, с которыми они связаны, и используйте умножающие приставки (ди-, три-, тетра-).
- Напишите название главной цепи с суффиксом -ан. Корни названий главной цепи: C 1 - мет, С 2 - эт, С 3 - проп, C 4 - бут, C 5 - пент, C 6 - гекс, С 7 - гепт, C 8 - окт, С 9 - нон, C 10 - дек. Названия незамещенных циклоалканов образуются из названия предельного углеводорода с добавлением префикса цикло-. Если в циклоалкане есть заместители, то атомы углерода в цикле нумеруются от самого простого заместителя (самого старшего, метила) к более сложному кратчайшим путем, и положения заместителей указываются так же, как и в алканах.
Задачи и тесты по теме "Тема 1. "Предельные углеводороды"."
- Углеводороды. Полимеры - Органические вещества 8–9 класс
Уроков: 7 Заданий: 9 Тестов: 1
- - Человек в мире веществ, материалов и химических реакций 8–9 класс
Уроков: 2 Заданий: 6 Тестов: 1
- Классификация веществ - Классы неорганических веществ 8–9 класс
Уроков: 2 Заданий: 9 Тестов: 1
А. Дана характеристика одного вещества-участника реакции (масса, объем, количество вещества), нужно найти характеристику другого вещества.Пример. Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана.
Ответ: m (Cl 2) = 35,5 г.
Б. Расчеты с использованием правила объемных отношений газов.
Пример. Определите, какой объем кислорода, измеренного при нормальных условиях (н. у.), потребуется для полного сгорания 10 м 3 пропана (н. у.).
Ответ: V (O 2) = 50 м 3 .Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий к теме 1. Желаем успехов.
Рекомендованная литература:- О. С. Габриелян и др. Химия 10 кл. М., Дрофа, 2002;
- Л. С. Гузей, Р. П. Суровцева, Г. Г. Лысова. Химия 11 кл. Дрофа, 1999.
- Г. Г. Лысова. Опорные конспекты и тесты по органической химии. М., ООО "Глик плюс", 1999.
2. Из нефти.
Нефть содержит жидкие и твердые предельные углеводороды. Так в ней содержатся: С 5 Н 12 , С 6 Н 14 - вcе изомеры.
С 7 Н 16 , С 8 Н 18 - в основном нормальные.
Начиная с С 9 Н 20 – только углеводороды нормального строения. Фракционная перегонка не позволяет выделить индивидуальные углеводороды, отгоняют лишь фракции:
Благодаря высокой температуре перегонки и особенно в процессе крекинга идет разложение с образованием низкомолекулярных газообразных углеводородов, которые используются в качестве сырья после разделения на фракции, содержащие: этан – этилен, пропан – пропилен, бутан – бутилен.
Путем дополнительного фракционирования выделяют более узкие фракции: С 5 Н 12 используют в синтезе амиловых спиртов, а на их основе эфиров – растворителей и душистых продуктов.
Из масляных фракций нефти выделяют твердые углеводороды состава: С 16 Н 34 и более (парафин и церезин).
3. Гидрирование непредельных углеводородов, полученных в результате крекинга нефти:
Ni, Pt, Pd, T=30-60 0 C
CH 3 -CH=CH 2 + H 2 CH 3 -CH 2 -CH 3
4. Гидрогенизация окиси углерода (способ Орлова-Фишера):
Fe+Co, T=200 0 C
nCO + (2n+1)H 2 C n H 2n+2 + nH 2 O
5. Гидрогенизация бурых углей (Бергиус):
Fe, T=450 0 C, P=200 ат
nC + (n+1)H 2 C n H 2n+2
6. Получение метана из углерода и его окислов:
С + 2Н 2 СН 4
С + 2Н 2 СН 4
СO + 3Н 2 СН 4 + Н 2 О
7. Получение метана из карбидов металлов.
Углеводороды входят в состав бензинов, являющихся горючим для двигателей внутреннего сгорания. В двигателе пары горючего подвергаются максимальному сжатию; при воспламенении входящие состав горючего углеводороды мгновенно разлагаются со взрывом, образуя продукты полного сгорания (СО 2 , пары Н 2 О). Однако этот процесс может сопровождаться так называемой детонацией, т.е. преждевременным взрывом горючего до достижения максимального сжатия. При этом происходит неполное сгорание (с образованием СО, Н 2 и «осколков» углеводородов), энергия топлива используется не полностью, нарушается ритм работы двигателя. Выяснено, что детонационные свойства углеводородов зависят от их строения: чем больше разветвлена цепь углеводорода (т. е. чем больше в его молекуле третичных и четвертичных углеродных атомов), тем меньше он склонен к детонации и тем выше его качество как горючего; чем меньше разветвлена цепь, тем склонность к детонации больше. Так, высокими антидетонационными свойствами обладает входящий в состав бензинов углеводород 2,2,4-триметилпентан (изооктан); крайне склонен к детонации н-гептан:
Изооктан н -Гептан
Из изооктана и н -гептана готовят стандартные топливные смеси, с детонационными свойствами которых сравнивают детонационные свойства различных горючих (бензинов и т.п.). Последние характеризуют так называемым октановым числом (о.ч.). Например, если о.ч. горючего равно 85, это значит, что оно по детонационным свойствам подобно смеси, содержащей 85% изооктана и 15% н -гептана. Высококачественное горючее для авиационных и автомобильных моторов должно иметь о.ч. выше 90. Иначе говоря, высококачественные бензины должны быть богаты углеводородами с разветвленной углеродной цепью. Антидетонационные свойства бензинов могут быть повышены добавлением к ним различных веществ (антидетонаторов), например тетраэтилсвинца.
Тетраэтилсвинец. (С 2 Н 5 ) 4 Pb . Тетраэтилсвинец относится к свинцеорганическим соединениям. Тетраэтилсвинец ТЭС получают при взаимодействии хлористого этила со сплавом натрия и свинца
4 С 2 Н 5 – С l + 4 Na + Pb (C 2 H 5 ) 4 Pb + 4 NaCl
хлористыйтетраэтилсвинец
этил
Тэтраэтилсвинец – бесцветная тяжёлая жидкость, со слабым фруктовым запахом; d4 = 1,653. Очень ядовит: проникает в организм не только при вдыхании его паров, но и всасывается через кожу, вызывая серьёзные отравления. Применяется в качестве добавки к низкосортным бензинам (антидетонатор). Известен под сокращенным названием – ТЭС, а также под названием этиловая жидкость.
Способы получения галогенопроизводных предельных углеводородов
Замещение водорода в предельных углеводородах на галоген. При действии галогенов на предельные углеводороды под влиянием света в результате замещения атомов водорода образуется галогеналкины.
Например:
CH 4 + Cl 2 CH3Cl + HCl
МетанХлористый метил
Однако при этом образуются и значительные количества полигалогенпроизводных.
При прямом галогенировании более сложных углеводородов замещение водорода может происходить у различных углеродных атомов. Так, например, уже при хлорировании пропана реакция протекает по двум направлениям – образуется смесь двух галогеналкилов
Получение из непредельных углеводородов . Галогеналкины образуются при присоединении галогеноводородов к этиленовым углеводородам
При присоединении к этиленовым углеводородам галогенов или к ацетиленовым – галогеноводородов образуются дигалогенопроизводные. Из ацетиленовых и диеновых углеводородов в результате присоединения галогенов могут буть получены разнообразные тетрагалогенпроизводные.
Получение из спиртов. Наиболее удобным способом получения галогеноалкилов является замещение гидроксильной группы спиртов R– OH на галоген.
Если действовать на спирт галогенводородом, то образуется галогеналкил
Однако по мере образования галогеналкила и воды последняя будет гидролизовать галогеналкил, и поэтому такая реакция обратима. Чтобы получить хорший выход галогеналкила, в реакцию вводят избыток галогенводорода либо ведут ее в присутствии водооотнимающих средств
(концентрированной серной кислоты). Например:
Для получения галогеналкилов удобно действие на спирты галогенных соединений фосфора. Например:
Или
Способы получения предельных углеводородов
Здесь рассмотрены общие методы синтеза предельных углеводородов . Каждый класс органических веществ, в том числе предельные углеводороды, характеризуется рядом общих методов синтеза. Последние позволяют судить о связи соединений данного класса с веществами других классов и о путях их взаимных превращений. Кроме того, синтез вещества из других соединений, строение которых известно, служит одним из лучших способов доказательства строения этого вещества.
Синтез из непредельных углеводородов . Состав непредельных углеводородов, содержащих, например, двойную или тройную связи, выражается общими эмпирическими формулами: Сn Н 2 n или С n Н 2 n -2; таким образом, они отличаются от предельных углеводородов по содержанию водорода. Для получения предельных углеводородов непредельные подвергают действию водорода (реакция гидрирования) в присутствии катализаторов (Ni, Рd, Рt):
H2 + H2
С n Н 2n СnН2n+2 СnН2n-2
Катализаторкатализатор
УглеводородПредельныйУглеводород
С двойнойуглеводородс тройной
СвязьюСвязью
Таким путем, например, из этилена или ацетилена может быть получен этан.
Восстановление галогенпроизводных. При замещении атомов галогенов в молекулах предельных галогенпроизводных на водород образуются предельные углеводороды. Наиболее удобно действие водорода в момент выделения* или иодистоводородной кислоты на иодпроизводные
Например:
Такой водород и называют водородом в момент выделения.
Получение из органических кислот. Органические карбоновые кислоты в различных условиях могут разлагаться с образованием предельного углеводорода и двуокиси углерода
Этот метод приводит к образованию углеводородов с меньшим числом углеродных атомов, чем в исходном соединении.
Синтез более сложных углеводородов из галогенпроизводных с меньшим числом атомов углерода (синтез Вюрца). Данный метод заключается в получении углеводородов из галогенпроизводных при действии на них металлического натрия. Реакция (синтез Вюрца) протекает при нагревании по схеме
Таким методом,
беря в качестве исходных веществ соответствующие галогенпроизводные, можно получить
любой углеводород заданного строения и тем самым подтвердить это строение.
Допустим, требуется получить один из изомерных пентанов - 2-метилбутан
Однако нетрудно понять, что, когда в
реакцию вводят смесь двух галогенпроизводных, эта реакция будет протекать еще по двум направлениям, так как молекулы каждого из
галогенпроизводных могут реагировать попарно друг с другом, а именно:
Таким образом, из смеси двух галогенпроизводных по реакции Вюрца всегда образуется смесь трех углеводородов, которая может быть разделена на составляющие соединения, (обычно при помощи дробной перегонки).
>Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. При пропускании смеси окиси углерода (СО) и водорода (Н 2) над нагретым до 200°С катализатором, содержащим восстановленное железо, образуются смеси преимущественно предельных углеводородов
Процесс имеет большое практическое значение, так как полученные смеси углеводородов представляют собой синтетический бензин. Исходным продуктом для синтеза могут служить получаемые различными методами смеси СО и Н 2 . Смесью этих газов является, например, синтез-газ, получаемый из природных газов, содержащих метан, или водяной газ, образующийся при пропускании водяного пара над раскаленным углем.
Получение предельных углеводородов из природных продуктов. Природными источниками предельных углеводородов служат разнообразные продукты, из которых наиболее важны природные горючие газы, нефть и горный воск.
Природные горючие газы представляют собой смеси газообразных углеводородов; они содержатся в земной коре, образуя огромные газовые месторождения. Кроме того, горючие газы сопутствуют нефти (природный нефтяной газ) и часто в больших количествах (например, в районе Грозного и Баку) выделяются из скважин в процессе нефтедобычи (попутный нефтяной газ).
Главная составная часть природных газов - метан. Нефтяной газ наряду с метаном содержит этан, пропан, бутан и изобутан. Содержание этих углеводородов неодинаково для газов различных месторождений. Так, в состав нефтяного газа, добываемого в районе Баку и Саратова, входит 85-94% метана и лишь небольшое количество его гомологов. В то же время в нефтяном газе некоторых месторождений района Грозного, а также в Краснодарском крае содержание этана, пропана и бутанов достигает 50%. Иногда в нефтяном газе содержится и значительное количество паров низкокипящих углеводородов, входящих в состав бензинов; поэтому он может служить источником легких бензиновых фракций (см. ниже).
Природные газы - дешевое и эффективное топливо, используемое как в промышленности, так и в быту. Кроме того, они служат ценным химическим сырьем. Особенно перспективно в этом отношении использование попутного нефтяного газа: содержащиеся в нем углеводороды являются исходными веществами для получения синтетического каучука, пластических масс и других синтетических атериалов.
В России имеются богатейшие газовые месторождения; например, Москва снабжается газом из Саратовских месторождений, Киев - из месторождений Западной Украины и т. п.
Нефть и её переработка. Нефть - природное ископаемое, представляющее собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она является ценнейшим продуктом, с использованием ее связаны самые разнообразные отрасли народного хозяйства. Состав нефти неодинаков в различных месторождениях. Так, в России предельные углеводороды ряда метана преобладают, например, в ромашкинской (Татария), долинской (Украина), жетыбайской (Казахстан) нефтях. Нефть, добываемая в Азербайджане и на о. Сахалин, богата преимущественно циклическими предельными углеводородами - циклопарафинами. Некоторые нефти (например, павловская, Пермская обл.) содержат значительные количества ароматических углеводородов.
Нефть содержит как жидкие, так и растворенные в них твердые и в некотором количестве газообразные углеводороды. При большом содержании последних нефть иногда под давлением газов фонтаном выбивается из буровых скважин.
Нефть - эффективное и дешевое топливо. Кроме того, она является наиболее ценным химическим сырьем, на основе которого получают синтетический каучук, пластмассы и т.п.
Путем переработки из нефти получают продукты различного назначения. Главный способ переработки нефти - фракционирование (перегонка), при котором (после предварительного удаления газов) выделяют следующие основные нефтепродукты:
1. Бензин (сырой); температура кипения до 150-205°С.
2. Керосин; температура кипения от 150 до 300°С.
3. Нефтяные остатки (мазут).
Бензиновая фракция содержит углеводороды с 5-9 атомами углерода. Повторными разгонками из нее выделяют петролейный, или нефтяной, эфир (темп. кип. 40-70°С), бензины различных назначений - авиационный, автомобильный (темп. кип. 70-120 С С) и др.
Керосиновая фракция содержит углеводороды с 10-16 углеродными атомами, а нефтяные остатки (мазут) - смесь высших углеводородов.
Из мазута при температуре выше 300°С отгоняется некоторое количество не разлагающихся при этой температуре продуктов, которые называют соляровыми маслами и применяют в качестве различных смазочных средств. Кроме того, из мазута путем очистки, перегонки под уменьшенным давлением или с водяным паром получают и такие ценные продукты, как вазелин и парафин (последний представляет собой смесь твердых углеводородов, которыми особенно богаты некоторые сорта нефти). Остаток после переработки мазута - так называемый гудрон - применяют для покрытия дорог. Мазут используют и непосредственно как топливо.
Наиболее ценными для современной техники продуктами переработки нефти являются бензины. Однако при прямой перегонке из нефти получается лишь до 20% (в зависимости от сорта и месторождения нефти) бензиновой фракции. Выход ее может быть увеличен до 60-80% при помощи крекинга высших нефтяных фракций. Первая установка по крекингу нефти была построена в 1891 году в России инженером В. Г. Шуховым.
В настоящее время различают следующие основные типы крекинга: а) жидкофазный, при котором сырье (мазут) подается в печи крекинга в жидком виде; б) парофазный, когда сырье подается в виде паров, и в) каталитический, при котором сырье разлагается на специальных катализаторах. В зависимости от типа крекинга получаются крекинг-бензины, отличающиеся по составу и имеющие различные назначения.
При крекинге, наряду с жидкими бензиновыми углеводородами, получаются более простые газообразные, главным образом непредельные углеводороды. Они образуют так называемые газы крекинга (до 25% от крекируемого нефтепродукта). Последние являются ценным промышленным источником непредельных углеводородов. Некоторое количество легкого бензина может быть получено путем сжатия из нефтяного газа, при этом содержащиеся в нем пары бензиновых углеводородов сгущаются, образуя так называемый газовый бензин.
Горный воск. Горный воск, или озокерит, представляет собой смесь твердых углеводородов. Залежи его имеются на острове Челекен (Каспийское море), в Средней Азии, в Краснодарском крае, в Польше. Из озокерита выделяют твердое вещество церезин - заменитель воска.
Получение органических соединений, относящихся к различным классам, является основной задачей органического синтеза, как основного, так и тонкого. В основе многих методов получения лежат именные реакции, условия проведения которых необходимо запомнить, поскольку в органической химии именно условия определяют образующийся продукт реакции. В целом все реакции, лежащие в основе получения органических веществ, можно условно разделить на следующие типы:
1. Реакции, направленные на удлинение цепи (конструктивные реакции), например, алкилирование, полимеризация, (поли)конденсация
2. Реакции, направленные на укорочение углеродной цепи (реакции расщепления)
3. Реакции введения, удаления или взаимопревращения функциональных групп
4. Реакции образования кратных связей
5. Реакции циклизации и ароматизации
Далее, в виде справочного материала представлены основные методы получения углеводородов и их основных производных - спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, аминов, нитро- и галогенпроизводных. Подробно методы получения будут рассматриваться по классам соединений в отдельных темах.
Методы получения алканов
1. Синтез симметричных насыщенных углеводородов (наращивание углеводородной цепи) действием металлического натрия на алкилгалогениды (Реакция Вюрца )
C 2 H 5 Br + CH 3 Br + 2 Na → C 3 H 8 +2 NaBr
2. Восстановление непредельных углеводородов (гидрирование двойной кратной связи) :
H 3 C − CH = CH 2 + H 2 → H 3 C − CH 2 − CH 3
3. Получение метана сплавлением солей карбоновых кислот с твердой щелочью:
t 0
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4
4. Получение метана - гидролиз карбида алюминия (взаимодействием карбида алюминия с водой):
Al 4 C 3 +12 H 2 O
→ 4 Al (OH ) 3 +3 CH 45. Ректификация (прямая перегонка) нефти подробно разбирается в теме "Принципы переработки и применение горючих ископаемых"
Методы получения алкенов
1. Дегидрогалогенирование (действие спиртовых растворов щелочей на моногалогенпроизводные УВ)
Спирт NaOH
H 3 C − CH 2 − CH 2 Br
→ H 3 C − CH = CH 2 + NaBr + H 2 O2. Дегидратация спиртов (действие на спирты водоотнимающих средств):
3. Дегалогенирование (действие металлического Zn или Mg на дигалогенпроизводные с двумя атомами галогена у соседних атомов):
4. Гидрирование ацетиленовых углеводородов над катализаторами с пониженной активностью (Fe)
3-метилбутин-1 3-метилбутен-1
5. Пиролиз (дегидрирование) алканов (этана) (
см. п. 2 "Методы получения алкинов")Методы получения алкинов
Получение ацетилена:
1. Пиролиз метана - межмолекулярное дегидрирование (промышленный метод):
1500 ∘ C
H − CH 3 + H 3 C − H
→ H − C ≡ C − H + 2 H 22. Пиролиз (дегидрирование) этана или этилена (промышленный метод)
T
0 C t 0 CH 3 C − CH 3 → H 2 C = CH 2 + H 2 → H − C ≡ C − H + H 2
3. Гидролиз карбида кальция (взаимодействие карбида кальция с водой):
CaC 2 + 2 H 2 O → HC ≡ CH + Ca (OH ) 2
Получение гомологов ацетилена
1. Дегидрогалогенирование (действие спиртового раствора щелочи на дигалогеналканы (щелочь и спирт берутся в избытке):
2. Удлинение цепи (алкилирование ацетиленидов) при действии на ацетилениды алкилгалогенидами:
Методы получения алкадиенов
Общие способы получения диенов аналогичны способам получения алкенов.
1. Каталитическое двухстадийное дегидрирование алканов (через стадию образования алкенов). Этим путем получают в промышленности дивинил из бутана, содержащегося в газах нефтепереработки и в попутных газах:
В промышленности каталитическим дегидрированием изопентана (2-метилбутана) получают изопрен:
2. Синтез бутадиена (дивинила) из этилового спирта (реакция Лебедева):
3. Дегидратация гликолей (двухатомных спиртов, или алкандиолов):
4. Дегидрогалогенирование вицинальных дигалогенпроизводных в присутствии спиртового раствора щелочи:
Методы получения Бензола и его гомологов (ароматических УВ)
Основные методы получения ароматических углеводородов основаны либо на процессах циклизации с последующим дегидрированием, при наличии в УВ-цепи более шести атомов углерода, образуются гомологи безола с боковой цепью. Процесс тримеризации ацетилена используется при синтезе бензола и, тем самым, подтверждает его структуру.
1. Дегидрирование циклогексана (получение бензола)
2. Тримеризация ацетилена (получение бензола) реакция Зелинского
3.Риформинг (ароматизация нефти)
4. Коксование каменного угля - нагрев без доступа воздуха до 1000°С. Образуется смесь летучих веществ, каменноугольной смолы и твердый остаток – кокс. Смола – жидкая смесь органических веществ, из которой выделяют многие органические соединения, в том числе и арены.
Методы получения спиртов:
предельных одноатомных, гликолей, фенолов
1. Щелочной гидролиз моногалогенпроизводных алканов (нуклеофильное замещение)
бромэтан этанол
2. Гидратация этилена и несимметричных алкенов (электрофильное присоединение) по правилу Марковникова
3. Восстановление (гидрирование) альдегидов (первичные спирты) и кетонов (вторичные спирты)
этаналь
диметилкетон изопропиловый
(ацетон) спирт
4.Спиртовое брожение растительного сырья, содержащего углеводы:
C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 23,5 ⋅ 10 4 Дж
Получение гликолей (двухатомных предельных спиртов)
1. Окисление двойной кратной связи (только мягкое окисление!) реакция Вагнера:
Обратите внимание, что при действии жестких окислителей (подкисленного раствора пераманганата калия или озона) образуются карбонильные соединения (карбоновые кислоты и альдегиды), поскольку реакция протекает с разрывом и
σ - π -связей.Получение фенола (ароматического спирта)
1. Кумольный способ (основной промышленный способ)
2. Щелочной гидролиз хлорбензола
3. Выделение из каменноугольной смолы - продукта коксования каменного угля.
Методы получения альдегидов и кетонов
В классе кислородсодержащих углеводородов альдегиды занимают промежуточное положение в генетической цепочке: спирты - альдегиды - кислоты . Поэтому основные методы получения основаны на восстановлении кислот или на окислении спиртов.
1. Восстановление (дегидрирование) спиртов: первичных - до альдегидов, вторичных - до кетонов
этанол этаналь
пропанол-2 пропанон-2 (ацетон)
2. Окисление спиртов (условный окислитель - CuO , KMnO 4 , кислород воздуха в присутствии катализатора - Pt, Cu): первичных - до альдегидов, вторичных - до кетонов
этанол ацетальдегид
первичный спирт
изопропанол диметилкетон
вторичный спирт
3. Избирательное восстановление карбоновых кислот
4. Восстановление (гидрирование) хлорангидридов кислот по Розенмунду (катализатор - платиновая чернь, палладий)
5. Сухая перегонка кальциевых и бариевых солей одноосновных кислот: для всех кислот - кетоны; для муравьиной кислоты - альдегид.
В промышленности альдегиды получают следующими способами:
а) каталитическим окислением алканов (метана):
б) каталитическим окислением этилена кислородом воздуха (Вакер-процесс ):
в) гидратацией ацетилена в присутствии солей ртути (реакция Кучерова ):
Методы получения карбоновых кислот
Карбоновые кислоты являются последним звеном окислительной цепочки "спирты - альдегиды - кислоты", поэтому методы их получения основаны на реакциях окисления.
В промышленности карбоновые кислоты получают мягким каталитическим окислением кислородом воздуха алканов, спиртов и альдегидов. В качестве катализатора используют платину, палладий, соли олова и др., реакции проводят при нормальном давлении и 200 0 C . Окисление альдегидов происходит наиболее легко без дополнительного нагревания.
1. Окисление алканов:
2. Окисление спиртов:
3. Окисление альдегидов:
Специфическими методами синтеза простейших карбоновых кислот (муравьиной и уксусной) являются:
1. Синтез уксусной кислоты каталитическим формилированием метанола (катализатор оксид вольфрама, температура 400 ∘ C давление
2. Синтез муравьиной кислоты из окиси углерода и гидроксида натрия при нагревании с последующей обменной реакцией с серной кислотой:
3. Синтез муравьиной кислоты из окиси углерода и паров воды (катализатор соли меди, серная или фосфорная кислота):
P , t 0 C , kat
CO + H 2 O → HCOOH
