Органическая химия. Алканы - предельные углеводороды

Алканы

Алканы – алифатические (ациклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями,  состав которых выражается общей формулой C n H 2n+2 , где n – число атомов углерода.

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или предельные углеводороды. Их также называют парафинами . Общая черта в  строении алканов и циклоалканов – простая или одинарная связь между атомами углерода. На образование этой связи затрачивается одна пара электронов, причем максимальное перекрывание орбиталей находится на линии, соединяющей центры атомов. Такую связь называют σ-связью, а электроны, образующие её – σ-электронами. Распределение электронной плотности σ‑ связи симметрично относительно оси, проходящей через центры связанных атомов

Гомологический ряд алканов

1. Для простейших алканов (С 1 -С 4 ) приняты тpивиальные названия:  метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.

2. Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числительные и суффикс -ан : пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и т.д.

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.

Спосoбы получения алканов

• По реакции Вюрца – действием металлического натрия на галоидные алкилы:

СН 3 – СI  +  2Nа  + СI – СН 3  →  СН 3 – СН 3   + 2NаС l

2.  Сплавлением натриевых солей карбоновых кислот с едкими щелочами:

СН 3 –СН 2 – СООNа  + NаОН  →   СН 3 –СН 3   + Nа 2 СО 3

3.  Гидролиз карбида алюминия, получается метан: АI 4 С 3    + 12Н 2 О   →    3СН 4   +  4АI(ОН) 3

4.  Гидрирование непредельных углеводородов в присутствии катализаторов: С n Н 2n  + Н 2   →   С n Н 2n+2

5.  Синтез из оксида углерода (II) и водорода:

nСО + (2n+1)Н 2    →   CnH 2n+2  + nН 2 О

Химические свойства алканов

1. Галогенирование (реакция радикального замещения):

СН 4 + СI 2 →  СН 3 СI +  HCl

2. Нитрование (реакция М.И.Коновалова)

3. Сульфирование

4. Дегидрирование:

СН 3 – СН 3    →    СН 2 = СН 2 + Н 2 ↑

6. Крекинг  ( расщепление ) алканов.

5. Реакции окисления.

а) неполное окисление 

   2СН 4   + 3О 2    →  2СО  +  4Н 2 О

б) полное окисление

   СН 4   + 2О 2    →  СО 2   +  2Н 2 О

С 4 Н 10    →   С 2 Н 6 + СН 2 = СН 2

Метан

В ноябре 1776 года, итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На поиски его вдохновила статья, написанная Бенджамином Франклином о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый болотом, и в 1778 году получил чистый метан. Также он продемонстрировал возможность зажечь газ от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви (учёный-химик) ещё в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана CH 4 с небольшим количеством азота N 2 и угольного ангидрида СО 2  — то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот.

Нахождение в природе

Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда произошли другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей в зоне вечной мерзлоты.

По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан.

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности

Образуется при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению

• абиогенный — образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой;
• биогенный — образован как результат химической трансформации органического вещества;
• бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий;
• термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия:

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Также возможно биологическое получение метана,

Химические свойства

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al 2 O 3 при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Выше 1400 °C разлагается по реакции

2CH4 = C 2H2+3H2

Реакция горения метана

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Вступает с галогенами в реакции замещения

CH4 + 3Cl2= CHCl3+ 3HCl

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм по цепному радикальному механизму

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %. Температура кипения −184 o С (при нормальном давлении)

CH4 + 3[O] = HCOOH + H2O