Alkana - definisi, struktur, sifat fizikal dan kimia. Alkana - tatanama, penyediaan, sifat kimia

15.10.2019

I. ALKANES (hidrokarbon tepu, parafin)

Alkana ialah hidrokarbon tepu alifatik (asiklik) di mana atom karbonnya dihubungkan bersama oleh ikatan ringkas (tunggal) dalam rantai lurus atau bercabang.

Alkana– nama hidrokarbon tepu oleh tatanama antarabangsa.
Parafin– nama yang ditubuhkan secara sejarah yang mencerminkan sifat sebatian ini (dari Lat. parrum affinis– mempunyai sedikit pertalian, aktiviti yang rendah).
Had, atau tepu, hidrokarbon ini dinamakan kerana ketepuan lengkap rantai karbon dengan atom hidrogen.

Wakil alkana yang paling mudah:

Apabila membandingkan sebatian ini, jelas bahawa mereka berbeza antara satu sama lain mengikut kumpulan -CH 2 - (metilena). Menambah kumpulan lain kepada propana -CH 2 -, kami mendapat butana C 4 H 10, kemudian alkana C 5 H 12, C 6 H 14 dan lain-lain.

Sekarang kita boleh memperoleh formula am alkana. Bilangan atom karbon dalam siri alkana diambil kira n , maka bilangan atom hidrogen ialah 2n+2 . Oleh itu, komposisi alkana sepadan dengan formula am C n H 2n+2.
Oleh itu, definisi berikut sering digunakan:

Alkana- hidrokarbon, komposisi yang dinyatakan formula am C n H 2n+2, Di mana n – bilangan atom karbon.

II. Struktur alkana

Struktur kimia(urutan sambungan atom dalam molekul) alkana termudah - metana, etana dan propana - ditunjukkan oleh formula strukturnya. Daripada formula ini jelas bahawa terdapat dua jenis ikatan kimia dalam alkana:
S–S Dan S–H.
Ikatan C–C ialah kovalen nonpolar. Ikatan C–H adalah kovalen, polar lemah, kerana karbon dan hidrogen adalah hampir dalam keelektronegatifan (2.5 untuk karbon dan 2.1 untuk hidrogen). Pembentukan ikatan kovalen dalam alkana disebabkan pasangan elektron bersama atom karbon dan hidrogen boleh ditunjukkan menggunakan formula elektronik:

Formula elektronik dan struktur mencerminkan struktur kimia, tetapi tidak memberi idea tentang struktur spatial molekul, yang memberi kesan ketara kepada sifat bahan tersebut.
Struktur ruang, iaitu susunan relatif atom-atom molekul di angkasa bergantung kepada arah orbital atom (AO) atom-atom ini. Dalam hidrokarbon, peranan utama dimainkan oleh orientasi spatial orbital atom karbon, kerana sfera 1s-AO atom hidrogen tidak mempunyai orientasi tertentu.
Susunan spatial karbon AO pula bergantung kepada jenis penghibridannya. Atom karbon tepu dalam alkana terikat kepada empat atom lain. Oleh itu, keadaannya sepadan dengan penghibridan sp 3. Dalam kes ini, setiap satu daripada empat AO karbon sp 3 -hibrid mengambil bahagian dalam pertindihan paksi (σ-) dengan s-AO hidrogen atau dengan sp 3 -AO atom karbon lain, membentuk ikatan σ-CH atau C-C.

Empat ikatan σ karbon diarahkan di ruang angkasa pada sudut 109 kira-kira 28", yang sepadan dengan penolakan elektron yang paling sedikit. Oleh itu, molekul wakil alkana yang paling mudah - metana CH4 - mempunyai bentuk tetrahedron, di tengahnya terdapat atom karbon, dan di puncaknya terdapat atom hidrogen:

Valence sudut N-S-N bersamaan dengan 109 o 28". Struktur spatial metana boleh ditunjukkan menggunakan model volumetrik (skala) dan bola dan kayu.

Untuk rakaman, adalah mudah untuk menggunakan formula spatial (stereokimia).

Dalam molekul homolog seterusnya - etana C 2 H 6 - dua tetrahedral sp 3 atom karbon membentuk struktur ruang yang lebih kompleks:

2. Jika dalam molekul dengan komposisi yang sama dan struktur kimia yang sama kedudukan relatif atom yang berbeza di angkasa mungkin, maka kita perhatikan isomerisme ruang (stereoisomerisme). Dalam kes ini, penggunaan formula struktur tidak mencukupi dan model molekul atau formula khas - stereokimia (spatial) atau unjuran - harus digunakan.
Alkana, bermula dengan etana H 3 C–CH 3, wujud dalam pelbagai bentuk ruang ( konformasi), disebabkan oleh putaran intramolekul sepanjang ikatan C–C σ, dan mempamerkan apa yang dipanggil isomerisme putaran (konformasi)..
Isomer putaran molekul ialah keadaannya yang tidak sama rata. Interconversion mereka berlaku dengan cepat dan berterusan akibat pergerakan haba. Oleh itu, isomer berputar tidak boleh diasingkan bentuk individu, tetapi kewujudan mereka telah dibuktikan dengan kaedah fizikal. Sesetengah konformasi adalah lebih stabil (bertenaga menguntungkan) dan molekul kekal dalam keadaan sedemikian untuk masa yang lebih lama.

3. Di samping itu, jika molekul mengandungi atom karbon yang terikat kepada 4 substituen berbeza, satu lagi jenis isomerisme spatial adalah mungkin -isomerisme optik.
Sebagai contoh:

maka kewujudan dua sebatian dengan formula struktur yang sama, tetapi berbeza dalam struktur spatial, adalah mungkin. Molekul sebatian tersebut berhubung antara satu sama lain sebagai objek dan imej cerminnya dan merupakan isomer ruang.
Jenis isomerisme ini dipanggil optik; isomer dipanggil isomer optik atau antipod optik:

Molekul isomer optik tidak serasi dalam ruang (kedua-dua kiri dan tangan kanan), mereka tidak mempunyai satah simetri.
Oleh itu,
Isomer optik mempunyai fizikal yang sama dan Sifat kimia, tetapi berbeza dalam sikap mereka terhadap cahaya terkutub. Isomer sedemikian mempunyai aktiviti optik (salah satu daripadanya memutar satah cahaya terpolarisasi ke kiri, dan satu lagi dengan sudut yang sama ke kanan). Perbezaan dalam sifat kimia diperhatikan hanya dalam tindak balas dengan reagen aktif optik.
Isomeri optik muncul dalam bahan organik pelbagai kelas dan bermain sangat peranan penting dalam kimia sebatian semula jadi.

Struktur alkana

Struktur kimia (urutan sambungan atom dalam molekul) alkana termudah - metana, etana dan propana - ditunjukkan oleh formula strukturnya yang diberikan dalam bahagian 2. Daripada formula ini jelas bahawa terdapat dua jenis ikatan kimia dalam alkana:

S–S dan S–N.

Ikatan C–C ialah kovalen nonpolar. Ikatan C–H adalah kovalen, polar lemah, kerana karbon dan hidrogen adalah hampir dalam keelektronegatifan (2.5 untuk karbon dan 2.1 untuk hidrogen). Pembentukan ikatan kovalen dalam alkana disebabkan pasangan elektron bersama atom karbon dan hidrogen boleh ditunjukkan menggunakan formula elektronik:

Formula elektronik dan struktur mencerminkan struktur kimia, tetapi tidak memberi gambaran tentang struktur spatial molekul, yang mempengaruhi sifat bahan dengan ketara.

Struktur ruang, i.e. susunan relatif atom-atom molekul di angkasa bergantung kepada arah orbital atom (AO) atom-atom ini. Dalam hidrokarbon, peranan utama dimainkan oleh orientasi spatial orbital atom karbon, kerana sfera 1s-AO atom hidrogen tidak mempunyai orientasi tertentu.

Susunan spatial karbon AO pula bergantung kepada jenis penghibridannya (Bahagian I, Bahagian 4.3). Atom karbon tepu dalam alkana terikat kepada empat atom lain. Oleh itu, keadaannya sepadan dengan penghibridan sp3 (Bahagian I, bahagian 4.3.1). Dalam kes ini, setiap satu daripada empat AO karbon sp3-hibrid mengambil bahagian dalam pertindihan paksi (σ-) dengan s-AO hidrogen atau dengan sp3-AO atom karbon lain, membentuk ikatan σ-CH atau C-C.

Empat ikatan σ karbon diarahkan ke ruang angkasa pada sudut 109°28", yang sepadan dengan penolakan elektron yang paling sedikit. Oleh itu, molekul wakil alkana yang paling mudah - metana CH4 - mempunyai bentuk tetrahedron, di tengahnya terdapat atom karbon, dan di puncaknya terdapat atom hidrogen:

Sudut ikatan N-C-H adalah sama 109о28". Struktur spatial metana boleh ditunjukkan menggunakan model volumetrik (skala) dan bola dan kayu.

Untuk rakaman, adalah mudah untuk menggunakan formula spatial (stereokimia).

Dalam molekul homolog seterusnya, etana C2H6, dua atom karbon sp3 tetrahedral membentuk struktur spatial yang lebih kompleks:

Molekul alkana yang mengandungi lebih daripada 2 atom karbon dicirikan oleh bentuk melengkung. Ini boleh ditunjukkan menggunakan contoh n-butana (model VRML) atau n-pentana:

Isomerisme alkana

Isomerisme ialah fenomena kewujudan sebatian yang mempunyai komposisi yang sama (sama formula molekul), tetapi struktur berbeza. Sambungan sedemikian dipanggil isomer.

Perbezaan dalam susunan atom digabungkan dalam molekul (iaitu, struktur kimia) membawa kepada isomerisme struktur. Struktur isomer struktur dicerminkan oleh formula struktur. Dalam siri alkana, isomerisme struktur menunjukkan dirinya apabila rantai mengandungi 4 atau lebih atom karbon, i.e. bermula dengan butana C 4 H 10. Jika dalam molekul dengan komposisi yang sama dan struktur kimia yang sama kedudukan relatif atom yang berbeza di angkasa mungkin, maka kita perhatikan isomerisme ruang (stereoisomerisme). Dalam kes ini, penggunaan formula struktur tidak mencukupi dan model molekul atau formula khas - stereokimia (spatial) atau unjuran - harus digunakan.

Alkana, bermula dengan etana H 3 C–CH 3, wujud dalam pelbagai bentuk ruang ( konformasi), disebabkan oleh putaran intramolekul sepanjang ikatan C–C σ, dan mempamerkan apa yang dipanggil isomerisme putaran (konformasi)..

Di samping itu, jika molekul mengandungi atom karbon yang terikat kepada 4 substituen berbeza, satu lagi jenis isomerisme spatial adalah mungkin, apabila dua stereoisomer berhubung antara satu sama lain sebagai objek dan imej cerminnya (serupa dengan cara Tangan kiri merujuk kepada yang betul). Perbezaan seperti itu dalam struktur molekul dipanggil isomerisme optik.

. Isomerisme struktur alkana

Isomer struktur ialah sebatian daripada komposisi yang sama yang berbeza mengikut susunan ikatan atom, i.e. struktur kimia molekul.

Sebab bagi manifestasi isomerisme struktur dalam siri alkana adalah keupayaan atom karbon untuk membentuk rantai struktur yang berbeza. Jenis isomerisme struktur ini dipanggil isomerisme rangka karbon.

Sebagai contoh, alkana komposisi C 4 H 10 boleh wujud dalam bentuk dua isomer struktur:

dan alkana C 5 H 12 - dalam bentuk tiga isomer struktur, berbeza dalam struktur rantai karbon:

Dengan peningkatan bilangan atom karbon dalam molekul, kemungkinan untuk bercabang rantai meningkat, i.e. bilangan isomer bertambah dengan bilangan atom karbon.

Isomer struktur berbeza dalam sifat fizikal. Alkana dengan struktur bercabang, disebabkan oleh pembungkusan molekul yang kurang padat dan, oleh itu, interaksi antara molekul yang lebih kecil, mendidih pada suhu yang lebih rendah daripada isomer tidak bercabangnya.

Teknik untuk membina formula struktur isomer

Mari kita lihat contoh alkana DENGAN 6 N 14 .

1. Pertama, kita menggambarkan molekul isomer linear (rangka karbonnya)

2. Kemudian kita memendekkan rantai dengan 1 atom karbon dan melampirkan atom ini pada mana-mana atom karbon rantai sebagai cawangan daripadanya, tidak termasuk kedudukan yang melampau:

Jika anda melekatkan atom karbon pada salah satu kedudukan yang melampau, struktur kimia rantai tidak berubah:

Di samping itu, anda perlu memastikan bahawa tiada pengulangan. Oleh itu, struktur adalah sama dengan struktur (2).

3. Apabila semua kedudukan rantai utama telah habis, kami memendekkan rantai dengan 1 atom karbon yang lain:

Sekarang akan ada 2 atom karbon di cawangan sisi. Gabungan atom berikut boleh didapati di sini:

Substituen sisi boleh terdiri daripada 2 atau lebih atom karbon yang disambungkan secara bersiri, tetapi untuk heksana tiada isomer dengan cawangan sisi sedemikian, dan strukturnya adalah sama dengan struktur (3).

Substituen sisi - C-C hanya boleh diletakkan dalam rantai yang mengandungi sekurang-kurangnya 5 atom karbon dan hanya boleh dilekatkan pada atom ke-3 dan seterusnya dari hujung rantai.

4. Selepas membina rangka karbon isomer, adalah perlu untuk menambah semua atom karbon dalam molekul dengan ikatan hidrogen, memandangkan karbon adalah tetravalen.

Jadi, komposisi DENGAN 6 N 14 sepadan dengan 5 isomer: 1) 2) 3)4)5)

Nomenklatur

Nomenklatur sebatian organik ialah sistem peraturan yang membolehkan kita memberikan nama yang tidak jelas kepada setiap bahan individu.

Ini adalah bahasa kimia, yang digunakan untuk menyampaikan maklumat tentang strukturnya dalam nama sebatian. Sebatian struktur tertentu sepadan dengan satu nama sistematik, dan dengan nama ini seseorang boleh membayangkan struktur sebatian (formula strukturnya).

Pada masa ini, tatanama sistematik IUPAC diterima umum. Kesatuan Antarabangsa Kimia Tulen dan Gunaan– Kesatuan Antarabangsa Kimia Tulen dan Gunaan).

Bersama-sama dengan nama sistematik, nama remeh (biasa) juga digunakan, yang dikaitkan dengan sifat ciri bahan, kaedah penyediaannya, sumber semula jadi, kawasan aplikasi, dll, tetapi tidak mencerminkan strukturnya.

Untuk menggunakan tatanama IUPAC, anda perlu mengetahui nama dan struktur serpihan molekul tertentu - radikal organik.

Istilah "radikal organik" adalah konsep struktur dan tidak boleh dikelirukan dengan istilah "radikal bebas", yang mencirikan atom atau kumpulan atom dengan elektron yang tidak berpasangan.

Radikal dalam siri alkana

Jika satu atom hidrogen "ditolak" daripada molekul alkana, "sisa" monovalen terbentuk - radikal hidrokarbon ( R – ). Nama umum bagi radikal alkana monovalen ialah alkil – dibentuk dengan menggantikan akhiran - en pada - kelodak : metana – metil, etana – etil, propana – meminumnya pada minuman dan lain-lain.

Radikal monovalen dinyatakan dengan formula umum DENGAN n N 2n+1 .

Radikal divalen diperoleh dengan mengeluarkan 2 atom hidrogen daripada molekul. Sebagai contoh, daripada metana anda boleh membentuk radikal divalen –CH 2 – metilena. Nama-nama radikal tersebut menggunakan akhiran - Ilen.

Nama-nama radikal, terutamanya yang monovalen, digunakan dalam pembentukan nama-nama alkana bercabang dan sebatian lain. Radikal sedemikian boleh dianggap sebagai komponen molekul, butiran strukturnya. Untuk memberi nama kepada sebatian, adalah perlu untuk membayangkan "bahagian" - radikal - molekulnya terdiri daripada.

Metana CH 4 sepadan dengan satu radikal monovalen metil CH 3 .

Daripada etana DENGAN 2 N 6 ia juga mungkin untuk menghasilkan hanya satu radikal - etil  CH 2  CH 3 (atau - C 2 H 5 ).

propana CH 3 –CH 2 –CH 3 sepadan dengan dua radikal isomer  DENGAN 3 N 7 :

Radikal terbahagi kepada utama, menengah Dan tertiari bergantung kepada apa atom karbon(utama, menengah atau tertiari) ialah valensi bebas. Atas dasar ini n-propil tergolong dalam radikal utama, dan isopropil– kepada yang menengah.

Dua alkana C 4 H 10 ( n-butana dan isobutana) sepadan dengan 4 radikal monovalen -DENGAN 4 N 9 :

daripada n-butana dihasilkan n-butil(radikal utama) dan sec-butil(radikal sekunder), - daripada isobutana - isobutil(radikal utama) dan tert-butil(radikal tertier).

Oleh itu, fenomena isomerisme juga diperhatikan dalam siri radikal, tetapi bilangan isomer lebih besar daripada alkana yang sepadan.

Pembinaan molekul alkana daripada radikal

Sebagai contoh, molekul

boleh "dipasang" dalam tiga cara daripada pasangan radikal monovalen yang berbeza:

Pendekatan ini digunakan dalam beberapa sintesis sebatian organik, contohnya:

di mana R– radikal hidrokarbon monovalen (tindak balas Wurtz).

Peraturan untuk membina nama alkana mengikut tatanama antarabangsa sistematik IUPAC

Untuk alkana termudah (C 1 -C 4), nama remeh diterima: metana, etana, propana, butana, isobutana.

Bermula dari homolog kelima, nama biasa alkana (tidak bercabang) dibina mengikut bilangan atom karbon, menggunakan angka Yunani dan akhiran -an: pentana, heksana, heptana, oktana, nonana, dekana dan Selanjutnya...

Di tengah-tengah nama bercabang alkana ialah nama alkana biasa yang termasuk dalam strukturnya dengan rantai karbon terpanjang. Dalam kes ini, hidrokarbon rantaian bercabang dianggap sebagai produk penggantian atom hidrogen dalam alkana normal oleh radikal hidrokarbon.

Contohnya, alkana

dianggap sebagai pengganti pentana, di mana dua atom hidrogen digantikan oleh radikal –CH 3 (metil).

Urutan di mana nama alkana bercabang dibina

Pilih rantai karbon utama dalam molekul. Pertama, ia mestilah yang paling lama. Kedua, jika terdapat dua atau lebih rantai yang sama panjang, maka yang paling bercabang dipilih. Sebagai contoh, dalam molekul terdapat 2 rantai dengan nombor (7) atom C yang sama (diserlahkan dalam warna):

Dalam kes (a) rantai mempunyai 1 substituen, dan dalam (b) - 2. Oleh itu, anda harus memilih pilihan (b).

Nomborkan atom karbon dalam rantai utama supaya atom C yang dikaitkan dengan substituen menerima nombor terendah yang mungkin. Oleh itu, penomboran bermula dari hujung rantai yang paling hampir dengan cawangan. Sebagai contoh:

Namakan semua radikal (substituen), menunjukkan di hadapan nombor yang menunjukkan lokasi mereka dalam rantai utama. Sekiranya terdapat beberapa substituen yang sama, maka bagi setiap daripada mereka nombor (lokasi) ditulis dipisahkan dengan koma, dan nombor mereka ditunjukkan oleh awalan di-, tiga-, tetra-, penta- dan lain-lain. (Sebagai contoh, 2,2-dimetil atau 2,3,3,5-tetrametil).

Letakkan nama semua substituen dalam susunan abjad (seperti yang ditetapkan oleh peraturan IUPAC terkini).

Namakan rantai utama atom karbon, i.e. alkana normal yang sepadan.

Oleh itu, atas nama alkana bercabang

akar+akhiran – nama alkana biasa (bahasa Yunani angka + akhiran "an"), awalan – nombor dan nama radikal hidrokarbon.

Contoh pembinaan tajuk:

Sifat kimia alkana

Sifat kimia mana-mana sebatian ditentukan oleh strukturnya, i.e. sifat atom yang termasuk dalam komposisinya dan sifat ikatan antara mereka.

Berdasarkan kedudukan ini dan data rujukan pada ikatan C–C dan C–H, mari kita cuba meramalkan tindak balas yang menjadi ciri alkana.

Pertama, ketepuan ekstrem alkana tidak membenarkan tindak balas penambahan, tetapi tidak menghalang penguraian, pengisomeran dan tindak balas penggantian (lihat. Bahagian I, Bahagian 6.4 "Jenis Tindak Balas" ). Kedua, simetri ikatan kovalen C–C nonpolar dan lemah kutub C–H (lihat jadual untuk nilai momen dipol) mencadangkan pembelahan homolitik (simetri) mereka menjadi radikal bebas ( Bahagian I, Bahagian 6.4.3 ). Oleh itu, tindak balas alkana dicirikan oleh mekanisme radikal. Oleh kerana pembelahan heterolitik ikatan C-C dan C-H tidak berlaku dalam keadaan normal, alkana secara praktikalnya tidak memasuki tindak balas ionik. Ini ditunjukkan dalam ketahanan mereka terhadap tindakan reagen kutub (asid, alkali, agen pengoksida ionik: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, dll.). Kelengangan alkana dalam tindak balas ionik ini sebelum ini menjadi asas untuk menganggapnya sebagai bahan tidak aktif dan memanggilnya parafin. Pengalaman video"Hubungan metana dengan larutan kalium permanganat dan air bromin." Jadi, alkana mempamerkan kereaktifannya terutamanya dalam tindak balas radikal.

Keadaan untuk tindak balas sedemikian: suhu tinggi (selalunya tindak balas dijalankan dalam fasa gas), pendedahan kepada cahaya atau sinaran radioaktif, kehadiran sebatian yang merupakan sumber radikal bebas (pemula), pelarut bukan kutub.

Bergantung pada ikatan dalam molekul yang dipecahkan dahulu, tindak balas alkana dibahagikan kepada jenis berikut. Apabila ikatan C-C dipecahkan, tindak balas berlaku penguraian(rekahan alkana) dan pengisomeran rangka karbon. Tindak balas boleh berlaku pada ikatan C–H penggantian atom hidrogen ataunya berpisah(penyahhidrogenan alkana). Di samping itu, atom karbon dalam alkana berada dalam bentuk yang paling berkurangan (keadaan pengoksidaan karbon, contohnya, dalam metana ialah –4, dalam etana –3, dsb.) dan dengan kehadiran agen pengoksidaan, tindak balas akan berlaku di bawah syarat-syarat tertentu pengoksidaan alkana yang melibatkan ikatan C–C dan C–H.

Keretakan alkana

Keretakan adalah proses penguraian terma hidrokarbon, yang berdasarkan tindak balas pemisahan rantai karbon molekul besar dengan pembentukan sebatian dengan rantai yang lebih pendek.

Keretakan alkana adalah asas penapisan minyak untuk mendapatkan produk dengan berat molekul yang lebih rendah, yang digunakan sebagai bahan api motor, minyak pelincir, dll., serta bahan mentah untuk industri kimia dan petrokimia. Terdapat dua cara untuk menjalankan proses ini: keretakan haba(apabila dipanaskan tanpa akses udara) dan rekahan pemangkin(pemanasan lebih sederhana dengan kehadiran mangkin).

Keretakan haba. Pada suhu 450–700 o C, alkana terurai disebabkan oleh pembelahan ikatan C–C (ikatan C–H yang lebih kuat dikekalkan pada suhu ini) dan alkana dan alkena dengan bilangan atom karbon yang lebih kecil terbentuk.

Sebagai contoh:

C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8

Pemecahan ikatan berlaku secara homolitik dengan pembentukan radikal bebas:

Radikal bebas sangat aktif. Salah satu daripadanya (contohnya, etil) mengabstraksi hidrogen atom N daripada yang lain ( n-butil) dan bertukar menjadi alkana (etana). Radikal lain, setelah menjadi divalen, bertukar menjadi alkena (butena-1) disebabkan oleh pembentukan ikatan π apabila dua elektron dipasangkan daripada atom-atom jiran:

Animasi(kerja oleh Alexey Litvishko, pelajar gred 9 di sekolah No. 124 di Samara)

Pembelahan ikatan C-C adalah mungkin di mana-mana lokasi rawak dalam molekul. Oleh itu, campuran alkana dan alkena terbentuk dengan berat molekul lebih rendah daripada alkana asal.

Secara umum, proses ini boleh dinyatakan melalui rajah berikut:

C n H 2n+2 C m H 2m +C hlm H 2p+2 , di mana m + p = n

Pada suhu yang lebih tinggi (lebih 1000C), bukan sahaja ikatan C–C pecah, tetapi juga ikatan C–H yang lebih kuat. Sebagai contoh, keretakan haba metana digunakan untuk menghasilkan jelaga (karbon tulen) dan hidrogen:

CH 4 C+2H 2

Keretakan haba telah ditemui oleh seorang jurutera Rusia V.G. Shukhov pada tahun 1891

Keretakan katalitik dijalankan dengan kehadiran pemangkin (biasanya aluminium dan silikon oksida) pada suhu 500°C dan tekanan atmosfera. Dalam kes ini, bersama-sama dengan pecah molekul, tindak balas isomerisasi dan dehidrogenasi berlaku. Contoh: keretakan oktana(kerja oleh Alexey Litvishko, pelajar gred 9 di sekolah No. 124 di Samara). Apabila alkana dinyahhidrogenkan, hidrokarbon kitaran terbentuk (tindak balas dehydrocyclization, bahagian 2.5.3). Kehadiran hidrokarbon bercabang dan kitaran dalam petrol meningkatkan kualitinya (rintangan ketukan, dinyatakan dengan nombor oktana). Proses retak menghasilkan sejumlah besar gas, yang mengandungi terutamanya hidrokarbon tepu dan tak tepu. Gas-gas ini digunakan sebagai bahan mentah untuk industri kimia. Kerja asas pada keretakan katalitik dengan kehadiran aluminium klorida telah dijalankan N.D. Zelinsky.

Pengisomeran alkana

Alkana struktur normal di bawah pengaruh mangkin dan apabila dipanaskan mampu berubah menjadi alkana bercabang tanpa mengubah komposisi molekul, i.e. masuk ke dalam tindak balas isomerisasi. Tindak balas ini melibatkan alkana yang molekulnya mengandungi sekurang-kurangnya 4 atom karbon.

Sebagai contoh, pengisomeran n-pentana kepada isopentana (2-metilbutana) berlaku pada 100°C dengan kehadiran mangkin aluminium klorida:

Bahan permulaan dan hasil tindak balas pengisomeran mempunyai formula molekul yang sama dan merupakan isomer struktur (isomerisme rangka karbon).

Penyahhidrogenan alkana

Apabila alkana dipanaskan dengan kehadiran pemangkin (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO), pemangkinnya penyahhidrogenan– pengabstrakan atom hidrogen akibat pecah Ikatan C-H.

Struktur produk penyahhidrogenan bergantung kepada keadaan tindak balas dan panjang rantai utama dalam molekul alkana permulaan.

1. Alkana rendah yang mengandungi daripada 2 hingga 4 atom karbon dalam rantai, apabila dipanaskan di atas mangkin Ni, keluarkan hidrogen daripada jiran atom karbon dan bertukar menjadi alkena:

Bersama dengan butena-2 tindak balas ini menghasilkan butena-1 CH 2 =CH-CH 2 -CH 3. Dengan kehadiran mangkin Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 pada 450-650 °C dari n-butana juga diperolehi butadiena-1,3 CH 2 =CH-CH=CH 2.

2. Alkana yang mengandungi lebih daripada 4 atom karbon dalam rantai utama digunakan untuk mendapatkan kitaran sambungan. Ini berlaku dehydrocyclization– tindak balas dehidrogenasi, yang membawa kepada penutupan rantai ke dalam kitaran yang stabil.

Jika rantai utama molekul alkana mengandungi 5 (tetapi tidak lebih) atom karbon ( n-pentana dan derivatif alkilnya), kemudian apabila dipanaskan di atas mangkin Pt, atom hidrogen dipisahkan daripada atom terminal rantai karbon, dan kitaran lima anggota terbentuk (siklopentana atau terbitannya):

Alkana dengan rantai utama 6 atau lebih atom karbon juga mengalami penyahhidrocyclization, tetapi sentiasa membentuk cincin 6 anggota (sikloheksana dan terbitannya). Di bawah keadaan tindak balas, kitaran ini mengalami penyahhidrogenan selanjutnya dan bertukar menjadi cincin benzena yang lebih bertenaga daripada hidrokarbon aromatik (arena). Sebagai contoh:

Tindak balas ini mendasari proses pembaharuan– pemprosesan produk petroleum untuk mendapatkan arena ( aromatisasi hidrokarbon tepu) dan hidrogen. Transformasi n- alkana dalam arena membawa kepada peningkatan dalam rintangan letupan petrol.

3. Pada 1500 С berlaku dehidrogenasi antara molekul metana mengikut skema:

Tindak balas ini ( pirolisis metana ) digunakan untuk pengeluaran industri asetilena.

Tindak balas pengoksidaan alkana

Dalam kimia organik, tindak balas pengoksidaan dan pengurangan dianggap sebagai tindak balas yang melibatkan kehilangan dan pemerolehan atom hidrogen dan oksigen oleh sebatian organik. Proses ini secara semula jadi disertai dengan perubahan dalam keadaan pengoksidaan atom ( Bahagian I, Bahagian 6.4.1.6 ).

Pengoksidaan bahan organik ialah pengenalan oksigen ke dalam komposisinya dan (atau) penyingkiran hidrogen. Pengurangan ialah proses terbalik (pengenalan hidrogen dan penyingkiran oksigen). Memandangkan komposisi alkana (C n H 2n + 2), kita boleh membuat kesimpulan bahawa mereka tidak berupaya untuk mengambil bahagian dalam tindak balas pengurangan, tetapi boleh mengambil bahagian dalam tindak balas pengoksidaan.

Alkana ialah sebatian dengan keadaan pengoksidaan rendah karbon, dan bergantung kepada keadaan tindak balas, ia boleh dioksidakan untuk membentuk pelbagai sebatian.

Pada suhu biasa, alkana tidak bertindak balas walaupun dengan agen pengoksidaan yang kuat (H 2 Cr 2 O 7, KMnO 4, dll.). Apabila dimasukkan ke dalam api terbuka, alkana terbakar. Dalam kes ini, dalam lebihan oksigen, mereka teroksida sepenuhnya kepada CO 2, di mana karbon mempunyai keadaan pengoksidaan tertinggi +4, dan air. Pembakaran hidrokarbon membawa kepada pecahnya semua Sambungan C-C dan C-H dan disertai dengan pembebasan sejumlah besar haba (tindak balas eksotermik).

Homolog yang lebih rendah (gas) - metana, etana, propana, butana - mudah terbakar dan membentuk campuran letupan dengan udara, yang mesti diambil kira apabila menggunakannya. Apabila berat molekul bertambah, alkana lebih sukar untuk dinyalakan. Pengalaman video"Letupan campuran metana dan oksigen." Pengalaman video"Pembakaran alkana cecair". Pengalaman video"Pembakaran parafin."

Proses pembakaran hidrokarbon digunakan secara meluas untuk menghasilkan tenaga (dalam enjin pembakaran dalaman, loji kuasa haba, dll.).

Persamaan untuk tindak balas pembakaran alkana dalam bentuk umum:

Daripada persamaan ini ia mengikuti bahawa dengan peningkatan bilangan atom karbon ( n) dalam alkana, jumlah oksigen yang diperlukan untuk pengoksidaan lengkapnya meningkat. Apabila membakar alkana yang lebih tinggi ( n>>1) oksigen yang terkandung dalam udara mungkin tidak mencukupi untuk pengoksidaan lengkapnya kepada CO 2 . Kemudian produk pengoksidaan separa terbentuk: karbon monoksida CO (keadaan pengoksidaan karbon +2), jelaga(karbon halus, keadaan pengoksidaan sifar). Oleh itu, alkana yang lebih tinggi terbakar di udara dengan nyalaan berasap, dan karbon monoksida toksik yang dilepaskan di sepanjang jalan (tidak berbau dan tidak berwarna) menimbulkan bahaya kepada manusia.

Sifat kimia. Ciri-ciri fizikal alkana

Sifat fizikal alkana

Dalam keadaan biasa, empat ahli pertama siri homolog alkana (C 1 - C 4) adalah gas. Alkana normal daripada pentana kepada heptadekana (C 5 - C 17) adalah cecair, bermula dari C 18 dan ke atas adalah pepejal. Apabila bilangan atom karbon dalam rantai bertambah, i.e. Apabila berat molekul relatif bertambah, takat didih dan lebur alkana meningkat.

Pada nombor yang sama daripada atom karbon dalam molekul, alkana dengan struktur bercabang mempunyai lebih banyak suhu rendah takat didih daripada alkana biasa.

Alkana boleh dikatakan tidak larut dalam air, kerana molekul mereka adalah kutub rendah dan tidak berinteraksi dengan molekul air. Alkana cecair mudah bercampur antara satu sama lain. Mereka larut dengan baik dalam non-polar pelarut organik, seperti benzena, karbon tetraklorida, dsb.

Struktur

Molekul alkana yang paling mudah - metana - mempunyai bentuk tetrahedron biasa, di tengahnya terdapat atom karbon, dan di bucunya terdapat atom hidrogen. Sudut antara paksi ikatan C-H ialah 109°28" (Rajah 29).

Dalam molekul hidrokarbon tepu lain, sudut antara ikatan (kedua-dua C-H dan C-C) mempunyai makna yang sama. Untuk menerangkan bentuk molekul digunakan konsep hibridisasi orbital atom(lihat Bahagian I, §6).

Dalam alkana, semua atom karbon berada dalam keadaan sp 3 - penghibridan (Rajah 30).

Oleh itu, atom karbon dalam rantai karbon tidak berada dalam garis lurus. Jarak antara atom karbon jiran (antara nukleus atom) ditetapkan dengan ketat - ini panjang ikatan kimia(0.154 nm). Jarak C 1 - C 3, C 2 - C 4, dsb. (melalui satu atom) juga tetap, kerana sudut antara ikatan adalah malar - sudut ikatan.

Jarak antara atom karbon yang lebih jauh boleh berubah (dalam had tertentu) akibat putaran di sekeliling ikatan-s. Putaran ini tidak mengganggu pertindihan orbital yang membentuk ikatan-s, kerana ikatan ini mempunyai simetri paksi.

Bentuk spatial yang berbeza bagi satu molekul yang dibentuk oleh putaran kumpulan atom di sekeliling ikatan s dipanggil konformasi(Gamb. 31).

Konformasi berbeza dalam tenaga, tetapi perbezaan ini kecil (12-15 kJ/mol). Konformasi alkana di mana atom terletak sejauh mungkin adalah lebih stabil (tolakan kulit elektron). Peralihan dari satu konformasi kepada yang lain dilakukan kerana tenaga gerakan terma. Untuk menggambarkan konformasi, formula spatial khas (formula Newman) digunakan.

Jangan keliru!

Adalah perlu untuk membezakan antara konformasi dan konfigurasi konsep.

Konformasi yang berbeza boleh berubah menjadi satu sama lain tanpa memutuskan ikatan kimia. Untuk mengubah molekul dengan satu konfigurasi kepada molekul dengan konfigurasi lain memerlukan pemecahan ikatan kimia.

Daripada empat jenis isomerisme Alkana dicirikan oleh dua: isomerisme rangka karbon dan isomerisme optik (lihat bahagian

Ikatan kimia dalam alkana, pemecahan dan pembentukannya menentukan sifat kimia alkana. Ikatan C-C dan C-H adalah kovalen, ringkas (ikatan-s), boleh dikatakan tidak polar, agak kuat, oleh itu:

1) alkana paling kerap memasuki tindak balas yang melibatkan pembelahan ikatan hemolitik;

2) berbanding dengan sebatian organik kelas alkana lain mempunyai kereaktifan rendah (untuk ini ia dipanggil parafin- "tiada harta"). Oleh itu, alkana tahan terhadap tindakan larutan akueus asid, alkali dan agen pengoksida (contohnya, kalium permanganat) walaupun direbus.

Alkana tidak bertindak balas dengan penambahan molekul lain kepada mereka, kerana Alkana tidak mempunyai banyak ikatan dalam molekulnya.

Alkana mengalami penguraian di bawah pemanasan kuat dengan kehadiran pemangkin dalam bentuk platinum atau nikel, dan hidrogen disingkirkan daripada alkana.

Alkana boleh mengalami tindak balas pengisomeran. Reaksi tipikal mereka ialah tindak balas penggantian, meneruskan melalui mekanisme radikal.

Sifat kimia

Tindak balas anjakan radikal

Sebagai contoh, pertimbangkan interaksi alkana dengan halogen. Fluorin bertindak balas dengan sangat kuat (biasanya dengan letupan) - dalam kes ini, semua ikatan C-H dan C-C dipecahkan, dan akibatnya, sebatian CF 4 dan HF terbentuk. Tindak balas tidak mempunyai kepentingan praktikal. Iodin tidak berinteraksi dengan alkana. Tindak balas dengan klorin atau bromin berlaku sama ada dengan cahaya atau dengan haba yang kuat; dalam kes ini, pembentukan alkana tersubstitusi mono- kepada polihalogen berlaku, sebagai contoh:

CH 3 -CH 3 +Cl 2 ® hv CH 3 -CH 2 -Cl+HCl

Pembentukan derivatif halogen metana berlaku melalui rantai radikal bebas mekanisme. Di bawah pengaruh cahaya, molekul klorin terurai menjadi radikal tak organik:

Radikal tak organik Cl. mengabstrakkan atom hidrogen dengan satu elektron daripada molekul metana, membentuk HC1 dan radikal bebas CH3

Radikal bebas berinteraksi dengan molekul klorin Cl 2, membentuk derivatif halogen dan radikal klorin.

Tindak balas pengoksidaan bermula dengan pengabstrakan atom hidrogen oleh molekul oksigen (yang merupakan diradikal) dan kemudian diteruskan sebagai tindak balas rantai bercabang. Bilangan radikal bertambah semasa tindak balas. Proses itu disertai

menonjolkan Kuantiti yang besar haba, bukan sahaja ikatan C-H dipecahkan, tetapi juga ikatan C-C, supaya karbon monoksida (IV) dan air terbentuk sebagai hasilnya. Tindak balas boleh berlaku sebagai pembakaran atau membawa kepada letupan.

2С n Н2 n+2 +(3n+1)О 2 ®2nСО 2 +(2n+2)Н 2 O

Pada suhu biasa, tindak balas pengoksidaan tidak berlaku; ia boleh dimulakan sama ada dengan penyalaan atau dengan nyahcas elektrik.

Dengan pemanasan yang kuat (lebih 1000°C), alkana terurai sepenuhnya kepada karbon dan hidrogen. Tindak balas ini dipanggil pirolisis.

CH 4 ® 1200° C+2H 2

Dengan pengoksidaan ringan alkana, khususnya metana, dengan oksigen atmosfera dengan kehadiran pelbagai pemangkin, metil alkohol, formaldehid, dan asid formik boleh diperolehi.

Jika metana disalurkan melalui zon yang dipanaskan dengan cepat dan kemudian segera disejukkan dengan air, hasilnya ialah asetilena.

Tindak balas ini adalah asas kepada sintesis industri yang dipanggil retak(penguraian tidak lengkap) metana.

Pemecahan homolog metana dilakukan pada suhu yang lebih rendah (kira-kira 600°C). Sebagai contoh, keretakan propana merangkumi peringkat berikut:

Jadi, keretakan alkana membawa kepada pembentukan campuran alkana dan alkena dengan berat molekul yang lebih rendah.

Pemanasan alkana kepada 300-350°C (retak belum berlaku) dengan kehadiran mangkin (Pt atau Ni) membawa kepada penyahhidrogenan- penyingkiran hidrogen.

Apabila asid nitrik cair bertindak ke atas alkana pada 140°C dan tekanan rendah, tindak balas radikal berlaku:

CH 3 -CH 3 + HNO 3 ®CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O Pengisomeran

Dalam keadaan tertentu, alkana biasa boleh berubah menjadi alkana rantai bercabang.

Penyediaan alkana

Mari kita pertimbangkan penghasilan alkana menggunakan contoh pengeluaran metana. Metana tersebar luas di alam semula jadi. Ia adalah komponen utama banyak gas mudah terbakar, baik semula jadi (90-98%) dan tiruan, yang dikeluarkan semasa penyulingan kering kayu, gambut, arang batu, serta semasa keretakan minyak. Gas asli, terutamanya gas berkaitan dari medan minyak, mengandungi etana, propana, butana dan pentana sebagai tambahan kepada metana.

Metana dibebaskan dari dasar paya dan dari jahitan arang batu di lombong, di mana ia terbentuk semasa penguraian perlahan serpihan tumbuhan tanpa akses kepada udara. Oleh itu, metana sering dipanggil gas paya atau firedamp.

Di makmal, metana dihasilkan dengan memanaskan campuran natrium asetat dan natrium hidroksida:

CH 3 COONa+NaOH® 200 ° Na 2 CO 3 +CH 4

atau apabila aluminium karbida berinteraksi dengan air: Al 4 Cl 3 +12H 2 O®4Al(OH) 3 +3CH 4

Dalam kes kedua, metana ternyata sangat tulen.

Metana boleh didapati daripada bahan mudah apabila dipanaskan dengan kehadiran mangkin:

C+2H 2 ® Ni CH 4 8 juga secara sintesis berdasarkan gas air

CO+3H 2 ® Ni CH 4 +H 2 O

Kaedah ini mempunyai kepentingan industri. Walau bagaimanapun, metana daripada gas asli atau gas yang terbentuk semasa kok biasanya digunakan. arang keras dan dalam penapisan minyak.

Homolog metana, seperti metana, diperoleh dalam keadaan makmal dengan pengkalsinan garam asid organik yang sepadan dengan alkali. Kaedah lain ialah tindak balas Wurtz, i.e. memanaskan terbitan monohalogen dengan logam natrium, contohnya:

C 2 H 5 Br+2Na+BrC 2 H 6 ® C 2 H 5 -C 2 H 5 +2NaBr

Dalam teknologi, sintesis digunakan untuk menghasilkan petrol teknikal (campuran hidrokarbon yang mengandungi 6-10 atom karbon).

daripada karbon monoksida (II) dan hidrogen dengan kehadiran mangkin (sebatian kobalt) dan di tekanan darah tinggi. Proses

boleh dinyatakan dengan persamaan

nСО+(2n+1)Н 2 ® 200° C n H 2n+2 +nН 2 O

I Jadi, sumber utama alkana ialah gas asli dan minyak. Walau bagaimanapun, beberapa hidrokarbon tepu disintesis daripada sebatian lain.

Aplikasi alkana

Kebanyakan alkana digunakan sebagai bahan api. Retak dan

Penyahhidrogenan mereka membawa kepada hidrokarbon tak tepu, yang

daripadanya banyak bahan organik lain diperolehi.

Metana adalah bahagian utama gas asli (60-99%). Bahagian

gas asli termasuk propana dan butana. Hidrokarbon cecair

digunakan sebagai bahan api dalam enjin pembakaran dalaman, kereta, kapal terbang, dll. Campuran cecair yang telah dimurnikan

dan alkana pepejal membentuk Vaseline. Alkana yang lebih tinggi ialah

bahan permulaan untuk penghasilan sintetik bahan pencuci. Alkana yang diperoleh melalui pengisomeran digunakan dalam pengeluaran petrol dan getah berkualiti tinggi. Di bawah adalah gambar rajah penggunaan metana

Sikloalkana

Struktur

Sikloalkana ialah hidrokarbon tepu yang molekulnya mengandungi cincin tertutup atom karbon.

Sikloalkana (sikloparafin) membentuk siri homolog dengan formula am C n H 2 n, di mana ahli pertama adalah

siklopropana C 3 H 6, kerana Untuk membentuk cincin, sekurang-kurangnya tiga atom karbon mesti ada.

Sikloalkana mempunyai beberapa nama: cycloparaffins, naphthenes, cyclanes, polymethylenes. Contoh beberapa sambungan:

Formula C n H 2 n adalah ciri sikloparafin, dan formula yang sama menerangkan siri homolog alkena (hidrokarbon tak tepu yang mempunyai satu ikatan berganda). Daripada ini kita boleh membuat kesimpulan bahawa setiap sikloalkana adalah isomer dengan alkena yang sepadan - ini adalah contoh isomerisme "antara kelas".

Sikloalkana dibahagikan kepada beberapa kumpulan berdasarkan saiz cincin, yang mana kita akan mempertimbangkan dua: kitaran kecil (C 3, C 4) dan biasa (C 5 -C 7).

Nama-nama sikloalkana dibina dengan menambahkan awalan siklo- pada nama alkana dengan bilangan atom karbon yang sepadan. Penomboran dalam kitaran dijalankan supaya substituen menerima nombor yang paling rendah.

Formula struktur sikloalkana biasanya ditulis dalam bentuk singkatan menggunakan bentuk geometri kitaran dan meninggalkan simbol untuk atom karbon dan hidrogen. Sebagai contoh:

Isomerisme struktur sikloalkana ditentukan oleh saiz gelang (siklobutana dan metilsiklopropana ialah isomer) dan kedudukan substituen dalam gelang (contohnya, 1,1- dan 1,2-dimetilbutana), serta strukturnya .

Isomerisme spatial juga merupakan ciri sikloalkana, kerana ia dikaitkan dengan susunan substituen yang berbeza berbanding satah gelang. Apabila substituen terletak pada satu sisi satah gelang, cis-isomer diperolehi, mengikut sisi yang berbeza- isomer trans.

Jadual menunjukkan beberapa wakil beberapa alkana dan radikalnya.

Formula

Nama

Nama radikal

CH3 metil

Potongan C3H7

C4H9 butil

isobutana

isobutil

isopentana

isopentil

neopentane

neopentyl

Jadual menunjukkan bahawa hidrokarbon ini berbeza antara satu sama lain dalam bilangan kumpulan - CH2 - Siri struktur yang serupa, mempunyai sifat kimia yang serupa dan berbeza antara satu sama lain dalam bilangan kumpulan ini dipanggil siri homolog. Dan bahan yang membentuknya dipanggil homolog.

Homolog - bahan yang serupa dalam struktur dan sifat, tetapi berbeza dalam komposisi oleh satu atau lebih perbezaan homolog (- CH2 -)

Rantai karbon - zigzag (jika n ≥ 3)

σ - ikatan (putaran bebas di sekeliling ikatan)

panjang (-C-C-) 0.154 nm

tenaga mengikat (-C-C-) 348 kJ/mol

Semua atom karbon dalam molekul alkana berada dalam keadaan hibridisasi sp3

sudut antara Sambungan C-C ialah 109°28", jadi molekul alkana normal dengan sebilangan besar atom karbon mempunyai struktur zigzag (zigzag). Panjang ikatan C-C dalam hidrokarbon tepu ialah 0.154 nm (1 nm = 1*10-9 m).

a) formula elektronik dan struktur;

b) struktur ruang

4. Isomerisme- Isomerisme STRUKTUR rantai dengan C4 adalah ciri

Salah satu isomer ini ( n-butana) mengandungi rantai karbon tidak bercabang, dan satu lagi, isobutana, mengandungi rantai bercabang (isostruktur).

Atom karbon dalam rantai bercabang berbeza dalam jenis sambungan dengan atom karbon lain. Oleh itu, atom karbon terikat kepada hanya satu atom karbon lain dipanggil utama, dengan dua atom karbon lain - menengah, dengan tiga - tertiari, dengan empat - kuartener.

Dengan peningkatan bilangan atom karbon dalam molekul, kemungkinan untuk bercabang rantai meningkat, i.e. bilangan isomer bertambah dengan bilangan atom karbon.

Ciri perbandingan homolog dan isomer

1. Mereka mempunyai tatanama sendiri radikal(radikal hidrokarbon)

Alkana

DENGANnH2n+2

Radikal(R)

DENGANnH2n+1

NAMA

Ciri-ciri fizikal

Dalam keadaan biasa

C1-C4 - gas

C5-C15 - cecair

C16 - pepejal

Takat lebur dan didih alkana dan ketumpatannya meningkat dalam siri homolog dengan peningkatan berat molekul. Semua alkana adalah lebih ringan daripada air, tidak larut di dalamnya, tetapi larut dalam pelarut bukan polar (contohnya, benzena) dan ia sendiri pelarut yang baik. Sifat fizikal beberapa alkana dibentangkan dalam jadual.

Jadual 2. Sifat fizikal beberapa alkana

a) Halogenasi

di bawah tindakan cahaya - hν atau pemanasan (berperingkat-peringkat - penggantian atom hidrogen dengan halogen mempunyai watak rantai berurutan. Sumbangan besar kepada pembangunan tindak balas berantai telah dibuat oleh ahli fizik, ahli akademik, pemenang hadiah Nobel N. N. Semenov)

Tindak balas menghasilkan haloalkana RG atau dengan n H 2 n +1 G

(G- ini adalah halogen F, Cl, Br, I)

CH4 + Cl2 hν → CH3Cl + HCl (peringkat pertama);

metana klorometana CH3Cl + Cl2 hν → CH2Cl2 + HCl (peringkat ke-2);

diklorometana

СH2Cl2 + Cl2 hν → CHCl3 + HCl (peringkat ke-3);

triklorometana

CHCl3 + Cl2 hν → CCl4 + HCl (peringkat ke-4).

karbon tetraklorida

Kadar tindak balas menggantikan hidrogen dengan atom halogen dalam haloalkana adalah lebih tinggi daripada alkana yang sepadan, ini disebabkan oleh pengaruh bersama atom dalam molekul:

Ketumpatan ikatan elektron C- Cl dialihkan ke arah klorin yang lebih elektronegatif, akibatnya cas negatif separa terkumpul di atasnya, dan cas positif separa terkumpul pada atom karbon.

Atom karbon dalam kumpulan metil (- CH3) mengalami defisit ketumpatan elektron, jadi ia mengimbangi casnya dengan mengorbankan atom hidrogen yang bersebelahan, akibatnya ikatan C-H menjadi kurang kuat dan atom hidrogen lebih mudah digantikan oleh klorin atom. Apabila radikal hidrokarbon meningkat, atom hidrogen yang paling mudah alih kekal pada atom karbon yang paling hampir dengan substituen:

CH3 - CH2 - Cl + Cl2 hν → CH3 - CHCl2 + HCl

klooetana 1 ,1-dikloroetana

Dengan fluorin, tindak balas berlaku secara meletup.

Dengan klorin dan bromin pemula diperlukan.

Iodinasi boleh diterbalikkan, jadi agen pengoksida diperlukan untuk dikeluarkanHIdari pejabat rektor.

Perhatian!

Dalam tindak balas penggantian alkana, atom hidrogen paling mudah digantikan pada atom karbon tertier, kemudian pada atom karbon sekunder, dan, terakhir, pada atom karbon primer. Untuk pengklorinan, corak ini tidak diperhatikan apabilaT>400˚C.

b) Nitrasi

(reaksi M.I. Konovalov, dia melaksanakannya buat kali pertama pada tahun 1888)

CH4 + HNO3 (penyelesaian) t˚DENGAN → CH3NO2 + H2O

nitrometana

RNO2 atau DENGAN n H2n+1 NO2 ( nitroalkana )

Alkana ialah sebatian siri homolog metana. Ini adalah hidrokarbon bukan kitaran tepu. Sifat kimia alkana bergantung kepada struktur molekul dan keadaan fizikal bahan.

Struktur alkana

Molekul alkana terdiri daripada atom karbon dan hidrogen, yang membentuk kumpulan metilena (-CH 2 -) dan metil (-CH 3). Karbon boleh membentuk empat ikatan nonpolar kovalen dengan atom jiran. Ia adalah kehadiran ikatan-σ yang kuat -C-C- dan -C-H yang menentukan kelenturan siri homolog alkana.

nasi. 1. Struktur molekul alkana.

Sebatian bertindak balas apabila terdedah kepada cahaya atau haba. Tindak balas diteruskan dengan mekanisme rantai (radikal bebas). Oleh itu, ikatan hanya boleh dipecahkan oleh radikal bebas. Hasil daripada penggantian hidrogen, haloalkana, garam, dan sikloalkana terbentuk.

Alkana dikelaskan sebagai karbon tepu atau tepu. Ini bermakna bahawa molekul mengandungi jumlah maksimum atom hidrogen. Disebabkan ketiadaan ikatan bebas, tindak balas penambahan tidak tipikal untuk alkana.

Sifat kimia

Sifat am alkana diberikan dalam jadual.

*Jenis tindak balas kimia*	*Penerangan*	*Persamaan*
Halogenasi	Bertindak balas dengan F 2, Cl 2, Br 2. Tiada tindak balas dengan iodin. Halogen menggantikan atom hidrogen. Tindak balas dengan fluorin disertai dengan letupan. Pengklorinan dan brominasi berlaku pada suhu 300-400°C. Akibatnya, haloalkana terbentuk	CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
Nitrasi (tindak balas Konovalov)	Interaksi dengan asid nitrik cair pada suhu 140°C. Atom hidrogen digantikan oleh kumpulan nitro NO 2. Akibatnya, nitroalkana terbentuk	CH 3 -CH 3 +HNO 3 → CH 3 -CH 2 -NO 2 + H 2 O
Sulfoklorinasi	Diiringi oleh pengoksidaan dengan pembentukan alkanesulfonil klorida	R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfoksidasi	Pembentukan asid alkanesulfonic dalam oksigen berlebihan. Atom hidrogen digantikan oleh kumpulan SO 3 H	C 5 H 10 + HOSO 3 H → C 5 H 11 SO 3 H + H 2 O
	Berlaku dengan kehadiran mangkin pada suhu tinggi. Hasil daripada pembelahan ikatan C-C, alkana dan alkena terbentuk	C 4 H 10 → C 2 H 6 + C 2 H 4
	Dalam oksigen berlebihan, pengoksidaan lengkap berlaku kepada karbon dioksida. Dengan kekurangan oksigen, pengoksidaan tidak lengkap berlaku dengan pembentukan karbon monoksida, jelaga	CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O; 2CH 4 + 3O 2 → 2CO + 4H 2 O
Pengoksidaan pemangkin	Pengoksidaan separa alkana berlaku pada suhu rendah dan dengan kehadiran pemangkin. Keton, aldehid, alkohol, asid karboksilik boleh terbentuk	C 4 H 10 → 2CH 3 COOH + H 2 O
Penyahhidrogenan	Penghapusan hidrogen akibat pemecahan ikatan C-H dengan kehadiran mangkin (platinum, aluminium oksida, kromium oksida) pada suhu 400-600°C. Alkena terbentuk	C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Aromatisasi	Tindak balas dehidrogenasi untuk membentuk sikloalkana	C 6 H 14 → C 6 H 6 + 4H 2
Pengisomeran	Pembentukan isomer di bawah pengaruh suhu dan mangkin	C 5 H 12 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

Untuk memahami bagaimana tindak balas berlaku dan radikal mana yang diganti, adalah disyorkan untuk menulis formula struktur.

nasi. 2. Formula struktur.

Permohonan

Alkana digunakan secara meluas dalam kimia industri, kosmetologi, dan pembinaan. Sebatian dibuat daripada:

bahan api (petrol, minyak tanah);
asfalt;
minyak pelincir;
petrolatum;
parafin;
sabun;
varnis;
cat;
enamel;
alkohol;
kain sintetik;
getah;
bahan tambah;
plastik;
detergen;
asid;
propelan;
alat kosmetik.

nasi. 3. Produk yang diperoleh daripada alkana.

Apa yang telah kita pelajari?

Mempelajari tentang sifat kimia dan kegunaan alkana. Disebabkan oleh ikatan kovalen yang kuat antara atom karbon, serta antara atom karbon dan hidrogen, alkana adalah lengai. Tindak balas penggantian dan penguraian adalah mungkin dengan kehadiran mangkin pada suhu tinggi. Alkana adalah hidrokarbon tepu, jadi tindak balas penambahan adalah mustahil. Alkana digunakan untuk menghasilkan bahan, detergen, dan sebatian organik.