Предельные углеводороды (алканы)

Реферат

«Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет»

Кафедра: «Физическая и органическая химия»

Реферат

Предельные углеводороды (алканы)

Ст.гр.БТП-09−01 Антипин А.

Доцент Калашников С.М.

Уфа 2010

Алкамны (также насыщенные углеводороды , парафины , алифатические соединения ) — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой Cn H2n+2 .

Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp 3 -гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С равны по форме и энергии, 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28′. За счёт одинарных связей между атомами С возможно свободное вращение вокруг углеродной связи. Тип углеродной связи — у-связи, связи малополярны и плохо поляризуемы. Длина углеродной связи — 0,154 нм.

Названия алканов.

Слово «алкан» того же происхождения, что и «алкоголь». Устаревший термин «парафин» произошел от латинских parum — мало, незначительно и affinis — родственный; парафины обладают малой реакционной способностью по отношению к большинству химических реагентов. Многие парафины являются гомологами; в гомологическом ряду алканов каждый последующий член отличается от предыдущего на одну метиленовую группу СН 2 . Термин происходит от греческого homologos — соответственный, подобный.

Номенклатурные (от лат. nomenclatura — роспись имен) названия алканов строятся по определенным правилам, которые не всегда однозначны. Так, если в молекуле алкана ecть различные заместители, то в названии алкана они перечисляются в алфавитном порядке. Однако в разных языках этот порядок может различаться. Например, углеводород СН3 -СН (СН3 )-СН (С2 Н5 )-СН2 -СН2 -СН3 в соответствии с этим правилом по-русски будет называться 2-метил-3-этилгексан, а по-английски 3-ethyl-2-methylhexane…

В соответствии с названием углеводорода называются и алкильные радикалы: метил (СН 3 -), этил (С2 Н5 -), изопропил (СН3 )2 СН-, втор -бутил С2 Н5 -СН (СН3 )-, трет -бутил (СН3 )3 Си т.д. Алкильные радикалы входят как целое в состав многих органических соединений; в свободном состоянии эти частицы с неспаренным электроном исключительно активны.

7 стр., 3211 слов

Алканы и их строение

... алкана с сохранением углеродного скелета исходной молекулы. а) гидрирование непредельных углеводородов К реакциям восстановления относят и реакции получения предельных углеводородов из непредельных, т.е. содержащих двойные и тройные связи. ... сильными из них являются металлы группы платины в мелко раздробленном состоянии, особенно сама платина, палладий и осмий. б) восстановление йодалканов ...

Некоторые изомеры алканов имеют и тривиальные названия, например, изобутан (2-метилпропан), изооктан (2,2,4-триметилпентан), неопентан (2,3-диметилпропан), сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан), название которого происходит от лат squalus — акула (непредельное производное сквалана — сквален, важное для обмена веществ соединение, было впервые обнаружено в печени акулы).

Часто используется и тривиальное название радикала пентила (С5 Н11 ) — амил. Оно происходит от греч. amylon — крахмал: когда-то изоамиловый спирт С5 Н11 ОН (3-метилбутанол-1) называли «амильным алкоголем брожения», так как он составляет основу сивушного масла, а оно образуется в результате брожения сахаристых веществ — продуктов гидролиза крахмала.

Систематическая номенклатура ИЮПАК

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающий радикал, затем название радикала и название главной цепи. Если радикалы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых радикалов указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если радикалы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Рациональная номенклатура

Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном и относительно него строится название «алкил1алкил2алкил3а

Физические свойства предельных углеводородов (алканов)

  • Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи
  • При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH 4 до C4 H10 — газы;
  • с C5 H12 до C13 H28 — жидкости;
  • после C14 H30 — твёрдые тела.
  • Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан — жидкость, а неопентан — газ.
  • газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Химические свойства предельных углеводородов (алканов)

Углеводороды ряда метана при обыкновенной температуре химически весьма инертны, почему они и получили название парафинов (от латинских слов parum affinis — обладающий малым сродством).

С большинством химических реагентов эти углеводороды в указанных условиях или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. При сравнительно невысоких температурах протекает лишь небольшое число реакций, при которых происходит замена атомов водорода на различные атомы и группы (реакции металеп-cuu).

12 стр., 5703 слов

Предельные, или насыщенные, углеводороды ряда метана (алканы, или парафины)

... названия: изобутан, изопентан, неопентад. По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) ... названиях радикалов используют обозначения: н -нормальный, втор- — вторичный, трет- — третичный. первичным. Н 3 С— - первичный одновалентный радикал ...

Эти реакции ведут к получению производных соответствующих углеводородов.

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные C-H и C-C связи относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С — Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к у-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму то есть с образованием радикалов.

Реакции радикального замещения

Галогенирование

Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть. Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от метилхлорида до тетрахлоруглерода. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного и в два раза меньше чем вторичного. Таким образом хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атому галогенируются в последнюю очередь).

Галогенирование алканов проходит поэтапно — за один этап замещается не более одного атома водорода:

1. CH 4 + Cl2 > CH3 Cl + HCl (хлорметан)

2. CH 3 Cl + Cl2 > CH2 Cl2 + HCl (дихлорметан)

3. CH 2 Cl2 + Cl2 > CHCl3 + HCl (трихлорметан)

4. CHCl 3 + Cl2 > CCl4 + HCl (тетрахлорметан).

Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, замещая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы СН 3 , которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.

Бромирование алканов отличается от хлорирования более высокой стереоселективностью из-за большей разницы в скоростях бромирования третичных, вторичных и первичных атомов углерода при низких температурах.

5 стр., 2442 слов

Реферат природный газ алканы

... атоме углерода. Но, как мы видели, даже в столь простых случаях реакция приводит к целому ряду продуктов разной степени замещения. Иная картина наблюдается, когда в реакцию с хлором вступают алканы ... массы, чем исходные. Низшие гомологи алканов зачастую получают из природного газа. Лабораторные способы можно разделить на три группы: образование алкана с сохранением углеродного скелета исходной ...

Иодирование алканов иодом не происходит, получение иодидов прямым иодированием осуществить нельзя [23, «https:// «].

С фтором и хлором реакция может протекать со взрывом, в таких случаях галоген разбавляют азотом или растворителем.

Нитрование (реакция Коновалова )

Алканы реагируют с 10% раствором азотной кислоты или оксидом азота N 2 O4 в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных. Реакция также подчиняется правилу Марковникова.

RH + HNO 3 = RNO2 + H2 O

Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Реакции окисления

Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH 4 + 2O2 > CO2 + 2H2 O + Q

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

С n Н2n +2 +(1,5n +0,5)O2 = n CO2 + (n +1)H2 O

Каталитическое окисление

Могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

При мягком окислении СН 4 (катализатор, кислород, 200 °C) могут образоваться:

  • метиловый спирт : СН4 + О2 = СН3 ОН

  • формальдегид : СН4 + О2 = СН2 О + Н2 O

  • муравьиная кислота : СН4 + О2 = НСООН

Термические превращения алканов

Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов .

Примеры:

CH 4 > C + 2H2(t > 1000 °C)

C 2 H6 > 2C + 3H2

Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10−15 атомов углерода в углеродном скелете) и фракции солярового масла (12−20 атомов углерода).

72 стр., 35964 слов

Создание научных основ технологии переработки нефтяных шламов ...

... сырья является перспективным в процессе получения модифицированных битумов и связующих для бытового твердого ... состава, в которые, наряду с углеродом и водородом, входят гетероатомы (O,S,N), ... бурого цвета, нерастворимы в низкомолекулярных алканах (рисунок 6). Методы интегрального и ... состав битумов, следующая. Парафиновые соединения нормального и изостроения с числом углеродных атомов 26 ...

Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время термический крекинг полностью вытеснен в промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — 400—450 °C и низком давлении — 10−15 атм на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Для метана:

CH 4 > С + 2H2 — при 1000 °C

Частичный крекинг:

2CH 4 > C 2 H 2 + 3H2 — при 1500 °C

Дегидрирование

Образование:

1)В углеродном скелете 2 (этан) или 3 (пропан) атома углерода — получение (терминальных) алкенов, так как других в данном случае не может получиться; выделение водорода:

Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al 2 O3 , Cr2 O3

а)CH 3 -CH3 > CH2 =CH2 + H2 (этан > этен) б) CH3 -CH2 -CH3 > CH2 =CH-CH3 + H2 (пропан > пропен)

2)В углеродном скелете 4 (бутан, изобутан) или 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентан) атомов углерода — получение алкадиенов; выделение водорода:

в)CH 3 -CH2 -CH2 -CH3 > CH2 =CH-CH=CH2 + H2 (бутан > бутадиен-1,3)

в’)CH 3 -CH2 -CH2 -CH3 > CH2 =C=CH-CH3 + H2 (бутан > бутадиен-1,2)

3) В углеродном скелете 6 (гексан) и более атомов углерода — получение бензола и его производных:

г) CH 3 -CH2 -CH2 -CH2 CH2 -CH2 -CH2 -CH3 (октан) > П.-ксилол, параллельно М.-ксилол, параллельно этилбензол + 3H2

Изомеризация

Под действием катализатора (например, AlCl 3 ) происходит изомеризация алкана: например, бутан (C4 H10 ), взаимодействуя с хлоридом алюминия (AlCl3 ), превращается из н-бутана в 2-метилпропан.

9 стр., 4161 слов

Химия алканов нефтей

... алканов при исследовании нефтей, применяемые для диагностики типа исходного органического вещества, условий осадконакопления, катагенетической и бактериальной преобразованности. Общие представления о алканах и их строение Алканы это -- ациклические углеводороды ... Рис. 6 Сквалан Образование алканов Алканы нормального строения возникают при реакциях декарбоксилирования насыщенных жирных кислот ...

Конверсия метана

В присутствии никелевого катализатора протекает реакция:

CH 4 + H2 O > CO + H2

Продукт этой реакции (смесь CO и H 2 ) называется «синтез-газом».

Получение

Главным источником алканов (а также других углеводородов) являются нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.

Восстановление галогенпроизводных алканов

При каталитическом гидрировании в присутствии палладия галогеналканы превращаются в алканы:

R—CH 2 Cl + H2 > R—CH3 + HCl

Восстановление йодалканов происходит при нагревании последних с йодоводородной кислотой:

R—CH 2 I + HI > R—CH3 + I2

Для восстановления галогеналканов пригодны также амальгама натрия, гидриды металлов, натрий в спирте, цинк в соляной кислоте или цинк в спирте

Восстановление спиртов

Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С. Так, например, проходит реакция восстановления бутанола (C 4 H9 OH), проходящую в присутствии LiAlH4 . При этом выделяется вода.

H 3 C—CH2 —CH2 —CH2 OH > H3 C—CH2 —CH2 —CH3 + H2 O

Восстановление карбонильных соединений

Реакция Кижнера—Вольфа :

Реакцию проводят в избытке гидразина в высококипящем растворителе в присутствии KOH.

Реакция Клемменсена :

Гидрирование непредельных углеводородов

  • Из алкенов

C n H2n + H2 > Cn H2n+2

  • Из алкинов

C n H2n-2 + 2H2 > Cn H2n+2

Катализатором реакции являются соединения никеля, платины или палладия.

Синтез Кольбе

При электролизе солей карбоновых кислот, анион кислоты — RCOO ? перемещается к аноду, и там, отдавая электрон превращается в неустойчивый радикал RCOO*, который сразу декарбоксилируется. Радикал R* стабилизируется путем сдваивания с подобным радикалом, и образуется R—R. Например:

2CH 3 COO? ? 2e > 2[CH3 COO*] > 2CH3 * > C2 H6

2C 3 H7 COOK > {электролиз} > C6 H14

Газификация твердого топлива

Проходит при повышенной температуре и давлении. Катализатор — Ni :

C+2H 2 > CH4

Реакция Вюрца

2R—Br + 2Na = R—R + 2NaBr

Реакция идёт в ТГФ при температуре ?80 °C. При взаимодействии R и R` возможно образование смеси продуктов (R—R, R`—R`, R—R`)

7 стр., 3005 слов

Непредельные, или ненасыщенные, углеводороды ряда этилена (алкены, или олефины)

... систематической номенклатуре названия этиленовых углеводородов производят заменой суффикса -ан в соответствующих алканах на суффикс -ен (алкан — алкен, этан ... коксования угля. В промышленности алкены получают дегидрированием алканов в присутствии катализатора (Сr 2 О3 ). Например: ... брома к алкенам (реакция бромирования) — качественная реакция на предельные углеводороды. При пропускании через бромную ...

Синтез Фишера

nCO + (2n+1)H 2 > Cn H2n+2 + nH2 O

Список использованной литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/uglevodorodyipo-himii-klass/

— Активация и каталитические реакции алканов / Пер. с англ.; под ред. К. Хилла. — М.: Мир, 1992.

Петров Ал. А. Химия алканов

Пэрэушану В. Производство и использование углеводородов. — М.: Химия, 1987.

Рудаков Е. С. Реакции алканов с окислителями, металлокомплексами и радикалами в растворах. — Киев: Наукова думка, 1985.

Хейнс А. Методы окисления органических соединений. Алканы, алкены, алкины и арены. — М.: Мир, 1988.