Алканы

 

 

АлканыАлканы — предельные (насыщенные) алифатические углеводороды, между атомами углерода в молекулах которых только простые s-связи. Общая формула углеводородов гомологического ряда алканов CnH2n+2. Алканы являются насыщенными, или предельными, углеводородами, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода.

Строение алканов.

Для алканов характерна 3-гибридизация электронных орбиталей всех атомов углерода. Следствием этого является валентный угол между связями (109,5°), тетраэдрическое строение молекулы метана и всех его гомологов, зигзагообразная форма углеродного скелета. Все связи в молекулах алканов — простые s-связи. Длина связи между соседними атомами углерода 0,154 нм.

Физические свойства алканов.

При обычных условиях алканы с числом атомов углерода от 1 до 4 — газы, от 5 до 17 — жидкости, от 18 — твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи увеличиваются температуры кипения и плавления алканов. Изомеры нормального строения имеют более высокие температуры кипения, чем разветвленные. Алканы практически нерастворимы в воде (их молекулы неполярны), но хорошо растворимы в неполярных растворителях (например, бензоле), жидкие алканы сами являются хорошими неполярными растворителями. Плотность всех алканов меньше 1 г/см3, т.е. они легче воды.

Химические свойства

В обычных условиях алканы химически инертны, что объясняется высокой прочностью s-связей С—С и С—Н. Старое название алканов — парафины — происходит от латинских слов parum affinitatis — лишенные сродства, что отражает их исключительную химическую неактивность. Неполярные связи С—С и С—Н способны расщепляться только гомолитически под действием активных свободных радикалов. Поэтому алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. При радикальных реакциях в первую очередь замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.

1. Галогенирование.

При взаимодействии алканов с хлором и бромом под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов.

2. Нитрование (реакция Коновалова).

При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при нагревании и небольшом давлении протекает радикальная реакция замещения.

3. Изомеризация — превращение углеводородов нормального строения в изомеры с разветвленным строением углеродного скелета:

4. Крекинг (от англ. cracking — расщепление) — радикальный разрыв связей С—С.

Крекинг тяжелых нефтепродуктов применяют для повышения выхода бензина, он протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов используют природные или синтетические алюмосиликаты. Применение катализатора позволяет вести крекинг при более низкой температуре (450–500°С) с большей скоростью и получать бензин более высокого качества, т.к. расщепление молекул тяжелых углеводородов сопровождаются реакциями изомеризации. При крекинге образуется смесь предельных и непредельных углеводородов.

Схема возможных реакций крекинга гексадекана C16H34

Реакции образования ацетилена из метана и этана при высокой температуре (1500°С) также называют крекингом.

При крекинге метана образуется много сажи, которую используют в качестве пигмента в типографской краске, наполнителя для резины и т.д. Метан — основной источник получения водорода в промышленности для синтеза аммиака и ряда органических соединений. Наиболее распространенный способ получения водорода из метана — взаимодействие его с водяным паром. Реакцию проводят в трубчатых печах при температуре около 400 °С, давлении 2 — 3 МПа, в присутствии алюмоникелевого катализатора:

СН4 + Н2О = 2 + СО

Для многих синтезов органических соединений используется непосредственно образующаяся смесь газов — синтез-газ. Если же для последующих процессов нужен чистый водород (как в случае получения аммиака), оксид углерода (II) окисляют водяным паром, используя катализаторы:

СО + Н2О = СО2 + Н2

Затем полученный водород освобождают от углекислого газа.

5. Окисление.

Алканы устойчивы к действию многих окислителей, так, они не обесцвечивают раствор перманганата калия малинового цвета. Однако при их каталитическом окислении могут быть получены спирты, альдегиды и карбоновые кислоты. На воздухе при поджигании алканы, подобно всем углеводородам, сгорают с образованием углекислого газа и воды:

CnH2n+2 + (1,5n + 0,5)O2 ? nCO2 + (n + 1)H2O

При сгорании углеводородов выделяется большое количество теплоты, на этом свойстве основано их основное применение в качестве топлива.

Получение

Специально в промышленности алканы не получают, их выделяют из доступного углеводородного сырья: природного газа и нефти. Однако ниже приведены примеры получения предельных углеводородов, которые представляют интерес как для теоретической химии, например, при рассмотрении вопроса взаимосвязи между классами органических соединений, а также для решения некоторых задач лабораторного органического синтеза.

1. Для получения алканов используют гидрирование ненасыщенных углеводородов.

2. Получение алканов из галогенпроизводных (реакция Вюрца).

При взаимодействии моногалогеналканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода.

3. Получение из солей карбоновых кислот.

При сплавлении безводных солей карбоновых кислот со щелочами получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеводородной цепью исходных карбоновых кислот.

4. Прямой синтез из углерода и водорода.

В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана:

С + 2Н2 = CH4

Такая же реакция идет при нагревании углерода в атмосфере, водорода в условиях высокой температуры (400—500 °С) и повышенного давления в присутствии катализатора. Эта реакция имеет практическое значение для получения смеси углеводородов — синтетического бензина.

5. Гидролиз метанидов.

Например, взаимодействие карбида алюминия Al4C3 с водой или кислотами — лабораторный способ получения метана:

Al4C3 + 12H2O ? 4Al(OH)3 + 3CH4?