Bolo by užitočné začať s definíciou pojmu alkány. Tieto sú nasýtené alebo nasýtené. Môžeme tiež povedať, že ide o uhlíky, v ktorých sa spojenie atómov C uskutočňuje jednoduchými väzbami. Všeobecný vzorec je: CnH2n+ 2.
Je známe, že pomer počtu atómov H a C v ich molekulách je maximálny v porovnaní s inými triedami. Vzhľadom na to, že všetky valencie sú obsadené buď C alebo H, chemické vlastnosti alkánov nie sú jasne vyjadrené, preto je ich druhým názvom slovné spojenie nasýtené alebo nasýtené uhľovodíky.
Existuje aj starší názov, ktorý najlepšie odráža ich relatívnu chemickú inertnosť – parafíny, čo znamená „bez afinity“.
Takže témou nášho dnešného rozhovoru je: „Alkány: homologické série, nomenklatúra, štruktúra, izoméria“. Prezentované budú aj údaje týkajúce sa ich fyzikálnych vlastností.
Alkány: štruktúra, nomenklatúra
V nich sú atómy C v stave nazývanom hybridizácia sp3. V tomto ohľade možno molekulu alkánu demonštrovať ako súbor tetraedrických C štruktúr, ktoré sú spojené nielen navzájom, ale aj s H.
Medzi atómami C a H sú silné, veľmi nízkopolárne s-väzby. Atómy sa vždy otáčajú okolo jednoduchých väzieb, a preto molekuly alkánov nadobúdajú rôzne tvary a dĺžka väzby a uhol medzi nimi sú konštantné hodnoty. Tvary, ktoré sa navzájom transformujú v dôsledku rotácie molekuly okolo väzieb σ, sa zvyčajne nazývajú konformácie.
V procese abstrakcie atómu H z príslušnej molekuly sa tvoria 1-valentné druhy nazývané uhľovodíkové radikály. Objavujú sa ako výsledok nielen, ale aj anorganických zlúčenín. Ak odčítate 2 atómy vodíka od nasýtenej molekuly uhľovodíka, dostanete 2-valentné radikály.
Nomenklatúra alkánov teda môže byť:
- radiálne (stará verzia);
- substitúcia (medzinárodná, systematická). Navrhol to IUPAC.
Vlastnosti radiálnej nomenklatúry
V prvom prípade je nomenklatúra alkánov charakterizovaná takto:
- Uvažovanie o uhľovodíkoch ako o derivátoch metánu, v ktorých je 1 alebo niekoľko atómov H nahradených radikálmi.
- Vysoký stupeň pohodlia v prípade nie príliš zložitých spojení.
Vlastnosti substitučnej nomenklatúry
Náhradná nomenklatúra alkánov má tieto vlastnosti:
- Základom názvu je 1 uhlíkový reťazec, zatiaľ čo zvyšné molekulárne fragmenty sa považujú za substituenty.
- Ak existuje niekoľko rovnakých zvyškov, pred ich názvom sa uvedie číslo (presne slovami) a čísla zvyškov sa oddelia čiarkami.
Chémia: nomenklatúra alkánov
Pre pohodlie sú informácie uvedené vo forme tabuľky.
Názov látky | Základ mena (koreň) | Molekulový vzorec | Názov uhlíkového substituenta | Vzorec náhrady uhlíka |
Vyššie uvedené názvoslovie alkánov zahŕňa názvy, ktoré sa vyvinuli historicky (prvé 4 členy radu nasýtených uhľovodíkov).
Názvy neexpandovaných alkánov s 5 a viac atómami C sú odvodené od gréckych číslic, ktoré odrážajú daný počet atómov C. Prípona -an teda označuje, že látka je zo série nasýtených zlúčenín.
Pri skladaní názvov rozložených alkánov je hlavným reťazcom ten, ktorý obsahuje maximálny počet atómov C, je očíslovaný tak, aby substituenty mali najnižší počet. V prípade dvoch alebo viacerých reťazcov rovnakej dĺžky sa hlavným stáva ten, ktorý obsahuje najväčší počet substituentov.
Izoméria alkánov
Materským uhľovodíkom ich radu je metán CH4. S každým nasledujúcim zástupcom metánového radu sa pozoruje rozdiel od predchádzajúceho v metylénovej skupine - CH2. Tento vzor možno vysledovať v celej sérii alkánov.
Nemecký vedec Schiel predložil návrh nazvať túto sériu homologickou. V preklade z gréčtiny to znamená „podobné, podobné“.
Homológna séria je teda súbor príbuzných organických zlúčenín, ktoré majú rovnakú štruktúru a podobné chemické vlastnosti. Homológovia sú členmi danej série. Homológny rozdiel je metylénová skupina, v ktorej sa líšia 2 susedné homológy.
Ako už bolo spomenuté, zloženie akéhokoľvek nasýteného uhľovodíka možno vyjadriť pomocou všeobecného vzorca CnH2n + 2. Ďalším členom homologického radu po metáne je teda etán - C2H₆. Na premenu jeho štruktúry z metánu je potrebné nahradiť 1 atóm vodíka CH3 (obrázok nižšie).
Štruktúra každého nasledujúceho homológu môže byť odvodená z predchádzajúceho rovnakým spôsobom. V dôsledku toho vzniká propán z etánu - C3H8.
Čo sú izoméry?
Ide o látky, ktoré majú identické kvalitatívne a kvantitatívne molekulárne zloženie (rovnaký molekulárny vzorec), ale odlišnú chemickú štruktúru a majú aj odlišné chemické vlastnosti.
Vyššie diskutované uhľovodíky sa líšia v takom parametri, ako je bod varu: -0,5 ° - bután, -10 ° - izobután. Tento typ izomérie sa nazýva izoméria uhlíkového skeletu, patrí do štruktúrneho typu.
Počet štruktúrnych izomérov sa rýchlo zvyšuje so zvyšujúcim sa počtom atómov uhlíka. C10H22 teda bude zodpovedať 75 izomérom (okrem priestorových) a pre C15H32 je už známych 4347 izomérov, pre C20H42 - 366 319.
Takže už bolo jasné, čo sú alkány, homologické série, izoméria, nomenklatúra. Teraz stojí za to prejsť k pravidlám zostavovania mien podľa IUPAC.
Nomenklatúra IUPAC: pravidlá tvorby mien
Najprv je potrebné nájsť v uhľovodíkovej štruktúre uhlíkový reťazec, ktorý je najdlhší a obsahuje maximálny počet substituentov. Potom musíte očíslovať atómy C reťazca, počnúc koncom, ku ktorému je substituent najbližšie.
Po druhé, báza je názov nerozvetveného nasýteného uhľovodíka, ktorý počtom atómov C zodpovedá hlavnému reťazcu.
Po tretie, pred bázou je potrebné uviesť čísla lokantov, v blízkosti ktorých sa nachádzajú substituenty. Názvy substituentov sa píšu za nimi so spojovníkom.
Po štvrté, v prípade prítomnosti rovnakých substituentov na rôznych atómoch C sa lokanty spoja a pred názvom sa objaví násobiaca predpona: di - pre dva rovnaké substituenty, tri - pre tri, tetra - štyri, penta - pre päť , atď. Čísla musia byť od seba oddelené čiarkou a od slov pomlčkou.
Ak ten istý atóm C obsahuje dva substituenty naraz, lokant sa tiež zapíše dvakrát.
Podľa týchto pravidiel sa tvorí medzinárodná nomenklatúra alkánov.
Newmanove projekcie
Tento americký vedec navrhol špeciálne projekčné vzorce na grafickú demonštráciu konformácií – Newmanove projekcie. Zodpovedajú formám A a B a sú uvedené na obrázku nižšie.
V prvom prípade ide o A-okludovanú konformáciu a v druhom o B-inhibovanú konformáciu. V polohe A sú atómy H umiestnené v minimálnej vzdialenosti od seba. Táto forma zodpovedá najvyššej energetickej hodnote, pretože odpor medzi nimi je najväčší. Ide o energeticky nepriaznivý stav, v dôsledku ktorého má molekula tendenciu ho opustiť a presunúť sa do stabilnejšej polohy B. Tu sú atómy H od seba čo najďalej. Energetický rozdiel medzi týmito polohami je teda 12 kJ/mol, vďaka čomu je voľná rotácia okolo osi v molekule etánu, ktorá spája metylové skupiny, nerovnomerná. Po vstupe do energeticky priaznivej polohy tam molekula zotrváva, inými slovami, „spomalí“. Preto sa nazýva inhibovaná. Výsledkom je, že 10 000 molekúl etánu je pri izbovej teplote v inhibovanej forme. Len jeden má iný tvar – zastretý.
Získavanie nasýtených uhľovodíkov
Z článku už bolo známe, že ide o alkány (ich štruktúra a nomenklatúra boli podrobne opísané skôr). Bolo by užitočné zvážiť spôsoby, ako ich získať. Uvoľňujú sa z prírodných zdrojov, ako je ropa, prírodné uhlie a uhlie. Používajú sa aj syntetické metódy. Napríklad H22H2:
- Hydrogenačný proces CnH₂n (alkény)→ CnH2n+2 (alkány)← CnH₂n-2 (alkíny).
- Zo zmesi C a H monoxid - syntézny plyn: nCO+(2n+1)H2→ CnH2n+2+nH2O.
- Z karboxylových kyselín (ich solí): elektrolýza na anóde, na katóde:
- Kolbeho elektrolýza: 2RCOONa+2H20→R-R+2CO2+H2+2NaOH;
- Dumasova reakcia (zliatina s alkáliou): CH3COONa+NaOH (t)→CH4+Na2CO3.
- Krakovanie oleja: CnH2n+2 (450-700°) -> CmH2m+2+ Cn-mH2(n-m).
- Splyňovanie paliva (tuhé): C+2H2→CH4.
- Syntéza komplexných alkánov (halogénderiváty), ktoré majú menej atómov C: 2CH3Cl (chlórmetán) +2Na →CH3- CH3 (etán) +2NaCl.
- Rozklad metanoidov (karbidov kovov) vodou: Al₄C3+12H2O→4Al(OH3)↓+3CH4.
Fyzikálne vlastnosti nasýtených uhľovodíkov
Pre pohodlie sú údaje zoskupené do tabuľky.
Vzorec | Alkán | Teplota topenia v °C | Bod varu v °C | Hustota, g/ml |
0,415 pri t = -165 °С |
||||
0,561 pri t = -100 °C |
||||
0,583 pri t = -45 °C |
||||
0,579 pri t = 0 °C |
||||
2-metylpropán | 0,557 pri t = -25 °C |
|||
2,2-dimetylpropán | ||||
2-metylbután | ||||
2-metylpentán | ||||
2,2,3,3-tetra-metylbután | ||||
2,2,4-trimetylpentán | ||||
n-C10H22 | ||||
n-C11H24 | n-Undekán | |||
n-C12H26 | n-dodekán | |||
n-C13H28 | n-Tridecan | |||
n-C14H30 | n-tetradekán | |||
n-C15H32 | n-pentadekan | |||
n-C16H34 | n-hexadekán | |||
n-C20H42 | n-eikozán | |||
n-C30H62 | n-Triacontan | 1 mmHg sv | ||
n-C40H82 | n-tetrakontán | 3 mmHg čl. | ||
n-C50H102 | n-pentacontan | 15 mmHg čl. | ||
n-C60H122 | n-hexakontán | |||
n-C70H142 | n-heptacontan | |||
n-C100H202 |
Záver
Článok skúmal taký koncept, ako sú alkány (štruktúra, nomenklatúra, izoméria, homologické série atď.). Trochu sa hovorí o vlastnostiach radiálnych a substitučných nomenklatúr. Sú opísané spôsoby získania alkánov.
Okrem toho je v článku podrobne uvedená celá nomenklatúra alkánov (test vám môže pomôcť asimilovať prijaté informácie).
Chemické vlastnosti alkánov
Alkány (parafíny) sú necyklické uhľovodíky, v ktorých molekulách sú všetky atómy uhlíka spojené iba jednoduchými väzbami. Inými slovami, v molekulách alkánov nie sú žiadne viacnásobné - dvojité alebo trojité väzby. V skutočnosti sú alkány uhľovodíky obsahujúce maximálny možný počet atómov vodíka, a preto sa nazývajú limitujúce (nasýtené).
V dôsledku nasýtenia nemôžu alkány podliehať adičným reakciám.
Keďže atómy uhlíka a vodíka majú pomerne blízku elektronegativitu, vedie to k tomu, že väzby C-H v ich molekulách sú extrémne nízkopolárne. V tomto ohľade sú pre alkány typickejšie reakcie prebiehajúce radikálovým substitučným mechanizmom, označeným symbolom SR.
1. Substitučné reakcie
Pri reakciách tohto typu dochádza k prerušeniu väzieb uhlík-vodík
RH + XY → RX + HY
Halogenácia
Alkány reagujú s halogénmi (chlór a bróm), keď sú vystavené ultrafialovému svetlu alebo vysokému teplu. V tomto prípade vzniká zmes halogénderivátov s rôznym stupňom substitúcie atómov vodíka - mono-, ditri- atď. halogénom substituované alkány.
Ak použijeme metán ako príklad, vyzerá to takto:
Zmenou pomeru halogén/metán v reakčnej zmesi je možné zabezpečiť, aby v zložení produktov prevládal akýkoľvek konkrétny halogénový derivát metánu.
|
Mechanizmus reakcie Analyzujme mechanizmus substitučnej reakcie voľných radikálov na príklade interakcie metánu a chlóru. Pozostáva z troch etáp:
Voľné radikály, ako je možné vidieť na obrázku vyššie, sú atómy alebo skupiny atómov s jedným alebo viacerými nepárovými elektrónmi (Cl, H, CH3, CH2, atď.); 2. Rozvoj reťazca Táto fáza zahŕňa interakciu aktívnych voľných radikálov s neaktívnymi molekulami. V tomto prípade sa tvoria nové radikály. Najmä pri pôsobení chlórových radikálov na molekuly alkánov vzniká alkylový radikál a chlorovodík. Alkylový radikál, ktorý sa zrazí s molekulami chlóru, vytvára derivát chlóru a nový radikál chlóru: 3) Prerušenie (smrť) okruhu: Vyskytuje sa ako výsledok rekombinácie dvoch radikálov navzájom na neaktívne molekuly: |
2. Oxidačné reakcie
Za normálnych podmienok sú alkány inertné voči takým silným oxidačným činidlám, akými sú koncentrovaná kyselina sírová a dusičná, manganistan draselný a dvojchróman (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7).
Spaľovanie v kyslíku
A) úplné spaľovanie s prebytkom kyslíka. Vedie k tvorbe oxidu uhličitého a vody:
CH4+202 = C02 + 2H20
B) nedokonalé spaľovanie v dôsledku nedostatku kyslíka:
2CH4 + 302 = 2CO + 4H20
CH4+02 = C + 2H20
Katalytická oxidácia kyslíkom
V dôsledku zahrievania alkánov kyslíkom (~200 o C) v prítomnosti katalyzátorov z nich možno získať širokú škálu organických produktov: aldehydy, ketóny, alkoholy, karboxylové kyseliny.
Napríklad metán môže byť v závislosti od povahy katalyzátora oxidovaný na metylalkohol, formaldehyd alebo kyselinu mravčiu:
3. Tepelné premeny alkánov
Praskanie
Cracking (z angl. prasknúť - roztrhnúť) je chemický proces prebiehajúci pri vysokých teplotách, v dôsledku ktorého sa uhlíková kostra molekúl alkánov rozpadne na molekuly alkénov a alkánov s nižšou molekulovou hmotnosťou v porovnaní s pôvodnými alkánmi. Napríklad:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH2-CH2-CH3 + CH3-CH=CH2
Krakovanie môže byť tepelné alebo katalytické. Na uskutočnenie katalytického krakovania sa vďaka použitiu katalyzátorov používajú výrazne nižšie teploty v porovnaní s tepelným krakovaním.
Dehydrogenácia
K eliminácii vodíka dochádza v dôsledku štiepenia väzieb C-H; uskutočňované v prítomnosti katalyzátorov pri zvýšených teplotách. Keď sa metán dehydrogenuje, vzniká acetylén:
2CH4 -> C2H2 + 3H2
Zahriatie metánu na 1200 °C vedie k jeho rozkladu na jednoduché látky:
CH4 -> C + 2H 2
Keď sa zvyšné alkány dehydrogenujú, tvoria sa alkény:
C2H6 -> C2H4 + H2
Pri dehydrogenácii n-bután produkuje butén alebo butén-2 (zmes cis- A tranz-izoméry):
Dehydrocyklizácia
Izomerizácia
Chemické vlastnosti cykloalkánov
Chemické vlastnosti cykloalkánov s viac ako štyrmi atómami uhlíka vo svojich kruhoch sú vo všeobecnosti takmer totožné s vlastnosťami alkánov. Napodiv, cyklopropán a cyklobután sa vyznačujú adičnými reakciami. Je to spôsobené vysokým napätím v rámci cyklu, čo vedie k tomu, že tieto cykly majú tendenciu sa lámať. Takže cyklopropán a cyklobután ľahko pridávajú bróm, vodík alebo chlorovodík:
Chemické vlastnosti alkénov
1. Adičné reakcie
Pretože dvojitá väzba v molekulách alkénu pozostáva z jednej silnej sigma a jednej slabej pí väzby, ide o pomerne aktívne zlúčeniny, ktoré ľahko podliehajú adičným reakciám. Alkény často podstupujú takéto reakcie aj za miernych podmienok – v chlade, vo vodných roztokoch a organických rozpúšťadlách.
Hydrogenácia alkénov
Alkény sú schopné pridávať vodík v prítomnosti katalyzátorov (platina, paládium, nikel):
CH3-CH = CH2 + H2 -> CH3-CH2-CH3
Hydrogenácia alkénov prebieha ľahko aj pri normálnom tlaku a miernom zahriatí. Zaujímavosťou je, že rovnaké katalyzátory možno použiť na dehydrogenáciu alkánov na alkény, len proces dehydrogenácie prebieha pri vyššej teplote a nižšom tlaku.
Halogenácia
Alkény ľahko podliehajú adičným reakciám s brómom vo vodnom roztoku aj v organických rozpúšťadlách. V dôsledku interakcie spočiatku žlté roztoky brómu strácajú farbu, t.j. zmeniť farbu.
CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br
Hydrohalogenácia
Ako je ľahké vidieť, pridanie halogenovodíka k molekule nesymetrického alkénu by teoreticky malo viesť k zmesi dvoch izomérov. Napríklad, keď sa bromovodík pridá do propénu, mali by sa získať tieto produkty:
Ak však neexistujú špecifické podmienky (napríklad prítomnosť peroxidov v reakčnej zmesi), pridanie molekuly halogenovodíka sa uskutoční prísne selektívne v súlade s Markovnikovovým pravidlom:
Pridanie halogenovodíka k alkénu prebieha tak, že vodík sa pridá k atómu uhlíka s väčším počtom atómov vodíka (viac hydrogenovaný) a halogén sa pridá k atómu uhlíka s menším počtom vodíkov. atómy (menej hydrogenované).
Hydratácia
Táto reakcia vedie k tvorbe alkoholov a tiež prebieha v súlade s Markovnikovovým pravidlom:
Ako môžete ľahko uhádnuť, vzhľadom na skutočnosť, že pridávanie vody k molekule alkénu prebieha podľa Markovnikovovho pravidla, tvorba primárneho alkoholu je možná iba v prípade hydratácie etylénu:
CH2=CH2 + H20 -> CH3-CH2-OH
Touto reakciou sa väčšina etylalkoholu vyrába vo veľkom priemysle.
Polymerizácia
Špecifickým prípadom adičnej reakcie je polymerizačná reakcia, ktorá na rozdiel od halogenácie, hydrohalogenácie a hydratácie prebieha mechanizmom voľných radikálov:
Oxidačné reakcie
Ako všetky ostatné uhľovodíky, aj alkény ľahko horia v kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody. Rovnica pre spaľovanie alkénov v prebytku kyslíka má tvar:
CnH2n+2 + O2 → nC02 + (n+1)H20
Na rozdiel od alkánov sa alkény ľahko oxidujú. Pri vystavení alkénov vodnému roztoku KMnO 4 dochádza k odfarbeniu, čo je kvalitatívna reakcia na dvojité a trojité CC väzby v molekulách organických látok.
Oxidácia alkénov manganistanom draselným v neutrálnom alebo mierne alkalickom roztoku vedie k tvorbe diolov (dvojsýtnych alkoholov):
C2H4 + 2KMnO4 + 2H20 → CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH (chladenie)
V kyslom prostredí sa dvojitá väzba úplne rozbije a atómy uhlíka, ktoré vytvorili dvojitú väzbu, sa premenia na karboxylové skupiny:
5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O (zahrievanie)
Ak sa dvojitá väzba C=C nachádza na konci molekuly alkénu, potom oxid uhličitý vzniká ako produkt oxidácie najvzdialenejšieho atómu uhlíka na dvojitej väzbe. Je to spôsobené tým, že medziprodukt oxidácie, kyselina mravčia, sa ľahko oxiduje v nadbytku oxidačného činidla:
5CH 3 CH=CH 2 + 10 KMnO 4 + 15 H 2 SO 4 → 5 CH 3 COOH + 5 CO 2 + 10 MnSO 4 + 5 K 2 SO 4 + 20 H 2 O (zahrievanie)
Oxidáciou alkénov, v ktorých atóm uhlíka na dvojitej väzbe obsahuje dva uhľovodíkové substituenty, vzniká ketón. Napríklad oxidáciou 2-metylbuténu-2 vzniká acetón a kyselina octová.
Na určenie ich štruktúry sa využíva oxidácia alkénov, pri ktorej je uhlíkový skelet porušený na dvojitej väzbe.
Chemické vlastnosti alkadiénov
Adičné reakcie
Napríklad pridanie halogénov:
Brómová voda sa zafarbí.
Za normálnych podmienok dochádza k adícii atómov halogénu na koncoch molekuly 1,3-butadiénu, zatiaľ čo π-väzby sú prerušené, atómy brómu sú pridané k extrémnym atómom uhlíka a voľné valencie tvoria novú π-väzbu. . Dochádza teda k „pohybu“ dvojitej väzby. Ak je brómu nadbytok, môže sa na miesto vytvorenej dvojitej väzby pridať ďalšia molekula.
Polymerizačné reakcie
Chemické vlastnosti alkínov
Alkíny sú nenasýtené (nenasýtené) uhľovodíky, a preto sú schopné podstúpiť adičné reakcie. Spomedzi adičných reakcií pre alkíny je najbežnejšia elektrofilná adícia.
Halogenácia
Pretože trojitá väzba alkínových molekúl pozostáva z jednej silnejšej sigma väzby a dvoch slabších pi väzieb, sú schopné pripojiť buď jednu alebo dve molekuly halogénu. Pridanie dvoch molekúl halogénu jednou molekulou alkínu prebieha elektrofilným mechanizmom postupne v dvoch fázach:
Hydrohalogenácia
K adícii molekúl halogenovodíka tiež dochádza prostredníctvom elektrofilného mechanizmu a v dvoch stupňoch. V oboch fázach pristúpenie prebieha v súlade s Markovnikovovým pravidlom:
Hydratácia
Pridávanie vody k alkínom prebieha v prítomnosti ruti solí v kyslom prostredí a nazýva sa Kucherovova reakcia.
Výsledkom hydratácie je, že pridaním vody k acetylénu vzniká acetaldehyd (acetický aldehyd):
V prípade homológov acetylénu vedie pridanie vody k tvorbe ketónov:
Hydrogenácia alkínov
Alkíny reagujú s vodíkom v dvoch krokoch. Ako katalyzátory sa používajú kovy ako platina, paládium a nikel:
Trimerizácia alkínov
Keď acetylén prechádza cez aktívne uhlie pri vysokej teplote, vytvára sa z neho zmes rôznych produktov, z ktorých hlavným je benzén, produkt trimerizácie acetylénu:
Dimerizácia alkínov
Acetylén tiež podlieha dimerizačnej reakcii. Proces prebieha v prítomnosti solí medi ako katalyzátorov:
Alkínová oxidácia
Alkíny horia v kyslíku:
CnH2n-2+ (3n-1)/202 -> nC02+ (n-1)H20
Reakcia alkínov so zásadami
Alkíny s trojitým C≡C na konci molekuly sú na rozdiel od iných alkínov schopné vstupovať do reakcií, pri ktorých je atóm vodíka na trojitej väzbe nahradený kovom. Napríklad acetylén reaguje s amidom sodným v kvapalnom amoniaku:
HC≡CH + NaNH2 → NaC≡CNa + 2NH3,
a tiež s amoniakovým roztokom oxidu strieborného, čím sa vytvárajú nerozpustné látky podobné soli nazývané acetylénidy:
Vďaka tejto reakcii je možné rozpoznať alkíny s koncovou trojitou väzbou, ako aj izolovať takýto alkín zo zmesi s inými alkínmi.
Je potrebné poznamenať, že všetky acetylenidy striebra a medi sú výbušné látky.
Acetylénidy sú schopné reagovať s halogénovými derivátmi, čo sa používa pri syntéze zložitejších organických zlúčenín s trojitou väzbou:
CH3-C≡CH + 2NaNH2 → CH3-C≡CNa + NH3
CH3-C≡CNa + CH3Br → CH3-C≡C-CH3 + NaBr
Chemické vlastnosti aromatických uhľovodíkov
Aromatický charakter väzby ovplyvňuje chemické vlastnosti benzénov a iných aromatických uhľovodíkov.
Jednotný 6pi elektrónový systém je oveľa stabilnejší ako bežné pí väzby. Preto sú pre aromatické uhľovodíky typickejšie substitučné reakcie ako adičné reakcie. Arény podliehajú substitučným reakciám prostredníctvom elektrofilného mechanizmu.
Substitučné reakcie
Halogenácia
Nitrácia
Nitračná reakcia prebieha najlepšie pod vplyvom nie čistej kyseliny dusičnej, ale jej zmesi s koncentrovanou kyselinou sírovou, takzvanej nitračnej zmesi:
Alkylácia
Reakcia, pri ktorej je jeden z atómov vodíka na aromatickom kruhu nahradený uhľovodíkovým radikálom:
Namiesto halogénovaných alkánov sa môžu použiť aj alkény. Ako katalyzátory sa môžu použiť halogenidy hliníka, halogenidy železa alebo anorganické kyseliny.<
Adičné reakcie
Hydrogenácia
Pridávanie chlóru
Pri intenzívnom ožiarení ultrafialovým svetlom prebieha radikálnym mechanizmom:
Podobná reakcia môže nastať len s chlórom.
Oxidačné reakcie
Spaľovanie
2C6H6 + 1502 = 12C02 + 6H20 + Q
Neúplná oxidácia
Benzénový kruh je odolný voči oxidačným činidlám, ako sú KMn04 a K2Cr207. Žiadna reakcia.
Substituenty na benzénovom kruhu sú rozdelené do dvoch typov:
Uvažujme chemické vlastnosti homológov benzénu s použitím toluénu ako príkladu.
Chemické vlastnosti toluénu
Halogenácia
Molekula toluénu sa môže považovať za pozostávajúcu z fragmentov molekúl benzénu a metánu. Preto je logické predpokladať, že chemické vlastnosti toluénu by mali do určitej miery spájať chemické vlastnosti týchto dvoch látok braných oddelene. To je často to, čo sa pozoruje počas jeho halogenácie. Už vieme, že benzén podlieha substitučnej reakcii s chlórom elektrofilným mechanizmom a na uskutočnenie tejto reakcie je potrebné použiť katalyzátory (halogenidy hliníka alebo železa). Súčasne je metán tiež schopný reagovať s chlórom, ale mechanizmom voľných radikálov, čo vyžaduje ožiarenie počiatočnej reakčnej zmesi UV svetlom. Toluén, v závislosti od podmienok, za ktorých je vystavený chlorácii, môže poskytnúť buď produkty substitúcie atómov vodíka v benzénovom kruhu - na to musíte použiť rovnaké podmienky ako pri chlorácii benzénu alebo produkty substitúcie vodíka atómov v metylovom radikále, ak chlór pôsobí na metán pri ultrafialovom ožiarení:
Ako vidíte, chlorácia toluénu v prítomnosti chloridu hlinitého viedla k dvom rôznym produktom - orto- a para-chlórtoluénu. Je to spôsobené tým, že metylový radikál je substituentom prvého druhu.
Ak sa chlorácia toluénu v prítomnosti AlCl3 vykonáva v nadbytku chlóru, je možná tvorba trichlór-substituovaného toluénu:
Podobne, keď sa toluén chlóruje na svetle pri vyššom pomere chlór/toluén, možno získať dichlórmetylbenzén alebo trichlórmetylbenzén:
Nitrácia
Nahradenie atómov vodíka nitroskupinou počas nitrácie toluénu zmesou koncentrovanej kyseliny dusičnej a sírovej vedie skôr k substitučným produktom v aromatickom kruhu ako v metylovom radikále:
Alkylácia
Ako už bolo uvedené, metylový radikál je orientačným činidlom prvého druhu, preto jeho alkylácia podľa Friedel-Craftsa vedie k substitučným produktom v orto- a para-polohách:
Adičné reakcie
Toluén môže byť hydrogenovaný na metylcyklohexán pomocou kovových katalyzátorov (Pt, Pd, Ni):
C6H5CH3 + 902 → 7CO2 + 4H20
Neúplná oxidácia
Pri vystavení oxidačnému činidlu, ako je vodný roztok manganistanu draselného, bočný reťazec podlieha oxidácii. Aromatické jadro nemôže za takýchto podmienok oxidovať. V tomto prípade sa v závislosti od pH roztoku vytvorí buď karboxylová kyselina alebo jej soľ.
Alkány :
Alkány sú nasýtené uhľovodíky, v molekulách ktorých sú všetky atómy spojené jednoduchými väzbami. Vzorec -
Fyzikálne vlastnosti :
- Teploty topenia a varu sa zvyšujú s molekulovou hmotnosťou a dĺžkou uhlíkového hlavného reťazca
- Za normálnych podmienok sú nerozvetvené alkány od CH4 do C4H10 plyny; od C5H12 do C13H28 - kvapaliny; po C14H30 - pevné látky.
- Teploty topenia a varu klesajú z menej rozvetvených na viac rozvetvené. Takže napríklad pri 20 °C je n-pentán kvapalina a neopentán je plyn.
Chemické vlastnosti:
· Halogenácia
toto je jedna 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 jednom stupni sa nenahradí viac ako jeden atóm vodíka:
- CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (chlorometán)
- CH3CI + Cl2 → CH2CI2 + HCl (dichlórmetán)
- CH2CI2 + Cl2 → CHCI3 + HCl (trichlórmetán)
- CHCI3 + Cl2 -> CCI4 + HCl (tetrachlormethan).
Pod vplyvom svetla sa molekula chlóru rozpadne na radikály, tie potom napadnú molekuly alkánov, odoberú im atóm vodíka, v dôsledku čoho vznikajú metylové radikály CH 3, ktoré sa zrážajú s molekulami chlóru, ničia ich a vytvárajú nových radikálov.
· Spaľovanie
Hlavnou chemickou vlastnosťou nasýtených uhľovodíkov, ktorá určuje ich použitie ako paliva, je spaľovacia reakcia. Príklad:
CH4 + 202 -> C02 + 2H20+ Q
Ak je kyslíka nedostatok, namiesto oxidu uhličitého vzniká oxid uhoľnatý alebo uhlie (v závislosti od koncentrácie kyslíka).
Vo všeobecnosti možno reakciu spaľovania alkánov napísať takto:
S n H 2 n +2 +(1,5n+0,5)02= n CO 2 + ( n+1)H20
· Rozklad
Rozkladné reakcie prebiehajú len pod vplyvom vysokých teplôt. Zvýšenie teploty vedie k pretrhnutiu uhlíkových väzieb a vzniku voľných radikálov.
Príklady:
CH4 -> C + 2H 2 (t > 1000 °C)
C2H6 -> 2C + 3H2
alkény :
Alkény sú nenasýtené uhľovodíky obsahujúce v molekule okrem jednoduchých väzieb aj jednu dvojitú väzbu uhlík-uhlík Vzorec - C n H 2n
Príslušnosť uhľovodíka k triede alkénov odráža generická prípona –én v jeho názve.
Fyzikálne vlastnosti :
- Teploty topenia a varu alkénov (zjednodušene) sa zvyšujú s molekulovou hmotnosťou a dĺžkou uhlíkového hlavného reťazca.
- Za normálnych podmienok sú alkény od C2H4 do C4H8 plyny; od C 5 H 10 do C 17 H 34 - kvapaliny, po C 18 H 36 - tuhé látky. Alkény sú nerozpustné vo vode, ale sú vysoko rozpustné v organických rozpúšťadlách.
Chemické vlastnosti :
· Dehydratácia je proces odštiepenia molekuly vody od molekuly organickej zlúčeniny.
· Polymerizácia je chemický proces spájania mnohých počiatočných molekúl látky s nízkou molekulovou hmotnosťou do veľkých molekúl polyméru.
Polymér je vysokomolekulárna zlúčenina, ktorej molekuly pozostávajú z mnohých rovnakých štruktúrnych jednotiek.
Alkadiény :
Alkadiény sú nenasýtené uhľovodíky obsahujúce v molekule okrem jednoduchých väzieb aj dvojité väzby uhlík-uhlík.
. Diény sú štruktúrne izoméry alkínov.Fyzikálne vlastnosti :
Butadién je plyn (bod varu −4,5 °C), izoprén je kvapalina s teplotou varu 34 °C, dimetylbutadién je kvapalina s teplotou varu 70 °C. Izoprén a iné diénové uhľovodíky sú schopné polymerizácie na gumu. Prírodný kaučuk vo svojom čistenom stave je polymér so všeobecným vzorcom (C5H8)n a získava sa z mliečnej šťavy niektorých tropických rastlín.
Kaučuk je vysoko rozpustný v benzéne, benzíne a sírouhlíku. Pri nízkych teplotách sa pri zahrievaní stáva krehkým a lepkavým. Na zlepšenie mechanických a chemických vlastností gumy sa vulkanizáciou mení na gumu. Na získanie gumových výrobkov sa najskôr formujú zo zmesi gumy so sírou, ako aj plnív: sadzí, kriedy, ílu a niektorých organických zlúčenín, ktoré slúžia na urýchlenie vulkanizácie. Potom sa výrobky zahrievajú - horúca vulkanizácia. Počas vulkanizácie sa síra chemicky viaže na gumu. Vulkanizovaný kaučuk navyše obsahuje síru vo voľnom stave vo forme drobných čiastočiek.
Diénové uhľovodíky ľahko polymerizujú. Polymerizačná reakcia diénových uhľovodíkov je základom syntézy kaučuku. Prechádzajú adičnými reakciami (hydrogenácia, halogenácia, hydrohalogenácia):
H2C=CH-CH=CH2 + H2 -> H3C-CH=CH-CH3
alkíny :
Alkíny sú nenasýtené uhľovodíky, ktorých molekuly obsahujú okrem jednoduchých väzieb aj jednu trojitú väzbu uhlík-uhlík vzorca-C n H 2n-2
Fyzikálne vlastnosti :
Alkíny sa svojimi fyzikálnymi vlastnosťami podobajú zodpovedajúcim alkénom. Nižšie (do C 4) sú plyny bez farby a zápachu, ktoré majú vyššie teploty varu ako ich analógy v alkénoch.
Alkíny sú slabo rozpustné vo vode, ale lepšie v organických rozpúšťadlách.
Chemické vlastnosti :
Halogenačné reakcie
Alkíny sú schopné pridať jednu alebo dve halogénové molekuly za vzniku zodpovedajúcich halogénových derivátov:
Hydratácia
V prítomnosti ortuťových solí alkíny pridávajú vodu za vzniku acetaldehydu (pre acetylén) alebo ketónu (pre iné alkíny)
Acyklické uhľovodíky sa nazývajú alkány. Celkovo existuje 390 alkánov. Najdlhšiu štruktúru má nonacontatrictan (C 390 H 782). Halogény sa môžu viazať na atómy uhlíka za vzniku halogénalkánov.
Štruktúra a nomenklatúra
Podľa definície sú alkány nasýtené alebo nasýtené uhľovodíky, ktoré majú lineárnu alebo rozvetvenú štruktúru. Tiež sa nazývajú parafíny. Alkánové molekuly obsahujú iba jednoduché kovalentné väzby medzi atómami uhlíka. Všeobecný vzorec -
Ak chcete pomenovať látku, musíte dodržiavať pravidlá. Podľa medzinárodného názvoslovia sa názvy tvoria pomocou prípony -an. Názvy prvých štyroch alkánov vznikli historicky. Počnúc piatym zástupcom sa názvy skladajú z predpony označujúcej počet atómov uhlíka a prípony -an. Napríklad okta (osem) tvorí oktán.
Pre rozvetvené reťazce sa názvy sčítajú:
- z čísel označujúcich počet atómov uhlíka, v blízkosti ktorých sa nachádzajú radikály;
- z názvu radikálov;
- z názvu hlavného okruhu.
Príklad: 4-metylpropán – štvrtý atóm uhlíka v propánovom reťazci má radikál (metyl).
Ryža. 1. Štruktúrne vzorce s názvami alkánov.
Každý desiaty alkán dáva názov ďalším deviatim alkánom. Po dekáne prichádza undekán, dodekán a potom po eikozáne - heneikozán, dokozán, trikozán atď.
Homológna séria
Prvým zástupcom je metán, a preto sa alkány nazývajú aj homológny rad metánu. Tabuľka alkánov ukazuje prvých 20 zástupcov.
|
názov |
Vzorec |
názov |
Vzorec |
|
Tridecan |
|||
|
tetradekán |
|||
|
Pentadekán |
|||
|
Hexadekán |
|||
|
heptadekán |
|||
|
Octadecan |
|||
|
Nanadekan |
|||
Počnúc butánom, všetky alkány majú štruktúrne izoméry. K názvu sa pridáva predpona iso-: izobután, izopropán, izohexán.
Ryža. 2. Príklady izomérov.
Fyzikálne vlastnosti
Stav agregácie látok sa mení v zozname homológov zhora nadol. Čím viac atómov uhlíka obsahuje, a teda čím väčšia je molekulová hmotnosť zlúčenín, tým vyššia je teplota varu a tým tvrdšia látka.
Zvyšné látky obsahujúce viac ako 15 atómov uhlíka sú v pevnom stave.
Plynné alkány horia modrým alebo bezfarebným plameňom.
Potvrdenie
Alkány, podobne ako iné triedy uhľovodíkov, sa získavajú z ropy, plynu a uhlia. Používajú sa na to laboratórne a priemyselné metódy:
- splyňovanie tuhého paliva:
C + 2H2 -> CH4;
- hydrogenácia oxidu uhoľnatého (II):
CO + 3H2 -> CH4 + H20;
- hydrolýza karbidu hliníka:
Al4C3 + 12H20 -> 4Al(OH)3 + 3CH4;
- reakcia karbidu hliníka so silnými kyselinami:
Al4C3 + H2CI -> CH4 + AlCl3;
- redukcia halogénalkánov (substitučná reakcia):
2CH3CI + 2Na -> CH3-CH3 + 2NaCl;
- hydrogenácia halogénalkánov:
CH3CI + H2 -> CH4 + HCl;
- fúzia solí kyseliny octovej s alkáliami (Dumasova reakcia):
CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4.
Alkány je možné získať hydrogenáciou alkénov a alkínov v prítomnosti katalyzátora – platiny, niklu, paládia.
Chemické vlastnosti
Alkány reagujú s anorganickými látkami:
- spaľovanie:
CH4 + 202 -> C02 + 2H20;
- halogenácia:
CH4 + Cl2 -> CH3CI + HCl;
- nitrácia (Konovalovova reakcia):
CH4 + HN03 -> CH3N02 + H20;
- pristúpenie:
DEFINÍCIA
Alkány– nasýtené (alifatické) uhľovodíky, ktorých zloženie je vyjadrené vzorcom C n H 2 n +2.
Alkány tvoria homológnu sériu, ktorej každá chemická zlúčenina sa svojim zložením líši od nasledujúcej a predchádzajúcej rovnakým počtom atómov uhlíka a vodíka - CH2 a látky zahrnuté v homologickej sérii sa nazývajú homológy. Homologická séria alkánov je uvedená v tabuľke 1.
Tabuľka 1. Homológny rad alkánov.
V molekulách alkánov sa rozlišujú primárne (t.j. spojené jednou väzbou), sekundárne (t.j. spojené dvoma väzbami), terciárne (t.j. spojené tromi väzbami) a kvartérne (t.j. spojené štyrmi väzbami) atómy uhlíka.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – primárny, 2 – sekundárny uhlíkový atóm)
CH3-C3H(CH3)-CH3 (3-terciárny atóm uhlíka)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-kvartérny atóm uhlíka)
Alkány sa vyznačujú štruktúrnou izomériou (izoméria uhlíkového skeletu). Pentán má teda nasledujúce izoméry:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentán)
CH3-CH(CH3)-CH2-CH3 (2-metylbután)
CH3-C(CH3)2-CH3 (2,2 – dimetylpropán)
Alkány, počnúc heptánom, sa vyznačujú optickou izomériou.
Atómy uhlíka v nasýtených uhľovodíkoch sú v hybridizácii sp3. Uhly medzi väzbami v molekulách alkánov sú 109,5.
Chemické vlastnosti alkánov
Za normálnych podmienok sú alkány chemicky inertné – nereagujú ani s kyselinami, ani zásadami. To sa vysvetľuje vysokou pevnosťou väzieb C-C a C-H. Nepolárne väzby C-C a C-H sa môžu štiepiť len homolyticky pod vplyvom aktívnych voľných radikálov. Preto alkány vstupujú do reakcií, ktoré prebiehajú mechanizmom radikálovej substitúcie. Pri radikálových reakciách sa atómy vodíka najskôr nahradia na terciárnych atómoch uhlíka, potom na sekundárnych a primárnych atómoch uhlíka.
Radikálové substitučné reakcie majú reťazový charakter. Hlavné štádiá: nukleácia (iniciácia) reťazca (1) - prebieha pod vplyvom UV žiarenia a vedie k tvorbe voľných radikálov, rast reťazca (2) - nastáva v dôsledku abstrakcie atómu vodíka z molekuly alkánu ; ukončenie reťazca (3) – nastáva pri zrážke dvoch rovnakých alebo rôznych radikálov.
X:X → 2X . (1)
R:H+X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . +X . → R:X (3)
X . +X . → X:X (3)
Halogenácia. Keď alkány interagujú s chlórom a brómom pôsobením UV žiarenia alebo vysokej teploty, vytvorí sa zmes produktov z mono- až polyhalogénom substituovaných alkánov:
CH3CI + Cl2 = CH2CI2 + HCl (dichlórmetán)
CH2CI2 + Cl2 = CHCI3 + HCl (trichlórmetán)
CHCl3 + Cl2 = CCl4 + HCl (tetrachlórmetán)
Nitrácia (Konovalovova reakcia). Keď zriedená kyselina dusičná pôsobí na alkány pri 140 °C a nízkom tlaku, dochádza k radikálnej reakcii:
CH3-CH3+HNO3 = CH3-CH2-NO2 (nitroetán) + H20
Sulfochlorácia a sulfoxidácia. Priama sulfonácia alkánov je ťažká a najčastejšie je sprevádzaná oxidáciou, čo vedie k tvorbe alkánsulfonylchloridov:
R-H + S02 + Cl2 -> R-S03Cl + HCl
Sulfónová oxidačná reakcia prebieha podobne, len v tomto prípade vznikajú alkánsulfónové kyseliny:
R-H + S02 + 1/2 O2 -> R-S03H
Praskanie– radikálne štiepenie C-C väzieb. Vyskytuje sa pri zahrievaní a v prítomnosti katalyzátorov. Pri krakovaní vyšších alkánov vznikajú alkény, pri krakovaní metánu a etánu vzniká acetylén:
C8H18 = C4H10 (bután) + C3H8 (propán)
2CH4 = C2H2 (acetylén) + 3H2
Oxidácia. Miernou oxidáciou metánu vzdušným kyslíkom môže vzniknúť metanol, mravčia aldehyd alebo kyselina mravčia. Vo vzduchu sa alkány spaľujú na oxid uhličitý a vodu:
CnH2n+2+ (3n+1)/202 = nC02+ (n+1)H20
Fyzikálne vlastnosti alkánov
Za normálnych podmienok sú C1-C4 plyny, C5-C17 sú kvapaliny a počnúc C18 sú pevné látky. Alkány sú prakticky nerozpustné vo vode, ale sú vysoko rozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách, ako je benzén. Metán CH 4 (bažina, banský plyn) je teda bezfarebný plyn bez zápachu, vysoko rozpustný v etanole, éteri, uhľovodíkoch, ale málo rozpustný vo vode. Metán sa používa ako vysokokalorické palivo v zemnom plyne, ako surovina na výrobu vodíka, acetylénu, chloroformu a iných organických látok v priemyselnom meradle.
Propán C 3 H 8 a bután C 4 H 10 sú plyny používané v každodennom živote ako plyny vo fľašiach vďaka ich ľahkému skvapalneniu. Propán sa používa ako palivo do auta, pretože je ekologickejší ako benzín. Bután je surovinou na výrobu 1,3-butadiénu, ktorý sa používa pri výrobe syntetického kaučuku.
Príprava alkánov
Alkány sa získavajú z prírodných zdrojov - zemný plyn (80-90% - metán, 2-3% - etán a iné nasýtené uhľovodíky), uhlie, rašelina, drevo, ropa a kamenný vosk.
Existujú laboratórne a priemyselné metódy výroby alkánov. V priemysle sa alkány získavajú z bitúmenového uhlia (1) alebo Fischer-Tropschovou reakciou (2):
nC+ (n+1)H2 = CnH2n+2 (1)
nCO+ (2n+1)H2 = CnH2n+2 + H20 (2)
Laboratórne metódy výroby alkánov zahŕňajú: hydrogenáciu nenasýtených uhľovodíkov zahrievaním a v prítomnosti katalyzátorov (Ni, Pt, Pd) (1), interakciu vody s organokovovými zlúčeninami (2), elektrolýzu karboxylových kyselín (3), dekarboxylačné reakcie (4) a Wurtz (5) a inými spôsobmi.
R1-C≡C-R2 (alkín) → R1-CH = CH-R2 (alkén) → R1-CH2 – CH2-R2 (alkán) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H20 → R-H (alkán) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO - → 2CO 2 + C2H6 (etán) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R1-Cl +2Na +Cl-R2 →2NaCl + R1-R2 (5)
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
| Cvičenie | Určte množstvo chlóru potrebného na prvý stupeň chlorácie 11,2 litra metánu. |
| Riešenie | Napíšme reakčnú rovnicu pre prvý stupeň chlorácie metánu (t. j. pri halogenačnej reakcii sa nahradí iba jeden atóm vodíka, výsledkom čoho je vznik monochlórového derivátu): CH4 + Cl2 = CH3CI + HCl (chlórmetán) Poďme zistiť množstvo metánu: v(CH4) = V(CH4)/V m v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Podľa reakčnej rovnice sa počet mólov chlóru a počet mólov metánu rovná 1 mol, preto bude aj praktický počet mólov chlóru a metánu rovnaký a bude sa rovnať: v(Cl2) = v(CH4) = 0,5 mol Keď poznáte množstvo chlórovej látky, môžete nájsť jej hmotnosť (čo je to, čo je uvedené v problémovej otázke). Hmotnosť chlóru sa vypočíta ako súčin množstva chlórovej látky a jej molárnej hmotnosti (molekulová hmotnosť 1 mólu chlóru; molekulová hmotnosť je vypočítaná pomocou tabuľky chemických prvkov od D.I. Mendelejeva). Hmotnosť chlóru sa bude rovnať: m(Cl2) = v(Cl2)xM(Cl2) m(CI2) = 0,5 x 71 = 35,5 g |
| Odpoveď | Hmotnosť chlóru je 35,5 g |
