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:
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
Гомологический ряд алканов
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
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта. 2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам. 3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Видео
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 С4Н12 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.
Метан и этан
Простейший по составу алкан называется метаном. Он представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, устойчивый к химическим воздействиям. У этого вещества небольшая токсичность, поскольку оно плохо растворяется в воде и крови, но продолжительное вдыхание соединения негативно влияет на нервную систему.
Метан используется сразу в нескольких областях человеческой деятельности:
В быту в составе природного газа. Поскольку при утечке и смешивании с воздухом он взрывоопасен, веществу придают запах, добавляя трет-бутилтиол в качестве примеси.
В качестве ракетного топлива. Для этого используют жидкую смесь метана и кислорода.
В органическом синтезе. В качестве сырья для изготовления метилового спирта и других веществ.
Широкое использование соединения приводит к его накоплению в атмосфере. Метан делает большой вклад в возникновение парникового эффекта, а это является серьёзной экологической проблемой.
Второй член гомологического ряда — этан. Отсутствием запаха, вкуса и цвета, а также взрывоопасностью с воздухом и низкой растворимостью в жидкостях он похож на метан, но применяется вещество, получаемое из природных и нефтяных газов, с другими целями, а именно, для получения следующих химических соединений:
этилена при помощи отщепления водорода при температуре около 600 градусов (при дальнейшем нагревании до 800 градусов получают ацетилен, бензол и сажу);
этилхлорида с помощью термического хлорирования при 300−450 градусах;
нитроэтана и нитрометана введением нитрогруппы в газовой фазе.
Для этана характерен четвёртый класс опасности. Его физиологическое действие на организм зависит от вдыхаемого количества:
в небольших дозах — нехватка воздуха;
в умеренном количестве — от головокружения и сонливости до потери сознания;
в высокой концентрации — остановка сердца и дыхания.
Химические свойства
Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.
Реакции электрофильного замещения
Изомеризация: Под действием катализатора (например, AlCl3) происходит изомеризация алкана: например, бутан (C4H10), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl3), превращается из н-бутана в 2-метилпропан.
С марганцовокислым калием (KMnO4) и бромной водой (Br2) алканы не взаимодействуют.
Получение и применение алканов
Алканы широко распространены в природе. Простейший алкан — — образуется в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов, этот газ выделяется на болотах, поэтому он так и называется: «болотный газ». Метан накапливается в шахтах, где добывают каменный уголь, из-за этого на шахтах иногда бывают взрывы, так как смесь метана с воздухом взрывоопасна. Это следует учитывать и в быту, так как природный газ является источником тепла в газовых плитах. Метан составляет 95–97 % природного газа.
Оптическая изомерия
Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными заместителями (атомами или атомными группами), например:
то возможно существование двух соединений с одинаковой структурой, но различным пространственным строением.Молекулы таких соединений относятся друг к другу, как зеркальные изображение и предмет. При этом никаким вращением нельзя получить одну молекулу из другой.
В названиях алканов используется суффикс -АН.
Например, алкан имеет название 2-метилпропан.
Для простейших алканов (метан, этан, пропан, бутан и изобутан) используют тривиальные названия. Начиная с пятиатомного углероводорода, в названии неразветвленных (нормальных) алканов используют корень, который показывает число атомов углерода в молекуле, и добавляют соответствующий суффикс (для алканов – ан, для алкенов – ен, и т.д.).
Название разветвленных алканов строится по следующим правилам:
1. Выбирают главную углеродную цепь. При этом считают, что углеводородные радикалы, которые не входят в главной цепь, являются в ней заместителями. При этом главная цепь должна быть самой длинной. Например, в молекуле на рисунке главной является цепь, отмеченная на рисунке а:
а
б
Главная цепь должна быть самой разветвленной.
Например, в молекуле, изображенной на рисунках а и б, выделены цепи с одинаковым числом атомов углерода. Но главной будет цепь, изображенная на рисунке а, т.к. от нее отходит 2 заместителя, а от цепи на рисунке б – только один:
а
б
2. Нумеруют атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы углерода, которые соединены с заместителями, получили минимальные возможные номера. Причем нумерацию следует начинать с более близкого к старшей группе конца цепи.
3. Называют все радикалы, указывая впереди цифры, которые обозначают их расположение в главной цепи.
Например, 2-метилпропан:
Для одинаковых заместителей эти цифры указывают через запятую, при этом количество одинаковых заместителей обозначается приставками ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т.д.
Например, 2,2-диметилпропан или 2,2,3-триметилпентан.
4. Названия заместителей со всеми приставками и цифрами располагают в алфавитном порядке.
Например: 2,2-диметил-3-этилпентан.
5. Называют главную углеродную цепь, т.е. соответствующий нормальный алкан.
Например, название молекулы на рисунке:
Алканы – предельные углеводороды, поэтому они не могут вступать в реакции присоединения.
Для предельных углеводородов характерны реакции:
Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.
Поэтому для алканов характерны только радикальные реакции.
Алканы устойчивы к действию сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.
Пентан и гексан
Из-за изомерии углеродной цепи к пентанам относятся сразу три соединения. Они имеют различные свойства и даже агрегатные состояния:
Нормальный пентан и изопентан (2-метилбутан) — легколетучие подвижные жидкости с характерным запахом.
Неопентан (2,2-диметилпропан) — бесцветный газ с характерным запахом, обладающий наркотическим действием.
Все три вещества выделяют из нефтяных и газовых конденсатов, а также углеводородов, синтезируемых из смеси углерода и водорода. Их фракцию используют следующим образом:
как компонент высококачественного бензина;
при производстве нефтяных растворителей.
Из смеси можно выделить изопентан, который служит сырьём для получения изопрена и дальнейшего производства синтетических каучуков.
Гексан — бесцветная жидкость со слабым сладковатым запахом, пары которой обладают сильным наркотическим действием. В отличие от предыдущих алканов, его присутствие в синтетическом бензине нежелательно, поскольку снижает качество топлива. Гексану находится следующее применение:
сырьё для получения бензола в процессе дегидроциклизации;
добавки к моторному топливу;
экстрагент для извлечения растительных масел;
органический растворитель;
активатор цианоакрилатного клея.
Электронное строение
Имеют форму тетраэдра. Следовательно, гибридные облака одинаковы. Углы между облаками — 109° 28’. Связи одинарны. Атомы углерода в алканах находятся в -гибридизации.
Связь «углерод-углерод» неполярна. Длина ее — 0,154 нм, а энергия – 350 КДж/моль. Данная связь довольно прочная, поэтому реакции проходят в жестких условиях.
Способы получения
Алканы в природе находят в:
природном газе;
болотном газе;
рудничном газе;
горном воске.
Природные смеси трудно разделимы, поэтому есть синтетические метод.
Восстановление алкил-галогенидов. Реакция идет под действием катализатора.
Гидрирование. Реакция идет под действием катализатора (никеля, платины, палладия)
Гидролиз магний-органических соединений. Идет в присутствии серной кислоты.
Реакция Вюрца
Такая реакция сопровождается увеличением углеродной цепи в структурной формуле. Она часто используется для симметричных молекул, т.к. из нескольких исходных веществ получается смесь.
R-Cl + 2 Na + Cl-R’ → R-R’ + R-R + R’-R’ + 2 NaCl
Реакция Кольбе. Электролиз раствора солей и карбоновых кислот.
Синтез Фишера-Тропша. В промышленности из смеси угарного газа и водорода под воздействием температуры, катализатора и давления получают различные алканы.
Реакция Дюма. Декарбоксилирование – процесс отщепления молекулы углекислого газа из карбоксильной (-COOH) или карбоксилатной (-COOMe) группы.
Какие реакции характерны
Молекулы алканов обладают связями С–Н, которые больше всего подвержены атакам со стороны других частиц по сравнению с менее прочными связями С–С. Реакция алканов с хлором и бромом протекает при облучении светом или повышенной температуре.
Хлорирование метана на первой стадии приводит к образованию хлорметана:
Хлорметан взаимодействует с хлором. Далее реакция приводит к синтезу дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:
Высокая скорость и неизбирательность хлорирования объясняется тем, что хлор обладает большей химической активностью по сравнению с бромом. Если хлорированию подвергают алканы с углеродным скелетом, который содержит больше трех атомов углерода, то продукт реакции представляет собой смесь хлорпроизводных.
В качестве примера можно привести хлорирование пропана с образованием 1-хлорпропана и 2-хлорпропана:
Процесс бромирования протекает с меньшей скоростью и избирательно. Избирательность реакции заключается в том, что в первую очередь происходит замещение атома водорода у третичных атомов углерода. Затем замещается атом водорода у вторичных атомов углерода, в самую последнюю очередь — у первичных атомов.
Бромирование 2-метилпропана часто приводит к образованию 2-бром-2метилпропана:
Свободные радикалы — являются атомами иди группами атомов, которые содержат неспаренные электроны.
Реакции замещения в алканах можно описать с помощью свободнорадикального механизма (реакции радикального замещения):
Инициирование цепи. Когда на молекулу галогена воздействует свет или высокая температура, она распадается на два радикала (прочность связи в молекулах галогенов ниже, чем в алканах):
Развитие цепи. Взаимодействие радикала галогена с молекулой алкана приводит к отрыву от него атома водорода. Стадия сопровождается образованием промежуточной частицы в виде алкидного радикала, взаимодействующего с нераспавшейся молекулой хлора:
Обрыв цепи. При столкновении радикалов образуются молекулы, и процесс обрывается.
Алканы вступают в реакции нитрования. Химический процесс возможен при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой, согласно радикальному механизму, при нагреве до 140C и под давлением. Происходит замещение атома водорода в алкане нитрогруппой NO2. Реакция протекает избирательно.
Нитрование пропана с образованием преимущественно 2-нитропропана:
Алканы вступают в реакции разложения. В процессе дегидрирования используют катализаторы:
никель Ni;
платина Pt;
палладий Pd;
оксид хрома (III);
оксид железа (III);
оксид цинка.
Общая формула дегидрирования алканов:
В результате дегидрирования алканов, которые содержат от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, происходит разрыв связи С–Н у соседних атомов углерода, что приводит к образованию двойных и тройных связей.
Дегидрирование этана с образованием этилена или ацетилена:
В процессе дегидрирования бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2:
При нагреве бутана с оксидом хрома (III) с большой вероятностью образуется бутадиен-1,3:
Алканы, обладающие более длинным углеродным скелетом, которые включают от пяти атомов углерода в главной цепи, в процессе дегидрирования могут образовывать циклические углеводороды.
Пентан и его гомологи, в главной цепи которых пять атомов углерода, при нагреве над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи:
Дегидрирование алканов с углеродной цепью, которая включает шесть и более атомов углерода в главной цепи, приводит к формированию устойчивых шестиатомных циклов. При этом образуются циклогексан и его гомологи, которые в дальнейшем трансформируются в ароматические углеводороды.
При нагреве в присутствии оксида хрома (III) гексан может образовать циклогексан и потом бензол:
В процессе дегидрирования при наличии катализатора гептан образует метилциклогексан и далее толуол:
Медленный и продолжительный нагрев до 1000 приводит к разложению метана. В результате образуются простые вещества: При повышении температуры процесса можно наблюдать межмолекулярное дегидрирование и образование ацетилена:
Реакция крекинга представляет собой разложение алкана, который обладает длинной углеродной цепью. В результате образуются алканы с более короткой углеродной цепью и алкены. Если температура сильно повышается, отсутствует воздух, реакция представляет собой термический крекинг. В итоге образуется смесь из алканов и алкенов с неодинаковой углеродной цепью и разной молекулярной массой.
Крекинг н-пентана приводит к образованию смеси из этилена, пропана, метана, бутилена, пропилена, этана и других углеводородов:
Реализация процесса каталитического крекинга возможна при более низкой температуре и наличии катализаторов в виде цеолитов таких, как алюмосиликаты кальция и натрия. При этом можно наблюдать реакции изомеризации и дегидрирования.
Алканы представляют собой малополярные соединения, что объясняет отсутствие реакций окисления при стандартных условиях с использованием сильных окислителей, в том числе, перманганата калия, хромата или дихромата калия.
Горение алканов сопровождается выделением углекислого газа и воды, а также большого количества теплоты.
Общий вид уравнения сгорания алканов:
В результате горения алканов при нехватке кислорода образуется угарный газ СО или сажа С.
Алканы вступают в химические реакции каталитического окисления. Данный процесс активно применяется в промышленности.
Каталитическое окисление бутана с образованием уксусной кислоты:
В процессе каталитического окисления метана кислородом могут образоваться различные продукты в зависимости от условий проведения процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:
Окисление метана с помощью водяного пара при нагреве:
В присутствии катализатора и при повышенной температуре неразветвленные алканы с четырьмя и более атомами углерода в основной цепи трансформируются в более разветвленные алканы.
Превращение н-бутана под действием катализатора хлорида алюминия и при нагреве в изобутан:
-гибридизации.
