Меню сайту

Наше опитування

Статистика

Онлайн всього: 1

Гостей: 1

Користувачів: 0

...

Зворотній зв'язок

Вуглеводні

Алкани

Усі насичені вуглеводні можна вишикувати в ряд, в якому порядковий номер вуглеводню буде дорівнювати кількості атомів Карбону в молекулі. Такий гіпотетичний ряд називають гомологічним рядом, а сполуки, з яких складається цей ряд, називають гомологами.

Загальна формула: С_nH_2n+2.

Перші чотири члени гомологічного ряду алканів мають традиційні назви, інші назви походять від назв грецьких числівників з додаванням суфікса — ан.

Для алканів здебільшого характерні структурні ізомери. Перші три члени гомологічного ряду алканів мають тільки по одному ізомеру. Тим часом бутан має вже два ізомерні вуглеводні:

Кожен атом Карбону в алканах перебуває в стані sp³-гібридизації й утворює чотири б-зв’язки C − C або C−H , кути між якими дорівнюють 109,5°. Завдяки такій орієнтації зв’язки від одного атома Карбону в алканах спрямовані до вершин тетраедра. Довжина зв’язку C − C в алканах дорівнює 0,154 нм, енергія зв’язку — 354 кДж / моль.

При нормальних умовах (0 °С, 1 атм) перші чотири гомологи являють собою гази; сполуки, що містять від 5 до 15 атомів Карбону — рідини; вищі вуглеводні — тверді речовини. При однаковому числі атомів Карбону молекули алканів з розгалуженою будовою мають більш низькі температури кипіння, ніж нормальні алкани.

Усі алкани являють собою безбарвні або білі речовини. Леткі вуглеводні мають характерний «бензиновий» запах. Вищі вуглеводні являють собою жирні на дотик м’які речовини, їхній типовий представник — парафін, з якого виготовляють свічі.

Алкани практично не розчинні у воді, тому що їхні молекули малополярні й не взаємодіють із молекулами води, вони добре розчиняються в неполярних органічних розчинниках, таких як тетрахлорметан тощо. Рідкі алкани легко змішуються один з одним.

Хімічні властивості алканів

За звичайних умов алкани хімічно інертні. Вони стійкі до дії багатьох реагентів: не взаємодіють із концентрованими сульфатною та нітратною кислотами, з концентрованими й розплавленими лугами, не окиснюються сильними окисниками — калій перманганатом KMnO4 тощо. Хімічна стійкість алканів пояснюється високою міцністю зв’язків C − C та C − H, а також їхньою неполярністю.

1. Галогенування. При взаємодії алканів з галогенами (хлором і бромом) під дією ультрафіолетового випромінювання або високої температури утворюється суміш продуктів від моно- до полігалогензаміщених алканів. Загальна схема цієї реакції показана на прикладі метану:

2. Нітрування (реакція Коновалова). Під час дії нітратної кислоти на алкани при температурі +140°С та невеликому тиску протікає радикальна реакція:

3. Ізомеризація. Нормальні алкани за певних умов можуть перетворюватися в алкани з розгалуженим ланцюгом:

4. Крекінг — це гомолітичний розрив зв’язків C − C, що протікає при нагріванні й під дією каталізаторів. При крекінгу алканів утворюються алкени й нижчі алкани, при крекінгу метану й етану утворюється ацетилен:

Ці реакції мають велике промислове значення. Таким шляхом висококиплячі фракції нафти (мазут) перетворюють у бензин, гас та інші цінні продукти.

5. Окиснення. При м’якому окисненні метану киснем повітря в присутності різних каталізаторів можуть бути отримані метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота:

М’яке каталітичне окиснення бутану киснем повітря — один із промислових способів добування оцтової кислоти:

На повітрі алкани згорають до CO2 та H2O :

Методи добування алканів

Основні природні джерела алканів — нафта й природний газ. Різні фракції нафти містять алкани від C5H12 до C30H62. Природний газ складається з метану (95 %) з домішкою етану та пропану.

Із синтетичних методів добування алканів можна виділити наступні:

1. Добування з ненасичених вуглеводнів. Взаємодія алкенів або алкінів з воднем («гідрування») відбувається в присутності металевих каталізаторів (Ni, Pd) при нагріванні:

2. Добування з галогенопохідних. При нагріванні моногалогенозаміщених алканів з металевим натрієм добувають алкани з подвійним числом атомів Карбону (реакція Вюрца):

3. Добування із солей карбонових кислот:

4. Добування метану. В електричній дузі, що горить в атмосфері водню, утворюється значна кількість метану:

Така сама реакція відбувається при нагріванні вуглецю в атмосфері водню при температурі +400—500 °С при підвищеному тиску в присутності каталізатора.

5. У лабораторних умовах метан часто добувають із алюміній карбіду:

Алкени

Гомологічний ряд алкенів

Алкенами називають ненасичені вуглеводні, молекули яких містять один подвійний зв’язок. Перший представник цього класу етилен CH2 = CH2, у зв’язку із чим алкени також називають етиленовими вуглеводнями. Найближчі гомологи етилену:

Найпростіший алкен з розгалуженим карбоновим ланцюгом:

Загальна формула гомологічного ряду алкенів CnH2n. Вона збігається із загальною формулою циклоалканів, тому алкени й циклоалкани є міжкласовими ізомерами.

При відщепленні атома Гідрогену від молекул алкенів утворюються ненасичені радикали загальної формули CnH2n-1 , найпростіші з них — вініл (етеніл) та аліл (пропеніл):

Ізомерія алкенів

Структурна ізомерія алкенів обумовлена ізомерією карбонового ланцюга (наприклад, бутен-1 і 2-метилпропен) та ізомерією положення подвійного зв’язку (бутен-1 і бутен-2). Просторова ізомерія, або цис-транс-ізомерія, обумовлена різним положенням замісників щодо площини подвійного зв’язку. Якщо кожен з атомів Карбону при зв’язку C = C пов’язаний із двома різними замісниками, то ці замісники можуть розташовуватися з одного боку від площини подвійного зв’язку (цис-ізомер) або по обидва боки (транс-ізомер), наприклад:

Ці два ізомери не можна перевести один в одного без обертання навколо подвійного зв’язку C = C, а це обертання вимагає його розриву й витрати великої кількості енергії, тому цис- і транс-ізомери являють собою різні індивідуальні речовини, які відрізняються одна від одної фізичними й хімічними властивостями. Алкени, в яких хоча б один з атомів Карбону при зв’язку C = C має два однакових замісники, не мають цис-транс-ізомерів.

Номенклатура алкенів

У алкенах з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом нумерацію атомів Карбону починають із того кінця, до якого ближче перебуває подвійний зв’язок. У назві відповідного алкану закінчення -ан замінюється на -ен. У розгалужених алкенах головний ланцюг вибирають так, щоб він містив подвійний зв’язок, навіть якщо він при цьо му й не буде найдовшим. Перед назвою головного ланцюга вказують номер атома Карбону, при якому перебуває замісник, і назву цього замісника. Номер після назви головного ланцюга вказує положення подвійного зв’язку, наприклад:

Будова алкенів

Атоми Карбону при подвійному зв’язку перебувають у стані sp2-гібридизації. Три σ-зв’язки, утворені гібридними орбіталями, розташовуються в одній площині під кутом 120° один щодо одного. Утворений п-зв’язок при перекриванні негібридних p-орбіталей сусідніх атомів Карбону. При цьому атомні p-орбіталі перекриваються не в міжатомному просторі, а поза ним, тому таке «бічне» перекривання менш ефективне, і, отже, п-зв’язок є менш міцним, аніж σ-зв’язок. Додаткове п-зв’язування двох атомів вуглецю призводить до того, що зменшується відстань між ядрами, оскільки подвійний зв’язок є поєднанням σ- та п-зв’язків. Довжина подвійного зв’язку C = C становить 0,133 нм, що набагато менше від довжини одинарного зв’язку (0,154 нм).

Добування алкенів

1. Основним промисловим джерелом алкенів є крекінг алканів, які входять до складу нафти:

Крекінг протікає за вільнорадикальним механізмом при високих температурах (+400—700 °С).

2. Інший промисловий спосіб добування алкенів — дегідрування алканів:

У лабораторних умовах алкени добувають за реакціями відщеплення (елімінування), при яких від сусідніх атомів Карбону відщеплюються два атоми або дві групи атомів, і утворюється додатковий зв’язок. До таких реакцій належать наступні:

а) Дегідратація спиртів відбувається при їхньому нагріванні з водовідіймальними засобами, наприклад із сульфатною кислотою при температурі понад +150 °С:

б) Відщеплення галогеноводнів проводять при дії розчинів лугів на моноалкілгалогеніди:

3. Дегалогенування відбувається при нагріванні дигалогеналканів, які мають атоми галогену в сусідніх атомів Карбону, з активними двовалентними металами:

Хімічні властивості алкенів

Хімічні властивості алкенів визначаються наявністю в їхній молекулі подвійного зв’язку. При приєднанні полярних молекул типу HX (X: Hal, OH, CN) до несиметричних алкенів Гідроген переважно приєднується до більш гідрогенізованого атома Карбону, що примикає до подвійного зв’язку (правило Марковникова).

1. Гідрогалогенування. При взаємодії алкенів з галогеноводнями (HCl, HBr) утворюються галогеналкани:

2. Гідратація. При взаємодії алкенів з водою в присутності мінеральних кислот (сульфатної, фосфатної) утворюються спирти. Мінеральні кислоти виконують роль каталізаторів і є джерелом протонів.

Приєднання води також відбувається за правилом Марковникова:

3. Галогенування. Алкени знебарвлюють бромну воду:

Ця реакція є якісною на подвійний зв’язок.

4. Гідрування. Приєднання водню відбувається під дією металевих каталізаторів, найчастіше нікелю:

5. Полімеризація алкенів та їхніх похідних:

6. Окрім приєднання, для алкенів характерні також реакції окиснення.

7. Як і всі інші вуглеводні, алкени горять і при широкому доступі кисню утворюють карбон діоксид та воду:

При обмеженому доступі повітря горіння алкенів може призводити до утворення карбон монооксиду та води:

Алкіни

Гомологічний ряд алкінів

Алкінами називають ненасичені вуглеводні, молекули яких мають один потрійний зв’язок. Перший представник цього класу — ацетилен HC = CH, у зв’язку із чим алкіни також називають ацетиленовими вуглеводнями. Найближчі гомологи ацетилену:

Загальна формула гомологічного ряду алкінів CnH2n-2 . Вона збігається із загальною формулою алкадієнів, тому алкіни й алкадієни є міжкласовими ізомерами.

Ізомерія й номенклатура

Структурна ізомерія алкінів обумовлена ізомерією карбонового кістяка, так само як і в алканів та алкенів (наприклад, 3-метилбутин-1 і пентин-1), та ізомерією положення потрійного зв’язку (бутин-1 і бутин-2). Просторова ізомерія для алкінів не характерна. В алкінах з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом нумерацію починають із того кінця, ближче до якого перебуває потрійний зв’язок. У назві відповідного алкану закінчення -ан змінюється на -ін (-ин).

У розгалужених алкінах вибирають головний ланцюг так, щоб він містив потрійний зв’язок, навіть якщо він при цьому й не буде найдовшим. Перед назвою головного ланцюга вказують номер атома Карбону, при якому перебуває замісник, і назву цього замісника. Номер після назви головного ланцюга вказує положення по трійного зв’язку, наприклад:

Будова алкінів

Атоми Карбону при потрійному зв’язку перебувають у стані sp-гібридизації. Два σ-зв’язки, утворені гібридними орбіталями, розташовуються вздовж однієї лінії під кутом 180° один щодо одного; два п-зв’язки утворені при перекриванні двох пар негібридних p-орбіталей сусідніх атомів Карбону. Додаткове зв’язування двох атомів Карбону призводить до того, що відстань між ядрами зменшується, оскільки потрійний зв’язок є поєднанням одного σ-зв’язку і двох п-зв’язків. Довжина потрійного зв’язку C = C становить 0,121 нм, що менше за довжину як одинарного, так і подвійного зв’язку. Енергія потрійного зв’язку становить 828 кДж / моль.

Добування алкінів

1. Загальний спосіб добування алкінів — відщеплення двох молекул галогеноводню від дигалогеналканів, які містять два атоми галогену або в сусідніх, або в одного атома Карбону, під дією спиртового розчину лугу:

2. У промисловості ацетилен добувають шляхом високотемпературного крекінгу метану:

або його найближчих гомологів — етану й пропану, причому в цьому разі ацетилен утворюється при більш низьких температурах 1200 °С:

Сировиною в цих способах є природний газ або нафта.

3. У лабораторних умовах ацетилен добувають гідролізом кальцій карбіду:

Хімічні властивості алкінів

Реакції приєднання для алкінів протікають повільніше, ніж для алкенів.

1. Галогенування. Галогени приєднуються до алкінів у дві стадії:

Алкіни, так само як і алкени, знебарвлюють бромну воду.

2. Гідрогалогенування. Галогеноводні приєднуються до потрійного зв’язку важче, ніж до подвійного:

У разі надлишку галогеноводню відбувається повне гідрогалогенування, причому для несиметричних алкінів на кожній стадії приєднання йде за правилом Марковникова, наприклад:

3. Гідратація. Приєднання води до алкінів каталізується солями ртуті (II):

Реакцію гідратації алкінів відкрив М. Г. Кучеров (1881 р.), саме тому її й називають реакцією Кучерова.

4. Полімеризація. При пропусканні ацетилену над активованим вугіллям при температурі +600 °С

відбувається тримеризація ацетилену з утворенням бензену:

5. Реакції відновлення. У присутності металевих каталізаторів алкіни відновлюються шляхом послідовного приєднання молекул водню, перетворюючись спочатку в алкени, а потім в алкани:

Ми приготували циліндр для збору метану. Зараз циліндр заповнений водою, але газ, що виділяється, витіснить її. Ми отримуємо метан прокалюванням суміші безводного ацетата натрія з натронним вапном. Метан швидко заповнює циліндр. Тепер треба акуратно перевернути циліндр. Метан легший за повітря, тому циліндр закривають кришкою. Метан – горючий газ.

Якщо додати до карбіду кальцію воду, утворюється ацетилен. Отримаємо ацетилен і подивимось, як він горить. Полум’я ацетилену дуже яскраве, тому що вміст вуглецю в ньому високий. Несгорівші часточки вуглецю осідають у вигляді сажі.

Форма входу

Пошук

Календар

Калькулятор

Погода

Погода у Сумах

Gismeteo

Прогноз на 2 тижні

Анкета

Дистанційний центр хімічної освіти

Вуглеводні