Предельные углеводороды

Углеводороды классифицируются на предельные, непредельные и ароматические.

Предельные углеводороды, или алканы, — соединения с общей формулой C_nH_2n+2, где n — число атомов углерода.

Строение алканов

Связи между атомами алканов являются одинарными (σ-связи).

Атомы углерода в предельных углеводородах имеют гибридизацию sp³. 

На рисунке ниже представлено образование связи между атомами углерода, при котором происходит смешение орбиталей.

Алканы имеют тетраэдрическую пространственную конфигурацию. К примеру, в молекуле метана имеется четыре атома водорода и один атом углерода. В результате получаются 4  гибридизованные орбитали, отталкивающиеся друг от друга под валентным углом, равным  109°28′. Ниже представлена пространственная конфигурация метана в форме тетраэдра.

Номенклатура алканов

Номенклатура гомологического ряда алканов представлена ниже в таблице. Название определенного алкана образуется путем добавления суффикса “-ан”.

В следующей таблице представлено число структурных изомеров у представителей непредельных углеводородов. Как можно заметить, с ростом числа атомов углерода, возрастает количество структурных изомеров алканов.

Для алканов характерна также пространственная изомерия. 

Физические свойства алканов

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов являются газами. Алканы, имеющие от 5 до 15 атомов углерода, являются жидкостями. Представители, в составе которых от 16 атомов углерода, — твердые вещества.

Алканы — неполярные соединения. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они легче воды и практически не растворяются в ней, в то время как хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан. 

Жидкие алканы хорошо растворяют многие органические вещества. Метан и этан, а также высшие алканы не имеют запаха. Алканы являются горючими веществами. Метан при этом горит бесцветным пламенем.

Химические свойства алканов

Алканы обладают низкой реакционной способностью. Это обусловлено прочностью и малой полярностью связей между атомами углерода С-С и атомами углерода с водородом С-Н. В определенных условиях предельные углеводороды вступают в реакции замещения, отщепления, окисления и изомеризации. Рассмотрим эти реакции.

Реакции замещения

Реакция нитрования (реакция Коновалова)

Это реакция взаимодействия алканов с разбавленной азотной кислотой, протекающая при повышенной температуре и нормальном или повышенном давлении.

Галогенирование

Реакция взаимодействия с галогенами.

Реакция может продолжаться до полного замещения атомов водорода на хлор.

Сульфирование

При нагревании высшие алканы реагируют с концентрированной серной кислотой. При этом образуются сульфокислоты:

Реакции разложения

Дегидрирование (отщепление водорода)

Реакция дегидрирования протекает под действием катализаторов, таких как платина, никель, палладий, оксид хрома (III), оксид железа (III), оксид цинка. 

Крекинг:

Реакция крекинга проходит при нагревании алканов, для которых характерны длинные углеродные цепи. При этом образуется смесь алканов и алкенов с меньшими молекулярными массами.

Реакция крекирования алканов с четным количеством атомов углерода протекает симметрично с образованием соответствующих алканов и алкенов (у которых число атомов углерода становится вдвое меньше).

C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈

Пиролиз метана:

Пиролиз метана может протекать при медленном и длительном нагревании с образованием углерода и водорода:

Либо при очень быстром нагревании с образованием ацетилена и водорода:

Реакция окисления

Горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды по следующей общей схеме реакции:

CnH_2n+2 + (1,5n + 0,5) O₂ → nCO₂ + (n+1) H₂O

Исключение составляет метан, который горит с образованием угля и воды.

Каталитическое окисление

Алканы каталитически окисляются частично с образованием разных продуктов.

Например, при окислении бутана образуется уксусная кислота и вода:

Важное промышленное значение имеет конверсия метана – реакция окисления метана водой:

В результате конверсии метана получают синтез-газ – смесь угарного газа (СО) и водорода.

Алканы не окисляются сильными окислителями, такими как перманганаты, дихроматы и хроматы.

Реакция изомеризации

Алканы нормального строения при определенных условиях превращаются в изомеры с разветвленной цепью.

Ниже представлена реакция изомеризации н-пентана с образованием 2-метилбутана.

Получение алканов

Промышленные способы получения

В промышленности предельные углеводороды получают из горючих полезных ископаемых, таких как природный газ, нефть, каменный и бурый уголь.

Лабораторные способы получения

1. Нагревание солей карбоновых кислот со щелочью, реакция протекает по следующей общей схеме:

2. Реакция Вюрца — получение алканов из моногалогеналканов, при которой происходит удлинение углеродной цепи:

При взаимодействии одинаковых галогеналканов углеродная цепь удваивается. Например, в реакции Вюрца из хлорметана образуется этан:

Если в реакции участвуют разные галогеналканы, происходит три реакции и образуется смесь алканов:

CH₃Cl + 2Na + C₂H₅Cl → CH₃-CH₂-CH₃ + 2NaCl

CH₃Cl + 2Na + CH₃Cl → CH₃-CH₃ + 2NaCl

C₂H₅Cl + 2Na + C₂H₅Cl → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaCl

3. Алканы получают гидрированием ненасыщенных углеводородов (алкенов, алкинов, алкадиенов), реакция протекает под действием катализатора (платина, палладий) по следующей схеме:

4. Получение метана из карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ ↑ + Al(OH)₃ ↓

Применение алканов

Алканы широко применяются в самых разнообразных сферах жизни. 

Метан часто встречается в природе, является составной частью природного газа. Этот газ получил название “болотного газа” за то, что выделяется со дна болот, прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха. Метан постоянно скапливается в каменноугольных шахтах, поэтому его также называют рудничным газом. Метан не раз являлся причиной катастроф в рудниках.

Газообразные алканы широко применяются в быту в качестве топлива, содержатся в природном газе. Жидкие алканы входят в состав известных нефтепродуктов, таких как бензин, керосин, солярка, дизельное топливо, мазут. Нефть и природный газ являются источниками предельных углеводородов.

Декан является одним из углеводородов, который используется как растворитель красок, его другое название “уайт-спирит”.

Из твердых предельных углеводородов, в частности, из парафина, изготавливают свечи.

Задания для самопроверки:

Задание 1

Укажите молекулярную формулу этана:

A) C₃H₆

B) C₆H₆

C) C₄H₈

D) C₂H₆

Задание 2

Связи в молекуле алканов:

A) двойные

B) тройные

C) одинарные

D) полуторные

Задание 3

3. Молекула метана имеет форму:

A) пирамиды

B) тетраэдра

C) параллелепипеда

D) конуса

Задание 4

Природный газ содержит главным образом:

A) пропан

B) бутан

C) метан

D) пентан

Задание 5

Изомер пентана:

A) изобутан

B) 2-метилгексан

C) 3-метилпентан

D) 2,2-диметилпропан

Ответы:

1 – D, 2 –  C, 3 – B, 4 –  C, 5 –  D.