Алканы общая формула строение способы получения

Содержание

Алканы общая формула строение способы получения
Способы получения алканов
Алканы. Свойства. Строение. Применение
Урок 30. Химия 9 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Алканы. Свойства. Строение. Применение»

Алканы общая формула строение способы получения

I. АЛКАНЫ (предельные углеводороды, парафины)

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.
Парафины– исторически сложившееся название, отражающее свойства этих соединений (от лат. parrum affinis – имеющий мало сродства, малоактивный).
Предельными, или насыщенными, эти углеводороды называют в связи с полным насыщением углеродной цепи атомами водорода.

Простейшие представители алканов:

Модели молекул:

При сравнении этих соединений видно, что они отличаются друг от друга на группу -СН₂— (метилен). Добавляя к пропану еще одну группу -СН₂— , получим бутан С₄Н₁₀ , затем алканы С₅Н₁₂ , С₆Н₁₄ и т.д.

Теперь можно вывести общую формулу алканов. Число атомов углерода в ряду алканов примем за n, тогда число атомов водорода составит величину 2n+2. Следовательно, состав алканов соответствует общей формуле C_nH_2n+2.
Поэтому часто используется такое определение:

Алканы — углеводороды, состав которых выражается общей формулой C_nH_2n+2, где n – число атомов углерода.

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н — ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 — для углерода и 2.1 — для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации. Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp 3 -гибридизации. В этом случае каждая из четырех sp 3 -гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp 3 -АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109 о 28′, что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН₄ – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С₂Н₆ – два тетраэдрических sp 3 -атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

III. Изомерия алканов .
Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами .

1. Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С₄Н₁₀.

Структурные изомеры — соединения одинакового состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е. химическим строением молекул.

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов являетсяспособность атомов углерода образовывать цепи различного строения.Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Например, алкан состава C₄H₁₀ может существовать в виде двух структурных изомеров:

а алкан С 5 Н 12 – в виде трех структурных изомеров,отличающихся строением углеродной цепи:

При выводе структурных формул изомеров используют следующие приемы.

2. Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или специальные формулы — стереохимические (пространственные) или проекционные.

Алканы, начиная с этана H₃C–СН₃, существуют в различных пространственных формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную) изомерию.

Различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг σ-связей С–С, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).

Поворотные изомеры молекулы представляют собой энергетически неравноценные ее состояния. Их взаимопревращение происходит быстро и постоянно в результате теплового движения. Поэтому поворотные изомеры не удается выделить в индивидуальном виде, но их существование доказано физическими методами. Некоторые конформации более устойчивы (энергетически выгодны) и молекула пребывает в таких состояниях более длительное время.

3. Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии — оптическая изомерия .

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.

Изомерия этого вида называется оптической, изомеры – оптическими изомерами или оптическими антиподами:

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии.
Таким образом,

оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптические изомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, но различаются отношением к поляризованному свету. Такие изомеры обладают оптической активностью (один из них вращает плоскость поляризованного света влево, а другой — на такой же угол вправо). Различия в химических свойствах наблюдаются только в реакциях с оптически активными реагентами.

Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

Источник

Способы получения алканов

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета.

Например, хлорметан реагирует с натрием с образованием этана:

Хлорэтан взаимодействует с натрием с образованием бутана:

Реакция больше подходит для получения симметричных алканов.

При проведении синтеза со смесью разных галогеналканов образуется смесь разных алканов.

Например, при взаимодействии хлорметана и хлорэтана с натрием помимо пропана образуются этан и бутан.

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

Этот способ получения используется в лаборатории.

3. Электролиз солей карбоновых кислот (электролиз по Кольбе )

Это электролиз водных растворов солей карбоновых кислот.

2R–COONa + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + 2CO₂ + R–R

В водном растворе ацетат натрия практически полностью диссоциирует:

CH₃COONa → CH₃COO – + Na +

При этом на катод притягиваются катионы натрия Na + и молекулы воды H₂O.

Разряжаться на катоде будут молекулы воды:

Kатод (-): 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH –

На аноде окисляются ацетат-ионы, а именно, атом углерода карбоксильной группы.

При этом от карбоксильной группы отрывается углекислый газ и остаются метильные радикалы, которые образуют газообразный этан:

Aнод (+): 2CH₃COO – – 2e = 2CO₂ + CH₃–CH₃

Суммарное уравнение электролиза водного раствора ацетата натрия:

4. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

5. Гидрирование алкеноа, алкинов, циклоалканов, алкадиенов.

При гидрировании этилена образуется этан:

При полном гидрировании ацетилена также образуется этан:

При гидрировании циклопропана образуется пропан:

6. Синтез Фишера-Тропша

Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

Это промышленный процесс получения алканов.

7. В промышленности алканы получают из нефти, каменного угля, природного и попутного газа . При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.

Источник

Алканы. Свойства. Строение. Применение

Урок 30. Химия 9 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Алканы. Свойства. Строение. Применение»

Алканы. Свойства. Строение и применение

Алканы – предельные или насыщенные углеводороды, в их молекулах все атомы углерода соединены одинарной связью. Состав предельных углеводородов – алканов может быть выражен общей формулой – С_nH₂_n₊₂, где n – число атомов водорода. Таким образом, первый представитель алканов, у которого один атом углерода имеет формулу – CH₄. Следующий алкан, у которого два атома водорода имеет формулу C₂H₆, третий – C₃H₈.

Таким образом, каждый последующий алкан отличается от предыдущего на группу CH2. Эта группа называется гомологической разностью, а ряд алканов – гомологическим рядом.

Гомологический ряд – ряд веществ, расположенных в порядке возрастания относительных молекулярных масс, сходных по строению и свойствам, но отличающихся друг от друга на одну или несколько групп CH2. Вещества такого ряда называют гомологами.

Цепь атомов углерода изображают в виде углеродного скелета, в котором указаны все атомы углерода и водорода, а во втором случае опускают символы атомов углерода и водорода, подразумевая, что стыки двух линий представляют атомы углерода с двумя атомами водорода.

В молекулах алканов возможно свободное вращение групп атомов вокруг одинарных C–C связей.

Так, молекула метана не является плоской, а в пространстве имеет тэтраэдрическое строение, то есть атом углерода находится в центре тэтраэдра, а атомы водорода – в вершинах тэтраэдра.

В молекуле метана все углерод-водородные связи являются равноценными, а углы между ними одинаковы и составляют приблизительно 190 0 .

В названии алканов используется суффикс – ан. Составим гомологический ряд алканов: CH₄ – метан, C₂H₆ – этан, C₃H₈ – пропан, C₄H₁₀ – бутан, C₅H₁₂ – пентан, C₆H₁₄ – гексан, C₇H₁₆ – гептан, C₈H₁₈ – октан, C₉H₂₀ – нонан, C₁₀H₂₂– дэкан.

Если от метана отнять один атом водорода, то останется CH₃ – углеводородный остаток, или радикал. Он называется метил – суффикс – ил. Если от этана отнять один атом водорода, то получится радикал C₂H₅ и он называется этил. Такие радикалы существуют очень короткое время. Они могут соединяться с другими радикалами или друг с другом. Если соединиться два метильных радикала, то образуется этан, если соединяться два этильных радикала, то образуется бутан.

Кроме углеводородов нормального строения есть ещё углеводороды разветвлённого строения. Допустим, вам нужно составить структурные формулы к бутану. Мы может в первом случае, расположить все атомы углерода по прямой линии, а во втором случае изобразить разветвлённое строение.

Эти вещества будут по отношению к друг другу изомерами. То есть, изомеры – вещества, которые имеют один и тот же количественный и качественный состав, но разное строение и свойства. А само явление существования изомеров называется изомерией.

Посмотрите сами, первое соединение имеет состав C₄H₁₀ и второе такое же, но последовательность соединения атомов, то есть химическое строение их различно.

Первое соединение можно назвать нормальным бутаном, а второе изобутаном. Они отличаются строением и температурой кипения.

Из таблицы видно, что с увеличением числа атомов углерода увеличиваются температуры плавления и кипения. Первые четыре представителя алканов при обычных условиях – газы, начиная с пятого и заканчивая пятнадцатым атомом углерода – жидкости. Те алканы, у которых шестнадцать и больше атомов углерода – твёрдые вещества.

Алканы не имеют цвета, жидкие алканы обладают характерным запахом, а твёрдые не имеют запаха.

Кроме этого, алканы малорастворимы в воде.

Например, метан, при обычных условиях – газ, не имеющий запаха и цвета, он практически не растворяется в воде.

Алканы содержатся в нефти. Простейший их представитель – метан – образуется в результате разложения без доступа кислорода останков растительных и животных организмов. Этим объясняется выделение пузырьков газа со дна болот и водоёмов со стоячей водой, поэтому его называют болотным газом. Метан выделяется также из каменно-угольных пластов и накапливается в шахтах, поэтому его называют ещё и рудничным газом. Он является основной составной частью природного газа.

Твёрдые алканы входят в состав парафина. Наличие углерода и водорода в его составе можно легко доказать опытным путём. Кусочек парафиновой свечи подожжём лучинкой. На стенках стакана появляются капельки воды. Значит, в состав парафина входит водород. Вынем свечу и нальём в стакан известковой воды. Известковая вода помутнеет, из-за образования карбоната кальция, который образовался в реакции известковой воды с углекислым газом. Значит, в парафине есть и углерод.

Алканы в химическом отношении малоактивны, потому что атомы углерода связаны друг с другом одинарными связями. Для алканов характерны реакции замещения, которые осуществляются за счёт разрыва C – H связи и замены атома водорода другим атомом.

Например, под действием света или при нагревании алканы реагируют с хлором и бромом. В реакции метана с хлором, на первой стадии образуется хлорметан и хлороводород. Как видите, один атом хлора заместил один атом водорода в молекуле метана и образовался хлороводород. На второй стадии опять один атом хлора замещает ещё один атом водорода и образуется дихлорметан и хлороводород, на третьей стадии ещё один атом хлора замещает атом водорода и образуется трихлорметан и хлороводород, наконец на последней стадии атом хлора замещает последний атом водорода и образуется тэтрахлорметан и хлороводород.

Таким образом, реакция шла до тех пор, пока все четыре атома водорода в молекуле метана не заместились полностью на атомы хлора. Этот процесс можно записать в виде одного уравнения, поставив перед молекулой хлора коэффициент 4.

Обратите внимание, что вместо знака равенства в уравнениях реакций стоит стрелка, потому что двумя чёрточками в органической химии обозначается двойная связь.

Предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Например метан горит бесцветным пламенем с выделением большого количества теплоты.

Смесь метана с воздухом взрывоопасна. Такие смеси могут образоваться в шахтах, заводских котельных, в жилых помещениях.

При высоких температурах молекулы предельных углеводородов расщепляются. Например, метан при температуре 1500 0 C распадается на углерод и водород.

Ещё эта реакция называется реакцией дэгидрирования. То есть реакции, в результате которых от молекул органических соединений отщепляются молекулы водорода, называют реакциями дэгидрирования.

Алканы находят широкое применение. Метан используется, как природный газ, в качестве топлива, для синтэза аммиака, для получения метилового спирта, уксусной кислоты, синтетических каучуков, высококачественных сортов бензина, ацэтилена. Галогенпроизводные метана используются в качестве растворителей.

Таким образом, алканы – это углеводороды, содержащие в составе молекул только одинарные углерод-углеродные связи, их общая формула С_nH₂_n₊₂, молекла метана имеет тэтраэдрическое строение. Для него характерны реакции замещения и окисления. Ряд углеводородов, соседние члены которого отличаются на группу CH₂, называют гомологическим рядом, а члены ряда – гомологами. Гомологи имеют сходные химические свойства и закономерно изменяющиеся физические свойства.

Источник