Κάθε κατηγορία χημικών ενώσεων είναι ικανή να παρουσιάζει ιδιότητες λόγω της ηλεκτρονικής δομής τους. Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις υποκατάστασης, απομάκρυνσης ή οξείδωσης μορίων. Όλες οι χημικές διεργασίες έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά της ροής, τα οποία θα συζητηθούν περαιτέρω.
Τι είναι τα αλκάνια
Αυτές είναι ενώσεις κορεσμένων υδρογονανθράκων που ονομάζονται παραφίνες. Τα μόριά τους αποτελούνται μόνο από άτομα άνθρακα και υδρογόνου, έχουν γραμμική ή διακλαδισμένη ακυκλική αλυσίδα, στην οποία υπάρχουν μόνο μεμονωμένες ενώσεις. Δεδομένων των χαρακτηριστικών της κατηγορίας, είναι δυνατό να υπολογιστεί ποιες αντιδράσεις είναι χαρακτηριστικές των αλκανίων. Υπακούουν στον τύπο για όλη την τάξη: H2n+2C.
Χημική δομή
Το μόριο παραφίνης περιλαμβάνει άτομα άνθρακα που δείχνουν sp3-υβριδισμό. Έχουν και τα τέσσερα τροχιακά σθένους έχουν το ίδιο σχήμα, ενέργεια και κατεύθυνση στο διάστημα. Το μέγεθος της γωνίας μεταξύ των επιπέδων ενέργειας είναι 109° και 28'.
Η παρουσία απλών δεσμών στα μόρια καθορίζει ποιες αντιδράσειςχαρακτηριστικό των αλκανίων. Περιέχουν σ-ενώσεις. Ο δεσμός μεταξύ των ανθράκων είναι μη πολικός και ασθενώς πολούμενος και είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από ό,τι στο C−H. Υπάρχει επίσης μια μετατόπιση στην πυκνότητα των ηλεκτρονίων στο άτομο άνθρακα, ως το πιο ηλεκτραρνητικό. Ως αποτέλεσμα, η ένωση C−H χαρακτηρίζεται από χαμηλή πολικότητα.
αντιδράσεις υποκατάστασης
Ουσίες της κατηγορίας παραφίνης έχουν ασθενή χημική δράση. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τη δύναμη των δεσμών μεταξύ C–C και C–H, οι οποίοι είναι δύσκολο να σπάσουν λόγω μη πολικότητας. Η καταστροφή τους βασίζεται σε έναν ομολυτικό μηχανισμό, στον οποίο συμμετέχουν ελεύθερες ρίζες. Γι' αυτό τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις υποκατάστασης. Τέτοιες ουσίες δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με μόρια νερού ή ιόντα που φέρουν φορτίο.
Περιλαμβάνουν υποκατάσταση ελεύθερων ριζών, στην οποία τα άτομα υδρογόνου αντικαθίστανται από στοιχεία αλογόνου ή άλλες ενεργές ομάδες. Αυτές οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν διεργασίες που σχετίζονται με την αλογόνωση, τη σουλφοχλωρίωση και τη νίτρωση. Το αποτέλεσμα τους είναι η παρασκευή παραγώγων αλκανίων.
Ο μηχανισμός των αντιδράσεων υποκατάστασης ελεύθερων ριζών βασίζεται στα κύρια τρία στάδια:
- Η διαδικασία ξεκινά με την έναρξη ή τη δημιουργία πυρήνων μιας αλυσίδας, ως αποτέλεσμα της οποίας σχηματίζονται ελεύθερες ρίζες. Οι καταλύτες είναι πηγές υπεριώδους φωτός και θερμότητας.
- Στη συνέχεια αναπτύσσεται μια αλυσίδα, στην οποία λαμβάνουν χώρα διαδοχικές αλληλεπιδράσεις ενεργών σωματιδίων με ανενεργά μόρια. Μετατρέπονται σε μόρια και ρίζες, αντίστοιχα.
- Το τελευταίο βήμα είναι να σπάσεις την αλυσίδα. Παρατηρείται ανασυνδυασμός ή εξαφάνιση ενεργών σωματιδίων. Αυτό σταματά την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.
Διαδικασία αλογόνωσης
Βασίζεται σε μηχανισμό ριζικού τύπου. Η αντίδραση αλογόνωσης των αλκανίων λαμβάνει χώρα με υπεριώδη ακτινοβολία και θέρμανση ενός μείγματος αλογόνων και υδρογονανθράκων.
Όλα τα στάδια της διαδικασίας υπόκεινται στον κανόνα που δηλώνει ο Markovnikov. Αναφέρει ότι, πρώτα απ 'όλα, το άτομο υδρογόνου, το οποίο ανήκει στον περισσότερο υδρογονωμένο άνθρακα, υποβάλλεται σε αντικατάσταση από ένα αλογόνο. Η αλογόνωση προχωρά με την ακόλουθη σειρά: από το τριτογενές άτομο στον πρωτεύοντα άνθρακα.
Η διαδικασία είναι καλύτερη για μόρια αλκανίων με μακρά κύρια αλυσίδα άνθρακα. Αυτό οφείλεται στη μείωση της ιονίζουσας ενέργειας προς αυτή την κατεύθυνση, ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται πιο εύκολα από την ουσία.
Ένα παράδειγμα είναι η χλωρίωση ενός μορίου μεθανίου. Η δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας οδηγεί στη διάσπαση του χλωρίου σε ριζικά σωματίδια που προσβάλλουν το αλκάνιο. Υπάρχει αποκόλληση ατομικού υδρογόνου και σχηματισμός H3C· ή ρίζας μεθυλίου. Ένα τέτοιο σωματίδιο, με τη σειρά του, επιτίθεται στο μοριακό χλώριο, οδηγώντας στην καταστροφή της δομής του και στο σχηματισμό ενός νέου χημικού αντιδραστηρίου.
Μόνο ένα άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται σε κάθε στάδιο της διαδικασίας. Η αντίδραση αλογόνωσης των αλκανίων οδηγεί στο σταδιακό σχηματισμό μορίων χλωρομεθανίου, διχλωρομεθανίου, τριχλωρομεθανίου και τετραχλωράνθρακα.
Σχηματικά, η διαδικασία μοιάζει με αυτό:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Σε αντίθεση με τη χλωρίωση ενός μορίου μεθανίου, η διεξαγωγή μιας τέτοιας διαδικασίας με άλλα αλκάνια χαρακτηρίζεται από τη λήψη ουσιών στις οποίες η αντικατάσταση του υδρογόνου δεν συμβαίνει σε ένα άτομο άνθρακα, αλλά σε πολλά. Η ποσοτική τους αναλογία σχετίζεται με δείκτες θερμοκρασίας. Σε ψυχρές συνθήκες, παρατηρείται μείωση του ρυθμού σχηματισμού παραγώγων με τριτοταγή, δευτερογενή και πρωτογενή δομή.
Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο ρυθμός σχηματισμού τέτοιων ενώσεων μειώνεται. Η διαδικασία αλογόνωσης επηρεάζεται από τον στατικό παράγοντα, ο οποίος υποδεικνύει διαφορετική πιθανότητα σύγκρουσης ρίζας με άτομο άνθρακα.
Η διαδικασία αλογόνωσης με ιώδιο δεν προχωρά υπό κανονικές συνθήκες. Είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν ειδικές συνθήκες. Όταν το μεθάνιο εκτίθεται σε αυτό το αλογόνο, σχηματίζεται υδροιώδιο. Επηρεάζεται από το μεθυλοϊωδίδιο, με αποτέλεσμα να απελευθερώνονται τα αρχικά αντιδραστήρια: μεθάνιο και ιώδιο. Μια τέτοια αντίδραση θεωρείται αναστρέψιμη.
αντίδραση Wurtz για αλκάνια
Είναι μια μέθοδος για τη λήψη κορεσμένων υδρογονανθράκων με συμμετρική δομή. Ως αντιδραστήρια χρησιμοποιούνται μέταλλο νατρίου, αλκυλοβρωμίδια ή αλκυλοχλωρίδια. Στοη αλληλεπίδρασή τους παράγει αλογονίδιο του νατρίου και μια εκτεταμένη υδρογονανθρακική αλυσίδα, η οποία είναι το άθροισμα δύο ριζών υδρογονάνθρακα. Σχηματικά, η σύνθεση έχει ως εξής: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Η αντίδραση Wurtz για τα αλκάνια είναι δυνατή μόνο εάν τα αλογόνα στα μόριά τους βρίσκονται στο πρωτεύον άτομο άνθρακα. Για παράδειγμα, CH3−CH2−CH2Br.
Αν στη διαδικασία εμπλέκεται ένα μείγμα αλογονάνθρακα δύο ενώσεων, τότε σχηματίζονται τρία διαφορετικά προϊόντα κατά τη συμπύκνωση των αλυσίδων τους. Ένα παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης αλκανίων είναι η αλληλεπίδραση νατρίου με χλωρομεθάνιο και χλωροαιθάνιο. Η έξοδος είναι ένα μείγμα που περιέχει βουτάνιο, προπάνιο και αιθάνιο.
Εκτός από το νάτριο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα αλκαλικά μέταλλα, όπως το λίθιο ή το κάλιο.
Διαδικασία σουλφοχλωρίωσης
Ονομάζεται επίσης αντίδραση Reed. Προχωρά σύμφωνα με την αρχή της υποκατάστασης ελεύθερων ριζών. Αυτός είναι ένας χαρακτηριστικός τύπος αντίδρασης των αλκανίων στη δράση ενός μείγματος διοξειδίου του θείου και μοριακού χλωρίου παρουσία υπεριώδους ακτινοβολίας.
Η διαδικασία ξεκινά με την έναρξη ενός μηχανισμού αλυσίδας, στον οποίο λαμβάνονται δύο ρίζες από το χλώριο. Ένα από αυτά επιτίθεται στο αλκάνιο, με αποτέλεσμα ένα είδος αλκυλίου και ένα μόριο υδροχλωρίου. Το διοξείδιο του θείου συνδέεται με τη ρίζα υδρογονάνθρακα για να σχηματίσει ένα πολύπλοκο σωματίδιο. Για σταθεροποίηση, ένα άτομο χλωρίου συλλαμβάνεται από ένα άλλο μόριο. Η τελική ουσία είναι το αλκανοσουλφονυλοχλωρίδιο, χρησιμοποιείται στη σύνθεση επιφανειοδραστικών ενώσεων.
Σχηματικά, η διαδικασία μοιάζει με αυτό:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Διαδικασίες που σχετίζονται με τη νίτρωση
Τα αλκάνια αντιδρούν με νιτρικό οξύ σε μορφή διαλύματος 10%, καθώς και με τετρασθενές οξείδιο του αζώτου σε αέρια κατάσταση. Οι συνθήκες για τη ροή του είναι υψηλές τιμές θερμοκρασίας(περίπου 140 ° C) και δείκτες χαμηλής πίεσης. Τα νιτροαλκάνια παράγονται στην έξοδο.
Αυτή η διαδικασία ελεύθερων ριζών πήρε το όνομά της από τον επιστήμονα Konovalov, ο οποίος ανακάλυψε τη σύνθεση της νίτρωσης: CH4 + HNO3 → CH 3ΟΧΙ2 + H2O.
Μηχανισμός διάσπασης
Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις αφυδρογόνωσης και πυρόλυσης. Το μόριο μεθανίου υφίσταται πλήρη θερμική αποσύνθεση.
Ο κύριος μηχανισμός των παραπάνω αντιδράσεων είναι η εξάλειψη των ατόμων από τα αλκάνια.
Διαδικασία αφυδρογόνωσης
Όταν διαχωρίζονται άτομα υδρογόνου από τον ανθρακικό σκελετό των παραφινών, με εξαίρεση το μεθάνιο, λαμβάνονται ακόρεστες ενώσεις. Τέτοιες χημικές αντιδράσεις αλκανίων λαμβάνουν χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες (από 400 έως 600 ° C) και υπό την επίδραση επιταχυντών με τη μορφή οξειδίων πλατίνας, νικελίου, χρωμίου και αλουμινίου.
Αν στην αντίδραση εμπλέκονται μόρια προπανίου ή αιθανίου, τότε τα προϊόντα του θα είναι προπένιο ή αιθένιο με έναν διπλό δεσμό.
Κατά την αφυδρογόνωση ενός σκελετού τεσσάρων ή πέντε άνθρακα, διένιοσυνδέσεις. Το βουτάνιο σχηματίζεται από το βουταδιένιο-1, 3 και το βουταδιένιο-1, 2.
Αν στην αντίδραση υπάρχουν ουσίες με 6 ή περισσότερα άτομα άνθρακα, τότε σχηματίζεται βενζόλιο. Έχει έναν αρωματικό πυρήνα με τρεις διπλούς δεσμούς.
Διαδικασία αποσύνθεσης
Σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, αντιδράσεις αλκανίων μπορούν να πραγματοποιηθούν με το σπάσιμο των δεσμών άνθρακα και το σχηματισμό ενεργών σωματιδίων τύπου ρίζας. Τέτοιες διεργασίες ονομάζονται πυρόλυση ή πυρόλυση.
Η θέρμανση των αντιδρώντων σε θερμοκρασίες άνω των 500 °C οδηγεί στην αποσύνθεση των μορίων τους, κατά την οποία σχηματίζονται πολύπλοκα μείγματα ριζών τύπου αλκυλίου.
Η διεξαγωγή της πυρόλυσης αλκανίων με μακριές αλυσίδες άνθρακα υπό ισχυρή θέρμανση σχετίζεται με τη λήψη κορεσμένων και ακόρεστων ενώσεων. Ονομάζεται θερμική πυρόλυση. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιήθηκε μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα.
Το μειονέκτημα ήταν η παραγωγή υδρογονανθράκων με χαμηλό αριθμό οκτανίων (όχι περισσότερο από 65), οπότε αντικαταστάθηκε από την καταλυτική πυρόλυση. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα υπό συνθήκες θερμοκρασίας κάτω των 440 °C και πιέσεις κάτω από 15 ατμόσφαιρες, παρουσία αργιλιοπυριτικού επιταχυντή με απελευθέρωση αλκανίων με διακλαδισμένη δομή. Ένα παράδειγμα είναι η πυρόλυση μεθανίου: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, σχηματίζεται ακετυλένιο και μοριακό υδρογόνο.
Το μόριο μεθανίου μπορεί να υποστεί μετατροπή. Αυτή η αντίδραση απαιτεί νερό και καταλύτη νικελίου. Στοη παραγωγή είναι ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου.
Διαδικασίες οξείδωσης
Οι χημικές αντιδράσεις που είναι χαρακτηριστικές των αλκανίων περιλαμβάνουν τη δωρεά ηλεκτρονίων.
Υπάρχει αυτοοξείδωση των παραφινών. Περιλαμβάνει έναν μηχανισμό ελεύθερων ριζών για την οξείδωση κορεσμένων υδρογονανθράκων. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, λαμβάνονται υδροϋπεροξείδια από την υγρή φάση των αλκανίων. Στο αρχικό στάδιο, το μόριο παραφίνης αλληλεπιδρά με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα να απελευθερώνονται ενεργές ρίζες. Επιπλέον, ένα άλλο μόριο O2 αλληλεπιδρά με το σωματίδιο αλκυλίου, με αποτέλεσμα το ∙ROO. Ένα μόριο αλκανίου έρχεται σε επαφή με τη ρίζα του υπεροξειδίου του λιπαρού οξέος, μετά την οποία απελευθερώνεται υδροϋπεροξείδιο. Ένα παράδειγμα είναι η αυτοοξείδωση του αιθανίου:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις καύσης, οι οποίες συγκαταλέγονται στις κύριες χημικές ιδιότητες όταν προσδιορίζονται στη σύνθεση του καυσίμου. Έχουν οξειδωτικό χαρακτήρα με απελευθέρωση θερμότητας: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Εάν υπάρχει μικρή ποσότητα οξυγόνου στη διαδικασία, τότε το τελικό προϊόν μπορεί να είναι άνθρακας ή δισθενές οξείδιο του άνθρακα, το οποίο προσδιορίζεται από τη συγκέντρωση του O2.
Όταν τα αλκάνια οξειδώνονται υπό την επίδραση καταλυτικών ουσιών και θερμαίνονται στους 200 ° C, μόρια αλκοόλης, αλδεΰδης ήκαρβοξυλικό οξύ.
Παράδειγμα αιθανίου:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (αιθανόλη),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (αιθανάλη και νερό), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (αιθανοϊκό οξύ και νερό).
Τα αλκάνια μπορούν να οξειδωθούν όταν εκτεθούν σε τριμελή κυκλικά υπεροξείδια. Αυτά περιλαμβάνουν διμεθυλοδιοξιράνη. Το αποτέλεσμα της οξείδωσης των παραφινών είναι ένα μόριο αλκοόλης.
Οι εκπρόσωποι των παραφινών δεν αντιδρούν στο KMnO4 ή στο υπερμαγγανικό κάλιο, καθώς και στο βρωμιούχο νερό.
Ισομερισμός
Στα αλκάνια, ο τύπος της αντίδρασης χαρακτηρίζεται από υποκατάσταση με ηλεκτροφιλικό μηχανισμό. Αυτό περιλαμβάνει τον ισομερισμό της ανθρακικής αλυσίδας. Αυτή η διαδικασία καταλύεται από το χλωριούχο αλουμίνιο, το οποίο αλληλεπιδρά με την κορεσμένη παραφίνη. Ένα παράδειγμα είναι ο ισομερισμός ενός μορίου βουτανίου, το οποίο γίνεται 2-μεθυλοπροπάνιο: C4H10 → C3 H 7CH3.
Διαδικασία αρώματος
Τα κορεσμένα με έξι ή περισσότερα άτομα άνθρακα στην κύρια ανθρακική αλυσίδα μπορούν να αφυδροκυκλοποιηθούν. Μια τέτοια αντίδραση δεν είναι τυπική για μικρά μόρια. Το αποτέλεσμα είναι πάντα ένας εξαμελής δακτύλιος με τη μορφή κυκλοεξανίου και των παραγώγων του.
Παρουσία επιταχυντών αντίδρασης, λαμβάνει χώρα περαιτέρω αφυδρογόνωση καιμετατροπή σε πιο σταθερό δακτύλιο βενζολίου. Οι άκυκλοι υδρογονάνθρακες μετατρέπονται σε αρωματικές ενώσεις ή αρένες. Ένα παράδειγμα είναι η αφυδροκυκλοποίηση του εξανίου:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (κυκλοεξάνιο), C6H12 → C6H6+ 3H2 (βενζόλιο).
