Гомологічний ряд алканів. Хімічні та фізичні властивості

Лекція 14. Алкани. Циклоалкани.

план:

1. Гомологічний ряд алканів. Хімічні та фізичні властивості.

2. Гомологічний ряд, хімічні та фізичні властивості циклоалканів.

Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми вуглецю в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв'язками. Алкани називають також парафінами, насиченими вуглеводнями.

Метан. Найпростіший алкан - метан СН₄, молекула якого складається з одного атома вуглецю і чотирьох атомів водню. Як уже зазначалось, атом вуглецю, що утворює чотири ковалентних зв'язки, знаходиться у збудженому стані (1s²2s¹2p³). В утворенні чотирьох ковалентних зв'язків беруть участь одна s - і три р - орбіталі (р_х, р_у, р_z) зовнішнього енергетичного рівня одного атома вуглецю. Всі чотири ковалентних зв'язки, які утворює вуглець у молекулі СН₄, рівноцінні: мають однакову довжину, енергію зв'язку та інші властивості.

Рівноцінність хімічних зв'язків у метані можна пояснити, використовуючи поняття про гібридизацію орбіталей. Гібридизацією називається зміна форми і енергії різних орбіталей одного атома, яка приводить до утворення однакових (гібридизованих) орбіталей.

Наприклад, при утворенні молекули метану гібридизації зазнають орбіталі атома вуглецю: одна s - і три р - орбіталі. Вид і число орбіталей, які беруть участь у гібридизації, визначають її тип. Так, у метані виявляється sр³- гібридизація.

Гомологи метану. Крім метану всі інші вуглеводні, що належать до алканів, містять у складі два, три і більше вуглецевих атомів:

Як видно з наведених формул, кожний наступний член цього ряду можна одержати, додаючи до формули попереднього члена групу СН₂. Група СН₂ називається гомологічною різницею. Речовини, подібні за хімічними властивостями, склад яких відрізняється на ціле число груп СН₂, називаються гомологами. Сукупність гомологів складає гомологічний ряд.

Склад молекул усіх алканів відповідає загальній формулі С_nН_2n+2, де п = 1, 2, 3, 4… Отже, алкани - це вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі С_nН_2n+2.

Будова молекул алканів, згідно з сучасними електронними уявленнями про хімічний зв'язок, пояснюється так. У молекулах усіх алканів орбіталі атомів вуглецю перебувають у стані sp³ - гібридизації і напрямлені до вершин уявного тетраедра з їх центрів. Молекулу етану можна уявити як два тетраедри, сполучені вершинами. Кулестержнева модель молекули етану:

При такому сполученні групи СН₃ можуть обертатися відносно зв'язку вуглець - вуглець, утворюючи різні геометричні форми - конформації.

Ізомерія. Для алканів характерна структурна ізомерія, яка зумовлена можливістю розгалуження вуглецевого ланцюга молекули. Вуглеводень з прямим, нерозгалуженим ланцюгом називається нормальним ізомером. У алканах з розгалуженим ланцюгом замісники (бічні ланцюги) можуть займати різне положення відносно головного ланцюга. Речовини, що мають однаковий склад, але різняться будовою вуглецевого ланцюга, називаються структурними ізомерами.

Першим членом гомологічного ряду алканів, який має ізомери, є бутан С₄Н₁₀. В одному з ізомерів С₄Н₁₀ всі атоми вуглецю витягнуті в один ланцюг, у молекулі іншого ізомеру головний вуглеводневий ланцюг складається з трьох атомів, а четвертий атом вуглецю сполучений з середнім атомом ланцюга:

Ізомери бутану різняться властивостями. Так температура кипіння нормального бутану становить - 0,5°С, а ізобутан кипить при температурі - 11,7°С.

У іншого представника ряду алканів - гексану С₆Н₁₄ існує п'ять структурних ізомерів. Один з них н - гексан (нормальний гексан, буква н означає "нормальний") має прямий, нерозгалужений ланцюг, що складається з шести атомів вуглецю, у двох ізомерів головний ланцюг містить п'ять атомів вуглецю і, нарешті, можливі ще два ізомери, яки мають у головному ланцюгу по чотири атома вуглецю:

Як можна бачити із структурних формул ізомерів, атоми вуглецю можуть бути сполучені з різною кількістю інших атомів вуглецю: одним, двома, трьома та чотирма. Залежно від цього розрізняють первинні, вторинні, третинні та четвертинні вуглецеві атоми, приклади яких показані в такій формулі:

У цій сполуці атом вуглецю С1 - первинний, атоми С2, С4, С5 - вторинні, атом С3 - третинний і С6- четвертинний

Число ізомерів у алканів може бути різним. Воно зростає в міру збільшення числа атомів вуглецю в молекулі алкану. Так, бутан має 2 ізомери, пентан - 3, гексан - 5, гептан - 9, октан - 18, нонан - 35, декан - 75.

Вуглеводневі радикали. Якщо від молекули вуглеводню відщепити один або кілька атомів водню, то утвориться вуглеводневий радикал. Назви радикалів утворюють від назв відповідних алканів з заміною закінчення -ан на -ил (-іл). Приклади вуглеводневих радикалів:

Як загальна назва вуглеводневих радикалів прийнятий термін "алкіл", їх позначають буквою R.

Номенклатура. Хімічна номенклатура - це система формул і назв хімічних речовин. Вона охоплює правила складання формул і назв. Для органічної хімії найбільш зручною є замісникова номенклатура, яка рекомендована IUPAC (Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії).

Для того щоб дати розгалуженому вуглеводню назву згідно з цією номенклатурою, необхідно виконувати такі правила.

Вибирають найдовших ланцюг атомів вуглецю в молекулі, наприклад:

Нумерують атоми вуглецю в головному вуглеводневому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче розміщені розгалуження (пр. а). Якщо замісники знаходяться на рівних віддалях від кінця ланцюга, то нумерацію починають з того кінця (пр. б). Якщо розгалуженість головного ланцюга однакова, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знаходиться радикал, назва якого стоїть раніше в алфавітному порядку (пр. в). Приклади:

За основу назви розгалуженого вуглеводню беруть назву вуглеводню, що відповідає головному ланцюгу. Наприклад, якщо головний ланцюг містить 4 атоми вуглецю, коренем буде "бутан", 9 атомів вуглецю - корінь "нонан". Назва розгалуженого вуглеводню будується в такій послідовності: спочатку зазначається цифра, що означає номер атома вуглецю в головному ланцюгу, у якого є розгалуження, потім назва радикала у бічному ланцюгу і назва найголовнішого ланцюга. Якщо вуглеводень містить кілька однакових радикалів, то в його назві перелічуються цифри, що вказують їх положення, а число цих радикалів зазначається числовим префіксом: ди-, три-, тетра-, пента-.

Різні за будовою радикали перелічують в алфавітному порядку. Приклади:

Для багатьох органічних речовин, у тому числі і для деяких алканів, зберігаються тривіальні назви, тобто назви, що склалися історично. Наприклад, 2-метилпропан має тривіальну назву ізобутан.

Властивості. За звичайних умов метан, етан, пропан, ізомерні бутан і неопентан - безбарвні гази. Нормальні алкани, починаючи з вуглеводню С₁₇Н₃₆, за звичайних умов є твердими речовинами.

Усі алкани дуже мало розчинні у воді.

У хімічному відношенні алкани - інертні речовини, що визначається міцністю зв¢язків вуглець - вуглець і вуглець - водень. Крім того, ці зв'язки малополярні, тому для алканів будуть характерні реакції, що відбуваються з гомологічним розривом зв'язків.

Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами. Для алканів характерні такі реакції:

1. Галогенування. Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом.

Розглянемо як приклад хлорування метану. На світлі відбувається гемолітичний розрив молекул хлору з утворенням радикалів Cl×, і далі реакція відбувається за ланцюговим механізмом:

Продуктами реакції можуть бути CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ і ССІ₄. Кожний з названих продуктів можна виділити.

2. Нітрування. Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

Ці реакції відкриті російським хіміком М. І. Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова.

Нітрування можна здійснювати не тільки азотною кислотою, а й оксидами азоту (ІV) NO₂ або N₂O₄.

3. Окислення. Алкани згоряють на повітрі з виділенням великої кількості теплоти:

На реакціях горіння алканів ґрунтується їх застосування як палива. При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окислити до органічних кислот.

4. Взаємодія з водяною парою. Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі - конверсія метану з водяною парою:

Реакція відбувається при наявності каталізатора. Її продуктом є синтез-газ - суміш оксиду вуглецю з воднем. Синтез-газ широко використовується в органічному синтезі.

5. Крекінг. Розщеплення молекул органічних сполук з розривом зв'язків вуглець - вуглець під дією високих температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів вуглецю і ненасичені сполуки, наприклад:

Добування. Промислові способи добування алканів ґрунтуються на виділенні їх з природних речовин, переважно нафти і природного газу.

Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею, є метан; його об`ємна частка може становити до 98%. З природних газів можна виділити також етан, пропан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.

Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля.

Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші вуглецю (ІІ) з воднем над каталізатором:

У лабораторних умовах метан можна добути, використовуючи такі реакції: розкладання карбіду алюмінію водою:

сплавляння ацетату натрію з лугом [звичайно беруть натронне вапно - суміш NaOH і Ca(OH)₂]:

Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галагенопохідні вуглеводнів, наприклад:

Реакції такого типу називаються реакцією В’юрка. Застосування. Насичені вуглеводні широко використовуються в органічному синтезі. З них добувають багато органічних речовин: ненасичені вуглеводні, хлорпохідні, органічні кислоти.

Багато вуглеводнів входить до складу різних виді палива: горючого газу, бензину, гасу.

З вищих алканів виготовляють такі речовини, як парафін і вазелін, мастила, електроізолятори. Вищі алкани є сировиною для добування синтетичних мийних засобів.

Дата добавления: 2014-01-07