План учебного занятия № 19

Дата Предмет Химия группа

Ф.И.О. преподавателя: Кайырбекова И.А.

Тема : Алканы. Гомологический ряд, изомеры, номенклатура, свойства и получение алканов Цели : Изучить алканы, как один из классов ациклических соединений.

Задачи:

Образовательные:

Продолжить формирование понятия об основных классах углеводородов; начать формировать понятие о карбоциклических соединениях; изучить строение, номенклатуру и изомерию алканов; рассмотреть основные способы получения и применения алканов; изучить химические свойства алканов и генетическую связь с другими классами углеводородов.

Развивающие:

Развивать когнитивную сферу учащихся; общеучебные умения и навыки учащихся; развивать умения анализировать и делать самостоятельные выводы;

Воспитательные:

Прививать культуру умственного труда и сотрудничества; воспитывать дисциплинированность; коллективизм и чувство ответственности; способствовать созданию благоприятного психо-эмоционального климата на уроке;

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

ІІ. Ожидаемые результаты:

А) Учащиеся должны знать : строение, свойства алканов

Ә) Учащиеся должны уметь: сравнивать, доказывать

б) учащиеся должны владеть: работы с химическими реактивами соблюдая ТБ

ІІІ. Метод и приемы каждого этапа занятия: словесно- наглядный, объяснительно- илюстративный IV . Средства: интерактивная доска, учебник

Ход урока

1.Организационный момент: Проверить посещаемость учащихся. Ознакомить целями урока.

2. Подготовка к восприятию нового материала: Теоретический диктант:

А) Основные положения теории химического строения А. М. Бутлерова. Привести примеры.

Б) что называется изомерами?

В) Основные механизмы разрыва связей?

3. Объяснения нового материала (усвоение новых знании).

План:

Понятие об углеводородах. Предельные углеводороды.

Строение молекулы метана.

Гомологический ряд метана.

Строение предельных углеводородов.

Номенклатура предельных углеводородов.

Изомерия.

4. Закрепление знаний и умении:

Стр 38 №4-8, 13 упражнение

5. Подведение итогов урока: Фронтальный опрос: по лекции.

6. Домашнее задание: Работа по конспекту . §6 стр 38 11-12 упражнение

3. В природном газе, кроме метана содержится много других углеводородов, сходных по строению и свойствам с метаном. Их называют предельными углеводородами или парафинами или алканами. Эти углеводороды образуют гомологический ряд предельных углеводородов: СН 4 - метан С 2 Н 6 - этан С 3 Н 8 - пропан С 4 Н 10 – бутан С 5 Н 12 – пентан С 6 Н 14 – гексан С 7 Н 16 - гептан С 8 Н 18 –октан С 9 Н 20 - нонан С 10 Н 22 – декан. Гомологи – это вещества, сходные по строению и химическим свойствам, но отличающиеся друг от друга на группу атомов СН 2 . Общая формула гомологов ряда метана: С п Н 2п+2 где п – число атомов углерода. Атомы углерода, соединяясь друг с другом в цепи в молекуле углеводородов, образуют загзаг, то есть углеродная цепочка имеет зигзагообразное, а причина этому – тетраэдрическое направление валентных связей атомов углерода.

При разрыве связей молекулы углеводородов могут превращаться в свободнее радикалы. При отрыве одного атома водорода образуются одновалентные радикалы: СН 4 - метан- СН 3 метил С 2 Н 6 - этан- С 2 Н 5 - этил С 3 Н 8 - пропан –С 3 Н 7 - пропил С 4 Н 10 – бутан-С 4 Н 9 бутил. 5. Существуют несколько видов номенклатуры: историческая, рациональная, современная или международная. Основной считается международная систематическая номенклатура или Женевская. Основные ее принципы были приняты на международном съезде химиков в Женеве в 1892 году. Основные правила: А) Выделяют в структурной формуле наиболее длинную цепь атомов углерода и номеруют с того конца, где ближе разветвление. Б) название вещества цифрой указывают, при каком атоме углерода находится замещающая группа. В) Когда разветвление начинается при атомах углерода, равноудаленных от главной цепи, нумерацию ведут с того конца, к которому ближе расположен радикал, имеющий более простое строение. 6. для предельных существует только 1 вид структурной изомерии – изомерия цепи или углеродного скелета. Привести пример бутан.

Гомологический ряд алканов

Алканы (предельные или насыщенные углеводороды, парафины) – углеводороды, атомы углерода в которых соединены простыми связями. Общая формула: .
Соотношение числа атомов водорода и углерода в молекулах алканов максимально по сравнению с молекулами углеводородов других классов.
Поскольку, все валентности углерода заняты либо углеродами, либо водородами, как правило, химические свойства алканов не очень ярко выражены, поэтому их еще называют предельными или насыщенными углеводородами. И существует еще более древнее название, лучше отражающее их относительную, конечно, химическую инертность – парафины , что переводится как «лишенные сродства».

Строение молекул

Атомы углерода в алканах находятся в состоянии – гибридизации , и молекулу алканов можно представить как набор тетраэдрических структур углерода, связанных между собой и с водородам.

Тетраэдрическое строение метана

Связи между атомами и прочные, практически неполярные (очень мало полярные).
Атомы вокруг простых связей постоянно вращаются. Поэтому молекулы алканов могут принимать разные формы. При этом длина связи и угол между связями остаются постоянными. Формы, переходящие друг в друга за счет вращения молекулы вокруг -связей, называют конформациями молекулы.

Номенклатура алканов

Первые четыре члена ряда алканов имеют исторически сложившиеся названия. Названия неразветвленных алканов с пятью и более атомами углерода в молекуле, образованы от греческих числительных, отражающих это число атомов углерода.
Суффикс -ан показывает принадлежность вещества к насыщенным соединениям.
Составляя названия разветвленных алканов по номенклатуре ИЮПАК, в качестве основной цепи выбирают цепь, содержащую максимальное число атомов углерода. Основную цепь нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера . Если цепей одинаковой длины несколько, то главной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей.

Физические свойства алканов

Температуры плавления и кипения в целом увеличиваются с увеличением числа атомов в молекуле. Первые представители ряда алканов – газы при н.у., алканы, содержащие от 5 до 15 атомов – обычно жидкости, свыше 15 атомов – твердые вещества.
Неразветвленные изомеры имеют более высокую температуру кипения, чем разветвленные (причина – разные силы межмолекулярного взаимодействия). Температуры плавления зависят, кроме того, от плотности упаковки молекул в кристалле.
Газообразные и твердые алканы не пахнут, жидкие алканы обладают характерным “бензиновым” запахом.
Все алканы бесцветны, легче воды и нерастворимы в ней. Алканы хорошо растворяются в органических растворителях, жидкие алканы (пентан, гексан) сами широко используются как растворители.

Химические свойства алканов

Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:
1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.
2. Из-за прочных связей и (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, и т.п.)
3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.
Основной тип реакций – радикальное замещение (radical substitution) .
Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.
Реакция галогенирования.
При хлорировании атом в молекуле метана замещается на атом . В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:
;
;
;
.
Реакция нитрования.
По механизму радикального замещения протекает реакция нитрования алканов в газовой фазе (реакция Коновалова). Условия – повышенные температура и давление.
В парообразном состоянии азотная кислота разлагается:
.
Оксид азота (IV) является радикалом . Он атакует молекулу алкана.
Итоговая реакция:
.

Горение алканов

Смесь метана с кислородом (в объёмном соотношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Поэтому смеси метана, пропана, этана, бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в шахтах, в мастерских, в жилых помещениях. С этими газами нужно проявлять осторожность при применении.

Уроки химии в 10 классе по двухчасовой программе Габриеляна О.С.

Аббакумов А.В.

(лекция)
Цели урока: рассмотреть основные природные источники углеводородов в свете двух направлений их использования: в качестве энергетического сырья и основы химического синтеза. На этом материале повторить, закрепить и обобщить полученные ранее знания о свойствах и применении предельных углеводородов.
Оборудование: коллекции «Нефть и нефтепродукты», «Каменный уголь и продукты его переработки», таблицы по составу природного и попутного газов, портреты М.В. Ломоносова, Д.И. Менделеева, Н.Д. Зелинского, В.Г. Шухова.
^ Ход урока.
I. Подготовка к уроку (проверить готовность к уроку групп учащихся, оборудования, класса; отметить в журнале отсутствующих учащихся; сообщить тему и цели урока).
II. Лекция.

План лекции.

1. 
   Природные газы и их использование.
2. 
   Понятие об углеводородах.
3. 
   Электронное и пространственное строение молекулы метана.
4. 
   Гомологический ряд предельных углеводородов.
5. 
   Изомерия и номенклатура алканов.
6. 
   Способы получения и физические свойства алканов.
7. 
   Химические свойства и применение алканов.

1. Природные газы и их использование .

Наша страна по запасам природного газа занимает первое место в мире. В России открыто около 200 месторождений природного газа. Подавляющее количество добываемого газа используется в качестве топлива.

Преимущества газа перед другими видами топлива :

• 
  высокая теплотворная способность (при сжигании 1 м 3 природного газа выделяется до 54 400 кДж);
• 
  дешевизна;
• 
  экологическая чистота;
• 
  легкая транспортировка по газопроводам.

Таким образом, природный газ на сегодняшний день один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных (автомобили, металлургические, стекло- и мыловаренные печи и другое) нужд. Кроме того, природный газ служит ценным и дешевым сырьем для химической промышленности.
^ Состав природного газа .

В состав природного газа различных месторождений различен. Однако в газах всех месторождений содержатся углеводороды с небольшой относительной молекулярной массой.

Состав природного газа :

• 
  80-90% метана;
• 
  2-3% его гомологов (этана, пропана, бутана);
• 
  небольшое содержание примесей (сероводорода, азота, благородных газов, углекислого газа и паров воды).

2. Понятие об углеводородах .

Название группы органических соединений, которые мы сегодня начинаем изучать, отображает их состав.

Углеводороды, это соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода.
Классификация углеводородов

Углеводороды

Циклические (карбоциклические) Ациклические

Циклическими (карбоциклические) называют соединения, в состав которых входит один или более циклов, состоящих только из атомов углерода. Они в свою очередь делятся на ароматические и неароматические.

К ациклическим углеводородам относят органические соединения, углеродный скелет молекул которых представляет собой незамкнутые цепи.

Эти цепи могут быть образованы одинарными связями (алканы), содержать одну двойную связь (алкены), две двойные связи (диены), одну тройную связь (алкины).
3. ^ Электронное и пространственное строение молекулы метана .

Сегодня мы приступаем к изучению первого класса углеводородов - алканов (предельных, насыщенных, парафиновых углеводородов).

^ Алканы – углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле С n H 2 n +2 .

[ Демонстрация отношения метана к раствору перманганата калия и бромной воде].

Простейший представитель этого класса – метан – известен людям очень давно. Его называли болотным, или рудничным, газом.

Атом углерода в метане находится в состоянии sp 3 -гибридизации. Углерод в данном случае имеет четыре равноценных гибридных орбитали, оси которых направлены к вершинам тетраэдра. Угол между осями этих орбиталей составляет 109°28". /Изображение строение атома углерода в sp 3 -гибридном состоянии /.

Электронное строение атома углерода определяет пространственное расположение атомов в молекуле метана. Все четыре ковалентные связи С – Н образованы за счет перекрывания sp 3 -орбиталей атома углерода и s-орбитали водорода. Все связи в молекуле метана относятся к σ-типу. Центры ядер атомов водорода лежат в вершинах правильного тетраэдра. /Демонстрация модели молекулы метана/ .

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму. /Демонстрация на модели молекулы бутана/ .

Связи углерод – углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С – С связи в алканах равна 0,154 нм. Связь С – Н является слабополярной.

Отсутствие в молекулах предельных углеводородов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде.
4. ^ Гомологический ряд предельных углеводородов .

Предельные углеводороды составляют гомологический ряд метана.

Гомологический ряд, это совокупность органических соединений, обладающих подобным строением и свойствами и отличающихся друг от друга по составу на одну или несколько групп – СН 2 – (гомологическую разность).

Представители одного гомологического ряда называются гомологами.

На примере первых четыре представителей выведите общую формулу алканов:

Метан – СН 4 ; Этан – С 2 Н 6 ; Пропан – С 3 Н 8 ; Бутан – С 4 Н 10 ; Пентан – С 5 Н 12 .

(Общая формула алканов – С n H 2 n +2).
5. ^ Изомерия и номенклатура алканов .

Для алканов характерна структурная изомерия. Структурные изомеры отличаются друг от друга строением углеродного скелета.
Основы номенклатуры ИЮПАК .

1. 
   Выбор главной цепи.
2. 
   Нумерация атомов главной цепи.
3. 
   Формирование названия.

В зависимости от количества радикалов соединенных с атомом углерода различают: первичный, вторичный, третичный и четвертичный атом углерода.
6. Способы получения и физические свойства алканов .

1. 
   Крекинг нефтепродуктов
2. 
   Гидрирование алкенов
3. 
   Пиролиз солей карбоновых кислот
4. 
   Реакция Вюрца

1). Реакция горения .

Многочисленные химические реакции протекают как вокруг человека, так и в нем самом. Порой мы просто не обращаем внимания на эти химические явления. Когда мы зажигаем на кухне газ или щелкаем зажигалкой, едем в автомобиле или смотрим по телевизору трагические последствия взрыва в шахте, мы свидетели реакции горения алканов [Демонстрация горения метана].

Как и большинство органических веществ, предельные углеводороды при горении образую водяные пары и углекислый газ:

CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

При горении предельных углеводородов выделяется большое количество теплоты, что предопределяет их использование в качестве топлива.
2). ^ Реакция замещения .

Вспомните строение метана. Атомы углерода полностью исчерпали свои валентные возможности. Чтобы получить из метана другое вещество, нужно разорвать связи С – Н и заменить водород другим атомом или группой атомов. Таким образом, для алканов характерны реакции замещения.

׀ ׀

H−C−H + Cl−Cl → H−C−Cl + H−Cl

При достаточном количестве галогена реакция продолжается до образования полизамещенных продуктов.

В качестве галогена в таких реакциях можно использовать только хлор и бром. Реакция с фтором протекает со взрывом и приводит к разрушению молекулы алкана, а иод как менее активный галоген на такое превращение не способен.
3). ^ Реакция разложения .

При нагревании алканов без доступа воздуха с ним происходят самые разнообразные превращения, используемые в промышленности. При нагревании метана до 1000°С начинается пиролиз метана – разложение на простые вещества.

СН 4
С + 2Н 2

2СН 4
^ СН≡СН + 3Н 2

Таким образом, из парафинов можно получить углеводороды с двойной и тройной связью.

4). Реакция дегидрирования .

Для гомологов метана возможен еще один практически важный процесс: реакция дегидрирования. Это превращение протекает в присутствии катализатора при повышенной температуре и приводит к образованию этиленовых углеводородов.

Н−С−С−Н
Н−С=С−Н + Н−Н

׀ ׀

Надо отметить, что при комнатной температуре предельные углеводороды весьма инертные соединения, не взаимодействующие с агрессивными веществами. Наиболее типичны для алканов реакции радикального замещения (галогенирования, нитрования).

Подобно тому, как строение вещества определяет его реакционную способность, так и свойства во многом обусловливают области применения соединений.

Газообразные алканы – это не только бытовое и промышленное топливо, но и сырье для химической промышленности. Из них получают галогенопроизводные, в том числе полностью фторированные углеводороды (фреоны), являющиеся хладоагентами бытовых и промышленных холодильников и кондиционеров. Из этана и пропана получают непредельные углеводороды и далее полимерные материалы. Жидкие углеводороды – это, прежде всего, топливо для двигателей различного типа (сверхзвуковой самолет потребляет до 100 л керосина в минуту!), растворители, сырье для получения алкенов.

III. Задание на дом: § 3 упр. 4

Нагревание натриевой соли уксусной кислоты (ацетата натрия) с избытком щелочи приводит к отщеплению карбоксильной группы и образованию метана:

СН3СОNа + NаОН СН4 + Nа2С03

Если вместо ацетата натрия взять пропионат натрия, то образуется этан, из бутаноата натрия - пропан и т. д.

RСН2СОNа +NаОН -> RСН3 + Nа2С03

5. Синтез Вюрца. При взаимодействии галогеналканов с щелочным металлом натрием образуются предельные углеводороды и галогенид щелочного металла, например:

Действие щелочного металла на смесь галогенуглеводородов (например, бромэтана и бромметана) приведет к образованию смеси алканов (этана, пропана и бутана).

Реакция, на которой основан синтез Вюрца, хорошо протекает только с галогеналканами, в молекулах которых атом галогена присоединен к первичному атому углерода.

6. Гидролиз карбидов. При обработке некоторых карбидов, содержащих углерод в степени окисления -4 (например, карбида алюминия), водой образуется метан:

Аl4С3 + 12Н20 = ЗСН4 + 4Аl(ОН)3 Физические свойства

Первые четыре представителя гомологического ряда метана - газы. Простейший из них - метан - газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который надо звонить по телефону 04, определяется запахом меркаптанов - серусодер-жащих 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 С5Н12 до С15Н32 - 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

1. Реакции замещения. Наиболее характерными для ал-канов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которых атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения наиболее характерных реакций.

Галогенирование:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

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

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
дихлорметан хлористый метилен

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
трихлорметан хлороформ

СНСl3 + Сl2 -> HCl + ССl4
тетрахлорметан четыреххлористый углерод

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органических синтезах.

2. Дегидрирование (отщепление водорода). При пропускании алканов над катализатором (Pt, Ni, А1203, Сг2O3) при высокой температуре (400-600 °С) происходит отщепление молекулы водорода и образование алкена:

СН3-СН3 -> СН2=СН2 + Н2

3. 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. Горение предельных углеводородов - это свободнора-дикальная экзотермическая реакция, которая имеет очень большое значение при использовании алканов в качестве топлива.

СН4 + 2O2 -> С02 + 2Н2O + 880кДж

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

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

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:

В чем причина того, что алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму? Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр 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 пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних воздействий (электростатических полей ионов). Следовательно, алканы не будут реагировать с заряженными частицами, так как связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Наиболее характерными реакциями алканов являются реакции свободнорадикального замещения. В ходе этих реакций атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу.

Кинетику и механизм свободнорадикальных цепных реакций, т. е. реакций, протекающих под действием свободных радикалов - частиц, имеющих неспаренные электроны, - изучал замечательный русский химик Н. Н. Семенов. Именно за эти исследования ему была присуждена Нобелевская премия по химии .

Обычно механизм реакции свободнорадикального замещения представляют тремя основными стадиями:

1. Инициирование (зарождение цепи, образование свободных радикалов под действием источника энергии - ультрафиолетового света, нагревания).

2. Развитие цепи (цепь последовательных взаимодействий свободных радикалов и неактивных молекул, в результате которых образуются новые радикалы и новые молекулы).

3. Обрыв цепи (объединение свободных радикалов в неактивные молекулы (рекомбинация), «гибель» радикалов, прекращение развития цепи реакций).

Научные исследования Н.Н. Семенова

Семенов Николай Николаевич

(1896 - 1986)

Советский физик и физикохимик, академик. Лауреат Нобелевской премии (1956). Научные исследования относятся к учению о химических процессах, катализе, цепных реакциях, теории теплового взрыва и горении газовых смесей.

Рассмотрим этот механизм на примере реакции хлорирования метана:

СН4 + Сl2 -> СН3Сl + НСl

Инициирование цепи происходит в результате того, что под действием ультрафиолетового облучения или при нагревании происходит гомолитический разрыв связи Сl-Сl и молекула хлора распадается на атомы:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

Образовавшиеся свободные радикалы атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода:

СН4 + Сl· -> СН3· + НСl

и превращая в радикалы СН3·, которые, в свою очередь, сталкиваясь с молекулами хлора, разрушают их с образованием новых радикалов:

СН3· + Сl2 -> СН3Сl + Сl· и т. д.

Происходит развитие цепи.

Наряду с образованием радикалов происходит их «гибель» в результате процесса рекомбинации - образования неактивной молекулы из двух радикалов:

СН3· + Сl· -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

СН3· + СН3· -> СН3-СН3

Интересно отметить, что при рекомбинации выделяется ровно столько энергии, сколько необходимо для разрушения только что образовавшейся связи. В связи с этим рекомбинация возможна только в том случае, если в соударении двух радикалов участвует третья частица (другая молекула, стенка реакционного сосуда), которая забирает на себя избыток энергии. Это дает возможность регулировать и даже останавливать свободнорадикальные цепные реакции.

Обратите внимание на последний пример реакции рекомбинации - образование молекулы этана. Этот пример показывает, что реакция с участием органических соединений представляет собой достаточно сложный процесс, в результате которого, наряду с основным продуктом реакции, очень часто образуются побочные продукты, что приводит к необходимости разрабатывать сложные и дорогостоящие методики очистки и выделения целевых веществ.

В реакционной смеси, полученной при хлорировании метана, наряду с хлорметаном (СН3Сl) и хлороводородом, будут содержаться: дихлорметан (СН2Сl2), трихлорметан (СНСl3), тетрахлорметан (ССl4), этан и продукты его хлорирования.

Теперь попытаемся рассмотреть реакцию галогенирования (например, бромирования) более сложного органического соединения - пропана.

Если в случае хлорирования метана возможно только одно моно-хлорпроизводное, то в этой реакции может образоваться уже два монобромпроизводных:

Видно, что в первом случае происходит замещение атома водорода при первичном атоме углерода, а во втором - при вторичном. Одинаковы ли скорости этих реакций? Оказывается, что в конечной смеси преобладает продукт замещения атома водорода, который находится при вторичном углероде, т. е. 2-бромпропан (СН3-СНВг-СН3). Давайте попытаемся объяснить это.

Для того чтобы это сделать, нам придется воспользоваться представлением об устойчивости промежуточных частиц. Вы обратили внимание, что при описании механизма реакции хлорирования метана мы упомянули радикал метил - СН3·? Этот радикал является промежуточной частицей между метаном СН4 и хлорметаном СН3Сl. Промежуточной частицей между пропаном и 1-бромпропаном является радикал с неспаренным электроном при первичном углероде, а между пропаном и 2-бромпропаном - при вторичном.

Радикал с неспаренным электроном при вторичном атоме углерода (б) является более устойчивым по сравнению со свободным радикалом с неспаренным электроном при первичном атоме углерода (а). Он и образуется в большем количестве. По этой причине основным продуктом реакции бромирования пропана является 2-бром-пропан - соединение, образование которого протекает через более устойчивую промежуточную частицу.

Приведем несколько примеров свободнорадикальных реакций:

Реакция нитрования (реакция Коновалова)

Реакция применяется для получения нитросоединений - растворителей, исходных веществ для многих синтезов.

Каталитическое окисление алканов кислородом

Эти реакции являются основой важнейших промышленных процессов получения альдегидов, кетонов, спиртов непосредственно из предельных углеводородов, например:

СН4 + [О] -> СН3ОН

Применение

Предельные углеводороды, в особенности метан, находят очень широкое применение в промышленности (схема 2). Они являются простым и достаточно дешевым топливом, сырьем для получения большого количества важнейших соединений.

Соединения, полученные из метана, самого дешевого углеводородного сырья, применяют для получения множества других веществ и материалов. Метан используют как источник водорода в синтезе аммиака, а также для получения синтез-газа (смесь СО и Н2), применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и других органических соединений.

Углеводороды более высококипящих фракций нефти используются как горючее для дизельных, турбореактивных двигателей, как основа смазочных масел, как сырье для производства синтетических жиров и т. д.

Приведем несколько промышленно значимых реакций, протекающих с участием метана. Метан используют для получения хлороформа, нитрометана, кислородсодержащих производных. Спирты, альдегиды, карбоновые кислоты могут образовываться при непосредственном взаимодействии алканов с кислородом в зависимости от условий проведения реакций (катализатора, температуры, давления):

Как вы уже знаете, углеводороды состава от С5Н12 до С11Н24 входят в бензиновую фракцию нефти и применяются в основном как горючее для двигателей внутреннего сгорания. Известно, что наиболее ценными компонентами бензина являются изомерные углеводороды, так как они обладают максимальной детонационной устойчивостью.

Углеводороды при контакте с кислородом воздуха медленно образуют с ним соединения - перекиси. Это медленно протекающая свободнорадикальная реакция, инициатором которой является молекула кислорода:

Обратите внимание на то, что гидропероксидная группа образуется при вторичных атомах углерода, которых больше всего в линейных, или нормальных, углеводородах.

При резком повышении давления и температуры, происходящем в конце такта сжатия, начинается разложение этих перекисных соединений с образованием большого числа свободных радикалов, которые «запускают» свободнорадикальную цепную реакцию горения раньше, чем это необходимо. Поршень еще идет вверх, а продукты горения бензина, которые уже успели образоваться в результате преждевременного поджига смеси, толкают его вниз. Это приводит к резкому уменьшению мощности двигателя, его износу.

Таким образом, основной причиной детонации является наличие перекисных соединений, способность образовывать которые максимальна у линейных углеводородов.

Наименьшей детонационной устойчивостью среди углеводородов бензиновой фракции (С5Н14 - С11Н24) обладает к-гептан. Наиболее устойчив (т. е. в наименьшей степени образует перекиси) так называемый изооктан (2,2,4-триметилпентан).

Общепринятой характеристикой детонационной устойчивости бензина является октановое число. Октановое число 92 (например, бензин А-92) означает, что данный бензин обладает теми же свойствами, что и смесь, состоящая из 92% изооктана и 8% гептана.

В заключение можно добавить, что использование высокооктанового бензина дает возможность повысить степень сжатия (давление в конце такта сжатия), что приводит к повышению мощности и КПД двигателя внутреннего сгорания.

Нахождение в природе и получение

На сегодняшнем уроке вы познакомились с таким понятием, как алканы, а также узнали о его химическом составе и методах получения. Поэтому давайте сейчас более подробно остановимся на теме нахождения алканов в природе и узнаем, как и где алканы нашли применение.

Главными источниками для получения алканов являются природный газ и нефть. Они составляют основную часть продуктов от нефтипереботки. Распространенный, в залежах осадочных пород метан, также является газовым гидратом алканов.

Основной составляющей природного газа является метан, но в его составе присутствует и небольшая доля этана, пропана и бутана. Метан можно обнаружить в выделениях угольных пластов, болот и в попутных нефтяных газах.

Также анканы можно получить методом коксования каменного угля. В природе встречаются и так называемые твердые алканы – озокериты, которые представлены в виде залежей горного воска. Озокерит можно обнаружить в восковых покрытиях растений или их семян, а также в составе пчелиного воска.

Промышленное выделение алканов берется из природных источников, которые к счастью пока неисчерпаемые. Их получают методом каталитического гидрирования оксидов углерода. Также метан можно получить в лабораторных условиях, используя метод нагревания ацетата натрия с твердой щелочью или гидролизом некоторых карбидов. Но и также алканы можно получить способом декарбоксилирования карбоновых кислот и при их электролизе.

Применение алканов

Алканы на бытовом уровне, широко применяются во многих сферах деятельности человека. Ведь очень сложно представить нашу жизнь без природного газа. И ни для кого не будет секретом, что основой природного газа является метан, из которого производят технический углерод, используемый при производстве топографических красок и шин. Холодильник, который есть в доме у каждого, также работает благодаря соединениям алканов, применяющихся в качестве хладагентов. А полученный из метана ацетилен используют для сварки и резки металлов.

Теперь вы уже знаете, что алканы используются как топливо. Они присутствуют в составе бензина, керосина, солярового масла и мазута. Кроме этого, они есть и в составе смазочных масел, вазелина и парафина.

В качестве растворителя и для синтеза различных полимеров, широкое применение нашел циклогексан. А в наркозе используют циклопропан. Сквалан, как высококачественное смазочное масло, является компонентом многих фармацевтических и косметических препаратов. Алканы являются сырьем, с помощью которого получают такие органические соединения, как спирт, альдегиды и кислоты.

Парафин является смесью высших алканов, а так как он нетоксичен, то широко используется в пищевой промышленности. Его применяют для пропитки упаковок для молочной продукции, соков, круп и так далее, но в том числе и при изготовлении жевательных резинок. А разогретый парафин используют в медицине при парафинолечении.

Помимо выше сказанного, парафином пропитаны головки спичек, для их лучшего горения, карандаши и из него изготавливают свечи.

С помощью окисления парафина получают кислородосодержащие продукты, в основном органические кислоты. При смешении жидких углеводоpодов с определенным числом атомов углерода получают вазелин, который нашел широкое применение как парфюмерии и косметологии, так и в медицине. Его применяют для приготовления различных мазей, кремов и гелей. А также используют для тепловых процедур в медицине.

Практические задания

1. Запишите общую формулу углеводородов гомологического ряда алканов.

2. Напишите формулы возможных изомеров гексана и назовите их по систематической номенклатуре.

3. Что такое крекинг? Какие виды крекинга вы знаете?

4. Напишите формулы возможных продуктов крекинга гексана.

5. Расшифруйте следующую цепочку превращений. Назовите соединения А, Б и В.

6. Приведите структурную формулу углеводорода С5Н12, образующего при бромировании только одно монобром-производное.

7. На полное сгорание 0,1 моль алкана неизвестного строения израсходовано 11,2 л кислорода (при н. у.). Какова структурная формула алкана?

8. Какова структурная формула газообразного предельного углеводорода, если 11 г этого газа занимают объем 5,6 л (при н. у.)?

9. Вспомните, что вам известно о применении метана, и объясните, почему утечка бытового газа может быть обнаружена по запаху, хотя его составляющие запаха не имеют.

10*. Какие соединения могут быть получены каталитическим окислением метана в различных условиях? Напишите уравнения соответствующих реакций.

11*. Продукты полного сгорания (в избытке кислорода) 10,08 л (н. у.) смеси этана и пропана пропустили через избыток известковой воды. При этом образовалось 120 г осадка. Определите объемный состав исходной смеси.

12*. Плотность по этану смеси двух алканов равна 1,808. При бромировании этой смеси выделено только две пары изомерных монобромалканов. Суммарная масса более легких изомеров в продуктах реакции равна суммарной массе более тяжелых изомеров. Определите объемную долю более тяжелого алкана в исходной смеси.