Подготовка к ЕГЭ по химии. Алканы.
материал для подготовки к егэ (гиа) по химии

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.

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

                                                                         │

                                                                         Br

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

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

1. 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:

2.  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.