Алканы
учебно-методический материал по химии (10 класс) на тему

Опубликовано 20.10.2015 - 12:28 - Доценко Елена Владимировна

В данном материале представлена теория по предельным углеводородам

Скачать:

Вложение	Размер
alkany_teoriya.doc	214 КБ

Предварительный просмотр:

АЛКАНЫ (ПАРАФИНЫ)

– это предельные (или насыщенные) нециклические углеводороды, в которых все связи одинарные.

Общая формула:

CnH2n+2

Все атомы углерода в алканах имеют sp3- гибридизацию.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C5–C17 – жидкости, начиная с C18 – твердые вещества. Все алканы легче воды, не растворимы в воде и не смешиваются с ней.

Химические свойства.

1) Связь углерода с водородом в алканах малополярна.

2) Поэтому разрыв её в реакциях возможен только по гомолитическому механизму:

Это возможно только в жестких условиях.

3) Насыщенные (предельные) углеводороды не имеют возможности вступать в реакции присоединения. Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления. Эти реакции протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов.

Алканы не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, перманганатом калия, бромной водой.

I. Реакции замещения.

1) Галогенирование: радикальное замещение.

Хлор и бром на свету или при нагревании.

А) хлорирование: процесс быстрый, поэтому протекает неизбирательно, образуется смесь продуктов замещения:

СН3-СН2-СН3 + Cl2–(свет)→ CH3-CH2-CH2Cl + CH3-CHCl-CH3 + HCl

Б) бромирование:

CH3 CH3

│ │

СН3-СН2-СН-СН3 +Br2 –(свет)→СН3-СН2-С-СН3 + HBr

│

Бромирование – более медленный и избирательный процесс.

Избирательность бромирования:

третичный > вторичный > первичный атом углерода.

Механизм радикального замещения: Цепной свободнорадикальный.

Свободный радикал R∙ – это ОЧЕНЬ АКТИВНАЯ частица, несущая на себе один неспаренный электрон и стремящаяся образовать связь с каким-либо другим атомом.

1) Инициирование цепи (запуск): молекула хлора под действием кванта света разрывается на два радикала Cl· :

2) Развитие цепи: радикал хлора отрывает от алкана атом водорода. При этом образуется промежуточная частица - алкильный радикал, который в свою очередь отрывает атом хлора от молекулы Cl2. При этом вновь получается радикал хлора и процесс повторяется – идёт продолжение цепи:

3) Обрыв цепи: соединение двух радикалов в молекулу.

2) Нитрование

(реакция М.И. Коновалова):

Механизм реакции – также радикальный.

Нагревание до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой:

CH3 CH3

│ │

СН3-СН2-СН-СН3 + HNO3 → СН3-СН2-С-СН3 + H2O

│

Избирательность нитрования: NO2

третичный > вторичный > первичный атом углерода.

3) Крекинг - превращения алканов под действием нагревания.

а) Для алканов с длинными цепями при крекинге получается алкан и алкен. Причём при длине больше 5 атомов С получится смесь углеводородов разной длины.

CH3–CH2–CH2–CH3 -400°C→ CH3-CH3 + CH2=CH2

б) Крекинг метана происходит двумя возможными путями:

1. длительное нагревание метана: CH4 -1500°C→ C+ 2H2

2. мгновенное нагревание до 1500 градусов и сразу охлаждение: 2CH4 -1500°C→H–C≡C–H + 3H2

ацетилен

4) Изомеризация – перестройка углеродного скелета с образованием других изомеров: при нагревании с катализатором AlCl3.

СН3-СН2-СН2-СН3 -(100о, AlCl3)→ CH3-CH-CH3

│

CH3

5) Окисление:

1) Горение:

CH4 + 2O2 ⇆ CO2 + 2H2O
C5H12 + 8O2 ⇆ 5CO2 + 6H2O

2) Каталитическое окисление:

Метана: СН4+О2 -(катализатор)→ смесь СН3ОН, НСОН и НСООН

Бутана: С4Н10 + О2 -(катализатор)→2 СН3СООН (уксусная кислота)

6) Дегидрирование и циклизация.

1) Короткие алканы дегидрируются в алкены или диены:

С2Н6 –(кат., t)→C2H4 + H2

CH3-CH2-CH2-CH3 –(кат.Cr2O3, t)→бутадиен + Н2

2) В присутствии катализатора гексан и гептан превращаются в бензол и толуол соответственно.

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 –(кат.Pt, t)→ + 4 Н2

Получение:

1) Реакция Вюрца: действие металлического натрия на моногалогенопроизводные углеводородов:

2CH3–CH2Br + 2Na → CH3–CH2–CH2–CH3 +2NaBr

Происходит удвоение углеродного скелета. Реакция подходит для получения симметричных алканов.

2) Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма): сплавление солей карбоновых кислот со щелочами.

Так получают метан при нагревании ацетата натрия с гидроксидом натрия.

CH3COONa + NaOH(сплавление) → CH4↑+ Na2CO3

3) Электролиз растворов солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

2CH3COONa + 2H2O –(эл.ток)→ 2СО2 + Н2 + С2Н6 + 2NaOH

катод:

идёт разрядка воды: 2Н2О + 2е → Н2 + 2ОН-

анод:

разрядка аниона кислоты: 2СН3СОО- -2е → 2СО2 + СН3-СН3

4) Гидролиз карбида алюминия – получение метана.

Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3

5) Гидрирование непредельных или циклических углеводородов в присутствии катализаторов (платины, палладия, никеля).

R–CH=CH–R’ + H2 –kat→ R–CH2–CH2–R’

(циклопропан) + H2 –Pd→ CH3 –CH2 –CH3(пропан)

6) Алканы можно получить из нефти крекингом или фракционной перегонкой.

Циклоалканы - предельные циклические углеводороды.

Общая формула гомологического ряда CnH2n.


Циклопропан	Циклобутан	Циклопентан	Циклогексан
Малые циклы		Большие циклы

Строение циклоалканов.

Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp3-гибридизации и образует четыре σ-связи С-С и С-Н.

Углы между связями зависят от размера цикла. В малых циклах С3 и С4 углы между связями С-С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109,5°, что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность.

σ-связи в циклопропане называют "банановыми". По свойствам они напоминают ПИ-связи. Поэтому молекулу циклопропана очень легко разорвать и поэтому он способен вступать в реакции присоединения (с разрывом цикла).

Циклобутан в пространстве имеет перегиб по линии, соединяющей 1 и 3 атом С в кольце:

Циклопентан имеет форму, которую называют «конверт»:

Большие циклы очень устойчивы и не склонны к разрыву. Так, молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации, имеющие названия «кресло» и «ванна»:

а — кресло б — ванна.

И в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каждого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда — несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда — их возможность вступать в реакции замещения, но не присоединения.

Изомерия:

1. Структурная изомерия, связанная:
a) с числом углеродных атомов в кольце:

(этилциклопропан), (метилциклобутан);

b) с числом углеродных атомов в заместителях:

(1-метил-2-пропилциклопентан), (1,2-диэтилциклопентан)

c) с положением заместителя в кольце:

(1,1-диметилциклогексан), (1,2-диметилциклогексан)

2. Межклассовая изомерия: циклоалканы изомерны алкенам.

3. Геометрическая цис-транс-изомерия:

Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН3 могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):

цис-изомер транс-изомер

Получение.

1. Отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные: C6H6 + 3H2 -t°,р,Ni→ C6H12.

Химические свойства.

1. Малые циклы (циклопропан и циклобутан) из-за большой напряженности кольца (малые углы) легко разрываются, вступая в реакции присоединения.

1) Гидрирование. При каталитическом гидрировании трех-, четырех- и даже пятичленные циклы разрываются с образованием алканов.

(циклопропан) + H2 -120ºC,Ni→ CH3–CH2–CH3

(циклопентан)+ H2-300ºC,Pd→CH3–CH2–CH2–CH2–CH3

Пятичленный цикл разрывается только при высоких температурах.

2) Галогенирование. Циклопропан и циклобутан разрываются, присоединяя атомы галогена.

+ Br2 → BrCH2–CH2–CH2Br (1,3- дибромпропан)

3)Гидрогалогенирование. Циклопропан и замещенные циклопропаны взаимодействуют с галогеноводородами с разрывом цикла.

В случае замещенных циклопропанов реакция идёт в соответствии с правилом Марковникова.

Другие циклоалканы с галогеноводородами не реагируют.

2. Большие циклы – циклопентан и циклогексан – гораздо более устойчивы, цикл в них не разрывается. Они ведут себя подобно алканам, вступая в реакции замещения: галогенирование на свету, нитрование.

1) Галогенирование: циклопентан и циклопентан реагируют с галогенами на свету, вступая в реакцию замещения.

+ Cl2-(свет)→ (хлорциклопентан) + HCl