Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες (παραφίνες) είναι κορεσμένοι αλειφατικοί υδρογονάνθρακες, όπου υπάρχει ένας απλός (μονός) δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα.
Όλα τα άλλα σθένη είναι πλήρως κορεσμένα με άτομα υδρογόνου.
Ομολογική σειρά
Οι απόλυτοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες έχουν τον γενικό τύπο SpH2p+2. Υπό κανονικές συνθήκες, οι εκπρόσωποι αυτής της κατηγορίας εμφανίζουν ασθενή αντιδραστικότητα, επομένως ονομάζονται "παραφίνες". Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες ξεκινούν με το μεθάνιο, το οποίο έχει μοριακό τύπο CH4.
Δομικά χαρακτηριστικά στο παράδειγμα του μεθανίου
Αυτή η οργανική ουσία είναι άοσμη και άχρωμη, το αέριο είναι σχεδόν διπλάσιο από τον αέρα. Στη φύση, σχηματίζεται κατά την αποσύνθεση ζωικών και φυτικών οργανισμών, αλλά μόνο απουσία πρόσβασης αέρα. Βρίσκεται σε ανθρακωρυχεία, σε βαλτώδεις δεξαμενές. Σε μικρές ποσότητες, το μεθάνιο είναι μέρος του φυσικού αερίου, το οποίο σήμερα χρησιμοποιείται ως καύσιμο στην παραγωγή, στην καθημερινή ζωή.
Αυτός ο κορεσμένος υδρογονάνθρακας που ανήκει στην κατηγορία των αλκανίων έχει ομοιοπολικό πολικό δεσμό. Η τετραεδρική δομή εξηγείται από το sp3υβριδισμός ενός ατόμου άνθρακα, η γωνία δεσμού είναι 109°28'.
Ονοματολογία παραφινών
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες μπορούν να ονομαστούν σύμφωνα με τη συστηματική ονοματολογία. Υπάρχει μια συγκεκριμένη διαδικασία που σας επιτρέπει να λάβετε υπόψη όλους τους κλάδους που υπάρχουν στο μόριο του κορεσμένου υδρογονάνθρακα. Πρώτα πρέπει να προσδιορίσετε τη μεγαλύτερη αλυσίδα άνθρακα και μετά να αριθμήσετε τα άτομα άνθρακα. Για να το κάνετε αυτό, επιλέξτε το τμήμα του μορίου στο οποίο υπάρχει μέγιστη διακλάδωση (μεγαλύτερος αριθμός ριζών). Εάν υπάρχουν πολλές πανομοιότυπες ρίζες στο αλκάνιο, τα καθορισμένα προθέματα υποδεικνύονται με το όνομά τους: δι-, τρι-, τετρα. Οι αριθμοί χρησιμοποιούνται για την αποσαφήνιση της θέσης των ενεργών σωματιδίων σε ένα μόριο υδρογονάνθρακα. Το τελευταίο βήμα στο όνομα των παραφινών είναι η ένδειξη της ίδιας της αλυσίδας άνθρακα, με την προσθήκη του επιθέματος -an.
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες διαφέρουν ως προς την κατάσταση συσσώρευσής τους. Οι τέσσερις πρώτοι εκπρόσωποι αυτής της ταμειακής μηχανής είναι αέριες ενώσεις (από μεθάνιο έως βουτάνιο). Καθώς το σχετικό μοριακό βάρος αυξάνεται, υπάρχει μια μετάβαση σε ένα υγρό και στη συνέχεια σε μια στερεή κατάσταση συσσωμάτωσης.
Οι κορεσμένοι και ακόρεστοι υδρογονάνθρακες δεν διαλύονται στο νερό, αλλά μπορούν να διαλυθούν σε μόρια οργανικών διαλυτών.
Χαρακτηριστικά του ισομερισμού
Τι τύπους ισομερισμού έχουν οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες; Παραδείγματα της δομής των εκπροσώπων αυτής της κατηγορίας, ξεκινώντας με το βουτάνιο, δείχνουνπαρουσία ισομερισμού του ανθρακικού σκελετού.
Η ανθρακική αλυσίδα που σχηματίζεται από ομοιοπολικούς πολικούς δεσμούς έχει σχήμα ζιγκ-ζαγκ. Αυτός είναι ο λόγος για την αλλαγή της κύριας αλυσίδας στο χώρο, δηλαδή την ύπαρξη δομικών ισομερών. Για παράδειγμα, κατά την αλλαγή της διάταξης των ατόμων σε ένα μόριο βουτανίου, σχηματίζεται το ισομερές του - 2μεθυλοπροπάνιο.
Χημικές ιδιότητες
Ας εξετάσουμε τις βασικές χημικές ιδιότητες των κορεσμένων υδρογονανθράκων. Για τους εκπροσώπους αυτής της κατηγορίας υδρογονανθράκων, οι αντιδράσεις προσθήκης δεν είναι χαρακτηριστικές, καθώς όλοι οι δεσμοί στο μόριο είναι απλοί (κορεσμένοι). Τα αλκάνια εισέρχονται σε αλληλεπιδράσεις που σχετίζονται με την αντικατάσταση ενός ατόμου υδρογόνου από ένα αλογόνο (αλογόνωση), μια νιτροομάδα (νιτροποίηση). Εάν οι τύποι των κορεσμένων υδρογονανθράκων έχουν τη μορφή SpH2n + 2, τότε μετά την υποκατάσταση σχηματίζεται μια ουσία της σύνθεσης CnH2n + 1CL, καθώς και CnH2n + 1NO2.
Η διαδικασία υποκατάστασης έχει μηχανισμό ελεύθερων ριζών. Αρχικά σχηματίζονται ενεργά σωματίδια (ρίζες), μετά παρατηρείται ο σχηματισμός νέων οργανικών ουσιών. Όλα τα αλκάνια αντιδρούν με εκπροσώπους της έβδομης ομάδας (κύριας υποομάδας) του περιοδικού πίνακα, αλλά η διαδικασία προχωρά μόνο σε υψηλή θερμοκρασία ή παρουσία ενός ελαφρού κβαντικού.
Επίσης, όλοι οι εκπρόσωποι της σειράς μεθανίου χαρακτηρίζονται από αλληλεπίδραση με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Κατά την καύση, το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί δρουν ως προϊόντα αντίδρασης. Η αντίδραση συνοδεύεται από το σχηματισμό σημαντικής ποσότητας θερμότητας.
Όταν το μεθάνιο αλληλεπιδρά με το ατμοσφαιρικό οξυγόνοπιθανή έκρηξη. Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα είναι χαρακτηριστικό για άλλους εκπροσώπους της κατηγορίας κορεσμένων υδρογονανθράκων. Γι' αυτό είναι επικίνδυνο ένα μείγμα βουτανίου με προπάνιο, αιθάνιο, μεθάνιο. Για παράδειγμα, τέτοιες συσσωρεύσεις είναι χαρακτηριστικές για ανθρακωρυχεία, βιομηχανικά εργαστήρια. Εάν ο κορεσμένος υδρογονάνθρακας θερμανθεί πάνω από 1000 °C, αποσυντίθεται. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες οδηγούν στην παραγωγή ακόρεστων υδρογονανθράκων, καθώς και στο σχηματισμό αερίου υδρογόνου. Η διαδικασία αφυδρογόνωσης είναι βιομηχανικής σημασίας, σας επιτρέπει να λαμβάνετε μια ποικιλία οργανικών ουσιών.
Για τους υδρογονάνθρακες της σειράς μεθανίου, ξεκινώντας από το βουτάνιο, ο ισομερισμός είναι χαρακτηριστικός. Η ουσία του έγκειται στην αλλαγή του σκελετού άνθρακα, τη λήψη κορεσμένων διακλαδισμένων υδρογονανθράκων.
Λειτουργίες εφαρμογής
Το μεθάνιο ως φυσικό αέριο χρησιμοποιείται ως καύσιμο. Τα παράγωγα χλωρίου του μεθανίου έχουν μεγάλη πρακτική σημασία. Για παράδειγμα, το χλωροφόρμιο (τριχλωρομεθάνιο) και το ιωδοφόρμιο (τριιωδομεθάνιο) χρησιμοποιούνται στην ιατρική και ο τετραχλωράνθρακας κατά τη διαδικασία της εξάτμισης σταματά την πρόσβαση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου, επομένως χρησιμοποιείται για την κατάσβεση πυρκαγιών.
Λόγω της υψηλής αξίας της θερμογόνου δύναμης των υδρογονανθράκων, χρησιμοποιούνται ως καύσιμο όχι μόνο στη βιομηχανική παραγωγή, αλλά και για οικιακούς σκοπούς.
Ένα μείγμα προπανίου και βουτανίου, που ονομάζεται "υγροποιημένο αέριο", είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε περιοχές όπου δεν είναι διαθέσιμο φυσικό αέριο.
Ενδιαφέροντα γεγονότα
Οι εκπρόσωποι των υδρογονανθράκων, που βρίσκονται σε υγρή κατάσταση, αποτελούν καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης στα αυτοκίνητα (βενζίνη). Επιπλέον, το μεθάνιο είναι μια προσιτή πρώτη ύλη για διάφορες χημικές βιομηχανίες.
Για παράδειγμα, η αντίδραση αποσύνθεσης και καύσης μεθανίου χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή αιθάλης, η οποία είναι απαραίτητη για την παραγωγή μελανιού εκτύπωσης, καθώς και για τη σύνθεση διαφόρων προϊόντων από καουτσούκ από καουτσούκ.
Για να γίνει αυτό, ένας τέτοιος όγκος αέρα παρέχεται στον κλίβανο μαζί με μεθάνιο, έτσι ώστε να συμβεί μερική καύση κορεσμένων υδρογονανθράκων. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, μέρος του μεθανίου θα αποσυντεθεί, παράγοντας λεπτή αιθάλη.
Σχηματισμός υδρογόνου από παραφίνες
Το μεθάνιο είναι η κύρια πηγή βιομηχανικού υδρογόνου που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση αμμωνίας. Για να πραγματοποιηθεί αφυδρογόνωση, το μεθάνιο αναμιγνύεται με ατμό.
Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία περίπου 400 °C, πίεση περίπου 2-3 MPa, χρησιμοποιούνται καταλύτες αλουμινίου και νικελίου. Σε ορισμένες συνθέσεις, χρησιμοποιείται ένα μείγμα αερίων, το οποίο σχηματίζεται σε αυτή τη διαδικασία. Εάν οι μεταγενέστεροι μετασχηματισμοί περιλαμβάνουν τη χρήση καθαρού υδρογόνου, τότε πραγματοποιείται καταλυτική οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα με υδρατμούς.
Η χλωρίωση παράγει ένα μείγμα παραγώγων μεθανοχλωρίου, τα οποία έχουν ευρεία βιομηχανική εφαρμογή. Για παράδειγμα, το χλωρομεθάνιο μπορεί να απορροφά θερμότητα, γι' αυτό και χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο στα σύγχρονα συστήματα ψύξης.
Το διχλωρομεθάνιο είναι καλός διαλύτης για οργανικές ουσίες, που χρησιμοποιείται στη χημική σύνθεση.
Το υδροχλώριο, που σχηματίζεται κατά τη διαδικασία της ριζικής αλογόνωσης, αφού διαλυθεί στο νερό, γίνεται υδροχλωρικό οξύ. Επί του παρόντος, το ακετυλένιο λαμβάνεται επίσης από το μεθάνιο, το οποίο είναι μια πολύτιμη χημική πρώτη ύλη.
Συμπέρασμα
Οι εκπρόσωποι της ομόλογης σειράς μεθανίου είναι ευρέως διαδεδομένοι στη φύση, γεγονός που τους καθιστά δημοφιλείς ουσίες σε πολλούς κλάδους της σύγχρονης βιομηχανίας. Από ομόλογα μεθανίου μπορούν να ληφθούν διακλαδισμένοι υδρογονάνθρακες, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για τη σύνθεση διαφόρων κατηγοριών οργανικών ουσιών. Οι υψηλότεροι εκπρόσωποι της κατηγορίας των αλκανίων είναι οι πρώτες ύλες για την παραγωγή συνθετικών απορρυπαντικών.
Εκτός από τις παραφίνες, πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν και τα αλκάνια, τα κυκλοαλκάνια, που ονομάζονται κυκλοπαραφίνες. Τα μόριά τους περιέχουν επίσης απλούς δεσμούς, αλλά η ιδιαιτερότητα των εκπροσώπων αυτής της κατηγορίας είναι η παρουσία μιας κυκλικής δομής. Τόσο τα αλκάνια όσο και τα κυκλοακάνια χρησιμοποιούνται σε μεγάλες ποσότητες ως αέρια καύσιμα, αφού οι διεργασίες συνοδεύονται από την απελευθέρωση σημαντικής ποσότητας θερμότητας (εξώθερμη επίδραση). Επί του παρόντος, τα αλκάνια, τα κυκλοαλκάνια θεωρούνται οι πιο πολύτιμες χημικές πρώτες ύλες, επομένως η πρακτική χρήση τους δεν περιορίζεται σε τυπικές αντιδράσεις καύσης.
