§ 10. Химические свойства, получение и применение алканов

Существует огромное число различных алканов. Их многообразие объясняется как возможностью образования углеродных цепей различной длины, так и изомерией. В связи с этим изучать химические свойства каждого алкана отдельно не представляется возможным. В то же время молекулы различных алканов имеют сходное строение: атомы углерода соединены между собой и атомами водорода одинарными ковалентными связями. Учитывая это, можно ожидать, что химические свойства  различных  алканов  будут  во многом сходными.

Все алканы характеризуются низкой химической  активностью.  Они не взаимодействуют с растворами кислот, оснований, солей. На них не действует такой сильный окислитель, как KMnO₄, и такие сильные восстановители, как щелочные металлы. Вы знаете, что щелочные металлы очень активны и реагируют практически со всеми веществами, с которыми соприкасаются, в том числе легко окисляются кислородом воздуха. Чтобы уберечь щелочные металлы от окисления, их хранят под слоем керосина — смеси, состоящей в основном из насыщенных углеводородов. При этом алканы, входящие в состав керосина, не реагируют со щелочными металлами.

Из-за низкой химической активности алканов реакции с их участием протекают в жёстких условиях (при нагревании или облучении ультрафиолетовым излучением).

Мы изучим реакции алканов с галогенами (Cl₂  и  Br₂)  и  кислородом  (O₂), а также превращения, которые они претерпевают при нагревании.

1. Галогенирование. Взаимодействие с галогенами

Взаимодействие алканов с галогенами — хлором и бромом — протекает при нагревании или облучении ультрафиолетовым излучением.

Если смесью газообразных метана и хлора заполнить стеклянный сосуд и поместить его в тёмное место, реакция протекать не будет. Однако при нагревании смеси или облучении её ультрафиолетовым излучением протекает химическая реакция замещения атомов водорода в молекуле метана на атомы хлора:

В уравнениях реакций, протекающих при облучении, над стрелкой записывают буквы hv. Данная реакция называется реакцией галогенирования и относится к реакциям замещения.

Если только один атом водорода в молекуле замещается на атом галогена, то реакцию называют моногалогенированием. Приведённая выше реакция является реакцией монохлорирования метана. В избытке хлора оставшиеся три атома водорода молекулы метана могут последовательно замещаться на галоген:

Приведём уравнения реакций всех четырёх стадий хлорирования метана с использованием молекулярных формул:

Рассмотрим реакции монохлорирования гомологов метана.

Монохлорирование этана

Для этана уравнение реакции следующее:

Отметим, что в названии «хлорэтан» нет необходимости указывать цифрой положение атома хлора. Это связано с тем, что при замещении любого атома водорода в молекуле этана на атом хлора образуется одно и то же вещество:

Таким образом, при монохлорировании этана так же, как и в случае метана, получается только одно органическое вещество — хлорэтан.

В результате реакции монохлорирования пропана образуются два продукта: 1-хлорпропан и 2-хлорпропан, имеющие одинаковые молекулярные формулы C₃H₇Cl. Это неудивительно, ведь 1-хлорпропан и 2-хлорпропан — изомеры.

Если мы запишем уравнение реакции монохлорирования пропана с использованием молекулярных формул, оно будет выглядеть следующим образом:

Уравнение реакции, записанное в таком виде, не только не позволяет определить, какой именно продукт (1-хлорпропан или 2-хлорпропан) имеется в виду, но и приводит к распространённому заблуждению, что при монохлорировании пропана образуется только один органический продукт — C₃H₇Cl, хотя на самом деле их два. Поэтому в органической химии при  записи уравнений реакций обычно используют структурные, а не молекулярные формулы веществ.

В результате хлорирования алканов происходит замещение одного или нескольких атомов водорода в молекуле алкана на атомы галогена. Поэтому получающиеся органические вещества называют галогенпроизводными алканов.

Пример. Замещение двух атомов водорода хлором в молекуле этана.

Реакция протекает в два этапа.

а) Первая стадия хлорирования этана. На первой стадии происходит замещение одного атома водорода. При этом образуется только одно органическое вещество — хлорэтан:

б) Вторая стадия хлорирования этана. На данной стадии происходит взаимодействие молекулы хлора с молекулой хлорэтана, образовавшегося на первой стадии. Очевидно, что при этом могут образоваться два органических вещества:

Действительно, в результате хлорирования этана можно получить смесь двух дихлорпроизводных.

Алканы вступают в реакции замещения также с бромом. Например:

В заключение ещё раз обратим внимание, что реакции алканов с хлором и бромом протекают в жёстких условиях: при облучении или нагревании.

С механизмом реакции галогенирования алканов вы можете познакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.

В реакциях галогенирования атомы водорода в молекуле алкана замещаются на атомы галогена, при этом углеродная цепь молекулы сохраняется. В других реакциях алканов их углеродный скелет изменяется или полностью разрушается. Рассмотрим такие реакции.

2. Пиролиз

При сильном нагревании алканов в их молекулах происходит разрыв связей  и . В результате молекулы алканов могут быть полностью разрушены с образованием углерода и водорода. Разложение веществ при высоких температурах называют пиролизом (от греч. пиро — огонь, жар и лизис — разложение, распад). Например:

Общая схема реакции пиролиза  алканов  (n  —  число  атомов  углерода в молекуле алкана):

Эту реакцию используют в промышленности для получения сажи и водорода.

3. Изомеризация

Ещё одним химическим свойством алканов является изомеризация, то есть превращение одного изомера в другой. Это свойство возможно для алканов, начиная с бутана, так как метан, этан и пропан изомеров не имеют. Реакция изомеризации протекает при пропускании алкана через реактор, нагретый до высокой температуры, в присутствии катализатора. При этом молекулы алканов линейного строения превращаются в молекулы разветвлённого строения, например реакция изомеризации н-бутана:

4. Горение.  Взаимодействие  с кислородом

Важнейшее свойство алканов — горение. Алканы воспламеняются при поджигании. Уравнение реакции горения метана:

Эта реакция вам хорошо знакома, она протекает при поджигании газа в кухонной газовой плите, ведь метан — основной компонент природного газа. Смесью пропана и изомерных бутанов наполняют газовые баллоны. Уравнения реакций горения этих алканов:

Последующие члены гомологического ряда алканов также горят при поджигании. Можно записать общее уравнение реакции горения:

Видно, что при горении атомы водорода из молекулы алкана переходят в молекулы воды, а атомы углерода — в молекулы углекислого газа. Если горение алкана происходит в условиях недостатка кислорода, то, наряду с углекислым газом (СО₂), может образоваться угарный газ (СО) или  углерод (С) в виде сажи:

Алканы входят в состав природного газа и нефти, поэтому основной метод их получения — выделение из природных источников (природного газа и нефти).

Вместе с тем, алканы могут быть получены из других органических веществ. Эти реакции мы будем рассматривать по мере дальнейшего изучения органической химии.

При горении алканов выделяется большое количество теплоты. В связи с этим алканы используются в качестве топлива. Мы уже говорили, что метан является основным компонентом природного газа. Смесью пропана   и изомерных бутанов заполняют газовые баллоны. Жидкие алканы входят  в состав бензина и дизельного топлива.

Другим направлением использования алканов является получение из них различных веществ. То есть алканы применяются в качестве сырья в химической промышленности. Взаимодействием метана с водяным паром получают водород:

Этот процесс называют конверсией метана. Образующаяся смесь водорода и оксида углерода(II) называется синтез-газом. Из водорода, выделенного из синтез-газа, и азота воздуха получают аммиак. Эти процессы осуществляют в больших масштабах на предприятии ОАО «Гродно Азот».

Из алканов получают углеводороды с двойными и тройными связями (ненасыщенные углеводороды). Эти углеводороды являются химически более активными, и из них синтезируют множество полезных органических веществ. Способы получения и свойства ненасыщенных углеводородов рассмотрим в следующих параграфах.