Подготовка за Единния държавен изпит по химия, темата е алкани. Алкани. Изомерия и номенклатура на алкани

Строеж на алкани

Алканите са въглеводороди, в чиито молекули атомите са свързани с единични връзки и които отговарят на общата формула C n H 2n+2. В молекулите на алканите всички въглеродни атоми са в състояние sp 3 -хибридизация.

Това означава, че всичките четири хибридни орбитали на въглеродния атом са еднакви по форма, енергия и са насочени към ъглите на равностранна триъгълна пирамида - тетраедър. Ъглите между орбиталите са 109° 28′. Около една връзка въглерод-въглерод е възможно почти свободно въртене и молекулите на алканите могат да приемат голямо разнообразие от форми с ъгли при въглеродните атоми, близки до тетраедрични (109° 28′), например в молекулата на n-пентан.

Особено си струва да си припомним връзките в молекулите на алканите. Всички връзки в молекулите на наситените въглеводороди са единични. Припокриването става по оста, свързваща ядрата на атомите, т.е σ облигации. Въглерод-въглеродните връзки са неполярни и слабо поляризуеми. Дължината на C-C връзката в алканите е 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H връзките са малко по-къси. Електронната плътност е леко изместена към по-електроотрицателния въглероден атом, т.е. C-H връзката е слабо полярен.

Хомоложна серия на метан

Хомолози- вещества, които са сходни по структура и свойства и се различават по една или повече СН групи 2 .

Наситени въглеводородисъставляват хомоложната серия на метана.

Изомерия и номенклатура на алкани

Алканите се характеризират с т.нар структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Най-простият алкан, който се характеризира със структурни изомери, е бутанът.

Нека разгледаме по-подробно основната номенклатура на алканите IUPAC.

1. Избор на главна верига. Образуването на името на въглеводорода започва с дефиницията на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата, която е, така да се каже, нейната основа.

2. Номериране на атомите на основната верига. На атомите на основната верига са присвоени номера. Номерирането на атомите на главната верига започва от края, до който заместителят е най-близо (структури А, В). Ако заместителите са разположени на еднакво разстояние от края на веригата, тогава номерирането започва от края, в който има повече от тях (структура B). Ако различните заместители са разположени на равни разстояния от краищата на веригата, тогава номерирането започва от края, до който е най-близо старшият (структура D). Старшинството на въглеводородните заместители се определя от реда, в който буквата, с която започва името им, се появява в азбуката: метил (-CH 3), след това пропил (-CH 2 -CH 2 -CH 3), етил (-CH 2 -CH3) и т.н.

Моля, обърнете внимание, че името на заместителя се образува чрез замяна на наставката -ан с наставката -ил в името на съответния алкан.

3. Образуване на името. В началото на името се посочват номерата - номерата на въглеродните атоми, при които се намират заместителите. Ако при даден атом има няколко заместителя, тогава съответното число в името се повтаря два пъти, разделени със запетая (2,2-). След числото се използва тире за посочване на броя на заместителите (ди - два, три - три, тетра - четири, пента - пет) и името на заместителя (метил, етил, пропил). След това, без интервали или тирета, името на основната верига. Основната верига се нарича въглеводород - член на хомоложната серия на метана (метан, етан, пропан и др.).

Имената на веществата, чиито структурни формули са дадени по-горе, са както следва:

Структура А: 2-метилпропан;

Структура В: 3-етилхексан;

Структура B: 2,2,4-триметилпентан;

Структура D: 2-метил 4-етилхексан.

Липса на наситени въглеводороди в молекулите полярни връзкиводи до тях слабо разтворим във вода, не взаимодействат със заредени частици (йони). Най-характерните реакции за алканите са тези, включващи свободни радикали.

Физични свойства на алканите

Първите четирима представители на хомоложния ред на метана са газове. Най-простият от тях е метан - газ без цвят, вкус и мирис (миризмата на „газ“, когато го помиришете, трябва да се обадите на 04, се определя от миризмата на меркаптани - съдържащи сяра съединения, специално добавени към използвания метан в битови и промишлени газови уреди, така че хората, намиращи се до тях, да могат да открият теча по миризма).

Въглеводороди със състав от СЪС 5 н 12 преди СЪС 15 н 32 - течности; по-тежките въглеводороди са твърди вещества. Точките на кипене и топене на алканите постепенно се увеличават с увеличаване на дължината на въглеродната верига. Всички въглеводороди са слабо разтворими във вода; течните въглеводороди са обикновени органични разтворители.

Химични свойства на алканите

Реакции на заместване.

Най-характерните реакции за алканите са заместване на свободните радикали, по време на който водородният атом се замества с халогенен атом или някаква група.

Нека представим характеристичните уравнения реакции на халогениране:

В случай на излишък на халоген, хлорирането може да продължи, до пълното заместване на всички водородни атоми с хлор:

Получените вещества се използват широко като разтворители и изходни материали в органичните синтези.

Реакция на дехидрогениране(извличане на водород).

Когато алкани преминават през катализатор (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) при високи температури (400-600 °C), водородната молекула се елиминира и алкен:

Реакции, придружени от разрушаване на въглеродната верига. Всички наситени въглеводороди горятс образуването на въглероден диоксид и вода. Газообразните въглеводороди, смесени с въздух в определени пропорции, могат да експлодират.

1. Изгаряне на наситени въглеводородие свободна радикална екзотермична реакция, която е много важна при използване на алкани като гориво:

Най-общо реакцията на горене на алканите може да се напише по следния начин:

2. Термично разделяне на въглеводороди.

Процесът протича според свободен радикален механизъм. Повишаването на температурата води до хомолитично разцепване на връзката въглерод-въглерод и образуването на свободни радикали.

Тези радикали взаимодействат един с друг, обменяйки водороден атом, за да образуват молекула алкан и алкен молекула:

Реакциите на термично разлагане са в основата на промишления процес - въглеводороден крекинг. Този процес е най-важният етап от рафинирането на петрол.

3. Пиролиза. Когато метанът се нагрее до температура от 1000 °C, той започва метанова пиролиза- разлагане на прости вещества:

При нагряване до температура 1500 °C образуването на ацетилен:

4. Изомеризация. Когато линейните въглеводороди се нагряват с изомеризационен катализатор (алуминиев хлорид), веществата с разклонен въглероден скелет:

5. Ароматизиране. Алканите с шест или повече въглеродни атома във веригата се циклизират в присъствието на катализатор, за да образуват бензен и неговите производни:

Алканите влизат в реакции, които протичат според механизма на свободните радикали, тъй като всички въглеродни атоми в молекулите на алканите са в състояние на sp3 хибридизация. Молекулите на тези вещества са изградени с помощта на ковалентни неполярни C-C (въглерод-въглерод) връзки и слабо полярни C-H (въглерод-водород) връзки. Те не съдържат области с повишена или намалена електронна плътност или лесно поляризуеми връзки, т.е. такива връзки, в които електронната плътност може да се измества под въздействието на външни фактори (електростатични полета на йони). Следователно алканите няма да реагират със заредени частици, тъй като връзките в молекулите на алканите не се разкъсват от хетеролитичния механизъм.

Подготвяме се за Единния държавен изпит.

АЛКАНИ (наситени въглеводороди, парафини)

Алканите са алифатни (ациклични) наситени въглеводороди, в които въглеродните атоми са свързани заедно чрез прости (единични) връзки в прави или разклонени вериги, спо общата формула C n H 2n+2, където n ≥1.

Алкани – наименованието на наситените въглеводороди според международната номенклатура.
Парафини – исторически установено име, отразяващо свойствата на тези съединения (от лат. parrum affinis – с малък афинитет, ниска активност).
Екстремни или наситени , тези въглеводороди са наречени поради пълното насищане на въглеродната верига с водородни атоми.

Хомоложна серия от алкани

Алкани, имащи обща формула C n H 2n+2 , са поредица от свързани съединения с еднаква структура, в която всеки следващ член се различава от предходния с постоянна група от атоми (-CH 2 -). Тази последователност от връзки се наричахомоложни серии(от гръцки хомолог - подобни), отделни членове на тази серия -хомолози , а групата от атоми, в които се различават съседните хомолози, ехомологична разлика.

1. CH 4 – първи член на хомоложната серия –метан (съдържа 1 С атом);
2. CH 3 -CH 3 или CH 3 -CH 3 – етан (2 C атома);
3. CH 3 -CH 2 -CH 3 или CH 3 -CH 2 -CH 3 – пропан (3 C атома);
4. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 или CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 – бутан (4 C атома).

Наставка -an е характерно за имената на всички алкани. Започвайки от петия хомолог, името на алкана се образува от гръцката цифра, показваща броя на въглеродните атоми в молекулата, и суфикса-ан: пентан C5H12, хексан C6H14, хептан C7H16, октан C8H18, нонан C9H20, декан C10H22 и др.

Хомолозите се различават по молекулно тегло и следователно по физични свойства. С увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулата на алкан в хомоложна серия се наблюдава естествена промяна във физичните свойства на хомолозите: температурата на кипене и топене се повишава, плътността се увеличава. Всички алкани са по-леки от водата и са неразтворими в нея, но са разтворими в неполярни разтворители (например бензен) и сами по себе си са добри разтворители. Алкани от CH 4 до C 4 H 10 – газове, от C 5 H 12 до C 17 H 36 – течности, след това – твърди вещества. Имайки еднакъв качествен състав и един и същи тип химични връзки, хомолозите имат сходни химични свойства. Следователно, знаейки химичните свойства на един от членовете на хомоложна серия, е възможно да се предвиди химичното поведение на други членове на тази серия.

Строеж на алкани

Алканите имат два вида химични връзки:

C–C и C–H.

C–C връзката е ковалентна неполярна. C–H връзката е ковалентна, слабо полярна, т.к въглеродът и водородът са близки по електроотрицателност).

Всички въглеродни атоми в алканите са в състояние sp 3-хибридизация.

Четири въглеродни σ връзки са насочени в пространството под ъгъл 109О 28", което съответства на най-малкото отблъскване на електрони. Следователно молекулата на най-простия представител на алканите - метан CH 4 – има формата на тетраедър, в центъра на който има въглероден атом, а във върховете има водородни атоми.

Изомерия на алкани

Изомерията е явлението на съществуването на съединения, които имат еднакъв състав (една и съща молекулна формула), но различни структури. Такива връзки се наричатизомери.

Разликите в реда, в който атомите се комбинират в молекулите (т.е. в химичната структура) водят доструктурна изомерия (изомерия на въглероден скелет). В серията алкани структурната изомерия се проявява, когато веригата съдържа 4 или повече въглеродни атома, т.е. започвайки с бутан С 4 N 10 . Например, алкан със състав С 4 ч 10 може да съществува във форматадве структурни изомери:

CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 (бутан) и CH 3 –CH(CH 3 ) –CH 3 (2-метилпропан).

Структурните изомери се различават по физични свойства. Алканите с разклонена структура, поради по-малко плътно опаковане на молекули и съответно по-малко междумолекулни взаимодействия, кипят при по-ниска температура от техните неразклонени изомери.

Химични свойства на алканите

Тривиалното (историческо) наименование на алканите - "парафини" - означава "нямащи афинитет". Алканите са химически неактивни при нормални условия. Ниската реактивност на алканите се дължи на много ниската полярност на С-С и С-Н връзките в техните молекули поради почти еднаквата електроотрицателност на въглеродните и водородните атоми. Наситените въглеводороди при нормални условия не взаимодействат с концентрирани киселини, алкали или дори такъв активен реагент като калиев перманганат. Алканите обикновено не са способни на реакции на присъединяване поради изключителното насищане на всички връзки на въглеродни атоми.

I. Реакции на заместване

При определени условия (при нагряване, или на светлина, или с помощта на катализатори) C-H връзките се разкъсват и водородните атоми се заменят с други атоми или групи от атоми. При тези реакции възниква хомолитично разцепване на ковалентни връзки, т.е. те се осъществяват по свободен радикален (верижен) механизъм.

1) Халогениране

Халогенирането на алкани е реакция на заместване на един или повече водородни атоми в молекула на алкан с халоген. Продуктите на реакцията се наричат ​​халоалкани или халогенни производни на алкани R-Cl или C n H 2n+1 – Cl.

Реакцията на алкани с хлор и бром протича на светлина или при нагряване.

Хлориране на метан:

CH 4 + Cl 2 hν → CH 3 Cl + HCl (1-ви етап)

(hν - квант на светлината; CH 3 Cl - хлорометан)

Ако има достатъчно хлор, реакцията продължава:

CH 3 Cl + Cl 2 hν → CH 2 Cl 2 + HCl (етап 2)

(CH 2 Cl 2 – дихлорометан)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 hν → CHCl 3 + HCl (3-ти етап)

(CHCI 3 – трихлорометан или хлороформ)

CHCl 3 + Cl 2 hν → CCl 4 + HCl (4-ти етап)

(CCl 4 – въглероден тетрахлорид)

Реакцията на халогениране на алкани протича чрез механизъм на радикална верига. Работите на академик и носител на Нобелова награда Н. Н. Семенов изиграха голяма роля в развитието на теорията на верижните реакции.

Скоростта на реакцията на заместване на водород с халогенен атом в халоалканите е по-висока от тази на съответния алкан; това се дължи на взаимното влияние на атомите в молекулата. Тъй като въглеводородният радикал се увеличава, най-мобилните водородни атоми остават при въглеродния атом, който е най-близо до заместителя:

CH 3 –CH 2 –Cl + Cl 2 hν → CH 3 – CHCl 2 + HCl

(CH 3 – CHCl 2 – 1,1-дихлороетан)

При хлориране или бромиране на алкан с вторични или третични въглеродни атоми е най-лесно да се замени водородът при третичния атом, по-трудно при вторичния и още по-трудно при първичния. Това се обяснява с по-голямата стабилност на третичните и вторичните въглеводородни радикали в сравнение с първичните поради делокализацията на несдвоения електрон. Следователно, например, при бромиране на пропан, основният реакционен продукт е 2-бромопропан:

С флуора реакцията протича експлозивно.

2) Нитриране (реакция на Коновалов)

Въпреки факта, че при нормални условия алканите не реагират с концентрирана азотна киселина, при нагряване до 140 ° C с разредена (10%) азотна киселина под налягане възниква реакция на нитриране - заместването на водороден атом с нитро група NO2. Продукти на реакцията – нитроалкани R-NO 2 или C n H 2n+1 – NO 2.

Схема на реакция:

CH 4 + HNO 3 t˚С,Р → CH 3 NO 2 + H 2 O (нитриране на метан произвежда нитрометан).

В реакциите водородните атоми се заместват най-лесно при третичните въглеродни атоми, след това при вторичните и накрая при първичните.

3) Сулфониране

Сярната киселина при обикновени температури няма ефект върху алканите, но при ниски температури се концентрирасярна киселинаможе да действа до краен пределвъглеводородикоето води до заместване на водороден атом със сулфо група SO 3H

II. Реакции на окисляване на алкани

При обикновени температури алканите не реагират дори със силни окислители (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4 и др.).

1) Когато се поставят в открит пламък, алканите горят. В този случай при излишък на кислород те се окисляват напълно до CO 2 и вода. Изгарянето на въглеводороди е съпроводено с отделяне на голямо количество топлина (екзотермична реакция).

CH 4 + 2O 2 →CO 2 + 2H 2 O+ Q

C 5 H 12 + 8O 2 → 5CO 2 + 6H 2 O + Q

Уравнението за реакцията на горене на алкани в общ вид:

От това уравнение следва, че с увеличаване на броя на въглеродните атоми (н ) в алкан количеството кислород, необходимо за пълното му окисление, се увеличава. При изгаряне на висши алкани (н >>1) кислородът, съдържащ се във въздуха, може да не е достатъчен за пълното им окисление до CO 2 . Тогава се образуват продукти на частично окисление:въглероден окис CO,
сажди (фин въглерод, нулево състояние на окисление). Следователно висшите алкани горят във въздуха с димен пламък, а отделяният по пътя токсичен въглероден оксид (без мирис и цвят) представлява опасност за хората.

Изгарянето на метан с липса на кислород се извършва съгласно уравненията:

2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O

CH 4 + O 2 → C + 2H 2 O

2) Каталитично окисление с атмосферен кислород.

Частичното окисление на алкани при сравнително ниска температура и с помощта на катализатори се придружава от разкъсване само на част от връзките C-C и C-H и се използва за получаване на ценни продукти: карбоксилни киселини, кетони, алдехиди и алкохоли.

2CH 4 + O 2 → 2CH 3 OH (CH 3 OH - метанол)

CH 4 + O 2 → HCOH + H 2 O (HCOH - метанал)

2CH 4 + 3O 2 → 2HCOOH + 2H 2 O (HCOOH – метанова киселина)

Когато бутанът е непълно окислен, се получава оцетна киселина:

2C 4 H 10 + 5O 2 → 4СH 3 COOH + 2H 2 O

III. Термични превръщания на алкани

1) Крекинг на алкани– процесът на термично разлагане на въглеводороди, който се основава на реакциите на разцепване на въглеродната верига на големи молекули с образуването на молекули на алкани и алкени с по-къса верига.

Крекингът на алкани е в основата на рафинирането на нефт с цел получаване на продукти с по-ниско молекулно тегло, които се използват като моторни горива, смазочни масла и др., Както и суровини за химическата и нефтохимическата промишленост.
Има два начина за извършване на този процес:термичен крекинг(при нагряване без достъп на въздух) икаталитичен крекинг(по-умерено нагряване при наличие на катализатор).

C 10 H 22 t°С → C 5 H 12 + C 5 H 10

2) Дехидрогениране на алкани

При нагряване на алкани в присъствието на катализатори (Pt, Pd, Ni, Cr 2 O 3, Al 2 O 3 ) техните каталитичнидехидрогениране – отнемане на водородни атоми поради разкъсване на С-Н връзки.

3) Изомеризация на алкани.

Алканите с нормална структура под въздействието на катализатори и при нагряване могат да се трансформират в разклонени алкани, без да променят състава на молекулите, т.е. влизат в реакции на изомеризация. Тези реакции включват алкани, чиито молекули съдържат най-малко 4 въглеродни атома.

Например, изомеризацията на n-пентан до изопентан (2-метилбутан) се извършва при 100°C в присъствието на катализатор от алуминиев хлорид:

4) Реакция на дехидроциклизация или ароматизиране

Алканите с основна верига от 6 или повече въглеродни атома влизат в реакция на дехидроциклизация, но винаги образуват 6-членен пръстен (циклохексан и неговите производни). При реакционни условия този цикъл претърпява допълнително дехидрогениране и се превръща в енергийно по-стабилен бензенов пръстен на ароматен въглеводород (арен). Например:

Тези реакции са в основата на процеса на реформинг - преработката на петролни продукти до получаване на арени (ароматизиране на наситени въглеводороди) и водород. Превръщането на n-алкани в арени води до подобряване на устойчивостта на детонация на бензина.

5) Термично разлагане до прости вещества

CH 4 t → C + 2H 2

6) Пиролиза на метан.

При 1500 °C възниквамеждумолекулно дехидрогениранеметан

с образуването на ацетилен:

2CH 4 1500°С → C 2 H 2 + 3H 2

Тази реакция се използва за промишлено производство на ацетилен.

IV. Конверсия на метан

Важна е реакцията на взаимодействие на метан с водна пара, в резултат на което се образува смес от въглероден оксид (II) с водород - „синтезен газ“:

Тази реакция се използва за получаване на водород. Синтезният газ служи като суровина за производството на различни въглеводороди.

Получаване на алкани

Алканите се изолират от природни източници (природни и свързани газове, нефт). Природният газ се състои от до 95% метан. Блатният газ, образуван в резултат на бактериална обработка (гниене) на въглехидрати, има същия състав. Свързаните петролни газове се състоят главно от етан, пропан, бутан и частично пентан. Те се отделят от маслото в специални инсталации за обработка на масло. При липсата на газокондензни станции, свързаните нефтени газове се изгарят във факели, което е изключително неразумна и разточителна практика при производството на нефт. Едновременно с газовете маслото се пречиства от вода, мръсотия и пясък, след което постъпва в тръбата за транспортиране. От масло при дестилацията му се получава
повече от 100 отделни съединения, алкани с права и разклонена верига, циклоалкани и ароматни въглеводороди.

Използват се и синтетични методи.

1. Крекинг на алкани (промишлен метод)

1. Хидрогениране на ненаситени въглеводороди:

C n H 2n + H 2 t˚С, Ni или Pd → C n H 2n+2

Синтез на по-сложни алкани чрез действието на метален натрий върху монохалоалкани с по-малък брой въглеродни атоми:

2CH3–CH2Br+2Na→CH3–CH2–CH2–CH3+2NaBr
Реакцията на Wurtz има смисъл само за получаването от един алкилхалид, тъй като в противен случай смес от алкани е трудно да се раздели в лабораторни условия.

Например:

В допълнение към пропан C 3 H 8 се образува бутан C 4 H 10 (от 2 молекули C 2 H 5 Br) и етан C 2 H 6 (от 2 молекули CH 3 Br).

1. Термично декарбоксилиране. Сливане на соли на карбоксилни киселини с алкали (реакция на Дюма):

или като цяло
R-COONa + NaOH R-H + Na 2 CO 3

1. Електролиза на соли на карбоксилни киселини (реакция на Колбе):

1. Изомеризация. Под въздействието на катализатори, при нагряване, алканите с нормална структура претърпяват изомеризация - пренареждане на въглеродния скелет с образуването на разклонени алкани
2. Течните въглеводороди съставляват значителна част от моторните и ракетните горива и се използват като разтворители.
3. Вазелиновото масло (смес от течни въглеводороди с до 15 въглеродни атома) е прозрачна течност без мирис и вкус, използвана в медицината, парфюмерията и козметиката.
4. Вазелинът (смес от течни и твърди наситени въглеводороди с брой въглеродни атоми до 25) се използва за приготвяне на мехлеми, използвани в медицината.
5. Парафин (смес от твърди алкани C 19 -С 35 ) - бяла твърда маса без мирис и вкус (т.т. 50-70 ° C) - използва се за производство на свещи, импрегниране на кибрит и опаковъчна хартия, за термични процедури в медицината. Служи като суровина за производството на органични киселини и алкохоли, детергенти и повърхностно активни вещества.
6. Нормалните наситени въглеводороди със средно молекулно тегло се използват като хранителен субстрат в микробиологичния синтез на протеин от масло.
7. От голямо значение са халогенните производни на алканите, които се използват като разтворители, охладители и суровини за по-нататъшни синтези.
8. В съвременната нефтохимическа промишленост наситените въглеводороди са основа за производството на различни органични съединения, важна суровина в процесите на получаване на междинни продукти за производството на пластмаси, каучук, синтетични влакна, детергенти и много други вещества.

Източници

1. Г. И. Дерябина, Г. В. Кантария. Органична химия.Електронен ресурс.
2. И.И.Новошински, Н.С.Новошинская. Органична химия: наръчник за ученици и кандидати. – М.: ООО „Издателство ОНИКС 21 век”, 2004 г
3. Кузменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Началото на химията. Модерен курс за кандидатстващи в университети. М.: Изпит, 2002.
   

Характерни химични свойства на въглеводородите: алкани, алкени, диени, алкини, ароматни въглеводороди

Алкани

Алканите са въглеводороди, в чиито молекули атомите са свързани с единични връзки и които отговарят на общата формула $C_(n)H_(2n+2)$.

Хомоложна серия на метан

както вече знаете, хомолози- това са вещества, които са сходни по структура и свойства и се различават по една или повече $CH_2$ групи.

Наситените въглеводороди съставляват хомоложната серия на метана.

Изомерия и номенклатура

Алканите се характеризират с така наречената структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Както вече знаете, най-простият алкан, който се характеризира със структурни изомери, е бутанът:

Нека разгледаме по-отблизо основите на номенклатурата на IUPAC за алкани:

1. Избор на главната верига.

Образуването на името на въглеводорода започва с дефиницията на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата, която е, така да се каже, нейната основа.

2.

На атомите на основната верига са присвоени номера. Номерирането на атомите на главната верига започва от края, до който заместителят е най-близо (структури А, В). Ако заместителите са разположени на еднакво разстояние от края на веригата, тогава номерирането започва от края, в който има повече от тях (структура B). Ако различните заместители са разположени на равни разстояния от краищата на веригата, тогава номерирането започва от края, до който е най-близо старшият (структура D). Старшинството на въглеводородните заместители се определя от реда, в който буквата, с която започва името им, се появява в азбуката: метил (—$CH_3$), след това пропил ($—CH_2—CH_2—CH_3$), етил ($—CH_2 —CH_3$ ) и т.н.

Моля, обърнете внимание, че името на заместителя се формира чрез заместване на суфикса -анкъм суфикс -I лв името на съответния алкан.

3. Образуване на името.

В началото на името се посочват номерата - номерата на въглеродните атоми, при които се намират заместителите. Ако има няколко заместителя при даден атом, тогава съответното число в името се повтаря два пъти, разделени със запетая ($2,2-$). След номера броят на заместителите се посочва с тире ( ди- две, три- три, тетра- четири, пента- пет) и името на заместника ( метил, етил, пропил). След това, без интервали или тирета, името на основната верига. Основната верига се нарича въглеводород - член на хомоложната серия на метана ( метан, етан, пропан и др.).

Имената на веществата, чиито структурни формули са дадени по-горе, са както следва:

— структура A: $2$ -метилпропан;

— структура B: $3$ -етилхексан;

— структура B: $2,2,4$ -триметилпентан;

— структура G: $2$ -метил$4$-етилхексан.

Физични и химични свойства на алканите

Физични свойства.Първите четири представителя на хомоложната серия на метана са газове. Най-простият от тях е метанът, газ без цвят, вкус и мирис (мирисът на газ, който усещате, трябва да наречете $104$, се определя от миризмата на меркаптани - съдържащи сяра съединения, специално добавени към метана, използван в битови и промишлени газови уреди, така че хората, намиращи се до тях, да могат да открият теча по миризмата).

Въглеводородите със състав от $С_5Н_(12)$ до $С_(15)Н_(32)$ са течности; по-тежките въглеводороди са твърди вещества.

Точките на кипене и топене на алканите постепенно се увеличават с увеличаване на дължината на въглеродната верига. Всички въглеводороди са слабо разтворими във вода; течните въглеводороди са обикновени органични разтворители.

Химични свойства.

1. Реакции на заместване.Най-характерните реакции за алканите са реакциите на заместване на свободните радикали, по време на които водородният атом се замества с халогенен атом или някаква група.

Нека представим уравненията на най-характерните реакции.

Халогениране:

$CH_4+Cl_2→CH_3Cl+HCl$.

В случай на излишък от халоген, хлорирането може да продължи, до пълното заместване на всички водородни атоми с хлор:

$CH_3Cl+Cl_2→HCl+(CH_2Cl_2)↙(\text"дихлорометан (метиленхлорид)")$,

$CH_2Cl_2+Cl_2→HCl+(CHСl_3)↙(\text"трихлорометан(хлороформ)")$,

$CHCl_3+Cl_2→HCl+(CCl_4)↙(\text"тетрахлорметан(тетрахлорметан)")$.

Получените вещества се използват широко като разтворители и изходни материали в органичните синтези.

2. Дехидрогениране (елиминиране на водород).Когато алканите преминават през катализатор ($Pt, Ni, Al_2O_3, Cr_2O_3$) при високи температури ($400-600°C$), водородната молекула се елиминира и се образува алкен:

$CH_3—CH_3→CH_2=CH_2+H_2$

3. Реакции, придружени от разрушаване на въглеродната верига.Всички наситени въглеводороди горятс образуването на въглероден диоксид и вода. Газообразните въглеводороди, смесени с въздух в определени пропорции, могат да експлодират. Изгарянето на наситени въглеводороди е свободна радикална екзотермична реакция, което е много важно при използване на алкани като гориво:

$СН_4+2О_2→СО_2+2Н_2O+880 kJ.$

Най-общо реакцията на горене на алканите може да се напише по следния начин:

$C_(n)H_(2n+2)+((3n+1)/(2))O_2→nCO_2+(n+1)H_2O$

Термично разделяне на въглеводороди:

$C_(n)H_(2n+2)(→)↖(400-500°C)C_(n-k)H_(2(n-k)+2)+C_(k)H_(2k)$

Процесът протича по свободен радикален механизъм. Повишаването на температурата води до хомолитично разцепване на връзката въглерод-въглерод и образуването на свободни радикали:

$R—CH_2CH_2:CH_2—R→R—CH_2CH_2·+·CH_2—R$.

Тези радикали взаимодействат един с друг, обменяйки водороден атом, за да образуват молекула алкан и молекула алкен:

$R—CH_2CH_2·+·CH_2—R→R—CH=CH_2+CH_3—R$.

Реакциите на термично разлагане са в основата на промишления процес на крекинг на въглеводороди. Този процес е най-важният етап от рафинирането на петрол.

Когато метанът се нагрее до температура от $1000°C$, започва пиролиза на метана - разлагане на прости вещества:

$CH_4(→)↖(1000°C)C+2H_2$

При нагряване до температура $1500°C$ е възможно образуването на ацетилен:

$2CH_4(→)↖(1500°C)CH=CH+3H_2$

4. Изомеризация.Когато линейните въглеводороди се нагряват с изомеризационен катализатор (алуминиев хлорид), се образуват вещества с разклонен въглероден скелет:

5. Ароматизиране.Алканите с шест или повече въглеродни атома във веригата се циклизират в присъствието на катализатор, за да образуват бензен и неговите производни:

Каква е причината алканите да претърпяват реакции на свободни радикали? Всички въглеродни атоми в молекулите на алканите са в състояние на $sp^3$ хибридизация. Молекулите на тези вещества са изградени с помощта на ковалентни неполярни $C-C$ (въглерод-въглерод) връзки и слабо полярни $C-H$ (въглерод-водород) връзки. Те не съдържат области с повишена или намалена електронна плътност, или лесно поляризуеми връзки, т.е. такива връзки, електронната плътност на които може да се измести под въздействието на външни фактори (електростатични полета на йони). Следователно алканите няма да реагират със заредени частици, защото връзките в молекулите на алканите не се разрушават от хетеролитичния механизъм.

Алкени

Ненаситените включват въглеводороди, съдържащи множество връзки между въглеродните атоми в техните молекули. Неограничени са алкени, алкадиени (полиени), алкини.Цикличните въглеводороди, съдържащи двойна връзка в пръстена (циклоалкени), както и циклоалканите с малък брой въглеродни атоми в пръстена (три или четири атома) също имат ненаситен характер. Свойството на ненаситеност се свързва със способността на тези вещества да влизат в реакции на добавяне, предимно водород, с образуването на наситени или наситени въглеводороди - алкани.

Алкените са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, една двойна връзка между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n)$.

Второто му име е олефини- алкените са получени по аналогия с ненаситени мастни киселини (олеинова, линолова), остатъците от които са част от течни мазнини - масла (от лат. олеум- масло).

Хомоложна серия на етена

Неразклонените алкени образуват хомоложната серия на етена (етилена):

$С_2Н_4$ - етен, $С_3Н_6$ - пропен, $С_4Н_8$ - бутен, $С_5Н_(10)$ - пентен, $С_6Н_(12)$ - хексен и др.

Изомерия и номенклатура

Алкените, подобно на алканите, се характеризират със структурна изомерия. Структурните изомери се различават един от друг по структурата на въглеродния скелет. Най-простият алкен, характеризиращ се със структурни изомери, е бутен:

Специален вид структурна изомерия е изомерията на позицията на двойната връзка:

$CH_3—(CH_2)↙(бутен-1)—CH=CH_2$ $CH_3—(CH=CH)↙(бутен-2)—CH_3$

Възможно е почти свободно въртене на въглеродните атоми около една връзка въглерод-въглерод, така че молекулите на алканите могат да приемат голямо разнообразие от форми. Въртенето около двойната връзка е невъзможно, което води до появата на друг вид изомерия в алкените - геометрична или цис-транс изомерия.

цис-изомерите се различават от транс-изомери чрез пространственото разположение на молекулните фрагменти (в този случай метиловите групи) спрямо равнината на $π$ връзката и, следователно, чрез техните свойства.

Алкените са изомерни на циклоалканите (междукласова изомерия), например:

Номенклатурата на IUPAC за алкени е подобна на тази за алкани.

1. Избор на главната верига.

Наименуването на въглеводород започва с идентифициране на основната верига - най-дългата верига от въглеродни атоми в молекулата. В случай на алкени основната верига трябва да съдържа двойна връзка.

2. Номериране на атомите на основната верига.

Номерирането на атомите на главната верига започва от края, до който двойната връзка е най-близо. Например правилното име на връзката е:

$5$-метилхексен-$2$, а не $2$-метилхексен-$4$, както може да се очаква.

Ако позицията на двойната връзка не може да определи началото на номерирането на атомите във веригата, тогава тя се определя от позицията на заместителите, точно както при наситените въглеводороди.

3. Образуване на името.

Имената на алкените се образуват по същия начин като имената на алканите. В края на името посочете номера на въглеродния атом, при който започва двойната връзка, и суфикс, показващ, че съединението принадлежи към класа на алкените - -en.

Например:

Физични и химични свойства на алкените

Физични свойства.Първите три представителя на хомоложната серия алкени са газове; вещества от състав $С_5Н_(10)$ - $С_(16)Н_(32)$ - течности; Висшите алкени са твърди вещества.

Точките на кипене и топене естествено се увеличават с увеличаване на молекулното тегло на съединенията.

Химични свойства.

Реакции на присъединяване.Нека си припомним, че отличителна черта на представителите на ненаситените въглеводороди - алкените е способността да влизат в реакции на добавяне. Повечето от тези реакции протичат според механизма

1. Хидрогениране на алкени.Алкените са способни да добавят водород в присъствието на катализатори за хидрогениране, метали - платина, паладий, никел:

$CH_3—CH_2—CH=CH_2+H_2(→)↖(Pt)CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$.

Тази реакция протича при атмосферно и повишено налягане и не изисква висока температура, т.к е екзотермична. Когато температурата се повиши, същите катализатори могат да предизвикат обратна реакция - дехидрогениране.

2. Халогениране (добавяне на халогени).Взаимодействието на алкен с бромна вода или разтвор на бром в органичен разтворител ($CCl_4$) води до бързо обезцветяване на тези разтвори в резултат на добавянето на халогенна молекула към алкена и образуването на дихалогенни алкани:

$CH_2=CH_2+Br_2→CH_2Br—CH_2Br$.

3.

$CH_3-(CH)↙(пропен)=CH_2+HBr→CH_3-(CHBr)↙(2-бромопропен)-CH_3$

Тази реакция се подчинява Правилото на Марковников:

Когато водороден халогенид се добави към алкен, водородът се добавя към по-хидрогенирания въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече водородни атоми, и халогенът към по-малко хидрогенирания.

Хидратирането на алкените води до образуването на алкохоли. Например добавянето на вода към етена е в основата на един от индустриалните методи за производство на етилов алкохол:

$(CH_2)↙(етен)=CH_2+H_2O(→)↖(t,H_3PO_4)CH_3-(CH_2OH)↙(етанол)$

Обърнете внимание, че първичен алкохол (с хидроксо група при първичния въглерод) се образува само когато етенът е хидратиран. Когато пропен или други алкени се хидратират, се образуват вторични алкохоли.

Тази реакция също протича в съответствие с правилото на Марковников - водороден катион се прикрепя към по-хидрогениран въглероден атом, а хидроксо група към по-малко хидрогениран.

5. Полимеризация.Специален случай на добавяне е реакцията на полимеризация на алкени:

$nCH_2(=)↙(етен)CH_2(→)↖(UV светлина, R)(...(-CH_2-CH_2-)↙(полиетилен)...)_n$

Тази реакция на присъединяване се осъществява чрез механизъм на свободните радикали.

6. Окислителна реакция.

Като всички органични съединения, алкените изгарят в кислород, за да образуват $СО_2$ и $Н_2О$:

$СН_2=СН_2+3О_2→2СО_2+2Н_2О$.

Общо взето:

$C_(n)H_(2n)+(3n)/(2)O_2→nCO_2+nH_2O$

За разлика от алканите, които са устойчиви на окисление в разтвори, алкените лесно се окисляват от разтвори на калиев перманганат. В неутрални или алкални разтвори алкените се окисляват до диоли (двувалентни алкохоли) и хидроксилните групи се добавят към онези атоми, между които съществува двойна връзка преди окисляването:

Алкадиени (диенови въглеводороди)

Алкадиените са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, две двойни връзки между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n-2)$.

В зависимост от относителното разположение на двойните връзки се разграничават три вида диени:

- алкадиени с натрупаниподреждане на двойни връзки:

- алкадиени с спрегнатидвойни връзки;

$CH_2=CH—CH=CH_2$;

- алкадиени с изолирандвойни връзки

$CH_2=CH—CH_2—CH=CH_2$.

Тези три вида алкадиени се различават значително един от друг по структура и свойства. Централният въглероден атом (атомът, който образува две двойни връзки) в алкадиените с кумулирани връзки е в състояние на $sp$-хибридизация. Той образува две $σ$-връзки, лежащи на една права и насочени в противоположни посоки, и две $π$-връзки, лежащи в перпендикулярни равнини. $π$-връзките се образуват поради нехибридизираните р-орбитали на всеки въглероден атом. Свойствата на алкадиените с изолирани двойни връзки са много специфични, т.к спрегнатите $π$-връзки значително влияят една на друга.

p-орбиталите, образуващи спрегнати $π$-връзки, представляват практически една система (тя се нарича $π$-система), т.к. p-орбиталите на съседните $π$-връзки се припокриват частично.

Изомерия и номенклатура

Алкадиените се характеризират както със структурна изомерия, така и с цис-, транс-изомерия.

Структурна изомерия.

— изомерия на въглероден скелет:

— изомерия на позицията на множество връзки:

$(CH_2=CH—CH=CH_2)↙(бутадиен-1,3)$ $(CH_2=C=CH—CH_3)↙(бутадиен-1,2)$

цис-, транс-изомерия (пространствена и геометрична)

Например:

Алкадиените са изомерни съединения от класовете алкини и циклоалкени.

При формиране на името на алкадиен се посочват числата на двойните връзки. Основната верига задължително трябва да съдържа две кратни връзки.

Например:

Физични и химични свойства на алкадиените

Физични свойства.

При нормални условия пропандиен-1,2, бутадиен-1,3 са газове, 2-метилбутадиен-1,3 е летлива течност. Алкадиените с изолирани двойни връзки (най-простият от тях е пентадиен-1,4) са течности. Висшите диени са твърди вещества.

Химични свойства.

Химичните свойства на алкадиените с изолирани двойни връзки се различават малко от свойствата на алкените. Алкадиените с конюгирани връзки имат някои специални характеристики.

1. Реакции на присъединяване.Алкадиените са способни да присъединяват водород, халогени и водородни халиди.

Специална характеристика на добавянето към алкадиени с конюгирани връзки е способността да се добавят молекули както в позиции 1 и 2, така и в позиции 1 и 4.

Съотношението на продуктите зависи от условията и метода на провеждане на съответните реакции.

2.Реакция на полимеризация.Най-важното свойство на диените е способността да полимеризират под въздействието на катиони или свободни радикали. Полимеризацията на тези съединения е в основата на синтетичния каучук:

$nCH_2=(CH—CH=CH_2)↙(бутадиен-1,3)→((... —CH_2—CH=CH—CH_2— ...)_n)↙(\text"синтетичен бутадиенов каучук")$ .

Полимеризацията на спрегнати диени протича като 1,4-присъединяване.

В този случай двойната връзка се оказва централна в единицата, а елементарната единица от своя страна може да поеме и двете цис-, така транс-конфигурация

Алкини

Алкините са ациклични въглеводороди, съдържащи в молекулата, в допълнение към единичните връзки, една тройна връзка между въглеродните атоми и съответстващи на общата формула $C_(n)H_(2n-2)$.

Хомоложна серия на етин

Алкините с права верига образуват хомоложната серия на етин (ацетилен):

$С_2Н_2$ - етин, $С_3Н_4$ - пропин, $С_4Н_6$ - бутин, $С_5Н_8$ - пентин, $С_6Н_(10)$ - хексин и др.

Изомерия и номенклатура

Алкините, подобно на алкените, се характеризират със структурна изомерия: изомерия на въглеродния скелет и изомерия на позицията на кратната връзка. Най-простият алкин, който се характеризира със структурни изомери на позицията на множествената връзка на алкиновия клас, е бутинът:

$СН_3—(СН_2)↙(бутин-1)—С≡СН$ $СН_3—(С≡С)↙(бутин-2)—СН_3$

Изомерията на въглеродния скелет в алкините е възможна, като се започне с пентин:

Тъй като тройната връзка предполага линейна структура на въглеродната верига, геометрична ( цис-, транс-) изомерията е невъзможна за алкини.

Наличието на тройна връзка във въглеводородни молекули от този клас се отразява от наставката -във, а позицията му във веригата е номерът на въглеродния атом.

Например:

Съединенията от някои други класове са изомерни на алкини. Така химичната формула $C_6H_(10)$ има хексин (алкин), хексадиен (алкадиен) и циклохексен (циклоалкен):

Физични и химични свойства на алкините

Физични свойства.Точките на кипене и топене на алкините, както и на алкените, естествено се увеличават с увеличаване на молекулното тегло на съединенията.

Алкините имат специфична миризма. Те са по-разтворими във вода от алканите и алкените.

Химични свойства.

Реакции на присъединяване.Алкините са ненаситени съединения и претърпяват реакции на присъединяване. Това са предимно реакции. електрофилно добавяне.

1. Халогениране (присъединяване на халогенна молекула).Алкинът е способен да свързва две халогенни молекули (хлор, бром):

$CH≡CH+Br_2→(CHBr=CHBr)↙(1,2-дибромоетан),$

$CHBr=CHBr+Br_2→(CHBr_2-CHBr_2)↙(1,1,2,2-тетрабромоетан)$

2. Хидрохалогениране (добавяне на халогеноводород).Реакцията на присъединяване на халогеноводород, която протича чрез електрофилен механизъм, също протича на два етапа, като и на двата етапа е изпълнено правилото на Марковников:

$CH_3-C≡CH+Br→(CH_3-CBr=CH_2)↙(2-бромопропен),$

$CH_3-CBr=CH_2+HBr→(CH_3-CHBr_2-CH_3)↙(2,2-дибромопропан)$

3. Хидратация (добавяне на вода).От голямо значение за промишления синтез на кетони и алдехиди е реакцията на добавяне на вода (хидратация), която се нарича Реакцията на Кучеров:

4. Хидрогениране на алкини.Алкините добавят водород в присъствието на метални катализатори ($Pt, Pd, Ni$):

$R-C≡C-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH=CH-R,$

$R-CH=CH-R+H_2(→)↖(Pt)R-CH_2-CH_2-R$

Тъй като тройната връзка съдържа две реактивни $π$ връзки, алканите добавят водород поетапно:

1) тримеризация.

Когато етинът се прекара върху активен въглен, се образува смес от продукти, един от които е бензен:

2) димеризация.

В допълнение към тримеризацията на ацетилена е възможна неговата димеризация. Под въздействието на едновалентни медни соли се образува винилацетилен:

$2HC≡CH→(HC≡C-CH=CH_2)↙(\text"бутен-1-в-3(винилацетилен)")$

Това вещество се използва за производството на хлоропрен:

$HC≡C-CH=CH_2+HCl(→)↖(CaCl)H_2C=(CCl-CH)↙(хлоропрен)=CH_2$

чрез полимеризация на който се получава хлоропренов каучук:

$nH_2C=CCl-CH=CH_2→(...-H_2C-CCl=CH-CH_2-...)_n$

Окисляване на алкини.

Етин (ацетилен) изгаря в кислород, освобождавайки много голямо количество топлина:

$2C_2H_2+5O_2→4CO_2+2H_2O+2600kJ$ На тази реакция се основава действието на кислородно-ацетиленовата горелка, чийто пламък има много висока температура (над $3000°C$), което позволява да се използва за рязане и заваряване на метали.

Във въздуха ацетиленът гори с димен пламък, т.к съдържанието на въглерод в неговата молекула е по-високо, отколкото в молекулите на етан и етен.

Алкините, подобно на алкените, обезцветяват подкиселени разтвори на калиев перманганат; В този случай множествената връзка се разрушава.

Реакции, характеризиращи основните методи за получаване на кислородсъдържащи съединения

1. Хидролиза на халоалкани.Вече знаете, че образуването на халокеналкани, когато алкохолите реагират с халогеноводороди, е обратима реакция. Следователно е ясно, че алкохолите могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани- реакции на тези съединения с вода:

$R-Cl+NaOH(→)↖(H_2O)R-OH+NaCl+H_2O$

Многовалентните алкохоли могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани, съдържащи повече от един халогенен атом на молекула. Например:

2. Хидратация на алкени- добавяне на вода чрез $π$ връзката на молекула алкен - вече ви е познато, например:

$(CH_2=CH_2)↙(етен)+H_2O(→)↖(H^(+))(C_2H_5OH)↙(етанол)$

Хидратацията на пропена води, в съответствие с правилото на Марковников, до образуването на вторичен алкохол - пропанол-2:

3. Хидрогениране на алдехиди и кетони.Вече знаете, че окисляването на алкохолите при меки условия води до образуването на алдехиди или кетони. Очевидно е, че алкохолите могат да бъдат получени чрез хидрогениране (редукция с водород, добавяне на водород) на алдехиди и кетони:

4. Окисляване на алкени.Гликолите, както вече беше отбелязано, могат да бъдат получени чрез окисление на алкени с воден разтвор на калиев перманганат. Например, етилен гликол (етандиол-1,2) се образува при окисляването на етилен (етен):

$CH_2=CH_2+[O]+H_2O(→)↖(KMnO_4)HO-CH_2-CH_2-OH$

5. Специфични методи за получаване на алкохол.Някои алкохоли се получават по методи, които са уникални за тях. Така метанолът се произвежда промишлено чрез взаимодействие на водород с въглероден оксид (II) (въглероден оксид) при повишено налягане и висока температура върху повърхността на катализатор (цинков оксид):

$CO+2H_2(→)↖(t,p,ZnO)CH_3-OH$

Сместа от въглероден окис и водород, необходима за тази реакция, наричана още синтезен газ ($CO + nH_2O$), се получава чрез преминаване на водна пара върху горещ въглен:

$C+H_2O(→)↖(t)CO+H_2-Q$

6. Ферментация на глюкоза.Този метод за производство на етилов (винен) алкохол е известен на хората от древни времена:

$(C_6H_(12)O_6)↙(глюкоза)(→)↖(дрожди)2C_2H_5OH+2CO_2$

Методи за получаване на алдехиди и кетони

Могат да се произвеждат алдехиди и кетони окисляванеили дехидрогениране на алкохоли. Нека отбележим още веднъж, че при окисляването или дехидрогенирането на първичните алкохоли могат да се получат алдехиди, а на вторичните алкохоли - кетони:

Реакцията на Кучеров. В резултат на реакцията на хидратация ацетиленът произвежда ацеталдехид, а кетоните се получават от хомолози на ацетилен:

При нагряване калцийили бариеви соликарбоксилните киселини образуват кетон и метален карбонат:

Методи за получаване на карбоксилни киселини

Карбоксилните киселини могат да бъдат получени чрез окисляване на първични алдехидни алкохоли:

Ароматните карбоксилни киселини се образуват чрез окисление на бензенови хомолози:

Хидролизата на различни производни на карбоксилни киселини също произвежда киселини. По този начин хидролизата на естер произвежда алкохол и карбоксилна киселина. Както бе споменато по-горе, киселинно катализираните реакции на естерификация и хидролиза са обратими:

Хидролизата на естера под въздействието на воден разтвор на основа протича необратимо; в този случай от естера се образува не киселина, а нейната сол.

Алкани. Структура на алкани

Алкани (парафини)– алифатни (нециклични) наситени въглеводороди, в които въглеродните атоми са свързани помежду си чрез прости (единични) връзки в прави или разклонени вериги.

Алканите имат обща формула ° С н з 2 н +2 , Където н– брой въглеродни атоми.

Химическа структура. Валканите имат два вида химични връзки:

S–SИ S–H.

C–C връзката е ковалентна неполярна. C–H връзката е ковалентна, слабо полярна, т.к въглеродът и водородът са близки по електроотрицателност (2,5 за въглерод и 2,1 за водород). Образуването на ковалентни връзки в алкани, дължащи се на споделени електронни двойки от въглеродни и водородни атоми, може да се покаже с помощта на електронни формули:

Електронни и структурни формули отразяват химическа структура, но не дават представа за пространствена структура на молекулите, което значително влияе върху свойствата на веществото.

Пространствена структура , т.е. относителното разположение на атомите на една молекула в пространството зависи от посоката на атомните орбитали (АО) на тези атоми. При въглеводородите основната роля се играе от пространствената ориентация на атомните орбитали на въглерода, тъй като сферичната 1s-AO на водородния атом няма специфична ориентация.

Пространственото разположение на въглеродния АО от своя страна зависи от вида на неговата хибридизация. Наситеният въглероден атом в алканите е свързан с четири други атома. Следователно неговото състояние съответства на sp 3 хибридизация. В този случай всеки от четирите sp 3 -хибридни въглеродни AOs участва в аксиално (-) припокриване с s-AO на водорода или с sp 3 -AO на друг въглероден атом, образувайки -CH или C-C връзки.

Четири -връзки на въглерода са насочени в пространството под тетраедричен ъгъл от 109 o 28". Следователно молекулата на най-простия представител на алканите - метан CH 4 - има формата на тетраедър, в центъра на който има въглероден атом, а във върховете има водородни атоми:

Ъгълът на връзката H-C-H е 109°28'. Пространствената структура на метана може да бъде показана с помощта на обемни (мащаб) и модели с топка и пръчка.

За запис е удобно да се използва пространствена (стереохимична) формула.

В молекулата на следващия хомолог - етан C 2 H 6 - два тетраедрични sp 3 - въглеродни атома образуват по-сложна пространствена структура:

Молекулите на алканите, съдържащи повече от 2 въглеродни атома, се характеризират с извити форми.

Номенклатура

Според номенклатурата на IUPAC наименованията на наситените въглеводороди се характеризират с наставката – ан. Първите четири въглеводорода имат исторически установени имена, като се започне с петия, името на въглеводорода се основава на гръцкото име за съответния брой въглеродни атоми.
Въглеводородите с нормална верига от въглеродни атоми имат следните имена:

CH 4 - метан CH 3 - CH 3 - етан CH 3 -CH 2 - CH 3 - пропан CH3-(CH2)2-CH3-бутан CH3-(CH2)3-CH3-пентан CH3-(CH2)4-CH3-хексан

CH3-(CH2)5-CH3-хептан CH3-(CH2)6-CH3-октан СН3-(СН2)7-СН3-нонан CH3-(CH2)8-CH3-декан CH3-(CH2)8-CH3-ундекан CH3-(CH2)10-CH3-додекан

Наименованията на въглеводородите с разклонена верига се съставят, както следва:

1. Името на това съединение се основава на името на въглеводорода, съответстващ на броя на въглеродните атоми в основната верига.
Основната верига от въглеродни атоми се счита за:
а) най-дълъг;
б) най-сложните (с максимален брой клонове). Ако във въглеводород могат да се разграничат две или повече еднакво дълги вериги, тогава за основна се избира тази с най-голям брой разклонения:

2. След установяване на главната верига е необходимо да се преномерират въглеродните атоми. Номерирането започва от края на веригата, до който някой от алкилите е най-близо. Ако различни алкили са разположени на еднакви разстояния от двата края на веригата, тогава номерирането започва от края, до който е по-близо радикалът с по-малък брой въглеродни атоми (метил, етил, пропил и др.). Например:

Ако еднакви радикали, които определят началото на номерирането, са разположени на еднакво разстояние от двата края на веригата, но има повече от тях от едната страна, отколкото от другата, тогава номерирането започва от края, където броят на клоновете е по-голям:

2, 2, 4-триметилпентан

2,3,6-триметилхептан

Когато наименувате съединение, първо избройте заместителите по азбучен ред (цифрите не се вземат предвид), а преди името на радикала те поставят номер, съответстващ на номера на въглеродния атом на главната верига, на който се намира този радикал . След това се назовава въглеводородът, съответстващ на основната верига от въглеродни атоми, като думата се отделя от числата с тире.
Ако въглеводородът съдържа няколко еднакви радикала, тогава техният брой се обозначава с гръцка цифра (ди, три, тетра и т.н.) и се поставя пред името на тези радикали, а тяхната позиция се обозначава, както обикновено, с цифри, с числата, разделени със запетаи, подредени в ред на нарастване и се поставят преди името на тези радикали, като ги отделят от него с тире.

ЦИКЛОАЛКАНИ

Имената на циклоалканите се образуват чрез добавяне на префикс цикло-към името на съответния неразклонен наситен въглеводород със същия брой въглеродни атоми:

Заместителите се номерират според позицията им в цикъла по такъв начин, че сумата от числата да е минимална:

Изомерия

Изомери- това са вещества, които имат еднакъв състав и еднаква молекулна формула и маса, но различна химична структура, поради което имат различни физични и химични свойства.

Структурна изомерия

Причината за проявата на структурна изомерия в серията алкани е способността на въглеродните атоми да образуват вериги с различни структури. Този тип структурна изомерия се нарича изомерия на въглероден скелет.

Структурните изомери имат еднакъв състав, но се различават по химична структура, докато химичните свойства на изомерите са сходни, но физичните свойства са различни. Алканите с разклонена структура, поради по-малко плътно опаковане на молекули и съответно по-малко междумолекулни взаимодействия, кипят при по-ниска температура от техните неразклонени изомери.

В молекулите на метан CH 4, етан C 2 H 6 и пропан C 3 H 8 може да има само един ред на свързване на атоми, т.е. първите три члена на хомоложната серия от алкани нямат изомери. За бутан C4H10 са възможни две структури:

Единият от тези изомери (n-бутан) съдържа права въглеродна верига, а другият, изобутанът, съдържа разклонена (изоструктура).

С увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулите се увеличават възможностите за разклоняване на веригата, т.е. броят на изомерите нараства с броя на въглеродните атоми.

В поредицата от радикали се сблъскваме и с явлението изомерия. Освен това броят на изомерите в радикалите е значително по-голям, отколкото в съответните им алкани. Например пропанът, както е известно, няма изомери, а пропиловият радикал има два изомера: n-пропил и изопропил:

|
CH3-CH3-CH2- и H3C-CH-CH3

Ротационна изомерия на алкани

Въртенето на атомите около s-връзката няма да доведе до нейното разкъсване. В резултат на вътремолекулно въртене по протежение на C–C s-връзките, молекулите на алканите, започвайки с етан C 2 H 6, могат да приемат различни геометрични форми.
Различни пространствени форми на молекула, които се трансформират една в друга чрез въртене около C–C s-връзки, се наричат конформацииили ротационни изомери(конформатори).
Ротационните изомери на една молекула са нейните енергийно неравностойни състояния. Тяхното взаимно преобразуване става бързо и постоянно в резултат на термично движение. Следователно ротационните изомери не могат да бъдат изолирани в индивидуална форма, но съществуването им е доказано с физични методи. Някои конформации са по-стабилни (енергийно изгодни) и молекулата остава в такива състояния за по-дълго време.

Физични свойства

При нормални условия първите четири члена на хомоложната серия от алкани са газове, C 5 -C 17 са течности и започвайки от C 18 са твърди вещества. Точките на топене и кипене на алканите на тяхната плътност се увеличават с увеличаване на молекулното тегло. Всички алкани са по-леки от водата и са неразтворими в нея, но са разтворими в неполярни разтворители (например бензен) и сами по себе си са добри разтворители.
Физичните свойства на някои алкани са представени в таблицата.

Име	Формула	Tмн°C	Tбала°C	д 20 4
Метан	CH 4			(при -164 °C)
Етан	СЪС 2 н 6			(при -100 °C)
Пропан	СЪС 3 н 8			(при -44,5 °C)
Бутан	СЪС 4 н 10			(при 0°C)
Пентан	° С 5 з 12
хексан	СЪС 6 н 14
Хептан	СЪС 7 з 16
Октаново число	° С 8 з 18
Нонан	СЪС 9 н 20
Дийн	° С 10 з 22
Пентадекан	° С 15 з 32
Ейкосан	СЪС 20 н 42			(при 37 °C)
Пентакозан	° С 25 з 52
Триаконтан	СЪС 30 н 62
* д 4 20 – относителна плътност, т.е. съотношение на плътността на веществото при 20 C до плътност на водата при 4 СЪС.

Химични свойства

Тривиалното (историческо) наименование на алканите - "парафини" - означава "нямащи афинитет". Алканите са химически неактивни. Ниската реактивност на алканите се дължи на много ниската полярност на С-С и С-Н връзките в техните молекули поради почти еднаквата електроотрицателност на въглеродните и водородните атоми. Наситените въглеводороди при нормални условия не взаимодействат с концентрирани киселини, алкали или дори такъв активен реагент като калиев перманганат.

Те се характеризират с реакции на заместване на водородни атоми и разцепване.

При тези реакции възниква хомолитично разцепване на ковалентни връзки, т.е. те се осъществяват по свободен радикален (верижен) механизъм.
Поради силата на връзките C–C и C–H, реакциите протичат или при нагряване, или на светлина, или с помощта на катализатори.
Нека да разгледаме някои примери за реакции от този тип.

Халогениране.Това е една от характерните реакции на наситените въглеводороди. Халогенирането на алканите протича на етапи - не повече от един водороден атом се замества на един етап:

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (хлорометан)

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (дихлорометан)

CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (трихлорометан)

CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl (тетрахлорметан).

Нитриране.Въпреки факта, че при нормални условия алканите не взаимодействат с концентрирана азотна киселина, когато се нагряват до 140 ° C с разредена (10%) азотна киселина под налягане, възниква реакция на нитриране - заместването на водороден атом с нитро група (реакцията на M.I. Konovalov). Всички алкани влизат в подобна реакция на нитриране в течна фаза, но скоростта на реакцията и добивите на нитро съединения са ниски. Най-добри резултати се наблюдават при алкани, съдържащи третични въглеродни атоми.

Напукване.При високи температури в присъствието на катализатори наситените въглеводороди претърпяват разцепване, което се нарича крекинг. По време на крекинг връзките въглерод-въглерод се разрушават хомолитично, за да се образуват наситени и ненаситени въглеводороди с по-къси вериги.

CH 3 –CH 2 –CH 2 –CH 3 (бутан) –– 400°C CH 3 –CH 3 (етан)+ CH 2 =CH 2 (етилен)

Повишаването на температурата на процеса води до по-дълбоко разлагане на въглеводородите и по-специално до дехидрогениране, т.е. до разцепване

водород. Така метанът при 1500ºС води до ацетилен.
2CH 4 –– 1500°C H–C = C–H(ацетилен) + 3H 2

Изомеризация.Под въздействието на катализатори, когато се нагряват, въглеводородите с нормална структура претърпяват изомеризация - пренареждане на въглеродния скелет с образуването на разклонени алкани.

Окисляване. При нормални условия алканите са устойчиви на кислород и окислители. При запалване във въздуха алканите изгарят, превръщайки се във въглероден диоксид и вода и отделяйки големи количества топлина.

CH 4 + 2O 2 – пламък CO 2 + 2H 2 O
C 5 H 12 + 8O 2 –– пламък 5CO 2 + 6H 2 O

Да бъдеш сред природата и да получаваш

Основните източници на алкани са нефтът и природният газ.

Метанът съставлява по-голямата част от природния газ; той също така съдържа малки количества етан, пропан и бутан. Метанът се намира в емисиите от блатата и въглищните пластове. Заедно с леките хомолози, метанът присъства в свързаните нефтени газове. Тези газове са разтворени в масло под налягане и също се намират над него. Алканите съставляват значителна част от петролните продукти. Маслото съдържа и циклоалкани - те се наричат ​​нафтени (от гръцки. нафта- масло). Газовите хидрати на алкани, главно метан, също са широко разпространени в природата; те се срещат в седиментни скали на континентите и на дъното на океаните. Техните запаси вероятно надвишават известните запаси от природен газ и в бъдеще могат да станат източник на метан и неговите най-близки хомолози. Алканите се получават и чрез пиролиза (коксуване) на въглища и тяхното хидрогениране (производство на синтетично течно гориво). Твърдите алкани се срещат в природата под формата на отлагания на планински восък - озокерит, във восъчните покрития на листата, цветята и семената на растенията и влизат в състава на пчелния восък.

В промишлеността алканите се получават чрез каталитично хидрогениране на въглеродни оксиди CO

Планински восък

и CO 2 (метод на Фишер-Тропш). В лабораторията метанът може да се получи чрез нагряване на натриев ацетат с твърда основа: CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3, както и чрез хидролиза на някои карбиди: Al 4 C 3 + 12H 2 O → 3CH 4 + 4Al(OH) 3. Хомолозите на метана могат да бъдат получени чрез реакцията на Wurtz, например: 2CH 3 Br + 2Na→CH 3 –CH 3 + 2NaBr. При дихалоалканите се получават циклоалкани, например: Br–CH 2 –(CH 2) 4 –CH 2 Br + 2Na→ цикло-C6H12 + 2NaBr. Алканите се образуват и при декарбоксилирането на карбоксилните киселини и при тяхната електролиза.

Приложения на алкани

Наситените въглеводороди се използват широко в голямо разнообразие от области на човешкия живот и дейност.

 Газообразните алкани (смес от метан и пропан-бутан) се използват като ценно гориво.

 Течните въглеводороди съставляват значителна част от моторните и ракетните горива и се използват като разтворители.

 Вазелиновото масло (смес от течни въглеводороди с до 15 въглеродни атома) е прозрачна течност без мирис и вкус, използвана в медицината, парфюмерията и козметиката.

 Вазелин (смес от течни и твърди наситени въглеводороди с до 25 въглеродни атома) се използва за приготвяне на мехлеми, използвани в медицината.

 Парафин (смес от твърди алкани C 19 -C 35) - бяла твърда маса без мирис и вкус (т.т. 50-70 °C) - използва се за производство на свещи, импрегниране на кибрит и опаковъчна хартия, за термични процедури в медицината. Служи като суровина за производството на органични киселини и алкохоли, детергенти и повърхностно активни вещества.

 Нормалните наситени въглеводороди със средно молекулно тегло се използват като хранителен субстрат в микробиологичния синтез на протеин от масло.

 От голямо значение са халогенните производни на алканите, които се използват като разтворители, охладители и суровини за по-нататъшни синтези.  В съвременната нефтохимическа промишленост наситените въглеводороди са основа за производството на различни органични съединения, важна суровина в процесите на получаване на междинни продукти за производството на пластмаси, каучук, синтетични влакна, детергенти и много други вещества.

Алкани- наситени (наситени) въглеводороди. Представител на този клас е метанът ( CH 4). Всички следващи наситени въглеводороди се различават по СН 2- група, която се нарича хомоложна група, а съединенията се наричат ​​хомолози.

Обща формула - СЪСнз 2 н +2 .

Строеж на алкани.

Всеки въглероден атом е вътре sp 3- хибридизация, форми 4 σ - комуникации (1 S-Sи 3 S-N). Формата на молекулата е под формата на тетраедър с ъгъл 109,5°.

Връзката се образува чрез припокриване на хибридни орбитали, като максималната площ на припокриване лежи в пространството на правата линия, свързваща атомните ядра. Това е най-ефективното припокриване, така че σ връзката се счита за най-силна.

Изомерия на алкани.

За алканихарактерна е изомерията на въглеродния скелет. Ограничителните връзки могат да приемат различни геометрични форми, като същевременно запазват ъгъла между връзките. Например,

Различните позиции на въглеродната верига се наричат ​​конформации. При нормални условия конформациите на алканите свободно се трансформират една в друга чрез въртене на С-С връзки, поради което те често се наричат ​​ротационни изомери. Има 2 основни конформации - "инхибирана" и "затъмнена":

Изомерия на въглеродния скелет на алкани.

Броят на изомерите се увеличава с увеличаване на растежа на въглеродната верига. Например бутанът има 2 изомера:

За пентан - 3, за хептан - 9 и т.н.

Ако една молекула алканизвадете един протон (водороден атом), получавате радикал:

Физични свойства на алканите.

При нормални условия - C 1 -C 4- газове , От 5 до От 17- течности и въглеводороди с повече от 18 въглеродни атома - твърди вещества.

С нарастването на веригата точките на кипене и топене се увеличават. Разклонените алкани имат по-ниски точки на кипене от нормалните.

Алканинеразтворим във вода, но разтворим в неполярни органични разтворители. Смесват се лесно един с друг.

Получаване на алкани.

Синтетични методи за получаване на алкани:

1. От ненаситени въглеводороди - реакцията на "хидрогениране" протича под въздействието на катализатор (никел, платина) и при температура:

2. От халогенни производни - Реакция на Wurtz: взаимодействието на монохалоалкани с метален натрий, което води до алкани с удвоен брой въглеродни атоми във веригата:

3. От соли на карбоксилни киселини. Когато една сол реагира с алкали, се получават алкани, които съдържат 1 въглероден атом по-малко в сравнение с оригиналната карбоксилна киселина:

4. Производство на метан. В електрическа дъга във водородна атмосфера:

C + 2H 2 = CH 4.

В лабораторията метанът се получава, както следва:

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

Химични свойства на алканите.

При нормални условия алканите са химически инертни съединения; не реагират с концентрирана сярна и азотна киселина, с концентрирана основа или с калиев перманганат.

Стабилността се обяснява със силата на връзките и тяхната неполярност.

Съединенията не са склонни към реакции на разкъсване на връзките (реакции на присъединяване);

1. Халогениране на алкани. Под въздействието на светлинен квант започва радикално заместване (хлориране) на алкана. Обща схема:

Реакцията следва верижен механизъм, в който има:

A) Иницииране на веригата:

B) Растеж на веригата:

B) Отворена верига:

Общо може да се представи като:

2. Нитриране (реакция на Коновалов) на алкани. Реакцията протича при 140 °C:

Реакцията протича най-лесно с третичния въглероден атом, отколкото с първичния и вторичния.

3. Изомеризация на алкани. При определени условия алканите с нормална структура могат да се трансформират в разклонени:

4. Крекинг алкан. Под действието на високи температури и катализатори висшите алкани могат да разкъсат връзките си, образувайки алкени и нисши алкани:

5. Окисляване на алкани. При различни условия и с различни катализатори окислението на алкани може да доведе до образуването на алкохол, алдехид (кетон) и оцетна киселина. При условия на пълно окисление реакцията протича до завършване - докато се образуват вода и въглероден диоксид:

Приложение на алкани.

Алканите са намерили широко приложение в промишлеността, при синтеза на нефт, горива и др.