9.3.
Предельные углеводороды (алканы)
Алканы – это
алифатические (ациклические), насыщенные углеводороды, в которых все
валентности атомов углерода, не затраченные на образование простых С – С
связей, насыщены атомами водорода.
Общая формула алканов – СnH2n+2
В таблице
представлены некоторые представители ряда алканов и их радикалы.
Формула
|
Название
|
Название радикала
|
CH4
|
метан
|
- CH3 метил
|
C2H6
|
этан
|
- C2H5 этил
|
C3H8
|
пропан
|
- C3H7 пропил
|
C4H10
|
бутан
|
- C4H9 бутил
|
C4H10
|
изобутан
|
изобутил
|
C5H12
|
пентан
|
пентил
|
C5H12
|
изопентан
|
изопентил
|
C5H12
|
неопентан
|
неопентил
|
C6H14
|
гексан
|
гексил
|
C7H16
|
гептан
|
гептил
|
C10H22
|
декан
|
децил
|
Из таблицы
видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН2 -.Такой
ряд сходных по строению, обладающих близкими химическими свойствами и
отличающихся друг от друга числом данных групп называется гомологическим рядом.
А вещества, составляющие его называются гомологами.
Гомологи – вещества
сходные по строению и свойствам, но отличающиеся по составу на одну или
несколько гомологических разностей (- СН2 -).
Строение:
Основные
характеристики:
пространственное
строение – тетраэдрическое
sp3 – гибридизация,
‹ HCH = 109
° 28
Углеродная
цепь - зигзаг (если n ≥ 3)
σ – связи
(свободное вращение вокруг связей)
длина
(-С-С-) 0,154 нм
энергия
связи (-С-С-) 348 кДж/моль
Все атомы
углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр3-гибридизации
угол между связями С-C составляет 109°28', поэтому
молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют
зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах
равна 0,154 нм (1нм=1*10-9м).
а) электронная и структурная формулы;
б) пространственное строение
Строение молекулы этана С2Н6
Строение молекулы пропана С3Н8 –
цепь зигзагообразная
Электронное строение атома
углерода в алканах
В составе алканов (а также циклоалканов) все атомы
углерода имеет sp3-гибридизацию, связи образованы
четырьмя равноценными гибридизованными орбиталями, полученными в результате
гибридизации неравноценных одной 2s- и трех 2р-орбиталей:
Для обеспечения минимальных
стерических затруднений и взаимного отталкивания эти четыре равноценные
молекулярные орбитали расположены в пространстве на равных друг от друга расстояниях,
направлены к вершинам тетраэдра (ядро атома углерода располагается в центре
тетраэдра), а пространственные углы между орбиталями составляют около 109°28’:
В таком состоянии четыре s- связи в
результате перекрывания с орбиталями других атомов могут быть образованы
беспрепятственно.
Вокруг s-связи возможно вращение
фрагментов молекулы, поэтому длинные цепи углеводородов могут свободно
изгибаться в пространстве. Стоит иметь в виду, что атомы углерода в составе
длинных цепей никогда не расположены на прямой линии, даже если цепь не
изгибается. Геометрия связей в алканах такова, что реальная молекула в самом
«распрямленном» состоянии может выглядеть, например, таким образом:
Изомерия – характерна СТРУКТУРНАЯ изомерия
цепи с С4
Один из этих изомеров (н-бутан)
содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную
(изостроение).
Атомы углерода в разветвленной цепи
различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода,
связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным,
с двумя другими атомами углерода – вторичным, с тремя – третичным,
с четырьмя – четвертичным.
С
увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности
для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет с ростом числа
углеродных атомов.
Сравнительная
характеристика гомологов и изомеров
1. Свою
номенклатуру имеют радикалы (углеводородные радикалы)
Алкан
- ан
СnH2n+2
|
Радикал (R)
- ил
СnH2n+1
|
||
ФОРМУЛА
|
НАЗВАНИЕ
|
ФОРМУЛА
|
НАЗВАНИЕ
|
метан
|
метил
|
||
этан
|
этил
|
||
пропан
|
пропил
|
||
изопропил
(втор-пропил)
|
|||
бутан
|
н - бутил
|
||
втор-бутил
|
|||
изобутан
(2 –
метилпропан)
|
изобутил
(перв-изобутил)
|
||
трет-бутил
|
|||
неопентан
(2,2-диметилпропан)
|
нео-пентил
|
||
2. Число
одинаковых заместителей указывают при помощи множительных приставок:
два – «ди»
три – «три»
четыре –
«тетра»
пять –
«пента»
шесть –
«гекса»
семь –
«гепта»
восемь –
«окта»
девять –
«нано»
Для названия предельных углеводородов применяют в
основном систематическую(международная
номенклатура IUPAC) и рациональную номенклатуры.
I. По рациональной
номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего
углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов
замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от
менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают
их количество. В основу названия включают слово "метан":
II. Систематическая номенклатура
Правила систематической номенклатуры:
1. В формуле
молекулы алкана выбираем главную цепь — самую длинную.
2. Затем эту
цепь нумеруем с того конца, к которому ближе расположен заместитель (радикал).
(Если заместителей несколько, то поступают так, чтобы цифры, указывающие их
положение, были наименьшими) Заместители перечисляем по алфавиту.
3. Называем
углеводород: вначале указываем (цифрой) место расположения заместителя, затем
называем этот заместитель (радикал), а в конце добавляем название главной
(самой длинной) цепи.
Таким образом, углеводород может быть назван: 2
- метил - 4 - этилгептан (но не 6-метил-4-этилгептан).
Физические свойства
В обычных условиях
С1- С4 –
газы
С5- С15 –
жидкие
С16 – твёрдые
Температуры
плавления и кипения алканов, их плотности увеличиваются в гомологическом ряду с
ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако
растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются
хорошими растворителями. Физические свойства некоторых алканов представлены в
таблице.
Таблица
2. Физические свойства некоторых алканов
Название
|
Формула
|
tпл °С
|
tкип °С
|
Метан
|
СН4
|
-182,5
|
-161,5
|
Этан
|
С2Н6
|
-182,8
|
-88,6
|
Пропан
|
С3Н8
|
-187,7
|
-42
|
Бутан
|
С4Н10
|
-138,3
|
-0,5
|
Пентан
|
C5H12
|
-129,7
|
+36,1
|
Гексан
|
С6Н14
|
-95,3
|
68,7
|
Гептан
|
С7H16
|
-90,6
|
98,4
|
Октан
|
C8H18
|
-56,8
|
124,7
|
Нонан
|
С9Н20
|
-53,7
|
150,8
|
Декан
|
C10H22
|
-29,6
|
174,0
|
Пентадекан
|
C15H32
|
+10
|
270,6
|
Эйкозан
|
С20Н42
|
36,8
|
342,7
|
Пентакозан
|
C25H52
|
53,7
|
400
|
Химические свойства
алканов
1. Реакции замещения.
а) Галогенирование
при действии света - hν или
нагревании (стадийно – замещение атомов водорода на галоген носит
последовательный цепной характер. Большой вклад в разработку цепных
реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов )
В реакции образуются вещества
галогеналканы RГ или Сn H2n+1Г
(Г - это галогены
F, Cl, Br, I)
CH4 + Cl2 hν → CH3Cl + HCl (1
стадия) ;
метан
хлорметан
CH3Cl + Cl2 hν → CH2Cl2 + HCl (2
стадия);
дихлорметан
СH2Cl2 + Cl2 hν → CHCl3 + HCl (3
стадия);
трихлорметан
CHCl3 + Cl2 hν → CCl4 + HCl (4
стадия).
тетрахлорметан
Скорость реакции замещения водорода на
атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано
с взаимным влиянием атомов в молекуле:
Электронная
плотность связи С – Cl смещена
к более электроотрицательному хлору, в результате на нём скапливается частичный
отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.
На атом
углерода в метильной группе ( - СН3) создаётся дефицит электронной
плотности, поэтому он компенсирует свой заряд за счёт соседних атомов
водорода, в результате связь С – Н становится менее прочной и атомы
водорода легче замещаются на атомы хлора. При увеличении углеводородного
радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода
ближайщего к заместителю:
CH3 – CH2 – Cl + Cl2 hν → CH3 – CHCl2 +
HCl
хлорэтан 1,1
-дихлорэтан
Со фтором
реакция идёт со взрывом.
С хлором и
бромом требуется инициатор.
Иодирование
происходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления HI из
рекции.
Внимание!
В
реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных
атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у
первичных. Для хлорирования эта закономерность не соблюдается
при T>400˚C.
б) Нитрование
(реакция М.И. Коновалова, он провёл
её впервые в 1888 г)
CH4 + HNO3(раствор) t˚С → CH3NO2 + H2O
нитрометан
RNO2 или Сn H2n+1 NO2 (нитроалкан)
2. Реакции отщепления
(дегидрирование)
а) CnH2n+2 t˚С, Ni или Pd → CnH2n + H2
б) При нагревании до 1500 С
происходит образование ацетилена и водорода:
2CH4 1500°С →
C2H2 + 3H2
3. Реакции перегруппировки
(изомеризация)
н-алкан AlCl3, t°С → изоалкан
4. Реакции
горения (горят светлым не коптящим пламенем)
CnH2n+2 + O2 t°С → nCO2 + (n+1)H2O
Помните! Смесь
метана с воздухом и кислородом взрывоопасна
V(CH4) : V(O2) = 1: 2
V(CH4) : V(воздуха) =
1 : 10
5. Реакции разложения
а) Крекинг при
температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:
C10H22 t°С → C5H12 + C5H10
алкан алкен
б) Пиролиз при
температуре 1000°С разрываются все связи,
продукты – С и Н2:
СH4 1000°С → C + 2H2
в) Конверсия метана
с образованием синтез – газа (СО + Н2)
CH4 + H2O 800˚C, Ni → СО + 3Н2
Получение и применение
алканов
Применение
1. Предельные
углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и
деятельности человека.
2. Использование
в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо,
авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит
3. Вазелин
используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав
смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в
домашних холодильниках
4. Смесь
изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в
качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве
растворителя и для синтеза полимеров.
5. Метан
используется для производства шин и краски
6. Значение
алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности
предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных
органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов
для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и
многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и
косметике.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Напишите структурные формулы всех алканов с пятью
атомами углерода в главной цепи, плотность паров которых по водороду равна
50. Назовите их по систематической номенклатуре.
Решение:
Молярная масса алканов равна: M(CnH2n+2)
= 2*50 = 100 г/моль, откуда n = 7. Из 7 атомов углерода 5 составляют главную
цепь, а два входят в состав заместителей: двух групп -СН3 или одной группы -С2Н5.
Две группы -СН3 могут
находиться в следующих положениях при главной цепи: 2,2-: 2,3-: 2,4-; 3.3-.
2.2-диметилпентан 2.3-диметилпентан
2.4-диметилпентан
3.3-диметилпентан
Одна группа -С2Н5 может находиться только в положении
3. В противных случаях она войдет в состав главной цепи, и длина последней
будет превышать пять атомов углерода:
3-этилпентан
Ответ. 5 изомеров состава С7Н16.
________________________________________________________________
2. Углеводород имеет элементный состав: 82,76%
углерода и 17,24% водорода (по массе). При хлорировании
(радикальном) углеводород образует два изомерных монохлорида —
первичный и третичный. Определите строение исходного углеводорода.
Решение:
Пусть формула углеводорода — СхНу (М = 12x+y). Массовая доля водорода
в одном моле этого вещества равна:
w(H)
= y/(12x+y) = O,1724
откуда, y = 2,5x. Это означает, что простейшая
формула углеводорода С2Н6. Ей соответствует истинная
формула С4Н10. Существует два углеводорода состава С4Н10:
Бутан
2-мстилпропан
Третичные атомы углерода есть только в одном из этих
двух изомеров, в 2-метилпропане, поэтому только 2-метилпропан при
хлорировании может образовать третичный алкилхлорид:
Ответ. 2-метилпропан.
________________________________________________________________
3. Газ,
образующийся при полном сгорании 0,1 моль предельного углеводорода,
пропустили через избыток известковой воды, при этом выпало 60 г осадка.
Определите молекулярную формулу и строение предельного углеводорода, если
известно, что он содержит один четвертичный атом углерода.
Решение:
При сгорании одного моля углеводорода, содержащего
и атомов углерода, образуется n моль СО2:
СnН2n+2 + (Зn+1)/2O2 →
СO2 + (n+1)Н2О.
При пропускании СО2 через известковую воду образуется
карбонат кальция:
Са(ОН)2 +
СО2 = СаСО3↓
+ Н2О.
v(СаСО3) = 60/100 = 0,6 моль = v(CO2). При сгорании 0,1
моль СnН2n+2 выделилось
0,6 моль СО2, следовательно n = 6. Молекулярная формула
углеводорода — С6Н14.
Из пяти углеводородов состава С6Н14 четвертичный атом углерода есть
только в 2,2-диметилбутане:
Ответ. С6Н14— 2,2-диметилбутан.
________________________________________________________________
4. При прокаливании смеси массой 49г, состоящей из
ацетата калия и избытка гидроксида калия, выделился газ, прореагировавший при
освещении с парами брома. В результате последней реакции образовалось 25,3 г
трибромметана. Выход трибромметана составил 50% от теоретического. Найдите
массовые доли веществ в исходной смеси.
Решение:
При прокаливании исходной смеси происходит реакция:
СН3СООK + KОН = K2СО3 + СН4 .
Выделяющийся метан реагирует при освещении с парами
брома: СН4 + 3Вr2 = СНВr3 + 3НВr.
M/(СНВr3) = 253 г/моль, М(СН3СООK)
= 98 г/моль. Трибромметана образовалось 25,3/253 = 0,1 моль. С учетом
50%-ного выхода в реакцию бромирования вступило 0,1/0,5 = 0,2 моль метана.
Следовательно, в первую реакцию вступило 0,2 моль СН3СООК (КОН — в
избытке) массой 0,2•98 = 19,6 г. Массовая доля ацетата калия в исходной смеси
равна: ω(СН3СООК) = 19,6/49 = 0,4, или 40%. Тогда массовая доля
КОН равна 0,6 или 60%.
Ответ. 40% СН3СООK, 60% KОН.
________________________________________________________________
5. При пропускании
11,2 л смеси метана, оксида углерода (IV) и оксида углерода (II) через
раствор гидроксида натрия, взятый в избытке, объем исходной смеси уменьшился
на 4,48 л (н.у.). Для полного сгорания оставшейся смеси потребовалось 6,72 л
(н.у.) кислорода. Определите состав исходной смеси (в % по объему).
Решение:
При пропускании смеси через раствор щелочи
поглощается только оксид углерода (IV):
СО2 +
2NaOH = Na2CO3 + Н2О
0бъем поглощенного СО2
составляет 4,48 л. Следовательно, v(CO2) = 4,48/22,4 = 0,2 моль. После
поглощения СО2 объем
смеси составил 11,2-4,48 = 6,72 л, что соответствует 0,3 моль. Оставшиеся
газы сгорают по уравнениям:
СН4 +
2О2 = СО2 + 2Н2О, 2СО + О2 = 2СО2 .
Пусть в смеси было x моль СН4 и у моль СО, тогда на сгорание СН4 израсходовано 2x моль О2,
а на сгорание СО —у/2 моль O2; всего израсходовано 6,72/22,4 = 0,3
моль О2. Имеем систему:
x + у
= 0,32
2x +
у/2 = 0,3
Отсюда x = 0,1, у = 0,2. Значит, в исходной смеси
было 0,1 моль СН4 (2,24
л, или 20%), 0,2 моль СО (4,48 л. или 40%) и 0,2 моль СO2(4,48 л
или 40%).
Ответ. 20% СН4, 40% СО, 40% СО2.
________________________________________________________________
6. Этиловый спирт
содержит 52,18% углерода:13,04% водорода: 34,78% кислорода. Плотность паров
спирта по водороду 23. Определите формулу этилового спирта.
Решение:
1.
Определим молекулярную массу искомого вещества:
Mr(CxHyOz) = D(H2) · Mr(H2)=23·
2 =46
2.По
формуле n = (Wэлемента * Mr(вещества)) / Ar элемента *
100%
вычислим
число атомов C, H, O
n(C)=(52,18%
· 46) / 12· 100% = 2
n(H)=( 13,04%
· 46) /1· 100% =6
n(O)=( 34,78%
· 46) / 16· 100% =1
Получаем x:y:z =2:6:1,
следовательно, вещество C2H6O
Проверка, Mr(C2H6O)= 46
________________________________________________________________
7. Углеводород
содержит 81,82% углерода. Масса 1 л этого углеводорода (н.у.) составляет
1,964 г. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода.
Решение:
1.
Определим молярную массу искомого вещества:
ρ = m/V,
следовательно М(СхНу) = ρ· Vm = 1,964 г/л · 22,4 л/моль =
44
2. По
формуле
n =
(Wэлемента * Mr(вещества)) / Ar элемента * 100%
вычислим
число атомов C, H.
Здесь Мr=M.
n(C)=(81,82%
· 44) / (12 · 100%) = 3
n(H)=(18,18%
· 44) / (1· 100%) = 8
Получаем x:y =3 :
8, следовательно, вещество C3H8.
Проверка, Mr(C3H8)= 44
________________________________________________________________
|
__
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РЕШЕНИЯ
1. Какой продукт получится в результате
электролиза водного раствора соединения (СН3)2СН-СOONa?
Что получится при прокаливании этого же соединения в присутствии NaOH? Назовите
соединения по рациональной и ИЮПАК номенклатурам.
2. Что получится при обработке
металлическим натрием бромистого этила? Назовите полученное соединение.
3. Что получится при обработке
металлическим натрием смеси из бромистого этила и хлористого изопропила?
Назовите полученные соединения.
4. Что получится при обработке
2-иодпентана йодистым водородом (HJ). Назовите соединение по номенклатуре
ИЮПАК.
5. Сколько различных моногалогензамещенных
может теоретически получиться при реакции 2-метилбутана с газообразным хлором
на свету? Напишите все возможные структуры и назовите соединения по
номенклатуре ИЮПАК.
6. Какое соединение получится
преимущественно при бромировании бутана-
1-бромбутан или 2-бромбутан? Почему так происходит?
7. Сколько изомеров моногалогенирования может иметь
циклогексан?
8. В углеводороде массовая доля углерода равна 84%.
Относительная плотность паров углеводорода по воздуху равна 3,45. Определите
формулу углеводорода.
9. Массовая доля углерода в углеводороде составляет
83,33%. Плотность паров углеводорода по водороду равна 36. Определите формулу.
10. Массовая доля углерода в углеводороде составляет
85,7%. Плотность паров углеводорода по воздуху равна 1,931. Определите
формулу.
ВИДЕО ОПЫТ
1.
Укажите тип гибридизации атомов углерода в
алканах:
|
|
а) sp
|
б) sp2
|
в) sp3
|
г) sp3d2
|
2.
Укажите величину валентных углов НСС у насыщенных
углеводородов:
|
|
а) 1090
|
б) 1200
|
в) 1400
|
г)1800
|
3.
Найдите число изомеров алкана общей формулы С5Н12:
|
|
а) 2
|
б) 1
|
в) 4
|
г) 3
|
4.
Назовите по систематической номенклатуре
соединение
СН3 – СНСl – CH2 – CHBr – CH3:
|
|
а) 2-хлор-4-бромбутан
|
б) 2-бром-4-хлорбутан
|
в) 2-хлор-4-бромпентан
|
г) 2-бром-4-хлорпентан
|
5.
Укажите тип гибридизации атомов углерода в
молекуле циклогексана:
|
|
а) sp
|
б) sp2
|
в) sp3
|
г) sp3d2
|
6.
Укажите соединение, при хлорировании на свету
которого образуется четыре изомера (при условии замещения только одного атома
водорода):
|
|
а)
2,3-диметилбутан
|
б) 2-метилбутан
|
в) 2-метилпентан
|
г) 2,2-диметилбутан
|
7.
Укажите статистически возможный процент
образования 2-хлорпропана при хлорировании пропана на свету:
|
|
а) 25
|
б) 35
|
в) 50
|
г) 75
|
8.
Относительная молекулярная масса алкана равна 142.
Укажите число атомов углерода в структуре алкана:
|
|
а) 8
|
б) 6
|
в) 10
|
г) 12
|
9.
Число изомеров для алкана с относительной
молекулярной массой, равной 86, составляет:
|
|
а) 5
|
б) 4
|
в) 2
|
г) 3
|
10.
Число изомерных соединений состава С4Н9Сl равно:
|
|
а) 4
|
б) 2
|
в) 1
|
г) 3
|
Ответы:
1
|
в
|
2
|
а
|
3
|
г
|
4
|
г
|
5
|
в
|
6
|
б
|
7
|
а
|
8
|
в
|
9
|
а
|
10
|
а
|
Комментариев нет:
Отправить комментарий