Παρά το γεγονός ότι τα αλκάνια είναι ανενεργά, είναι ικανά να απελευθερώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας όταν αλληλεπιδρούν με αλογόνα ή άλλες ελεύθερες ρίζες. Τα αλκάνια και οι αντιδράσεις με αυτά χρησιμοποιούνται συνεχώς σε πολλές βιομηχανίες.
Στοιχεία αλκανίων
Τα αλκάνια κατέχουν σημαντική θέση στην οργανική χημεία. Ο τύπος των αλκανίων στη χημεία είναι C H2n+2. Σε αντίθεση με τα αρωματικά, τα οποία έχουν δακτύλιο βενζολίου, τα αλκάνια θεωρούνται αλειφατικά (άκυκλα).
Στο μόριο οποιουδήποτε αλκανίου, όλα τα στοιχεία συνδέονται με έναν μόνο δεσμό. Επομένως, αυτή η ομάδα ουσιών έχει την κατάληξη «-an». Κατά συνέπεια, τα αλκένια έχουν έναν διπλό δεσμό και τα αλκίνια έχουν έναν τριπλό δεσμό. Τα αλκοδιένια, για παράδειγμα, έχουν δύο διπλούς δεσμούς.
Τα αλκάνια είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες. Δηλαδή περιέχουν τον μέγιστο αριθμό ατόμων Η (υδρογόνου). Όλα τα άτομα άνθρακα σε ένα αλκάνιο βρίσκονται στη θέση sp3 - υβριδισμός. Αυτό σημαίνει ότι το μόριο του αλκανίου είναι δομημένο σύμφωνα με τον τετραεδρικό κανόνα. Το μόριο μεθανίου (CH4) μοιάζει με τετράεδρο,και τα υπόλοιπα αλκάνια έχουν ζιγκ-ζαγκ δομή.
Όλα τα άτομα C στα αλκάνια συνδέονται χρησιμοποιώντας δεσμούς ơ - (δεσμούς σίγμα). Οι δεσμοί C–C είναι μη πολικοί, οι δεσμοί C–H είναι ασθενώς πολικοί.
Ιδιότητες των αλκανίων
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ομάδα αλκανίων έχει μικρή δραστηριότητα. Οι δεσμοί μεταξύ δύο ατόμων C και μεταξύ ατόμων C και H είναι ισχυροί, επομένως είναι δύσκολο να καταστραφούν από εξωτερικές επιρροές. Όλοι οι δεσμοί στα αλκάνια είναι δεσμοί ơ, οπότε αν σπάσουν, συνήθως καταλήγουν σε ρίζες.
Αλογόνωση αλκανίων
Λόγω των ειδικών ιδιοτήτων των δεσμών των ατόμων, τα αλκάνια είναι εγγενή στις αντιδράσεις υποκατάστασης και αποσύνθεσης. Στις αντιδράσεις υποκατάστασης στα αλκάνια, τα άτομα υδρογόνου αντικαθιστούν άλλα άτομα ή μόρια. Τα αλκάνια αντιδρούν καλά με αλογόνα - ουσίες που ανήκουν στην ομάδα 17 του περιοδικού πίνακα του Μεντελέγεφ. Τα αλογόνα είναι φθόριο (F), βρώμιο (Br), χλώριο (Cl), ιώδιο (I), αστίνη (At) και τεννεσίνη (Ts). Τα αλογόνα είναι πολύ ισχυροί οξειδωτικοί παράγοντες. Αντιδρούν με όλες σχεδόν τις ουσίες από τον πίνακα του D. I. Mendeleev.
Αντιδράσεις χλωρίωσης αλκανίων
Στην πράξη, το βρώμιο και το χλώριο συνήθως συμμετέχουν στην αλογόνωση των αλκανίων. Το φθόριο είναι πολύ ενεργό στοιχείο - με αυτό η αντίδραση θα είναι εκρηκτική. Το ιώδιο είναι ασθενές, επομένως η αντίδραση υποκατάστασης δεν θα πάει μαζί του. Και η αστατίνη είναι πολύ σπάνια στη φύση, επομένως είναι δύσκολο να συλλεχθεί αρκετή ποσότητα για πειράματα.
Βήματα αλογόνωσης
Όλα τα αλκάνια περνούν από τρία στάδια αλογόνωσης:
- Η προέλευση της αλυσίδας ή της μύησης. Υπό επιρροήηλιακό φως, θερμότητα ή υπεριώδη ακτινοβολία, το μόριο χλωρίου Cl2 διασπάται σε δύο ελεύθερες ρίζες. Κάθε ένα έχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα.
- Ανάπτυξη ή ανάπτυξη της αλυσίδας. Οι ρίζες αλληλεπιδρούν με τα μόρια μεθανίου.
- Ο τερματισμός της αλυσίδας είναι το τελευταίο μέρος της αλκανικής αλογόνωσης. Όλες οι ρίζες αρχίζουν να συνδυάζονται μεταξύ τους και τελικά εξαφανίζονται εντελώς.
βρωμίωση αλκανίων
Κατά την αλογόνωση υψηλότερων αλκανίων μετά το αιθάνιο, η δυσκολία είναι ο σχηματισμός ισομερών. Διαφορετικά ισομερή μπορούν να σχηματιστούν από μία ουσία υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός. Αυτό συμβαίνει ως αποτέλεσμα μιας αντίδρασης υποκατάστασης. Αυτό είναι απόδειξη ότι οποιοδήποτε άτομο Η στο αλκάνιο μπορεί να υποκατασταθεί από μια ελεύθερη ρίζα κατά την αλογόνωση. Ένα σύμπλοκο αλκάνιο αποσυντίθεται σε δύο ουσίες, το ποσοστό των οποίων μπορεί να ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης.
Βρώμιο προπανίου (2-βρωμοπροπάνιο). Στην αντίδραση αλογόνωσης του προπανίου με ένα μόριο Br2 υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και ηλιακού φωτός, απελευθερώνεται 1-βρωμοπροπάνιο - 3% και 2-βρωμοπροπάνιο - 97%.
Βρώμιο βουτανίου. Όταν το βουτάνιο βρωμιώνεται υπό τη δράση του φωτός και των υψηλών θερμοκρασιών, βγαίνει 2% 1-βρωμοβουτάνιο και 98% 2-βρωμοβουτάνιο.
Η διαφορά μεταξύ χλωρίωσης και βρωμίωσης αλκανίων
Η χλωρίωση χρησιμοποιείται πιο συχνά στη βιομηχανία. Για παράδειγμα, για την παραγωγή διαλυτών που περιέχουν μείγμα ισομερών. Με την παραλαβή του αλοαλκανίουδύσκολο να διαχωριστούν μεταξύ τους, αλλά στην αγορά το μείγμα είναι φθηνότερο από το καθαρό προϊόν. Στα εργαστήρια, η βρωμίωση είναι πιο συχνή. Το βρώμιο είναι πιο αδύναμο από το χλώριο. Έχει χαμηλή αντιδραστικότητα, επομένως τα άτομα βρωμίου έχουν υψηλή εκλεκτικότητα. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, τα άτομα «επιλέγουν» ποιο άτομο υδρογόνου να αντικαταστήσουν.
Η φύση της αντίδρασης χλωρίωσης
Κατά τη χλωρίωση των αλκανίων, σχηματίζονται ισομερή σε περίπου ίσες ποσότητες στο κλάσμα μάζας τους. Για παράδειγμα, η χλωρίωση του προπανίου με καταλύτη με τη μορφή αύξησης της θερμοκρασίας στους 454 βαθμούς μας δίνει 2-χλωροπροπάνιο και 1-χλωροπροπάνιο σε αναλογία 25% και 75%, αντίστοιχα. Εάν η αντίδραση αλογόνωσης λάβει χώρα μόνο με τη βοήθεια υπεριώδους ακτινοβολίας, λαμβάνεται 43% 1-χλωροπροπάνιο και 57% 2-χλωροπροπάνιο. Ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης, η αναλογία των λαμβανόμενων ισομερών μπορεί να ποικίλλει.
Η φύση της αντίδρασης βρωμίωσης
Ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων βρωμίωσης των αλκανίων, μια σχεδόν καθαρή ουσία απελευθερώνεται εύκολα. Για παράδειγμα, 1-βρωμοπροπάνιο - 3%, 2-βρωμοπροπάνιο - 97% του μορίου n-προπανίου. Ως εκ τούτου, η βρωμίωση χρησιμοποιείται συχνά σε εργαστήρια για τη σύνθεση μιας συγκεκριμένης ουσίας.
Θίωση αλκανίων
Τα αλκάνια επίσης σουλφονώνονται με τον μηχανισμό της υποκατάστασης των ριζών. Για να συμβεί η αντίδραση, το οξυγόνο και το οξείδιο του θείου SO2 (θείος ανυδρίτης) δρουν ταυτόχρονα στο αλκάνιο. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, το αλκάνιο μετατρέπεται σε αλκυλοσουλφονικό οξύ. Παράδειγμα σουλφόνωσης βουτανίου:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Γενικός τύπος για σουλφοξείδωση αλκανίων:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Σουλφοχλωρίωση αλκανίων
Σε περίπτωση σουλφοχλωρίωσης, αντί για οξυγόνο, χρησιμοποιείται χλώριο ως οξειδωτικός παράγοντας. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται αλκανοσουλφονικά χλωρίδια. Η αντίδραση σουλφοχλωρίωσης είναι κοινή για όλους τους υδρογονάνθρακες. Εμφανίζεται σε θερμοκρασία δωματίου και ηλιακό φως. Τα οργανικά υπεροξείδια χρησιμοποιούνται επίσης ως καταλύτες. Μια τέτοια αντίδραση επηρεάζει μόνο δευτερογενείς και πρωτογενείς δεσμούς που σχετίζονται με άτομα άνθρακα και υδρογόνου. Η ύλη δεν φτάνει στα τριτογενή άτομα, καθώς η αλυσίδα της αντίδρασης σπάει.
αντίδραση του Konovalov
Η αντίδραση νίτρωσης, όπως και η αντίδραση αλογόνωσης των αλκανίων, προχωρά σύμφωνα με τον μηχανισμό των ελεύθερων ριζών. Η αντίδραση εκτελείται χρησιμοποιώντας πολύ αραιό (10 - 20%) νιτρικό οξύ (ΗΝΟ3). Μηχανισμός αντίδρασης: ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, τα αλκάνια σχηματίζουν ένα μείγμα ενώσεων. Για να καταλυθεί η αντίδραση, χρησιμοποιείται αύξηση της θερμοκρασίας έως 140⁰ και κανονική ή αυξημένη πίεση περιβάλλοντος. Κατά τη νίτρωση, οι δεσμοί C-C καταστρέφονται και όχι μόνο C-H, σε αντίθεση με τις προηγούμενες αντιδράσεις υποκατάστασης. Αυτό σημαίνει ότι λαμβάνει χώρα ρωγμή. Αυτή είναι η αντίδραση διάσπασης.
Αντιδράσεις οξείδωσης και καύσης
Τα αλκάνια οξειδώνονται επίσης ανάλογα με τον τύπο των ελεύθερων ριζών. Για τις παραφίνες, υπάρχουν τρεις τύποι επεξεργασίας με οξειδωτική αντίδραση.
- Στην αέρια φάση. Έτσιλάβετε αλδεΰδες και χαμηλότερες αλκοόλες.
- Στην υγρή φάση. Χρησιμοποιήστε θερμική οξείδωση με την προσθήκη βορικού οξέος. Με αυτήν τη μέθοδο, οι υψηλότερες αλκοόλες λαμβάνονται από С10 έως С20.
- Στην υγρή φάση. Τα αλκάνια οξειδώνονται για να συνθέσουν καρβοξυλικά οξέα.
Στη διαδικασία της οξείδωσης, η ελεύθερη ρίζα O2 αντικαθιστά πλήρως ή εν μέρει το συστατικό υδρογόνου. Η πλήρης οξείδωση είναι η καύση.
Τα αλκάνια καλής καύσης χρησιμοποιούνται ως καύσιμο για θερμοηλεκτρικούς σταθμούς και κινητήρες εσωτερικής καύσης. Τα αλκάνια που καίγονται παράγουν πολλή θερμική ενέργεια. Σύνθετα αλκάνια τοποθετούνται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η αλληλεπίδραση με το οξυγόνο σε απλά αλκάνια μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη. Η άσφαλτος, η παραφίνη και διάφορα λιπαντικά για τη βιομηχανία παρασκευάζονται από απόβλητα που προέρχονται από αντιδράσεις με αλκάνια.
