Химические свойства. Физические свойства алканов

Физические свойства алканов

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С₁ — С₄) — газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (С₅ — С₁₇) — жидкости, начиная с С₁₈ и выше — твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возраста­ют температуры кипения и плавления алканов.

При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворя­ются в неполярных органических растворителях, таких, как бен­зол, тетрахлорметан и т.п.

Строение

Молекула простейшего алкана — метана — имеет форму пра­вильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах — атомы водорода. Углы между осями связей С—Н составляют 109°28' (рис. 29).

В молекулах других предельных углеводородов углы между связями (как С—Н, так и С—С) имеют такое же значение. Для описания формы молекул используется понятие гибри­дизации атомных орбиталей (см. часть I, §6).

В алканах все атомы углерода на­ходятся в состоянии sp³-гибридиза­ции (рис. 30).

Таким образом, атомы углерода в углеродной цепи не находятся на одной прямой. Расстояние между соседними атомами углерода (между ядрами атомов) строго фиксирова­но — это длина химической связи (0,154 нм). Расстояние С₁ — С₃, С₂ — С₄ и т.д. (через один атом) тоже постоянны, т.к. постоянен угол между связями —валент­ный угол.

Расстояния между более удаленными атомами углерода могут изменяться (в некоторых пределах) в результате вращения вокруг s-связей. Такое вращение не нарушает перекрывания орбиталей, образующих s-связь, поскольку эта связь имеет осевую симметрию.

Разные пространственные формы одной молекулы, образующиеся при вращении групп атомов вокруг s-связей, называют конформациями (рис. 31).

Конформации различают по энер­гии, но это различие невелико (12-15 кДж/моль). Более устойчивы такие конформации алканов, в которых атомы расположены возможно дальше друг от друга (отталкивание электронных обо­лочек). Переход от одной конформации к другой осуществляется за счет энергии теплового движения. Для изображения конформации используют специальные пространственные формулы (формулы Ньюмена).

Не путать!

Следует различать понятия конформация и конфигурация.

Разные конформации могут превращаться друг в друга без разрыва химических связей. Для превращения молекулы с одной конфигурацией в молекулу с другой конфигурацией требуется разрыв химических связей.

Из четырех видов изомерии для алканов характерны два: изомерия углеродного скелета и оптическая изомерия (см. часть

I,§7).

Химические связи в алканах, их разрыв и образование опре­деляют химические свойства алканов. Связи С—С и С—Н ковалент­ные, простые (s-связи), практически неполярные, достаточно прочные, поэтому:

1) алканы вступают чаще всего в такие реакции, которые идут с гемолитическим разрывом связей;

2) по сравнению с органическими соединениями других классов алканы обладают низкой реакционной способностью (их за это называют парафинами — «лишенными свойства»). Так, алка­ны устойчивы к действию водных растворов кислот, щелочей и окислителей (например, перманганата калия) даже при ки­пячении.

Алканы не вступают в реакции присоединения к ним дру­гих молекул, т.к. алканы не имеют в своих молекулах кратных связей.

Алканы подвергаются разложению при сильном нагревании в присутствии катализаторов в виде платины или никеля, при этом от алканов отщепляется водород.

Алканы могут вступать в реакции изомеризации. Характер­ной реакцией для них является реакция замещения, протекаю­щая по радикальному механизму.

Химические свойства

Реакции радикального замещения

В качестве примера рассмотрим взаимодействие алканов с галогенами. Фтор реагирует очень энергично (как правило, со взрывом) — при этом рвутся все С—Н и С—С связи, и в результате образуются соединения CF₄ и HF. Практического значения реак­ция не имеет. Иод с алканами не взаимодействует. Реакции с хлором или бромом идут либо при освещении, либо при сильном нагревании; при этом происходит образование от моно- до полигалогензамещенных алканов, например:

СН₃—СН₃+Сl₂ ®^hvСН₃—СН₂—Сl+НСl

Образование галогенопроизводных метана протекает по цеп­ному свободнорадикальному механизму. Под действием света мо­лекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:

Сl₂«2Сl^.

Неорганический радикал Сl^. отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя НС1 и свободный ра­дикал СН₃

Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Сl₂, образуя галогенопроизводное и радикал хлора.

и так далее. К реакциям радикального замещения относится также окисление алканов кислородом воздуха.

Реакция окисления начинается с отрыва атома водорода мо­лекулой кислорода (которая представляет собой бирадикал) и далее идет как разветвленная цепная реакция. Количество ради­калов в ходе реакции увеличивается. Процесс сопровождается

выделением большого количества теплоты, рвутся уже не только С—Н, но и С—С связи, так что в результате образуется оксид угле­рода (IV) и вода. Реакция может протекать как горение или при­водит к взрыву.

2С_nН2_n+2+(3n+1)О₂ ®2nСO₂+(2n+2)Н₂O

При обычной температуре реакция окисления не идет; ее можно инициировать либо поджиганием, либо действием элект­рического разряда.

При сильном нагревании (свыше 1000°С) алканы полностью разлагаются на углерод и водород. Эта реакция называется пиро­лизом.

СН₄®^1200°С+2Н₂

При мягком окислении алканов, в частности метана, кисло­родом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота.

Если метан пропускать через нагретую зону очень быстро, а затем сразу охлаждать водой, то в результате образуется аце­тилен.

Эта реакция — основа промышленного синтеза, который на­зывается крекингом (неполным разложением) метана.

Крекинг гомологов метана проводят при более низкой темпе­ратуре (около 600°С). Например, крекинг пропана включает сле­дующие стадии:

Итак, крекинг алканов приводит к образованию смеси алканов и алкенов меньшей молекулярной массы.

Нагревание алканов до 300-350°С (крекинг еще не идет) в присутствии катализатора (Pt или Ni) приводит к дегидрирова­нию — отщеплению водорода.

При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

СН₃—СН₃ + HNO₃®CH₃—CH₂—NO₂ + Н₂О Изомеризация

При определенных условиях алканы нормального строения могут превращаться в алканы с разветвленной цепью.

Получение алканов

Рассмотрим получение алканов на примере получения метана. Метан широко распространен в природе. Он является главной со­ставной частью многих горючих газов, как природных (90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Природные газы, особенно попутные газы нефтяных месторождений, помимо метана содержат этан, пропан, бутан и пентан.

Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении расти­тельных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто назы­вают болотным газом или рудничным газом.

В лаборатории метан получают при нагревании смеси ацетата натрия с гидроксидом натрия:

CH₃COONa+NaOH®^200° Na₂CO₃+CH₄­

или при взаимодействии карбида алюминия с водой: Аl₄Сl₃+12H₂O®4Аl(ОН)₃+3CH₄­

В последнем случае метан получается весьма чистым.

Метан может быть получен из простых веществ при нагрева­нии в присутствии катализатора:

С+2Н₂®^NiСН₄ 8 также синтезом на основе водяного газа

CO+3H₂®^NiCH₄+H₂O

Этот способ имеет промышленное значение. Однако используют обычно метан природных газов или газов, образующихся при кок­совании каменных углей и при переработке нефти.

Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях полу­чают прокаливанием солей соответствующих органических кис­лот с щелочами. Другой способ — реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием, например:

С₂Н₅Br+2Na+BrC₂H₆ ® С₂Н₅—С₂Н₅+2NaBr

В технике для получения технического бензина (смесь угле­водородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез

из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении. Процесс

можно выразить уравнением

nСО+(2n+1)Н₂®^200°C_nH_2n+2+nН₂O

I Итак, основным источником алканов служат природный газ и нефть. Однако некоторые предельные углеводороды синтезиру­ют из других соединений.

Применение алканов

Большая часть алканов используется как топливо. Крекинг и

Дегидрирование их приводит к непредельным углеводородам, на

базе которых получают множество других органических веществ.

Метан — основная часть природных газов (60-99%). В состав

природных газов входят пропан и бутан. Жидкие углеводороды

применяются в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания а автомашинах, самолетах и др. Очищенная смесь жидких

и твердых алканов образует вазелин. Высшие алканы являются

исходными веществами при получении синтетических моющих средств. Алканы, полученные путем изомеризации, используют­ся в производстве высококачественных бензинов и каучука. Ниже приведена схема применения метана

Циклоалканы

Строение

Циклоалканы — насыщенные углеводороды, в молекулах ко­торых имеется замкнутое кольцо из углеродных атомов.

Циклоалканы (циклопарафины) образуют гомологический ряд с общей формулой С_nН_2n, в котором первым членом является

циклопропан С₃Н₆, т.к. для образования кольца необходимо на­личие не менее трех атомов углерода.

Циклоалканы имеют несколько названий: циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены. Примеры некоторых соеди­нений:

Формула С_nН_2n характерна для циклопарафинов, и точно такая же формула описывает гомологический ряд алкенов (непре­дельных углеводородов, имеющих одну кратную связь). Из этого можно сделать вывод, что каждому циклоалкану изомерен соот­ветствующий алкен — это пример «межклассовой» изомерии.

Циклоалканы по размеру цикла делятся на ряд групп, из которых рассмотрим две: малые (С₃, С₄) и обычные (С₅-С₇) циклы.

Названия циклоалканов строятся путем добавления пристав­ки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода. Нумерацию в цикле проводят так, чтобы заместители получили наименьшие номера.

Структурные формулы циклоалканов обычно записываются в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водорода. Например:

Структурная изомерия циклоалканов обусловлена размером цикла (циклобутан и метилциклопропан — изомеры) и положе­нием заместителей в цикле (например, 1,1- и 1,2-диметилбутан), а также их строением.

Пространственная изомерия также характерна для цикло­алканов, т.к. она связана с различным расположением замес­тителей относительно плоскости цикла. При расположении за­местителей по одну сторону от плоскости цикла получаются цис-изомеры, по разные стороны — транс-изомеры.