Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

11. Вуглеводні

11.1. Алкани

Алкани (насичені вуглеводні) — органічні сполуки, які містять лише атоми Карбону і Гідрогену, всі валентності атомів Карбону насичені атомами Гідрогену.

¹ Перші чотири вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан) мають не систематичні назви, а тривіальні, тобто такі, що склалися історично.

² Насичені вуглеводні нормальної будови мають температури кипіння вищі порівняно з їхніми ізомерами розгалуженої будови. Гази запаху не мають, рідкі вуглеводні мають характерний «бензиновий» запах, тверді (парафіни) — без запаху. Розчиняються у неполярних розчинниках (бензині, тетрахлоретані тощо).

Ізомерія алканів

Алкани з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом називають нормальними, або н-алканами. Вони мають зигзагоподібну будову.

Метан, етан і пропан ізомерів не мають. Алкани, що містять у своєму складі чотири і більше атомів Карбону, можуть мати карбоновий ланцюг нерозгалуженої і розгалуженої будови. Бутан має всього 2 ізомери, один з них з нерозгалуженим карбоновим ланцюгом, а другий — з розгалуженим:

Пентан має 3 ізомери:

Гексан має 5 ізомерів. Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі кількість ізомерів стрімко зростає: С₇Н₁₆ має 9 ізомерів, С₈Н₁₈ — 18, С₁₀Н₂₂ — 75, С₂₀Н₄₂ — 366 319 ізомерів.

Правила утворення систематичних назв алканів розгалуженої будови (за міжнародною номенклатурою IUPAC)

1. За основу назви даної сполуки беруть назву вуглеводню, яка відповідає кількості карбонових атомів головного ланцюга. Головним ланцюгом карбонових атомів вважають:

а) найдовший;

б) найскладніший (з найбільшою кількістю розгалужень):

Розгалуження, які не увійшли до складу головного ланцюга, називають алкільними замісниками (тут — СН₃). За наявності двох чи декількох ланцюгів однакової довжини за головний обирають ланцюг з найбільшою кількістю розгалужень.

2. Після встановлення головного ланцюга атоми Карбону нумерують¹:

¹ Родоначальна структура — хімічна структура, яка становить основу сполуки. В алканів — це головний карбоновий ланцюг.

а) нумерацію починають з того кінця, до якого найближче розташований будь-який алкільний замісник (принцип найменших локантів²):

² Локант — числове або буквене позначення атома Карбону головного ланцюга, яким вказують положення замісників, кратних зв'язків та старшої характеристичної групи щодо родоначальної структури. На письмі локанти розділяють комами.

б) якщо алкіли розміщені на однаковій відстані від кінців, то для вибору нумерації використовують алфавітний порядок (етил → метил.., унаслідок чого назви речовини в різних мовах можуть дещо відрізнятись):

в) якщо на однаковій відстані від кінців розміщені однакові алкіли, то нумерацію починають з того кінця, де є більше розгалужень:

3. Назву сполуки становлять:

а) замісники, перераховані за абеткою:

• перед назвою замісника вказують номер атома Карбону, біля якого розміщений алкіл;
• якщо необхідно вказати кілька однакових замісників, то використовують множинні префікси: ди-, три-, тетра- (їх не враховують для визначення алфавітного порядку);
• локанти однакових замісників записують у послідовності зростання числа і відокремлюють один від одного комами; якщо два однакові алкіли розміщені біля атома Карбону, то число ставлять двічі; локант від назви алкіла (і навпаки) відокремлють дефісом;
• назву останнього алкілу пишуть разом з назвою головного ланцюга;

б) назва алкану, яка відповідає головному карбоновому ланцюгу:

Тривіальні назви деяких алканів розгалуженої будови та відповідних алкілів

¹ Префікси ізо- та нео- враховують у визначенні алфавітного порядку замісників.

² Структурні префікси втор-, трет- у визначенні алфавітного порядку замісників не враховують.

Хімічні властивості насичених вуглеводнів

Алкани за стандартних умов — хімічно інертні речовини: не взаємодіють з кислотами, лугами, з КМnО₄ (сильним окисником). Саме хімічною стійкістю насичених вуглеводнів пояснюється інша їхня назва — парафіни (від лат. parum — мало, affinis — споріднений).

¹ Крекінг — реакція, яку проводять за температури 600-750 °С (можливе використання каталізаторів і підвищеного тиску), у молекулах вищих алканів відбувається з розривом С-С-зв’язків та утворенням нижчих алканів і алкенів.

Деякі важливі реакції, характерні для метану

1. Піроліз:

Піроліз з одночасним окисненням за наявності парів води:

2. Конверсія (взаємодія метану з водяною парою та карбон(ІV) оксидом):

а) з водяними парами:

б) з вуглекислим газом:

Суміш СО і Н₂ називають синтез-газом. Його використовують для отримання метанолу, амоніаку.

3. Неповне окиснення метану:

Отримання насичених вуглеводнів

1. Природні джерела: газ, нафта, вугілля, деревина, торф.

2. Синтетичні промислові методи:

а) метан отримують взаємодією водню і графіту:

б) алкани отримують із чадного газу та водню, що входять до складу водяного газу (використовують залізо-кобальтовий каталізатор):

3. Лабораторні методи:

а) взаємодія алюміній карбіду з водою:

Аl₄С₃ + 12Н₂О → 4Аl(ОН)₃+ 3CH₄↑

б) метан отримують також унаслідок нагрівання суміші натрій етаноату з натрій гідроксидом (реакція декарбоксилювання, реакція Дюма):

в) отримання алканів з більшою кількістю атомів Карбону взаємодією металічного натрію та галогенопохідних вуглеводнів (реакція Вюрца):

2СН₃-СН₂Вr + 2Na → СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ + 2NaBr

Унаслідок використання галогенопохідних різних алканів утворюється суміш насичених вуглеводнів:

11.1.1. Циклоалкани

Крім насичених вуглеводнів з відкритим карбоновим ланцюгом, відомі насичені вуглеводні із замкненим ланцюгом, у яких атом Карбону перебуває у стані sр³-гібридизації. Їх називають циклоалканами, або циклопарафінами, нафтенами. Вони утворюють гомологічний ряд, який починається із циклопропану:

У природі найбільш поширеними є циклоалкани з 5- і 6-членними циклами, які є найстійкішими. Уперше з бакинської нафти їх виділив В. Марковников¹, він і запропонував назву «нафтени» (від тюрк. нафт — нафта).

¹ Володимир Васильович Марковников (1837-1904) — видатний російський хімік.

Пласку молекулу має лише циклопропан, інші циклоалкани мають різні просторові конфігурації, які утворюються внаслідок обертання атомів навколо С-С-зв’язків. При цьому зберігається (крім циклопропану і циклобутану) валентний кут (109°28') і довжина С-С-зв’язку (0,154 нм). Циклоалкани є насиченими вуглеводнями (атоми Карбону зв’язані між собою простими σ-зв’язками) і за своїми фізичними і хімічними властивостями подібні до алканів, але циклічна будова накладає відбиток на реакційну здатність деяких сполук цього ряду.

Хімічні властивості циклопарафінів з малими циклами (циклопропану, циклобутану) через напруження у валентному куті суттєво відрізняються від властивостей циклопентану та циклогексану.

Циклопропан виявляє подвійні властивості, тобто реагує і як алкен (а), і як алкан (б):

а) реакції приєднання:

б) реакції заміщення:

Циклобутан має аналогічні властивості, але для нього більш характерні не реакції приєднання:

а заміщення:

Циклопентан і циклогексан мають хімічні властивості, аналогічні до властивостей алканів (реакції галогенування, нітрування, окиснення сильними окиснювачами, дегідрогенізації). Нітратна кислота або кисень повітря за наявності каталізаторів окиснюють циклоалкани до двохосновних кислот:

Циклоалкани унаслідок нагрівання за наявності каталізатора (АlСl₃) можуть ізомеризуватись:

Отримання циклопарафінів

1) із природної сировини (методом перегонки нафти);

2) з дигалогенопохідних насичених вуглеводнів:

Атоми галогену в галогеноалкані повинні розміщуватися біля крайніх атомів Карбону;

3) гідрогенізацією ароматичних вуглеводнів:

11.1.2. Галогенопохідні алканів

¹ Індукційний ефект — зміщення електронної густини вздовж ланцюга σ-зв’язків унаслідок різної електронегативності атомів, учасників зв’язку. Замісники, що притягують до себе електрони, виявляють негативний індукційний ефект (-I), а ті, що відштовхують від себе електрони, — позитивний (+I). Галогени виявляють негативний індукційний ефект, а вуглеводневі замісники — позитивний.

11.1.3. Застосування насичених вуглеводнів та їхніх похідних

1. Метан використовують як паливо у побуті¹, а також унаслідок багатьох хімічних процесів; з нього отримують:

• синтез-газ, з якого одержують метанол, метаналь, водень;
• метанову й етанову кислоти, синтетичні каучуки;
• сажу, яку використовують для виготовлення гуми, друкарської фарби;
• етин і нітрометан.

2. Пропан і бутан використовують як паливо у вигляді скрапленого газу в балонах, запальничках.

3. Рідкі насичені вуглеводні — основна складова бензину, дизельного палива.

4. Суміш твердих вуглеводнів (парафін) використовують у медицині та побуті (свічки), для виробництва пластмас, мийних засобів.

5. З циклоалканів найбільше практичне значення має циклогексан, який застосовують для синтезу капролактаму, адипінової кислоти та синтетичного волокна.

6. Хлоропохідні метану (СН₂Сl₂, СНСl₃, ССl₄) використовують як розчинники. Тетрахлорометан (ССl₄) також застосовують для гасіння пожеж.

7. Галогенопохідні етану: хлороетан використовують для місцевого знеболення (анестезії), 1,1-дихлороетан — для хімічного синтезу, а 1,2-дихлоретан — для очищення текстилю як розчинник жирів і для знезараження зерносховищ. Політетрафторетилен, або фторопласт-4 («тефлон» (-C₂F₄-)_n), застосовують у медицині, техніці, побуті.

8. Різні галогенопохідні (флуоро-, хлоро- і бромо-) нижчих алканів (загальна технічна назва — фреони, до цієї групи відносять більше 40 речовин) використовують як теплоносії в холодильниках та кондиціонерах.

¹ Д. І. Менделєєв іще 150 років тому обурювався: «Палити нафтою — це те саме, що палити асигнаціями». Початок III тисячоліття ознаменувався суттєвим збільшенням використання відновлюваних джерел енергії — енергії Сонця, вітру, моря, геотермальних вод.