Въпреки факта, че алканите са неактивни, те са способни да отделят големи количества енергия при взаимодействие с халогени или други свободни радикали. Алканите и реакциите с тях се използват постоянно в много индустрии.
Alkanes facts
Алканите заемат важно място в органичната химия. Формулата на алканите в химията е C H2n+2. За разлика от ароматните съединения, които имат бензенов пръстен, алканите се считат за алифатни (ациклични).
В молекулата на всеки алкан всички елементи са свързани с единична връзка. Следователно тази група вещества има окончание "-an". Съответно алкените имат една двойна връзка, а алкините имат една тройна връзка. Алкодиените, например, имат две двойни връзки.
Алканите са наситени въглеводороди. Тоест, те съдържат максимален брой Н (водородни) атоми. Всички въглеродни атоми в алкан са в позиция sp3 – хибридизация. Това означава, че молекулата на алкана е изградена според тетраедричното правило. Молекулата на метана (CH4) прилича на тетраедър,а останалите алкани имат зигзагообразна структура.
Всички C атоми в алканите са свързани с помощта на ơ - връзки (сигма - връзки). C-C връзките са неполярни, C-H връзките са слабо полярни.
Свойства на алканите
Както бе споменато по-горе, алкановата група има малка активност. Връзките между два С атома и между С и Н атоми са силни, така че трудно се разрушават от външни влияния. Всички връзки в алканите са ơ връзки, така че ако се скъсат, това обикновено води до радикали.
Халогениране на алкани
Поради специалните свойства на връзките на атомите, алканите са присъщи на реакциите на заместване и разлагане. При реакции на заместване в алкани водородните атоми заместват други атоми или молекули. Алканите реагират добре с халогени - вещества, които са в група 17 на периодичната таблица на Менделеев. Халогените са флуор (F), бром (Br), хлор (Cl), йод (I), астатин (At) и тенезин (Ts). Халогените са много силни окислители. Реагират с почти всички вещества от таблицата на Д. И. Менделеев.
Реакции на хлориране на алкани
На практика бромът и хлорът обикновено участват в халогенирането на алканите. Флуорът е твърде активен елемент - с него реакцията ще бъде експлозивна. Йодът е слаб, така че реакцията на заместване няма да върви с него. А астатът е много рядък в природата, така че е трудно да се събере достатъчно от него за експерименти.
Стъпки на халогениране
Всички алкани преминават през три етапа на халогениране:
- Произходът на веригата или инициацията. Под влияниеслънчева светлина, топлина или ултравиолетова радиация, хлорната молекула Cl2 се разпада на два свободни радикала. Всеки има по един несдвоен електрон във външния слой.
- Развитие или растеж на веригата. Радикалите взаимодействат с молекулите на метана.
- Прекратяването на веригата е последната част от алкановото халогениране. Всички радикали започват да се комбинират един с друг и в крайна сметка изчезват напълно.
Бромиране на алкани
При халогениране на висши алкани след етан, трудността е образуването на изомери. От едно вещество под действието на слънчева светлина могат да се образуват различни изомери. Това се случва в резултат на реакция на заместване. Това е доказателство, че всеки Н атом в алкана може да бъде заместен със свободен радикал по време на халогениране. Сложният алкан се разлага на две вещества, чийто процент може да варира значително в зависимост от условията на реакцията.
Пропаново бромиране (2-бромпропан). При реакцията на халогениране на пропан с молекула Br2 под въздействието на високи температури и слънчева светлина се отделят 1-бромпропан - 3% и 2-бромпропан - 97%.
Бромиране на бутан. Когато бутанът се бромира под действието на светлина и високи температури, излизат 2% 1-бромобутан и 98% 2-бромобутан.
Разликата между хлориране и бромиране на алкани
Хлорирането се използва по-често в индустрията. Например за производството на разтворители, съдържащи смес от изомери. При получаване на халоалканатрудно се отделят един от друг, но на пазара сместа е по-евтина от чистия продукт. В лабораториите бромирането е по-често срещано. Бромът е по-слаб от хлора. Той има ниска реактивност, така че бромните атоми имат висока селективност. Това означава, че по време на реакцията атомите "избират" кой водороден атом да заменят.
Естеството на реакцията на хлориране
При хлориране на алкани изомерите се образуват в приблизително равни количества в тяхната масова част. Например, хлорирането на пропан с катализатор под формата на повишаване на температурата до 454 градуса ни дава 2-хлоропропан и 1-хлорпропан в съотношение съответно 25% и 75%. Ако реакцията на халогениране протича само с помощта на ултравиолетово лъчение, се получава 43% 1-хлоропропан и 57% 2-хлоропропан. В зависимост от реакционните условия, съотношението на получените изомери може да варира.
Естеството на реакцията на бромиране
В резултат на реакциите на бромиране на алканите лесно се отделя почти чисто вещество. Например, 1-бромпропан - 3%, 2-бромпропан - 97% от молекулата на n-пропан. Следователно бромирането често се използва в лабораториите за синтезиране на специфично вещество.
Сулфиране на алкани
Алканите също се сулфонират чрез механизма на радикално заместване. За да протече реакцията, кислородът и серен оксид SO2 (серен анхидрид) действат едновременно върху алкана. В резултат на реакцията алканът се превръща в алкилсулфонова киселина. Пример за сулфониране на бутан:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Обща формула за сулфоксидиране на алкани:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Сулфохлориране на алкани
В случай на сулфохлориране вместо кислород се използва хлор като окислител. По този начин се получават алкансулфонови хлориди. Реакцията на сулфохлориране е обща за всички въглеводороди. Проявява се при стайна температура и слънчева светлина. Органичните пероксиди също се използват като катализатор. Такава реакция засяга само вторични и първични връзки, свързани с въглеродни и водородни атоми. Материята не достига до третичните атоми, тъй като реакционната верига се прекъсва.
Реакцията на Коновалов
Реакцията на нитриране, подобно на реакцията на халогениране на алканите, протича по механизма на свободните радикали. Реакцията се провежда с помощта на силно разредена (10 - 20%) азотна киселина (HNO3). Механизъм на реакцията: в резултат на реакцията алканите образуват смес от съединения. За катализиране на реакцията се използва повишаване на температурата до 140⁰ и нормално или повишено налягане на околната среда. По време на нитриране връзките C–C се разрушават, а не само C–H, за разлика от предишните реакции на заместване. Това означава, че се извършва напукване. Това е реакцията на разделяне.
Реакции на окисляване и горене
Алканите също се окисляват според вида на свободните радикали. За парафините има три вида обработка чрез окислителна реакция.
- В газова фаза. Такавземете алдехиди и по-ниски алкохоли.
- В течна фаза. Използвайте термично окисление с добавяне на борна киселина. С този метод се получават по-високи алкохоли от С10 до С20.
- В течна фаза. Алканите се окисляват, за да синтезират карбоксилни киселини.
В процеса на окисление свободният радикал O2 напълно или частично замества водородния компонент. Пълното окисляване е изгаряне.
Алканите с добро изгаряне се използват като гориво за топлоелектрически централи и двигатели с вътрешно горене. Изгарящите алкани произвеждат много топлинна енергия. Сложните алкани се поставят в двигателите с вътрешно горене. Взаимодействието с кислород в прости алкани може да доведе до експлозия. Асфалт, парафин и различни смазочни материали за промишлеността се произвеждат от отпадъчни продукти, получени в резултат на реакции с алкани.
