Физические и химические свойства алканов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алканы являются лимитирующими (алифатическими) углеводородами, состав которых выражен формулой ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}+2}$.

Алканы образуют гомологичный ряд, каждое химическое соединение которого отличается по составу от последующего и предыдущего тем же числом атомов углерода и водорода - ${\mathrm{CH}}_2$, а вещества в гомологичной серии называются гомологами. Гомологичная серия алканов представлена в таблице 1.

Таблица 1. Гомологичная серия алканов.

$\begin{array}{|ccc|}\hline & Названиевещества& Структурнаяформула\\ & Метан& {\mathrm{CH}}_4\\ & Этан& {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\\ & Пронан& {\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8\\ & Бутан& {\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}\\ & Пентан& {\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}\\ & Гексан& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{14}\\ & Гептан& {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}\\ & Октан& {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}\\ & Нонан& {\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_{20}\\ & Декан& {\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_{22}\\ \hline\end{array}$

В алканных молекулах первичный (то есть связанный одной связью) вторичный (то есть связанный двумя связями), третичный (то есть связанный тремя связями) и четвертичные (т.е. четыре связи) атомы углерода выделяются.

${\mathrm{C}}^1\mathrm{H}3-{\mathrm{C}}^2{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{C}}^1{\mathrm{H}}_3$(1 - первичный, 2 - вторичные атомы углерода)

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{C}}^3\mathrm{H}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_3$(3-третичный атом углерода)

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{C}}^4{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_3-{\mathrm{CH}}_3$ (4 - четвертичный атом углерода)

Для алканов характерна структурная изомерия (изометрия углеродного скелета). Таким образом, пентан имеет следующие изомеры:

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$ (пентан)

${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CH}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$(2-метилбутан)

${\mathrm{CH}}_3-\mathrm{C}{\left({\mathrm{CH}}_3\right)}_2-{\mathrm{CH}}_3$(2,2-диметилпропан)

Оптическая изомерия характерна для алканов, начиная с гептана.

Атомы углерода в насыщенных углеводородах находятся в гибридизации ${\mathrm{sp}}^3$. Углы между связями в молекулах алканов $109,5^{\circ }$

Химические свойства алканов

В нормальных условиях алканы химически инертны - они не реагируют ни с кислотами, ни с щелочами. Это связано с высокой прочностью $\sigma$-связей $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ и $\mathrm{C}-\mathrm{H}$. Неполярные связи $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ и $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ могут быть разделены только гомологично действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие с помощью механизма радикальной замены. В радикальной реакции атомы водорода в первую очередь заменяются третичными, затем вторичными и первичными атомами углерода.

Реакции радикальной замены имеют цепной характер. Основные этапы: зарождение (инициирование) цепи (1) - происходит под действием УФ-излучения и приводит к образованию свободных радикалов, рост цепи (2) - происходит из-за отрыва атома водорода от молекулы алкана ; разомкнутая цепь (3) - возникает, когда сталкиваются два одинаковых или разных радикала.

$x:x\to 2X\cdot (1)$

$\mathrm{R}:\mathrm{H}+\mathrm{X}\cdot \to \mathrm{HX}+\mathrm{R}\cdot (2)$

${\mathrm{R}}^{\ast }+\mathrm{X}:\mathrm{X}\to \mathrm{R}:\mathrm{X}+\mathrm{X}\cdot (2)$

${\mathrm{R}}^{.}+\mathrm{R}\cdot \to \mathrm{R}:\mathrm{R}(3)$

${\mathrm{R}}^{\cdot }+\mathrm{X}\cdot \to \mathrm{R}:\mathrm{X}(3)$

$x\cdot +x\cdot \to x:x(3)$

Галогенирование. При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов:

${\mathrm{CH}}_4+{\mathrm{Cl}}_2={\mathrm{CH}}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}$(хлорметан)

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{Cl}+{\mathrm{Cl}}_2={\mathrm{CH}}_2{\mathrm{Cl}}_2+\mathrm{HCl}$(дихлорметан)

${\mathrm{CH}}_2{\mathrm{Cl}}_2+{\mathrm{Cl}}_2={\mathrm{CHCl}}_3+\mathrm{HCl}$(трихлорметан)

${\mathrm{CHCl}}_3+{\mathrm{Cl}}_2={\mathrm{CCl}}_4+\mathrm{HCl}$(тетрахлорметан)

Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при ${140}^{\circ }\mathrm{C}$ и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_3+{\mathrm{HNO}}_3={\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{NO}}_2(нитроэтан)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Сульфохлорирование и сульфоокисление. Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды:

$\mathrm{R}-\mathrm{H}+{\mathrm{SO}}_2+{\mathrm{Cl}}_2\to \mathrm{R}-{\mathrm{SO}}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}$

Реакция сульфоокисления протекает аналогично, только в этом случае образуются алкансульфоновые кислоты:

$\mathrm{R}-\mathrm{H}+{\mathrm{SO}}_2+1/2\mathrm{R}-\mathrm{H}+{\mathrm{SO}}_2+1/2$

Крекинг – радикальный разрыв связей $\mathrm{C}-\mathrm{C}$. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен:

${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}={\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}(6\mathrm{yT}\mathrm{aH})+{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8(пропан)$

$2\mathrm{CH}4=\mathrm{C}2\mathrm{H}2\text{ (ацетилен) }+3\mathrm{H}2\uparrow$

Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды:

${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}+2}+(3\mathrm{n}+1)/2{\mathrm{O}}_2={\mathrm{nCO}}_2+(\mathrm{n}+1){\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Физические свойства алканов

В нормальных условиях ${\mathrm{C}}_1-{\mathrm{C}}_4$ - газы, ${\mathrm{C}}_5-{\mathrm{C}}_{17}$ - жидкости, начиная $c_{18}$ - твердых веществ. Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Таким образом, метан ${\mathrm{CH}}_4$ (болотный, шахтный газ) представляет собой бесцветный и без запаха газ, хорошо растворимый в этаноле, эфире, углеводородах, но плохо растворимый в воде. Метан используется в качестве высококалорийного топлива в природном газе в качестве сырья для производства водорода, ацетилена, хлороформа и других органических веществ в промышленном масштабе.

Пропан ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8$и бутан ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}$ представляют собой газы, используемые в повседневной жизни в виде баллонных газов из-за легкого сжижения. Пропан используется в качестве автомобильного топлива, потому что он более экологичен, чем бензин. Бутан является сырьем для производства 1,3-бутадиена, который используется в производстве синтетического каучука.

Получение алканов

Алканы получают из природных источников - природного газа (80-90% - метана, 2-3% - этана и других насыщенных углеводородов), угля, торфа, дерева, масла и горного воска.

Выделить лабораторные и промышленные методы получения алканов. В промышленности алканы получают из битуминозного угля (1) или реакцией Фишера-Тропша (2):

$\mathrm{nC}+(\mathrm{n}+1){\mathrm{H}}_2={\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}+2}(1)$

$\mathrm{nCO}+(2\mathrm{n}+1){\mathrm{H}}_2={\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}+2}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(2)$

Лабораторные методы получения алканов включают: гидрирование ненасыщенных углеводородов путем нагревания и в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) (1) путем взаимодействия воды с металлорганическими соединениями (2) путем электролиза карбоновых кислот (3) и реакциями декарбоксилирования (4) и Вюрца (5) и другими способами.

${\mathrm{R}}_1-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-{\mathrm{R}}_2(алкин)\to {\mathrm{R}}_1-\mathrm{CH}\equiv \mathrm{CH}-{\mathrm{R}}_2(алкен)\to {\mathrm{R}}_1-{\mathrm{CH}}_2\equiv {\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{R}}_2(алкан)$

$\mathrm{R}-\mathrm{Cl}+\mathrm{Mg}\to \mathrm{R}-\mathrm{Mg}-\mathrm{Cl}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{R}-\mathrm{H}(алкан)+\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})\mathrm{Cl}(2)$

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COONa}\leftrightarrow {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}+{\mathrm{Na}}^{+}$

$2{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}\to 2{\mathrm{CO}}_2\uparrow +{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6(этан)(3)$

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COONa}+\mathrm{NaOH}\to {\mathrm{CH}}_4+{\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3(4)$

${\mathrm{R}}_1-\mathrm{Cl}+2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl}-{\mathrm{R}}_2\to 2\mathrm{NaCl}+{\mathrm{R}}_1-{\mathrm{R}}_2(5)$

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1