Neskatoties uz to, ka alkāni ir neaktīvi, tie spēj atbrīvot lielu daudzumu enerģijas, mijiedarbojoties ar halogēniem vai citiem brīvajiem radikāļiem. Alkāni un reakcijas ar tiem tiek pastāvīgi izmantoti daudzās nozarēs.
Alkānu fakti
Alkāni ieņem nozīmīgu vietu organiskajā ķīmijā. Alkānu formula ķīmijā ir C H2n+2. Atšķirībā no aromātiskajiem savienojumiem, kuriem ir benzola gredzens, alkāni tiek uzskatīti par alifātiem (acikliskiem).
Jebkura alkāna molekulā visi elementi ir savienoti ar vienotu saiti. Tāpēc šai vielu grupai ir galotne "-an". Attiecīgi alkēniem ir viena dubultā saite, un alkīniem ir viena trīskāršā saite. Piemēram, alkodiēniem ir divas dubultās saites.
Alkāni ir piesātināti ogļūdeņraži. Tas ir, tie satur maksimālo H (ūdeņraža) atomu skaitu. Visi oglekļa atomi alkānā atrodas pozīcijā sp3 – hibridizācija. Tas nozīmē, ka alkāna molekula ir veidota saskaņā ar tetraedru likumu. Metāna molekula (CH4) atgādina tetraedru,un pārējiem alkāniem ir zigzaga struktūra.
Visi C atomi alkānos ir savienoti, izmantojot ơ - saites (sigma - saites). C–C saites ir nepolāras, C–H saites ir vāji polāras.
Alkānu īpašības
Kā minēts iepriekš, alkānu grupai ir maza aktivitāte. Saites starp diviem C atomiem un starp C un H atomiem ir spēcīgas, tāpēc tās ir grūti iznīcināt ārējās ietekmes ietekmē. Visas saites alkānos ir ơ saites, tāpēc, ja tās pārtrūkst, parasti rodas radikāļi.
Alkānu halogenēšana
Pateicoties atomu saišu īpašajām īpašībām, alkāni ir raksturīgi aizvietošanas un sadalīšanās reakcijām. Aizvietošanas reakcijās alkānos ūdeņraža atomi aizstāj citus atomus vai molekulas. Alkāni labi reaģē ar halogēniem - vielām, kas ir Mendeļejeva periodiskās tabulas 17. grupā. Halogēni ir fluors (F), broms (Br), hlors (Cl), jods (I), astatīns (At) un tenesīns (Ts). Halogēni ir ļoti spēcīgi oksidētāji. Tie reaģē gandrīz ar visām vielām no D. I. Mendeļejeva tabulas.
Alkānu hlorēšanas reakcijas
Praksē alkānu halogenēšanā parasti piedalās broms un hlors. Fluors ir pārāk aktīvs elements - ar to reakcija būs sprādzienbīstama. Jods ir vājš, tāpēc aizstāšanas reakcija ar to nenotiks. Un astatīns dabā ir ļoti reti sastopams, tāpēc ir grūti savākt pietiekami daudz tā eksperimentiem.
Halogenizācijas soļi
Visi alkāni iziet trīs halogenēšanas stadijas:
- Ķēdes vai iniciācijas izcelsme. Ietekmēsaules gaismas, karstuma vai ultravioletā starojuma ietekmē hlora molekula Cl2 sadalās divos brīvajos radikāļos. Katram no tiem ir viens nepāra elektrons ārējā slānī.
- Ķēdes attīstība vai izaugsme. Radikāļi mijiedarbojas ar metāna molekulām.
- Ķēdes pārtraukšana ir alkānu halogenēšanas beigu daļa. Visi radikāļi sāk apvienoties viens ar otru un galu galā pilnībā izzūd.
Alkānu bromēšana
Halogēnējot augstākos alkānus pēc etāna, grūtības rada izomēru veidošanās. No vienas vielas saules gaismas ietekmē var veidoties dažādi izomēri. Tas notiek aizstāšanas reakcijas rezultātā. Tas ir pierādījums tam, ka jebkuru alkāna H atomu halogenēšanas laikā var aizstāt ar brīvo radikāli. Komplekss alkāns sadalās divās vielās, kuru procentuālais daudzums var ievērojami atšķirties atkarībā no reakcijas apstākļiem.
Propāna bromēšana (2-brompropāns). Propāna halogenēšanas reakcijā ar Br2 molekulu augstas temperatūras un saules gaismas ietekmē izdalās 1-brompropāns - 3% un 2-brompropāns - 97%.
Butāna bromēšana. Kad butānu bromē gaismas un augstas temperatūras ietekmē, izdalās 2% 1-brombutāna un 98% 2-brombutāna.
Atšķirība starp alkānu hlorēšanu un bromēšanu
Hlorēšanu biežāk izmanto rūpniecībā. Piemēram, šķīdinātāju ražošanai, kas satur izomēru maisījumu. Pēc haloalkāna saņemšanasgrūti atdalīt viens no otra, bet tirgū maisījums ir lētāks nekā tīrais produkts. Laboratorijās bromēšana notiek biežāk. Broms ir vājāks par hloru. Tam ir zema reaktivitāte, tāpēc broma atomiem ir augsta selektivitāte. Tas nozīmē, ka reakcijas laikā atomi "izvēlas", kuru ūdeņraža atomu aizstāt.
Hlorēšanas reakcijas raksturs
Hlorējot alkānus, izomēri veidojas aptuveni vienādos daudzumos to masas daļā. Piemēram, propāna hlorēšana ar katalizatoru, paaugstinot temperatūru līdz 454 grādiem, dod mums 2-hlorpropānu un 1-hlorpropānu attiecīgi 25% un 75%. Ja halogenēšanas reakcija notiek tikai ar ultravioletā starojuma palīdzību, iegūst 43% 1-hlorpropāna, bet 57% 2-hlorpropāna. Atkarībā no reakcijas apstākļiem iegūto izomēru attiecība var atšķirties.
Bromēšanas reakcijas raksturs
Alkānu bromēšanas reakciju rezultātā viegli izdalās gandrīz tīra viela. Piemēram, 1-brompropāns - 3%, 2-brompropāns - 97% no n-propāna molekulas. Tāpēc bromēšana bieži tiek izmantota laboratorijās, lai sintezētu konkrētu vielu.
Alkānu sulfācija
Alkānus sulfonē arī radikālas aizstāšanas mehānisms. Lai reakcija notiktu, skābeklis un sēra oksīds SO2 (sēra anhidrīds) vienlaicīgi iedarbojas uz alkānu. Reakcijas rezultātā alkāns tiek pārveidots par alkilsulfonskābi. Butāna sulfonēšanas piemērs:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Vispārīga formula alkānu sulfoksidēšanai:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Alkānu sulfohlorēšana
Sulfohlorēšanas gadījumā skābekļa vietā kā oksidētāju izmanto hloru. Tādā veidā iegūst alkānsulfonhlorīdus. Sulfohlorēšanas reakcija ir raksturīga visiem ogļūdeņražiem. Tas notiek istabas temperatūrā un saules gaismā. Organiskos peroksīdus izmanto arī kā katalizatoru. Šāda reakcija ietekmē tikai sekundārās un primārās saites, kas saistītas ar oglekļa un ūdeņraža atomiem. Viela nesasniedz terciāros atomus, jo reakcijas ķēde pārtrūkst.
Konovalova reakcija
Nitrēšanas reakcija, tāpat kā alkānu halogenēšanas reakcija, notiek saskaņā ar brīvo radikāļu mehānismu. Reakciju veic, izmantojot ļoti atšķaidītu (10 - 20%) slāpekļskābi (HNO3). Reakcijas mehānisms: reakcijas rezultātā alkāni veido savienojumu maisījumu. Lai katalizētu reakciju, tiek izmantota temperatūras paaugstināšana līdz 140⁰ un normāls vai paaugstināts apkārtējās vides spiediens. Nitrēšanas laikā, atšķirībā no iepriekšējām aizvietošanas reakcijām, tiek iznīcinātas C-C saites, nevis tikai C-H. Tas nozīmē, ka notiek plaisāšana. Tā ir šķelšanās reakcija.
Oksidācijas un sadegšanas reakcijas
Alkāni tiek oksidēti arī atbilstoši brīvo radikāļu tipam. Parafīniem ir trīs apstrādes veidi, izmantojot oksidatīvo reakciju.
- Gāzes fāzē. Tātadiegūstiet aldehīdus un zemākos spirtus.
- Šķidrajā fāzē. Izmantojiet termisko oksidēšanu, pievienojot borskābi. Ar šo metodi augstākos spirtus iegūst no С10 līdz С20.
- Šķidrajā fāzē. Alkāni tiek oksidēti, lai sintezētu karbonskābes.
Oksidācijas procesā brīvais radikālis O2 pilnībā vai daļēji aizstāj ūdeņraža komponentu. Pilnīga oksidēšanās ir sadegšana.
Labi degošie alkāni tiek izmantoti kā degviela termoelektrostacijās un iekšdedzes dzinējos. Dedzinot alkānus, rodas daudz siltumenerģijas. Kompleksie alkāni tiek ievietoti iekšdedzes dzinējos. Mijiedarbība ar skābekli vienkāršos alkānos var izraisīt sprādzienu. Asf alts, parafīns un dažādas smērvielas rūpniecībai tiek ražotas no atkritumiem, kas rodas reakcijās ar alkāniem.
