§ 10. Хімічныя ўласцівасці, атрыманне і прымяненне алканаў

Хімічныя ўласцівасці, атрыманне і прымяненне алканаў

Існуе велізарная колькасць розных алканаў. Іх разнастайнасць тлумачыцца як магчымасцю ўтварэння вугляродных ланцугоў рознай даўжыні, так і ізамерыяй. У сувязі з гэтым вывучаць хімічныя ўласцівасці кожнага алкану асобна не ўяўляецца магчымым. У той жа час малекулы розных алканаў маюць падобную будову: атамы вугляроду злучаны паміж сабой і атамамі вадароду адзінарнымі кавалентнымі сувязямі. Улічваючы гэта, можна чакаць, што хімічныя ўласцівасці розных алканаў будуць шмат у чым сходнымі.

Усе алканы характарызуюцца нізкай хімічнай актыўнасцю. Яны не ўзаемадзейнічаюць з растворамі кіслот, асноў, солей. На іх не дзейнічае такі моцны акісляльнік, як KMnO₄, і такія моцныя адноўнікі, як шчолачныя металы. Вы ведаеце, што шчолачныя металы вельмі актыўныя і рэагуюць практычна з усімі рэчывамі, з якімі сутыкаюцца, у тым ліку лёгка акісляюцца кіслародам паветра. Каб зберагчы шчолачныя металы ад акіслення, іх захоўваюць пад слоем газы — сумесі, якая складаецца ў асноўным з насычаных вуглевадародаў. Пры гэтым алканы, якія ўваходзяць у састаў газы, не рэагуюць са шчолачнымі металамі.

З-за нізкай хімічнай актыўнасці алканаў рэакцыі з іх удзелам працякаюць у жорсткіх умовах (пры награванні або апраменьванні ўльтрафіялетавым выпраменьваннем).

Мы вывучым рэакцыі алканаў з галагенамі (Cl₂ і Br₂) і кіслародам (O₂), а таксама ператварэнні, якія адбываюцца пры награванні алканаў.

1. Галагенаванне. Узаемадзеянне з галагенамі

Узаемадзеянне алканаў з галагенамі — хлорам і бромам — працякае пры награванні або апраменьванні ўльтрафіялетавым выпраменьваннем.

Калі сумессю газападобных метану і хлору запоўніць шклянную пасудзіну і змясціць яе ў цёмнае месца, рэакцыя працякаць не будзе. Аднак пры награванні сумесі або апраменьванні яе ўльтрафіялетавым выпраменьваннем працякае хімічная рэакцыя замяшчэння атамаў вадароду ў малекуле метану на атамы хлору:

Ва ўраўненнях рэакцый, якія працякаюць пры апраменьванні, над стрэлкай запісваюць літары hν. Дадзеная рэакцыя называецца рэакцыяй галагенавання і адносіцца да рэакцый замяшчэння.

Калі толькі адзін атам вадароду ў малекуле замяшчаецца на атам галагену, то рэакцыю называюць монагалагенаваннем. Прыведзеная вышэй рэакцыя з’яўляецца рэакцыяй монахларавання метану. У лішку хлору тры атамы вадароду малекулы метану, якія засталіся, могуць паслядоўна замяшчацца на галаген:

Прывядзём ураўненні рэакцый усіх чатырох стадый хларавання метану з выкарыстаннем малекулярных формул:

Разгледзім рэакцыі монахларавання гамолагаў метану.

Монахлараванне этану

Для этану ўраўненне рэакцыі наступнае:

Адзначым, што ў назве «хлорэтан» няма неабходнасці ўказваць лічбай становішча атама хлору. Гэта звязана з тым, што пры замяшчэнні любога атама вадароду ў малекуле этану на атам хлору ўтвараецца адно і тое ж рэчыва:

Такім чынам, пры монахлараванні этану таксама, як і ў выпадку метану, атрымліваецца толькі адно арганічнае рэчыва — хлорэтан.

Монахлараванне прапану

Пры монахлараванні прапану ўтвараецца сумесь двух арганічных рэчываў:

У выпадку I адбываецца замяшчэнне на галаген атама вадароду пры першым атаме вугляроду, прадукт рэакцыі — 1-хлорпрапан. У выпадку II замяшчаецца атам вадароду пры другім атаме вугляроду, прадуктам рэакцыі з’яўляецца 2-хлорпрапан. Звярніце ўвагу на тое, што пры пабудове назваў нумарацыю атамаў вугляроду пачынаюць з таго канца вугляроднага ланцуга, да якога бліжэй размешчаны атам хлору.

У выніку рэакцыі монахларавання прапану ўтвараюцца два прадукты: 1-хлорпрапан і 2-хлорпрапан, якія маюць аднолькавыя малекулярныя формулы C₃H₇Cl. Гэта не дзіўна, бо 1-хлорпрапан і 2-хлорпрапан — ізамеры.

Калі мы запішам ураўненне рэакцыі монахларавання прапану з выкарыстаннем малекулярных формул, яно будзе выглядаць наступным чынам:

Ураўненне рэакцыі, запісанае ў такім выглядзе, не толькі не дазваляе вызначыць, які менавіта прадукт (1-хлорпрапан ці 2-хлорпрапан) маецца на ўвазе, але і прыводзіць да распаўсюджанай памылкі, што пры монахлараванні прапану ўтвараецца толькі адзін арганічны прадукт — C₃H₇Cl, хоць на самай справе іх два. Таму ў арганічнай хіміі пры запісе ўраўненняў рэакцый звычайна выкарыстоўваюць структурныя, а не малекулярныя формулы рэчываў.

У выніку хларавання алканаў адбываецца замяшчэнне аднаго або некалькіх атамаў вадароду ў малекуле алкану на атамы галагену. Таму арганічныя рэчывы, якія атрымліваюць, называюць галагенвытворнымі алканаў.

Прыклад. Замяшчэнне двух атамаў вадароду хлорам у малекуле этану.

Рэакцыя працякае ў два этапы.

а) Першая стадыя хларавання этану. На першай стадыі адбываецца замяшчэнне аднаго атама вадароду. Пры гэтым утвараецца толькі адно арганічнае рэчыва — хлорэтан:

б) Другая стадыя хларавання этану. На дадзенай стадыі адбываецца ўзаемадзеянне малекулы хлору з малекулай хлорэтану, што ўтварыўся на першай стадыі. Відавочна, што пры гэтым могуць утварацца два арганічныя рэчывы:

Сапраўды, у выніку хларавання этану можна атрымаць сумесь двух дыхлорвытворных.

Алканы ўступаюць у рэакцыі замяшчэння таксама з бромам. Напрыклад:

Напрыканцы яшчэ раз звернем увагу, што рэакцыі алканаў з хлорам і бромам працякаюць у жорсткіх умовах: пры апраменьванні або награванні.

У рэакцыях галагенавання атамы вадароду ў малекуле алкану замяшчаюцца на атамы галагену, пры гэтым вугляродны ланцуг малекулы захоўваецца. У іншых рэакцыях алканаў іх вугляродны шкілет змяняецца ці цалкам разбураецца. Разгледзім такія рэакцыі.

2. Піроліз

Пры моцным награванні алканаў у іх малекулах адбываецца разрыў сувязей C C і C H. У выніку малекулы алканаў могуць быць цалкам разбураны з утварэннем вугляроду і вадароду. Раскладанне рэчываў пры высокіх тэмпературах называюць піролізам (ад грэч. піра — ‘агонь, жар’ і лізіс — ‘раскладанне, распад’). Напрыклад:

Агульная схема рэакцыі піролізу алканаў (n — лік атамаў вугляроду ў малекуле алкану):

Гэту рэакцыю выкарыстоўваюць у прамысловасці для атрымання сажы і вадароду.

3. Ізамерызацыя

Яшчэ адной хімічнай уласцівасцю алканаў з’яўляецца ізамерызацыя, гэта значыць ператварэнне аднаго ізамеру ў другі. Гэта ўласцівасць магчыма для алканаў пачынаючы з бутану, так як метан, этан і прапан ізамераў не маюць. Рэакцыя ізамерызацыі працякае пры прапусканні алкану праз рэактар, нагрэты да высокай тэмпературы, у прысутнасці каталізатара. Пры гэтым малекулы алканаў лінейнай будовы ператвараюцца ў малекулы разгалінаванай будовы, напрыклад рэакцыя ізамерызацыі н-бутану:

4. Гарэнне. Узаемадзеянне з кіслародам

Важнейшая ўласцівасць алканаў — гарэнне. Алканы ўзгараюцца пры падпальванні. Ураўненне рэакцыі гарэння метану:

Гэта рэакцыя вам добра знаёма, яна працякае пры падпальванні газу ў кухоннай газавай пліце, так як метан — асноўны кампанент прыроднага газу. Сумессю прапану і ізамерных бутанаў напаўняюць газавыя балоны. Ураўненні рэакцый гарэння гэтых алканаў:

Наступныя члены гамалагічнага рада алканаў таксама гараць пры падпальванні. Можна запісаць агульнае ўраўненне рэакцыі гарэння:

Відаць, што пры гарэнні атамы вадароду з малекулы алкану пераходзяць у малекулы вады, а атамы вугляроду — у малекулы вуглякіслага газу. Калі гарэнне алкану адбываецца ва ўмовах недахопу кіслароду, то разам з вуглякіслым газам (СО₂) можа ўтварыцца чадны газ (СО) ці вуглярод (С) у выглядзе сажы:

Адзначым, што ўласцівасць гарэць у кіслародзе характэрна амаль для ўсіх арганічных злучэнняў. Паколькі ўсе арганічныя рэчывы змяшчаюць вуглярод, то пры іх гарэнні могуць утварацца аксіды вугляроду і сажа.

Утварэнне чаднага газу (CO) пры няпоўным згаранні арганічнага рэчыва смяротна небяспечнае з-за высокай таксічнасці СО. Атручэнне чадным газам можа адбыцца пры няправільнай эксплуатацыі печаў і камінаў.

Як бачна, хімічныя ўласцівасці алканаў не адрозніваюцца вялікай разнастайнасцю. Для іх характэрны, у асноўным, рэакцыі акіслення (у прыватнасці, гарэння), раскладання і ізамерызацыі пры высокай тэмпературы, а таксама рэакцыі замяшчэння, у выніку якіх атрымліваюць галагенвытворныя алканаў.

Атрыманне і прымянененне алканаў

Пры гарэнні алканаў вылучаецца вялікая колькасць цеплаты. У сувязі з гэтым алканы выкарыстоўваюцца ў якасці паліва. Мы ўжо адзначалі, што метан з’яўляецца асноўным кампанентам прыроднага газу. Сумессю прапану і ізамерных бутанаў запаўняюць газавыя балоны. Вадкія алканы ўваходзяць у састаў бензіну і дызельнага паліва.

Другім напрамкам выкарыстання алканаў з’яўляецца атрыманне з іх розных рэчываў. Гэта значыць, алканы прымяняюцца ў якасці сыравіны ў хімічнай прамысловасці. Узаемадзеяннем метану з вадзяной парай атрымліваюць вадарод:

Гэты працэс называюць канверсіяй метану. Сумесь вадароду і аксіду вугляроду(II), якая ўтвараецца, называецца сінтэз-газам. З вадароду, вылучанага з сінтэз-газу, і азоту паветра атрымліваюць аміяк. Гэтыя працэсы ажыццяўляюць у вялікіх маштабах на прадпрыемстве ААТ «Гродна Азот».

З алканаў атрымліваюць вуглевадароды з двайнымі і трайнымі сувязямі (ненасычаныя вуглевадароды). Гэтыя вуглевадароды з’яўляюцца хімічна больш актыўнымі, і з іх сінтэзуюць мноства карысных арганічных рэчываў. Спосабы атрымання і ўласцівасці ненасычаных вуглевадародаў мы разгледзім у наступных параграфах.

*Механізм рэакцыі галагенавання алканаў

Для таго каб метан уступіў у рэакцыю замяшчэння з хлорам, неабходна апраменьванне сумесі ўльтрафіялетавым выпраменьваннем. Цікава, што дадзеная рэакцыя працягваецца і пасля спынення апраменьвання.

Якое ж уздзеянне аказвае ўльтрафіялетавае выпраменьванне на сумесь метану з хлорам? Спачатку пад дзеяннем выпраменьвання малекула хлору распадаецца на два атамы хлору, кожны з якіх мае няспараны электрон. Гэта рэакцыя называецца ініцыіраваннем:

Часціцы, якія маюць няспараны электрон, называюцца радыкаламі. Радыкалы пры звычайных умовах надзвычай няўстойлівыя і адразу ж уступаюць ва ўзаемадзеянне з іншымі малекуламі.

Так, радыкал Cl•, які ўтварыўся ў выніку распаду малекулы хлору, узаемадзейнічае з малекулай метану. Пры гэтым утвараецца малекула хлоравадароду і радыкал метыл •CH₃:

Радыкал •CH₃, у сваю чаргу, узаемадзейнічае з наступнай малекулай хлору, утвараючы хлорметан і новы радыкал хлор:

Далей зноў паўтараюцца ператварэнні (1) і (2). Ланцужок гэтых ператварэнняў можа паўтарацца сотні разоў, таму падобныя рэакцыі называюць ланцуговымі.

Рэакцыі (1) і (2) называюцца ростам ланцуга:

Ланцуг можа абарвацца ў выніку ўзаемадзеяння двух радыкалаў. Такая рэакцыя называецца абрывам ланцуга:

Трэба адзначыць, што апраменьванне сумесі ўльтрафіялетавым святлом неабходна толькі для распаду малекулы хлору на атамы — стадыі ініцыіравання. Так як на стадыі росту ланцуга ў рэакцыях удзельнічаюць актыўныя часціцы (радыкалы), то на гэтай стадыі падвядзенне энергіі ўжо не патрабуецца. Таму рэакцыя хларавання метану працягвае працякаць нават пасля спынення апраменьвання.

Па ланцуговаму радыкальнаму механізму працякае рэакцыя паміж вадародам і кіслародам, якая вядома вам з курса неарганічнай хіміі. Такія рэакцыі ідуць з вельмі вялікімі скорасцямі і могуць суправаджацца выбухам.

*Атрыманне алканаў

Награванне солей карбонавых кіслот са шчолаччу

Алканы можна атрымаць награваннем натрыевых солей карбонавых кіслот з гідраксідам натрыю. Так, пры награванні цвёрдай сумесі натрыевай солі воцатнай кіслаты (ацэтату натрыю) з гідраксідам натрыю ўтвараецца метан. Ураўненне рэакцыі:

Рэакцыя Вюрца

Адным з лабараторных метадаў атрымання алканаў з’яўляецца рэакцыя Вюрца, якая заключаецца ва ўзаемадзеянні галагенвытворных алканаў з металічным натрыем. У якасці прыкладу прывядзём рэакцыю атрымання этану:

Відавочна, што дадзеную рэакцыю трэба выкарыстоўваць для атрымання алканаў сіметрычнай будовы, гэта значыць, якія складаюцца з двух аднолькавых частак.

Рэакцыя названа ў гонар яе першаадкрывальніка — французскага хіміка Шарля Адольфа Вюрца (1817—1884).

Пытанні і заданні

1. Напішыце ўраўненне рэакцыі монабрамавання этану.

2. Напішыце ўраўненні рэакцый, якія працякаюць пры ўзаемадзеянні н-бутану з хлорам. Лічыце, што толькі адзін атам вадароду ў малекуле н-бутану замяшчаецца на хлор. Падпішыце назвы арганічных рэчываў, якія ўтварыліся.

3. Колькі хлорвытворных можна атрымаць у выніку хларавання этану? Напішыце ўраўненні рэакцый атрымання ўсіх магчымых хлорвытворных этану, назавіце хлорвытворныя. Ці можна пры запісе ўраўненняў рэакцый у дадзеным выпадку выкарыстоўваць малекулярныя формулы?

4. Напішыце ўраўненне рэакцыі гарэння бутану ў лішку кіслароду. Які аб’ём (н. у.) вуглякіслага газу ўтвараецца пры спальванні 1 моль бутану?

5. Напішыце ўраўненне рэакцыі піролізу метану з утварэннем вадароду і вугляроду. Знайдзіце масу вугляроду, які можа быць атрыманы пры поўным раскладанні 44,8 дм³ (н. у.) метану.

6. Назавіце асноўныя галіны прымянення алканаў.

7*. Напішыце ўраўненні рэакцый, пры дапамозе якіх з этана і неарганічных рэчываў можна атрымаць н-бутан.

8*. У выніку рэакцыі хларавання этану ўтвараецца невялікая колькасць н-бутану. Растлумачце дадзеную з’яву, напішыце ўраўненні адпаведных рэакцый.

9*. Напішыце структурную формулу рэчыва саставу С₃Н₆О₂, калі вядома, што яго водны раствор мае кіслую рэакцыю, а пры награванні яго натрыевай солі з NaOH утвараецца этан. Напішыце ўраўненні рэакцый, якія працякаюць.
(Адказ: прапанавая кіслата.)

10*. Прапануйце дзве магчымыя структурныя формулы рэчыва саставу С₄Н₈О₂. Знайдзіце яго структурную формулу, калі вядома, што яго раствор мае кіслую рэакцыю. Пры награванні натрыевай солі рэчыва з гідраксідам натрыю ўтвараецца прапан.
(Адказ: 2,3-дыметылбутанавая кіслата.)

11*. Устанавіце будову вуглевадароду С₆Н₁₄, пры монабрамаванні якога ўтвараецца трацічнае бромвытворнае. Гэты вуглевадарод можа быць атрыманы па метаду Вюрца без пабочных прадуктаў. Напішыце схемы рэакцый, якія працякаюць.
(Адказ: 2,3-дыметылбутан.)

12*. Атрымайце прапан з воцатнай кіслаты.

13*. У газападобнай сумесі метану і хлору на тры малекулы метану прыходзіцца адна малекула хлору.

а) Разлічыце масавыя долі метану і хлору ў гэтай сумесі.

б) Зыходную сумесь аб’ёмам 45 л (н. у.) змясцілі ў замкнёную пасудзіну і апрамянілі святлом. Лічачы, што толькі адзін атам вадароду ў малекуле метану замяшчаецца на хлор, разлічыце масы ўсіх рэчываў у сумесі, якая ўтварылася пасля заканчэння рэакцыі.
Адказ:
а) Масавыя долі: метану — 40,3 %; хлору — 59,7 %.
б) m(CH₄) = 16 г; m(CH₃Cl) = 25,25 г; m(HCl) = 18,25 г.