Yıldız haberleri
Alkanların uluslararası isimlendirilmesi. Alkanlar: yapısı, özellikleri. Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanlar (parafinler), moleküllerindeki tüm karbon atomlarının yalnızca tekli bağlarla bağlandığı siklik olmayan hidrokarbonlardır. Başka bir deyişle alkan moleküllerinde çoklu (ikili veya üçlü) bağ yoktur. Aslında alkanlar, mümkün olan maksimum sayıda hidrojen atomu içeren hidrokarbonlardır ve bu nedenle bunlara sınırlayıcı (doymuş) denir.
Doyma nedeniyle alkanlar katılma reaksiyonlarına giremezler.
Karbon ve hidrojen atomlarının oldukça yakın elektronegatifliğe sahip olması, moleküllerindeki C-H bağlarının son derece düşük kutuplu olmasına yol açar. Bu bakımdan alkanlar için S R sembolüyle gösterilen radikal ikame mekanizması yoluyla ilerleyen reaksiyonlar daha tipiktir.
1. Yer değiştirme reaksiyonları
Bu tür reaksiyonlarda karbon-hidrojen bağları kırılır.
RH + XY → RX + HY
Halojenasyon
Alkanlar halojenlerle (klor ve brom) reaksiyona girer. morötesi ışık veya güçlü ısı altında. Bu durumda, değişen derecelerde hidrojen atomu ikamesine sahip halojen türevlerinin bir karışımı oluşur - mono-, ditri-, vb. halojenle ikame edilmiş alkanlar.
Örnek olarak metanı kullanırsak şuna benzer:
Reaksiyon karışımındaki halojen/metan oranını değiştirerek, ürünlerin bileşiminde metan'ın belirli bir halojen türevinin baskın olmasını sağlamak mümkündür.
|
Reaksiyon mekanizması Metan ve klorun etkileşimi örneğini kullanarak serbest radikal ikame reaksiyonunun mekanizmasını analiz edelim. Üç aşamadan oluşur:
Serbest radikaller, yukarıdaki şekilde görülebileceği gibi, bir veya daha fazla eşleşmemiş elektrona (Cl, H, CH3, CH2, vb.) sahip atomlar veya atom gruplarıdır; 2. Zincir geliştirme Bu aşama aktif serbest radikallerin aktif olmayan moleküllerle etkileşimini içerir. Bu durumda yeni radikaller oluşur. Özellikle klor radikalleri alkan molekülleri üzerinde etki ettiğinde bir alkil radikali ve hidrojen klorür oluşur. Buna karşılık, alkil radikali, klor molekülleriyle çarpışarak bir klor türevi ve yeni bir klor radikali oluşturur: 3) Devrenin kopması (ölümü): İki radikalin birbirleriyle inaktif moleküller halinde rekombinasyonu sonucu oluşur: |
2. Oksidasyon reaksiyonları
Normal koşullar altında alkanlar, konsantre sülfürik ve nitrik asitler, potasyum permanganat ve dikromat (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7) gibi güçlü oksitleyici maddelere karşı etkisizdir.
Oksijende yanma
A) Aşırı oksijenle tam yanma. Eğitime yol açar karbon dioksit ve su:
CH4 + 2O2 = C02 + 2H2O
B) oksijen eksikliği nedeniyle eksik yanma:
2CH4 + 3O2 = 2CO + 4H2O
CH4 + O2 = C + 2H2O
Oksijenle katalitik oksidasyon
Alkanların katalizör varlığında oksijenle (~200 o C) ısıtılması sonucunda bunlardan çok çeşitli organik ürünler elde edilebilir: aldehitler, ketonlar, alkoller, karboksilik asitler.
Örneğin metan, katalizörün yapısına bağlı olarak metil alkol, formaldehit veya formik asit halinde oksitlenebilir:
3. Alkanların termal dönüşümleri
Çatlama
Çatlama (İngilizce'den çatlamaya - yırtılmaya), yüksek sıcaklıklarda meydana gelen kimyasal bir işlemdir, bunun sonucunda alkan moleküllerinin karbon iskeleti, orijinal alkanlara kıyasla daha düşük moleküler ağırlığa sahip alken ve alkan molekülleri oluşturmak üzere parçalanır. Örneğin:
CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH3 → CH3 -CH2 -CH2 -CH3 + CH3 -CH=CH2
Çatlama termal veya katalitik olabilir. Katalitik parçalamayı gerçekleştirmek için katalizör kullanımı sayesinde termal parçalamaya kıyasla önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklar kullanılır.
Dehidrojenasyon
Hidrojenin ortadan kaldırılması, C-H bağlarının bölünmesinin bir sonucu olarak meydana gelir; yüksek sıcaklıklarda katalizörlerin varlığında gerçekleştirilir. Metanın hidrojeni giderildiğinde asetilen oluşur:
2CH4 → C2H2 + 3H2
Metanın 1200 °C'ye ısıtılması, metanın parçalanmasına yol açar. basit maddeler:
CH 4 → C + 2H 2
Kalan alkanlar dehidrojene edildiğinde alkenler oluşur:
C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
Hidrojen giderirken N-bütan, büten veya büten-2 (bir karışım) üretir cis- Ve trans-izomerler):
Dehidrosiklizasyon
İzomerizasyon
Sikloalkanların kimyasal özellikleri
Halkalarında dörtten fazla karbon atomu bulunan sikloalkanların kimyasal özellikleri genel olarak alkanların özellikleriyle hemen hemen aynıdır. İşin garibi, siklopropan ve siklobutan ilave reaksiyonlarıyla karakterize edilir. Bunun nedeni döngü içindeki yüksek gerilimdir ve bu döngülerin kırılma eğiliminde olmasına neden olur. Dolayısıyla siklopropan ve siklobütan kolayca brom, hidrojen veya hidrojen klorür ekler:
Alkenlerin kimyasal özellikleri
1. İlave reaksiyonları
Alken moleküllerindeki çift bağ, bir güçlü sigma ve bir zayıf pi bağından oluştuğundan, kolayca katılma reaksiyonlarına girebilen oldukça aktif bileşiklerdir. Alkenler sıklıkla bu tür reaksiyonlara girerler. ılıman koşullar- soğukta, sulu çözeltilerde ve organik çözücüler.
Alkenlerin hidrojenasyonu
Alkenler, katalizörlerin (platin, paladyum, nikel) varlığında hidrojen ekleme yeteneğine sahiptir:
CH3 -CH = CH2 + H2 → CH3 -CH2 -CH3
Alkenlerin hidrojenasyonu normal basınçta ve hafif ısıtmada bile kolayca meydana gelir. İlginç bir gerçek şu ki, aynı katalizörler alkanların alkenlere dehidrojenasyonu için kullanılabilir, yalnızca dehidrojenasyon işlemi daha yüksek sıcaklıkta ve daha düşük basınçta gerçekleşir.
Halojenasyon
Alkenler, hem sulu çözeltilerde hem de organik çözücülerde brom ile kolayca katılma reaksiyonlarına girerler. Etkileşim sonucunda başlangıçta sarı olan brom çözeltileri renklerini kaybederler. rengi bozulur.
CH2 =CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br
Hidrohalojenasyon
Görülmesi kolay olduğu gibi, simetrik olmayan bir alken molekülüne hidrojen halojenürün eklenmesi teorik olarak iki izomerin karışımına yol açmalıdır. Örneğin propene hidrojen bromür eklendiğinde aşağıdaki ürünler elde edilmelidir:
Bununla birlikte, belirli koşulların yokluğunda (örneğin, reaksiyon karışımında peroksitlerin varlığı), bir hidrojen halojenür molekülünün eklenmesi, Markovnikov kuralına uygun olarak kesinlikle seçici olarak gerçekleşecektir:
Bir alkene hidrojen halojenürün eklenmesi, karbon atomuna hidrojenin eklenmesiyle gerçekleşir. Büyük bir sayı hidrojen atomları (daha fazla hidrojenlenmiş) ve daha az hidrojen atomuna sahip bir karbon atomuna halojen (daha az hidrojenlenmiş).
Hidrasyon
Bu reaksiyon alkol oluşumuna yol açar ve aynı zamanda Markovnikov kuralına göre ilerler:
Kolayca tahmin edebileceğiniz gibi, bir alken molekülüne su eklenmesi Markovnikov kuralına göre gerçekleştiğinden, birincil alkol oluşumu yalnızca etilen hidrasyonu durumunda mümkündür:
CH2 =CH2 + H20 → CH3-CH2-OH
Bu reaksiyon sayesinde ana miktar gerçekleştirilir etil alkol büyük ölçekli endüstride.
Polimerizasyon
Ekleme reaksiyonunun özel bir durumu, halojenasyon, hidrohalojenasyon ve hidrasyondan farklı olarak serbest radikal mekanizması yoluyla ilerleyen polimerizasyon reaksiyonudur:
Oksidasyon reaksiyonları
Diğer tüm hidrokarbonlar gibi alkenler de oksijen içinde kolaylıkla yanarak karbondioksit ve su oluştururlar. Alkenlerin aşırı oksijende yanmasına ilişkin denklem şu şekildedir:
C n H 2n+2 + O 2 → nCO2 + (n+1)H 2 O
Alkanların aksine alkenler kolayca oksitlenir. Alkenler sulu bir KMnO4 çözeltisine maruz bırakıldığında renk değişimi meydana gelir. niteliksel reaksiyon Organik madde moleküllerindeki ikili ve üçlü CC bağları üzerinde.
Alkenlerin nötr veya zayıf alkali bir çözelti içinde potasyum permanganat ile oksidasyonu diollerin (dihidrik alkoller) oluşumuna yol açar:
C2H4 + 2KMnO4 + 2H2O → CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH (soğutma)
Asidik ortamda çift bağ tamamen kırılır ve çift bağı oluşturan karbon atomları karboksil gruplarına dönüşür:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (ısıtma)
Çift C=C bağı alken molekülünün ucunda bulunuyorsa, çift bağdaki en dıştaki karbon atomunun oksidasyonunun bir ürünü olarak karbondioksit oluşur. Bunun nedeni ara oksidasyon ürününün olmasıdır. formik asit oksitleyici maddeden fazla olduğunda kendini kolayca oksitler:
5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O (ısıtma)
Çift bağdaki C atomunun iki hidrokarbon ikame edicisi içerdiği alkenlerin oksidasyonu bir keton üretir. Örneğin 2-metilbuten-2'nin oksidasyonu aseton ve asetik asit üretir.
Karbon iskeletinin çift bağda kırıldığı alkenlerin oksidasyonu, yapılarını belirlemek için kullanılır.
Alkadienlerin kimyasal özellikleri
İlave reaksiyonları
Örneğin halojenlerin eklenmesi:
Bromlu suyun rengi değişir.
Normal koşullar altında, 1,3-butadien molekülünün uçlarında halojen atomlarının eklenmesi meydana gelir, π bağları kırılırken, aşırı karbon atomlarına brom atomları eklenir ve serbest valanslar yeni bir π bağı oluşturur . Böylece çift bağda bir "hareket" meydana gelir. Bromun fazla olması durumunda oluşan çift bağın bulunduğu yere başka bir molekül eklenebilir.
Polimerizasyon reaksiyonları
Alkinlerin kimyasal özellikleri
Alkinler doymamış (doymamış) hidrokarbonlardır ve bu nedenle katılma reaksiyonlarına girebilmektedirler. Alkinlerin katılma reaksiyonları arasında elektrofilik katılma en yaygın olanıdır.
Halojenasyon
Alkin moleküllerinin üçlü bağı bir güçlü sigma bağı ve iki zayıf pi bağından oluştuğu için bir veya iki halojen molekülünü bağlayabilirler. İki halojen molekülünün bir alkin molekülüyle eklenmesi, elektrofilik bir mekanizma yoluyla ardışık olarak iki aşamada ilerler:
Hidrohalojenasyon
Hidrojen halojenür moleküllerinin eklenmesi de elektrofilik bir mekanizma yoluyla ve iki aşamada gerçekleşir. Her iki aşamada da katılım Markovnikov kuralına göre ilerliyor:
Hidrasyon
Alkinlere su eklenmesi, asidik bir ortamda ruti tuzlarının varlığında meydana gelir ve Kucherov reaksiyonu olarak adlandırılır.
Hidrasyon sonucunda asetilene su ilavesi asetaldehit (asetik aldehit) üretir:
Asetilen homologları için su eklenmesi keton oluşumuna yol açar:
Alkinlerin hidrojenasyonu
Alkinler hidrojenle iki aşamada reaksiyona girer. Katalizör olarak platin, paladyum ve nikel gibi metaller kullanılır:
Alkinlerin trimerizasyonu
Asetileni geçirerek aktif karbon yüksek sıcaklıklarda, esas olarak asetilen trimerizasyonunun bir ürünü olan benzen olan çeşitli ürünlerin bir karışımı oluşur:
Alkinlerin dimerizasyonu
Asetilen ayrıca bir dimerizasyon reaksiyonuna da uğrar. İşlem, katalizör olarak bakır tuzlarının varlığında gerçekleşir:
Alkin oksidasyonu
Alkinler oksijende yanar:
C nH 2n-2 + (3n-1)/2 O 2 → nCO2 + (n-1)H 2 O
Alkinlerin bazlarla reaksiyonu
Molekül ucunda üçlü C≡C bulunan alkinler, diğer alkinlerden farklı olarak üçlü bağdaki hidrojen atomunun bir metalle yer değiştirdiği reaksiyonlara girebilmektedir. Örneğin asetilen, sıvı amonyakta sodyum amid ile reaksiyona girer:
HC≡CH + NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3 ,
ve ayrıca gümüş oksitin amonyak çözeltisiyle asetilenitler adı verilen çözünmeyen tuz benzeri maddeler oluşturur:
Bu reaksiyon sayesinde, terminal üçlü bağa sahip alkinleri tanımak ve ayrıca böyle bir alkini diğer alkinlerle karışımdan izole etmek mümkündür.
Tüm gümüş ve bakır asetilenitlerin patlayıcı madde olduğu unutulmamalıdır.
Asetilenitler, daha karmaşık bileşiklerin sentezinde kullanılan halojen türevleriyle reaksiyona girebilir. organik bileşiklerüçlü bağ ile:
CH3 -C≡CH + 2NaNH2 → CH3 -C≡CNa + NH3
CH3 -C≡CNa + CH3Br → CH3 -C≡C-CH3 + NaBr
Aromatik hidrokarbonların kimyasal özellikleri
Bağın aromatik doğası etkiler Kimyasal özellikler benzenler ve diğer aromatik hidrokarbonlar.
Birleşik 6pi elektron sistemi sıradan pi bağlarından çok daha kararlıdır. Bu nedenle aromatik hidrokarbonlar için ekleme reaksiyonlarından ziyade ikame reaksiyonları daha tipiktir. Arenler elektrofilik bir mekanizma yoluyla ikame reaksiyonlarına girerler.
İkame reaksiyonları
Halojenasyon
nitrasyon
Nitratlama reaksiyonu en iyi şekilde saf nitrik asidin değil, bunun konsantre sülfürik asitle olan karışımının, yani nitratlama karışımının etkisi altında ilerler:
alkilasyon
Aromatik halkadaki hidrojen atomlarından birinin bir hidrokarbon radikaliyle yer değiştirdiği reaksiyon:
Halojenlenmiş alkanların yerine alkenler de kullanılabilir. Katalizör olarak alüminyum halojenürler, ferrik halojenürler veya inorganik asitler kullanılabilir.<
İlave reaksiyonları
Hidrojenasyon
Klor ilavesi
Ultraviyole ışıkla yoğun ışınlama üzerine radikal bir mekanizma yoluyla ilerler:
Benzer bir reaksiyon yalnızca klor ile meydana gelebilir.
Oksidasyon reaksiyonları
Yanma
2C 6 H 6 + 15O 2 = 12CO 2 + 6H 2 O + Q
Eksik oksidasyon
Benzen halkası, KMnO4 ve K2Cr207 gibi oksitleyici maddelere karşı dayanıklıdır. Hiçbir tepki yok.
Benzen halkasındaki ikame ediciler iki türe ayrılır:
Örnek olarak tolueni kullanarak benzen homologlarının kimyasal özelliklerini ele alalım.
Tolüenin kimyasal özellikleri
Halojenasyon
Toluen molekülünün benzen ve metan moleküllerinin parçalarından oluştuğu düşünülebilir. Bu nedenle, tolüenin kimyasal özelliklerinin, ayrı ayrı ele alınan bu iki maddenin kimyasal özelliklerini bir dereceye kadar birleştirmesi gerektiğini varsaymak mantıklıdır. Bu genellikle halojenlenmesi sırasında gözlemlenen şeydir. Benzen'in elektrofilik bir mekanizma yoluyla klor ile ikame reaksiyonuna girdiğini zaten biliyoruz ve bu reaksiyonu gerçekleştirmek için katalizörlerin (alüminyum veya ferrik halojenürler) kullanılması gereklidir. Aynı zamanda metan da klor ile reaksiyona girebilir, ancak bu, başlangıç reaksiyon karışımının UV ışığı ile ışınlanmasını gerektiren bir serbest radikal mekanizması yoluyla gerçekleşir. Toluen, klorlamaya tabi tutulduğu koşullara bağlı olarak, benzen halkasındaki hidrojen atomlarının ikame ürünlerini verebilir - bunun için benzenin klorlanmasıyla aynı koşulları veya hidrojen ikame ürünlerini kullanmanız gerekir. Metil radikalindeki atomlar, eğer öyleyse, klorun ultraviyole ışınlama altında metan üzerinde nasıl etki ettiği:
Gördüğünüz gibi, tolüenin alüminyum klorür varlığında klorlanması iki farklı ürüne yol açtı: orto- ve para-klorotoluen. Bunun nedeni metil radikalinin birinci türden bir ikame edici olmasıdır.
Tolüenin AlCl3 varlığında klorlanması aşırı klorla gerçekleştirilirse, trikloro ikameli toluenin oluşumu mümkündür:
Benzer şekilde, toluen ışıkta daha yüksek bir klor/toluen oranında klorlandığında, diklorometilbenzen veya triklorometilbenzen elde edilebilir:
nitrasyon
Tolüenin konsantre nitrik ve sülfürik asit karışımı ile nitrasyonu sırasında hidrojen atomlarının bir nitro grubu ile değiştirilmesi, metil radikalinden ziyade aromatik halkada ikame ürünlerinin oluşmasına yol açar:
alkilasyon
Daha önce de belirtildiği gibi, metil radikali birinci türden bir yönlendirme maddesidir, dolayısıyla Friedel-Crafts'a göre alkilasyonu orto ve para pozisyonlarında ikame ürünlerine yol açar:
İlave reaksiyonları
Toluen, metal katalizörler (Pt, Pd, Ni) kullanılarak metilsikloheksana hidrojenlenebilir:
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O
Eksik oksidasyon
Sulu potasyum permanganat çözeltisi gibi oksitleyici bir maddeye maruz kaldığında yan zincir oksidasyona uğrar. Aromatik çekirdek bu koşullar altında oksitlenemez. Bu durumda çözeltinin pH'ına bağlı olarak ya bir karboksilik asit ya da bunun tuzu oluşacaktır.
I. ALKANLAR (doymuş hidrokarbonlar, parafinler)
Alkanlar, karbon atomlarının düz veya dallı zincirler halinde basit (tek) bağlarla birbirine bağlandığı alifatik (asiklik) doymuş hidrokarbonlardır.
Alkanlar– uluslararası isimlendirmeye göre doymuş hidrokarbonların adı.
Parafinler– bu bileşiklerin özelliklerini yansıtan tarihsel olarak belirlenmiş bir isim (Lat. parrum affinis– az ilgiye sahip olmak, düşük aktivite).
Sınır, veya doymuş Bu hidrokarbonlar, karbon zincirinin hidrojen atomlarıyla tamamen doygunluğu nedeniyle adlandırılmıştır.
Alkanların en basit temsilcileri:
Bu bileşikleri karşılaştırırken birbirlerinden bir grup farklılık gösterdikleri açıktır. -CH2- (metilen). Propana başka bir grup ekleme -CH2-, bütan alıyoruz C 4 H 10, sonra alkanlar Ç 5 H 12, C 6 H 14 vesaire.
Artık geri çekilebilirsiniz Genel formül alkanlar. Alkan serisindeki karbon atomlarının sayısı şu şekilde alınır: N
, o zaman hidrojen atomlarının sayısı olacak 2n+2
. Bu nedenle alkanların bileşimi genel formüle karşılık gelir C n H 2n+2.
Bu nedenle sıklıkla aşağıdaki tanım kullanılır:
- Alkanlar- bileşimi genel formülle ifade edilen hidrokarbonlar C n H 2n+2, Nerede N – karbon atomu sayısı.
II. Alkanların yapısı
Kimyasal yapı En basit alkanların (metan, etan ve propan) (moleküllerdeki atomların bağlantı sırası) yapısal formülleriyle gösterilir. Bu formüllerden alkanlarda iki tür kimyasal bağın olduğu açıktır:
S-S Ve S–H.C-C bağı kovalent olup polar değildir. C-H bağı kovalent ve zayıf polardır çünkü karbon ve hidrojen elektronegatiflik açısından birbirine yakındır (karbon için 2,5 ve hidrojen için 2,1). Karbon ve hidrojen atomlarının paylaşılan elektron çiftleri nedeniyle alkanlarda kovalent bağların oluşumu elektronik formüller kullanılarak gösterilebilir:
Elektronik ve yapısal formüller yansıtır kimyasal yapı ama bu konuda bir fikir verme moleküllerin uzaysal yapısı Bu, maddenin özelliklerini önemli ölçüde etkiler.
Mekânsal yapı yani Bir molekülün atomlarının uzaydaki göreceli düzeni, bu atomların atomik yörüngelerinin (AO) yönüne bağlıdır. Hidrokarbonlarda, hidrojen atomunun küresel 1s-AO'su belirli bir yönelimden yoksun olduğundan, ana rol, karbonun atomik yörüngelerinin uzaysal yönelimi tarafından oynanır.
Karbon AO'nun mekansal düzeni ise hibridizasyonunun türüne bağlıdır. Alkanlardaki doymuş karbon atomu diğer dört atoma bağlanır. Bu nedenle durumu sp3 hibridizasyonuna karşılık gelir. Bu durumda, dört sp3-hibrit karbon AO'nun her biri, hidrojenin s-AO'su veya başka bir karbon atomunun sp3-AO'su ile eksenel (σ-) örtüşmeye katılarak σ oluşturur. -CH bağlantıları veya S-S.
Karbonun dört σ-bağı, uzayda 109 ila 28" açıyla yönlendirilir; bu, elektronların en az itmesine karşılık gelir. Bu nedenle, alkanların en basit temsilcisinin molekülü - metan CH4 - bir tetrahedron şekline sahiptir, merkezinde bir karbon atomu vardır ve köşelerde hidrojen atomları vardır:
Bağ açısı N-C-H eşittir 109 veya 28". Metanın mekansal yapısı hacimsel (ölçek) ve top ve çubuk modelleri kullanılarak gösterilebilir.
Kayıt için uzaysal (stereokimyasal) bir formülün kullanılması uygundur.
Bir sonraki homologun molekülünde - etan C2H6 - iki tetrahedral sp 3 karbon atomu daha karmaşık bir uzaysal yapı oluşturur:
2. Aynı bileşime ve aynı kimyasal yapıya sahip moleküllerde atomların uzayda farklı göreceli konumları mümkünse, o zaman gözlemleriz uzaysal izomerizm (stereoizomerizm). Bu durumda yapısal formüllerin kullanımı yeterli olmayıp moleküler modeller veya özel formüller (stereokimyasal (uzaysal) veya projeksiyon) kullanılmalıdır.
Etan H3C–CH3 ile başlayan alkanlar çeşitli uzaysal formlarda bulunur ( konformasyonlar), C – C σ bağları boyunca molekül içi dönmenin neden olduğu ve sözde sergileyen rotasyonel (konformasyonel) izomerizm.
Bir molekülün C-C σ bağları etrafında dönerek birbirine dönüşen çeşitli uzaysal biçimlerine konformasyon veya konformasyon denir. döner izomerler(uyumlular).
Bir molekülün dönme izomerleri onun enerji açısından eşit olmayan durumlarıdır. Aralarındaki dönüşüm, termal hareketin bir sonucu olarak hızlı ve sürekli olarak gerçekleşir. Bu nedenle döner izomerler tek tek izole edilemezler ancak varlıkları fiziksel yöntemlerle kanıtlanmıştır. Bazı konformasyonlar daha kararlıdır (enerji açısından uygun) ve molekül bu tür durumlarda daha uzun süre kalır.
3. Ek olarak, eğer bir molekül 4 farklı ikame ediciye bağlı bir karbon atomu içeriyorsa, başka bir tür uzaysal izomerizm mümkündür -
optik izomerizm.Örneğin:
o zaman aynı yapısal formüle sahip ancak mekansal yapısı farklı olan iki bileşiğin varlığı mümkündür. Bu tür bileşiklerin molekülleri birbirleriyle bir nesne ve onun ayna görüntüsü olarak ilişkilidir ve uzaysal izomerlerdir.
Bu tür izomerizme optik denir; izomerlere optik izomerler veya optik antipodlar denir:
Optik izomerlerin molekülleri uzayda uyumsuzdur (sol ve sağ eller gibi); simetri düzleminden yoksundurlar.
Böylece,optik izomerler Molekülleri birbirleriyle bir nesne ve uyumsuz bir ayna görüntüsü olarak ilişkili olan uzaysal izomerler denir.
Optik izomerler aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir ancak polarize ışıkla ilişkileri farklıdır. Bu tür izomerler optik aktiviteye sahiptir (bunlardan biri polarize ışık düzlemini sola, diğeri aynı açıyla sağa döndürür). Kimyasal özelliklerdeki farklılıklar yalnızca optik olarak aktif reaktiflerle reaksiyonlarda gözlenir.
Optik izomerizm, çeşitli sınıflardaki organik maddelerde kendini gösterir ve doğal bileşiklerin kimyasında çok önemli bir rol oynar.
Asetik asitin sodyum tuzunun (sodyum asetat) aşırı alkali ile ısıtılması, karboksil grubunun ortadan kaldırılmasına ve metan oluşumuna yol açar:
CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03
Sodyum asetat yerine sodyum propiyonat alırsanız, sodyum bütanoat - propandan vb. etan oluşur.
RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03
5. Wurtz sentezi. Haloalkanlar alkali metal sodyum ile etkileşime girdiğinde doymuş hidrokarbonlar ve bir alkali metal halojenür oluşur, örneğin:
Bir alkali metalin bir halokarbon karışımı (örneğin bromoetan ve bromometan) üzerindeki etkisi, bir alkan karışımının (etan, propan ve bütan) oluşmasıyla sonuçlanacaktır.
Wurtz sentezinin dayandığı reaksiyon, yalnızca bir halojen atomunun birincil karbon atomuna bağlı olduğu moleküllerdeki haloalkanlarla iyi bir şekilde ilerler.
6. Karbürlerin hidrolizi. -4 oksidasyon durumunda karbon içeren bazı karbürler (örneğin alüminyum karbür) suyla işlendiğinde metan oluşur:
Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fiziksel özellikler
Homolog metan serisinin ilk dört temsilcisi gazlardır. Bunlardan en basiti metandır - rengi, tadı ve kokusu olmayan bir gaz (koklamak için 04 olarak adlandırmanız gereken "gaz" kokusu, kullanılan metana özel olarak eklenen kükürt içeren bileşikler olan merkaptanların kokusuyla belirlenir) evsel ve endüstriyel gaz aletleri Böylece yakındaki kişiler sızıntıyı koklayarak tespit edebilirler).
C5H12'den C15H32'ye kadar olan bileşimdeki hidrokarbonlar sıvıdır, daha ağır hidrokarbonlar katıdır.
Alkanların kaynama ve erime noktaları, karbon zinciri uzunluğunun artmasıyla birlikte giderek artar. Tüm hidrokarbonlar suda az çözünür; sıvı hidrokarbonlar yaygın organik çözücülerdir.
Kimyasal özellikler
1. Yer değiştirme reaksiyonları. Alkanlar için en karakteristik reaksiyonlar, bir hidrojen atomunun bir halojen atomu veya bir grup ile değiştirildiği serbest radikal ikame reaksiyonlarıdır.
En karakteristik reaksiyonların denklemlerini sunalım.
Halojenasyon:
СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl
Halojenin fazla olması durumunda, klorlama daha da ileri giderek tüm hidrojen atomlarının tamamen klor ile değiştirilmesine kadar gidebilir:
СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
diklorometan metilen klorür
СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triklorometan kloroform
СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
karbon tetraklorür karbon tetraklorür
Ortaya çıkan maddeler, organik sentezlerde çözücüler ve başlangıç malzemeleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.
2. Dehidrojenasyon (hidrojenin ortadan kaldırılması). Alkanlar yüksek sıcaklıklarda (400-600 °C) bir katalizör (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) üzerinden geçirildiğinde bir hidrojen molekülü elimine edilir ve bir alken oluşur:
CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2
3. Karbon zincirinin tahribatının eşlik ettiği reaksiyonlar. Tüm doymuş hidrokarbonlar yanarak karbondioksit ve su oluşturur. Belirli oranlarda havayla karışan gaz halindeki hidrokarbonlar patlayabilir. Doymuş hidrokarbonların yanması, serbest radikallerin ekzotermik bir reaksiyonudur. büyük önem alkanları yakıt olarak kullanırken.
CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880kJ
İÇİNDE Genel görünüm Alkanların yanma reaksiyonu şu şekilde yazılabilir:
Termal ayrışma reaksiyonları, endüstriyel hidrokarbon parçalama işleminin temelini oluşturur. Bu işlem petrol rafinasyonunun en önemli aşamasıdır.
Metan 1000 ° C sıcaklığa ısıtıldığında metan pirolizi başlar - basit maddelere ayrışma. 1500 °C sıcaklığa ısıtıldığında asetilen oluşumu mümkündür.
4. İzomerizasyon. Doğrusal hidrokarbonlar bir izomerizasyon katalizörü (alüminyum klorür) ile ısıtıldığında, dallanmış karbon iskeletine sahip maddeler oluşur: 
5. Tatlandırıcı. Zincirde altı veya daha fazla karbon atomu bulunan alkanlar, benzen ve türevlerini oluşturmak üzere bir katalizör varlığında siklikleşir: 
Alkanların serbest radikal reaksiyonlarına girmelerinin nedeni nedir? Alkan moleküllerindeki tüm karbon atomları sp3 hibridizasyonu durumundadır. Bu maddelerin molekülleri, kovalent polar olmayan C-C (karbon-karbon) bağları ve zayıf polar C-H (karbon-hidrojen) bağları kullanılarak oluşturulur. Artan veya azalan elektron yoğunluğuna sahip alanlar veya kolayca polarize edilebilen bağlar, yani elektron yoğunluğunun dış etkilerin (elektrostatik iyon alanları) etkisi altında değişebileceği bağlar içermezler. Sonuç olarak alkan moleküllerindeki bağlar heterolitik bir mekanizma tarafından kırılmadığından alkanlar yüklü parçacıklarla reaksiyona girmeyecektir.
Alkanların en karakteristik reaksiyonları serbest radikal ikame reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyonlar sırasında bir hidrojen atomunun yerini bir halojen atomu veya bir grup alır.
Serbest radikal zincir reaksiyonlarının kinetiği ve mekanizması, yani serbest radikallerin (eşlenmemiş elektronlara sahip parçacıklar) etkisi altında meydana gelen reaksiyonlar, dikkat çekici Rus kimyager N. N. Semenov tarafından incelenmiştir. Bu çalışmaları nedeniyle Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.
Tipik olarak serbest radikal ikame reaksiyonlarının mekanizması üç ana aşamayla temsil edilir:
1. Başlatma (bir zincirin çekirdeklenmesi, bir enerji kaynağının etkisi altında serbest radikallerin oluşumu - ultraviyole ışık, ısıtma).
2. Zincir gelişimi (serbest radikallerin ve aktif olmayan moleküllerin sıralı etkileşimlerinin bir zinciri, bunun sonucunda yeni radikaller ve yeni moleküller oluşur).
3. Zincirin sonlanması (serbest radikallerin aktif olmayan moleküller halinde birleşmesi (rekombinasyon), radikallerin “ölümü”, bir reaksiyon zincirinin gelişiminin durması).
N.N.'nin bilimsel araştırması. Semyonov
Semenov Nikolay Nikolayeviç
(1896 - 1986)
Sovyet fizikçisi ve fiziksel kimyager, akademisyen. Ödüllü Nobel Ödülü(1956). Bilimsel araştırma, kimyasal süreçlerin, katalizlerin, zincirleme reaksiyonların, termal patlama teorisinin ve gaz karışımlarının yanmasının incelenmesiyle ilgilidir.
Metanın klorlama reaksiyonu örneğini kullanarak bu mekanizmayı ele alalım:
CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl
Zincirin başlatılması, ultraviyole ışınlamanın veya ısıtmanın etkisi altında, Cl-Cl bağının homolitik bölünmesinin meydana gelmesi ve klor molekülünün atomlara parçalanmasının bir sonucu olarak ortaya çıkar:
Сl: Сl -> Сl· + Сl·
Ortaya çıkan serbest radikaller metan moleküllerine saldırarak hidrojen atomlarını koparır:
CH4 + Cl· -> CH3· + HCl
ve CH3· radikallerine dönüşerek klor molekülleriyle çarpışarak yeni radikallerin oluşumuyla onları yok eder:
CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl vb.
Zincir gelişir.
Radikallerin oluşumuyla birlikte, rekombinasyon sürecinin bir sonucu olarak "ölümleri" meydana gelir - iki radikalden aktif olmayan bir molekülün oluşumu:
СН3+ Сl -> СН3Сl
Сl· + Сl· -> Сl2
CH3 + CH3 -> CH3-CH3
Rekombinasyon sırasında yalnızca yeni oluşan bağı kırmaya yetecek kadar enerjinin açığa çıktığını belirtmek ilginçtir. Bu bağlamda, rekombinasyon ancak aşırı enerjiyi emen üçüncü bir parçacığın (başka bir molekül, reaksiyon kabının duvarı) iki radikalin çarpışmasına katılması durumunda mümkündür. Bu, serbest radikal zincir reaksiyonlarının düzenlenmesini ve hatta durdurulmasını mümkün kılar.
Bir rekombinasyon reaksiyonunun son örneğine dikkat edin - bir etan molekülünün oluşumu. Bu örnek, organik bileşikleri içeren bir reaksiyonun oldukça karmaşık olduğunu göstermektedir. zor süreç bunun sonucunda ana reaksiyon ürünüyle birlikte yan ürünler de sıklıkla oluşur ve bu da hedef maddelerin saflaştırılması ve izolasyonu için karmaşık ve pahalı yöntemlerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurur.
Metanın klormetan (CH3Cl) ve hidrojen klorürle birlikte klorlanmasından elde edilen reaksiyon karışımı şunları içerecektir: diklorometan (CH2Cl2), triklorometan (CHCl3), karbon tetraklorür (CCl4), etan ve bunun klorlama ürünleri.
Şimdi daha karmaşık bir organik bileşiğin - propanın halojenasyon reaksiyonunu (örneğin brominasyon) düşünmeye çalışalım.
Metanın klorlanması durumunda yalnızca bir monokloro türevi mümkünse, bu reaksiyonda iki monobromo türevi oluşturulabilir: 
İlk durumda hidrojen atomunun birincil karbon atomunda, ikinci durumda ise ikincil karbon atomunda değiştirildiği görülebilir. Bu reaksiyonların oranları aynı mıdır? İkincil karbonda bulunan hidrojen atomunun ikame ürününün nihai karışımda, yani 2-bromopropan'da (CH3-CHBg-CH3) baskın olduğu ortaya çıktı. Bunu açıklamaya çalışalım.
Bunu yapabilmek için ara parçacıkların kararlılığı fikrini kullanmamız gerekecek. Metan klorlama reaksiyonunun mekanizmasını açıklarken metil radikalinden - CH3·'den bahsettiğimizi fark ettiniz mi? Bu radikal, metan CH4 ile klorometan CH3Cl arasında bir ara parçacıktır. Propan ile 1-bromopropan arasındaki ara parçacık, birincil karbonda eşlenmemiş bir elektrona sahip olan ve ikincil karbonda propan ile 2-bromopropan arasında bulunan bir radikaldir.
İkincil karbon atomunda (b) eşlenmemiş elektrona sahip bir radikal, birincil karbon atomunda (a) eşlenmemiş elektrona sahip bir serbest radikalle karşılaştırıldığında daha kararlıdır. Daha büyük miktarlarda oluşur. Bu nedenle propan brominasyon reaksiyonunun ana ürünü, oluşumu daha kararlı bir ara tür yoluyla meydana gelen bir bileşik olan 2-bromopropandır.
İşte serbest radikal reaksiyonlarının bazı örnekleri:
Nitrasyon reaksiyonu (Konovalov reaksiyonu) 
Reaksiyon nitro bileşiklerini (çözücüler, birçok sentez için başlangıç malzemeleri) elde etmek için kullanılır.
Alkanların oksijenle katalitik oksidasyonu
Bu reaksiyonlar, doymuş hidrokarbonlardan doğrudan aldehitlerin, ketonların ve alkollerin üretimine yönelik en önemli endüstriyel işlemlerin temelini oluşturur; örneğin:
CH4 + [O] -> CH3OH
Başvuru
Doymuş hidrokarbonlar, özellikle metan, çok geniş uygulama endüstride (Şema 2). Bunlar basit ve oldukça ucuz yakıttır, elde etmek için hammaddelerdir. büyük miktar en önemli bağlantılar.
En ucuz hidrokarbon hammaddesi olan metandan elde edilen bileşikler birçok başka madde ve malzemenin üretiminde kullanılmaktadır. Metan, amonyak sentezinde hidrojen kaynağı olarak ve ayrıca hidrokarbonların, alkollerin, aldehitlerin ve diğer organik bileşiklerin endüstriyel sentezi için kullanılan sentez gazı (CO ve H2 karışımı) üretmek için kullanılır. 
Yüksek kaynama noktalı yağ fraksiyonlarının hidrokarbonları, dizel ve turbojet motorlar için yakıt olarak, yağlama yağlarının temeli olarak, sentetik yağların vb. üretiminde hammadde olarak kullanılır.
İşte metanın katılımıyla meydana gelen endüstriyel açıdan önemli birkaç reaksiyon. Metan, kloroform, nitrometan ve oksijen içeren türevleri üretmek için kullanılır. Alkoller, aldehitler, karboksilik asitler, reaksiyon koşullarına (katalizör, sıcaklık, basınç) bağlı olarak alkanların oksijenle doğrudan etkileşimi sonucu oluşturulabilir: 
Bildiğiniz gibi, C5H12'den C11H24'e kadar olan bileşimin hidrokarbonları, yağın benzin fraksiyonuna dahil edilir ve esas olarak içten yanmalı motorlar için yakıt olarak kullanılır. Benzinin en değerli bileşenlerinin maksimum patlama direncine sahip olmaları nedeniyle izomerik hidrokarbonlar olduğu bilinmektedir.
Hidrokarbonlar atmosferik oksijenle temas ettiğinde yavaş yavaş onunla bileşikler (peroksitler) oluştururlar. Bu, bir oksijen molekülü tarafından başlatılan, yavaş yavaş meydana gelen bir serbest radikal reaksiyonudur: 
Hidroperoksit grubunun, doğrusal veya normal hidrokarbonlarda en çok bulunan ikincil karbon atomlarında oluştuğunu lütfen unutmayın.
Sıkıştırma strokunun sonunda meydana gelen basınç ve sıcaklıkta keskin bir artışla, bu peroksit bileşiklerinin ayrışması, serbest radikal yanma zincir reaksiyonunu gerekenden daha erken "tetikleyen" çok sayıda serbest radikalin oluşumuyla başlar. Piston hala yukarı çıkıyor ve karışımın erken tutuşması sonucu oluşan benzinin yanma ürünleri onu aşağı itiyor. Bu, motor gücünde ve aşınmada keskin bir azalmaya yol açar.
Bu nedenle patlamanın ana nedeni, doğrusal hidrokarbonlarda maksimum düzeyde oluşma yeteneği olan peroksit bileşiklerinin varlığıdır.
C-heptan, benzin fraksiyonunun (C5H14 - C11H24) hidrokarbonları arasında en düşük patlama direncine sahiptir. En kararlı olanı (yani en az oranda peroksit oluşturan) izooktandır (2,2,4-trimetilpentan).
Benzinin vuruntu direncinin genel olarak kabul edilen bir özelliği oktan sayısıdır. Oktan sayısının 92 olması (örneğin A-92 benzini), bu benzinin %92 izooktan ve %8 heptandan oluşan bir karışımla aynı özelliklere sahip olduğu anlamına gelir.
Sonuç olarak, yüksek oktanlı benzin kullanımının sıkıştırma oranını (sıkıştırma stroku sonundaki basınç) artırmayı mümkün kıldığını, bunun da gücün artmasına yol açtığını ekleyebiliriz ve Motor verimliliği içten yanma.
Doğada olmak ve almak
Bugünkü derste alkan kavramıyla tanıştınız ve ayrıca onun hakkında bilgi sahibi oldunuz. kimyasal bileşim ve elde etme yöntemleri. Bu nedenle şimdi alkanların doğada varlığı konusu üzerinde daha detaylı duralım ve alkanların nasıl ve nerede uygulama bulduğunu öğrenelim.
Alkan üretiminin ana kaynakları doğal gaz ve petroldür. Petrol rafine ürünlerinin büyük kısmını oluştururlar. Sedimanter kaya birikintilerinde yaygın olarak bulunan metan, aynı zamanda alkanların bir gaz hidratıdır.
Ana bileşen doğal gaz metandır ancak az miktarda etan, propan ve bütan da içerir. Metan, kömür yataklarından, bataklıklardan ve ilgili petrol gazlarından kaynaklanan emisyonlarda bulunabilir.
Ancanlar koklaştırma yoluyla da elde edilebilir kömür. Doğada, dağ mumu birikintileri şeklinde sunulan katı alkanlar - ozokeritler de vardır. Ozokerit, bitkilerin veya tohumlarının mumsu kaplamalarında ve ayrıca balmumunda bulunabilir.
Alkanların endüstriyel izolasyonu doğal Kaynaklar Neyse ki hala tükenmez durumdalar. Karbon oksitlerin katalitik hidrojenlenmesiyle elde edilirler. Metan ayrıca sodyum asetatın katı alkali ile ısıtılması veya belirli karbürlerin hidrolizi yöntemi kullanılarak laboratuvarda da üretilebilir. Ancak alkanlar dekarboksilasyon yoluyla da elde edilebilir. karboksilik asitler ve elektrolizleri sırasında.
Alkanların uygulamaları
Ev düzeyindeki alkanlar, insan faaliyetinin birçok alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonuçta doğalgazsız hayatımızı hayal etmek çok zor. Doğal gazın temelinin, topografik boya ve lastik üretiminde kullanılan karbon siyahının üretildiği metan olduğu da kimse için bir sır olmayacak. Herkesin evinde bulunan buzdolabı da soğutucu olarak kullanılan alkan bileşikleri sayesinde çalışmaktadır. Metandan elde edilen asetilen, metallerin kaynaklanması ve kesilmesinde kullanılır.
Artık alkanların yakıt olarak kullanıldığını zaten biliyorsunuz. Benzin, gazyağı, motorin ve akaryakıtta bulunurlar. Ayrıca yağlama yağlarında, vazelinde ve parafinde de bulunurlar.
Sikloheksan, solvent olarak ve çeşitli polimerlerin sentezinde geniş kullanım alanı bulmuştur. Anestezide siklopropan kullanılır. Squalane, yüksek kaliteli bir yağlama yağı olarak birçok farmasötik ve kozmetik preparatın bir bileşenidir. Alkanlar, alkol, aldehitler ve asitler gibi organik bileşiklerin üretilmesinde kullanılan hammaddelerdir.
Parafin yüksek alkanların bir karışımıdır ve toksik olmadığından gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Süt ürünleri, meyve suları, tahıllar vb. ambalajlarının emprenye edilmesinde ve aynı zamanda imalatta da kullanılır. sakız. Isıtılmış parafin ise tıpta parafin tedavisinde kullanılır.
Yukarıdakilere ek olarak kibrit başları parafin ile emprenye edilir. daha iyi yanma, kalemler ve mumlar ondan yapılır.
Parafinin oksitlenmesiyle başta organik asitler olmak üzere oksijen içeren ürünler elde edilir. Belirli sayıda karbon atomuna sahip sıvı hidrokarbonlar karıştırıldığında parfümeri ve kozmetolojide olduğu kadar tıpta da yaygın olarak kullanılan Vazelin elde edilir. Çeşitli merhem, krem ve jellerin hazırlanmasında kullanılır. Tıpta termal prosedürler için de kullanılırlar.
Pratik görevler
1. Homolog alkan serilerinin hidrokarbonlarının genel formülünü yazın.
2. Heksanın olası izomerlerinin formüllerini yazın ve bunları sistematik isimlendirmeye göre adlandırın.
3. Çatlama nedir? Ne tür çatlamalar biliyorsunuz?
4. Heksan çatlamasının olası ürünlerinin formüllerini yazın.
5. Aşağıdaki dönüşüm zincirini deşifre edin. A, B ve C bileşiklerini adlandırın.
6. Bromlama sonucunda yalnızca bir monobromin türevi oluşturan C5H12 hidrokarbonunun yapısal formülünü veriniz.
7. Yapısı bilinmeyen 0,1 mol alkanın tamamen yanması için 11,2 litre oksijen tüketildi (ortam koşullarında). Bir alkanın yapısal formülü nedir?
8. Bu gazın 11 gramı 5,6 litrelik bir hacim kaplıyorsa (standart koşullarda) gaz halindeki doymuş bir hidrokarbonun yapısal formülü nedir?
9. Metan kullanımı hakkında bildiklerinizi hatırlayın ve sızıntının nedenini açıklayın evsel gaz Bileşenleri kokusuz olmasına rağmen kokuyla tespit edilebilir.
10*. Metanın katalitik oksidasyonu ile hangi bileşikler elde edilebilir? farklı koşullar? Karşılık gelen reaksiyonların denklemlerini yazın.
on bir*. Tam yanma ürünleri (fazla oksijende) 10.08 litre (N.S.) etan ve propan karışımı, fazla miktarda kireç suyundan geçirildi. Bu durumda 120 gr çökelti oluştu. İlk karışımın hacimsel bileşimini belirleyin.
12*. İki alkan karışımının etan yoğunluğu 1.808'dir. Bu karışımın bromlanması üzerine yalnızca iki çift izomerik monobromoalkan izole edildi. Reaksiyon ürünlerindeki hafif izomerlerin toplam kütlesi, daha ağır izomerlerin toplam kütlesine eşittir. İlk karışımdaki daha ağır alkanın hacim oranını belirleyin.
Alkanların yapısı
En basit alkanların (metan, etan ve propan) kimyasal yapısı (moleküllerdeki atomların bağlantı sırası), bölüm 2'de verilen yapısal formülleriyle gösterilir. Bu formüllerden, iki tür kimyasal bağın olduğu açıktır. alkanlar:
S–S ve S–N.
C-C bağı kovalent olup polar değildir. C-H bağı kovalent ve zayıf polardır çünkü karbon ve hidrojen elektronegatiflik açısından birbirine yakındır (karbon için 2,5 ve hidrojen için 2,1). Karbon ve hidrojen atomlarının paylaşılan elektron çiftleri nedeniyle alkanlarda kovalent bağların oluşumu elektronik formüller kullanılarak gösterilebilir:
Elektronik ve yapısal formüller kimyasal yapıyı yansıtır ancak moleküllerin uzaysal yapısı hakkında fikir vermez, bu da maddenin özelliklerini önemli ölçüde etkiler.
Mekansal yapı, yani Bir molekülün atomlarının uzaydaki göreceli düzeni, bu atomların atomik yörüngelerinin (AO) yönüne bağlıdır. Hidrokarbonlarda, hidrojen atomunun küresel 1s-AO'su belirli bir yönelimden yoksun olduğundan, ana rol, karbonun atomik yörüngelerinin uzaysal yönelimi tarafından oynanır.
Karbon AO'nun uzaysal düzeni ise hibridizasyonunun türüne bağlıdır (Bölüm I, Bölüm 4.3). Alkanlardaki doymuş karbon atomu diğer dört atoma bağlanır. Bu nedenle durumu sp3 hibridizasyonuna karşılık gelir (Bölüm I, bölüm 4.3.1). Bu durumda, dört sp3-hibrit karbon AO'nun her biri, hidrojenin s-AO'su veya başka bir karbon atomunun sp3-AO'su ile eksenel (σ-) örtüşmeye katılarak σ-CH veya C-C bağları oluşturur.
Karbonun dört σ-bağı, uzayda 109°28" açıyla yönlendirilir; bu, elektronların en az itmesine karşılık gelir. Bu nedenle, alkanların en basit temsilcisinin molekülü - metan CH4 - bir tetrahedron şekline sahiptir, merkezinde bir karbon atomu vardır ve köşelerde hidrojen atomları vardır:
H-C-H bağ açısı 109°28"dir. Metanın uzaysal yapısı hacimsel (ölçek) ve top ve çubuk modelleri kullanılarak gösterilebilir.
Kayıt için uzaysal (stereokimyasal) bir formülün kullanılması uygundur.
Bir sonraki homolog olan etan C2H6 molekülünde, iki tetrahedral sp3 karbon atomu daha karmaşık bir uzaysal yapı oluşturur:
2'den fazla karbon atomu içeren alkan molekülleri kavisli şekillerle karakterize edilir.Bu, n-bütan (VRML modeli) veya n-pentan örneği kullanılarak gösterilebilir:
Alkanların izomerizmi
İzomerizm, aynı bileşime sahip (aynı) bileşiklerin varlığı olgusudur. Moleküler formül), ancak farklı bir yapıya sahiptir. Bu tür bağlantılara denir izomerler.
Moleküllerde atomların bir araya gelme sırasındaki farklılıklar (yani kimyasal yapı) yapısal izomerizm. Yapısal izomerlerin yapısı yapısal formüllerle yansıtılır. Alkan serilerinde yapısal izomerlik, zincir 4 veya daha fazla karbon atomu içerdiğinde kendini gösterir; bütan C 4 H 10 ile başlayarak. Aynı bileşime ve aynı kimyasal yapıya sahip moleküllerde atomların uzayda farklı göreceli konumları mümkünse, o zaman şunu gözlemleriz: uzaysal izomerizm (stereoizomerizm). Bu durumda yapısal formüllerin kullanımı yeterli olmayıp moleküler modeller veya özel formüller (stereokimyasal (uzaysal) veya projeksiyon) kullanılmalıdır.
Etan H3C–CH3 ile başlayan alkanlar çeşitli uzaysal formlarda bulunur ( konformasyonlar), C – C σ bağları boyunca molekül içi dönmenin neden olduğu ve sözde sergileyen rotasyonel (konformasyonel) izomerizm.
Ek olarak, eğer bir molekül 4 farklı ikame ediciye bağlı bir karbon atomu içeriyorsa, iki stereoizomer birbiriyle bir nesne ve onun ayna görüntüsü olarak ilişki kurduğunda başka türde bir uzaysal izomerizm mümkündür (bunun nasıl yapıldığına benzer). sol el doğru olanı ifade eder). Moleküllerin yapısındaki bu tür farklılıklara denir optik izomerizm.
. Alkanların yapısal izomerizmi
Yapısal izomerler, atomların bağlanma sırasına göre farklılık gösteren aynı bileşime sahip bileşiklerdir; kimyasal yapı moleküller.
Alkan dizilerinde yapısal izomerizmin ortaya çıkmasının nedeni, karbon atomlarının farklı yapılarda zincirler oluşturabilme yeteneğidir.Bu tür yapısal izomerizm denir. karbon iskelet izomerizmi.
Örneğin, C4H10 bileşimindeki bir alkan şu formda mevcut olabilir: iki yapısal izomerler:
ve alkan C5H12 - formunda üç karbon zincirinin yapısında farklılık gösteren yapısal izomerler:
Moleküllerdeki karbon atomlarının sayısı arttıkça zincir dallanma olasılıkları da artar. Karbon atomlarının sayısı arttıkça izomerlerin sayısı da artar.
Yapısal izomerler fiziksel özelliklerde farklılık gösterir. Dallanmış yapıya sahip alkanlar, moleküllerin daha az yoğun paketlenmesi ve buna bağlı olarak moleküller arası etkileşimlerin daha küçük olması nedeniyle, dallanmamış izomerlerinden daha düşük bir sıcaklıkta kaynar.
İzomerlerin yapısal formüllerini oluşturma teknikleri
Bir alkan örneğine bakalım İLE 6 N 14 .
1. İlk önce doğrusal izomer molekülünü (karbon iskeletini) tasvir ediyoruz.
2. Daha sonra zinciri 1 karbon atomu kadar kısaltırız ve bu atomu, aşırı konumlar hariç, zincirin herhangi bir karbon atomuna bir dal olarak bağlarız:
Uç konumlardan birine bir karbon atomu bağlarsanız zincirin kimyasal yapısı değişmez:
Ayrıca tekrarlanmadığından emin olmanız gerekir. Dolayısıyla yapı yapı (2) ile aynıdır.
3. Ana zincirin tüm pozisyonları tükendiğinde zinciri 1 karbon atomu daha kısaltırız:
Artık yan dallarda 2 karbon atomu olacak. Burada aşağıdaki atom kombinasyonları mümkündür:
Bir yan ikame edici seri olarak bağlanmış 2 veya daha fazla karbon atomundan oluşabilir, ancak heksan için bu tür yan dallara sahip izomerler yoktur ve yapı, yapı (3) ile aynıdır.
Yan ikame edici - C-C yalnızca en az 5 karbon atomu içeren bir zincire yerleştirilebilir ve yalnızca zincirin ucundan itibaren 3. ve sonraki atoma bağlanabilir.
4. İzomerin karbon iskeletini oluşturduktan sonra, karbonun dört değerlikli olması nedeniyle moleküldeki tüm karbon atomlarının hidrojen bağlarıyla desteklenmesi gerekir.
Yani, kompozisyon İLE 6
N 14
5 izomere karşılık gelir: 1) 2) 
3)
4)
5)
İsimlendirme
Organik bileşiklerin isimlendirilmesi, her bir maddeye açık bir isim vermemizi sağlayan bir kurallar sistemidir.
Bu, bileşiklerin adlarında yapıları hakkında bilgi aktarmak için kullanılan kimya dilidir. Belirli bir yapıya sahip bir bileşik, bir sistematik isme karşılık gelir ve bu isimle bileşiğin yapısı (yapısal formülü) hayal edilebilir.
Şu anda IUPAC sistematik isimlendirmesi genel olarak kabul edilmektedir. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği– Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği).
Sistematik isimlerin yanı sıra, bir maddenin karakteristik özelliği, hazırlanma yöntemi, doğal kaynağı, uygulama alanı vb. ile ilişkilendirilen ancak yapısını yansıtmayan önemsiz (sıradan) isimler de kullanılmaktadır.
IUPAC terminolojisini uygulamak için belirli molekül parçalarının (organik radikaller) adlarını ve yapılarını bilmeniz gerekir.
"Organik radikal" terimi yapısal bir kavramdır ve eşlenmemiş elektrona sahip bir atomu veya atom grubunu karakterize eden "serbest radikal" terimiyle karıştırılmamalıdır.
Alkan serisindeki radikaller
Bir alkan molekülünden bir hidrojen atomu "çıkarılırsa", tek değerlikli bir "tortu" oluşur - bir hidrokarbon radikali ( R – ). Tek değerlikli alkan radikallerinin genel adı alkiller – son ekin değiştirilmesiyle oluşturulmuştur – tr Açık - silt : metan – metil, etan – etil, propan – içki üstüne içtim vesaire.
Tek değerlikli radikaller genel formülle ifade edilir İLE N N 2n+1 .
Molekülden 2 hidrojen atomunun çıkarılmasıyla iki değerlikli bir radikal elde edilir. Örneğin metandan iki değerlikli radikal –CH2– oluşturulabilir. metilen. Bu tür radikallerin isimleri şu eki kullanır: Ilen.
Dallanmış alkanların ve diğer bileşiklerin adlarının oluşumunda radikallerin adları, özellikle tek değerlikli olanlar kullanılır. Bu tür radikaller moleküllerin bileşenleri, yapısal detayları olarak düşünülebilir. Bir bileşiğe isim vermek için molekülünün hangi “parçalardan” (radikallerden) oluştuğunu hayal etmek gerekir.
Metan CH 4 tek değerlikli bir radikale karşılık gelir metil CH 3 .
Etan'dan İLE 2 N 6 sadece bir radikal üretmek de mümkündür - etil CH 2 CH 3 (veya - C 2 H 5 ).
Propan CH 3 –CH 2 –CH 3 iki izomerik radikale karşılık gelir İLE 3 N 7 :
Radikaller ikiye ayrılır öncelik, ikincil Ve üçüncül bağlı olarak hangi karbon atomu(birincil, ikincil veya üçüncül) serbest değerliktir. Bu temelde n-propil birincil radikallere aittir ve izopropil– ikincil olanlara.
İki alkan C 4 H 10 ( N-bütan ve izobütan) 4 tek değerlikli radikale karşılık gelir -İLE 4 N 9 :
İtibaren N-bütan üretilir n-bütil(birincil radikal) ve sec-butil(ikincil radikal), - izobütandan - izobütil(birincil radikal) ve tert-bütil(üçüncül radikal).
Böylece izomerizm olgusu radikal dizilerinde de gözlenir, ancak izomerlerin sayısı karşılık gelen alkanlarınkinden daha fazladır.
Radikallerden alkan moleküllerinin yapımı
Örneğin bir molekül
farklı tek değerlikli radikal çiftlerinden üç şekilde "birleştirilebilir":
Bu yaklaşım bazı organik bileşiklerin sentezlerinde kullanılır, örneğin:
Nerede R– tek değerlikli hidrokarbon radikali (Wurtz reaksiyonu).
IUPAC sistematik uluslararası terminolojiye göre alkan adlarını oluşturma kuralları
En basit alkanlar (C1-C4) için önemsiz isimler kabul edilir: metan, etan, propan, bütan, izobütan.
Beşinci homologdan başlayarak isimler normal(dallanmamış) alkanlar, Yunan rakamları ve son ek kullanılarak karbon atomu sayısına göre oluşturulur. -BİR: pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan ve Daha öte...
İsmin kalbinde dallanmış alkan, yapısında yer alan en uzun karbon zincirine sahip normal alkanın adıdır. Bu durumda, dallanmış zincirli bir hidrokarbon, normal bir alkandaki hidrojen atomlarının hidrokarbon radikalleri ile değiştirilmesinin bir ürünü olarak kabul edilir.
Örneğin alkan
ikame edilmiş sayılır pentan iki hidrojen atomunun yerini radikallerin aldığı –CH 3 (metil).
Dallanmış bir alkanın adının oluşturulma sırası
Moleküldeki ana karbon zincirini seçin. Öncelikle en uzun olması gerekiyor. İkinci olarak, eşit uzunlukta iki veya daha fazla zincir varsa en dallı olan seçilir. Örneğin, bir molekülde aynı sayıda (7) C atomuna (renkli olarak vurgulanmıştır) sahip 2 zincir vardır:
(a) durumunda zincirin 1 ikame edicisi vardır ve (b) - 2 durumunda. Bu nedenle (b) seçeneğini seçmelisiniz.
Ana zincirdeki karbon atomlarını, ikame edicilerle ilişkili C atomlarının mümkün olan en düşük sayıları alacağı şekilde numaralandırın. Bu nedenle numaralandırma zincirin dala en yakın ucundan başlar. Örneğin:
Tüm radikalleri (ikame edicileri), ana zincirdeki konumlarını gösteren sayıları önde belirterek adlandırın. Birkaç özdeş ikame edici varsa, bunların her biri için virgülle ayrılmış bir sayı (konum) yazılır ve sayıları öneklerle gösterilir. di-, üç-, dörtlü-, penta- vesaire. (Örneğin, 2,2-dimetil veya 2,3,3,5-tetrametil).
Tüm ikame edicilerin adlarını alfabetik sıraya göre yerleştirin (en son IUPAC kurallarına göre).
Karbon atomlarının ana zincirini adlandırın, yani. karşılık gelen normal alkan.
Böylece dallanmış bir alkan adına
kök+sonek – normal bir alkanın adı (Yunan rakam + sonek "an"), önekler – hidrokarbon radikallerinin sayıları ve adları.
Başlık yapısına örnek:
Alkanların kimyasal özellikleri
Herhangi bir bileşiğin kimyasal özellikleri, yapısına göre belirlenir; bileşiminde yer alan atomların doğası ve aralarındaki bağların doğası.
Bu konuma ve C–C ve C–H bağlarına ilişkin referans verilerine dayanarak, hangi reaksiyonların alkanlara özgü olduğunu tahmin etmeye çalışalım.
İlk olarak, alkanların aşırı doygunluğu, katılma reaksiyonlarına izin vermez, ancak ayrışmayı, izomerleşmeyi ve ikame reaksiyonlarını engellemez (bkz. Kısım I, Bölüm 6.4 "Reaksiyon Türleri" ). İkinci olarak, polar olmayan C-C ve zayıf polar C-H kovalent bağlarının simetrisi (dipol momentlerin değerleri için tabloya bakın), bunların serbest radikallere homolitik (simetrik) bölünmesini önerir ( Kısım I, Bölüm 6.4.3 ). Bu nedenle alkanların reaksiyonları şu şekilde karakterize edilir: radikal mekanizma. C-C ve C-H bağlarının heterolitik bölünmesi normal koşullar altında meydana gelmediğinden, alkanlar pratik olarak iyonik reaksiyonlara girmezler. Bu, polar reaktiflerin (asitler, alkaliler, iyonik oksitleyici maddeler: KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, vb.) etkisine karşı dirençlerinde kendini gösterir. Alkanların iyonik reaksiyonlardaki bu inertliği, daha önce bunların inaktif maddeler olarak değerlendirilmesine ve parafin olarak adlandırılmasına temel teşkil ediyordu. Video deneyimi"Metanın potasyum permanganat çözeltisi ve bromlu su ile ilişkisi." Yani alkanlar reaktivitelerini esas olarak radikal reaksiyonlarda gösterirler.
Bu tür reaksiyonların koşulları: yüksek sıcaklık (genellikle reaksiyon gaz fazında gerçekleştirilir), ışığa veya radyoaktif radyasyona maruz kalma, serbest radikallerin (başlatıcılar) kaynağı olan bileşiklerin varlığı, polar olmayan çözücüler.
Moleküldeki hangi bağın ilk önce kırıldığına bağlı olarak alkan reaksiyonları aşağıdaki türlere ayrılır. C-C bağları kırıldığında reaksiyonlar meydana gelir ayrışma(alkanların çatlaması) ve izomerleştirme karbon iskeleti. C-H bağlarında reaksiyonlar mümkündür ikame hidrojen atomu veya onun ayrılmak(alkanların dehidrojenasyonu). Ek olarak, alkanlardaki karbon atomları en indirgenmiş formdadır (karbonun oksidasyon durumu, örneğin metanda -4, etanda -3, vb.) ve oksitleyici maddelerin varlığında reaksiyonlar aşağıdaki koşullar altında meydana gelecektir: belirli koşullar oksidasyon C–C ve C–H bağlarını içeren alkanlar.
Alkanların çatlaması
Çatlama, büyük moleküllerin karbon zincirinin daha kısa zincirli bileşiklerin oluşumuyla bölünmesi reaksiyonlarına dayanan hidrokarbonların termal ayrışma sürecidir.
Alkanların parçalanması, motor yakıtları, yağlama yağları vb. olarak kullanılan daha düşük moleküler ağırlıklı ürünlerin yanı sıra kimya ve petrokimya endüstrileri için hammaddeler elde etmek amacıyla petrol rafinasyonunun temelidir. Bu işlemi gerçekleştirmenin iki yolu vardır: termal kırma(hava erişimi olmadan ısıtıldığında) ve katalitik çatlama(bir katalizör varlığında daha ılımlı ısıtma).
Termal kırma. 450-700 o C sıcaklıkta, C-C bağlarının bölünmesi nedeniyle alkanlar ayrışır (bu sıcaklıkta daha güçlü C-H bağları korunur) ve daha az sayıda karbon atomuna sahip alkanlar ve alkenler oluşur.
Örneğin:
C 6 H 14 C 2 H 6 +C 4 H 8
Bağların parçalanması serbest radikallerin oluşumuyla homolitik olarak gerçekleşir:
Serbest radikaller çok aktiftir. Bunlardan biri (örneğin etil) atomik hidrojeni soyutlar N bir diğerinden ( N-bütil) ve alkan'a (etan) dönüşür. İki değerlikli hale gelen başka bir radikal, komşu atomlardan iki elektron eşleştirildiğinde bir π bağı oluşması nedeniyle bir alkene (buten-1) dönüşür:
Animasyon(Samara'daki 124 numaralı okulun 9. sınıf öğrencisi Alexey Litvishko'nun çalışması)
Moleküldeki herhangi bir rastgele konumda C-C bağ bölünmesi mümkündür. Bu nedenle, orijinal alkandan daha düşük moleküler ağırlığa sahip bir alkan ve alken karışımı oluşur.
Genel olarak bu süreç aşağıdaki diyagramla ifade edilebilir:
C N H 2n+2 C M H 2m +C P H 2p+2 , Nerede m + p = n
Daha yüksek sıcaklıklarda (1000C'nin üzerinde), yalnızca C–C bağları kırılmaz, aynı zamanda daha güçlü C–H bağları da oluşur. Örneğin metanın termal parçalanması, kurum (saf karbon) ve hidrojen üretmek için kullanılır:
CH 4 C+2H 2
Termal çatlama bir Rus mühendis tarafından keşfedildi V.G. Şuhov 1891'de
Katalitik çatlama 500°C sıcaklıkta katalizörlerin (genellikle alüminyum ve silikon oksitler) varlığında gerçekleştirilir ve atmosferik basınç. Bu durumda moleküllerin parçalanmasıyla birlikte izomerizasyon ve dehidrojenasyon reaksiyonları meydana gelir. Örnek: oktan çatlaması(Samara'daki 124 numaralı okulun 9. sınıf öğrencisi Alexey Litvishko'nun çalışması). Alkanlar dehidrojene edildiğinde siklik hidrokarbonlar oluşur (reaksiyon dehidrosiklizasyon, bölüm 2.5.3). Benzinde dallanmış ve siklik hidrokarbonların varlığı, kalitesini artırır (oktan sayısıyla ifade edilen vuruntu direnci). Parçalama işlemleri, esas olarak doymuş ve doymamış hidrokarbonlar içeren büyük miktarda gaz üretir. Bu gazlar kimya sanayinde hammadde olarak kullanılmaktadır. Alüminyum klorür varlığında katalitik parçalama üzerine temel çalışmalar yapılmıştır. N.D. Zelinski.
Alkanların izomerizasyonu
Katalizörlerin etkisi altında ve ısıtıldığında normal yapıdaki alkanlar, moleküllerin bileşimini değiştirmeden dallı alkanlara dönüşebilir; izomerizasyon reaksiyonlarına girer. Bu reaksiyonlar, molekülleri en az 4 karbon atomu içeren alkanları içerir.
Örneğin, n-pentanın izopentana (2-metilbütan) izomerizasyonu, bir alüminyum klorür katalizörünün varlığında 100°C'de meydana gelir:
Başlangıç malzemesi ve izomerizasyon reaksiyonunun ürünü aynı moleküler formüllere sahiptir ve yapısal izomerlerdir (karbon iskelet izomerizmi).
Alkanların dehidrojenasyonu
Alkanlar katalizörlerin (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr203, Fe203, ZnO) varlığında ısıtıldığında katalitik dehidrojenasyon– C-H bağlarının kırılması nedeniyle hidrojen atomlarının çıkarılması.
Dehidrojenasyon ürünlerinin yapısı reaksiyon koşullarına ve başlangıç alkan molekülündeki ana zincirin uzunluğuna bağlıdır.
1. Zincirde 2 ila 4 karbon atomu içeren alt alkanlar, bir Ni katalizörü üzerinde ısıtıldığında hidrojeni uzaklaştırır. komşu karbon atomlarına dönüşür ve alkenler:
İle birlikte buten-2 bu reaksiyon üretir buten-1 CH2 =CH-CH2-CH3. 450-650 °C'de bir Cr2O3/Al2O3 katalizörünün varlığında N-bütan da elde edilir bütadien-1,3 CH2=CH-CH=CH2.
2. Ana zincirde 4'ten fazla karbon atomu içeren alkanlar, elde etmek için kullanılır. döngüsel bağlantılar. Bu olur dehidrosiklizasyon– zincirin stabil bir döngüye kapanmasına yol açan dehidrojenasyon reaksiyonu.
Bir alkan molekülünün ana zinciri 5 (ancak daha fazla değil) karbon atomu içeriyorsa ( N-pentan ve alkil türevleri), daha sonra bir Pt katalizörü üzerinde ısıtıldığında, hidrojen atomları karbon zincirinin terminal atomlarından ayrılır ve beş üyeli bir döngü oluşturulur (siklopentan veya türevleri):
6 veya daha fazla karbon atomlu bir ana zincire sahip alkanlar da dehidrosiklizasyona tabi tutulur, ancak her zaman 6 üyeli bir halka (sikloheksan ve türevleri) oluştururlar. Reaksiyon koşulları altında, bu döngü daha fazla dehidrojenasyona uğrar ve aromatik bir hidrokarbonun (aren) enerji açısından daha kararlı benzen halkasına dönüşür. Örneğin:
Bu reaksiyonlar sürecin temelini oluşturur reform yapmak- aren elde etmek için petrol ürünlerinin işlenmesi ( aromatizasyon doymuş hidrokarbonlar) ve hidrojen. dönüşüm N- Arenadaki alkanlar, benzinin patlama direncinde bir iyileşmeye yol açar.
3. 1500 С'de meydana gelir moleküller arası dehidrojenasyonşemaya göre metan:
Bu reaksiyon ( metan pirolizi ) asetilenin endüstriyel üretiminde kullanılır.
Alkan oksidasyon reaksiyonları
Organik kimyada oksidasyon ve indirgeme reaksiyonları, organik bir bileşik tarafından hidrojen ve oksijen atomlarının kaybı ve edinimini içeren reaksiyonlar olarak kabul edilir. Bu işlemlere doğal olarak atomların oksidasyon durumlarında bir değişiklik eşlik eder ( Kısım I, Bölüm 6.4.1.6 ).
Organik bir maddenin oksidasyonu, bileşimine oksijenin dahil edilmesi ve (veya) hidrojenin ortadan kaldırılmasıdır. İndirgeme ters işlemdir (hidrojenin eklenmesi ve oksijenin ortadan kaldırılması). Alkanların (C n H 2n + 2) bileşimi göz önüne alındığında, bunların indirgeme reaksiyonlarına katılamadıkları, ancak oksidasyon reaksiyonlarına katılabilecekleri sonucuna varabiliriz.
Alkanlar, karbonun düşük oksidasyon durumuna sahip bileşiklerdir ve reaksiyon koşullarına bağlı olarak çeşitli bileşikler oluşturmak üzere oksitlenebilirler.
Sıradan sıcaklıklarda alkanlar güçlü oksitleyici maddelerle (H2Cr207, KMnO4, vb.) bile reaksiyona girmez. Açık aleve maruz bırakıldığında alkanlar yanar. Bu durumda, aşırı oksijen durumunda, karbonun en yüksek oksidasyon durumuna +4 ve suya sahip olduğu CO2'ye tamamen oksitlenirler. Hidrokarbonların yanması tüm maddelerin parçalanmasına yol açar. C-C bağlantıları ve C-H'dir ve buna büyük miktarda ısının salınması (ekzotermik reaksiyon) eşlik eder.
Düşük (gaz halindeki) homologlar - metan, etan, propan, bütan - kolayca yanıcıdır ve hava ile patlayıcı karışımlar oluşturur, bunları kullanırken dikkate alınması gerekir. Molekül ağırlığı arttıkça alkanların tutuşması daha zordur. Video deneyimi"Metan ve oksijen karışımının patlaması." Video deneyimi"Sıvı alkanların yanması". Video deneyimi"Parfin yanıyor."
Hidrokarbonların yanma süreci enerji üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır (içten yanmalı motorlarda, termik santrallerde vb.).
Alkanların genel formdaki yanma reaksiyonu denklemi:
Bu denklemden, karbon atomu sayısındaki artışla ( N) bir alkanda, tam oksidasyonu için gereken oksijen miktarı artar. Daha yüksek alkanları yakarken ( N>>1) Havanın içerdiği oksijen bunların tamamen CO2'ye oksidasyonu için yeterli olmayabilir. Daha sonra kısmi oksidasyon ürünleri oluşur: karbonmonoksit CO (karbon oksidasyon durumu +2), is(ince karbon, sıfır oksidasyon durumu). Bu nedenle yüksek alkanlar havada dumanlı bir alevle yanar ve yol boyunca zehirli gaz açığa çıkar. karbonmonoksit(kokusuz ve renksiz) insanlar için tehlikelidir.
TANIM
Alkanlar Molekülleri birbirine yalnızca σ bağlarıyla bağlanan karbon ve hidrojen atomlarından oluşan doymuş hidrokarbonlar denir.
Normal koşullar altında (25 o C'de ve atmosferik basınçta), homolog alkan serisinin (C1 - C4) ilk dört üyesi gazdır. Pentandan heptadekan'a kadar olan normal alkanlar (C5 - C17) sıvıdır, C18 ve üzeri ise katılardır. Bağıl molekül ağırlığı arttıkça alkanların kaynama ve erime noktaları artar. Şu tarihte: aynı numara Bir moleküldeki karbon atomlarının sayısı, dallanmış yapıya sahip alkanlarda daha fazladır. Düşük sıcaklık kaynama noktası normal alkanlara göre daha yüksektir. Örnek olarak metan kullanan alkan molekülünün yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.
Pirinç. 1. Metan molekülünün yapısı.
Alkanlar, molekülleri düşük kutuplu olduğundan ve su molekülleri ile etkileşime girmediğinden suda pratik olarak çözünmezler. Sıvı alkanlar birbirleriyle kolayca karışır. Benzen, karbon tetraklorür, dietil eter vb. gibi polar olmayan organik çözücülerde iyi çözünürler.
Alkanların hazırlanması
40'a kadar karbon atomu içeren çeşitli doymuş hidrokarbonların ana kaynakları petrol ve doğal gazdır. Az sayıda karbon atomuna (1 - 10) sahip alkanlar, doğal gazın veya yağın benzin fraksiyonunun fraksiyonel damıtılmasıyla izole edilebilir.
Alkanların üretimi için endüstriyel (I) ve laboratuvar (II) yöntemleri vardır.
C + H2 → CH4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H2 → CH4 + H20 (kat = Ni, t0 = 200 - 300);
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H20 (kat, t0).
- doymamış hidrokarbonların hidrojenasyonu
CH3-CH=CH2 + H2 →CH3-CH2-CH3 (kat = Ni, t 0);
- haloalkanların azaltılması
C2H5I + HI →C2H6 + I2 (t 0);
- monobazik organik asitlerin tuzlarının alkali erime reaksiyonları
C2H5-COONa + NaOH → C2H6 + Na2C03 (t 0);
- haloalkanların sodyum metali ile etkileşimi (Wurtz reaksiyonu)
2C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr;
- monobazik organik asitlerin tuzlarının elektrolizi
2C2H5COONa + 2H20 → H2 + 2NaOH + C4H10+2C02;
K(-): 2H20 + 2e → H2 + 2OH-;
A(+):2C 2 H 5 COO — -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2 .
Alkanların kimyasal özellikleri
Alkanlar, yapıları ile açıklanabilen, en az reaktif organik bileşikler arasındadır.
Alkanlar normal şartlarda konsantre asitlerle, erimiş ve konsantre alkalilerle reaksiyona girmez. alkali metaller, halojenler (flor hariç), potasyum permanganat ve potasyum dikromat asidik bir ortamda.
Alkanlar için en tipik reaksiyonlar radikal bir mekanizmayla ilerleyen reaksiyonlardır. Homolitik bölünme enerji açısından daha uygundur C-H bağları ve C-C bunların heterolitik kırılmasından daha fazladır.
Radikal ikame reaksiyonları en kolay şekilde üçüncül karbon atomunda, daha sonra ikincil karbon atomunda ve son olarak birincil karbon atomunda meydana gelir.
Alkanların tüm kimyasal dönüşümleri bölünmeyle devam eder:
1) C-H bağları
— halojenasyon (SR)
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl ( hv);
CH3 -CH2 -CH3 + Br2 → CH3 -CHBr-CH3 + HBr ( hv).
- nitrasyon (SR)
CH3-C(CH3)H-CH3 + HONO2 (seyreltik) → CH3-C(NO2)H-CH3 + H20 (t 0).
- sülfoklorlama (SR)
R-H + S02 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
- dehidrojenasyon
CH3-CH3 → CH2 =CH2 + H2 (kat = Ni, t 0).
- dehidrosiklizasyon
CH3 (CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (kat = Cr203, t0).
2) C-H ve C-C bağları
- izomerizasyon (molekül içi yeniden düzenleme)
CH3-CH2-CH2-CH3 →CH3-C(CH3)H-CH3 (kat=AlCl3, t 0).
- oksidasyon
2CH3-CH2-CH2-CH3+502 → 4CH3COOH + 2H20 (t0,p);
C n H 2n+2 + (1,5n + 0,5) Ö 2 → nC02 + (n+1) H 2 Ö (t 0).
Alkanların uygulamaları
Alkanlar uygulama alanı buldu çeşitli endüstriler endüstri. Homolog serilerin bazı temsilcilerinin yanı sıra alkan karışımlarının örneğini kullanarak daha ayrıntılı olarak ele alalım.
Metan, karbon ve hidrojen, asetilen, oksijen içeren organik bileşikler - alkoller, aldehitler, asitlerin üretimi için en önemli kimyasal endüstriyel süreçlerin hammadde temelini oluşturur. Propan otomobil yakıtı olarak kullanılır. Bütan, sentetik kauçuk üretiminin hammaddesi olan bütadien üretmek için kullanılır.
Tıpta merhemlerin temeli olarak Vazelin adı verilen C 25'e kadar sıvı ve katı alkanların bir karışımı kullanılır. Emdirme için katı alkanlar C 18 - C 25 (parafin) karışımı kullanılır çeşitli malzemeler(kağıt, kumaş, ahşap) onlara hidrofobik özellikler kazandırmak için; su ile ıslanmaz. Tıpta fizyoterapötik prosedürler (parafin tedavisi) için kullanılır.
Problem çözme örnekleri
ÖRNEK 1
| Egzersiz yapmak | Metanın klorlanması sırasında, havadaki buhar yoğunluğu 5.31 olan 1.54 g bileşik elde edildi. Reaksiyona katılan metan ve klor hacimlerinin oranı 1:2 ise, klor üretmek için gerekli olacak manganez dioksit MnO2 kütlesini hesaplayın. |
| Çözüm | Belirli bir gazın kütlesinin, aynı hacimde, aynı sıcaklıkta ve aynı basınçta alınan başka bir gazın kütlesine oranına denir. bağıl yoğunluk ilk gaz ikincinin üzerindedir. Bu değer, birinci gazın ikinci gazdan kaç kat daha ağır veya daha hafif olduğunu gösterir. Havanın bağıl moleküler ağırlığı 29 olarak alınır (havadaki nitrojen, oksijen ve diğer gazların içeriği dikkate alınarak). Hava bir gaz karışımı olduğundan “havanın bağıl moleküler kütlesi” kavramının şartlı olarak kullanıldığına dikkat edilmelidir. Bulacağız molar kütle Metanın klorlanması sırasında oluşan gaz: M gaz = 29 ×D hava (gaz) = 29 × 5,31 = 154 g/mol. Bu karbon tetraklorür - CCl4'tür. Reaksiyon denklemini yazalım ve stokiyometrik katsayıları düzenleyelim: CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl. Karbon tetraklorür maddesinin miktarını hesaplayalım: n(CCl4) = m(CCl4) / M(CCl4); n(CCl4) = 1,54 / 154 = 0,01 mol. Reaksiyon denklemine göre n(CCl4) : n(CH4) = 1:1, yani n(CH4) = n(CCl4) = 0,01 mol. O halde klor maddesi miktarı n(Cl2) = 2 × 4 n(CH4)'e eşit olmalıdır, yani. n(Cl2) = 8 × 0,01 = 0,08 mol. Klor üretimi için reaksiyon denklemini yazalım: MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H20. Manganez dioksitin mol sayısı 0,08 mol'dür, çünkü n(Cl 2) : n(MnO 2) = 1: 1. Manganez dioksitin kütlesini bulun: m(Mn02) = n(Mn02) × M(Mn02); M(MnO2) = Ar(Mn) + 2×Ar(O) = 55 + 2×16 = 87 g/mol; m(MnO2) = 0,08 × 87 = 10,4 g. |
| Cevap | Manganez dioksitin kütlesi 10,4 g'dır. |
ÖRNEK 2
