Chemické vlastnosti metánových alkánov. Alkány. Fyzikálne a chemické vlastnosti alkadiénov

Štruktúra alkánov

Alkány sú uhľovodíky, v ktorých molekulách sú atómy spojené jednoduchými väzbami a ktoré zodpovedajú všeobecnému vzorcu CnH2n+2. V molekulách alkánov sú všetky atómy uhlíka v stave hybridizácia sp3.

To znamená, že všetky štyri hybridné orbitály atómu uhlíka majú rovnaký tvar, energiu a smerujú do rohov rovnostrannej trojuholníkovej pyramídy - štvorsten. Uhly medzi orbitálmi sú 109° 28'. Okolo jednej väzby uhlík-uhlík je možná takmer voľná rotácia a molekuly alkánov môžu získať najviac pestrá forma s uhlami pri atómoch uhlíka blízkymi štvorstenu (109° 28'), napríklad v molekule n-pentánu.

Zvlášť stojí za to pripomenúť si väzby v molekulách alkánov. Všetky väzby v molekulách nasýtených uhľovodíkov sú jednoduché. K prekrytiu dochádza pozdĺž osi spájajúcej jadrá atómov, t.j σ-väzby. Väzby uhlík-uhlík sú nepolárne a zle polarizovateľné. Dĺžka väzby C-C v alkánoch je 0,154 nm (1,54 10 10 m). C-H väzby sú o niečo kratšie. Hustota elektrónov je mierne posunutá smerom k elektronegatívnejšiemu atómu uhlíka, t.j. väzba C-H je slabo polárne.

Homológny rad metánu

homológy Látky, ktoré majú podobnú štruktúru a vlastnosti, ale líšia sa v jedna alebo viac CH skupín 2 .

Obmedzte uhľovodíky tvoria homológny rad metánu.

Izoméria a nomenklatúra alkánov

Alkány sa vyznačujú tzv štruktúrna izoméria. Štrukturálne izoméry sa navzájom líšia štruktúrou uhlíkového skeletu. Najjednoduchším alkánom, ktorý sa vyznačuje štruktúrnymi izomérmi, je bután.

Pozrime sa podrobnejšie na základy nomenklatúry pre alkány IUPAC.

1. Výber hlavného okruhu. Tvorba názvu uhľovodíka začína definíciou hlavného reťazca - najdlhšieho reťazca atómov uhlíka v molekule, ktorý je, ako keby, jej základom.

2. Atómové číslovanie hlavného reťazca. Atómom hlavného reťazca sú priradené čísla. Číslovanie atómov hlavného reťazca začína od konca najbližšie k substituentu (štruktúry A, B). Ak sú substituenty v rovnakej vzdialenosti od konca reťazca, číslovanie začína od konca, na ktorom je ich viac (štruktúra B). Ak sú rôzne substituenty v rovnakej vzdialenosti od koncov reťazca, číslovanie začína od konca, ku ktorému je starší z nich bližšie (štruktúra G). Seniorita uhľovodíkových substituentov je určená poradím, v ktorom nasleduje v abecede písmeno, ktorým sa ich názov začína: metyl (-CH 3), potom propyl (-CH 2 -CH 2 -CH 3), etyl (-CH 2 -CH3) atď.

Všimnite si, že názov substituentu sa vytvorí nahradením prípony -an príponou -yl v názve zodpovedajúceho alkánu.

3. Tvorba názvu. Čísla sú uvedené na začiatku názvu - počet atómov uhlíka, na ktorých sa nachádzajú substituenty. Ak je na danom atóme niekoľko substituentov, potom sa zodpovedajúce číslo v názve opakuje dvakrát oddelené čiarkou (2,2-). Za číslom spojovník označuje počet substituentov (di - dva, tri - tri, tetra - štyri, penta - päť) a názov substituentu (metyl, etyl, propyl). Potom bez medzier a pomlčiek - názov hlavného reťazca. Hlavný reťazec sa nazýva uhľovodík - člen homologickej série metánu (metán, etán, propán atď.).

Názvy látok, ktorých štruktúrne vzorce sú uvedené vyššie, sú nasledovné:

Štruktúra A: 2-metylpropán;

Štruktúra B: 3-etylhexán;

Štruktúra B: 2,2,4-trimetylpentán;

Štruktúra D: 2-metyl-4-etylhexán.

Neprítomnosť nasýtených uhľovodíkov v molekulách polárne väzby vedie k nim zle rozpustný vo vode, neinteragujú s nabitými časticami (iónmi). Najtypickejšie reakcie pre alkány sú reakcie zahŕňajúce voľné radikály.

Fyzikálne vlastnosti alkánov

Prví štyria predstavitelia homológnej série metánu - plynov. Najjednoduchším z nich je metán - bezfarebný plyn bez chuti a zápachu (zápach "plynu", ktorý musíte zavolať na číslo 04, je určený vôňou merkaptánov - zlúčenín obsahujúcich síru špeciálne pridaných do metánu používaného v domácnostiach. a priemyselné plynové spotrebiče, aby ľudia v ich blízkosti cítili únik).

Zloženie uhľovodíkov z OD 5 H 12 predtým OD 15 H 32 - tekutiny; ťažšie uhľovodíky sú pevné látky. Teploty varu a topenia alkánov sa postupne zvyšujú so zvyšujúcou sa dĺžkou uhlíkového reťazca. Všetky uhľovodíky sú slabo rozpustné vo vode, kvapalné uhľovodíky sú bežné organické rozpúšťadlá.

Chemické vlastnosti alkánov

substitučné reakcie.

Najcharakteristickejšími reakciami pre alkány sú reakcie substitúcia voľných radikálov, počas ktorej je atóm vodíka nahradený atómom halogénu alebo nejakou skupinou.

Uveďme rovnice charakteristiky halogenačné reakcie:

V prípade nadbytku halogénu môže chlorácia ísť ďalej, až po úplné nahradenie všetkých atómov vodíka chlórom:

Výsledné látky sa široko používajú ako rozpúšťadlá a východiskové materiály v organickej syntéze.

Dehydrogenačná reakcia(štiepenie vodíka).

Pri prechode alkánov cez katalyzátor (Pt, Ni, Al 2 O 3, Cr 2 O 3) pri vysokej teplote (400-600 °C) dochádza k odštiepeniu molekuly vodíka a vzniku alkén:

Reakcie sprevádzané deštrukciou uhlíkového reťazca. Všetky nasýtené uhľovodíky horia s tvorbou oxidu uhličitého a vody. Plynné uhľovodíky zmiešané so vzduchom v určitých pomeroch môžu explodovať.

1. Spaľovanie nasýtených uhľovodíkov je exotermická reakcia s voľnými radikálmi, ktorá je veľmi dôležitá pri použití alkánov ako paliva:

IN všeobecný pohľad Reakciu spaľovania alkánov možno napísať takto:

2. Tepelný rozklad uhľovodíkov.

Proces beží ďalej mechanizmus voľných radikálov. Zvýšenie teploty vedie k homolytickému pretrhnutiu väzby uhlík-uhlík a vzniku voľných radikálov.

Tieto radikály navzájom interagujú, vymieňajú si atóm vodíka a vytvárajú molekulu molekuly alkánov a alkénov:

Tepelné štiepne reakcie sú jadrom priemyselného procesu - krakovanie uhľovodíkov. Tento proces je najdôležitejšou fázou rafinácie ropy.

3. Pyrolýza. Keď sa metán zahreje na teplotu 1000 °C, pyrolýza metánu- rozklad na jednoduché látky:

Pri zahriatí na teplotu 1500 °C dochádza k tvorbe acetylén:

4. Izomerizácia. Pri zahrievaní lineárnych uhľovodíkov s izomerizačným katalyzátorom (chlorid hlinitý) vznikajú látky s rozvetvená uhlíková kostra:

5. Aromatizácia. Alkány so šiestimi alebo viacerými atómami uhlíka v reťazci v prítomnosti katalyzátora sa cyklizujú za vzniku benzénu a jeho derivátov:

Alkány vstupujú do reakcií, ktoré prebiehajú podľa mechanizmu voľných radikálov, pretože všetky atómy uhlíka v molekulách alkánov sú v stave hybridizácie sp 3. Molekuly týchto látok sú postavené pomocou kovalentných látok nepolárne C-C(uhlík - uhlík) väzby a slabo polárne C-H (uhlík - vodík) väzby. Nemajú oblasti s vysokou a nízkou hustotou elektrónov, ľahko polarizovateľné väzby, t.j. také väzby, ktorých hustota elektrónov sa môže posunúť vplyvom vonkajších faktorov (elektrostatické polia iónov). V dôsledku toho alkány nebudú reagovať s nabitými časticami, pretože väzby v molekulách alkánov nie sú narušené heterolytickým mechanizmom.

Limitné uhľovodíky sú zlúčeniny, ktoré sú molekulami pozostávajúcimi z atómov uhlíka v hybridizačnom stave sp3. Sú spojené výlučne kovalentnými sigma väzbami. Názov "nasýtené" alebo "nasýtené" uhľovodíky pochádza zo skutočnosti, že tieto zlúčeniny nemajú schopnosť pripojiť žiadne atómy. Sú konečné, plne nasýtené. Výnimkou sú cykloalkány.

Čo sú alkány?

Alkány sú nasýtené uhľovodíky a ich uhlíkový reťazec je otvorený a pozostáva z atómov uhlíka spojených jednoduchými väzbami. Neobsahuje iné (to znamená dvojité, ako v alkénoch, ani trojité, ako v alkyloch) väzby. Alkány sa tiež nazývajú parafíny. Tento názov dostali, keďže známe parafíny sú zmesou prevažne týchto nasýtených uhľovodíkov C 18 - C 35 so zvláštnou inertnosťou.

Všeobecné informácie o alkánoch a ich radikáloch

Ich vzorec: C n P 2 n +2, tu je n väčšie alebo rovné 1. Molárna hmotnosť sa vypočíta podľa vzorca: M = 14n + 2. Charakteristický znak: koncovky v ich názvoch sú „-an“ . Zvyšky ich molekúl, ktoré vznikajú v dôsledku nahradenia atómov vodíka inými atómami, sa nazývajú alifatické radikály alebo alkyly. Označujú sa písmenom R. Všeobecný vzorec jednoväzbových alifatických radikálov: C n P 2 n +1, pričom n je väčšie alebo rovné 1. Molová hmotnosť alifatických radikálov sa vypočíta podľa vzorca: M = 14n + 1. Charakteristický znak alifatických radikálov: koncovky v názvoch „- bahno“. Alkánové molekuly majú svoje vlastné štruktúrne vlastnosti:

• väzba C-C je charakterizovaná dĺžkou 0,154 nm;
• väzba C-H je charakterizovaná dĺžkou 0,109 nm;
• väzbový uhol (uhol medzi väzbami uhlík-uhlík) je 109 stupňov a 28 minút.

Alkány začínajú homologickú sériu: metán, etán, propán, bután atď.

Fyzikálne vlastnosti alkánov

Alkány sú látky, ktoré sú bezfarebné a nerozpustné vo vode. Teplota, pri ktorej sa alkány začínajú topiť, a teplota, pri ktorej vrú, sa zvyšujú úmerne s nárastom molekulová hmotnosť a dĺžku uhľovodíkového reťazca. Od menej rozvetvených alkánov k viac rozvetveným sa teploty varu a topenia znižujú. Plynné alkány sú schopné horieť svetlomodrým alebo bezfarebným plameňom a uvoľňuje sa pomerne veľa tepla. CH 4 -C 4 H 10 sú plyny, ktoré tiež nemajú zápach. C 5 H 12 -C 15 H 32 sú kvapaliny, ktoré majú špecifický zápach. C15H32 a tak ďalej sú pevné látky, ktoré sú tiež bez zápachu.

Chemické vlastnosti alkánov

Tieto zlúčeniny sú chemicky neaktívne, čo možno vysvetliť silou ťažko prerušiteľných sigma väzieb - C-C a C-H. Je tiež potrebné zvážiť, že väzby C-C sú nepolárne a C-H sú mierne polárne. Ide o nízko polarizovateľné typy väzieb príbuzné typu sigma, a preto sa s najväčšou pravdepodobnosťou rozbijú homolytickým mechanizmom, v dôsledku čoho sa vytvoria radikály. Touto cestou, Chemické vlastnosti alkány sú väčšinou obmedzené na radikálne substitučné reakcie.

Nitračné reakcie

Alkány interagujú iba s kyselinou dusičnou v koncentrácii 10 % alebo so štvormocným oxidom dusnatým v plynnom prostredí pri teplote 140 °C. Nitračná reakcia alkánov sa nazýva Konovalovova reakcia. V dôsledku toho sa tvoria nitrozlúčeniny a voda: CH 4 + kyselina dusičná (zriedená) \u003d CH 3 - NO 2 (nitrometán) + voda.

Reakcie horenia

Limitné uhľovodíky sa veľmi často používajú ako palivo, čo je odôvodnené ich schopnosťou horieť: C n P 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 \u003d (n + 1) H 2 O + n CO 2 .

Oxidačné reakcie

K chemickým vlastnostiam alkánov patrí aj ich schopnosť oxidovať. V závislosti od toho, aké podmienky sprevádzajú reakciu a ako sa menia, je možné získať rôzne konečné produkty z tej istej látky. Mierna oxidácia metánu kyslíkom v prítomnosti katalyzátora, ktorý urýchľuje reakciu, a teplote okolo 200 °C môže viesť k vzniku nasledujúcich látok:

1) 2CH 4 (oxidácia kyslíkom) = 2CH 3 OH (alkohol - metanol).

2) CH4 (oxidácia kyslíkom) \u003d CH20 (aldehyd - metan alebo formaldehyd) + H20.

3) 2CH4 (oxidácia kyslíkom) = 2HCOOH ( karboxylová kyselina- metán alebo mravčia) + 2H20.

Oxidácia alkánov sa môže tiež uskutočňovať v plynnom alebo kvapalnom médiu so vzduchom. Takéto reakcie vedú k tvorbe vyšších mastných alkoholov a zodpovedajúcich kyselín.

Vzťah k teplu

Pri teplotách nepresahujúcich + 150 - 250 ° C, nevyhnutne v prítomnosti katalyzátora, dochádza k štruktúrnemu preskupeniu organických látok, ktoré spočíva v zmene poradia spojenia atómov. Tento proces sa nazýva izomerizácia a látky získané reakciou sa nazývajú izoméry. Z normálneho butánu sa tak získa jeho izomér, izobután. Pri teplotách 300-600 °C a prítomnosti katalyzátora dochádza k prasknutiu C-H spojenia s tvorbou molekúl vodíka (dehydrogenačné reakcie), molekúl vodíka s uzavretím uhlíkového reťazca v cykle (cyklizačné alebo aromatizačné reakcie alkánov):

1) 2CH4 \u003d C2H4 (etén) + 2H 2.

2) 2CH4 \u003d C2H2 (etín) + 3H 2.

3) C7H16 (normálny heptán) \u003d C6H5 - CH3 (toluén) + 4H 2.

Halogenačné reakcie

Takéto reakcie spočívajú v zavedení halogénov (ich atómov) do molekuly organickej hmoty, v dôsledku čoho sa vytvorí väzba C-halogén. Keď alkány reagujú s halogénmi, vytvárajú sa halogénderiváty. Táto reakcia má špecifické vlastnosti. Prebieha radikálnym mechanizmom a na jeho spustenie je potrebné ovplyvniť zmes halogénov a alkánov ultrafialovým žiarením alebo jednoducho zahriať. Vlastnosti alkánov umožňujú priebeh halogenačnej reakcie, kým sa nedosiahne úplná substitúcia atómami halogénu. To znamená, že chlorácia metánu sa neskončí jednou etapou a výrobou metylchloridu. Reakcia pôjde ďalej, vzniknú všetky možné substitučné produkty, počnúc chlórmetánom a končiac tetrachlórmetánom. Pôsobenie chlóru za týchto podmienok na iné alkány povedie k tvorbe rôznych produktov získaných v dôsledku substitúcie vodíka na rôznych atómoch uhlíka. Teplota, pri ktorej reakcia prebieha, určí pomer konečných produktov a rýchlosť ich tvorby. Čím dlhší je uhľovodíkový reťazec alkánu, tým ľahšie bude táto reakcia prebiehať. Pri halogenácii sa najskôr nahradí najmenej hydrogenovaný (terciárny) atóm uhlíka. Po všetkých ostatných zareaguje primár. Halogenačná reakcia bude prebiehať v etapách. V prvej fáze sa nahradí iba jeden atóm vodíka. S halogénovými roztokmi (chlór a brómová voda) alkány neinteragujú.

Sulfochloračné reakcie

Chemické vlastnosti alkánov dopĺňa aj sulfochloračná reakcia (nazýva sa Reedova reakcia). Pri vystavení ultrafialovému žiareniu sú alkány schopné reagovať so zmesou chlóru a oxidu siričitého. V dôsledku toho vzniká chlorovodík a tiež alkylový radikál, ktorý na seba viaže oxid siričitý. Výsledkom je komplexná zlúčenina, ktorá sa stáva stabilnou v dôsledku zachytenia atómu chlóru a deštrukciou jeho ďalšej molekuly: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultrafialové žiarenie = R-SO 2 Cl + HCl. Sulfonylchloridy vznikajúce ako výsledok reakcie sa široko používajú pri výrobe povrchovo aktívnych látok.

Využitie alkánov je pomerne rôznorodé – využívajú sa ako palivo, ako aj v mechanike, medicíne atď. Úloha týchto chemické zlúčeniny v živote moderného človeka je ťažké preceňovať.

Alkány: vlastnosti a stručný popis

Alkány sú necyklické uhlíkové zlúčeniny, v ktorých sú atómy uhlíka spojené jednoduchými nasýtenými väzbami. Tieto látky predstavujú celý rad s určitými vlastnosťami a charakteristikami. nasledovne:

N tu predstavuje počet atómov uhlíka. Napríklad CH3, C2H6.

Prvými štyrmi zástupcami radu alkánov – plynných látok – sú metán, etán, propán a bután. Nasledujúce zlúčeniny (C5 až C17) sú kvapaliny. Séria pokračuje zlúčeninami, ktoré sú za normálnych podmienok pevné látky.

Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, alkány sú neaktívne - prakticky neinteragujú s alkáliami a kyselinami. Mimochodom, sú to chemické vlastnosti, ktoré určujú použitie alkánov.

Tieto zlúčeniny sa však vyznačujú niektorými reakciami, vrátane substitúcie atómov vodíka, ako aj procesmi štiepenia molekúl.

• Najcharakteristickejšou reakciou je halogenácia, pri ktorej sú atómy vodíka nahradené halogénmi. Veľký význam majú reakcie chlorácie a bromácie týchto zlúčenín.
• Nitrácia je nahradenie atómu vodíka nitroskupinou pri reakcii so zriedenou (koncentrácia 10%) Za normálnych podmienok alkány neinteragujú s kyselinami. Na uskutočnenie takejto reakcie je potrebná teplota 140 °C.
• Oxidácia – Za normálnych podmienok nie sú alkány napadnuté kyslíkom. Po zapálení na vzduchu však tieto látky vstupujú do konečných produktov, ktorými sú voda a
• Krakovanie – táto reakcia prebieha len za prítomnosti potrebných katalyzátorov. V tomto procese sa rozštiepia stabilné homológne väzby medzi atómami uhlíka. Napríklad pri krakovaní butánu sa ako výsledok reakcie môže získať etán a etylén.
• Izomerizácia - v dôsledku pôsobenia určitých katalyzátorov je možné určité preskupenie uhlíkového skeletu alkánu.

Aplikácia alkánov

Hlavným prírodným zdrojom týchto látok sú také cenné produkty ako zemný plyn a ropa. Oblasti použitia alkánov sú dnes veľmi široké a rozmanité.

Napríklad, plynné látky používa sa ako cenný zdroj paliva. Príkladom je metán, z ktorého sa skladá zemný plyn a tiež zmes propán-bután.

Ďalším zdrojom alkánov je olej , ktorého význam pre moderné ľudstvo je ťažké preceňovať. Medzi ropné produkty patria:

• ako palivo sa používajú benzíny;
• petrolej;
• motorová nafta alebo ľahký plynový olej;
• ťažký plynový olej, ktorý sa používa ako mazací olej;
• Zvyšok sa používa na výrobu asfaltu.

Z ropných produktov sa vyrábajú aj plasty, syntetické vlákna, gumy a pod čistiace prostriedky.

Vazelína a vazelínový olej sú produkty, ktoré pozostávajú zo zmesi alkánov. Používajú sa v medicíne a kozmeteológii (hlavne na prípravu mastí a krémov), ako aj v parfumérii.

Parafín je ďalší známy produkt, ktorý je zmesou pevných alkánov. Ide o tuhú bielu hmotu, ktorej teplota ohrevu je 50 - 70 stupňov. V modernej výrobe sa parafín používa na výrobu sviečok. Zápalky sú impregnované rovnakou látkou. V medicíne sa pomocou parafínu vykonávajú rôzne tepelné postupy.

Limitné uhľovodíky alebo parafíny sú také biozlúčeniny, v ktorých molekulách sú atómy uhlíka spojené jednoduchou (jednoduchou) väzbou a všetky ostatné valenčné jednotky sú nasýtené atómami vodíka.

Alkány: fyzikálne vlastnosti

Odstránenie vodíka z molekuly alkánu alebo dehydrogenácia v prítomnosti katalyzátorov a pri zahrievaní (až do 460 ° C) umožňuje získať potrebné alkény. Boli vyvinuté metódy na oxidáciu alkánov at vysoké teploty v prítomnosti katalyzátorov (horečnaté soli). To umožňuje priamo ovplyvniť priebeh reakcie a získať potrebné oxidačné produkty v priebehu chemickej syntézy. Napríklad oxidáciou vyšších alkánov vznikajú rôzne vyššie alkoholy alebo vyššie mastné kyseliny.

K štiepeniu alkánov dochádza aj za iných podmienok (horenie, praskanie). Nasýtené uhľovodíky horia modrým plameňom, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo tepla. Tieto vlastnosti umožňujú ich použitie ako vysokokalorické palivo v každodennom živote aj v priemysle.

Uhľovodíky metánového radu sú pri bežných teplotách chemicky veľmi inertné, preto sa nazývajú parafíny (od r. latinské slová parum affinis -- majúci malú afinitu). S väčšinou chemických činidiel tieto uhľovodíky za uvedených podmienok buď nereagujú vôbec, alebo reagujú extrémne pomaly. Pri relatívne nízkych teplotách dochádza len k malému počtu reakcií, pri ktorých sú atómy vodíka nahradené rôznymi atómami a skupinami (metalep-cuu reakcie). Tieto reakcie vedú k produkcii derivátov zodpovedajúcich uhľovodíkov.

Parafíny vo všeobecnosti nie sú schopné adičných reakcií v dôsledku nasýtenia všetkých väzieb atómov uhlíka.

1. Halogenácia

Halogenácia alkánov prebieha radikálnym mechanizmom. Na spustenie reakcie sa musí zmes alkánu a halogénu ožiariť UV svetlom alebo zahriať. Chlorácia metánu sa nezastaví v štádiu získavania metylchloridu (ak sa odoberú ekvimolárne množstvá chlóru a metánu), ale vedie k tvorbe všetkých možných substitučných produktov, od metylchloridu až po tetrachlórmetán. Výsledkom chlorácie iných alkánov je zmes produktov vodíkovej substitúcie na rôznych atómoch uhlíka. Pomer produktov chlorácie závisí od teploty. Rýchlosť chlorácie primárnych, sekundárnych a terciárnych atómov závisí od teploty, pri nízkych teplotách rýchlosť klesá v rade: terciárne, sekundárne, primárne. So stúpajúcou teplotou sa rozdiel medzi rýchlosťami zmenšuje, až kým nebude rovnaký. Distribúciu produktov chlorácie ovplyvňuje okrem kinetického faktora aj štatistický faktor: pravdepodobnosť napadnutia terciárneho atómu uhlíka chlórom je 3x menšia ako primárny a 2x menšia ako sekundárna. Chlorácia alkánov je teda nestereoselektívna reakcia, s výnimkou prípadov, keď je možný len jeden produkt monochlorácie.

Halogenácia je jednou zo substitučných reakcií. Najmenej hydrogenovaný atóm uhlíka sa halogenuje ako prvý (terciárny atóm, potom sekundárny, primárne atómy sa halogenujú ako posledné). Halogenácia alkánov prebieha v etapách - v jednej etape sa nenahradí viac ako jeden atóm vodíka:

CH4 + Cl2 > CH3Cl + HCl (chlorometán)

CH3Cl + Cl2 > CH2Cl2 + HCl (dichlórmetán)

CH2Cl2 + Cl2 > CHCl3 + HCl (trichlórmetán)

CHCI3 + Cl2 > CCI4 + HCl (tetrachlórmetán).

Pôsobením svetla sa molekula chlóru rozkladá na radikály, tie potom napadnú molekuly alkánov, nahradia ich vodíkový atóm, v dôsledku čoho vznikajú metylové radikály CH3, ktoré sa zrážajú s molekulami chlóru, ničia ich a vytvárajú nové radikály.

Alkánová bromácia sa líši od chlorácie vyššou stereoselektivitou v dôsledku väčšieho rozdielu v rýchlostiach bromácie terciárnych, sekundárnych a primárnych uhlíkových atómov pri nízkych teplotách.

K jodizácii alkánov jódom nedochádza a jodidy sa nedajú získať priamou jodáciou.

S fluórom a chlórom môže reakcia prebiehať výbuchom, v takýchto prípadoch sa halogén zriedi dusíkom alebo rozpúšťadlom.

2. Pôsobenie kyseliny dusičnej (nitračná reakcia)

Kyselina dusičná pri bežnej teplote nemá takmer žiadny vplyv na parafínové uhľovodíky; pri zahrievaní pôsobí hlavne ako oxidačné činidlo. Ako však zistil M. I. Konovalov (1889), kyselina dusičná pôsobí pri zahrievaní čiastočne „nitračným“ spôsobom; nitračná reakcia so slabou kyselinou dusičnou prebieha obzvlášť dobre pri zahrievaní a pri zvýšenom tlaku. Nitračnú reakciu vyjadruje rovnica

tj jeden z atómov vodíka je nahradený zvyškom NO2 (nitroskupina) a uvoľňuje sa voda.

Štrukturálne vlastnosti izomérov silne ovplyvňujú priebeh tejto reakcie, pretože najľahšie vedie k substitúcii atómu vodíka vo zvyšku SI (ktorý je prítomný len v niektorých izoméroch) nitroskupinou, vodíkom v skupine CH2. je menej ľahko nahraditeľný a ešte ťažšie - vo zvyšku CH3.

Parafíny sa pomerne ľahko nitrujú v plynnej fáze pri 150-475 °C oxidom dusičitým alebo parami kyseliny dusičnej; súčasne dochádza čiastočne a. oxidácia. Nitráciou metánu vzniká takmer výlučne nitrometán:

Následné homológy poskytujú zmes rôznych nitroparafínov v dôsledku súčasného štiepenia. Nitráciou etánu vzniká nitroetán CH3-CH2-NO2 a nitrometán CH3-NO2. Z propánu vzniká zmes nitroparafínov:

Z bežného butánu:

Nitrácia parafínov v plynnej fáze sa teraz vykonáva v priemyselnom meradle.

3. Pôsobenie kyseliny sírovej (sulfonačná reakcia)

Kyselina sírová pri bežnej teplote nemá žiadny vplyv na parafíny; pri vysokých teplotách pôsobí ako oxidačné činidlo. Pri nízkej teplote, dymenie kyselina sírová môže pôsobiť na parafínové uhľovodíky (najmä na izoštruktúrne uhľovodíky obsahujúce skupinu CH), pričom vzniká kyselina sulfónová a voda:

4. Súčasné pôsobenie oxidu siričitého a chlóru (sulfochloračná reakcia)

Pri kombinovanom pôsobení oxidu siričitého a chlóru pod ultrafialovým svetlom alebo pod vplyvom určitých katalyzátorov sa atóm vodíka nahrádza tvorbou takzvaných sulfochloridov:

Namiesto zmesi S02 a Cl2 sa môže použiť sulfurylchlorid.

5. Pôsobenie kyslíka a okysličovadiel

Kyslík a oxidačné činidlá, dokonca aj také silné, ako je kyselina chrómová a manganistan, nemajú pri bežných teplotách na parafínové uhľovodíky takmer žiadny vplyv. Pri zvýšených teplotách na nasýtené uhľovodíky pomaly pôsobia silné oxidačné činidlá tak, že sa v určitom bode molekuly preruší väzba medzi atómami uhlíka a molekula sa rozpadne na samostatné fragmenty, ktoré sa oxidujú na organické kyseliny. Tieto kyseliny obsahujú vždy menší počet atómov uhlíka v molekule ako pôvodný uhľovodík, t.j. oxidačné reakcie sú vždy reakciami rozkladu (štiepenia) molekuly uhľovodíka.

Plynný kyslík pri bežnej teplote voz-ce alebo takmer žiadny vplyv na parafíny. Pri vysokých teplotách sa uhľovodíky vznietia a horia a dochádza k úplnému zničeniu. organická molekulačo vedie k tvorbe oxidu uhličitého a vody. Len relatívne nedávno bol skúmaný vplyv kyslíka a vzduchu na alkány (väčšinou pevné látky) pri miernych teplotách, kedy oxidácia prebieha pomerne energicky, ale nevedie k vznieteniu. Ukázalo sa, že aj v tomto prípade dochádza k čiastočnému štiepeniu molekúl uhľovodíkov za vzniku látok obsahujúcich kyslík, hlavne organických kyselín. V súčasnosti sa vo veľkom priemyselnom meradle vykonáva oxidácia zmesi vyšších pevných nasýtených uhľovodíkov - oxidácia parafínu, aby sa získali mastné kyseliny.

V poslednom čase naberá priemyselný význam takzvaná riadená (realizovaná pri relatívne nízkych teplotách) kyslíkom alebo vzduchom aj nižších nasýtených uhľovodíkov: metánu, etánu, propánu a butánu. V tomto prípade sa získajú zmesi alkoholov, aldehydov, ketónov a kyselín a medziproduktom sa samozrejme tvoria najjednoduchšie peroxidové zlúčeniny. Pri oxidácii propánu sa môžu získať napríklad tieto látky:

Obvykle sa oxidácia propánu v priemyselných podmienkach uskutočňuje tak, aby sa získalo čo najviac acetaldehydu.

6. Spaľovanie

Hlavnou chemickou vlastnosťou nasýtených uhľovodíkov, ktorá určuje ich použitie ako paliva, je spaľovacia reakcia. Príklad:

CH4 + 202 > CO2 + 2H20 + Q

V prípade nedostatku kyslíka sa namiesto oxidu uhličitého získava oxid uhoľnatý alebo uhlie (v závislosti od koncentrácie kyslíka).

Vo všeobecnosti možno reakciu spaľovania alkánov napísať takto:

СnН2n+2 + (1,5n+0,5)O2= nCO2 + (n+1)H2O

7. Katalytická oxidácia

Môžu vznikať alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny.

Pri miernej oxidácii CH4 (katalyzátor, kyslík, 200 °C) môžu vznikať:

metylalkohol: CH4 + O2 = CH3OH

formaldehyd: CH4 + O2 = CH20 + H2O

kyselina mravčia: CH4 + 02 = HCOOH

8. Pôsobenie vysokých teplôt. Praskanie.

Pri vysokých teplotách všetky parafínové uhľovodíky podliehajú viac či menej hlbokému roztrhnutiu C-C väzby alebo S-N. V tomto prípade vznikajú produkty, ktorých zloženie závisí od podmienok tepelného pôsobenia (teplota, tlak, trvanie ohrevu) a od charakteru uhľovodíka. Keďže implementácia týchto procesov je v princípe jednoduchá a výsledné produkty sú cennými palivami a dôležitými surovinami pre chemický priemysel, je tento spôsob využitia parafínových uhľovodíkov intenzívne skúmaný a široko používaný.

Metán znáša zahrievanie lepšie ako všetky ostatné uhľovodíky: nápadne sa rozkladá až pri teplote asi 800 °C. Najdôležitejším produktom premeny metánu je acetylén, ktorý sa získava v dobrej výťažnosti až v r. špeciálne podmienky. Súčasne sa vyrába etylén na vodík. S klesajúcou teplotou klesá obsah acetylénu v produktoch rozkladu a zvyšuje sa obsah etylénu; zníženie tlaku zvyšuje výťažok oboch uhľovodíkov. Nad 1600 °C, ako aj pri dlhšom zahrievaní na 800--1600 °C sa metán rozkladá hlavne na uhlík a vodík.

Etán sa pri teplote 575--1000 °C rozkladá hlavne na etylén, acetylén a vodík; pri ďalšom zahrievaní dochádza k zuhoľnateniu a súčasne k tvorbe aromatických uhľovodíkov.

Tepelný rozklad zložitejších uhľovodíkov prebieha rôzne v závislosti od teploty. Čím je uhlíková kostra molekuly parafínu dlhšia a rozvetvenejšia, tým ľahšie dochádza k tepelnému rozkladu. Rovnaký stupeň tepelného rozkladu sa teda dosiahne pre propán pri 700--800 °C a pre bután pri 650--750 °C. Nasledujúce homológy sa začínajú rozkladať pri ešte nižších teplotách.

Chemické reakcie, ktoré vznikajú pri tepelnom rozklade uhľovodíkov, sa zvyčajne nazývajú praskanie (angl. -- cracking, breaking). Mechanizmus procesu krakovania je pomerne zložitý. Primárnymi produktmi reakcie sú voľné radikály, ktoré potom interagujú medzi sebou a s inými molekulami. Konečnými produktmi krakovania, uskutočňovaného pri 450 - 550 °C, sú zmesi uhľovodíkov s nižšou molekulovou hmotnosťou (nasýtené, nenasýtené a cyklické). Pri 550--650°C dochádza k hlbšiemu praskaniu: získava sa veľa uhlíkového zvyšku (koks), najjednoduchšie plynné uhľovodíky (nasýtené a nenasýtené), ako aj zmes kvapalných uhľovodíkov, v ktorých prevládajú aromatické uhľovodíky. Pri dlhšom zahrievaní vzniká viac cyklických uhľovodíkov a menej nenasýtených uhľovodíkov. Nad 1000°C rozklad prebieha hlavne na uhlík (koks) a vodík. Krakovanie vyšších uhľovodíkov vo vodíkovej atmosfére, najmä pod tlakom a v prítomnosti katalyzátorov (napríklad oxidu železa), vedie k zmesi, v ktorej prevládajú parafínové uhľovodíky (Bergius).

Pri zahriatí nad 500 °C alkány podliehajú pyrolytickému rozkladu za vzniku komplexnej zmesi produktov, ktorých zloženie a pomer závisí od teploty a reakčného času. Počas pyrolýzy sa väzby uhlík-uhlík štiepia za vzniku alkylových radikálov.

V rokoch 1930-1950. pyrolýza vyšších alkánov sa priemyselne využíva na výrobu komplexnej zmesi alkánov a alkénov, ktorá obsahuje päť až desať atómov uhlíka. Hovorí sa tomu „tepelné praskanie“. Pomocou tepelného krakovania bolo možné zvýšiť množstvo benzínovej frakcie v dôsledku štiepenia alkánov obsiahnutých v petrolejovej frakcii (10-15 uhlíkových atómov v uhlíkovom skelete) a naftovej frakcii (12-20 uhlíkových atómov). ). Oktánové číslo benzínu získaného tepelným krakovaním však nepresahuje 65, čo nespĺňa požiadavky prevádzkových podmienok moderných spaľovacích motorov.

V súčasnosti je tepelné krakovanie v priemysle úplne nahradené katalytickým krakovaním, ktoré sa uskutočňuje v plynnej fáze pri nižších teplotách - 400--450°C a nízkom tlaku - 10-15 atm na hlinitokremičitanovom katalyzátore, ktorý sa priebežne regeneruje napr. spaľovanie na ňom vytvoreného koksu v prúde vzduchu. Pri katalytickom krakovaní sa vo výslednom benzíne prudko zvyšuje obsah alkánov s rozvetvenou štruktúrou.

Pre metán:

CH4 > C + 2H2- pri 1000 °C

Čiastočné praskanie:

• 2CH4 > C2H2 + 3H2 - pri 1500 °C
• 9. Dehydrogenácia

vzdelanie:

1) V uhlíkovom skelete 2 (etán) alebo 3 (propán) atómy uhlíka - získanie (koncových) alkénov, keďže iné sa v tomto prípade získať nedajú; uvoľňovanie vodíka:

Prietokové podmienky: 400--600 °C, katalyzátory -- Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3

• a) CH3-CH3 > CH2 = CH2 + H2 (etán > etén)
• b) CH3-CH2-CH3 > CH2 = CH-CH3 + H2 (propán > propén)
• 2) V uhlíkovom skelete 4 (bután, izobután) alebo 5 (pentán, 2-metylbután, neopentán) atómy uhlíka - získanie alkadiénov; uvoľňovanie vodíka:
  • c) CH3-CH2-CH2-CH3 > CH2=CH-CH=CH2 + H2 (bután > butadién-1,3)
  • c) CH3-CH2-CH2-CH3 > CH2=C=CH-CH3 + H2 (bután > butadién-1,2)
• 3) V uhlíkovej kostre 6 (hexán) alebo viac atómov uhlíka - získanie benzénu a jeho derivátov:
  • d) CH3-CH2-CH2-CH2CH2-CH2-CH2-CH3 (oktán) > P.-xylén, paralelne M.-xylén, paralelne etylbenzén + 3H2
• 10. Izomerizácia

Pôsobením katalyzátora (napríklad AlCl3) dochádza k izomerizácii alkánu: napríklad bután (C4H10), interagujúci s chloridom hlinitým (AlCl3), sa premení z n-butánu na 2-metylpropán.

11. Konverzia metánu

V prítomnosti niklového katalyzátora reakcia prebieha:

CH4 + H2O > CO + H2

Produkt tejto reakcie (zmes CO a H2) sa nazýva "syntézny plyn".

Alkány neinteragujú s manganistanom draselným (KMnO4) a brómovou vodou (Br2).