Предельные углеводороды – алканы
учебно-методический материал по химии (10, 11 класс) на тему

Новые технологии

на уроке химии по теме:

«Предельные углеводороды – алканы»

                                                                        Провела: Пахомова М. А.

                                                                           Учитель химии и биологии

МБОУ «Б-Игнатовская СОШ»

1.1. Многообразие углеводородов

Ход урока

1. Классификация углеводородов

Классификацию углеводородов проводят по следующим структурным признакам, определяющим свойства этих соединений:

1. строение углеродной цепи (углеродного скелета);
2. наличие в цепи кратных связей С=С и СC (степень насыщенности).

1. В зависимости от строения углеродной цепи углеводороды подразделяют на две группы:

• ациклические или алифатические,т.е. "жирные" (от греческого слова "алейфар" – "жир", т.к. впервые структуры с длинными углеродными цепями были обнаружены в составе жиров);
• циклические.

Открытая (незамкнутая) цепь алифатических углеводородов может быть неразветвленной или разветвленной. Углеводороды с неразветвленной углеродной цепью называют нормальными (н-) углеводородами.

Среди циклических углеводородов выделяют:

  алициклические (т.е. алифатические циклические);

  ароматические (арены).

В этом случае классификационным признаком служит строение цикла.

К ароматическим углеводородам относят соединения, содержащие один или несколько циклов С6Н6 (структура бензола).

2. По степени насыщенности различают:

• насыщенные (предельные) углеводороды (алканы и циклоалканы), в которых имеются только простые связи С-С и отсутствуют кратные связи;
• ненасыщенные (непредельные), содержащие наряду с одинарными связями С-С двойные и/или тройные связи (алкены, алкадиены, алкины, циклоалкены, циклоалкины).

Следует заметить, что хотя по составу бензол С6Н6 формально соответствует ненасыщенным циклическим углеводородам (его молекулу часто изображают как шестичленный цикл с тремя двойными связями), по свойствам это соединение

резко отличается от ненасыщенных веществ из-за делокализации кратных связей. Поэтому соединения ряда бензола относят к самостоятельной группе ароматических углеводородов (аренов).

2. Гомологический ряд алканов

Алканы, имея общую формулу СnH2n+2, представляют собой ряд родственных соединений с однотипной структурой, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH2-). Такая последовательность соединений называется гомологическим рядом (от греч. homolog - сходный), отдельные члены этого ряда – гомологами, а группа атомов, на которую различаются соседние гомологи, – гомологической разностью.

Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х атомами водорода. Другой вариант – добавление в цепь группы -СН2- (аним. 2.1.1, 43561 байт):

CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);

CH3-CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);

CH3-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2 -Н – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);

CH3-CH2-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – бутан (4 атома С).

Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Начиная с пятого гомолога, название алкана образуется из греческого числительного, указывающего число атомов углерода в молекуле, и суффикса -ан: пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан
С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.

Гомологи отличаются молекулярной массой, и следовательно, физическими характеристиками (рис.2.1.1). С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана (с ростом молекулярной массы) в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение физических свойств гомологов (переход количества в качество): повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается плотность. Алканы от СН4 до С4Н10– газы, от С5Н12 до С17Н36 – жидкости, далее – твердые вещества.
Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами. Поэтому, зная химические свойства одного из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое поведение и других членов этого ряда.

Для получения гомологов используются общие методы синтеза.

3. Строение алканов

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. 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:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

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 (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под тетраэдрическим углом 109о28'. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28’. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

См. также виртуальную (VRML) модель молекулы метана
(2 камеры, 7199 байт).

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3- атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана (VRML-модель, 10574 байт) или н-пентана:

4. Химические свойства алканов

• Химические свойства любого соединения определяются его строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.

Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С–Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов.

Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения (см. I часть, раздел 6.4 "Типы реакций").

Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей (см. значения дипольных моментов в табл. 2.5.1) предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы (часть I, раздел 6.4.3).

Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм.

Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4,
К2Сr2O7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.

Итак, алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях.

Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений – источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.

В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы.

С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета.

По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его отщепления (дегидрирование алканов).

Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

5. Получение алканов 

Алканы выделяют из природных источников
(природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические методы.

1. Крекинг нефти (промышленный способ)

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.

2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:

3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):

4. Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:

5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:

(реакция Вюpца)

6. Из солей карбоновых кислот:
   а) сплавление со щелочью (реакция Дюма)

б) электролиз по Кольбе 

7. карбидов металлов (метанидов) водой:

6. Применение алканов 

Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используются в качестве ценного топлива. Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах и используются в качестве растворителей. Вазелиновое масло (смесь жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике. Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине. Паpафин (смесь твеpдых углеводоpодов С19-С35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (tпл= 50-70°C) - пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине и т.д. В современной нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Нормальные предельные углеводороды средней молекулярной массы используются как питательный субстрат в микробиологическом синтезе белка из нефти. Большое значение имеют галогенопроизводные алканов, которые используются как растворители, хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.

7.  Контрольные вопросы

1. Состав алканов отражает общая формула . . .

а) CnH2n     б) CnH2n+2     в) CnH2n-2     г) CnH2n-6    

Варианты ответов (выберите правильный):
Ответ 1: формула а
Ответ 2: формула б
Ответ 3: формула в
Ответ 4: формула г

2. Какие соединения относятся к гомологическому ряду метана: 

а) С2Н4     б) С3Н8     в) С4Н10     г) С5Н12     д) С7Н14 ?

Ответ 1: соединения а, в, г
Ответ 2: соединения б, г, д
Ответ 3: соединения б, в, г
Ответ 4: соединения г, д

3. Какие из представленных соединений являются структурными изомерами?

Ответ 1: соединения а, в, г
Ответ 2: соединения б, г, д
Ответ 3: соединения б, в, г
Ответ 4: соединения а, б, д

4. Укажите названия углеводородных радикалов:

Ответ 1: а - н-пропил;         б - н-бутил;         в - изобутил;
               г - втор-бутил;      д - изопропил;     е - трет-бутил.
Ответ 2: а - изопропил;       б - н-бутил;         в - втор-бутил;
               г - изобутил;         д - н-пропил;       е - трет-бутил.
Ответ 3: а - изопропил;       б - н-пропил;       в - изобутил;
               г - трет-бутил;       д - н-бутил;         е - втор-бутил.

5. Назовите по систематической номенклатуре "изооктан" (стандарт моторного топлива с октановым числом 100):

Ответ 1: 1,1,3,3-тетраметилбутан
Ответ 2: 2,2,4-метилпентан
Ответ 3: 2,4,4-триметилпентан
Ответ 4: 2,2,4-триметилпентан

6. С какими реагентами могут взаимодействовать алканы:

а) Br2 (р-р);               б) Br2, t°;       в) H2SO4;    
г) HNO3 (разб), t°;     д) KMnO4;     е) NaOH ?

Ответ 1: а, б, г, д
Ответ 2: б, в, е
Ответ 3: а, д
Ответ 4: б, г
Ответ 5: б, г, д, е

7. Какой галогеналкан нужен для получения 2,5-диметилгексана по реакции Вюрца без побочных продуктов?

Ответ 1: 2-бром-2-метилпропан
Ответ 2: 2-бромпропан + 1-бром-3-метилбутан
Ответ 3: 1-бром-2-метилпропан
Ответ 4: бромэтан + 1-бромбутан

8. Укажите наиболее вероятный продукт монобромирования 2,2,3-триметилбутана.

Ответ 1: 2-бром-2,3,3-триметилбутан
Ответ 2: 1-бром-2,2,3-триметилбутан
Ответ 3: 1-бром-2,3,3-триметилбутан
Ответ 4: 2-бром-2,2,3-триметилбутан

9. Какова структурная формула углеводорода С8Н18, если он может быть получен по реакции Вюрца из первичного галогеналкана в качестве единственного продукта реакции, а при его мононитровании образуется третичное нитросоединение?

Ответ 1: формула а
Ответ 2: формула б
Ответ 3: формула в
Ответ 4: формула г