Алканы

На этой странице вы узнаете 

• Бесконечность не предел — сколько атомов углерода в самом длинном алкане?
• Жевательная резинка из алканов?
• Как связаны нефть и алканы?

Если вдруг вы едете на автомобиле с пропановым двигателем, имеющем резиновые колеса, а ваш пассажир читает газету, то вас окружают алканы.

Алканы — это первые представили углеводородов, которые изучаются в органической химии. Они являются самыми простыми по своему строению, ведь содержат только атомы углерода и водорода, никаких кратных связей и функциональных групп, но именно с них начинается наше путешествие в удивительный мир органической химии.

Строение самой простой молекулы в органике — метана

Первым в ряду алканов веществом является метан СН₄. Рассмотрим его характеристики:

• гибридизация атомов углерода: sp³-гибридизация;
• связи: только одинарные (сигма-), поэтому они крайне малоактивные;
• форма молекул: тетраэдрическая (пирамида с треугольным основанием), то есть объемная;
• валентный угол: 109°28′;
• длина связи: 0,154 нм;
• бесцветный газ без вкуса и запаха.

Строение молекулы метана имеет очень важное значение для всей органической химии, так как дает нам представления относительно атома углерода (гибридизация, связи между атомами).

Интересно, что вода может замерзнуть в трубопроводе при температуре +20 °C, если в этой воде присутствует метан — точнее, из воды и метана образуется газовый гидрат. Молекулы метана «расталкивают» молекулы воды, так как занимают больший объем. Это приводит к понижению внутреннего давления воды и повышению температуры замерзания.

Гомологический ряд алканов

Конечно, метан является не единственным в своем роде, у него есть куча «родственников». Гомологический ряд алканов (их «родословная») имеет общую формулу C_nH_2n+2 и представлен следующими веществами, название которых зависит от количества атомов C в главной цепи молекулы:

Напомним, что называть вещества мы учились в статье «Классификация органических веществ. Номенклатура органических веществ (тривиальная и международная)». В ней же говорили о родственных связях химических соединений.

Бесконечность не предел — сколько атомов углерода в самом длинном алкане? В 1985 году английскими химиками был синтезирован самый длинный на данный момент алкан — нонаконтатриктан, содержащий 390 атомов C в своей углеродной цепи.

Итак, алканы — предельные (насыщенные) нециклические углеводороды. Насыщенные — так как все 4 валентности углерода полностью заполнены, имеются только одинарные связи. Физические свойства алканов зависят от количества атомов C. «Легкие» вещества с малым количеством углеродных атомов — газы, а «тяжелые» — твердые вещества.

Жевательная резинка из алканов? На самом деле, да. Смесь высших алканов называют парафином, именно он является жевательной основой для всеми любимых жвачек. Также туда добавляют латекс, смолу, ароматизаторы и подсластители. Так что, зная состав, жевательную резинку лучше все-таки не проглатывать.

Химические свойства алканов

Мы уже выяснили, что алканы — предельные углеводороды, поэтому реакции присоединения для них не характерны. Они вступают в реакции замещения, разложения и окисления, при этом только по радикальному механизму. Также важно помнить, что в реакциях замещения с алканами, имеющих три и более атома C, мы получим смесь изомерных продуктов. Но преимущественно будет образовываться результат замещения третичного, затем вторичного и только потом первичного атома C. Проще говоря, замещение проводится по наименее гидрогенизированному атому углерода.

1. Реакции замещения:

• Галогенирование. Алканы реагируют с хлором Cl и бромом Br (именно чистым, с бромной водой реакция не идет) на свету.

CH₄ + Cl₂ = (hv) CH₃-Cl + HCl

Галогенирование можно продолжать и дальше, при этом образуются дихлорметан, трихлорметан, тетрахлорметан.

CH₃-Cl + Cl₂ = Cl-CH₂-Cl +HCl

В реакциях с алканами, имеющими 3 и более атома C, галоген замещает водород у наименее гидрогенизированного атома углерода.

• Нитрование. Алканы реагируют с разбавленной азотной кислотой HNO₃ при нагревании до 140^оС.

2. Реакции разложения:

• Дегидрирование. При нагревании и под действием таких катализаторов, как никель Ni, платина Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка, C-H связи способны разрываться, водород «убегает» и образуются двойные связи.

• Дегидроциклизация. Алканы, содержащие 5 и более атомов углерода «зацикливаются» при дегидрировании. Например, пентан образует циклопентан.

Гексан C₆H₁₄ способен образовать бензол, а гептан C₇H₁₆ — толуол.

• Пиролиз метана. Реакция характерна только для метана СН₄, при нагревании он разлагается до простых веществ, либо же до ацетилена C₂H₂. Пиролиз метана — промышленный способ получения ацетилена.

• Крекинг (не путать с крекерами). Длинные молекулы алканов «разламываются» на другой алкан и алкен. Как, например, на изображении.

Как связаны нефть и алканы? Крекинг алканов — основа нефтепереработки. Благодаря распаду алканов, получают ценное сырье: смазочные масла, моторное топливо. Чем разветвлённее алкан, тем выше качество топлива, в состав которого он входит.

• Изомеризация алканов. Изменяется каркас молекулы. Например, из бутана получаем изобутан.

3. Реакции окисления:

• Горение. Как и вся органика, алканы горят с образованием углекислого газа и воды.

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O + Q

При недостатке кислорода возможно образование угарного газа или сажи. Сажа — аморфный углерод (С), продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях.

2C₃H₈ + 7O₂ → 6CO + 8H₂O

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

• Каталитическое окисление. При каталитическом окислении метана возможно образование метанола CH₃-OH, муравьиного альдегида CH₂O или муравьиной кислоты HCOOH.

Каталитическое окисление бутана — способ получения уксусной кислоты CH₃COOH в промышленности.

Важными в промышленности являются реакции конверсии метана с водяным паром и с углекислым газом, так как такой способ получения водорода является самым дешевым.

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂

Получение алканов

Главными источниками алканов являются нефть и природный газ, но их также получают и химическим синтезом.

В промышленности основными способами получения алканов являются: 

1. Синтез Кольбе. 

Синтез Кольбе — электролиз солей карбоновых кислот. 

На аноде выделяется алкан с удвоенным количеством атомов углерода по сравнению с углеводородным радикалом соли кислоты.

2RCOONa + 2H₂O = 2NaOH + H₂ + R-R + 2CO₂

2. Гидрирование непредельных углеводородов. Например, пропен и пропин превращаются в пропан.

3. Реакция Дюма.

Реакция Дюма — сплавление солей карбоновых кислот со щелочами.

Образуются алканы, содержащие на один атом углерода меньше, чем в исходной соли. Например, получение метана из ацетата натрия.

4. Реакция Вюрца.

Реакция Вюрца — действие металлического натрия на галогенпроизводные. 

При взаимодействии галогеналканов с натрием образуется новый алкан с удвоенным количеством атомов С. Например, из бромэтана получается бутан.

2CH₃-CH₂-Br + 2Na = 2NaBr + CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

Реакция Вюрца может проходить и с двумя разными галогенпроизводными, тогда мы получаем алкан с количеством атомов C равным сумме атомов C в галогенпроизводных. Также строение итогового алкана зависит и от положения галогена в цепи:

5. Синтез из простых веществ.

C + 2H₂ = CH₄

А в лаборатории основным способом получения является гидролиз карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O = 3CH₄ + 4Al(OH)₃.

Применение алканов

Алканы обладают очень широкой сферой применения. Мы ежедневно используем метан, когда готовим что-либо на газовой плите, алканы входят в состав нефти, перерабатывая которую человек получает бензин, керосин, мазут и другие виды моторного и ракетного топлива. Высшие алканы — основа для изготовления вазелина, свечей, мыла. В органическом синтезе алканы используются для получения уксусной кислоты и получения синтез-газа путем паровой конверсии метана. 

Фактчек

• Алканы — углеводороды, в которых присутствуют только одинарные связи.
• Общая формула алканов C_nH_2n+2.
• Алканы могут быть в жидком, твердом и газообразном состояниях.
• Для алканов характерны реакции замещения, реакции разложения и реакции изомеризации. 

Проверь себя 

Задание 1.
Какая общая формула характерна для алканов? 

1. C_nH_2n+2
2. C_nH_2n
3. C_nH_2n-2
4. C_nH_n

Задание 2.
Какие связи присутствуют в молекуле пропана? 

1. сигма- и пи- связи
2. только сигма-связи
3. только пи-связи
4. только ионные связи

Задание 3.
При ароматизации н-гексана образуется:

1. толуол
2. гексен-1
3. гексин-1
4. бензол

Задание 4.
При каталитическом окислении н-бутана помимо воды образуется:

1. муравьиная кислота
2. уксусная кислота
3. пропановая кислота
4. углекислый газ

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 2.