Углеводороды

Углеводороды – это соединения углерода с водородом. Составляют основу органических соединений. По количеству и характеру химических связей между атомами углерода они делятся на предельные и непредельные, алициклические и ароматические. По систематической номенклатуре (ИЮПАК) предельные углеводо­роды называются алканами. В таблице 20.1 приведены формулы первых пяти представителей предельных углеводородов.

Таблица 20.1 – Формулы и температуры фазовых переходы (при р = 1 атм) первых пяти представителей предельных углеводородов

Формула	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С4Н10	С5Н12
Название	метан	этан	пропан	бутан	изобутан	н-пентан
T плавл., оС	–182,5	–182,8	–187,6	–138,4	–159,6	–129,8
T кип., оС	–161,5	–88,6	–42,1	–0,5	–11,7	+36,07

Формулы и названия следующих представителей класса предельных углеводородов: С₆Н₁₄ – гексан, С₇Н₁₆ – гептан, С₈Н₁₈ – октан, С₉Н₂₀ – нонан, С₁₀Н₂₂ – декан и т.д. Наиболее распространенным углеводородом является метан. Он составляет основу природного газа (до 97 %) и в значительном количестве содержится в попутном нефтяном газе.

Для органических соединений характерно такое явление, как изомерия. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение. Первые три предельных углеводорода не имеют изомеров. Бутан существует в виде двух изомеров. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле резко возрастает число изомеров. Изомерных пентанов – три, гексанов – пять, гептанов – девять, деканов – семьдесят пять и далее количество их нарастает в геометрической прогрессии. Изомеры отличаются по физическим и химическим свойствам. В частности, углеводороды нормального строения менее устойчивы к детонации, чем соответствующие им изомеры. Количественной характеристикой устойчивости к детонации горючих материалов является «октановое» число. В основе соответствующей шкалы октановое число н-гептана приняли равным 0, а изооктана – 100. Например, если горючий материал детонирует как смесь 70 % изооктана и 30 % н-гептана, то его октановое число равно 70.

Все предельные углеводороды химически относительно неактивны. Это связано с тем, что для реакций с их участием необходим разрыв химических связей С–Н или С–С, которые характеризуются высокой прочностью.

Наиболее важные реакции для них: окисление кислородом и крекинг. Предельные углеводороды горят с выделением большого количества тепла и могут быть использованы в качестве топлива. Например:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О, Q = +879 кДж.

Смесь метана с воздухом взрывоопасна (особенно в соотношении 1:10). При последовательном окислении кислород алканов образуются следующие классы кислородсодержащих органических соединений:

спирты → альдегиды → карбоновые кислоты → углекислый газ.

Например, для метана:

метанол(СН₃ОН) → метаналь(СН₂О) → муравьиная кислота(НСООН) → СО₂.

Из других реакций следует отметить хлорирование, заключающееся в последовательном замещении атомов водорода на атомы хлора с образованием галогенпроизводных. Например, хлорирование метана:

СН₄ + С1₂ → СН₃С1 + НС1,

СН₃С1 + С1₂ → СН₂С1₂ + HCI и т. д. до СС1₄.

Крекинг – процесс расщепления углеводородов с длинными цепями на молекулы меньшей длины, происходящий в присутствии катализаторов (каталитический крекинг) или при нагревании предельных углеводородов до 500÷700 °С под давлением (термический крекинг). В качестве примера запишем возможную реакцию разложения бутана:

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ → СН₃–СН₃ + СН₂=СН₂.

Если между атомами углерода имеется двойная или тройная связь, то такие углеводороды называются непредельными.

Простейший непредельный углеводород с двойной связью – этилен С₂Н₄ или СН₂ = СН₂ – является родоначальником гомологического ряда этиленовых углеводородов:

С₃Н₆ – пропилен, С₄Н₈ – бутилен, С₅Н₁₀ – амилен и т.д.

Из углеводородов с двумя двой­ными связями отметим:

С₄Н₆ – бутадиен (дивинил) и C₅H₈ – изопрен, имеющие следующее строение:

Простейший непредельный углеводород с тройной связью – ацетилен С₂Н₂ или СН≡СН – является родоначальником гомологического ряда ацетиленовых углеводо­родов.

По системати­ческой номенклатуре углеводороды ряда этилена называют алкенами, с двумя двойными связями – алкадиенами, а ацетиленовые – алкинами.

Непредельные углеводороды в отличие от предельных содержат слабые π-связи, поэтому для них характерны реакции присоединения по двойным или тройным связям. Например,

СН₂=СН₂ +Вr₂ → СН₂ Вr–СН₂Вr.

Этилен – бесцветный газ со слабым приятным запахом, довольно хо­рошо растворимый в воде. Его температура кипения –103,8 °С. Применяется для

производства полиэтилена.

Ацетилен – бесцветный газ с характерным слабым запахом; темпера­тура кипения –83,8 °С. При его сгорании выделяется большое количество теплоты. Температура пламени достигает 3150 °С, поэтому ацетилен в смеси с кислородом широко используют для сварки и резки металлов (автогенная сварка).

Циклические углеводороды

Примеры предельных циклических углеводородов:

По систематической номенклатуре предельные цикли­ческие углеводороды называются циклоалканами.

Представителями ароматических углеводородов являются бензол C₆H₆ и его гомологи: толу­ол (метилбензол) и этилбензол, имеющие следующие структурные формулы:

По систематической номенклатуре данные углеводороды называют аренами.

Для простоты написания бензольное ядро изображают упрощенно в виде шестиугольника, в котором символы С и Н, относящиеся к кольцу, не пишут:

Известны ароматические углеводороды с кратными связями в боковых цепях, например стирол, а также многоядерные, содержащие несколько бензольных ядер, например, нафталин и антрацен:

Циклические углеводороды химически относительно неактивны, т.к. для них возможны только реакции по прочным С–С и С–Н связям. Бензольное кольцо, входящее в состав ароматических углеводородов, химически относительно инертно, т.к. три сопряженные двойные связи образуют прочную систему.