Основные понятия органической химии

Предельные, углеводороды ряда метана (алканы)

Алканы, или парафины - алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой s -связью. Оставшиеся валентности углеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.

Углеводороды ряда алканов имеют общую формулу C n H 2n+2 . В таблице представлены некоторые представители ряда алканов и их некоторые физические свойства.

Из таблицы видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН 2 - .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 .

Тренажёр №1 - Гомологи и изомеры

Тренажёр №2. - Гомологический ряд предельных углеводородов

Физические свойства

Первые четыре члена гомологического ряда метана - газообразные вещества, начиная с пентана - жидкости, а углеводороды с числом углеродных атомов 16 и выше - твердые вещества (при обычной температуре). Алканы - неполярные соединения и трудно поляризуемые. Они легче воды и в ней практически не растворяются. Не растворяются также в других растворителях с высокой полярностью. Жидкие алканы - хорошие растворители для многих органических веществ. Метан и этан, а также высшие алканы не имеют запаха. Алканы - горючие вещества. Метан горит бесцветным пламенем.

Получение алканов

Для получения алканов используют в основном природные источники.

Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы - из нефти. Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск - природный битум.

1. Из простых веществ:

n C + 2n Н 2 500 °С, кат → С n Н 2n + 2

2. Действие металлического натрия на галогенопроизводные алканов- реакция А.Вюрца :

2CH 3 -Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl

Химические свойства алканов

1. Реакции замещения - Галогенирование (стадийно)

CH 4 + Cl 2 hν → CH 3 Cl (хлорметан) + HCl (1 стадия) ;

метан

CH 3 Cl + Cl 2 hν → CH 2 Cl 2 (дихлорметан)+ HCl (2 стадия);

С H 2 Cl 2 + Cl 2 hν → CHCl 3 (трихлорметан)+ HCl (3 стадия);

CHCl 3 + Cl 2 hν → CCl 4 (хлорметан)+ HCl (4 стадия).

2. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем)

C n H 2n+2 + O 2 t → nCO 2 + (n+1)H 2 O

3. Реакции разложения

а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:

C 10 H 22 → C 5 H 12 + C 5 H 10

б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи, продукты – С (сажа) и Н 2:

С H 4 1000°С → C + 2 H 2

Применение

· Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

· Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит

· Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках

· Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

· Метан используется для производства шин и краски

· 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.

Задания для закрепления

№1. Составьте уравнения реакций горения этана и бутана.

№2. Составьте уравнения реакций получения бутана из следующих галогеналканов:

CH 3 - Cl (хлорметан) и C 2 H 5 - I (йодэтан).

№3. Осуществите превращения по схеме, назовите продукты:

C→ CH 4 → CH 3 Cl → C 2 H 6 → CO 2

№4. Реши кроссворд

По горизонтали:

1. Алкан, имеющий молекулярную формулу С 3 Н 8 .
2. Простейший представитель предельных углеводородов.
3. Французский химик, имя которого носит реакция получения углеводородов с более длинной углеродной цепью взаимодействием галогенопроизводных предельных углеводородов с металлическим натрием.
4. Геометрическая фигура, которую напоминает пространственное строение молекулы метана.
5. Трихлорметан.
6. Название радикала С 2 Н 5 –.
7. Наиболее характерный вид реакций для алканов.
8. Агрегатное состояние первых четырех представителей алканов при нормальных условиях.

Если вы правильно ответили на вопросы, то в выделенном столбце по вертикали получите одно из названий предельных углеводородов. Назовите это слово?

Углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле C n H 2 n +2 .
В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторонней треугольной пирамиды - тетраэдра. Углы между орбиталями равны 109° 28′.

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), например, в молекуле н -пентана.

Особо стоит напомнить о связях в молекулах алканов. Все связи в молекулах предельных углеводородов одинарные. Перекрывание происходит по оси,
соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи. Связи углерод - углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С-С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 10 — 10 м). Связи С-Н несколько короче. Электронная плотность немного смещена в сторону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С-Н является слабополярной.

Отсутствие в молекулах предельных углеводородов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде, не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Наиболее характерными для алканов являются реакции, протекающие с участием свободных радикалов.

Гомологический ряд метана

Гомологи - вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН 2 .

Изомерия и номенклатура

Для алканов характерна так называемая структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, - это бутан.

Основы номенклатуры

1. Выбор главной цепи. Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи - самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.
2. Нумерация атомов главной цепи. Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном удалении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структура В). Если различные заместители находятся на равном удалении от концов цепи, то нумерация начинается с того конца, к которому ближе старший (структура Г). Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начинается их название: метил (-СН 3), затем этил (-СН 2 -СН 3), пропил (-СН 2 -СН 2 -СН 3) и т. д.
Обратите внимание на то, что название заместителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс —ил в названии соответствующего алкана.
3. Формирование названия . В начале названия указывают цифры - номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соответствующий номер в названии повторяется дважды через запятую (2,2-). После номера через дефис указывают количество заместителей (ди - два, три - три, тетра - четыре, пента - пять) и название заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов - название главной цепи. Главная цепь называется как углеводород - член гомологического ряда метана (метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан C 3 H 8 , С 4 Н 10, пентан С 5 Н 12 , гексан С 6 Н 14 , гептан C 7 H 16, октан C 8 H 18, нонан С 9 Н 20, декан С 10 Н 22).

Физические свойства алканов

Первые четыре представителя гомологического ряда метана - газы. Простейший из них - метан - газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, определяется запахом меркаптанов - серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных газовых приборах для того, чтобы люди, находящиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).
Углеводороды состава от С 4 Н 12 до С 15 Н 32 - жидкости; более тяжелые углеводороды - твердые вещества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются распространенными органическими растворителями.

Химические свойства алканов

Реакции замещения.
Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которого атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу. Приведем уравнения характерных реакций галогенирования:


В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.
Реакция дегидрирования (отщепления водорода) .
В ходе пропускания алканов над катализатором (Pt, Ni, А1 2 0 3 , Сг 2 0 3) при высокой температуре (400-600 °С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:


Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи.
Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Газообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.
1. Горение предельных углеводородов - это свободнорадикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива:

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

2. Термическое расщепление углеводородов.

Процесс протекает по свободнорадикальному механизму. Повышение температуры приводит к гомолитическому разрыву углерод-углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием молекулы алкана и молекулы алкена:

Реакции термического расщепления лежат в основе промышленного процесса - крекинга углеводородов. Этот процесс является важнейшей стадией переработки нефти.

3. Пиролиз . При нагревании метана до температуры 1000 °С начинается пиролиз метана - разложение на простые вещества:

При нагревании до температуры 1500 °С возможно образование ацетилена:

4. Изомеризация . При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хлоридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:

5. Ароматизация . Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии катализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:

Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Молекулы этих веществ построены при помощи ковалентных неполярных С-С (углерод - углерод) связей и слабополярных С-Н (углерод - водород) связей. В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, т. к. связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

.
Алканы - название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины - исторически сохранившееся название предельных углеводородов.

В молекулах этих соединений все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены. Вот почему эти углеводороды не способны к реакциям присоединения. В этой связи данному классу углеводородов можно дать такое определение:
Углеводороды с общей формулой C n H 2n+2 , которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами) .

Простейшим представителем предельных углеводородов является метан.

Строение молекулы метана.

Молекулярная формула метана CH 4 .
Так как в гибридизации участвуют s - электрон и три p - электрона, то такой ее вид называется sp 3 - гибридизацией.
Валентный угол: 109 градусов.

Гомологи метана.

Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. "гомолог" - сходный). В из молекулах имеются два, три, четыре и более атомов углерода. Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH 2 . Например, если мысленно к молекуле метана CH 4 добавить группу CH 2 (группу CH 2 называют гомологической разностью), то получается следующий углеводород ряда метана - этан C 2 H 6 и т.д.

Гомологический рад метана.

CH 4 - Метан

C 2 H 6 - Этан

C 3 H 8 - Пропан

C 4 H 10 - Бутан

C 5 H 12 - Пентан

C 6 H 14 - Гексан

C 7 H 16 - Гептан

C 9 H 20 - Нонан

Изомерия и номенклатура.

Для составления названий предельных углеводородов с разветвленной цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названий данного углеводорода придерживаются определенного порядка:

1. Выбирают в формуле наиболее длинную углеродную цепь и символы атомов углерода нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление.
2. Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают место у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда номер повторяют дважды. Число одинаковых радикалов указывают при помощи чисел на греческом языке ("ди" - два, "три" - три, "тетра" - четыре и т.д.)
3. Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в нумерованной цепи.

Нахождение в природе.

Простейший представитель предельных углеводородов - метан - образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80 -97% ). Он содержится и в газах, выделяющихся при добыче нефти. В состав природного газа и нефтяных газов входят также этан C 2 H 6 , пропан C 3 H 8 , бутан C 4 H 10 и некоторые другие. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержаться в нефти.

Физические свойства.

Метан - газ без цвета и запаха, почти в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде. Этан, пропан, бутан при нормальных условиях - газы, от пентана до пентадекана - жидкости, а следующие гомологи - твердые вещества.
С увеличением относительных молекулярных масс предельных углеводородов закономерно повышаются их температуры кипения и плавления.

Если загородный дом расположен невдалеке от сетевых магистралей, то выбор отопительной системы очевиден: на данный момент природный газ является самым экономичным видом топлива. Но и при отсутствии центрального газоснабжения многие домовладельцы отдают предпочтение газовому отоплению. Для этого используются автономные системы, работающие на сжиженном газе.

Первым членом семьи является метан. Он образован атомом углерода, окруженным 4 атомами водорода. Другие члены отличаются добавлением атома углерода. Имена наиболее известных. В заключение отметим, что алканы имеют следующую молекулярную формулу. Они являются частью серии, называемой гомологичной. Это помогает нам понять их физические свойства, поскольку, зная одну из тех, мы можем экстраполировать результаты на другие. Основные физические характеристики.

Этан чрезвычайно широко распространен (один из постоянных компонентов природного газа). Вступает во все реакции, характерные для алканов, прежде всего – галогенирования. Оно протекает под действием ультрафиолетового облучения, в ходе которого образуются свободные радикалы – инициаторы, может быть ускорено путем нагрева. Этилен используется в промышленности: является сырьем для получения дихлорэтана, винилацетата, окиси этилена, полиэтилена разных марок, стирола, который, в свою очередь, идет на производство полистирола. Также из этилена получают этиловый спирт, уксусную кислоту, этиленгликоль. Мало того – этот газ используется для ускорения созревания овощей и фруктов.

Если загородный дом расположен невдалеке от сетевых магистралей, то выбор отопительной системы очевиден: на данный момент природный газ является самым экономичным видом топлива. Но и при...