Углеводороды. Алканы

1.

*
1.
2.
Углеводороды
Алканы
1
15.09.2018

2.

Углеводороды
Соединения, содержащие только углерод и водород, называются
углеводородами.
Классификация углеводородов
углеводороды
Ациклические
(алифатические)
(незамкнутая цепь)
Насыщенные
(алканы)
Ненасыщенные
(алкены, алкины,
алкадиены и т.д.)
Циклические
(замкнутая цепь)
2
Алициклические
(циклоалканы,
циклоалкены и т.д.)
Ароматические
(арены)
15.09.2018

3.

*
* 1. Гомологический ряд алканов
Алканы имеют общую формулу СnH2n+2. Каждый последующий член
гомологического ряда алканов отличается от предыдущего на постоянную
группу атомов, которая называется гомологической разностью: (-CH2-).
Отдельные члены этого ряда называются гомологами.
CH4
Метан (первый член гомологического ряда )
CH3 CH3
Этан (второй гомолог)
CH3 CH2 CH3
Пропан (третий гомолог)
CH3 CH2 CH2 CH3
Бутан (четвёртый гомолог)
3
15.09.2018

4.

*CH4 метан
*C2H6 этан
*C3H8 пропан
*C4H10 бутан
*C5H12 пентан
*C6H14 гексан
*C7H16 гептан
*C8H18 октан
*C9H20 нонан
*C10H22 декан
*C11H24
*C12H26
*C13H28
*C14H30
*C15H32
*C16H34
*C17H36
*C18H38
*C19H40
*C20H42
ундекан
додекан
тридекан
тетрадекан
пентадекан
гексадекан
гептадекан
октадекан
нонадекан
эйкозан
15.09.2018
4

5.

*2. Строение алканов
H
109o28'
C
H
H
H
5
15.09.2018

6.

*3. Изомерия алканов
3.1. Структурная изомерия алканов
Для алканов характерна разновидность структурной изомерии,
называемая изомерией углеродного скелета.
CH3 CH2 CH2 CH3
CH3 CH CH3
CH3
н-бутан
изобутан
C13H28 - 802 изомера
C20H42 - 366319 изомеров
6
15.09.2018

7.

*4. Номенклатура алканов
Чтобы назвать алкан, необходимо:
1. Найти самую длинную углеводородную цепь.
2. Пронумеровать цепь, начиная с того конца цепи к
которому ближе находится разветвление.
3. Назвать алкан, перечисляя алкильные заместители,
указывая их количество и положение.
CH3
CH3 CH CH3
метилпропан
7
15.09.2018

8.

мeтилы
CH3
CH3
CH3 CH CH CH2 CH CH3
CH2
CH3
этил
2,5-димeтил-3-этилгeксан
8
15.09.2018

9.

*5. Физические свойства алканов
СН4 до С4Н10 – газы,
С5Н12 до С17Н36 – жидкости,
последующие члены гомологического ряда –
твердые вещества.
Алканы являются гидрофобными соединениями
9
15.09.2018

10.

*6. Химические свойства алканов
1. Алканы являются насыщенными углеводородами,
поэтому не вступают в реакции присоединения.
2. Для реакций алканов характерен радикальный
механизм.
Условия проведения радикальных реакций: высокая
температура, действие света и т.д.
10
15.09.2018

11.

* 6.1. Реакции окисления алканов
CH4 + 2 O2
Количественной
CO2 + 2 H2O + 802,5 кДж
характеристикой
стойкости
горючего
к
детонации является октановое число. Октановое число численно
равно
процентному
(по
объему)
содержанию
изооктана
(октановое число которого принято за 100) в его смеси с
н-
гептаном (октановое число которого принято за равно 0),
эквивалентной
по
детонационной
стойкости
испытуемому
топливу.
11
15.09.2018

12.

*Частичное
окисление алканов идёт с разрывом связи
C-H или связи С-С.
CH3 CH2 CH2 CH3 +
2CH3COOH + 2H2O
3O2
бутан
уксусная кислота
*Получение синтез-газа:
CH4 + H2O
Ni, 800o
12
CO + 3H2
15.09.2018

13.

* 6.2. Дегидрирование алканов
При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3,
Fe2O3, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование
CH3 CH3
Ni, 500o
H2C
CH3 CH2 CH3
CH2 + H2
H2C
CH3 CH2 CH2 CH3
CH CH3 + H2
CH3 CH CH CH3 + H2
При нагревании алканов с большим количеством атомов углерода
происходит дегидроциклизация – реакция дегидрирования, которая
приводит к замыканию цепи в цикл.
13
15.09.2018

14.

*Межмолекулярное дегидрирование метана (пиролиз
метана) используется для промышленного получения
ацетилена
H CH3
H3C
H
1500o
H C
14
C
H
+
3 H2
15.09.2018

15.

* 6.3. Изомеризация алканов
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3
AlCl3, 100o
CH3 CH CH2 CH3
CH3
н-пентан
2-метилбутан
15
15.09.2018

16.

* 6.4. Крекинг алканов (англ. cracking – расщепление)
Термический крекинг. При температуре 500oС и под далением 80
атм молекулы алканов расщепляются и образуются алканы и алкены
с меньшим числом атомов углерода.
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
500o
CH2 CH2 + CH3 CH2 CH2 CH3
CH3 CH CH2 + CH3 CH2 CH3
CH3 CH2 CH CH2 + CH3 CH3
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов
(обычно оксиды алюминия и кремния, монтмориллонит – глинистый
минерал) при температуре 450oС и меньшем давлении.
16
15.09.2018

17.

*6.5. Реакции замещения
*Галогенирование
CH4 +
Cl2
метан
CH4
Cl2
h
h
хлор
CH3Cl
HCl
Cl2
хлорметан
h
CH2Cl2
HCl
+
CH3Cl
Cl2
17
h
хлороводород
h
CHCl3
HCl
HCl
Cl2
CCl4
HCl
15.09.2018

18.

* Механизм радикального замещения (SR) на примере
монохлорирования метана
Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному
механизму, т.е. как цепь повторяющихся реакций с участием свободнорадикальных частиц.
Цепные
реакции
–
химические реакции, идущие
путем
последовательного
протекания одних и тех же
элементарных стадий.
Н.Н. Семёнов (справа) и П.Л. Капица (слева),
портрет работы Б.М. Кустодиева, 1921
18
15.09.2018

19.

* Стадия 1: инициирование. При облучении хлора УФ светом
или при нагревании до 400o образуются атомы хлора:
h
Cl
Cl . + . Cl
Cl
* Стадия 2: Образование и рост цепи
Cl . +
CH3. + Cl
Cl . +
HCl + CH3.
CH4
CH3Cl + Cl .
Cl
HCl + CH3.
CH4
CH3. + Cl
Cl
19
CH3Cl + Cl .
15.09.2018

20.

* Стадия 3. Обрыв цепи.
Cl .
. Cl
CH3 . . CH3
CH3 . . Cl
Cl
Cl
CH3 CH3
CH3 Cl
20
15.09.2018

21.

* Региоселективность реакций SR
H3C CH2 CH3 + Br2
h
H3C CH CH3 + HBr
Br
пропан
2-бромпропан
Предпочтительное протекание реакции по одному из
нескольких возможных реакционных центров называется
региоселективностью.
Реакция галогенирования алканов в мягких условиях
протекает региоселективно.
15.09.2018
21

22.

*Нитрование алканов (реакция Коновалова)
R H +
алкан
HO NO2
150o
азотная кислота
R NO2 +
H2O
нитроалкан
22
15.09.2018

23.

*7. Получение алканов
* 7.1. Синтез из элементов
C + 2H2
1200o
CH4
Газификация
твердого
топлива
(деструктивная
гидрогенизация, Бергиус) – основана на гидрогенизации
каменного или бурого угля в присутствии железных или
молибденовых катализаторов при 400-450о под давлением
200-700 атм.
Из тонны угля получают 0,8 тонны бензина и дизельного
топлива и 0,2 тонны газа.
23
15.09.2018

24.

* 7.2. Восстановление угарного газа водородом (Сабатье,
Сандеран, 1902):
CO + 3H2
Ni
250-400o
CH4 + H2O
* процесс Фишера-Тропша
Co, ThO2, MgO
200o, 10-15 атм
nCO + (2n+1)H2
CnH2n+2 + nH2O
в 1944 году в Германии было получено 600000 тонн углеводородов
по методу Фишера-Тропша
24
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Pz.Kpfw._Vl_Ausf.H_in_Snegiri.JPG
15.09.2018

25.

* 7.3. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов
Pt
CnH2n + H2
CnH2n+2
алкены
алканы
* 7.4. Крекинг нефти
CmH2m+2 + Cn-mH2(n-m)
CnH2n+2
алкан
алкан
25
алкен
15.09.2018

26.

*7.5. Реакция Вюpца
CH3 Cl + Cl
CH3 CH3 + 2NaCl
CH3 + 2Na
хлорметан
этан
*7.6. Разложение водой металлоорганических
соединений
Mg, эфир
C2H5 Cl
D2 O
C2H5 Mg Cl
C2H5D
- MgOHCl
хлорэтан
этилмагнийхлорид
26
дейтероэтан
15.09.2018

27.

*7.7. Сплавление солей карбоновых кислот со
щелочью (реакция Дюма)
t
CH3COONa + NaOH
ацетат натрия
CH4 + Na2CO3
метан
* 7.8. Другие методы
* синтез
с использованием медь-органических соединений – реагентов
Гилмана (реакция Кори-Поснера),
* электролиз солей карбоновых кислот (электролиз Кольбе),
* восстановление алкигалогенидов йодоводородной кислотой в
присутствии фосфора (Бертло),
* восстановление алкилгалогенидов натрием в спирте, цинком, серебром,
медью, алюмогидридом лития и другими восстановителями,
* восстановление карбоновых кислот йодоводородной кислотой в
присутствии фосфора
* etc.
27
15.09.2018

28.

*8. Нахождение алканов в природе
* 8.1. Атмосфера планет Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и
некоторых спутников содержит большое количество метана.
На спутнике Сатурна Титане идут метановые дожди, и есть
метаноёмы
http://science.compulenta.ru/167603/
28
15.09.2018

29.

* 8.2. Природный газ. Метан является основной составной
частью природного газа. Используется в основном как
топливо.
* 8.3. Нефть. Пенсильванская и кувейтская нефти содержат в
основном алканы, а бакинская и калифорнийская нефти
содержат в основном нафтены (циклоалканы).
* Путём перегонки из нефти получают: бензины, керосин,
дизельное топливо и мазут.
* 8.4. Попутный нефтяной газ (метан, этан, пропан, бутан)
29
15.09.2018

30.

30
15.09.2018

31.

* 8.5. Рудничный газ – метан, который выделяется из каменного
угля в шахтах. Представляет опасность для шахтёров.
* 8.6.
Болотный газ – в основном метан, который образуется в
результате метанового брожения на дне болот в анаэробных
условиях.
* 8.7.
Соляные газы – метан, выделяющийся месторождениями
калийных солей.
* 8.8.
Газовые гидраты углеводородов широко распространены
в природе.
31
15.09.2018

32.

* 8.9.
Озокерит (горный воск), природный нефтяной битум.
Очищенный озокерит называется церезин.
* 8.10. Битумы (лат. bitumen — горная смола), твердые или
смолоподобные смеси углеводородов и их производных.
* Асфальт (греч. asfalto — горная смола), смесь битумов с
минеральными веществами (известняком, песчаником).
Применяют в смеси с песком, гравием, щебнем в основном
для покрытия дорог.
* Асфальт иногда встречается в виде “озёр” – например
тринидадское асфальтовое озеро Пич-Лейк.
32
15.09.2018

33.

33
15.09.2018
http://www.google.ru/imglanding?q=%D0%BF%D0%B8%D1%82%D1%87+%D0%BB%D0%B5%D0%B9%D0%BA&um=1&hl=ru&newwindow=1&sa=N&tbs=isch:1&tbnid=5l7kQlGJVmoE_M:&imgrefurl=http://www.tetralab.ru/pages/viewpage.action%253FpageId%253D1
9988518&imgurl=http://www.tetralab.ru/download/attachments/19988518/GuideStartingToDrawTarFromLake.jpg&ei=i7VeTYnDF8WAOt7itM4N&zoom=1&w=713&h=585&iact=hc&oei=Y7VeTabbKIySOsDz7LoN&page=1&tbnh=158&tbnw=194&start=0&ndsp
=20&ved=1t:429,r:14,s:0&biw=1280&bih=802