ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ, ПАРАФИНЫ)

ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
(АЛКАНЫ, ПАРАФИНЫ)
Предельными называются УВ с общей формулой СnH2n+2, которые не присоединяют Н и другие
эле менты; УВ, в молекулах которых все связи насыщены атомами Н, а атомы С связаны простой
σ-связью.
Гомологический ряд:
Радикалы:
СН3― метил, С2Н5―этил, СН3―СН2―СН2― пропил,
СН4 метан
С6Н14 гексан
СН3 ― СН ― изопропил
СН3―СН―СН2― изобутил
С2Н6 этан
С7Н16 гептан
│
│
С3Н8 пропан С8Н18 октан
СН3
СН3
С4Н10 бутан С9Н20 нонан
С5Н12 пентан С10Н22 декан
СН 3―СН2―СН2―СН2― бутил
Гомологами наз. органические соединения отличающиеся на одну или несколько групп ―СН2 .
Радикалом наз. группу атомов, если из молекулы органического вещества мысленно отнять один атом Н.
Строение молекулы метана:
С 1S22S22P2
H
C 1S
C
H
2P
C* 1S
угол 109029'
2P
2S
2S
H
SP3 – гибридизация
H
Молекула метана имеет тетраэдрическое строение, все валентные связи от атома С направлены к вершинам тетраэдра, одинаково удалены друг от друга, угол между связями составляет 109028' . Атом С образует связь с четырьмя атомами водорода, в образовании связи участвуют 1s и 3р электроны атома С . Можно
было бы ожидать, что эти связи будут неравноценны, неодинаковы по энергии. СН4 + В действительности
они равноценны. Это происходит вследствие гибридизации. Для предельных УВ характерна sр3- гибридизация. Параметры связей: длина связи С-С 0,154 нм, энергия связи Е = 82,6 ккал/моль.
Физические свойства: Метан – газ без цвета и запаха, в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде, главная составная часть природного газа. СН4 – C4H10 – газы; от C5 до C15 – жидкости, от С16 –
твердые вещества. С12-25 вазелин (для приготовления мазей); С19-36 парафин (в физиотерапии).
Химические свойства:
I. Реакции замещения: (главное свойство)
1) Галогенирование (на свету h )
СНI3 – иодоформ (для ускорения заживления ран)
h
СН4
+ Сl2  СН3Сl + HCl хлорметан, хлористый метил
СН3Cl + Сl2 h СН2Сl2 + HCl дихлорметан, хлористый метилен
СН2Сl2 + Сl2 h СНСl3 + HCl трихлорметан, хлористый метин, хлороформ (общий наркоз)
СНСl3 + Сl2 h СН4
+ HCl тетрахлорметан, четыреххлористый углерод (растворитель, для
тушения пожаров, в медицине - при глистных инвазиях)
Механизм – свободнорадикальный (академик Н.Н.Семенов – Нобелевская премия! 1956 г.)
1) Инициирование цепи
..
..
.. .. hv
.
.
: Cl + : Cl
: Cl : Cl :
..
.. ..
2) Развитие цепи
3) Обрыв цепи
..
СН4 + Сl ·  СН3· + HСl
Сl · свободный радикал
СН3· + Сl2  СН3Cl + Сl ·
СН3· + СН3·  СН3─СН3 Сl · + Сl ·  Сl2
2) Нитрование (реакция М.И.Коновалова) Условия: p, t или H2SO4
СН4 + HO ─NO2(разб.) р, t→ СН3─NO2 + H2O нитрометан, нитрометил
3) Сульфирование (с трудом)
СН4 + HO ─ SO3H слаб.t → СН3─SO3H + H2O
метансульфокислота
(«дымящаяся», конц.)
II. Реакции разложения:
а) Пиролиз СН4 t > 1000 C-→ C + 2H2 (Пиролиз – разложение орг. в-в без доступа воздуха при t)
б) Крекинг с образованием ацетилена2СН4 t = 1500 C-→ HC  CH + 3H2 (Крекинг – расщепление УВ)
в)
с образованием этилена
2СН4 550-650 C-→ C2H4 + 2H2
III. Реакции окисления
Горение а) СН4 + 2О2 t→ СО2 + 2Н2О
горит голубым пламенем
t
2С5Н12 + 16О2 → 10СО2 + 12Н2О
б) неполное горение 2СН4 + 3О2 t→ 2СО + 4Н2О
СН4 + О2 t→ С + 2Н2О
Генетическая связь классов органических веществ
[O] - условный окислитель
OH
CH4
+[O]
CH3OH
+[O]
H
C
-H2O
OH
H
O +[O]
C
O +[O]
C
H
O
C
HO
H
CO2+ H2O
OH
OH
H
метан
метиловый
спирт,
метанол
гидратная
формальдегид
муравьиная к-та угольная к-та
форма
метаналь муравьи- метановая к –та
(неустойчивая)
ный альдегид
IV. Реакция дегидроциклизации (риформинг)
C6H14
t
Ni,Pt
H2 +
гексан
H2C
H2C
CH
CH2
CH2
C6H14
CH2
CH2
t
Ni,Pt
4H2 +
CH
HC
CH
HC
CH
циклогексан
бензол
V. Конверсия (превращение) метана (получение синтез газа)
СН4 + СО2 t, kat→ 2СО + 2Н2
СН4 + H2О t, kat→ 2СО + 3Н2
синтез-газ
Получение СН4:
1) Сплавление ацетата натрия с натронной
t
CH3 COONa + NaO H
CH4 + Na2CO3
известью (смесь тв. NaOH и Са(ОН)2 )
Ca(OH)2
2) Взаимодействие карбида алюминия с водой
Аl4C3 + 12H2O  3СН4 + 4AlOH)3
3) Синтез из углерода и водорода
С + 2Н2 t, kat→ СН4
4) Из водяного газа (синтез – газа)
СО + 3Н2 t, kat→ СН4 + H2О
5) В природе - метановое брожение (в болотах)
n (C6H10O5)n + nH2О → 3nCO2 + 3nСН4
Получение гомологов:
1) Реакция Вюрца – взаимодействие галогенпроизводных с Na.
Используется для получения гомологов СН4
CH3
CH3 Cl
(наращивание скелета).
+ 2Na
2NaCl +
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
CH3 Cl
CH3
Задание: Получить р.Вюрца 2,3-диметилбутан
CH3
CH Cl + 2Na + Cl
CH
CH3
CH3
2NaCl + CH3
CH3
CH
CH
CH3
CH3
CH3
2) Гидрирование непредельных УВ: CH2═ CH2 + H2 t, Ni,Pt→ CH3─CH3
3) Сплавление солей карбоновых кислот с NaOH: СnH2n+1COONa + NaOH → СnH2n+2 + Na2CO3
4) Изомеризация – превращение УВ нормального строения в разветвленное (в прис.kat - AlCl3):
CH3
CH
CH2
CH3
бутан
AlCl3
t
CH3
CH CH3
CH3 изобутан, 2-метилпропан
5) Из синтез - газа 4СО + 9Н2 → С4Н10 + 4Н2О или
nСО + (2n + 1) Н2 → СnН2n+2 + nН2О
Изомерия
1. Структурная (строение углеродного скелета)
2. Поворотная изомерия (доп. материал)
CH3
CH
CH2
CH3
CH3
CH CH3
CH3
бутан
2-метилпропан
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H H
C
H
H
H
H
заслоненная заторморможенная формы