Химия

Физические свойства

Алканы плавятся и кипят при температурном режиме, который повышается по мере увеличения их молекулярной массы и протяженности ключевой углеродной цепи. Алканы характеризуются следующими агрегатными состояниями:

• газы с \(CH_{4} до C_{4}H_{10}\);
• жидкости с \(C_{5}H_{12} до C_{13}H_{28}\);
• твердые материалы с \(C_{14}H_{30}\).

При исследовании разных видов алканов можно наблюдать снижение величины температуры, при которой вещества плавятся и кипят, по мере увеличения степени разветвленности. Алканы в состоянии газа или твердого вещества не имеют запаха. В определенных случаях жидкости характеризуются специфичным «бензиновым» запахом.

Алканы не обладают какой-либо окраской. Вес веществ меньше по сравнению с водой. В водной среде алканы не растворяются, но демонстрируют хорошую растворимость в органических растворителях. Алканы в жидком агрегатном состоянии, к примеру, пентан и гексан, могут играть роль растворителей в химических реакциях.

Свойства

Алканы образуют однородный класс веществ, и знания свойств некоторых представителей достаточно, чтобы предсказать поведение других. Это относится как к внутри- и межмолекулярным взаимодействиям алканов, которые влияют на температуры плавления и кипения, так и к рассмотрению их синтезов и реакций.

Для циклоалканов существует ряд особенностей, которые возникают, среди прочего, из-за кольцевой деформации, имеющей место в большинстве молекул (за важным исключением циклогексана), которая оказывает длительное влияние на реакционную способность. 

Физические свойства

Молекулярная структура, особенно размер поверхности молекул, определяет точку кипения связанного вещества: чем меньше площадь, тем ниже точка кипения, поскольку силы Ван-дер-Ваальса, действующие между молекулами, меньше. Уменьшение поверхности может быть достигнуто за счет разветвления или кольцевой структуры. На практике это означает, что алканы с более высоким содержанием углерода обычно имеют более высокую температуру кипения, чем алканы с более низким содержанием углерода. Разветвленные алканы имеют более низкую температуру кипения, чем неразветвленные. Из пяти атомов углерода неразветвленные алканы при нормальных условиях являются жидкими, из семнадцати — твердыми. 

За одним исключением в случае пропана, температура плавления алканов также увеличивается с увеличением числа атомов углерода. Однако в случае высших алканов, точки плавления повышаются медленнее, чем точки кипения. Кроме того, температура плавления алканов с нечетным числом атомов углерода до алканов с четным числом атомов углерода увеличивается больше. Причина этого явления — большая плотность упаковки алканов с четным числом атомов углерода. Температура плавления разветвленных алканов может быть выше или ниже соответствующего значения для неразветвленных алканов. Чем крупнее молекула, тем труднее плотно упаковать соответствующее вещество и тем ниже температура плавления. Напротив, существует ряд изоалканов. которые имеют гораздо более компактную структуру, чем соответствующие н-алканы.

Алканы не проводят электричество. По этой причине они не образуют водородных связей и очень трудно растворяются в полярных растворителях, таких как вода. Поскольку водородные связи между отдельными молекулами воды в непосредственной близости от точки алкана от нее и, следовательно, не изотропно выровнены, то есть не указывают равномерно во всех направлениях, смесь обоих веществ приведет к увеличению молекулярного порядка. Так как это запрещено вторым законом термодинамики, при попытке смешивания всегда образуются два отдельных слоя. Поэтому алканы называют водоотталкивающими или гидрофобными. С другой стороны, их растворимость в неполярных растворителях хорошая (липофильность). Например, они могут быть смешаны друг с другом в любом соотношении при одинаковом физическом состоянии.

Химические свойства

В общем, алканы показывают низкую реакционную способность, потому что их связи CH и CC относительно стабильны и их нелегко разорвать. В отличие от всех других органических соединений они не имеют функциональных групп. Они очень плохо реагируют с ионными или более полярными веществами. 

Однако алканы вступают в окислительно-восстановительные реакции, в частности, с кислородом и галогенами, поскольку их атомы углерода находятся в сильно восстановленном состоянии. В случае метана достигается даже минимально возможный уровень окисления -IV. 

Радикалы, то есть молекулы с неспаренными электронами, играют важную роль в большинстве реакций, включая так называемые крекинг и риформинг, в которых длинноцепочечные алканы превращаются в короткоцепочечные, а неразветвленные — в разветвленные.

В случае сильно разветвленных молекул валентный угол должен отклоняться от оптимального значения, что вызвано тем фактом, что в противном случае алкильные группы на разных атомах углерода сблизились бы. Результирующее «напряжение», известное как стерическое натяжение, делает эти молекулы гораздо более реактивными.

Рациональная номенклатура

Кроме систематической для названия насыщенных углеводородов используют еще рациональную номенклатуру. По этой номенклатуре насыщенные углеводороды рассматривают как производные метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Название насыщенного углеводорода по рациональной номенклатуре образуют таким образом: называют по степени сложности все радикалы, которые находятся у атома углерода с наибольшим количеством заместителей (отмечая их количество, если они одинаковые), а затем добавляют основу названия углеводорода по этой номенклатуре — слово «метан». К примеру:

Рисунок 3.

Рациональную номенклатуру пользуются для названия сравнительно простых углеводородов. Эта номенклатура не так усовершенствована и гораздо менее удобна в пользовании по сравнению с систематической номенклатурой. По рациональной номенклатуре одно и то же вещество может иметь разные названия, что очень неудобно. Кроме того, по данной номенклатуре можно назвать далеко не все насыщенные углеводороды.

Получение алканов

Крекинг алканов с изначально большей длиной цепи

Процесс, используемый в промышленности, протекает в интервале температур 450-500oC в присутствии катализатора и при температуре 500-700oC в отсутствие катализатора:

Важность промышленного процесса крекинга заключается в том, что он позволяет повысить выход бензина из тяжелых фракций нефти, которые не представляют существенной ценности сами по себе. алкенов:

алкенов:

алкинов и алкадиенов:

Газификация каменного угля

в присутствии никелевого катализатора при повышенных температуре и давлении может быть использована для получения метана:

Процесс Фишера-Тропша

С помощью данного метода могут быть получены предельные углеводороды нормального строения, т.е. алканы. Синтез алканов осуществляют, используя синтез-газ (смеси угарного газа CO и водорода H₂), который пропускают через катализаторы при высоких температуре и давлении:

Реакция Вюрца

С помощью данной реакции могут быть получены углеводороды с большим числом атомов углерода в цепи, чем в исходных углеводородах. Реакция протекает при действии на галогеналканы металлического натрия:

Декарбоксилирование солей карбоновых кислот

Сплавление твердых солей карбоновых кислот со щелочами приводит к реакции декарбоксилирования, при этом образуются углеводород с меньшим числом атомов углерода и карбонат металла (реакция Дюма):

Крекинг алканов

Реакция в общем виде уже была рассмотрена выше (получение алканов). Пример реакции крекинга:

Дегидрогалогенирование галогеналканов протекает при действии на них спиртового раствора щелочи:

Дегидратация спиртов

Данный процесс протекает в присутствии концентрированной серной кислоты и нагревании до температуры более 140оС:

Обратите внимание, что и в случае дегидратации, и в случае дегидрогалогенирования отщепление низкомолекулярного продукта (воды или галогеноводорода) происходит по правилу Зайцева: водород отщепляется от менее гидрированного атома углерода

Дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов

Вицинальными дигалогеналканами называют такие производные углеводородов, у которых атомы хлора прикреплены к соседним атомам углеродной цепи.

Дегидрогалогенирование вицинальных галогеналканов можно осуществить, используя цинк или магний:

Дегидрирование алканов

Пропускание алканов над катализатором (Ni, Pt, Pd, Al₂O₃ или Cr₂O₃) при высокой температуре (400-600оС) приводит к образованию соответствующих алкенов:

Получение алкадиенов

Дегидрирование бутана и бутена-1

В настоящий момент основным методом производства бутадиена-1,3 (дивинила)  является каталитическое дегидрирование бутана, а также бутена-1, содержащихся в газах вторичной переработки нефти. Процесс проводят в присутствии катализатора на основе оксида хрома (III) при 500—650°С:

Действием высоких температур в присутствии катализаторов на изопентан (2-метилбутан) получают промышленно важный продукт – изопрен (исходное вещество для получения так называемого «натурального» каучука):

Ранее (в Советском Союзе) бутадиен-1,3 получали по методу Лебедева из этанола:

Осуществляется действием на галогенпроизводные спиртового раствора щелочи:

Получение алкинов

Пиролиз метана

При нагревании до температуры 1200-1500оС метан подвергается реакции дегидрирования с одновременным удваиванием углеродной цепи – образуются ацетилен и водород:

Гидролиз карбидов щелочных и щелочноземельных металлов

Действием на карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов воды или кислот-неокислителей в лаборатории получают ацетилен. Наиболее дешев и, как следствие, наиболее доступен для использования карбид кальция:

Химические свойства алканов

При изучении любых органических веществ следует обратить особое внимание на их химические свойства. Они являются показателем химической активности и реакционной способности соединения.Алканы не реагируют с концентрированными серной и азотной кислотами

Они не обесцвечивают окраску растворов окислителей, таких как перманганата калия или бромной воды.

Реакции замещения

Для алканов свойственны реакции такого типа. Разберем подробнее подвиды реакций замещения.

Галогенирование

Алканы взаимодействуют главным образом с бромом и хлором. При взаимодействии метана и хлора на свету получим хлорметан (CH₃Cl) и хлороводород. Галогенирование проходит в четыре стадии с поочередным замещением атомов водорода в молекуле метана. На второй, третьей и четвертой стадиях свет уже не является обязательным условием реакции.На второй стадии галогенирования выделяется дихлорметан (CH₂Cl₂), на третьей — хлороформ (CHCl₃), на четвертой — четыреххлористый углерод (CCl₄).
Рис. 3. Физические свойства алкановОтметим, что данные реакции идут по цепному свободнорадикальному механизму, который состоит из следующих этапов: инициирование цепи, развитие цепи, обрыв цепи или рекомбинация.Возьмем другой случай: пропан взаимодействует с бромом на свету. В данной ситуации один атом брома будет присоединяться к вторичному атому углерода. В результате получим 2-бромпропан и бромоводород. После того, как все атомы водорода вторичного углерода будут замещены на атомы брома, весь последующий бром может присоединяться к первичным углеродам.

Нитрование (реакция Коновалова)

В данном типе реакций возьмем пропан, который взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, находящейся в парах. При температуре в 140 градусов образуется соединение под названием 2-нитропропан и вода соответственно.

Сульфирование

Пропан реагирует с концентрированной, дымящейся серной кислотой при термовоздействии. Принцип действия аналогичен реакции нитрования. В данном случае один атом водорода при вторичном углероде замещается на сульфо-группу.Выделится вода и пропан-2-сульфокислота.

Дегидрирование

От алканов отщепляется два атома водорода. Процесс идет при катализаторе или платины при температуре. На выходе получаем алкен и водород.

Реакции окисления

• Полное сгорание — алканы горят с образованием CO₂ и H₂O. При этом идет выделение энергии до 900 кДж.
• Неполное сгорание — так сгорает, например, гексан. Он взаимодействует с кислородом и образует CO₂, H₂O и чистый углерод.
• Окисление в мягких условиях — метан взаимодействует с кислородом в присутствии катализатора и при температуре 200 градусов. В ходе данного взаимодействия могут получиться следующие вещества: метанол (CHOH), метаналь (CH₂O), муравьиная кислота (CHO).

Реакции изомеризации

Довольно простой тип реакций алканов. В ходе изомеризации из алканов можно получать их изомеры в присутствии катализатора хлорида алюминия и температуры.Например, из нормального бутана с легкостью получаем метилпропан.

Реакции пиролиза

Разложение алканов при термическом воздействии (более 1000 градусов):

• Этан распадается на углерод и водород;
• Метан разлагается на водород и ацетилен, который впоследствии образует углерод и водород.

Крекинг

Данные реакции идут при термическом воздействии и без доступа воздуха. Алкан буквально делится на две части. Из одной в другую переходит один водород. В итоге мы получаем нормальный алкен и нормальный алкан.

Реакции, в которых от алканов отщепляется водород, и появляется ароматическая связь. Взаимодействие идет при действии катализаторов платиновой группы и температуры.Из гексана мы получаем данным способом бензол, а из гептана — толуол. Данное взаимодействие, кстати, является промышленным способом получения бензола.Теперь вы знаете обо всех химических способностях алканов. Осталось их тщательно проработать и выучить.
Рис. 4. Изомерия цепи формул алканов

Физические свойства алканов

Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы. Простейший из них — ме­тан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, опреде­ляется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных га­зовых приборах для того, чтобы люди, находя­щиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от С₅Н₁₂ до С₁₅Н₃₂ — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые ве­щества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются рас­пространенными органическими растворителями.

Алканы

Алканы – это углеводороды, в которых все связи одинарные. Также их называют предельными (или насыщенными) углеводородами.

Все атомы углерода находятся в sp3-гибридизации.

Чтобы указать элементарный состав алканов, используют общую формулу: C_nH_2n+2 .

Для примера рассмотрим, каким образом можно записать несколько элементарных формул, в которых 1,2 и 3 атомов углерода.

Пользуясь выражением C_nH_2n+2, запишем:

Рисунок 1 – Гибридизация алканов

Следует заметить, что у алканов наблюдается структурная изомерия:

Номенклатура алканов

Номенклатура – это правило, по которому даются названия органическим веществам.

Для того, чтобы назвать молекулу органического вещества, необходимо учесть длину углеродной цепи, наличие кратных связей в молекуле, количество заместителей и их состав, а также наличие функциональных групп.

Заместители могут быть представлены атомами галогенов (хлор, бром, иод, фтор) или углеводородной частицей, которую называют «радикалом».

Понятие радикала

Радикал – углеводородная частица, в которой 1 из атомов углерода содержит 1 неспаренный электрон. Этот неспаренный электрон может образовать связь с углеродной цепочкой, функциональной группой или другим атомом. Для записи радикала используют символ: R, и в общем случае называют алкилом.

Название радикала зависит от количества атомов углерода в нем, для каждого из которых был предложен собственный корень. К корню добавляется суффикс –ил, тем самым образуя полное название радикала.

В таблице 1 представлено, какие корни используются для названия веществ, содержащих конкретное число атомов в углеродной цепочке.

Таблица 1. – Названия углеводородных заместителей

Для названия ряда алканов используется тот же метод, только вместо суффикса –ил, ставится суффикс –ан.

 

Представленный ряд веществ одного класса соединений называется гомологическим рядом (в нем каждый последующий элемент, называемый гомологом, отличается от предыдущего на 1 группу СН₂).

Алгоритм названия алканов с заместителями

Чтобы назвать алкан, у которого есть один или несколько заместителей, следует придерживаться следующего алгоритма:

1. Выбирается самый длинный участок углеродного скелета, и нумеруются атомы углерода.
2. Нумерация, в соответствии с правилом, начинается с того конца, к которому заместитель ближе.Называть молекулу начинают с номера атома углерода, у которого стоит заместитель и его названия. Если одинаковых заместителей несколько, то сначала через запятые указываются номера атомов углерода, при которых стоит этот заместитель, а затем через дефис записывается число заместителя и его название. Числа записывают так, как указано в таблице 2.
3. В соответствии с числом пронумерованных атомов углерода выбирается корень названия радикала.
4. К концу корня приписывается суффикс –ан.

Таблица 2. – число и его запись при перечислении заместителей

Для примера назовем молекулу алкана в соответствии с алгоритмом.

Допустим, есть молекула, которая имеет вид:

1. Находим самую длинную цепь и нумеруем атомы углерода в ней.

1. Видим, что в молекуле есть заместители, смотрим: какие они и у каких атомов стоят. Видно, что у 2 и 8 атома стоят метил-радикалы, а у 5 атома – пропил-радикал.Записываем начало названия молекулы: 2,8-диметил-5-пропил.
2. Теперь необходимо поставить корень и суффикс названия. Корень зависит от числа атомов углерода в цепочке. Здесь их 9, поэтому корень нон-. Так как у нас алкан, то суффикс – -ан.
3. Запишем полное название:2,8-диметил-5-пропилнонан.

Галоген производные алканов

Галогенпроизводные алканов (их еще называют алкилгалонегидами) – вещества, у которых есть заместитель в виде атома галогена.

Более строгое понятие: алкилгалогенид – это углеводород, у которого 1 или более атомов водорода замещен на атом галогена.

Номенклатура галогенпроизводных алканов такая же, как и у алканов, только в качестве заместителя нужно указывать название галогена.

Например, названия веществ А и Б:2,3-дихлорбутан и 2-метил-3-хлорбутан.

Область применения

Сфера применения насыщенных углеводородов обширна. Начиная от горючих материалов и закачивая использованием в медицине и косметологии. Главное применение, в составе природного газа получили в народном хозяйстве, в качестве горючего топлива в газовых печках и котлах. В таблице перечислены области применения алканов:

Метан	Используется для получения алкинов (ацетилена), хлороформа, синильной кислоты и синтез-газа.
Алканы в газообразном состоянии	Применяются как высококалорийное топливо.
Алканы в жидком состоянии	Находят применение как растворитель для моторного и ракетного топлива.
Вазелин	Используется для приготовления мазей и кремов в медицине и косметологии.
Вазелиновое масло	Применяется в медицине, парфюмерии и косметологии.
Парафин	Используется для создания свечей, пропитки спичек и обёрточной бумаги, для прогревания в медицине.
Гудрон	Применяется при строительстве и укладки асфальтовых дорог.
Нефтяные продукты	Используются при выпуске синтетических волокон, пластмасс, моющих средств и каучука.

Алканы применяются и при тушении пожаров. Пропан и бутан в сжиженном виде используют в качестве заправки для баллонов.

Церезин широко применяется при производстве вазелина и крема для сапог, лекарственных мазей, сургуча, чернил для типографии, при изготовлении свечей, в качестве материала для изоляции в радио- и электротехнике.

В отечественных школах изучение темы алканов проходит в 10-м классе на уроках химии. На уроках подробно изучается строение, состав, химические и физические свойства, способы получения и области использования предельных углеводородов.