Тема: Обобщение темы «Алканы»

Вид материала

Содержание

Строение алканов.
Физические свойства алканов
Номенклатура алканов .
Химические свойства алканов.
Характеристика химических свойств алканов
Нитрование (реакция Коновалова)
8 Конверсия метана
2Hcooh +2h
3.Обучающие задачи

Подобный материал:

1 2 3

Гомологи – соединения, обладающие сходными химическими свойствами и отличающиеся друг от друга по составу на целое число групп СН₂. Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд.

Упражнение : гомологами являются :

А) С₂Н₆и С₂Н₄Б) С₃Н₈и С₅Н₁₂ В) С₄Н₈ и С₇Н₁₆ Г) СН_{4 и}С₆Н₁₀

ответ: Б)

А.М.Бутлеров первым открыл явление изомерии. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение

Для алканов характерна изомерия углеродного скелета (начиная с С₄Н₁₀) и оптическая изомерия (начиная с С₇Н₁₆)- существует у молекул, зеркальные отображения которых не совместимы друг с другом.

Число структурных изомеров алканов

Молекулярная формула	СН₄ _МЕТАН	С₂Н₆ _ЭТАН	С₃Н₈ _ПРОПАН	С₄Н₁₀ _БУТАН	С₅Н₁₂ _ПЕНТАН	С₆Н₁₄ _ГЕКСАН
Число изомеров	1	1	1	2	3	5
Молекулярная формула	С₇Н₁₆ _ГЕПТАН	С₈Н₁₈ _ОКТАН	С₉Н₂₀ _НОНАН	С₁₅Н₃₂ пентадекан	С₃₀Н₆₂ триаконтан
Число изомеров	9	18	35	4347	4111846673
Бутан, в молекуле которого атомы расположены в виде линейной цепочки, называется нормальным бутаном (н-бутан), а бутан, цепь атомов углерода которого разветвлена, называется изобутаном:

Строение алканов. Атом углерода в невозбужденном состоянии:

в алканах атом углерода находится в возбужденном состоянии:

При этом происходит гибридизация (перемешивание) электронных облаков –одного s-облака и трех p-облаков (sp³-гибридизация):

Все связи С-С и С-Н – –связи,

Молекулы алканов имеют пространственное тетраэдрическое строение, углы между связями 109,28⁰, поэтому атомы углерода соединяются между собой зигзагообразно:

Конформация (поворотные изомеры)- различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путем вращения вокруг С-С связей. При обычных температурах конформации легко переходят друг в друга.

Конформации молекул пентана.

Физические свойства алканов: при обычных условиях С₁-С₄- газы; С₅– С₁₇– жидкости; начиная с С₁₈– твердые вещества. Практически нерастворимы в воде, хорошо растворимы в неполярных растворителях (бензоле).

Номенклатура алканов .

Нумеруют атомы углерода, начиная с того конца, к которому ближе заместитель. В названии указывают номер углерода с заместителем, название радикала-заместителя, затем пронумерованную цепочку атомов углерода:

Упражнения:

1. Сколько веществ изображено на рисунке:

а)одно б) два в) три г) четыре

Ответ : одно- это бутан

2. Это вещество называется:

1). 2,2,4 триметилгексан

2). 2-диметил-4 этилгексан

3). 5,5- диметил-3-этилгексан

4). 2,2-диметил-4этилгексан

Ответ : 4

Химические свойства алканов.

Алканы (предельные углеводороды) при обычных условиях химически инертны, поскольку для начала реакции с их участием нужно разорвать весьма прочные связи С-С или С-Н. За низкую реакционную способность их называют парафинами- «лишенными сродства». Связи С-С и С-Н -ковалентные, одинарные (),достаточно прочные, имеют низкую поляризуемость. Поэтому алканы не реагируют при обычных условиях с такими активными веществами, как серная и азотная кислота, металлический натрий, перманганат калия. Важно помнить, что бромную воду и раствор перманганата калия алканы не обесцвечивают. Реакции присоединения для алканов невозможны, так как все их валентности насыщены.

(За такие свойства алканов химик Коновалов назвал их «химическими мертвецами»).

Для этих веществ характерны, в основном, реакции радикального замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов, протекающие в довольно жестких условиях – при УФ-освещении или сильном нагревании.

При высоких температурах могут протекать реакции с разрывом связей С-С, а также дегидрирование и ароматизация. Наконец, как и большинство органических веществ, алканы могут вступать в реакции горения и каталитического окисления.

Характеристика химических свойств алканов:

1. Галогенирование – замещение водорода на галоген.

Хлорирование протекает под действием солнечного света, УФ-излучения или сильного нагревания (до 300-500⁰С);

CH₄ + Cl₂^{УФ,свет,}^t CH₃Cl + HCl (хлорметан)

CH₃Cl + Cl₂^{УФ,свет,}^t CH₂Cl ₂ + HCl (дихлорметан)

CH₂Cl₂ + Cl₂^{УФ,свет,}^t CHCl ₃ + HCl (трихлорметан- хлороформ)

CHCl₃ + Cl₂^{УФ,свет,}^t CCl ₄ + HCl (тетрахлорметан)

Эта реакция протекает по цепному радикальному механизму (изучил Н.Н.Семенов).

Бромирование протекает аналогично, но с меньшей скоростью .

Реакции с фтором и йодом на практике не проводят: фтор действует слишком энергично, разрушая молекулу, йодирование же, наоборот, протекает слишком медленно и с очень низкими выходами.

2. Нитрование (реакция Коновалова):

Происходит при их нагревании с разбавленной азотной кислотой:

CH₄ + HNO_{3 (}_{разбавл}₎^{t =140} CH₃-NO₂ + H₂O

3. Изомеризация:

CH₃-CH₂- CH₂ CH₃ ^AlCl^{3 ,}^t CH₃-CH-CH₃



CH₃

4. Крекинг – расщепление С –С связей при температуре выше 400⁰С, при этом образуется смесь алканов и алкенов с меньшим числом углеродных атомов:

C₈H₁₈ ^t,kat C₄H₈ + C₄ H₁₀2CH₄^t,katC₂H_{2 +}3H₂

5. Дегидрирование – отщепление водорода, происходит на катализаторах Pd, Pt, Ni, Cr₂O₃ при температуре от 300 до 600⁰С.

C₆H₁₄Cr2O3, t  C₆H₁₂ + H₂

6. Риформинг –ароматизация

C₆H₁₄ ^Cr²^O^3,^t C₆H₆+ 4 H₂C₇H₁₆ ^Cr²^O^3,^t C₆H₅-CH₃+ 4 H₂

Бензол толуол

7. Горение

Алканы горят на воздухе с образованием углекислого газа и воды с выделением тепла (что привлекает алканы в качестве энергоносителей, однако они взрывоопасны и требуется соблюдать осторожность при пользовании бытовым газом):

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O + 882 кДж

C_nH_{2n + 2} + (3n + 1)/2 O₂  n CO₂ + (n + 1) H₂O + Q

8 Конверсия метана:

CH₄ + H₂O^{kat, t} CO + 3H₂

9. Окисление алканов:

2CH₄ + O₂ ^{kat, t}2 CH₃OH; CH₄ + O₂^{kat, t} CH₂O ;

2CH₄ + 3O₂^{kat, t} 2HCOOH +2H₂O

2 C₄H₁₀ + 5 O₂ ^{kat, t}4 CH₃COOH + 2 H₂O

Получение алканов

1. Природное сырье (нефть, газ, горный воск)

2. Реакция Фишера- Тропша (пром.) : -получение из синтез-газа.

n CO + (2n+1) H₂ ^kat,t n H₂O + C_nH_2n+2

3. Гидрирование непредельных углеводородов – присоединение H₂

CH₂ = CH₂ + H₂ ^Ni,t CH₃ – CH₃

4. Реакция Вюрца – позволяет получать углеводороды с удвоенным числом атомов углерода по сравнению с исходным соединением:

2 CH₃ –Cl + 2 Na  CH₃-CH₃ + 2 NaCl

5. Реакция Дюма – декарбоксилирование солей карбоновых кислот ( в молекуле образующегося алкана остается на один атом углерода меньше, чем в молекуле исходной соли):

CH₃-CH₂-COONa _{(твердый)}+ NaOH_{(твердый))}^{сплавление} CH₃-CH₃ + Na₂CO₃

6. Реакция Кольбе – электролиз растворов солей карбоновых кислот (продуктами реакции являются симметричные углеводороды):

2 CH₃-COONa + H₂O ^{электролиз} CH₃- CH₃+ 2 NaOH + H₂

7. Синтез метана из простых веществ:

C + 2H₂ ^kat^,^t^,^p CH₄

8. Гидролиз карбида алюминия:

Al₄C₃ + 12H₂O  3CH₄ + 4Al (OH)₃

Между алканами и другими классами существует генетическая связь, которая позволяет осуществлять различные синтезы.

Применение алканов:

1. Из алканов получают водород, сажу(резина и типографские краски), непредельные и кислородсодержащие соединения;

2.Используют в качестве топлива: бытового, промышленного, двигателей внутреннего сгорания и дизельных;

3. Вазелин –смесь твердых и жидких алканов –используют в парфюмерии, медицине и технике;

4. Парафин – смесь твердых алканов - используют для изготовления спичек, свечей, водоотталкивающих покрытий;

5.Растворители, хладоагенты, средства тушения пожаров.

Применение алканов и их соединений сопровождается экологическими последствиями:

Выбросы в атмосферу парниковых газов (метан, углекислый газ) усиливают парниковый эффект;
Попадание в атмосферу фреонов (дихлордифторметана) разрушает озоновый слой;
Горение резины сопровождается образованием диоксинов, которые накапливаясь в атмосфере, негативно воздействуют на здоровье человека;
Применение бензина с тетраэтилсвинцом вызывает свинцовое загрязнение почвы и растительности;
Алканы- взрывоопасные, горючие вещества, неосторожное обращение с которыми приводит к экологическим катастрофам.

Выводы :

Несмотря на химическую инертность алканов, химики научились получать из них широкий спектр практически важных веществ;
Применение алканов и их соединений требует внимания к технике безопасности и грамотного экологического прогноза.

3.Обучающие задачи:

1. Даны вещества:

а) CH₃ CH₃б) H₃C – CH₂ CH₂– CH₃

_ ___

H₃C – CH –CH – CH₃ H₃C –CH - CH - CH₃

в) H₃C – CH – CH – CH₃г) CH₂ - CH₂ - CH - CH - CH₃

_ ____

H₃C- CH CH₂– CH₃CH₃CH₃-CH₂CH₂ – CH₃

_

CH₃

Назовите каждое из веществ в соответствии с правилами номенклатуры ИЮПАК.

а) CH₃ CH₃

_ _2,3- диметилбутан

H₃C – CH –CH – CH₃

б) H₃C – CH₂ CH₂– CH₃

_ _запишем иначе: CH₃- CH₂- CH- CH- CH₂-CH₃

H₃C –CH - CH - CH₃__

CH₃ CH₃

3,4-диметилгексан

в) H₃C – CH – CH – CH₃ CH₃ - CH - CH - CH - СH₂- CH₃

_ _____

H₃C- CH CH₂– CH₃CH₃CH₃ CH₃2,3,4 –триметилгексан

_

CH₃

г) CH₂ - CH₂ - CH - CH - CH₃CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH – CH -CH₂-CH₃

_ _____

CH₃CH₃-CH₂CH₂ – CH₃CH₃-CH₂CH₃

3-метил 4-этилгептан

2. Даны вещества

А) 2,3,4- триметилпентан;

Б) 2,4 –диметил-3-этилпентан;

В) 2,2,4,4 – тетраметилгексан;

Г) 2-бром-3-метилпентан;

Д) 3,4-диэтил-2,5-дихлоргексан;

Е) 3-нитро-3этилпентан.

Напишите структурные формулы этих веществ.

2. «скелеты формул»

А) С- С - С - С - С

  

СH₃CH₃CH₃

Б) С- С - С - С - С

  

СH₃CH₂CH₃



CH₃

B)

CH₃CH₃

 

С- С - С - С – С- C

 

СH₃ CH₃

Г)

С- С - С - С - С

 

BrCH₃

Д)

С- С - С - С - С - C

   

ClC₂H₅C₂H₅ Cl

Е) NO₂



С- С - С - С - С



С₂ H₅

3.Алкан состава С₇Н₁₆ имеет девять изомеров (включая нормальный гептан). Напишите структурные формулы этих веществ и дайте им названия.

3. «Скелеты формул» и названия

1) C-C-C-C-C-C-C н-гептан

2) C-C-C-C-C-C 2-метилгексан



СH₃

3) C-C-C-C-C-C 3-метил гексан



С H₃

CH₃



4) C-C-C-C-C 2,2-диметилпентан



CH₃

CH₃



5) C-C-C-C-C 3,3-диметилпентан



CH₃

6)

C- C- C-C-C 2,3-диметилпентан

 

CH₃ CH₃

7) C-C- C- C-C 2,4-диметилпентан

 

CH₃ CH₃

8)

C-C-C-C-C 2-этилпентан



C₂H₅

9) C-C-C-C-C 3-этилпентан



C₂H₅

4.Напишите уравнения следующих реакций, указывая условия их протекания:

а) нитрования 2- метилбутана;

NO₂



CH₃-CH-CH₂-CH₃ + HNO₃₍_{разбавл}₎^t=140 CH₃–C –CH₂ - CH₃ + H₂O

 

CH₃CH₃2-нитро-2-метилбутан

(При нитровании гомологов метана, также как и при бромировании, в первую очередь замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем- у вторичного, и в последнюю очередь – у первичного).

б) ароматизации гексана;

CH₃-CH₂ – CH₂ – CH₂–CH₂- CH.₃ ^kat,t C₆H₆ + 4H₂

в)изомеризации пентана (в этой реакции образуется одновременно два изомера. При написании уравнения реакции достаточно в качестве продукта привести один из них)

CH₃-CH₂ – CH₂ – CH₂– CH.₃ ^{kat AlCl}³^,t CH₃–CH–CH₂- CH₃



CH₃

5.Напишите уравнения реакций бромирования и хлорирования 2,3-диметилбутана. Сколько разных монохлорзамещенных продуктов образуется при хлорировании этого вещества?

CH₃- CH – CH – CH₃ +Br₂ ^УФ .CH₃- CBr– CH – CH₃ + HBr

   

CH₃ CH₃CH₃ CH₃ 2-бром - 2,3 –диметил-бутан

(При бромировании происходит замещение атома водорода у третичного атома углерода)

CH₃- CH – CH – CH₃ +Сl₂ ^УФ 1).CH₂Cl- CH– CH – CH₃ + HCl

   

CH₃ CH₃CH₃ CH₃2,3-диметил- 1 -хлорбутан

2) CH₃- CСl– CH – CH₃ + HCl

 

CH₃CH₃2,3 – диметил-2-хлорбутан

Радикал хлор, будучи более активным, чем радикал бром, практически «не чувствует » разницы и прочности связей, поэтому почти с равной вероятностью замещает любой атом водорода. В данном случае получается два монохлорпроизводных вещества, больше всего- 2,3 –диметил-2-хлорбутан

6. Напишите уравнения реакций, позволяющих с помощью реакции Вюрца получить:

а) октан;

2 C₄H₉Cl + 2 Na  C₈H₁₈+ 2NaCl

б) 2,5 –диметилгексан.

2 CH₃ – CH – CH₂Cl + 2Na  CH₃ – CH – CH₂ - CH₂ – CH – CH₃ + 2NaCl

  

CH₃CH₃CH₃

7. Напишите структурные формулы всех алканов, образующихся при действии металлического натрия на смесь йодэтана и 2-йодпропана.

C₂H₅J + CH₃ - CHJ – CH₃ + 2Na  1) CH₃ – CH₂ – CH₂– CH₃ бутан

2) CH₃– CH₂ –CH₃пропан

3) CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ –CH₃пентан

8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Карбид алюминия метан бромметан этаннитроэтан

Al₄C₃ CH₄  CH₃Br  C₂H₆  C₂H₅NO₂

1) Al₄C₃ + 12H₂O  4 Al(OH)₃ + 3 CH₄

2) CH₄ + Br₂ ^свет  CH₃Br + HBr

3) 2 CH₃ Br + 2Na  CH₃-CH₃ + 2 NaBr

4) C₂H₆ + HNO_{3 (}_{разбавл}₎^t=140 C₂H₅NO₂ + H₂O

9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Бутан изобутан2-бром-2-метилпропан

1) CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ ^AlCl^3,^t  CH₃–C H– CH₃



CH₃

2) CH₃–CH– CH₃ + Br₂ ^t CH₃ –CBr – CH₃ + HBr

 

CH₃CH₃

10.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить 2,3-диметилбутан из пропана в две стадии

1) CH₃ –CH₂ – CH₃ + Br₂^t CH₃-CH-Br + HBr



CH₃

2) 2CH₃-CH-Br + 2Na  CH₃-CH -CH -CH₃ + 2Na Cl

  

CH₃CH₃CH₃

11.Алкан, выделившийся на аноде при электролизе водного раствора пропионата натрия ( СН₃СН₂СOONa) , пропустили над платиновым катализатором при температуре 300⁰С. Какие продукты могли образоваться в результате? Напишите уравнения возможных реакций.

2CH₃CH₂COONa + 2H₂O ^{электролиз}

CH₃–CH₂- CH₂-CH₃ + 2CO₂ + H₂+ 2NaOH

В ходе электролиза на аноде анионы CH₃CH₂ COO^- окисляются до радикалов CH₃CH₂COO, которые распадаются с образованием радикалов CH₃CH₂  и углекислого газа CO₂. Радикалы CH₃CH₂  соединяются попарно и образуется молекула бутана.

CH₃–CH₂- CH₂-CH₃^Pt,t=300  1) CH₂ = CH-CH₂-CH₃

В зависимости от условий 2) C ₄H₈

может получиться алкен, 3) CH₂ = CH-CH =CH₂

циклоалкан или алкадиен

12. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

CH₃CH₂COONa ^NaOH^,^tX₁ CH₃CH₂Clбутан ^AlCl³^,^t X₂^HNO³^{(разбавл),}^tX₃

CH₃CH₂COONa ^NaOH,t CH₃-CH₃+ Na₂CO₃X₁- CH₃ –CH₃

Происходит декарбоксилирование , т.е. отщепление группы COONa от молекулы соли. В молекуле образующегося алкана остается на один атом углерода меньше, чем в молекуле исходной соли

CH₃ –CH₃ + Cl₂^свет CH₃ –CH₂Сl + HCl

2CH₃ –CH₂Сl + 2Na  CH₃–CH₂- CH₂-CH₃

CH₃–CH₂- CH₂-CH₃ ^AlCl³^,t CH₃–CH– CH₃

 X₂ - 2-метилпропан

CH₃

CH₃–CH– CH₃ NO₂

 + HNO₃ ^t=140  

CH₃ CH₃-C-CH₃



CH₃ X₃– 2-нитро-2-метилпропан

Blog

Тема: Обобщение темы «Алканы»

Содержание