Алканы: физические и химические свойства, получение и применение

I. Физические свойства

В обычных условиях

С₁- С₄ – газы

С₅- С₁₅– жидкие

С₁₆– твёрдые

Температуры плавления и кипения алканов, их плотности увеличиваются в гомологическом ряду с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями. Физические свойства некоторых алканов представлены в таблице.

Таблица 2. Физические свойства некоторых алканов

Название	Формула	t_пл °С	t_кип °С
Метан	СН₄	-182,5	-161,5
Этан	С₂Н₆	-182,8	-88,6
Пропан	С₃Н₈	-187,7	-42
Бутан	С₄Н₁₀	-138,3	-0,5
Пентан	C₅H₁₂	-129,7	+36,1
Гексан	С₆Н₁₄	-95,3	68,7
Гептан	С₇H₁₆	-90,6	98,4
Октан	C₈H₁₈	-56,8	124,7
Нонан	С₉Н₂₀	-53,7	150,8
Декан	C₁₀H₂₂	-29,6	174,0
Пентадекан	C₁₅H₃₂	+10	270,6
Эйкозан	С₂₀Н₄₂	36,8	342,7
Пентакозан	C₂₅H₅₂	53,7	400

Плотности алканов

II. Химические свойства алканов

1. Реакции замещения

а) Галогенирование

При действии света - hν или нагревании (стадийно – замещение атомов водорода на галоген носит последовательный цепной характер. Большой вклад в разработку цепных реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов )

В реакции образуются вещества галогеналканы RГ или С_nH_2n+1Г

(Г - это галогены F, Cl, Br, I)

CH₄ + Cl₂ ^hν→ CH₃Cl + HCl (1 стадия)

метан хлорметан

CH₃Cl + Cl₂ ^hν→ CH₂Cl₂ + HCl (2 стадия)

дихлорметан

СH₂Cl₂ + Cl₂ ^hν→ CHCl₃ + HCl (3 стадия)

трихлорметан

CHCl₃ + Cl₂ ^hν→ CCl₄ + HCl (4 стадия)

тетрахлорметан

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле:

Электронная плотность связи С – Cl смещена к более электроотрицательному хлору, в результате на нём скапливается частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

На атом углерода в метильной группе ( - СН₃) создаётся дефицит электронной плотности, поэтому он компенсирует свой заряд за счёт соседних атомов водорода, в результате связь С – Н становится менее прочной и атомы водорода легче замещаются на атомы хлора. При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайщего к заместителю:

CH₃– CH₂ – Cl + Cl₂ ^h^ν→ CH₃– CHCl₂ + HCl

хлорэтан 1,1 -дихлорэтан

Со фтором реакция идёт со взрывом.

С хлором и бромом требуется инициатор.

Иодирование происходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления HI из рекции.

Внимание!

В реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных. Для хлорирования эта закономерность не соблюдается при T>400˚C.

б) Нитрование (реакция М.И. Коновалова, он провёл её впервые в 1888 г)

CH₄ + HNO₃(раствор) ^t˚^С→ CH₃NO₂ + H₂O

нитрометан

RNO₂ или С_nH_2n+1 NO₂ (нитроалкан)

2. Реакции отщепления (дегидрирование)

а) C_nH₂_n₊₂ ^t˚С,^Ni^или^Pd → C_nH₂_n + H₂

б) При нагревании до 1500 С происходит образование ацетилена и водорода:

2CH₄ ^1500°С → C₂H₂ + 3H₂

3. Реакции перегруппировки (изомеризация)

н-алкан ^AlCl^3,^t^°С → изоалкан

Анимация: “Реакция изомеризации”

4. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем)

C_nH₂_n₊₂ + O₂ ^t^°С → nCO₂ + (n+1)H₂O

Помните! Смесь метана с воздухом и кислородом взрывоопасна

V(CH₄) : V(O₂) = 1: 2

V(CH₄) : V(воздуха) = 1 : 10

Видео: “Взрыв метана с кислородом”

Видео: “Горение парафина в условиях избытка и недостатка кислорода”

Видео: “Горение метана и изучение его физических свойств”

Видео: “Горение жидких углеводородов”

Видео: “Горение твердых углеводородов (на примере парафина)”

5. Реакции разложения

а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:

C₁₀H₂₂ ^t^°С → C₅H₁₂+ C₅H₁₀

алкан алкен

Анимация: “Термическое разложение алканов (крекинг)”

б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи,

продукты – С и Н₂:

СH₄ ^1000°С → C + 2H₂

в) Конверсия метана с образованием синтез – газа (СО + Н₂)

CH₄ + H₂O ^800˚^C^,^Ni → СО + 3Н₂

III. Получение алканов

1. Получение в лаборатории

1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑

2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):

R-Г + 2Na + Г-R₁ → R-R₁ + 2NaГ

(R- это радикал; Г- это галоген)

a) CH₃-Cl + 2Na + Cl-CH₃→ CH₃-CH₃ + 2NaCl

или

2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl

б) CH₃-I + 2Na + I-C₂H₅ → CH₃-C₂H₅ + 2NaI

или

CH₃I + 2Na + C₂H₅I → C₃H₈ + 2NaI

3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:

Видео: “Получение метана”

R-COONa + NaOH -^{t ˚}^С→ R-H + Na₂CO₃

a) CH₃-COONa + NaOH -^{t ˚}^С→ CH₄ + Na₂CO₃

(ацетат натрия+ едкий натр=(метан+карбонат натрия)

б) C₂H₅-COONa + NaOH -^{t ˚}^С→ C₂H₆ + Na₂CO₃

этилат натрия этан

4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:

a) C_nH_2n + H₂ -^t,kat,p → C_nH_2n+2

алкен

C₂H₄ + H₂-^300°C^,Ni → C₂H₆

б) C_nH_2n-2 + 2H₂ - ^t,kat→ C_nH_2n+2

алкин

C₂H₂ + 2H₂- ^t,kat→ C₂H₆

5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот - реакция КОЛЬБЕ

Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия

H₂O, CH₃COONa ↔ Na⁺ + CH₃COO^-

Катод (-): H₂O, Na⁺- Процесс восстановления: 2H₂O + 2ē → H₂↑ + 2OH^-

Анод (+): H₂O, CH₃COO^-(анионы органических кислот активнее воды) – Процесс окисления:

CH₃COO^- -1e^-→ CH₃COO∙ (радикал)

CH₃COO∙ → CH₃∙ + СО₂↑

2СН₃ ∙ → С₂Н₆

Итог:

2H₂O + 2CH₃COONa ^эл^.^ток= H₂ + 2CO₂ + 2NaOH + C₂H₆

2H₂O + 2CH₃COONa ^эл^.^ток= H₂ + 2NaHCO₃ + C₂H₆

2. Получение в промышленности

1. Из природного и попутного нефтяного газа

Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье - нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов.

Метан называют ещё и болотным; рудничным газом.

Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:

бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С₅-С₁₀), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;

керосин 180-230 C, (С₁₁-С₁₂);

легкий газойль (дизельное топливо) 230-305 С (С₁₃-С₁₇);

тяжелый газойль и легкий дистиллят смазочного масла 305-405 С (С₁₈-С₂₅);

смазочные масла 405-515 С (С₂₆-С₃₈).

Остаток после перегонки нефти называется асфальтом или битумом.

2. Синтезом из водяного газа:

nCO + (2n + 1) H₂ - ^t,kat→ C_nH_2n+2 + n H₂O

CO + 3H₂ - ^t,kat→ CH₄ + H₂O

3. Синтезом из простых веществ:

nC + (n + 1) H₂-^t,kat,p → C_nH_2n+2

C + 2 H₂ - ^500°C^,Ni → CH₄

IV. Применение

1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит.

3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках.

4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

5. Метан используется для производства шин и краски.

6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.

Использование алканов в качестве смазочных материалов

Использование алканов в качестве топлива

Использование парафина для получения водостойкой бумаги

Применение алканов в медицине (вазелин, парафин и др.)

Применение галогенопроизводных алканов

Применение сажи

V. Тренажёры

Тренажер №1: “Алканы: строение, номенклатура, получение и физические свойства”

Тренажер №2: “Алканы: строение, номенклатура, получение и физические свойства (расчетные задачи)”

Тренажер №3: “Определение качественного состава парафина по продуктам окисления”

Тренажер №4: “Химические свойства алканов”

ЦОРы