Граничні вуглеводні - це такі сполуки, які представляють собою молекули, що складаються з атомів вуглецю, що знаходяться в стані гібридизації sp3. Вони пов`язані між собою виключно ковалентними сигма-зв`язками. Назва «граничні» або «насичені» вуглеводні виходить з того факту, що ці сполуки не мають можливості приєднувати будь-які атоми. Вони граничні, повністю насичені. Виняток становлять Циклоалкани.
Що таке алкани?
Алкани - це вуглеводні граничні, а їх вуглецевий ланцюг незамкнута і складається з атомів вуглецю, пов`язаних між собою за допомогою одинарних зв`язків. Вона не містить інших (тобто подвійних, як у алкенів, або ж потрійних, як у алкілів) зв`язків. Алкани також називають парафинами. Це назву вони отримали, так як загальновідомі парафіни є сумішшю переважно даних граничних вуглеводнів С18-З35 з особливою інертністю.
Загальні відомості про алканах і їх радикалах
Їх формула: СnР2n+2, тут n більше або дорівнює 1. молярна маса обчислюється за формулою: М = 14n + 2. Характерна особливість: закінчення в їхніх назвах - «ан». Залишки їх молекул, які утворюються в результаті заміщення водневих атомів на інші атоми, мають назву аліфатичних радикалів, або алкілів. Їх позначають буквою R. Загальна формула одновалентних аліфатичних радикалів: ЗnР2n+1, тут n більше або дорівнює 1. Молярна маса аліфатичних радикалів обчислюється за формулою: М = 14n + 1. Характерна особливість аліфатичних радикалів: закінчення в назвах «іл». Молекули алканів мають свої особливості будови:
- зв`язок С-С характеризується довжиною 0,154 нм;
- зв`язок С-Н характеризується довжиною 0,109 нм;
- валентний кут (кут між зв`язками вуглець-вуглець) дорівнює 109 градусів і 28 хвилин.
Починають гомологічний ряд алкани: метан, етан, пропан, бутан і так далі.
Фізичні властивості алканів
Алкани - це речовини, які не мають кольору і нерозчинні у воді. Температура, при якій алкани починають плавитися, і температура, при якій вони закипають, підвищуються відповідно до збільшення молекулярної маси і довжини вуглеводневого ланцюга. Від менш розгалужених до більш розгалуженим алканами температури кипіння і плавлення знижуються. Газоподібні алкани здатні горіти блідо-блакитним або безбарвним полум`ям, при цьому виділяється досить багато тепла. СН4-З4Н10 являють собою гази, у яких відсутня також і запах. З5Н12-З15Н32 - це рідини, які володіють специфічним запахом. З15Н32 і так далі - це тверді речовини, які також не мають запаху.
Хімічні властивості алканів
Дані сполуки є малоактивними в хімічному плані, що можна пояснити міцністю трудноразриваемих сигма-зв`язків - С-С і С-Н. Також варто враховувати, що зв`язку С-С неполярних, а С-Н малополярни. Це малополярізуемие види зв`язків, що відносяться до сигма-виду і, відповідно, розриватися по найбільшої ймовірності вони стануть за механізмом гомолитически, в результаті чого будуть утворюватися радикали. Таким чином, хімічні властивості алканів в основному обмежуються реакціями радикального заміщення.
реакції нітрування
Алкани взаємодіють тільки з азотною кислотою з концентрацією 10% або з оксидом чотирьохвалентного азоту в газовому середовищі при температурі 140 ° С. Реакція нітрування алканів носить назву реакції Коновалова. В результаті утворюються нитросоединения і вода: CH4 + азотна кислота (Розбавлена) = CH3 - NO2 (Нитрометан) + вода.
реакції горіння
Граничні вуглеводні дуже часто застосовуються як паливо, що обгрунтовано їх здатністю до горіння: ЗnР2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O2 = (N + 1) H2O + n СО2.
реакції окислення
В хімічні властивості алканів також входить їх здатність до окислення. Залежно від того, які умови супроводжують реакцію і як їх змінюють, можна з одного і того ж речовини отримати різні кінцеві продукти. М`яке окислення метану киснем при наявності каталізатора, що прискорює реакцію, і температури близько 200 ° С може дати в результаті такі речовини:
1) 2СН4 (Окислення киснем) = 2СН3ВІН (спирт - метанол).
2) СН4 (Окислення киснем) = СН2О (альдегід - формальдегід або формальдегід) + Н2О.
3) 2СН4 (Окислення киснем) = 2НСООН (карбонова кислота - метанова або мурашина) + 2Н2О.
Також окислення алканів може проводитися в газоподібному або рідкому середовищі повітрям. Такі реакції призводять до утворення вищих жирних спиртів і відповідних кислот.
Ставлення до нагрівання
При температурах, що не перевищують + 150-250 ° С, обов`язково в присутності каталізатора, відбувається структурна перебудова органічних речовин, яка полягає в зміні порядку з`єднання атомів. Даний процес називається изомеризацией, а речовини, отримані в результаті реакції - изомерами. Таким чином, з нормального бутану виходить його ізомер - ізобутан. При температурах 300-600 ° С і наявності каталізатора відбувається розрив зв`язків С-Н з утворенням молекул водню (реакції дегідрування), молекул водню з замиканням вуглецевого ланцюга в цикл (реакції циклізації або ароматизації алканів):
1) 2СН4 = С2Н4 (Етен) + 2Н2.
2) 2СН4 = С2Н2 (Етін) + 3Н2.
3) З7Н16 (Нормальний гептан) = С6Н5 - СН3 (Толуол) + 4Н2.
реакції галогенування
Такі реакції полягають у введенні в молекулу органічної речовини галогенів (їх атомів), в результаті чого утворюється зв`язок С-галоген. При взаємодії алканів з галогенами утворюються галогенпохідних. Дана реакція має специфічні особливості. Вона протікає по механізму радикальному, і щоб її проініціювати, необхідно на суміш галогенів і алканів впливати ультрафіолетовим випромінюванням або ж просто нагріти її. Властивості алканів дозволяють реакції галогенування протікати, поки не буде досягнуто повне заміщення на атоми галогену. Тобто хлорування метану не закінчиться однією стадією і отриманням метилхлорида. Реакція піде далі, будуть утворюватися всі можливі продукти заміщення, починаючи з хлорметана і закінчуючи тетрахлорметаном. Вплив хлору при даних умовах на інші алкани призведе до утворення різних продуктів, отриманих в результаті заміщення водню у різних атомів вуглецю. Від температури, при якій йде реакція, буде залежати співвідношення кінцевих продуктів і швидкість їх утворення. Чим довше вуглеводнева ланцюг алкана, тим легше буде йти дана реакція. При Галогенування спочатку буде заміщатися атом вуглецю найменш гідрування (третинний). Первинний вступить в реакцію після всіх інших. Реакція галогенування відбуватиметься поетапно. На першому етапі замістити тільки один атом водню. C розчинами галогенів (хлорного і бромної водою) алкани не взаємодіють.
реакції сульфохлорування
Хімічні властивості алканів також доповнюються реакцією сульфохлорування (вона носить назву реакції Ріда). При впливі ультрафіолетового випромінювання алкани здатні реагувати з сумішшю хлору і діоксиду сірки. В результаті утворюється хлороводень, а також алкільних радикал, який приєднує до себе діоксид сірки. В результаті виходить складне з`єднання, яке стає стабільним завдяки захопленню атома хлору і руйнування черговий його молекули: R-H + SO2 + Cl2 + ультрафіолетове випромінювання = R-SO2Cl + HCl. Утворилися в результаті реакції сульфонілхлоріди знаходять широке застосування у виробництві поверхнево-активних речовин.
