Алекберова А., МОУ лицей № 102 г. Челябинска. /2010г Химия,10Б. ТХС.Зависимость свойств … от строения. Алканы (II)Алканы (парафины) Алифатические (нециклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи. Общая формула CnH2n+2, где n – число атомов углерода. Строение Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:^ Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности. Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации. Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации. В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С. Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода: Валентный угол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей. Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу. Физические свойства Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH4 до C4H10 — газы; с C5H12 до C13H28 — жидкости. И после C14H30 — 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 теплоты. ^ Химические свойства Тривиальное (историческое) название алканов - "парафины" - означает "не имеющие сродства". Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С-С и С-Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия. Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления. В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление кoвалентных связей, т. е. они осуществляются по свободно-радикальному (цепному) механизму. Реакции вследствие прочности связей C–C и C–H протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов. Рассмотрим некоторые примеры реакций этого типа. ГалогенированиеЭто одна из реакций замещения. Галогенирование алканов подчиняется правилу Марковника (Правила Марковникова) - в первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода. Галогенирование алканов проходит поэтапно - за один этап галогенируется не более одного атома водорода. CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (хлорметан) CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl (дихлорметан) CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl (трихлорметан) CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl (тетрахлорметан)^ 2) Нитрование Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании их до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой (реакция М.И.Коновалова). В подобную реакцию жидкофазного нитрования вступают все алканы, однако скорость реакции и выходы нитросоединений низкие. Наилучшие результаты наблюдаются с алканами, содержащими третичные углеродные атомы.RH + HNO3 = RNO2 + H2O^ 3) Крекинг При высокой температуре в присутствии катализаторов предельные углеводороды подвергаются расщеплению, которое называется крекингом. При крекинге происходит гомолитический разрыв углерод - углеродных связей с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более короткими цепями. CH3–CH2–CH2–CH3 (бутан) ––400°C > CH3–CH3 (этан) + CH2=CH2 (этилен) Повышение температуры процесса ведет к более глубоким распадам углеводородов и, в частности, к дегидрированию, т.е. к отщеплению водорода. Так, метан при 1500ºС приводит к ацетилену. 2CH4 ––1500°C > H–C=C–H(ацетилен) + 3H2^ 4) Изомеризация Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения. CH3–CH2–CH2–CH2–CH3 (н-пентан) ––t°, AlCl3 > CH3–CH(CH3)–CH2–CH3 (2- метилбутан)5) Окисление В обычных условиях алканы устойчивы к действию кислорода и окислителей. При поджигании на воздухе алканы горят, превращаясь в двуокись углерода и воду и выделяя большое количество тепла.