I. Изучение нового материала

Алканы – это органические соединения, углеводороды алифатического (ациклического) предельного характера, в молекулах которых между атомами углерода только одинарные связи (σ-связи), и которые соответствуют общей формуле C_nH_2n+2.

| | CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃

– C – C – бут ан

| |

• Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp³-гибридизации, т.е. все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды – тетраэдра.
• Угол между связями составляет 109°28´, поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг), хотя молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму, потому что вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение.
• Связи углерод-углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми, длина связи C–C равна 0,154нм. Связи C–H несколько короче и являются слабополярными.
• Отсутствие в молекулах алканов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворимы в воде, не вступают во взаимодействие с ионами. Наиболее характерными для алканов являются реакции, протекающие по свободно-радикальному механизму.

Для алканов характерно структурная изомерия:

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3   пентан

4 3 2 1 CH3 – CH2 – CH – CH3 | CH3 2 метилбутан

CH3 1 2| 3 CH3 – C – CH3 | CH3 2,2-диметилпропан

 

Для производных алканов характерна еще и изомерия положения заместителей:

4 3 2 1 CH3 – CH2 – CH – CH3 | Cl 2-хлорпентан

4 3 2 1 CH3 – CH2 – CH2 – CH2 | Cl 1-хлорпентан

 

Физические свойства.

CH₄…C₄H₁₀ C₅H₁₂…C₁₅H₃₂ C₁₆H₃₄…

Газы (без запаха) Жидкости (имеют запах) Твердые вещества (без запаха)

t° кипения и t° плавления увеличиваются

Алканы – бесцветные вещества, легче воды, плохо растворяются в воде.

 

 

Химические свойства.

I. Реакции замещения (по свободно-радикальному (цепному) механизму) – разрыв связей C – H и замещение атомов водорода:

1. Галогенирование:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

хлорметан

Алканы очень активно реагируют с фтором; хлорирование протекает под действием сета и является фотохимической цепной реакцией: низшие алканы (CH₄, C₂H₆, C₃H₈) можно прохлорировать полностью.

2. Нитрование:

а. в газовой фазе при 400-500°C (образуется смесь изомерных нитроалканов, а также нитроалканы с меньшим числом атомов углерода в результате разрыва связей C–C):

500°C

CH₄ + HO – NO₂ CH₃ – NO₂ + H₂O

нитрометан

+ HNO₃, t>140°C

CH₃ CH₂ CH₃ CH₃ CH₂ CH₂ NO₂ + CH₃ – CH – CH₃ + CH₃ CH₂ NO₂ + CH₃ NO₂

-H₂O |

NO₂

пропан 1-нитропропан 2-нитропропан нитроэтан нитрометан

(32%) (33%) (26%) (9%)

б. разбавленной азотной кислотой при 140°C и при повышенном или нормальном давлении – реакция М. И. Коновалова (смесь изомерных нитросоединений); легче всего замещаются атомы водорода у третичного атома углерода, труднее – у вторичного, наиболее трудно – у первичного:

CH₃ CH₃

| 140°C |

CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + HO – NO₂ CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + H₂O

| разб. |

H NO₂

2-метилбутан 2-метил-2-нитробутан

 

3. Сульфирование:

 

CH₃ CH₃

| t°C |

CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + HO – SO₃H → CH₃ – CH₂ – C – CH₃ + H₂O

| конц. |

H SO₃H

2-метилбутан 2-метилбутан-2-сульфобутан

(2-метил-2-сульфокислота)

 

II. Реакции отщепления (элиминирования):

1. Дегидрирование:

400-600°C

а. C₂H₆ C₂H₄ + H₂

алкан алкен

1000°C

б. 2 CH₄ C₂H₂ + 3 H₂

алкан алкин

в. Пиролиз

1200 °C

CH₄ C + 2 H₂

2. Крекинг:

t°C

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

гексадекан октан октен

3. Дегидроциклизация (ароматизация):

Pt, 300°C

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂– CH₂– CH₂ – CH₃ C₆H₅ – CH₃ + 4H₂

гептан метилбензол

III. Изомеризации:

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ → CH₃ – CH – CH₃

|

CH₃

бутан метилпропан

IV. Окисления:

1. Горение:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO + 4 H₂O

CH₄ + O₂ → C + 2 H₂O

2. Окисление кислородом воздуха:

2 CH₄ + O₂ → 2 CH₃ – OH

метанол

O

//

CH₄ + O₂ → H – C + H₂O

\

H

метаналь

O

//

2 CH₄ + O₂ → 2 H – C + 2 H₂O

\

OH

метановая кислота (муравьиная кислота)

3. При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇)

V. Образование синтез-газа:

t°C, Kt

CH₄ + H₂O CO + 3 H₂

Получение:

I. Получение метана:

1. В промышленности:

а. из природного газа;

б. синтез из оксида углерода (II) и водорода (из синтез-газа):

Ni, 300°C

CO + 3H₂ CH₄ + H₂O

2. В лаборатории:

а. гидролиз карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃

б. сплавление солей уксусной кислоты (ацетатов) со щелочами:

t°

CH₃ COONa + NaO H → CH₄↑ + Na₂CO₃

ацетат натрия (твердый)

(твердый)

II. Получение гомологов метана:

1. В промышленности:

а. из природного сырья (нефть, газ, горный воск);

б. синтез из оксида углерода (II) и водорода (из синтез-газа):

Ni, 300°C

n CO + (2 n + 1)H₂ C _n H_{2 n +2} + n H₂O

2. В лаборатории:

а. каталитическое гидрирование (+H₂) непредельных углеводородов:

Ni, 150°C

C _n H_{2 n} + H₂ C _n H_{(2 n +2)}

алкен алкан

 

Pt

C _n H_{2 n -2} + 2H₂ C _n H_{2 n +2}

алкин алкан

б. взаимодействие галогеналканов с активными металлами (реакция А. Вюрца):

Происходит димеризация углеродной цепи исходного галогеналкана с образованием алкана с четным числом атомов углерода в цепи:

R – Br Na R Na – Br

+ → │ +

R – Br Na R Na – Br

 

2CH₃ – Br + 2Na → CH₃ – CH₃ + 2NaBr

 

Если в реакции участвуют разные галогеналканы, то образуется смесь алканов:

 

3R – Br + 3R ′ – Br + 6Na → R – R + R – R ′ + R ′ – R ′ + 6NaBr

 

Применение метана

 

HNO₃

 

NH₃ типографская краска

Метанол CH₃OH C (сажа) резина

H₂ красители

CH₃Cl Топливо

CH₂Cl₂ CH₄ CO + H₂

Растворители «Синтез-газ»

CHCl₃

C₂H₂

CCl₄ Ацетилен

 

Фреон CF₂Cl₂

O

//

H – C

\

H

Формальдегид

O

//

H – C

\

OH

Муравьиная кислота Пластмассы

Применение гомологов метана

1. как горючее для дизельных, турбореактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания,

2. как основа смазочных масел,

3. как сырье для производства синтетических жиров и др.,

4. как промышленный и бытовой газ