Лабораторная работа № 2. Алканы – алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой сигма–связью (σ – связь)

ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ, ПАРАФИНЫ). НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ РЯДА ЭТИЛЕНА (АЛКЕНЫ)

Алканы – алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой сигма–связью (σ – связь), все остальные валентности насыщены атомами водорода.

Простейшим представителем и родоначальником предельных углеводородов является метан СН₄. По названию этого соединения все предельные углеводороды называют так же метановыми углеводородами.

По физическим свойствам СН₄…С₄Н₁₀ – газы, С₅Н₁₂…С₁₅Н₃₂ – жидкости, с С₁₆Н₃₄… - твердые вещества. Не растворимы в воде.

При получении предельных углеводородов используют в основном природные источники (газ, уголь, нефть, древесина, торф).

Из синтетических методов получения алканов можно выделить следующие:

1 Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt) при нагревании:

CH₃ ─ CH ═ CH₂ + Н₂ → CH₃ ─ CH₂ ─ СH₃.

2 Реакция Вюрца. При действии металлического натрия на алкилгалогениды получаются алканы с удвоенным числом атомов углерода:

С₂Н₅Br + 2Na + C₂H₅Br → C₂H₅ ─ C₂H₅ + 2NaBr.

3 При сплавлении солей карбоновых кислот с избытком щелочи образуются алканы, содержащие на один атом углерода меньше, чем исходная соль:

CH₃COONa + NaOH → CH₄↑ + Na₂CO₃.

В обычных условиях алканы химически инертны, что объясняется высокой прочность σ – связи С – С, С – Н.

Химические свойства. Предельные углеводороды не вступают в реакции присоединения. При обычных условиях они проявляют чрезвычайно высокую химическую инертность: не взаимодействуют с кислотами, щелочами, окислителями, активными металлами.

Для них характерны, в основном, три типа химических реакций:

1 Реакции замещения водорода с разрывом связи С–Н:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.

Алканы реагируют с хлором и бромом под действием УФ-излучения, реакция протекает по цепному механизму. Реакция бромирования жидких алканов сопровождается выделением бромистого водорода и происходит значительно медленнее, чем бромирование газообразных алканов. Бромирование ускоряется добавлением катализаторов – железных опилок, амальгамированного алюминия, кристаллического йода. Легче всего галогенируются углеводороды с третичным атомом углерода в молекуле, труднее всего замещаются атомы водорода при первичном атоме углерода.

2 Реакция Коновалова. Под действием разбавленной азотной кислоты при 140⁰ С, под давлением протекает радикальная реакция замещения:

СН₃ – СН₃ + HNO₃ → CH₃ – CH₂ – NO₂ + H₂O,

3 Реакции расщепления молекулы (крекинга) с разрывом как С–Н, так и С–С связей:

С₈Н₁₈ → С₄Н₁₀ + С₄Н₈,

2СН₄ → С₂Н₂ + 3Н₂.

Крекинг протекает при нагревании или при нагревании под действием катализаторов, при крекинге высших алканов образуются алкен и низшие алканы, при крекинге метана и этана – ацетилен и водород.

4 Окисление. В избытке кислорода алканы сгорают до СО₂ и Н₂О с выделением большого количества теплоты:

С_nH_2n+2 + O₂ → CO₂ + H₂O + Q

Мягким окислением метана кислородом воздуха могут быть получены CH₃COOH, H₂CO₃, HCOOH. Окислением бутана получают уксусную кислоту:

2CH₄ + 2O₂ → CH₃COOH + 2H₂O,

2CH₄ + 3O₂ → 2HCOOH + 2H₂O,

2С₄Н₁₀ + 5О₂ → 4СН₃СООН + 2Н₂О.

Алкенами называют углеводороды, в молекулах которых между углеводородными атомами имеется хотя бы одна двойная связь (σ–связь и π–связь). Они содержат в своей молекуле меньшее число водородных атомов, чем соответствующие им предельные углеводороды с тем же числом атомов углерода, поэтому их также называют ненасыщенными.

В природе встречаются редко. Основными промышленными методами получения непредельных углеводородов являются: крекинг алканов, содержащихся в нефтях; дегидрирование алканов. В лабораторных условиях алкены получают с помощью реакций отщепления (элиминирования), при которых от соседних атомов углерода отщепляются два атома или две группы атомов углерода, и образуется дополнительная π–связь. Отщеплять можно молекулы воды, галогеноводорода или галогена от соответствующих производных алканов:

СН₃ – СН₂ – ОН → СН₂ ═ СН₂ + Н₂О, (катализатор – конц. H₂SO₄),

СН₃ – СН₂ – СНBr – CH₃ + KOH_{(спир. р-р)} → CH₃ – CH ═ CH – CH₃ + KBr + H₂O,

СН₂Br – СHBr – CH₃ + Mg → CH₂ ═ CH – CH₃ + MgBr₂.

Химические свойства олефинов определяет двойная углерод – углеродная связь. Для них характерны реакции присоединения, полимеризации и окисления:

t, H₂SO₄

1. CH₃ – CH = CH₂ + HOH → CH₃ – CH(OH) – CH₃,

2. CH₂ = CH₂ + Br_{2(вод. р-р)} → BrCH₂ – CH₂Br,

3. CH₃ – CH = CH₂ + HCl → CH₃ – CH(Cl) – CH₃

4. nCH₂ = CHR → (- CH₂ – CHR -)_n,

5. 3CH₂ = CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HOCH₂ – CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH.