Предельные углеводороды, общая формула и химическое строение гомологов данного ряда. Свойства и применение метана

План ответа:

1. Определение предельных углеводородов.
2.  Общая формула и представители.
3. Строение.
4. Изомерия.
5. Номенклатура.
6. Физические свойства.
7. Химические свойства.
8. Получение.
9. Применение.

Алканы являются насыщенными, или предельными углеводородами, которые не вступают в реакции присоединения, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью насыщены) заняты атомами углерода.

 Простейшим представителем алканов служит метан СН₄. Начиная него, можно построить ряд, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу СН₂. Члены этого ряда называются гомологами.

 

Общая формула гомологического ряда алканов С_nН _2n+2.

 представители этого ряда:

 

СН₄   - Метан               

С₂Н₆ - Этан                    

С₃Н₈ - Пропан

С₄Н₁₀ - Бутан

С₅Н₁₂ - Пентан

С₆Н₁₄ – Гексан

С₇Н₁₆ - Гептан

С₈Н₁₈ – Октан

С₉Н₂₀ - Нонан

С₁₀Н₂₂ – Декан

 

Строение

Каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации (смотри занятие 28) и образует четыре σ-связи С-С и С-Н, углы между которыми равны 109,5º. Атом углерода образует σ-связь за счет перекрывания гибридных орбиталей с гибридными орбиталями другого атома углерода или любыми орбиталями атомов других элементов. Перекрывание осуществляется таким образом, что область максимальной электронной плотности сосредотачивается в пространстве между ядрами на прямой, соединяющей центры атомов. Такое перекрывание оказывается наиболее эффективным, а возникшие при этом σ-связи оказываются наиболее прочными.

 

Изомерия

Основной вид изомерии для алканов – изомерия углеродного скелета. Начиная с С₄Н₁₀, одной и той же молекулярной формуле отвечают несколько алканов, которые отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Число возможных изомеров С_nН_2n+2 резко увеличивается с ростом n. Для бутана С₄Н₁₀ Известны два изомера:

 

СН₃―СН₂ ―СН₂ ―СН₃          СН₃―СН―СН₃

                                                             |

                                                            СН₃         

            Бутан                  2-метилпропан

 

для пентана С₅Н₁₂—три, для гексана С₆Н₁₄—5, для гептана С₇Н₁₆—9.

Для каждого n существует единственный изомер с неразветвлённой углеводородной цепью.

Если у молекулы алкана отнять один атом водорода, то получится углеводородный радикал с одной свободной валентностью. Общая формула предельных углеводородных радикалов С_nH_2n+1.

Радикалы: 

СН₃   - Метил           

С₂Н₅ - Этил и т.д.                

 

Номенклатура

 По систематической международной номенклатуре первым четырём членам гомологического ряда алканов присвоены их исторически сложившиеся названия – метан, этан, пропан, бутан. Названия остальных алканов с нормальной, т.е. неразветвленной углеродной цепью, составляются из греческого названия числительного, соответствующего числу атомов углерода в цепи, с добавление суффикса -ан. Так, греческое название числительного 6 – ''гекса'', отсюда углеводород С₆Н₁₄ называется гексан.

Для составления названия предельных углеводородов с разветвлённой цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названия данного углеводорода придерживаются определённого порядка:

― Выбирают в формуле наиболее длинную углеводородную цепь, и символы атомов углерода в ней нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление.

― Называют радикалы (начиная с простейшего), и при помощи цифр указывают их место у нумерованных атомов углерода.

― Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в основной цепи.

1    2   3    4     5                       3    4    5

СН₃ ―СН―СН₂ ―СН₂ ―СН₃       СН₃—СН—СН₂—СН₃

        |                                                          |

     СН₃                                                   2 СН₂

2-метилбутан                                                 |

                                                                    1СН₃

                                                                   3 - метилпентан

Физические свойства

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С₁-С₄) – газы. Нормальные алканы от пента до гептадекана (С₅-С₁₇)- жидкости, начиная с С₁₈ и выше – твёрдые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи, т.е. с ростом относительной молекулярной массы, возрастают температуры кипения и плавления алканов. Алканы практически не растворимы в воде, хорошо растворяются в неполярных растворителях, таких как бензол.

 

 

Химические свойства

В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с серной и азотной кислотами, с концентрированными и разбавленными щелочами, не окисляются сильными окислителями перманганат калия и т.п.

Химическая устойчивость алканов объясняется высокой прочностью σ-связей С-С и С-Н, а так же их неполярностью. Неполярные связи С-С и С-Н в алканах не склонны к ионному разрыву, но способны расщепляться гомологически под действием свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны радикальные реакции, в результате которых получаются соединения, где атомы водорода замещены на другие атомы или другие группы атомов. Следовательно, алканы вступают в реакции, протекающие по механизму радикального замещения. По этому механизму легче всего замещаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода.

1. Галогенирирование. При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещённых алканов:

 

СН₄+Cl₂→СН₃Cl+HCl

               Хлорметан

СН₃Cl+Cl₂→CH₂Cl₂+HCl

                     Дихлорметан

СН₂Cl₂+Cl₂→CHCl₃+HCl

                    Трихлорметан

СНCl₃+Cl₂→CCl₄+HCl

                   Тетрахлорметан

 

Реакции образования хлорметана протекают по цепному механизму, который характеризуется следующими стадиями:

Cl₂ →2Cl∙

Cl∙ + СН₄→CH₃∙ +HCl

СН₃∙+Cl₂ →CH₃Cl + Cl∙

Цепь продолжается при разрыве следующей молекулы хлора.

2. Все углеводороды горят с образованием оксида углерода (IV) и воды.

 

   СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О+880кДж

 

3. При сильном нагревании (Выше 1000ºС), без доступа воздуха предельные углеводороды разлагаются

              

   СН₄→С+2Н₂

 

4.  При нагревании до 500ºС и при наличии катализатора никеля происходит дегидрирование

 

СН₃―СН₃→СН≡НС +3Н₂

 

5. Изомеризация. Нормальные алканы при определённых условиях (100ºС, AlCl₃) могут превращаться в алканы с разветвлённой цепью.

  

СН₃- СН₂- СН₂- СН₂- СН₃→СН₃ ―СН ―СН₂ ―СН₃

                                                        |

                                                       СН₃

Пентан                                   2-метилбутан

 

 Получение

 ―Метан получают нагреванием углерода в атмосфере водорода до 400-500ºС при повышенном давлении в присутствии катализатора.

 

С+2Н₂→СН₄

 

―Метан получают из солей карбоновых кислот.

 

                               tº

СН₃СООNa +NaOH→СН₄+AL(OH)₃

 

―Метан получают из карбида алюминия.

 

AL₄C₃+12Н₂О→СН₄+AL(OH)₃

 

―Предельные углеводороды получают из галогенпроизводных (реакция Вюрца).

 

СН₃-I +2Na+I-СН₃→С₂Н₆+2NaI

йодметан               этан

 

Применение

Высокая температура сгорания углеводородов обуславливает использование их в качестве топлива. Метан в составе природного газа находит всё более широкое применение в быту и на производстве. Получило применение пропана и бутана в виде ''сжиженного газа'', особенно в тех местностях, где нет подводки природного газа. Жидкие углеводороды используют, как горючее для двигателей внутреннего сгорания в автомашинах, самолётах и т.д.

Как весьма доступный углеводород, метан всё в большей степени используют в качестве химического сырья.

Реакции горения и разложения метана используют для производства сажи, идущей на получение типографских красок и резиновых изделий из каучука.

Метан - основной источник получения водорода в промышленности для синтеза аммиака и ряда органических соединений.

Хлорметан-газ. Как вещество, легко переходящее в жидкое состояние и поглощающее большое количество теплоты при последующем испарении, он применяется в качестве хладагента в холодильных установках.

В последнее время из метана получают ацетилен, необходимый для синтеза многих органических веществ.

Из гомологов метана при реакции изомеризации получают углеводороды разветвлённого строения. Они используются в производстве каучуков и высококачественных сортов бензина. Высшие углеводороды служат исходными веществами для получения синтетических моющих средств.

Дихлорметан, трихлорметан и тетрахлорметан – жидкости, которые используют в качестве растворителей.