Предельные углеводороды

Задачи

1. Каковы особенности электронного строения атома углерода? Какие виды гибридизации реализуются при образовании им ковалентных связей?

2. Каковы основные положения теории строения органических веществ А.М. Бутлерова?

3. Составьте структурные формулы всех изомеров состава: а) С₅Н₁₂; б) С₇Н_16. Среди этих изомеров отметьте углеводороды нормального и изостроения. Все изомеры назовите по систематической номенклатуре.

4. Напишите формулы следующих углеводородов: а) 2,3-диэтилпентан; б) 2,2- диметилпропан; в) 2-метил-3-этилпентан.

5. Какие из нижеприведенных соединений являются гомологами метана:

С₂Н₄; С₃Н₈; С₁₀Н₂₀; С₆Н₆; С₆Н₁₂; С₁₂Н₂₆?

Лекция 15

Строение и свойства важнейших классов органических соединений

Строение

. Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы:

метан Н этан Н Н пропан Н Н Н

│ │ │ │ │ │

Н ─ С ─ Н Н─С ─ С─ Н Н─ С ─ С ─ С ─ Н

│ │ │ │ │ │

Н Н Н Н Н Н

. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:

С–С и С–Н.

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации. Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp³-гибридизации. В этом случае каждая из четырех sp³-гибридных АО углерода участвует в осевом (s-) перекрывании с s-АО водорода или с sp³-АО другого атома углерода, образуя s-связи С-Н или С-С.

Физические свойства

Химические свойства

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны, и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.

Галогенирование:

Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-излучением или нагреть

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl (хлорметан) + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ (дихлорметан) + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ (трихлорметан) + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ (тетрахлорметан) + HCl.

Нитрование (реакция Коновалова)

Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота N₂O₄ в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

RH + HNO₃ = RNO₂ + H₂O

Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Реакции окисления

Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + Q

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

С_nН_2n+2 +(1,5n+0,5)O₂= nCO₂ + (n+1)H₂O

Каталитическое окисление

Могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

При мягком окислении СН₄ (катализатор, кислород, 200 °C) могут образоваться:

· метиловый спирт: СН₄ + О₂ = СН₃ОН

· формальдегид: СН₄ + О₂ = СН₂О + Н₂O

· муравьиная кислота: СН₄ + О₂ = НСООН

Термические превращения алканов

Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Примеры:

CH₄ = C + 2H₂ (t > 1000 °C)

C₂H₆ = 2C + 3H₂

Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

Для метана:

CH₄ = С + 2H₂ -- при 1000 °C

Частичный крекинг:

2CH₄ = C₂H₂ + 3H₂ -- при 1500 °C

Дегидрирование

Условия протекания: 400--600 °C, катализаторы -- Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃

а)CH₃-CH₃ = CH₂=CH₂ + H₂ (этан > этен)

б)CH₃-CH₂-CH₃ = CH₂=CH-CH₃ + H₂ (пропан > пропен)

в)CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ = CH₂=CH-CH=CH₂ + H₂ (бутан > бутадиен-1,3)

г) CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ = +4Н₂ (гексан > бензол)

Изомеризация

Под действием катализатора (например, AlCl₃) происходит изомеризация алкана: например, бутан (C₄H₁₀), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl₃), превращается из н-бутана в 2-метилпропан.

Конверсия метана

В присутствии никелевого катализатора протекает реакция:

CH₄ + H₂O = CO + H₂

Дата добавления: 2014-01-06