Pomimo faktu, że alkany są nieaktywne, są zdolne do uwalniania dużych ilości energii podczas interakcji z halogenami lub innymi wolnymi rodnikami. Alkany i reakcje z nimi są stale wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu.
Fakty o Alkanach
Alkany zajmują ważne miejsce w chemii organicznej. Formuła alkanów w chemii to C H2n+2. W przeciwieństwie do aromatów, które mają pierścień benzenowy, alkany są uważane za alifatyczne (acykliczne).
W cząsteczce dowolnego alkanu wszystkie elementy są połączone pojedynczym wiązaniem. Dlatego ta grupa substancji ma końcówkę „-an”. Odpowiednio, alkeny mają jedno wiązanie podwójne, a alkiny mają jedno wiązanie potrójne. Na przykład alkodieny mają dwa wiązania podwójne.
Alkany to węglowodory nasycone. Oznacza to, że zawierają maksymalną liczbę atomów H (wodoru). Wszystkie atomy węgla w alkanie znajdują się w pozycji sp3 – hybrydyzacja. Oznacza to, że cząsteczka alkanu jest zbudowana zgodnie z zasadą tetraedryczną. Cząsteczka metanu (CH4) przypomina czworościan,a pozostałe alkany mają strukturę zygzakowatą.
Wszystkie atomy C w alkanach są połączone wiązaniami ơ - (sigma - wiązania). Wiązania C–C są niepolarne, wiązania C–H są słabo polarne.
Właściwości alkanów
Jak wspomniano powyżej, grupa alkanowa wykazuje niewielką aktywność. Wiązania między dwoma atomami C oraz między atomami C i H są silne, więc trudno je zniszczyć pod wpływem czynników zewnętrznych. Wszystkie wiązania w alkanach są wiązaniami ơ, więc jeśli się zerwą, zwykle powstają rodniki.
Halogenowanie alkanów
Ze względu na specjalne właściwości wiązań atomów, alkany są nieodłącznie związane z reakcjami podstawienia i rozkładu. W reakcjach podstawienia w alkanach atomy wodoru zastępują inne atomy lub cząsteczki. Alkany dobrze reagują z halogenami - substancjami należącymi do grupy 17 układu okresowego Mendelejewa. Halogenami są fluor (F), brom (Br), chlor (Cl), jod (I), astat (At) i tennessyna (Ts). Halogeny są bardzo silnymi utleniaczami. Reagują z prawie wszystkimi substancjami z tabeli D. I. Mendelejewa.
Reakcje chlorowania alkanów
W praktyce brom i chlor zwykle biorą udział w halogenowaniu alkanów. Fluor jest zbyt aktywnym pierwiastkiem - z nim reakcja będzie wybuchowa. Jod jest słaby, więc reakcja substytucji z nim nie pójdzie. Astatyna jest bardzo rzadka w przyrodzie, więc trudno jest zebrać jej wystarczającą ilość do eksperymentów.
Kroki halogenowania
Wszystkie alkany przechodzą przez trzy etapy halogenowania:
- Pochodzenie łańcucha lub inicjacji. Pod wpływemświatło słoneczne, ciepło lub promieniowanie ultrafioletowe, cząsteczka chloru Cl2 rozpada się na dwa wolne rodniki. Każdy ma jeden niesparowany elektron w warstwie zewnętrznej.
- Rozwój lub wzrost łańcucha. Rodniki oddziałują z cząsteczkami metanu.
- Zakończenie łańcucha to ostatnia część halogenowania alkanów. Wszystkie rodniki zaczynają się łączyć ze sobą i ostatecznie całkowicie znikają.
Bromacja alkanów
Podczas halogenowania wyższych alkanów po etanie trudność polega na tworzeniu izomerów. Pod wpływem światła słonecznego z jednej substancji mogą powstawać różne izomery. Dzieje się tak w wyniku reakcji podstawienia. Jest to dowód na to, że każdy atom H w alkanie może zostać zastąpiony przez wolny rodnik podczas halogenowania. Złożony alkan rozkłada się na dwie substancje, których zawartość procentowa może się znacznie różnić w zależności od warunków reakcji.
Bromowanie propanu (2-bromopropan). W reakcji halogenowania propanu cząsteczką Br2 pod wpływem wysokich temperatur i światła słonecznego uwalnia się 1-bromopropan - 3% i 2-bromopropan - 97%.
Bromacja butanu. Kiedy butan jest bromowany pod wpływem światła i wysokich temperatur, wychodzi 2% 1-bromobutanu i 98% 2-bromobutanu.
Różnica między chlorowaniem a bromowaniem alkanów
Chlorowanie jest częściej stosowane w przemyśle. Na przykład do produkcji rozpuszczalników zawierających mieszaninę izomerów. Po otrzymaniu haloalkanutrudne do oddzielenia od siebie, ale na rynku mieszanka jest tańsza niż czysty produkt. W laboratoriach częściej występuje bromowanie. Brom jest słabszy niż chlor. Ma niską reaktywność, dzięki czemu atomy bromu mają wysoką selektywność. Oznacza to, że podczas reakcji atomy „wybierają”, który atom wodoru zastąpić.
Charakter reakcji chlorowania
Podczas chlorowania alkanów izomery tworzą się w przybliżeniu w równych ilościach w ich ułamku masowym. Na przykład chlorowanie propanu katalizatorem w postaci wzrostu temperatury do 454 stopni daje nam 2-chloropropan i 1-chloropropan w proporcji odpowiednio 25% i 75%. Jeżeli reakcja halogenowania zachodzi tylko za pomocą promieniowania ultrafioletowego, otrzymuje się 43% 1-chloropropanu i 57% 2-chloropropanu. W zależności od warunków reakcji stosunek otrzymanych izomerów może się różnić.
Charakter reakcji bromowania
W wyniku reakcji bromowania alkanów łatwo uwalniana jest prawie czysta substancja. Na przykład 1-bromopropan - 3%, 2-bromopropan - 97% cząsteczki n-propanu. Dlatego bromowanie jest często stosowane w laboratoriach do syntezy określonej substancji.
Siarczenie alkanów
Alkany są również sulfonowane przez mechanizm substytucji rodnikowej. Aby reakcja zaszła, tlen i tlenek siarki SO2 (bezwodnik siarkawy) działają jednocześnie na alkan. W wyniku reakcji alkan przekształca się w kwas alkilosulfonowy. Przykład sulfonowania butanu:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Ogólny wzór na sulfoutlenianie alkanów:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfochlorowanie alkanów
W przypadku sulfochlorowania zamiast tlenu jako utleniacz stosuje się chlor. W ten sposób otrzymuje się chlorki alkanosulfonowe. Reakcja sulfochlorowania jest wspólna dla wszystkich węglowodorów. Występuje w temperaturze pokojowej i nasłonecznieniu. Jako katalizator stosuje się również nadtlenki organiczne. Taka reakcja dotyczy tylko wiązań drugorzędowych i pierwszorzędowych związanych z atomami węgla i wodoru. Materia nie dociera do trzeciorzędowych atomów, ponieważ łańcuch reakcji pęka.
Reakcja Konowałowa
Reakcja nitrowania, podobnie jak reakcja halogenowania alkanów, przebiega zgodnie z mechanizmem wolnorodnikowym. Reakcję prowadzi się przy użyciu silnie rozcieńczonego (10 - 20%) kwasu azotowego (HNO3). Mechanizm reakcji: w wyniku reakcji alkany tworzą mieszaninę związków. Aby katalizować reakcję, stosuje się wzrost temperatury do 140⁰ i normalne lub podwyższone ciśnienie otoczenia. Podczas nitrowania wiązania C–C są niszczone, a nie tylko C–H, w przeciwieństwie do poprzednich reakcji podstawienia. Oznacza to, że ma miejsce pękanie. To jest reakcja rozszczepienia.
Reakcje utleniania i spalania
Alkany są również utleniane zgodnie z typem wolnych rodników. W przypadku parafin istnieją trzy rodzaje przetwarzania z wykorzystaniem reakcji utleniania.
- W fazie gazowej. Więcuzyskać aldehydy i niższe alkohole.
- W fazie ciekłej. Użyj utleniania termicznego z dodatkiem kwasu borowego. Dzięki tej metodzie uzyskuje się wyższe alkohole od С10 do С20.
- W fazie ciekłej. Alkany są utleniane do syntezy kwasów karboksylowych.
W procesie utleniania wolny rodnik O2 całkowicie lub częściowo zastępuje składnik wodorowy. Całkowite utlenianie to spalanie.
Dobrze palące się alkany są stosowane jako paliwo do elektrowni cieplnych i silników spalinowych. Spalanie alkanów wytwarza dużo energii cieplnej. Alkany złożone są umieszczane w silnikach spalinowych. Interakcja z tlenem w prostych alkanach może doprowadzić do wybuchu. Asf alt, parafina i różne smary dla przemysłu są wytwarzane z produktów odpadowych powstających w reakcjach z alkanami.
