Piesātinātie ogļūdeņraži (parafīni) ir piesātināti alifātiski ogļūdeņraži, kur starp oglekļa atomiem ir vienkārša (vienreizēja) saite.
Visas pārējās valences ir pilnībā piesātinātas ar ūdeņraža atomiem.
Homoloģiskā sērija
Galīgiem piesātinātajiem ogļūdeņražiem ir vispārīgā formula SpH2p+2. Normālos apstākļos šīs klases pārstāvjiem ir vāja reaktivitāte, tāpēc tos sauc par "parafīniem". Piesātinātie ogļūdeņraži sākas ar metānu, kura molekulārā formula ir CH4.
Struktūras iezīmes metāna piemērā
Šī organiskā viela ir bez smaržas un bezkrāsas, gāze ir gandrīz divas reizes vieglāka par gaisu. Dabā tas veidojas dzīvnieku un augu organismu sadalīšanās laikā, bet tikai tad, ja nav gaisa piekļuves. Tas ir atrodams ogļraktuvēs, purvainos rezervuāros. Nelielos daudzumos metāns ir daļa no dabasgāzes, kas šobrīd tiek izmantota kā degviela ražošanā, sadzīvē.
Šim piesātinātajam ogļūdeņradim, kas pieder pie alkānu klases, ir kovalentā polārā saite. Tetraedriskā struktūra ir izskaidrojama ar sp3oglekļa atoma hibridizācija, saites leņķis ir 109°28'.
Parafīnu nomenklatūra
Piesātinātos ogļūdeņražus var nosaukt saskaņā ar sistemātisku nomenklatūru. Ir noteikta procedūra, kas ļauj ņemt vērā visus zarus, kas atrodas piesātinātā ogļūdeņraža molekulā. Vispirms jums ir jānosaka garākā oglekļa ķēde, pēc tam numurējiet oglekļa atomi. Lai to izdarītu, atlasiet to molekulas daļu, kurā ir maksimālais sazarojums (lielāks skaits radikāļu). Ja alkānā ir vairāki identiski radikāļi, precizējošos prefiksus norāda ar to nosaukumu: di-, tri-, tetra. Skaitļus izmanto, lai noskaidrotu aktīvo daļiņu atrašanās vietu ogļūdeņraža molekulā. Pēdējais solis parafīnu nosaukumā ir pašas oglekļa ķēdes norāde, pievienojot sufiksu -an.
Piesātinātie ogļūdeņraži atšķiras pēc to agregācijas stāvokļa. Pirmie četri šī kases pārstāvji ir gāzveida savienojumi (no metāna līdz butānam). Palielinoties relatīvajai molekulmasai, notiek pāreja uz šķidrumu un pēc tam uz cietu agregācijas stāvokli.
Piesātinātie un nepiesātinātie ogļūdeņraži nešķīst ūdenī, bet var izšķīst organisko šķīdinātāju molekulās.
Izomērijas pazīmes
Kādi izomērijas veidi piemīt piesātinātajiem ogļūdeņražiem? Šīs klases pārstāvju struktūras piemēri, sākot ar butānu, norādaoglekļa skeleta izomērijas klātbūtne.
Oglekļa ķēdei, ko veido kovalentās polārās saites, ir zigzaga forma. Tas ir iemesls galvenās ķēdes izmaiņām telpā, tas ir, strukturālo izomēru pastāvēšanai. Piemēram, mainot atomu izvietojumu butāna molekulā, veidojas tā izomērs - 2metilpropāns.
Ķīmiskās īpašības
Apskatīsim piesātināto ogļūdeņražu galvenās ķīmiskās īpašības. Šīs ogļūdeņražu klases pārstāvjiem pievienošanās reakcijas nav raksturīgas, jo visas molekulas saites ir atsevišķas (piesātinātas). Alkāni nonāk mijiedarbībā, kas saistīta ar ūdeņraža atoma aizstāšanu ar halogēnu (halogenēšana), nitrogrupu (nitrēšana). Ja piesātināto ogļūdeņražu formulas ir formā SpH2n + 2, tad pēc aizvietošanas veidojas viela ar sastāvu CnH2n + 1CL, kā arī CnH2n + 1NO2.
Aizvietošanas procesam ir brīvo radikāļu mehānisms. Vispirms veidojas aktīvās daļiņas (radikāļi), pēc tam tiek novērota jaunu organisko vielu veidošanās. Visi alkāni reaģē ar periodiskās tabulas septītās grupas (galvenās apakšgrupas) pārstāvjiem, bet process notiek tikai paaugstinātā temperatūrā vai gaismas kvanta klātbūtnē.
Tāpat visiem metāna sērijas pārstāvjiem ir raksturīga mijiedarbība ar atmosfēras skābekli. Degšanas laikā oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki darbojas kā reakcijas produkti. Reakciju pavada ievērojama siltuma daudzuma veidošanās.
Kad metāns mijiedarbojas ar atmosfēras skābekliiespējams sprādziens. Līdzīgs efekts ir raksturīgs citiem piesātināto ogļūdeņražu klases pārstāvjiem. Tāpēc butāna maisījums ar propānu, etānu, metānu ir bīstams. Piemēram, šādi uzkrājumi ir raksturīgi ogļraktuvēm, rūpnieciskajām darbnīcām. Ja piesātināto ogļūdeņradi karsē virs 1000 °C, tas sadalās. Augstāka temperatūra izraisa nepiesātināto ogļūdeņražu veidošanos, kā arī ūdeņraža gāzes veidošanos. Dehidrogenēšanas procesam ir rūpnieciska nozīme, tas ļauj iegūt dažādas organiskās vielas.
Ogļūdeņražiem no metāna sērijas, sākot ar butānu, raksturīga izomerizācija. Tās būtība ir oglekļa karkasa maiņa, iegūstot piesātinātus sazarotus ogļūdeņražus.
Lietojumprogrammas funkcijas
Metānu kā dabasgāzi izmanto kā degvielu. Metāna hlora atvasinājumiem ir liela praktiska nozīme. Piemēram, medicīnā izmanto hloroformu (trihlormetānu) un jodoformu (trijodometānu), un oglekļa tetrahlorīds iztvaikošanas procesā aptur atmosfēras skābekļa piekļuvi, tāpēc to izmanto ugunsgrēku dzēšanai.
Ogļūdeņražu augstās siltumspējas dēļ tos izmanto kā degvielu ne tikai rūpnieciskajā ražošanā, bet arī sadzīves vajadzībām.
Propāna un butāna maisījums, ko sauc par "sašķidrināto gāzi", ir īpaši aktuāls vietās, kur dabasgāze nav pieejama.
Interesanti fakti
Ogļūdeņražu pārstāvji, kas ir šķidrā stāvoklī, ir degviela automašīnu iekšdedzes dzinējiem (benzīns). Turklāt metāns ir pieejama izejviela dažādām ķīmijas nozarēm.
Piemēram, metāna sadalīšanās un sadegšanas reakcija tiek izmantota kvēpu rūpnieciskai ražošanai, kas nepieciešama tipogrāfijas tintes ražošanai, kā arī dažādu gumijas izstrādājumu sintēzei no gumijas.
Lai to izdarītu, krāsnī kopā ar metānu tiek padots tik daudz gaisa, lai notiktu piesātinātā ogļūdeņraža daļēja sadegšana. Temperatūrai paaugstinoties, daļa metāna sadalīsies, veidojot smalkus kvēpus.
Ūdeņraža veidošanās no parafīniem
Metāns ir galvenais rūpnieciskā ūdeņraža avots, ko izmanto amonjaka sintēzei. Lai veiktu dehidrogenēšanu, metānu sajauc ar tvaiku.
Process notiek aptuveni 400 °C temperatūrā, aptuveni 2-3 MPa spiedienā, tiek izmantoti alumīnija un niķeļa katalizatori. Dažās sintēzēs tiek izmantots gāzu maisījums, kas veidojas šajā procesā. Ja turpmākajās transformācijās tiek izmantots tīrs ūdeņradis, tad tiek veikta oglekļa monoksīda katalītiskā oksidēšana ar ūdens tvaikiem.
Hlorēšana rada metāna hlora atvasinājumu maisījumu, kam ir plašs rūpniecisks pielietojums. Piemēram, hlormetāns spēj absorbēt siltumu, tāpēc to izmanto kā aukstumaģentu modernās saldēšanas sistēmās.
Dihlormetāns ir labs organisko vielu šķīdinātājs, ko izmanto ķīmiskajā sintēzē.
Hlorūdeņradis, kas veidojas radikālas halogenizācijas procesā, pēc izšķīdināšanas ūdenī kļūst par sālsskābi. Pašlaik acetilēnu iegūst arī no metāna, kas ir vērtīga ķīmiskā izejviela.
Secinājums
Metāna homologās sērijas pārstāvji ir plaši izplatīti dabā, kas padara tos par populārām vielām daudzās mūsdienu rūpniecības nozarēs. No metāna homologiem var iegūt sazarotus ogļūdeņražus, kas nepieciešami dažādu klašu organisko vielu sintēzei. Augstākie alkānu klases pārstāvji ir sintētisko mazgāšanas līdzekļu ražošanas izejvielas.
Papildus parafīniem praktiski interesē arī alkāni, cikloalkāni, ko sauc par cikloparafīniem. To molekulas satur arī vienkāršas saites, bet šīs klases pārstāvju īpatnība ir cikliskas struktūras klātbūtne. Gan alkānus, gan cikloakānus lielos daudzumos izmanto kā gāzveida kurināmo, jo procesus pavada ievērojama siltuma daudzuma izdalīšanās (eksotermiskais efekts). Šobrīd alkāni, cikloalkāni tiek uzskatīti par visvērtīgākajām ķīmiskajām izejvielām, tāpēc to praktiskā izmantošana neaprobežojas tikai ar tipiskām degšanas reakcijām.
