Які для алканів характерні реакції

Кожен клас хімічних сполук здатний виявляти властивості, обумовлені їх електронною будовою. Для алканів характерні реакції заміщення,

відщеплення або окислення молекул. Всі хімічні процеси мають свої особливості протікання, про які піде далі мова.

Що таке алкани

Це насичені вуглеводневі сполуки, які носять назву парафінів. Їх молекули складаються тільки з атомів вуглецевих і водневих, мають лінійну або розгалужену ациклічні ланцюжок, в якій є лише одинарні з`єднання. З огляду на характеристику класу, можна обчислити, які реакції характерні для алканів. Вони підпорядковуються формулою для всього класу: H_{2n + 2}C_n.

будова хімічне

Молекула парафінів включає вуглецеві атоми, що проявляють sp³-гібридизацію. У них все валентні чотири орбіталі мають однакову формою, енергією і напрямом в просторі. Розмір кута між енергетичними рівнями становить 109 ° і 28 `.

Наявність одинарних зв`язків в молекулах визначає, які реакції характерні для алканів. У них присутні &sigma - з`єднання. Зв`язок між вуглецями є неполярной і слабо поляризованість, вона трохи довше, ніж в C-H. Також спостерігається зміщення електронної густини до вуглецевого атома, як найбільш електронегативного. В результаті з`єднання C-H характеризується малою полярністю.

реакції заміщення

Речовини класу парафінів мають слабку хімічну активність. Це можна пояснити міцністю зв`язків між C-C і C-H, які важко розірвати через Неполярний. В основі їх руйнування лежить механізм гомолитически, при якому беруть участь радикали вільного типу. Саме тому для алканів характерні реакції заміщення. Такі речовин не здатні взаємодіяти з молекулами води або несучими заряд іонами.

Їм зараховують заміщення свободнорадикальное, в якому водневі атоми замінюються на галогенові елементи або інші активні групи. До таких реакцій відносять процеси, пов`язані з галогенированием, сульфохлорування і нитрованием. Їх результатом є отримання алканових похідних.В основі механізму реакцій заміщення по свободнорадикальному типу лежать основні три стадії:

1. Починається процес з ініціювання або зародження ланцюжка, в результаті якого формуються вільні радикали. Каталізаторами служать джерела світла ультрафіолетового і нагрівання.
2. Потім розвивається ланцюжок, в якій здійснюються послідовні взаємодії активних частинок з неактивними молекулами. Відбувається їх перетворення в молекули і радикали відповідно.
3. Кінцевим етапом буде обрив ланцюжка. Спостерігається рекомбінація або зникнення активних частинок. Так припиняється розвиток ланцюгової реакції.

процес галогенірованія

В його основі лежить механізм радикального типу. Реакція галогенування алканів проходить при опроміненні ультрафіолетом і нагріванні суміші з галогенів і вуглеводнів.

Всі стадії процесу підкоряються правилу, яке висловив Марковников. У ньому зазначено, що піддається заміщенню галогеном, перш за все, атом водню, який належить самому Гідрований вуглецю. Галогенування протікає в такій послідовності: від теоретичного атома до первинного вуглецю.

Процес проходить краще у молекул алканів з довгою основний вуглецевої ланцюжком. Це пов`язано зі зменшенням іонізуючої енергії в даному напрямку, від речовини легше отщепляется електрон.

Прикладом може служити хлорування молекули метану. Дія ультрафіолету призводить до розщеплення хлору на радикальні частинки, які здійснюють атаку на алкан. Відбувається відрив атомарного водню і формування H₃C·- або метильної радикала. Така частка, в свою чергу, атакує молекулярний хлор, приводячи до руйнування її структури і утворення нового хімічного реагенту.

На кожному етапі процесу здійснюється заміщення тільки одного водневого атома. Реакція галогенування алканів приводить до поступового формування хлорметановой, діхлорметановой, тріхлорметановой і тетрахлорметанового молекули.

Схематично процес виглядає наступним чином:

H₄C + Cl: Cl - H₃CCl + HCl,

H₃CCl + Cl: Cl - H₂CCl₂ + HCl,

H₂CCl₂ + Cl: Cl - HCCl₃ + HCl,

HCCl₃ + Cl: Cl - CCl₄ + HCl.

На відміну від хлорування молекули метану, проведення такого процесу з іншими алканами характеризується отриманням речовин, у яких заміщення водню відбувається не у одного атома вуглецю, а у декількох. Їх кількісне співвідношення пов`язано з температурними показниками. У холодних умовах спостерігається зменшення швидкості утворення похідних з третинної, вторинної та первинної структурою.

З підвищенням температурного показника швидкість формування таких з`єднань вирівнюється. На процес галогенірованія існує вплив фактора статичного, який вказує на різну ймовірність зіткнення радикала з вуглецевим атомом.

Процес галогенірованія йодом в звичайних умовах не протікає. Необхідне створення спеціальних умов. При впливі на метан даними галогеном відбувається виникнення йодистого водню. На нього впливає йодистий метил, в результаті виділяються початкові реагенти: метан і йод. Така реакція вважається оборотного.

Реакція Вюрца для алканів

Є методом отримання вуглеводнів насичених із симетричною структурою. Як реагують речовин використовують натрій металевий, алкілброміди або алкілхлоріди. При їх взаємодії отримують галогенид натрію і збільшену вуглеводневий ланцюг, яка є сумою двох радикалів вуглеводнів. Схематично синтез виглядає наступним чином: R-Cl + Cl-R + 2Na - R-R + 2NaCl.

Реакція Вюрца для алканів можлива тільки в тому випадку, якщо в їх молекулах галогени знаходяться у первинного вуглецевого атома. Наприклад, CH₃-CH₂-CH₂Br.

Якщо в процесі бере участь галогенуглеводорододная суміш з двох з`єднань, то при конденсації їх ланцюжків утворюються три різні продукти. Прикладом такої реакції алканів може служити взаємодія натрію з хлорметаном і хлоретаном. На виході виходить суміш, яка містить бутан, пропан і етан.

Крім натрію, можна застосовувати інші лужні метали, до яких відносять літій або калій.

процес сульфохлорування

Його ще називають реакцією Ріда. Протікає вона за принципом свободнорадикального заміщення. Це характерний тип реакції алканів на дію суміші з діоксиду сірки та молекулярного хлору в присутності ультрафіолетового випромінювання.

Процес починається з ініціації ланцюгового механізму, при якому з хлору одержують два радикала. Один з них атакує алкан, що призводить до виникнення алкильной частки і молекули хлороводню. До вуглеводневому радикалу прикріплюється сірки діоксид з формуванням складної частинки. Для стабілізації відбувається захоплення одного хлорного атома з іншої молекули. Кінцевим речовиною є сульфонілхлорід алкана, його застосовують при синтезі поверхнево-активних сполук.

Схематично процес виглядає так:

ClCl - ^hv Cl + Cl,

HR + Cl - R + HCl,

R + OSO - RSO₂,

RSO₂ + ClCl - RSO₂Cl + Cl.

Процеси, пов`язані з нитрованием

Алкани вступають в реакції з кислотою азотною у вигляді розчину 10%, а також з азоту чотирьохвалентного оксидом в газоподібному стані. Умовами її протікання є високі температурні значення (близько 140 ° C) і низькі показники тиску. На виході продукуються нітроалкани.

Даний процес вільнорадикального типу назвали в честь вченого Коновалова, який відкрив синтез нітрування: CH₄ + HNO₃ - CH₃NO₂ + H₂O.

механізм відщеплення

Для алканів характерні реакції дегідрування і крекінгу. Молекула метану піддається повному термічного розкладання.

Основним механізмом вищевказаних реакцій є відщеплення атомів від алканів.

процес дегідрірованія

При відділенні атомів водню від вуглецевого скелета парафінів, за винятком метану, виходять ненасичені сполуки. Такі хімічні реакції алканів проходять в умовах високої температури (від 400 до 600 ° C) і під дією прискорювачів у вигляді платини, нікелю, оксидів хрому і алюмінію.

Якщо в реакції беруть участь молекули пропану або етану, то її продуктами буде пропен або етен з одним подвійним зв`язком.

При дегидрировании чотирьох або пятиуглеродного скелета виходять дієнових з`єднання. З бутану формуються бутадієн-1,3 і бутадієн-1,2.

Якщо в реакції присутні речовини з 6 і більше атомами вуглецю, то утворюється бензол. У ньому є ароматичне ядро з трьома зв`язками подвійними.

Процес, пов`язаний з розкладанням

В умовах високої температури реакції алканів можуть проходити з розривом зв`язків вуглецевих і формуванням активних частинок радикального типу. Такі процеси називають крекингом або піролізу.

Нагрівання реагуючих речовин до температур, що перевищують 500 ° C, призводить до розкладання їх молекул, в ході якого утворюються складні суміші з радикалів алкільного типу.

Проведення при сильному нагріванні піролізу алканів з довгими вуглецевими ланцюжками пов`язано з отриманням граничних і ненасичених сполук. Його називають термічним крекингом. Такий процес використовували до середини 20 століття.

Недоліком було отримання вуглеводнів з низьким октановим числом (не більше 65), тому його замінили крекингом каталітичним. Процес проходить при температурних умовах, які нижче 440 ° C, і значеннях тиску, менше 15 атмосфер, в присутність алюмосиликатного прискорювача з виділенням алканів, що мають розгалужену структуру. Прикладом може служити метановий піроліз: 2CH₄ -^t°C₂H₂+ 3H₂. В ході цієї реакції утворюється ацетилен і молекулярний водень.

Молекула метану може піддаватися конверсії. Для такої реакції необхідна вода і нікелевий каталізатор. На виході виходить суміш з чадного газу і водню.

окислювальні процеси

Хімічні реакції, характерні для алканів, пов`язані з віддачею електронів.

Існує автоокисления парафінів. У ньому задіяний вільно-радикальний механізм окислення насичених вуглеводнів. В ході реакції з рідкої фази алканів отримують гидроперекиси. На початковому етапі молекула парафіну взаємодіє з киснем, в результаті виділяються активні радикали. Далі з алкильной часткою взаємодіє ще одна молекула O₂, виходить ROO. З перекисне радикалом жирної кислоти контактує молекула алкана, після чого виділяється гідроперекис. Прикладом може служити автоокисления етану:

C₂H₆ + O₂ - C₂H₅ + HOO ,

C₂H₅ + O₂ - OOC₂H₅,

OOC₂H₅ + C₂H₆ - HOOC₂H₅ + C₂H₅.

Для алканів характерні реакції горіння, які належать до основних хімічних властивостях, при визначенні їх в складі палива. Вони мають окислювальний характер з викидом тепла: 2C₂H₆ + 7O₂ - 4CO₂ + 6H₂O.

Якщо в процесі спостерігається мала кількість кисню, то кінцевим продуктом може бути вугілля або вуглецю двовалентний оксид, що визначається концентрацією O₂.

При окисленні алканів під впливом каталітичних речовин і нагріванні до 200 ° C виходять молекули спирту, альдегіду або карбонової кислоти.

Приклад з етаном:

C₂H₆ + O₂ - C₂H₅OH (етанол),

C₂H₆ + O₂ - CH₃CHO + H₂O (етаналь і вода),

2C₂H₆ + 3O₂ - 2CH₃COOH + 2H₂O (метанова кислота і вода).

Алкани можуть окислюватися при дії на них тричленних циклічних пероксидов. До них відносять діметілдіоксіран. Результатом окислення парафінів є молекула спирту.

Представники парафінів не реагують на KMnO₄ або марганцевокислий калій, а також на бромную воду.

ізомеризація

На алкани тип реакції характеризується заміщенням з електрофільним механізмом. Сюди зараховують изомеризацию вуглецевого ланцюга. Каталізує цей процес алюмінію хлорид, який взаємодіє з насиченим парафіном. Прикладом служить ізомеризація молекули бутану, яка стає 2-метілпропаном: C₄H₁₀ - C₃H₇CH₃.

процес ароматизації

Насичені речовини, у яких в основний ланцюжку вуглецевої міститься шість або більше атомів вуглецевих, здатні проводити дегидроциклизации. Для коротких молекул не характерна така реакція. Результатом завжди є шестичленна цикл у вигляді циклогексана і його похідних.

У присутності реакційних прискорювачів проходить подальше дегидрирование і перетворення в більш стійке бензольні кільце. Відбувається перетворення ациклічних вуглеводнів в ароматичні сполуки або арени. Як приклад служить дегидроциклизация гексана:

H₃C-CH₂- CH₂- CH₂- CH₂-CH₃ - C₆H₁₂ (Циклогексан),

C₆H₁₂ - C₆H₆ + 3H₂ (Бензол).

Увага, тільки СЬОГОДНІ!