Алканы – органические ациклические соединения, состоящие из атомов
химических элементов углерода и водорода и имеющие в молекулах только
одинарные углерод-углеродные сигма-связи.
Получение метана
- Термокаталитическое восстановление оксидов углерода
Реакции протекают при нагревании и катализаторе (Ni, t℃).
CO+3H2→CH4+H2O↑(образуется смесь алканов)
CO2+4H2→CH4+2H2O
Пояснение: водород выталкивает кислород, который соединяется с водородом (вода). Углерод соединяется с водородом (метан).
- Существует такой процесс, как конверсия метана – получение синтез-газа. Из него получают многие органические вещества. Смешиваем метан и пары воды, нагреваем до 800℃ и используем катализатор Ni.
CH4+H2O↔CO+3H2
2. Гидролиз карбида алюминия (метанида)
Карбид алюминия получается нагреванием алюминия и углерода.
Al4C3+12H2O→3CH4↑+4Al(OH)3
Также карбид алюминия можно обработать кислотой.
Al4C3+12HCl→3CH4↑+4AlCl3
3. Синтез из простых веществ
Реакция идет в атмосфере водорода при нагревании углерода до 400℃ и повышенном давлении в присутствии катализатора (Ni, p, t℃).
C+2H2↔CH4
Пояснение: реакция обратима, так как идет в газовой сфере.
Получение гомологов метана
- Каталитическое гидрирование непредельных углеводородов
Алкены, алкины, алкадиены, циклоалканы с малыми циклами.
Реакции протекают при нагревании и катализаторе – никеле (Ni, t℃).
CH2=CH2+H2→CH3-CH3
CH≡ CH+2H2→CH3-CH3
2. Синтез Вюрца
Реакция протекает при нагревании (t℃).
Если используются галогеналканы разной длины, получается смесь продуктов.
Также галогены могут находиться у вторичных и третичных атомов углерода.
Пояснение: в элементарном акте реакции участвуют две молекулы галогеналкана и два атома натрия. Атомы натрия отрывают атомы галогенов от галогеналканов, образующиеся при этом углеводородные радикалы соединяются друг с другом, образуя алкан с удвоенным по сравнению с исходным галогеналканом числом атомов углерода. Где был галоген, оттуда и идет присоединение.
2CH3-CH2-Br+2Na→2NaBr+CH3-CH2-CH2-CH3
3. Реакция Дюма
Или, другими словами, декарбоксилирование солей карбоновых кислот. Соль и щелочь твердые, происходит сплавление (t℃).
R-CH2-COONa (тв)+NaOHтв→R-CH3+Na2CO3
4. Реакция Кольбе
Оно же электролиз растворов солей карбоновых кислот.
При электролизе натриевой соли карбоновой кислоты (R-COONa) на аноде выделяется удвоенный радикал кислоты (R-R) и углекислый газ. Над стрелкой пишем «электролиз».
2CH3COONa +2H2O→CH3-CH3↑+2CO2↑+H2↑+2NaOH
Химические свойства
Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена прочностью и очень малой полярностью связей C-C и H-H в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Для алканов наиболее характерны реакции замещения. В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление ковалентных связей, т.е. они осуществляются по свободнорадикальному (цепному) механизму:
I Реакции замещения (разрыв связей C-H)
- Галогенирование (замещение атома водорода атомом галогена – F, Cl, Br с образованием галогеналкана RHal).
Фтор слишком активный, а йод слишком слабый. Поэтому в ЕГЭ говорят про хлор и бром. Алканы очень активно реагируют с фтором. Хлорирование протекает под действием света и является фотохимической реакцией. Низшие алканы (CH4,C2H6,C3H8) можно прохлорировать полностью. В молекуле метана атомы хлора могут заместить от одного до четырех атомов водорода.
CH4+Cl2→CH3-Cl+HCl
Если бы в реакцию вступил этан, то хлор, присоединившись к одному из двух атомов, продолжил бы присоединяться именно к этому атому: CH3-CH-Cl2
Реакция галогенирования алканов проходит по правилу Марковникова: при взаимодействии галогеноводородов и родственных им соединений с алкенами атом водорода присоединяется по месту двойной связи к более гидрированному атому углерода (содержащему большее число атомов углерода).
Реакция идет только с молекулярным бромом.
Алканы не обесцвечивают бромную воду!
2. Реакция Коновалова (нитрование алканов).
Реакция идет при нагревании до 140℃ с разбавленной 10% азотной кислотой (t℃).
По радикальному механизму, по правилу Марковникова.
CH4+HNO3(разб.)→CH3NO2+H2O
3. Сульфирование алканов
Происходит при действии очень концентрированной H2SO4 при небольшом нагревании.
CH4+H2SO4(конц.)→CH3SO3H+H2O
II Реакции окисления
При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (KMnO4,K2Cr2O7).
- Полное окисление, избыток O2 (горение, t℃):
Все горят до углекислого газа и воды.
2CH3-CH2-CH2-CH3+13O2→8CO2+10H2O
2. Неполное окисление, недостаток O2(t℃):
2CH4+3O2→2CO+2H2O
CH4+O2→C+2H2O
3. Неполное каталитическое окисление:
Могут образоваться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты.
Например, окисляем бутан кислородом при нагревании в присутствии катализатора (MnO2,t℃).
CH3-CH2-CH2-CH3→2CH3-COOH+H2O
III Термические превращения алканов
1. Крекинг алканов
Крекинг — нагревание алканов до их превращения в меньший алкан и алкен. Связь рвется в любом месте
CH3-CH2-CH2-CH3→CH3-CH3+CH2=CH2
2. Пиролиз метана
Пиролиз — темическое разложение.
Длительное нагревание до 1000℃
CH4→C+2H2
Мгновенное нагревание до 1500℃ с быстрым охлаждением
2CH4→CH≡CH+3H2
3. Дегидрирование
Отщепление водорода. Образуются алкены.
Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (Cr2O3,t℃).
CH3-CH3→CH2=CH2+H2
4. Дегидроциклизация
Из гексана — бензол. Из гептана — толуол.
Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (Pt, t℃).
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH6 + 4H2
5. Изомеризация
Из алкана получаем более разветвленный алкан.
Это важно в производстве нефти. Реакция протекает при нагревании.
Катализаторы: либо Al2O3, либо AlCl3.
