ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ. Алканы.

Предельные углеводороды. Предельные углеводороды также называются насыщенными, парафиновыми или алканами. Метан является родоначальником ряда предельных углеводородов. Из метана различными методами можно получить все другие углеводороды предельного ряда. Так, например, при действии на метан хлора образуется хлористый метил. Этан следующий за метаном углеводород предельного ряда. В отличие от метана в молекуле этана по одной валентности каждого атома углерода затрачено на соединение друг с другом. Аналогичным путем могут быть получены и другие углеводороды предельного ряда. Как видно из структурных формул, каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на группу СН2. Такие соединения, близкие по своим химическим свойствам, отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп СН2, составляют так называемый гомологический ряд, а отдельные члены этого ряда называются гомологами. В данном случае речь идет о гомологическом ряде метана

Химические свойства. В алканах все атомы связаны между собой прочными (s-связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. При обычных условиях они проявляют высокую химическую устойчивость. По этой причине алканы в свое время получили название парафинов (от лат. parum affinis мало деятельный, мало средства).

Основные химические превращения алканов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (при нагревании или облучении УФ-светом). При этом может произойти или разрыв связи СН с последующим замещением атома водорода на другой атом или группу атомов, или же разрыв молекулы по связи СС. Несмотря на то что энергии этих связей равны соответственно (для первичных углеродных атомов) и 350 к Дж/моль, разрыв предпочтительнее идет по связи СН. Это связано с тем, что связь СН более доступна для реагента.

С большинством химических реагентов эти углеводороды при обыкновенной температуре или вовсе не реагируют или реагируют чрезвычайно медленно. Для того чтобы насыщенные углеводороды стали реакционно способными, их необходимо подогреть и иногда до высоких температур (150200°).

Реакции замещения. 1. Галогенирование (замещение галогеном) - важнейшая реакция алканов. Она протекает при освещении УФ-светом или в темноте при сильном нагревании, а также в присутствии катализаторов. Сравнительно легко алканы вступают в реакцию замещения с хлором и бромом, очень трудно с иодом. С фтором реакция протекает со взрывом (поэтому обычно фтор разбавляют азотом или используют растворители). В результате замещения водорода галогеном образуются галогено-производные алканов. Например, хлорирование метана протекает с последовательным замещением в его молекуле всех атомов водорода на хлор.

При достаточном количестве хлора реакция продолжается дальше и приводит к образованию смеси продуктов замещения 2-х, 3-х и 4-х атомов водорода:

Реакции расщепления. 1. Отщепление водорода {дегидрирование). При нагревании алканов присутствии катализатора (СrО3) происходит отщепление атомов водорода с образованием непредельных углеводородов: Н3ССН2СН3 Н2С==СНСН3. 2. Термическое разложение (разрыв связей СС и СН). Известно, что алканы устойчивы только при сравнительно невысоких температурах. При нагревании алканов до 500 ° С и выше, (без катализаторов или в их присутствии) они разлагаются с разрывом связей СС и СН. В результате происходит образование более простых углеводородов предельных и непредельных. Этот процесс называют крекингом. 3. Изомеризация. При этой реакции неразветвленная углеродная цепь превращается в разветвленную. Это сопровождается разрывом связей СС: Процесс изомеризации проходит при нагревании в присутствии катализатора (А1С13). В эту реакцию вступают только те алканы, которые в углеродной цепи содержат не менее четырех углеродных атомов.

Получение. Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Используются также синтетические методы. 1. Крекинг нефти (промышленный способ) При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.

Гидpиpование непредельных углеводородов: Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni): Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:

Синтез более сложных алканов из галогенопроизводных с меньшим числом атомов углерода: (реакция Вюpца)Вюpца Из солей карбоновых кислот: а) сплавление со щелочью (реакция Дюма)Дюма б) электролиз по Кольбе Кольбе

Разложение карбидов металлов (метанидов) водой: