10 класс. Химия. Алканы

Химические свойства (объяснение)

НАЗАД ДАЛЬШЕ

Химические свойства (объяснение)

Комментарии преподавателя

Низшие (газообразные) гомологи – метан, этан, пропан, бутан – легко воспламеняются и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании. С увеличением молекулярной массы алканы загораются труднее.

Химические свойства алканов

Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:

1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.

2. Из-за прочных связей С-С и С-Н (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO4 и т.п.)

3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.

Основной тип реакций – радикальное замещение (radical substitution) SR.

Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.

Реакция галогенирования

Взаимодействие алканов с галогенами ( элементы VII-A группы) носит общее название –реакция галогенирования. Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.

Фтор химически слишком активен, и реакции алканов с его участием сопровождаютсявзрывом и окислением до CF4.

Взаимодействие алканов с йодом практически не протекает.

Реакции хлорирования и бромирования проводят при 300–400оC или при облучении УФ-лампой.

Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана

При хлорировании атом Н в молекуле метана замещается на атом Cl. В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:

СН4 + Сl2 CH3Cl + HCl;

CH3Cl + Сl2 CH2Cl2 + HCl;

CH2Cl2 + Сl2 CHCl3 + HCl;

CHCl3 + Сl2 CCl4 + HCl.

Механизм реакции – последовательность стадий, через которые проходит химическая реакция.

Стадия 1 – зарождение цепи (инициация)

Когда молекулу хлора нагревают или облучают, слабая связь между атомами хлора рвется, при этом каждому из атомов при разрыве связи достается по одному электрону.

В результате образуются незаряженные частицы с неспаренным электроном – радикалы. Атомы в радикалах содержат на внешнем уровне нечетное число электронов. Поэтому радикалы – очень неустойчивые и реакционноспособные частицы.

Cl:Сl 2 Сl·.

Стадия 2 – развитие (рост) цепи

Атом хлора при столкновении с молекулой алкана отрывает от нее атом Н, и образуется молекула HCl. Возникает новый свободный радикал ·СН3. Он далее реагирует с другой молекулой хлора. Такие взаимодействия могут повторяться много раз, образуя длинную цепь.

Сl· + CH4¾® HCl + ·СН3;

·СН3 + Сl2¾® Сl· + CH3Сl…

Стадия 3 – обрыв цепи (рекомбинация)

Два радикала могут встретиться, и цепь прервется:

·СН3 + Сl· ¾® CH3Сl;

2 Сl· ¾® Сl2;

2 ·СН3¾® CH3–CH3.

Обратите внимание: в последнем случае возникает вещество, в молекуле которого больше атомов углерода, чем в исходном алкане. Поэтому в смеси продуктов радикальных реакций алканов всегда присутствуют небольшие количества веществ с более длинной углеродной цепью.

Особенности радикального замещения

В реакцию радикального замещения легче всего вступают атомы водорода при третичном атоме С, затем при вторичном, а сложнее всего разорвать связь С-Н при первичном атоме углерода. Поэтому при бромировании 2-метилбутана преимущественно образуется 2-бром-2-метилбутан:

Реакция нитрования

По механизму радикального замещения протекает реакция нитрования алканов в газовой фазе (реакция Коновалова). Условия – повышенные температура и давление.

В парообразном состоянии азотная кислота разлагается:

2HNO3 2NO2 + ½ O2 + H2O.

Оксид азота (IV) является радикалом ·NO2. Он атакует молекулу алкана.

Итоговая реакция:

СH4 + HNO3 = СН3NO2 + H2O.

Горение алканов

Рис. 1. Горение метана

Горение алканов (рис. 1.) также является радикальной цепной реакцией, но, кроме того – разветвленной. На стадии развития цепи встречаются процессы, приводящие к размножению радикалов (разветвление). Фрагмент механизма горения метана:

• Инициирование:

RH + O2 = R· + ·HO2 (и др.)

• Развитие цепи:

R· + O2 = ·RO2

·RO2 + RH = ROOH + R·

• Разветвление:

ROOH = RO· + ·OH

ROOH + RH = RO· + R· + H2O

2ROOH = ·RO2 + RO· + H2O

Смесь метана с кислородом (в объёмном соотношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Поэтому смеси метана, пропана, этана, бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в шахтах, в мастерских, в жилых помещениях. С этими газами нужно проявлять осторожность при применении.

Получение и применение алканов

В лаборатории

1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑

2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):

R-Г + 2Na + Г-R1 → R-R1 + 2NaГ

(R- это радикал; Г- это галоген)

a) CH3-Cl + 2Na + Cl-CH3 → CH3-CH3 + 2NaCl

или

2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl

б) CH3-I + 2Na + I-C2H5 → CH3-C2H5 + 2NaI

или

CH3I + 2Na + C2H5I → C3H8 + 2NaI

3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:

R-COONa + NaOH -t ˚С→ R-H + Na2CO3

a) CH3-COONa + NaOH -t ˚С→ CH4 + Na2CO3

(ацетат натрия+ едкий натр=(метан+карбонат натрия)

б) C2H5-COONa + NaOH -t ˚С→ C2H6 + Na2CO3

этилат натрия этан

4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:

a) CnH2n + H2 -t,kat,p → CnH2n+2

алкен

C2H4 + H2 -300°C,Ni → C2H6

b) CnH2n-2 + 2H2 - t,kat→ CnH2n+2

алкин

C2H2 + 2H2 - t,kat→ C2H6

5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот - реакция КОЛЬБЕ

Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия

H2O, CH3COONa ↔ Na+ + CH3COO-

КАТОД (-)

АНОД (+)

H2O, Na+

H2O, CH3COO-

Анионы органических кислот активнее воды

Процесс восстановления

2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH-

Процесс окисления

CH3COO- -1e-→ CH3COO∙ (радикал)

CH3COO∙ → CH3∙ + СО2↑

2 СН3 ∙ → С2Н6

Итог:

2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2CO2 + 2NaOH + C2H6

2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2NaHCO3 + C2H6

В промышленности

1. Из природного и попутного нефтяного газа

Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье - нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов.

Метан называют ещё и болотным; рудничным газом.

Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:

бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С5-С10), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;

керосин 180-230 C, (С11-С12);

легкий газойль (дизельное топливо) 230-305 С (С13-С17);

тяжелый газойль и легкий дистиллят смазочного масла 305-405 С (С18-С25);

смазочные масла 405-515 С (С26-С38).

Остаток после перегонки нефти называется асфальтом или битумом.

2. Синтезом из водяного газа:

n CO + (2n + 1) H2 - t,kat→ CnH2n+2 + n H2O

CO + 3H2 - t,kat→ CH4 + H2O

3. Синтезом из простых веществ:

n C + (n + 1) H2 -t,kat,p → CnH2n+2

C + 2 H2 - 500°C,Ni → CH4

Применение

1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит

3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках

4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

5. Метан используется для производства шин и краски

6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.

Использование алканов в качестве смазочных материалов

Использование алканов в качестве топлива

Использование парафина для получения водостойкой бумаги

Применение алканов в медицине (вазелин, парафин и др.)

Применение галогенопроизводных алканов

Применение сажи

Тренажёры:

Алканы: строение, номенклатура, получение и физические свойства

Алканы: строение, номенклатура, получение и физические свойства (расчетные задачи)

Видео:

Получение метана

ИСТОЧНИКИ