Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 9. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛКАНІВ

За звичайних умов алкани не виявляють помітної активності. Вони хімічно інертні, не взаємодіють з кислотами, лугами, з таким сильним окисником, як калій перманганат. У цьому можна переконатися на досліді, діючи на різні насичені вуглеводні розчинами названих речовин. Якщо метан пропускати крізь розчин калій перманганату фіолетового кольору, то забарвлення не змінюється, що свідчить про відсутність будь-яких змін окисника.

Низька реакційна здатність алканів зумовлена порівняно високою енергією зв’язків С—С і С—Н (відповідно 343 і 414 кДж/моль). Для розриву цих зв’язків та ініціювання реакції за їх участю потрібні достатньо жорсткі умови, наприклад висока температура, наявність каталізатора, дія УФ- випромінювання.

Реакції алканів

Пригадайте, за яких умов розпочинається робота двигуна внутрішнього згоряння, у якому як пальне використовують вуглеводневі продукти.

Саме хімічною стійкістю насичених вуглеводнів, відносною інертністю можна пояснити їхню історичну назву — парафіни (від лат. parum — мало, affinis — причетний).

Підпалені на повітрі або в кисні алкани горять. Горіння вуглеводнів — це реакція повного окиснення, продуктами якого є вуглекислий газ і вода. Окрім цього, виділяється велика кількість теплоти.

Продукти реакції можна виявити експериментально. Якщо підпалити метан, зібраний у циліндрі, або опустити газовідвідну трубку з полум’ям метану в скляний циліндр, то через деякий час можна помітити утворення вологи на стінках циліндра. Вапняна вода, налита в циліндр, стає каламутною. Отже, унаслідок згоряння метану виділяються вода й вуглекислий газ:

Характер горіння алканів залежить від їх складу. Вищі алкани (ті, що мають високі молекулярні маси) горять кіптявим полум’ям. Запалимо в порцеляновій чашці шматочки твердого вуглеводню, попередньо розплавивши його. Спостерігатимемо утворення кіптяви під час горіння.

Це добре видно, якщо над полум’ям потримати скло.

Оскільки газуваті вуглеводні (у нашому досліді — метан) добре змішуються з повітрям, то їх згоряння (окиснення) відбувається повністю. Розплавлений вуглеводень згоряє за нестачі кисню, отже, окиснення є неповним, частина речовини розкладається, крім вуглекислого газу утворюється вуглець у вигляді сажі.

У разі нестачі кисню метан також згоряє не повністю, і в результаті утворюються вуглець (сажа) або карбон(ІІ) оксид.

Карбон(ІІ) оксид — дуже токсична речовина без запаху й кольору. Пам’ятайте, що ознакою неповного окиснення метану в побутових газових приладах є жовте забарвлення полум’я, якого йому надають розжарені часточки вуглецю.

Пригадайте дію чадного газу на організм людини. Як можна вберегтися від отруєння ним?

Суміші метану чи іншого газуватого вуглеводню, а також випари рідких вуглеводнів з киснем або повітрям є вибухонебезпечними. Утворення таких сумішей у кам’яновугільних шахтах, квартирах, на виробництві може призвести до значних руйнувань. Вибух може статися навіть від іскри, якщо концентрація горючої речовини в повітрі досягає критичної. Ось чому слід дотримуватися правил безпеки, постійно провітрювати приміщення, де встановлено газові опалювальні прилади.

Часткове окиснення алканів киснем може відбуватися за наявності каталізатора (наприклад, солей Мангану) та за температури 150—200 оС. У результаті утворюється суміш оксигеновмісних органічних сполук, зокрема карбонових кислот, спиртів, альдегідів, кетонів. Такі реакції використовують у промисловості.

Унаслідок нагрівання до високої температури алкани розкладаються, при цьому можуть розриватися зв’язки С—С і С—Н.

Енергія зв’язків С—Н більша, ніж зв’язків С—С, тому метан, у якого є лише зв’язки С—Н, найбільш термостійкий серед алканів. Молекула метану розщеплюється за температури понад 1000 оС, а молекули вищих алканів — за значно нижчої температури — близько 450 оС.

Розщеплення сполук під упливом нагрівання називають піролізом (від грец. πύρ — вогонь і λύσίζ — розкладати). Щодо піролізу алканів, якщо, зокрема, йдеться про переробку нафти, уживають термін крекінг (від англ. cracking — розщеплювати).

Розрізняють термічний, каталітичний, гідрокрекінг (за наявності водню). Залежно від умов крекінг алканів супроводжується відщепленням водню, утворенням нижчих вуглеводнів, ізомеризацією, циклізацією тощо. Про все це ви дізнаєтеся під час вивчення процесів переробки нафти.

За нагрівання до 250—400 оС або під дією УФ-випромінювання алкани вступають у реакцію заміщення з галогенами (крім йоду). Атоми Гідрогену поступово заміщуються на атоми галогену. На практиці, за умови достатньої кількості хлору, утворюється суміш моно-, ди-, три-, тетразаміщених сполук, які називають галогенопохідними насичених вуглеводнів:

Якщо колбу наповнити сумішшю метану і хлору й залишити її в темряві, то жодних ознак реакції не спостерігатимемо. У колбі, винесеній на світло, одразу можна помітити послаблення жовтого забарвлення хлору, що свідчить про початок хімічної реакції. Вона може супроводжуватися вибухом, якщо суміш газів освітити прямим ультрафіолетовим промінням.

Механізм реакції галогенування. Щоб керувати хімічною реакцією, впливати на її результат, вихід продуктів та умови їх утворення, треба знати, яким шляхом ця реакція відбувається, з яких стадій складається, як впливають на неї зовнішні чинники. Такий опис хімічної реакції називають механізмом реакції.

Вивчення механізму реакції — дуже складний процес, механізм досліджений не для всіх реакцій. Серед вивчених і доведених — механізм галогенування алканів, зокрема хлорування метану.

Ця реакція відбувається за радикальним механізмом і складається з трьох стадій. Виходячи з того, що метан не реагує з хлором у темряві, але легко взаємодіє з ним на світлі, можна вважати, що цей чинник є ініціатором реакції.

Перша стадія: ініціювання реакції.

Під дією енергії світла ковалентний зв’язок у молекулі хлору розривається, вона розщеплюється на атоми, що мають по одному неспареному електрону:

Ці частинки, які називають радикалами, є дуже реакційноздатними.

Розривання ковалентного зв’язку з утворенням частинок із неспареним електроном називається гомолітичним (від грец. ομόζ — однаковий і λύσίζ — розклад).

Євген Олексійович Шилов (1893—1970)

Український хімік, академік, працював у Інституті органічної хімії АН України. Вивчав механізми органічних реакцій, зокрема галогенування. Досліджував також питання теорії і практики вибілювання рослинних волокон.

Друга стадія: розвиток ланцюга.

Унаслідок зіткнення з молекулою метану радикал відщеплює від неї атом Гідрогену, при цьому утворюється новий радикал, що має неспарений електрон, — метил:

Стикаючись із молекулою хлору, метильний радикал відщеплює від неї атом Хлору, утворюючи молекулу хлорометану. Натомість залишається радикал Хлору:

Останній може атакувати молекулу хлорометану, внаслідок чого відбувається заміщення ще одного атома Гідрогену:

Ланцюг може розвиватися далі:

Третя стадія: обривання ланцюга.

У разі зіткнення радикалів між собою ланцюг обривається:

Реакція припиняється, коли зникають усі вільні радикали.

Реакцію, що відбувається з утворенням активної частинки, здатної спричинити утворення інших таких частинок, називають ланцюговою.

За вільнорадикальним механізмом відбувається й реакція нітрування алканів під дією розбавленої нітратної кислоти й за підвищеного тиску. Унаслідок перебігу такої реакції утворюються нітросполуки:

Михайло Іванович Коновалов (1858—1906)

Український і російський хімік, професор, ректор Київського політехнічного інституту. Вивчав дію нітратної кислоти на органічні речовини. Відкрив реакцію нітрування парафінів. Розробив методи добування органічних сполук різних класів на основі нітросполук.

Цю реакцію відкрив М. І. Коновалов у 1888 р., її названо його ім’ям*.

*В органічній хімії існує традиція називати реакції іменами їх першовідкривачів. Іменні реакції, такі як реакція Коновалова, увійшли до наукової хімічної термінології.

Під дією підвищеної температури та за наявності каталізатора алкани здатні до ізомеризації. Ця реакція має значення для добування потрібних сортів пального. Про це ви довідаєтеся згодом.

Завдання для самоконтролю

1. Група вуглеводнів, що розглядалися, має декілька назв. Які?

2. За допомогою яких хімічних проб можна довести хімічну стійкість алканів?

3. Укажіть умови, необхідні для розриву хімічних зв’язків у молекулах алканів.

4. У чому полягають особливості реакцій горіння алканів різного складу? Чим вони зумовлені?

5. Що таке повне та часткове окиснення вуглеводнів? Наведіть приклади.

6. Наведіть приклади реакцій розкладу алканів.

7. Назвіть реакції заміщення, у які вступають алкани. Складіть рівняння реакцій.

8. Що таке механізм реакції? З якою метою вивчають механізми реакцій?

9. Поясніть механізм реакції хлорування метану.

Додаткові завдання

10. Доведіть, що інша назва насичених вуглеводнів (парафіни) є виправданою.

11. Спалили речовини такої будови:

Чи можна розрізнити ці речовини за об’ємом газів (разом із водяною парою), що утворилися в результаті згоряння?

12. Поясніть, чому метан є хімічно найстійкішим з алканів.

13. Поясніть, чому саме УФ-випромінювання ініціює реакцію хлорування метану. Енергія зв’язку Сl—Сl становить 243 кДж/моль, енергія одного кванта УФ-світла — 396 кДж/моль, ІЧ-світла — 3,96 кДж/моль.

14. За влучним висловом М. Зелінського, реакцією нітрування алканів М. Коновалов «оживив хімічних мерців». Поясніть цей вислів.

15. Складіть формулу алкану розгалуженої будови і назвіть його.

16. Укажіть гомологи серед наведених сполук.

А 1, 5, 6

Б 1, 3

В 3, 4

Г 2, 4

17. Визначте об’єм метану (в кубічних метрах, н. у.), на спалювання якого вистачить кисню, що міститься в повітрі кухні (площа — 10 м2, висота — 2,5 м)

А 2, 5

Б 5

В 10

Г 20

18. Який об’єм кисню потрібно на спалювання суміші газів об’ємом 1 м3 (н. у.), що складається з 75 % метану та 25 % етану?

19. Спалили алкан кількістю речовини 0,1 моль; добули вуглекислий газ (0,5 моль) і воду (0,6 моль). Укажіть формулу алкану.

А СН4

Б С2Н4

В С4Н10

Г С5Н12

20. Для спалювання суміші метану й пропану об’ємом 10 см3 затратили кисень об’ємом 41 см3. Визначте склад суміші газів (у відсотках).

А 50 і 50

Б 30 і 70

В 15 і 85

Г 55 і 45

21. Визначте об’єм повітря, що затрачається для спалювання суміші пропану і бутану об’ємом 20 л (н. у., об’ємне співвідношення газів 1:1).

22. Чи вистачить кисню об’ємом 400 л для спалювання пропану об’ємом 100 л (н. у.)?

23. Спалили метан об’ємом 100 л у кисні. Який газ буде в залишку, якщо взято 300 л кисню (н. у.)?

24. У результаті спалювання пропан-бутанової суміші (співвідношення об’ємів газів 1:2) утворився вуглекислий газ об’ємом 247 л (н. у.). Теплота згоряння пропану становить 2220 кДж/моль, а бутану — 2878 кДж/моль. Обчисліть і вкажіть об’єм (л) метану, який треба спалити (теплота згоряння 890 кДж/моль), щоб добути таку саму кількість теплоти, як від згоряння пропан-бутанової суміші.

25. Теплота згоряння пропану становить 2220 кДж/моль, а бутану — 2878 кДж/моль. Обчисліть і вкажіть об’єм (л) метану, який треба спалити (теплота згоряння 890 кДж/моль), щоб добути таку саму кількість теплоти, як від згоряння пропан-бутанової суміші (співвідношення об’ємів газів 1:1) об’ємом 448 л.