Предельные углеводороды. Гомологический ряд, химические свойства алканов.

Департамента здравоохранения города Москвы

Билет№1

Предельные углеводороды. Гомологический ряд, химические свойства алканов.

Углеводороды- простейшие органические соединения, состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Предельными углеводородами, или алканами (международное название), называются соединения, состав которых выражается общей формулой С _n Н_2n+2, где n - число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы угле­рода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы называют также насыщенными углеводородами или парафинами

Первым членом гомологического ряда алканов является метан СН₄. Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следует этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀. Начи­ная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окон­чания -ан. Это пентан С₅Н_12, гексан С₆Н₁₄, гептан С₇Н₁₆, октан С₈Н₁₈, нонан С₉Н₂₀, декан С₁₀Н₂₂ и т. д.

В гомологическом ряду наблюдается постепенное изменение физи­ческих свойств углеводородов: повышаются температуры кипения и плавления, возрастает плотность. При обычных условиях (температура ~ 22°С) первые четыре члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) — газы, с С₅Н₁₂ до С₁₆Н₃₄ - жидкости, а с С₁₇Н₃₆ — твердые вещества.

Алканы, начиная с четвертого члена ряда (бутана), имеют изомеры .

Все алканы насыщены водородом до предела (максимально). Их атомы углерода находятся в состоянии sp ³ —гибридизации, а значит, имеют простые (одинарные) связи.

Чтобы подчеркнуть, что алкан имеет неразветвленную углеродную цепь, часто к названию добавляют слово нормальный (н-), например:

СН₃—СН₂—СН₂—СН₃ СН₃—СН₂—СН₂—СН₂—СН₂—СH ₂ —СН₃

нбутан нгептан

(нормальный бутан) (нормальный гептан)

При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются одновалетные частицы, называемые углеводородными радикалами (сокращенно обозначаются буквой R). Названия одновалентных радикалов производятся от названий соответствующих углеводородов с заменой окончания –анна -ил. Вот соответствующие примеры:

Радикалы образуются не только органическими, но и неорганически­ми соединениями. Так, если от азотной кислоты отнять гидроксильную группу ОН, то получится одновалентный радикал — NO₂ , называемый нитрогруппой, и т. д.

Названия радикалов используются в номенклатуре многих производных углеводородов. Например: СН₃I - йодистый метил, С₄Н₉Сl -хлористый бутил.

Для названия изомеров широко применяют две номенклатуры: старую - рациональную и современную - заместительную, которую также называют систематической или международной (предложена Международным союзом теоретической и прикладной химии ИЮПАК).

По рациональной номенклатуре углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы.

По заместительной номенклатуре основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители. В этом случае выбирают наиболее длинную цепь углеродных атомов и атомы цепи нумеруют с того конца, к которому ближе стоит углеводородный радикал. Затем называют: 1)номер углеродного атома, с которым связан радикал (начиная с простейшего радикала); 2) углеводород, которому соответствует длинная цепь. Если в формуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывают число прописью (ди-, три-, тетра- и т. д.), а номера радикалов разделяют запятыми.

Как заместительная, так и рациональная номенклатура применяются не только для углеводородов, но и для других классов органических соединений. Для некоторых органических соединений используются исторически сложившиеся (эмпирические) или так называемые тривиальные названия (муравьиная кислота и др.).

Физические свойства. В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С₁ — С₄) — газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C₅ — C₁₇) — 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, хорошо растворяются в органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом.

Основные природные источники алканов — нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C₅H₁₂ до С₃₀Н₆₂. Природный газ состоит из метана (95%) с примесью этана и пропана.

Химические свойства. В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями - перманганатом калия KMnО₄ и т.п.

Для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. Следовательно, алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения.

1. Галогенирование. Общая схема этой реакции показана на примере метана:

Реакция образования хлорметана протекает по цепному механизму.

Суммарное уравнение реакции:

Образующийся хлорметан может подвергаться дальнейшему хлорированию, давая смесь продуктов CH₂Cl₂, CHCl₃, ССl₄

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

3. Изомеризация. Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью.

4. Крекинг — это разрыв связей С-С, который протекает при нагревании и под действием катализаторов.
При крекинге высших алканов образуются алкены и низшие алканы, при крекинге метана и этана образуются ацетилен:

C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + С₄Н₈,

2СН₄ → С₂Н₂ + ЗН₂,

С₂Н₆ → С₂Н₂ ⁺ 2Н₂.

Эти реакции имеют большое промышленное значение. Таким путем высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в бензин, керосин и другие ценные продукты.

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

Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха - один из промышленных способов получения уксусной кислоты:

t°
2C₄H ₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2Н₂О .
кат

На воздухе алканы сгорают до СО₂ и Н₂О:

С_nН_2n+2 + (Зn+1)/2О₂ = nСО₂ + (n+1)Н₂О.