Методические рекомендации по изучению темы «АЛКАНЫ – ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ»

                    Государственное  автономное  профессиональное

                   образовательное  учреждение  Пензенской  области

                          «Пензенский  многопрофильный  колледж»

                                        отделение  строительства

                                                    (ГАПОУ  ПО  ПМПК)

               Методические  рекомендации по  изучению  темы:

                «АЛКАНЫ – ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ».

                                                   Выполнила  преподаватель:  Пивкина  Н.В.

                                               г. Пенза    2015 г.

Методические рекомендации по изучению материала.

Обучающийся  должен:

Иметь представление:

 - о гомологическом ряде предельных углеводородов- алканах

- о строении алканов,

- о названиях, химических свойствах и применении алканов,

- о пространственной изомерии.

Знать:

- химические свойства метана,

- получение метана,

- общую формулу алканов,

- строение алканов,

- химические свойства алканов на основе их строения,

- -способы получения алканов,

- применение алканов.

Уметь:

-составлять уравнения реакций, характеризующие свойства и способы получения метана,

- составлять формулы гомологов метана - углеводородов с прямым и   разветвленным скелетами,

- называть алканы по представленным формулам,

                           ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

         Органические соединения, в состав которых входят только углерод и водород называются  углеводородами.  Заменяя в этих соединениях атомы водорода на другие атомы или атомные группировки, получают производные углеводородов.

         Алканами называют углеводороды с открытой цепью, в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом одинарной σ-связью.

Общая формула алканов – С_nH_2n+2.  Самый простой алкан – метан СН₄.

Все предельные углеводороды объединяются в ряд, первые десять членов которого имеют следующие эмпирические формулы и названия:

СН₄  - метан                                     С₆Н₁₄ - гексан

С₂Н₆ – этан                                       С₇Н₁₆ - гептан

С₃Н₈ – пропан                                   С₈Н₁₈ - октан

С₄Н₁₀ – бутан                                    С₉Н₂₀ - нонан

С₅Н₁₂ – пентан                                  С₁₀Н₂₂ – декан  и т.д.

Рядом стоящие алканы отличаются друг от друга на группу –СН₂; чем дальше друг от друга находятся алканы, тем на большее число этих групп они отличаются. Соединения этого ряда обладают близкими химическими свойствами, характеризуются закономерным изменением физических свойств, имеют сходное строение, а сам ряд соединений называется гомологическим рядом. Отдельные члены этого ряда – гомологи.  

     Все атомы  углерода в алканах находятся в состоянии sp³- гибридизации и

     образуют четыре σ-связи.

              Если углеводород лишается одного (или нескольких) атомов водорода,

    образуется частица, называемая углеводородным радикалом. Названия  

    радикалов являются производными от соответствующего  алкана,  при этом  

    суффикс –ан заменяется на –ил, например:

    СН₄  - метан                     →               -СН₃  -   метил               

   С₂Н₆ – этан                       →                - С₂Н₅  - этил и т.д.

Общая формула алкильных радикалов - С_nH_2n+1. Сокращенно углеводородные радикалы обозначают  R.

1.  Изомерия и номенклатура алканов

         Молекулы алканов могут иметь неразветвленную (линейную или нормальную) цепь углеродных атомов, либо разветвленную. Разветвленная углеродная цепь возможна для веществ, в молекулах которых более трех атомов углерода. Например:

н-бутан

изобутан

Бутан имеет один изомер, с увеличением числа атомов углерода в цепи число структурных изомеров быстро растёт. Так, пентан имеет 3 изомера, гептан – 9, октан – 18, декан – 75.

 Итак, изомерами называются вещества, имеющие одинаковый качественный (одни и те же химические элементы) и количественный (одинаковое число атомов данного химического элемента) состав, но разное строение молекулы. Для алканов возможна только структурная изомерия – самый простой вид изомеров – изменяется только порядок связей атомов в молекуле. Для названия алканов используют систематическую и рациональную номенклатуры.

 Согласно систематической номенклатуры названия углеводородов составляются следующим образом:

1.В молекуле выбирают главную цепь – самая длинная цепочка атомов углерода Часто в молекуле находятся несколько углеродных цепей одинаковой длины. В этом случае правильным будет выбор цепи с наибольшим числом заместителей

2. Нумеруем атомы углерода главной цепи с того края, к которому ближе расположен радикал (заместитель).

3. Название  соединения осуществляется в следующем порядке:

- сначала цифрой указывается место расположения заместителя в главной цепи;

- называем этот заместитель;

- называем главную углеродную цепь

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то  их число обозначают греческим числительным (два заместителя – ди-, три заместителя – три-, четыре – тетра-, пять – пента-  и т.д.), которое ставят перед названием данных радикалов.

2,3,4,4-тетраметигексан

Если в главной цепи содержится несколько разных заместителей, то они перечисляются в порядке русского алфавита

3-метил-2-хлорпентан

         Для названия алканов часто пользуются рациональной номеклатурой,

в соответствии с которой все члены данного гомологического ряда рассматриваются как производные метана, в молекуле которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. При  составлении названия в этом случае  обозначают все радикалы по старшинству (указывая их число, если они одинаковые) и затем основу названия – слово «метан»

2,2-диметилпентан (триметилпропилметан)

Недостатком рациональной номенклатуры является невозможность полного отражения строения вещества, если его молекулы состоят из большого числа атомов углерода и имеют разветвленную структуру. Систематическая же номенклатура полностью способна отражать строение вещества.

1.  Физические свойства алканов

         Физические свойства алканов  метановых углеводородов нормального строения зависят от состава молекул. Увеличение молекулярной массы приводит к повышению температур кипения и плавления вещества, а также к увеличению его плотности.  

         Первые четыре алкана – газы, начиная с пентана – жидкости, а углеводороды с числом атомов углерода   ≥С₁₆  - твердые вещества при комнатной температуре.

         Углеводороды с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем такие же, но с нормальной цепью.  Температура плавления у веществ с изостроением  часто имеет более высокие значения по сравнению с нормальными алканами.

         Алканы легче воды, плохо растворяются в воде, но хорошо растворимы в большинстве органических растворителей. Жидкие алканы – хорошие растворители для органических соединений. Алканы – горючие вещества.

         1.3.  Получение алканов

         Алканы широко распространены в природе. Низшие алканы содержатся в природном газе, в воздухе каменноугольных  месторождений (рудничный газ - метан), растворены в нефти. Смесью высших алканов  является пчелиный воск, озокерит или горный воск, кроме того высшие алканы присутствуют в наименее летучей составной части нефти.

         Многие углеводороды можно получить гидрированием углей и монооксида углерода (СО):

При этом, как правило, получают смесь алканов. Поэтому для получения индивидуальных соединений используют синтетические методы.

         1. Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализатора (Pt, Pd, Ni):

         2.  Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами (декарбоксилирование – отщепление карбоната металла):

         3. Восстановление галогеналканов и спиртов иодоводородной кислотой при нагревании:

         4. Синтез Вюрца – метод позволяющий увеличивать число атомов углерода основной цепи по сравнению с исходным алканом. В этот синтезе  используются галогеналканы,  которые взаимодействуют   с металлическим натрием (реакция протекает с хлористыми и бромистыми, но наиболее легко с иодистыми алкилами):

Если этот процесс протекает с участием различных галогеналканов, то в результате получается смесь алканов, например:

1.  Химические свойства алканов

         Алканы не взаимодействуют с обычными  кислотами, щелочами, окислителями, так как в молекулах этих соединений все атомы связаны между собой прочными σ-связями, а валентности углеродных атомов полностью (до предела) насыщены водородом.

Поэтому их называют предельными или  насыщенными углеводородами. Алканы не вступают в реакции присоединения, при обычных условиях они чрезвычайно инертны в химическом отношении (химические превращения возможны при сообщении алканам достаточно высокой энергии, наличии катализаторов) – по этой причине их часто называют парафинами. Энергии связей С―С  и  С―Н соответственно равны ≈ 420 и ≈ 350 кДж/моль. Несмотря на это разрыв предпочтительнее идет по связи С―Н, что связано с большей её доступностью для атакующих агентов.

         1.3.1. Реакции замещения

         Для насыщенных углеводородов характерны реакции замещения, которые протекают по радикально-цепному механизму. В таких реакциях легче происходит замещение атома водорода, связанного с третичным углеродом (Е_{хим. связи} = 370 кДж/моль), труднее – у вторичного углерода (Е_{хим. связи} = 390 кДж/моль), труднее всего – у первичного (Е_{хим. связи} = 420 кДж/моль).

 1.3.1. 1.   Реакции галогенирования (действие галогенов) активно протекают на свету или при нагревании. Процесс замещения протекает стадийно:

- первая стадия - инициирование – получение свободного радикала

Сl₂ à  2 Сl•

- вторая стадия – рост цепи – взаимодействие свободного радикала с молекулой алкана

                                          СН₄   +   Сl•  à   СН₃•   +   НСl

                                          СН₃•   +   Сl₂  à   СН₃Сl   +   Сl•

СН₃Сl   +   Сl•   à    •СН₂ Сl   +   НСl

•СН₂ Сl    +   Сl₂  à   СН₂ Сl₂    +   Сl•

СН₂ Сl₂    +   Сl•  à   •СНСl₂    +   НСl

•СНСl₂    +   Сl₂  à   СНСl₃   +   Сl•   

                                            СНСl₃   +   Сl•  à   •ССl₃   +   НСl

                                            •ССl₃  +   Сl₂  à   ССl₄   +   Сl•   

- третья стадия – обрыв цепи – взаимодействие между собой свободных радикалов:    •ССl₃  +    Сl•  à    ССl₄.

         1.3.1.2.  Нитрование (действие азотной кислотой). Впервые эта реакция была проведена в 1888 г. Коноваловым М.И., протекает она при нагревании по радикальному механизму

                      пропан          à         2-нитропропан

         1.3.1.3. Сульфирование (действие концентрированной серной кислоты при слабом нагревании)

                 2-метиопропан      à        2-метил-2-сульфопропан  

         1.3.1.4. Сульфохлорирование (действие смесью диоксида серы и хлора) – эти реакции имеют большое практическое значение, т.к. позволяют получать сульфокислоты с ≥С₁₂, применяемые в производстве поверхностно-активных веществ:

                          метан          à         метилсульфохлорид

         1.3.2. Реакции расщепления:

          Крекинг алканов – разрыв углерод-углеродной связи, который может протекать под воздействием высоких температур (термический крекинг), либо в присутствии катализаторов (каталитический крекинг). Эти процессы имеют место при переработке нефти.             пропан         à        метан      à      этен

         Дегидрирование (отщепление молекулярного водорода) – разрыв углерод-водородной связи с образованием непредельных соединений

                               пропан        à      пропен

          1.3.3. Реакции изомеризации – превращение линейной структуры в разветвленную, протекает при нагревании алканов в присутствии катализатора АlCl₃:

                           н-бутан        à          изобутан

         1.3.3. Реакции окисления алканов

- Полное окисление (горение):  СН₄   +  2О₂   →   СО₂   +   2Н₂О

- Неполное окисление при недостатке кислорода:

2СН₄   +   3О₂   →   2СО   +   4Н₂О;               СН₄   +   О₂   →   С   +   2Н₂О

-Неполное окисление кислородом из сильного окислителя ([О]) позволяет получать разные кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и др). Этот процесс многостадийный и при бесконтрольном его течении получается смесь органических кислородсодержащих соединений. Добиться получения одного определенного продукта можно подбирая условия, при которых протекает процесс (температура, катализатор), например:

                         алкан      à      спирт       à      альдегид

 ЭКСПЕРИМЕНАЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

1.  Получение метана из ацетата натрия

         В пробирку, снабженную пробку с газоотводной трубкой, поместите смесь равных весовых частей обезвоженного ацетата натрия и натронной извести. Держа пробирку в горизонтальном положении, нагреть её в пламени микрогорелки. Из газоотводной трубки будет выделяться газ – метан.

Протекающая реакция – декарбоксилирование ацетата натрия:

СН₃СООNа   +   NаОН   →   СН₄↑  +   Nа₂СО₃

Подожгите выделяющийся газ и обратите внимание  - каким пламенем горит метан?  Как правило метан горит несветящимся пламенем. Иногда пламя окрашено в желтый цвет за счет натрия, содержащегося в стекле.

         Убедившись, что метан горит, опустить конец газоотводной трубки в пробирку с раствором перманганата калия, который готовится смешением 1 мл 0,1 н. КМnО₄ и 5 мл воды. Убедившись, что обесцвечивания раствора не происходит (почему?), быстро перенести газоотводную трубку из раствора перманганата калия в пробирку с 5 мл бромной воды. Обесцвечивается ли раствор в этом случае (почему?)?

         В процессе нагревания  исходной смеси наряду с метаном образуется карбонат натрия, наличие которого можно обнаружить следующим образом: охладить  пробирку с исходной смесью и добавить в неё  2-3 мл 2 н.   НСl и быстро соединить её с газоотводной трубкой, которую опускаем в пробирку с 2-3 мл насыщенного раствора гидроксида бария Ва(ОН)₂ – что наблюдаете?              

Nа₂СО₃   +   2НСl  →  2NаСl   +    СО₂↑   +   Н₂О

                                 СО₂   +   Ва(ОН)₂   →   Ва СО₃↓   +   2 Н₂О.

1. Карточка – задание.

1. Где  образуется  метан  в  природе?
2. Какие  соединения  называются  предельными  углеводородами?  Приведите  примеры.
3. Составьте  уравнения  реакций  по  схеме:

CH₄ à CH₃Br à CH₂Br₂ à CHBr₃ à CBr₄

4. Допишите реакции:

а) CH₄ + Br₂ –

б) CH₄ + O₂ –

5.Составьте структурную формулу по молекулярной формуле: C₃ H₈

 2.  Контрольные вопросы.

         1. Напишите структурные формулы изомерных углеводородов состава С₆Н₁₄. Укажите среди них третичные и четвертичные атомы углерода. Назовите все соединения по систематической и рациональной номенклатурам.

         2. Назовите вещества (систематическая и рациональная номенклатуры), образующиеся при каталитическом гидрировании двойных связей соединений: 2,4-диметилпентен-2,

 2,3,5- триметилгексен-2.

         3. Какие углеводороды получаются при действии металлического натрия на смесь бромэтана и 2-бромпропана? Приведите схему реакции.

         4. Получите  этан и 2-метилпропан методом декарбоксилирования, используя соли карбоновых кислот.

         5. Осуществите схемы превращений и назовите вещества:

         6. Получите бутан методом гидрирования углей, монооксида углерода, алкена.

         7. В чем различие между гомологами и изомерами алканов. Поясните на примере.

         8. При нитровании бутана будет получаться 1-нитро… или 2-нитробутан? Ответ пояснить.

         9. Приведите сокращенные структурные формулы  триметилметана,

2-метилпропана, бутана, 2,2-диметилпропана. Эти вещества являются изомерами?

         10. В чем различие между углеводородами и производными углеводородов?