Хімічні властивості алканів. Методи одержання алканів.

I. Хімічні властивості алканів.

1. Фізичні властивості метану і його поширення у природі.

За н.у. метан – газ, безбарвний, без запаху, майже вдвоє легший за повітря. У воді майже не розчиняється, але добре розчинний в органічних розчинниках. Етан, пропан, бутан за н. у. – гази, від пентану до пентадекану – рідини, а наступні гомологи – тверді речовини. Пропан і бутан під тиском можуть перебувати в рідкому стані і при звичайній температурі. Із збільшенням відносних молекулярних мас насичених вуглеводнів закономірно підвищуються їхні температури кипіння й плавлення.

Природний газ, що надходить до газової магістралі, приблизно на 98 % складається з метану і має, як ви знаєте, неприємний запах. Він створюється штучно добавлянням спеціальних речовин, що пахнуть.

У природі метан утворюється внаслідок гниття без доступу повітря рослинних решток. Його можна спостерігати на болотах у вигляді бульбашок на поверхні води (болотний газ). У вугільних шахтах є рудниковий газ – це теж метан.

Як основа природного газу метан утворився в надрах Землі, ймовірно, внаслідок взаємодії розжарених карбідів металів з водяною парою.

Метан є не тільки на Землі. Він становить основу атмосфери планет Юпітер і Сатурн.

2. Хімічні властивості метану та його гомологів:

Згідно із теорією О. М. Бутлерова, якщо ми знаємо будову молекули, то можемо спрогнозувати хімічні властивості алканів. Й навпаки, якщо ми знаємо хімічні властивості сполуки, ми можемо пояснити її хімічну будову.

Спробуємо спрогнозувати хімічні властивості алканів.

І почнемо саме з реакції з якою ми з вами зустрічаємося щодня ‑ реакції горіня або повного окиснення метану. Вона відбувається під час згоряння природного газу, який надходить газопроводами.

1. Окиснення:

а) повне (горіння):     СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О

         Метан горить блідим синюватим полум’ям з виділенням теплоти.

 (Екзотермічна реакція.)

На реакціях горіння алканів грунтується їх застосування як палива. Процес горіння вуглеводнів широко використовується у двигунах внутрішнього згорання автомобілів, літаків, на теплових електростанціях, у побуті ‑ в газових плитах і котлах.

При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окиснити до органічних кислот.

 

б) неповне.

Якщо повітря (кисню) не вистачає, то серед продуктів реакції з’являються чадний газ і вуглець.

Так сажу добувають у промисловості.

Проте деякі алкани можуть піддаватись неповному окисненю і за іншою схемою.

Наприклад, за неповного окиснення бутану руйнується зв’язок між другим і третім атомами Карбону й утворюється етанова кислота:

СН₃— СН₂— СН₂— СН₃+ ЗО₂ → 2СН₃СООН + 2Н₂О.

На цій реакції ґрунтується промислове виробництво етанової кислоти з нехарчової сировини. Здатність алканів до окиснення зростає зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі. Промислове значення має окиснення киснем повітря алканів, карбоновий ланцюг яких налічує від 12 до 25 атомів Карбону. Продуктами такого окиснення є оксигеновмісні органічніречовини ‑ спирти, альдегіди, карбонові кислоти, з яких потім виготовляють мило та мийні засоби.

Метан утворює вибухонебезпечні суміші з киснем і повітрям. Вибух може статися навіть від іскри, ось чому слід додержуватись правил безпеки, постійно провітрювати приміщення, де встановлені газові опалювальні прилади.

Важливе значення має реакція неповного окиснення метану водяною парою. Реакція відбувається при наявності каталізатора.

СН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂

Суміш Карбон(ІІ) оксиду й водню (у співвідношенні 1:3) називають синтез-газ. Він є цінною сировиною для одержання багатьох органічних речовин. Ця реакція використовується також для одержання водню.

Алкани ні з кислотами, ні з лугами, ні з перманганатом калію не взаємодіятимуть.

2. Найхарактернішою реакцією метану та його гомологів є заміщення.

Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами.

а) галогенування.

Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом. Із фтором алкани реагують з вибухом; реакції алканів з йодом не відбуваються.

СН₄ + Cl₂ → CН₃Cl + НCl

                    хлорметан

 

Реакція не припиняється на першій стадії, а відбувається до повного заміщення всіх атомів Гідрогену.

Продуктами реакції можуть бути CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ і ССІ₄. Кожний з названих продуктів можна виділити.

Сумарне рівняння повного хлорування метану:

СН₄ + 4Cl₂ → CCl₄ + 4НCl

                       тетрахлор-

                          метан

б) нітрування.

Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O

Реакції відкриті російським хіміком М. І. Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова.

Нітрування можна здійснювати не тільки нітратною кислотою, а й Нітроген(ІV) оксидом (NO₂).

3. Розклад (при високій температурі).

Термічний розклад з розривом С — С зв’язків (крекінг):

При сильному нагріванні за відсутності повітря (кисню) алкани розкладаються. Розщеплення молекул органічних сполук з розривом
С ‑С зв'язків під дією високих температур (500-700⁰С). називається крекінгом. У присутності каталізаторів температура нижча. Під час таких реакцій утворюються алкани з меншим числом атомів Карбону: насичені й ненасичені вуглеводні.

Дані реакцій мають велике промислове значення. Таким способом із нафти отримують цінні продукти, наприклад бензин, гас та інші.

а) повний:           СН₄  → С + 2Н₂  (при температурі 1000°С).

Так у промисловості одержують сажу (чистий вуглець) і водень.

б) неповний:        2СН₄  → С₂Н₂ + 3Н₂

 

Термічний розклад з розривом С—Н зв’язків.

Розрив С—Н зв’язків відбувається за більш високої температури (понад 1000°С). Він завершується утворенням ненасичених або циклічних вуглеводнів та водню.

Реакції розкладу, одним з продуктів яких є водень, мають загальну назву – реакції дегідрогенізації, або дегідрування.

4. Ізомеризація:

За певних умов (температура, тиск, каталізатори) алкани нерозгалуженої будови перетворюються на ізомери з розгалуженим карбоновим ланцюгом у молекулах, відбувається ізомеризація.

Ізомеризація – це хімічна реакція без зміни хімічного складу реагенту. ЇЇ продуктом є ізомер – речовина зі зміненим ланцюговим чи просторовим розташуванням атомів в молекулі.

У цих реакціях беруть участь алкани, молекули я ки х містять не менше чотирьох атомів Карбону.

 

С – С – С – С  ‑ С  →  С – С – С ‑ С

                                                    |    

                                                   С

            н-пентан                        ізопентан

Реакції, під час яких утворюються ізомери вихідних сполук унаслідок перегрупування атомів у молекулах, або переміщення кратних зв’язків, називають реакціями ізомеризації.

 

5. Метан не вступає в реакції приєднання.

Висновки: Усі алкани хімічно пасивні. Для яких найхарактерніша реакція заміщення і не властива реакція приєднання.

II. Методи одержання алканів

а) промислові методи добування алканів.

У промисловості вуглеводні добувають переважно із природних джерел — виділенням із природного і супутнього нафтового газів, перегонкою нафти (більш важкі вуглеводні) її термічним розкладом.

1) Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

С + 2Н₂ → СН₄

Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля.

2) Гідруванням ненасичених вуглеводнів добувають насичені вуглеводні:

СН₂=СН₂ + Н₂ → СН₃‑СН₃

Суміш алканів (переважно з нерозгалуженими молекулами) подібну за складом до бензину можна добути взаємодією Карбон(ІІ) оксиду і водню при нагріванні над каталізатором:

пСО + (2п + 1)Н₂  → С_пН_2п+2 + пН₂О.

 

б) лабораторні методи добування алканів.

У лабораторних умовах метан можна добути, використовуючи такі реакції:

а) розкладання карбіду алюмінію водою:

Al₄C₃ + 12H₂O ® 3CH₄ + 4Al(OH)₃;

б) метан можна добути в лабораторії із солей карбонових кислот.

При сплавлянні безводних солей карбонових кислот з лугами добувають алкани, що містять на 1 атом Карбону менше порівняно з карбоновим ланцюгом вихідних карбонових кислот:

СН₃COONa + NaOH ® CH₄ + Na₂CO₃

в) інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галогенопохідні вуглеводнів, наприклад:

2C₂H₅Cl + 2Na ® C₄H₁₀ + 2NaCl               Реакція  Вюрца

 

Дана реакція, як правило, використовується для збільшення карбонового ланцюга (синтезу вищих алканів).

У разі використання двох різних галогеналканів утворюється суміш трьох різних алканів, яку дуже важко розділити на окремі компоненти