Лекционный материал по теме: "Алканы и циклоалканы."

Лекционный материал по теме : «Алканы и циклоалканы: состав, строение, физические свойства»

Циклоалканы — предельные углеводороды с замкнутой цепочкой атомов углерода (циклом).

Общая формула циклоалканов C_nH_2n, где n ≥ 3.

Познакомьтесь с простейшими циклоалканами и обратите внимание, что упрощенно цикл углеродных атомов изображают соответствующим многоугольником, подразумевая наличие атома углерода и связанных с ним атомов водорода в каждой вершине.

C3H6	Циклопропан	Модель
C4H8	Метилциклопропан	Модель
C4H8	Циклобутан	Модель

Циклопропан и метилциклопропан — гомологи.

Метилциклопропан и циклобутан — изомеры.

Названия циклоалканов составляют путем добавления приставки цикло- к названию соответствующего алкана. Нумеруют атомы углерода в цикле от атома со старшим заместителем и далее по кратчайшему пути к следующему заместителю. Сумма цифр в названии должна оказаться минимальной.

Например, циклоалкан, формула которого приведена ниже, имеет следующее название: 1-метил-3-этилциклопентан.

Физические свойства циклоалканов и основные закономерности в их изменении аналогичны таковым у алканов.

    В.В. Марковников

Впервые циклоалканы обнаружены учеником А.М. Бутлерова, русским химиком В.В. Марковниковым в 1883 г. в бакинской нефти, и поэтому получили название нафтены.

Это интересно!

Циклы входят в состав таких сложных органических веществ, как скипидар, камфара, каротин, холестерин, желчные кислоты, витамины, гармоны.

Химические свойства предельных углеводородов

Алканы и циклоалканы — малоактивные соединения, поэтому их называют парафинами и циклопарафинами (от лат. parum affinis — «мало сродства»).

При обычных условиях они не взаимодействуют даже с концентрированными кислотами, щелочами и сильными окислителями, такими как перманганат калия КМnО₄, галогены.

Горение

Однако, когда вы зажигаете на кухне газ или щелкаете зажигалкой, едете в автомобиле или видите по телевизору трагические последствия взрыва в шахте, вы являетесь свидетелями реакции горения алканов с образованием углекислого газа и водяных паров:

Выделение большого количества теплоты предопределяет использование предельных углеводородов в качестве топлива.

Дополнительная информация

Горение и реакции окисления кислородом в присутствии катализаторов

Реакция горения (полного окисления) может служить основой качественного анализа органических веществ на наличие углерода и водорода в них. Обнаружение углекислого газа СО₂ в продуктах реакции горения доказывает наличие атомов С в исходном веществе, а обнаружение воды Н₂О — наличие атомов Н в исходном веществе.

При определенном объемном соотношении кислород и пары углеводородов могут взрываться. Это очень важно учитывать при работе в рудниках и шахтах. Вы наверняка слышали о сильных взрывах метана и человеческих жертвах.

Если реакцию с кислородом для метана проводить в избытке углеводорода с использованием катализаторов, то происходит частичное окисление с получением очень ценных органических веществ (о них вы узнаете из следующих наших уроков):

Без участия соответствующих катализаторов образуется сложная смесь разнообразных соединений.

Замещение

Для предельных углеводородов наиболее характерны реакции замещения атомов водорода в молекулах на другие атомы или группы атомов.

Галогенирование  протекает на свету или при сильном нагревании, причем по стадиям.

 — галогенопроизводные метана

Галогенирование. Галогенирование — введение атомов галогена в молекулы органических соединений. Осуществляется путем реакций замещения (атомов водорода) или присоединения.

Дополнительная информация

Подробнее о галогенировании

1. Химическая реакция, как вы знаете, заключается в разрыве одних связей и образовании новых. Рваться в первую очередь будут менее прочные связи, поскольку на это требуется меньшая затрата энергии. В данном случае Е_Сl–Cl < E_C–H, т.к. l_Сl–Cl > l_C–H. Для разрыва связей Cl—Cl достаточно поглощаемой молекулами хлора световой энергии.

Частицы, имеющие неспаренные электроны, называют свободными радикалами. Они очень активны.

Радикалы  атакуют молекулу метана, отрывая от нее атом водорода:Образовавшийся радикал метил разрывает связь в молекуле хлора:Радикал  взаимодействует со следующей молекулой метана или хлорметана и т. д.

Подобные реакции, представляющие цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями.

В разработке теории цепных реакций большая роль принадлежит академику Н.Н. Семенову.

2. Очевидно, бромирование должно инициироваться легче, ведь E_Br–Br < E_Cl–Cl

3. Галогенирование по 2, 3 … стадиям идет легче, т. к. сказывается влияние сильно электроотрицательных атомов галогена в молекуле органического соединения.

Сравните распределение электонной плотности в молекулах метана и хлорметана:

Но влияние атомов взаимно. Атом хлора, испытывая влияние радикала метила, не отщепляется в виде иона Cl^- и не образует осадка AgCl при действии на вещество раствором нитрата серебра.

4. При галогенировании более сложных, чем метан и этан, алканов замещаются преимущественно более слабо связанные атомы водорода. Прочнее всего они связаны с первичными атомами углерода, слабее всего — с третичными.

Первичные атомы углерода имеют связь с одним другим атомом углерода, вторичные — с двумя, третичные — с тремя, четвертичные — с четырьмя.

Например, при хлорировании пропана преимущественно образуется 2-хлорпроран:

Нитрование  (реакция с азотной кислотой HNO₃) протекает при немного повышенном давлении и температуре около 140°С:

   — нитропроизводное метана (нитросоединение).

Впервые эту реакцию для алканов провел русский химик-органик М.И. Коновалов в 1888 г.

Нитрование

Нитрование — введение нитрогрупп (NO₂) в молекулы органических соединений под действием нитрующих агентов. Ими служат азотная кислота HNO₃, нитрующая смесь HNO₃ + H₂SO₄ и др.

Это интересно!

Автобус, двигатель которого работает на сжатом газе, на 100 км пробега экономит 25 литров бензина.

Это интересно!

Один газобаллонный автомобиль «Зил-130» экономит за год 100 тонн бензина.

Это интересно!

Запах «газа», почувствовав который надо звонить по телефону 04, определяется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых в бытовой газ для обнаружения его утечки.

Изомеризация

Изомеризация — изменение химического строения соединения без изменения его молекулярного состава.

Такому превращению подвергают неразветвленные алканы, входящие в состав бензина с целью повышения его качества (увеличения октанового числа).

Дополнительная информация

Октановое число бензина

Одной из важнейших характеристик всякого бензина как жидкого горючего является детонационная стойкость, т. е. устойчивость в цилиндре двигателя к сильному сжатию, не приводящему к взрывному сгоранию. Последнее приводит к появлению резкого стука, сильному износу деталей, мощность двигателя падает.

Наименьшей стойкостью к детонации обладают парафины нормального строения. Углеводороды разветвленные к детонации устойчивы: они допускают более сильное сжатие горючей смеси, следовательно, позволяют конструировать более мощные двигатели.

Для количественной характеристики детонационной стойкости бензинов выработана октановая шкала. Каждый углеводород и каждый сорт бензина характеризуется определенным октановым числом. Октановое число изооктана (2,2,4-триметилпентана), обладающего высокой детонационной стойкостью, принято за 100. Октановое число н-гептана, чрезвычайно легко детонирующего, принято за 0. Смеси гептана и изооктана имеют октановые числа, равные содержанию (в процентах) изооктана в них. Пользуясь такой шкалой, определяют октановые числа бензинов. Если говорят, что бензин имеет октановое число 76, то это значит, что он допускает такое же сжатие в цилиндре без детонации, как смесь из 76% изооктана и 24% гептана.

Разложение

Крекинг — процесс разложения больших молекул углеводородов на меньшие (от англ. cracking — «расщепление»).

Установка каталитического крекинга

Крекинг-процесс открыл выдающийся специалист нефтяного дела инженер-технолог А.А. Летний.

Впервые в промышленных условиях он был осуществлен в 1891 г. благодаря русскому инженеру В.Г. Шухову.

Суть крекинга – термическое или каталическое разрушение С-С связей:

 Бутен - непредельный углеводород с двойной связью в углеродной цепи.

Крекингом получают низкокипящие алканы, а также непредельные углеводороды, которых в природе практически нет.

Дегидрирование — отщепление водорода:

  Это один из способов получения непредельных углеводородов.

Пиролиз метана — разложение при высокой температуре:

Этим способом получают сажу и водород, а также ацетилен С₂Н₂, который является одним из промежуточных продуктов пиролиза:

Циклопентан и циклогексан по химическим свойствам близки к алканам: вступают в реакции замещения (галогенирования, нитрования) и устойчивы к действию окислителей.

Циклопропан и циклобутан способны к реакциям присоединения, которые сопровождаются раскрытием цикла. Все атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в состоянии sp³-гибридизации. В малых циклах  валентные углы ССС сильно отличаются от характерного, равного 109°,5. Поэтому связи «напряжены», и цикл в химических реакциях разрушается:

Упражнение

Напишите уравнения реакций:

а) Горение пропана.   Ответ

С₃Н₈ + 5О₂ à 3СО₂ + 4Н₂О

б) Галогенирование этана по первой и второй стадиям (напишите преимущественно получаемые при этом продукты).   Ответ

С₂Н₆ + Cl₂  С₂Н₅Сl + HCl

С₂Н₅Сl + Cl₂   С₂Н₄Сl₂ + HCl

в) Нитрование этана по первой стадии.   Ответ

С₂Н₆ + НNO_{3 (разб.)}    С₂Н₅ NO₂ + H₂O

г) Изомеризация пентана.   Ответ

д) Пиролиз этана.   Ответ

С₂Н₆    2C + 3H₂

е) Крекинг декана.   Ответ

C₁₀H₂₂    С₅Н₁₂ + С₅Н₁₀

Обязательно укажите условия проведения реакций.

Это интересно!

 Владимир Григорьевич Шухов прославился не только разработкой промышленного процесса крекинга нефтепродуктов. Он создал в Саратове речные наливные баржи для перевозки нефти, изобрел первый трубопровод для перекачки нефти с подогревом, чтобы не образовывались на стенках труб парафиновые пробки, придумал и построил гиперболоидные башни для радиотрансляции; известны Шуховские радио- и телевышка в Москве на Шабаловке.

Шуховская башня, Москва Строительство 1919-1922 Высота 148,3 м

Применение предельных углеводородов

Несмотря на сравнительно малую активность, предельные углеводороды широко применяются в быту и особенно в промышленности.

Основные направления использования алканов	Свойства
Простое и достаточно дешевое топливо	Реакция горения
Сырье для получения большого количества нужных веществ	Реакции галогенирования, нитрования, изомеризации, крекинга, дегидрирования, пиролиза

Применение метана

Применение метана: 1—3—производство сажи (катриджи (1), резина (2),
типографская краска (3)); 4—7— получение органических
соединений (растворителей (4), хладагентов (фреонов),
используемых в холодильных установках (5), метанола (6), ацетилена (7))

Смеси твердых и жидких алканов называют вазелином и применяют в парфюмерии, медицине и технике.

Смесь твердых алканов — парафин — используют в медицине, для изготовления свечей, нанесения водоотталкивающих покрытий.

Наиболее распространенный и используемый циклоалкан — циклогексан. Он применяется в качестве растворителя и как сырье в производстве капрона, адипиновой кислоты НООС—СН₂—СН₂—СН₂—СН₂—СООН. Адипиновая кислота, в свою очередь, используется в производстве найлона, а также инсектицидов, смазок, пластификаторов.

Это интересно!

Уникальная эффективность нафталанской нефти в лечении болезней суставов и тканей опорно-двигательного аппарата, а также кожных, нервных и гинекологических заболеваний обусловлена наличием в ней нафтеновых углеводородов, по строению отличающихся от компонентов нефти из других источников.

Это интересно!

Оказывается, из растительных и животных отходов можно получить биогаз, который состоит главным образом из метана. Его в значительных масштабах используют в Индии, Китае и других странах для приготовления пищи, получения электроэнергии, отопления жилищ.

Получение алканов и циклоалканов

Природными источниками предельных углеводородов являются природный газ и нефть.

 Значительное количество ценных углеводородов получают синтетическими способами.

1. Изомеризация

2. Синтез алканов и циклоалканов с использованием галогеналканов и металлического натрия

Синтез Вюрца — реакция, позволяющая получать алканы с большим числом атомов углерода и циклоалканы.

3. Синтез метана из простых веществ

Эту реакцию используют для превращения отходов переработки каменного угля в газообразное топливо, ее проводят при 400 — 500 ^оC, повышенном давлении, в присутствии катализаторов. Реакция интересна и в теоретическом отношении. Она показывает возможность получения органического соединения из неорганических.

Дополнительная информация

Другие способы получения предельных углеводородов

Гидрирование непредельных углеводородов:

Сплавление безводных солей карбоновых кислот со щелочами:

В общем случае:

Гидролиз некоторых карбидов:

Это интересно!

Алканы обладают некоторым наркотическим действием и могут воздействовать на организм человека и животных. Только благодаря их малой растворимости в воде, в крови не создаются такие их концентрации, которые токсичны для организмов.