Содержание
Введение
1. Метан, его строение
2. Строение и номенклатура углеводородов ряда метана
3. Химические свойства предельных углеводородов
4. Применение и получение предельныхуглеводородов
6. Циклопарафины
Заключение
Список литературы
/>Введение
Алканы, или парафины — алифатическиепредельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собойпростой (одинарной) (s-связью.
Оставшиеся валентностиуглеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода,полностью насыщены водородом. Поэтому предельные (насыщенные) углеводородысодержат в молекуле максимальное число водородных атомов.
К предельным углеводородам — алканам (парафинам) относятся соединения с открытой цепью, в которых атомыуглерода соединены друг с другом простыми (одинарными) связями, а остальныесвободные их валентности насыщены атомами водорода. В обычных условиях алканымало реакционно способны, откуда возникло их название «парафины» — отлат. parrum affinis — малоактивный.
Члены гомологического рядапредельных углеводородов отвечают общей формуле CnH2n+2. Простейшимпредставителем насыщенных углеводородов является метан, структурная формулакоторого.H I H-C-H I H
Цель работы — изучить предельныеуглеводороды.
Задачи работы:
1) охарактеризовать метан и егостроение;
2) рассмотреть строение иноменклатуру углеводородов ряда метана;
3) обозначить химическиесвойства предельных углеводородов;
4) изучить применение иполучение предельных углеводородов;
5) рассмотреть особенностициклопарафинов.
/>1. Метан, его строение
Принадлежность веществ к группепредельных углеводородов определяется характером их строения. Рассмотримстроение наиболее простого углеводорода — метана.
Метан CH4 — газ без цвета и запаха,почти в два раза легче воздуха. Он образуется в природе в результате разложениябез доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. Поэтому онможет быть обнаружен, например, в заболоченных водоемах, в каменноугольныхшахтах. В значительных количествах метан содержится в природном газе, которыйшироко используется сейчас в качестве топлива в быту и на производстве.
В молекуле метана химическиесвязи атомов водорода с атомом углерода имеют ковалентный характер. Еслиперекрывающиеся попарно электронные облака при образовании связей обозначитьдвумя точками или валентной черточкой, строение метана можно выразить формулами:
/>или />
Когда в органической химии сталоразвиваться учение о пространственном строении молекул, было выяснено, чтомолекула метана в действительности имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую,как мы изображаем на бумаге.
Выясним, почему же молекуламетана представляет собой тетраэдр. Мы должны исходить, очевидно, из строенияатома углерода. Но здесь мы сталкиваемся с противоречием. У атомов углеродачетыре валентных электрона, два из них являются спаренными s-электронами, онине могут образовывать химических связей с атомами водорода. Химические связимогут установиться только за счет двух неспаренных p-электронов. Но тогдамолекула метана должна иметь формулу не CH4, а CH2, что не соответствуетдействительности. Такое противоречие устраняется следующей трактовкойобразования химических связей.
Когда атом углерода вступает вовзаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в немраспариваются, один из них занимает вакантное место третьего p-электрона иобразует при своем движении облако в виде объемной восьмерки, перпендикулярноепо отношению к облакам двух других p-электронов. Атом при этом переходит, какговорят, в возбужденное состояние. Теперь все четыре валентных электрона сталинеспаренными, они могут образовать четыре химические связи. Но возникает новоепротиворечие. Три p-электрона должны образовать три химические связи с атомамиводорода во взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. под углом 90°, ачетвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении, таккак облако s-электрона имеет сферическую форму и эти связи, очевидно,отличались бы по свойствам. Между тем известно, что все связи C-H в молекулеметана одинаковы и расположены под углом 109°28'. Разрешить это противоречиепомогает представление о гибридизации электронных облаков.
В процессе образованияхимических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s — итрех p-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми. При этом онипринимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тетраэдраобъемных восьмерок (несимметричное распределение электронной плотностиозначает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше,чем по другую).
Угол между осями гибридныхэлектронных облаков оказывается равным 109°28', что позволяет им, какодноименно заряженным, максимально удалиться друг от друга. Будучи вытянутыми квершинам тетраэдра, такие облака могут значительно перекрываться с электроннымиоблаками водородных атомов, что ведет к большему выделению энергии иобразованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей (рис.1А).
Гибридизация можетраспространяться на разное число электронных облаков. В данном случае, когдаатом углерода образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода, вгибридизации участвуют облака всех четырех наружных электронов возбужденногоатома — одного s-электрона и трех p-электронов. Такой вид ее называетсяsp3-гибридизацией.
/>
Рис.1 Ковалентные химическиесвязи в молекуле метана: А — перекрывание электронных облаков атома углерода сатомами водорода; Б — образование общих электронных облаков связей C-H.
Тетраэдрическая форма молекулыметана обусловливается, следовательно, тетраэдрическим направлением четырехгибридных электронных облаков атома углерода в химическом соединении.
Поскольку электроны приобразовании ковалентных связей образуют общие для связываемых атомов облака,охватывающие оба ядра, электронное строение молекулы метана можно ещеизобразить так, как показано на рис.1 Б[1].
/>2. Строение и номенклатурауглеводородов ряда метана
Строение углеводородов. Вприродном газе и особенно в нефти содержится много углеводородов, сходных сметаном по строению и свойствам.
Первые четыре вещества этогоряда имеют исторически сложившиеся названия. Названия углеводородов, начиная спентана, образованы преимущественно от греческих названий чисел.
Для наименования всех предельныхуглеводородов принят суффикс — ан.
С увеличением относительноймолекулярной массы в общем последовательно возрастают температуры плавления икипения углеводородов. Первые четыре вещества (C1-C4) приобычных условиях — газы; следующие одиннадцать углеводородов (C5-C15)- жидкости; начиная с углеводорода C16H34 — твердыевещества.
Все предельные углеводородынерастворимы в воде, но могут растворяться в органических растворителях.
Рассматривая молекулярныеформулы веществ, можно заметить постоянную разницу в составе молекул припереходе от одного члена ряда к другому на группу атомов CH2 (эта группаназывается метиленом). Если число атомов углерода в молекуле принять за n, тосостав всех этих углеводородов можно выразить общей формулой CnH2n+2.
Зная число атомов углерода вмолекуле, легко найти молекулярную массу вещества. Например, если в молекулесодержатся пять атомов углерода, молекулярная масса Mr = 12x5 + 2x5 + 2 = 72. И,наоборот, зная молекулярную массу предельного углеводорода, по общей формулеможно определить его молекулярную формулу. Например, если Mr = 100, то, решаяуравнение с одним неизвестным: 100 = 12n + 2n + 2, найдем n = 7, следовательно,формула углеводорода C7H16.
С образованием новых веществ врезультате количественного изменения состава мы встречаемся в химии постоянно. Вспомните,например, различия в составе молекул и свойствах кислорода и озона, оксидовазота, оксидов углерода. На примере углеводородов это явление проявляетсяособенно ярко.
Известно и явление изомерии вряду углеводородов — изомерии углеродного скелета молекул, обуславливающейвозможность существования разных веществ одного и того же состава. Рассмотримпространственное и электронное строение этих соединений.
Атомы углерода в молекулахуглеводородов расположены не по прямой линии, как мы пишем в структурныхформулах, а зигзагообразно. Причина этого в тетраэдрическом направлении валентныхсвязей атомов углерода.
Предположим, что к одному атомууглерода присоединился другой атом углерода. У этого последнего остались трисвободные валентности, все они направлены к вершинам тетраэдра. Следующий атомуглерода может присоединяться, очевидно, только в одном из этих направлений. Углероднаяцепь в таком случае неизменно принимает зигзагообразную форму. Угол междуковалентными связями, соединяющими атомы углерода в такой цепи, как и вмолекуле метана, 109°28'.
Зигзагообразная цепь атомовуглерода может принимать различные пространственные формы. Это связано с тем,что атомы в молекуле могут относительно свободно вращаться вокруг химическихсвязей. Такое вращение существует в молекулах как проявление теплового движения(если нет препятствующих этому факторов). Наиболее энергетически выгоднойявляется форма с наибольшим удалением атомов друг от друга.
Замечательное свойство атомовуглерода соединяться друг с другом в длинные цепи связано с положением элементав периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и строением егоатомов.
Углерод находится во второммалом периоде и возглавляет собой главную подгруппу IV группы элементов. Радиусего атома сравнительно невелик, в наружном электронном слое атом имеет четыреэлектрона. При химической реакции у атома углерода трудно полностью оторватьчетыре валентных электрона, равно как и присоединить к нему столько жеэлектронов от других атомов до образования полного октета. Поэтому углеродпочти не образует ионных соединений. Но он легко образует ковалентные связи. Посколькусвойство отдавать и притягивать электроны при установлении ковалентных связей унего выражено примерно одинаково, такие связи образуются и между атомамиуглерода.
Обозначая двумя точкамиперекрывающиеся электронные облака при образовании ковалентных связей, можноследующим образом изобразить электронные формулы предельных углеводородов:
H H H H
…… .
H: C: C: C: C: H
…… .
H H H H
которые не передают ихзигзагообразного строения.
При разрыве связей молекулыуглеводородов могут превращаться в свободные радикалы. При отрыве одного атомаводорода от молекулы они образуют одновалентные радикалы с одним неспареннымэлектроном, например:
H H H H
… | |
H: C: C. или H-C-C-
… | |
H H H H
Названия подобных радикаловобразуются от названий соответствующих углеводородов путем изменения суффикса — ан на — ил: метил CH3-, этил C2H5-, пропил C3H7 — и т.д.
Зная строение углеводородов,можно понять зависимость их физических свойств от молекулярной массы. С ростомуглеводородной цепи возрастают силы притяжения между молекулами, и поэтомутребуется все более высокая температура для преодоления этих сил, чтобы моглопроизойти плавление или кипение веществ. Физические свойства зависят и отпространственного строения молекул. Например, углеводороды с разветвленнойцепью атомов кипят при более низкой температуре, чем их изомерынеразветвленного строения. Такому явлению можно дать следующее объяснение. Молекулынеразветвленного строения плотнее примыкают друг к другу и сильнее взаимодействуютмежду собой, чем молекулы разветвленного строения, поэтому для преодолениямежмолекулярных сил в первом случае требуется более сильное нагревание; чембольше разветвлены молекулы вещества, тем меньше межмолекулярное взаимодействиеи тем ниже его температура кипения.
Номенклатура углеводородов. Когдамы встречаемся с явлением изомерии, то названия углеводородов, которымипользовались до сих пор, оказываются недостаточными. Возникает необходимостьдать изомерным веществам индивидуальные названия с учетом строения ихуглеродного скелета.
Существуют различные системыноменклатуры органических соединений.
На международных совещанияххимиков была выработана международная систематическая номенклатура. В основу ееположено название углеводородов нормального (неразветвленного) строения: метан,этан, пропан, бутан, пентан и т.д.
Чтобы составить названиеуглеводорода с разветвленной цепью, его рассматривают как продукт замещенияатомов водорода в нормальном углеводороде углеводородными радикалами. Порядокдействий здесь может быть такой:
а) выделяют в структурнойформуле наиболее длинную цепь атомов углерода и нумеруют эти атомы, начиная стого конца, к которому ближе разветвление;
б) в названии вещества цифройуказывают, при каком атоме углерода находится замещающая группа (радикал);
в) если замещающих группнесколько, цифрами отмечают каждую из них;
г) когда разветвление начинаетсяпри атомах углерода, равноудаленных от концов главной цепи, нумерацию ведут стого конца, к которому ближе расположен радикал, имеющий более простое строение[2].
3. Химические свойства предельных углеводородов
Наиболее характерными реакциямипредельных углеводородов являются реакции замещения. Так, например, приосвещении метан реагирует с хлором (при сильном освещении может произойти взрыв).Фактически реакции предельных углеводородов с галогенами происходят болеесложно. При поглощении световой энергии молекулы хлора распадаются на атомы. Атомыхлора с одним неспаренным электроном химически очень активны. При ихстолкновении с молекулой метана происходит реакция, в результате которойобразуется свободный химически очень активный радикал метил. Его активностьтоже объясняется наличием неспаренного электрона (неиспользованной валентности).
Частицы, имеющие неспаренныеэлектроны и обладающие в связи с этим неиспользованными валентностями,называются свободными радикалами.
Из вышесказанного видно, чтореакция метана с хлором протекает по свободнорадикалъному механизму. Радикалметил (который обладает очень высокой реакционной способностью) реагирует сдругой молекулой хлора, разрывает в ней связи между атомами и отщепляетсвободные атомы хлора с неспаренными электронами. Таким образом, рождаютсяновые химически активные частицы, которые вызывают дальнейшие превращения.
Реакции, в результате которыхпроисходит цепь последовательных превращений, называются цепными реакциями.
Аналогично реагируют с хлоромэтан, пропан и другие предельные углеводороды. Образовавшиеся веществаназываются хлорпроизводными (в общем случае — галогенопроизводными). Многие изних используются в качестве растворителей. Так как предельные углеводородыреагируют с галогенами только при повышенной температуре или под воздействиемсвета, бромную воду при обычной температуре они не обесцвечивают.
Все предельные углеводородыгорят с образованием оксида углерода (IV) и воды. Метан горит бесцветнымпламенем, с выделением теплоты:
СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О + 880 кДж
Смесь метана с воздухом (присодержании метана от 5 до 15% по объему) при поджигании сгорает со взрывом. Взрывможет происходить и в смесях других предельных углеводородов с воздухом. Поэтомусмеси метана, этана, пропана и бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могутобразоваться в каменноугольных шахтах, в заводских котельных, в мастерских и вжилых помещениях.
При сильном нагревании (выше1000 °С) без доступа воздуха предельные углеводороды разлагаются:
Если метан нагреть до болеевысокой температуры (1500 °С), то реакция происходит так:
2СН4→Н — С=С — Н+ ЗН2
Эта реакция дегидрирования (отщепленияводорода) имеет большое промышленное значение, так же как и дегидрированиедругих предельных углеводородов, в том числе этана С2Н6:
Углеводороды нормальногостроения под влиянием катализаторов и при нагревании подвергаются реакциямизомеризации и превращаются в углеводороды разветвленного строения:
пентан 2-метилбутан
Применение метана оченьразнообразно. В виде природного газа метан широко используется в качестветоплива.
Большое практическое значениеимеют и хлорпроизводные метана. Дихлорметан СН2С12,трихлорметан (хлороформ) СНС13, тетрахлорметан (тетра-хлоридуглерода) СС14, 1,2-дихлорэтан С1СН2СН2С1,- жидкости, которые используются в качестве растворителей. Трихлорметан (хлороформ)и три-иодметан (йодоформ) применяются в медицине. Так как тетрахлорметан прииспарении образует тяжелые пары, которые изолируют горящий предмет от доступакислорода воздуха, то его применяют для тушения пожаров[3].
/>4. Применение иполучение предельных углеводородов
Применение углеводородов. Высокаятеплота сгорания углеводородов обусловливает использование их в качестветоплива. Метан в составе природного газа находит все более широкое применение вбыту и на производстве. Получило распространение применение пропана и бутана ввиде «сжиженного газа», особенно в тех местностях, где нет подводкиприродного газа. Жидкие углеводороды используются как горючее для двигателейвнутреннего сгорания в автомашинах, самолетах и т.д.
Как весьма доступныйуглеводород, метан все в большей степени используется в качестве химическогосырья.
Реакции горения и разложенияметана используются в производстве сажи, идущей на получение типографскойкраски и резиновых изделий из каучука. С этой целью в специальные печи вместе сметаном подают такое количество воздуха, чтобы сгорела лишь часть газа. Поддействием развивающейся при горении высокой температуры другая частьразлагается, образуя тонкодисперсную сажу.
Метан — основной источникполучения водорода в промышленности для синтеза аммиака и ряда органическихсоединений. Наиболее распространенный способ получения водорода из метана — взаимодействиеего с водяным паром. Реакцию проводят в трубчатых печах при температуре около400°C, давлении 2-3 МПа, в присутствии алюмоникелевого катализатора:
CH4 + H2O- > 3H2 + CO
Для некоторых синтезовиспользуется непосредственно образующаяся смесь газов. Если же для последующихпроцессов нужен чистый водород (как в случае получения аммиака), оксид углерода(II) окисляют водяным паром, используя катализаторы.
Реакцией хлорирования получаютхлорпроизводные метана. Все они находят практическое применение.
Хлорметан CH3Cl — газ.Как вещество, легко переходящее в жидкое состояние и поглощающее большоеколичество теплоты при последующем испарении, он применяется в качествехладагента в холодильных установках.
Дихлорметан CH2Cl2,трихлорметан (хлороформ) CHCl3 и тетрахлорметан CCl4 — жидкости;они используются как растворители. Тетрахлорметан применяется, кроме того, притушении огня (особенно в тех случаях, когда нельзя использовать воду), так кактяжелые негорючие пары этого вещества, образующиеся при испарении жидкости,быстро изолируют горящий предмет от кислорода воздуха.
При хлорировании метанаобразуется много хлороводорода. Растворяя его в воде, получают соляную кислоту.
В последнее время из метанаполучают ацетилен, необходимый для синтеза многих органических веществ.
Из гомологов метана при реакцииизомеризации получают углеводороды разветвленного строения. Они используются впроизводстве каучуков и высококачественных сортов бензина. Высшие углеводородыслужат исходными веществами для получения синтетических моющих средств.
Путем химической переработкипредельные углеводороды часто превращают в непредельные углеводороды, химическиболее активные, из которых синтезируют многочисленные органические вещества.
Получение углеводородов. Предельныеуглеводороды в больших количествах содержатся в природном газе и нефти. Из этихприродных источников и извлекают их для использования в качестве топлива ихимического сырья.
В теоретическом отношенииинтересна реакция синтеза метана, так как она показывает возможность переходаот простых веществ к органическим соединениям. Реакция идет при нагреванииуглерода с водородом в присутствии порошкообразного никеля в качествекатализатора:
С + 2H2 — > CH4
Сопоставляя эту реакцию стермическим разложением метана, мы должны сделать вывод, что она обратима.
Учитывая тепловой эффектреакции, можно записать следующее уравнение:
C + 2H2 CH4+ 75 кДж
На основании данного уравненияможно высказать предположение о том, какие условия способствуют сдвигуравновесия в сторону получения метана, а какие будут вызывать его разложение.
Так как синтез метана — реакцияэкзотермическая, то сильное нагревание не будет повышать выход продукта; равновесиесместится в сторону образования исходных веществ. При слабом нагревании будетнедостаточна скорость образования метана. Поэтому оптимальная температурасинтеза метана примерно 500°C, а для его разложения необходима температурасвыше 1000°C.
На смещение равновесия влияет иизменение давления. Так как слева направо реакция идет с уменьшением объемовгазов, то повышение давления будет способствовать образованию метана, ауменьшение — разложению его[4].
/>6. Циклопарафины
Атомы углерода в циклопарафинах(циклоалканах), как и в алканах, находятся в sp3-гибридизованном состоянии ивсе их валентности полностью насыщены.
Простейший циклоалкан — циклопpопан С3Н6 — представляет собой плоский трехчленный карбоцикл.
/>
Остальные циклы имеют неплоскоестроение вследствие стремления атомов углерода к образованию тетраэдрическихвалентных углов.
/>
По правилам международнойноменклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов,образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи сдобавлением приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан,циклогексан и т.д.). При наличии в цикле заместителей нумерацию атомов углеродав кольце проводят так, чтобы ответвления получили возможно меньшие номера. Так,соединение
/>
следует назвать1,2-диметилциклобутан, а не 2,3-диметилциклобутан, или 3,4-диметилциклобутан.
Молекулы циклоалканов содержатна два атома водорода меньше, чем соответствующие алканы.
Напpимеp, бутан имеет фоpмулуС4Н10, а циклобутан — С4Н8. Поэтому общая формула циклоалканов СnH2n.
Структурные формулы циклоалкановобычно изображаются сокращенно в виде правильных многоугольников с числомуглов, соответствующих числу атомов углерода в цикле[5].
/>
/>Заключение
В предельныхуглеводородах атомы углерода находятся в первом валентном состоянии (sp3-гибpидизaция).В этом случае, как известно, все четыре гибридные орбитали в пространствесоставляют геометрическую фигуру — тетраэдр (углы между осями связей С-Н равны109° 28'). Пространственное расположение атомов в молекуле метана можнопоказать с помощью тетраэдрических и шаростержневых моделей. Для этого наиболееудобны объемные модели Бриглеба, которые более наглядно отражают относительныеразмеры атомов в молекуле. Эти модели изготовлены в соответствии сдействительным соотношением радиусов атомов (в масштабе 0,05 нм = 1 см).
Основные химические превращенияалканов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (при нагреванииили облучении УФ-светом). При этом может произойти или разрыв связи С-Н споследующим замещением атома водорода на другой атом или группу атомов, или жеразрыв молекулы по связи С-С. Несмотря на то что энергии этих связей равнысоответственно 415-420 (для первичных углеродных атомов) и 350 кДж/моль, разрывпредпочтительнее идет по связи С-Н. Это связано с тем, что связь С-Н болеедоступна для реагента.
Поскольку алканы — соединениянеполярные, то при разрыве связей образуются главным образом не ионы, арадикалы, т.е. этот процесс идет по гомолитическому механизму.
/>Список литературы
1. Максютина Н.П., Ф.Е. Каган, Л.А. Кириченко, Ф.А. Митченко. Метан. М., 2003.- 684с.
2. Роговин З.А. Основы химии. — М: Химия, 2001. — 739с.
3. Сорокин М.Ф. Химия. — М.: Химия, 2003. — 537с.
4. Химия: Справочное издание / В. Шретер. М.: Химия, 1989. — 448 с
5. Шестакова КС, Касьянова А.А. Химия. — М: Легкая индустрия, 2001,-528 с.