Методическая разработка занятия по химии «Алканы»

Алканы(СnH2n+2) sp3 – гибридизация, тетраэдрическое строение молекулы.

Метан – газ, без цвета, вкуса и запаха, плохо растворим в воде, но хорошо в органических растворителях.

С1- С4 – газы, С5 – С15 – жидкости, С16 и далее - твердые вещества

Пары в смеси с воздухом взрывоопасны

Химические свойства:

1.Р. Горения:а)с кислородом О2 → СО2 + Н2О (С3Н8 + 5О2 → 3СО2 + 4Н2О)

б) при недостатке кислорода алканы могут сгорать до угарного газа или с образованием сажи – коптят 2СН4 + 3О2→ 2СО + 4Н2О, СН4 + О2 → С + 2Н2О

2. Р. Замещения:

а) галогенирования (Cl2, Br2) на свету, идет по радикальному механизму.

СН4 (метан) + Сl2 → CH3Cl(хлорметан) + HCl,

CH3Cl + Сl2 → CH2Cl2(дихлорметан) + HCl

СH3-CH2-CH3 + Сl2 → СH3-CHCl-CH3 (2-хлорпропан) + HCl

(у того углерода, где водородов меньше)

б) р. нитрования: с разбавленнойазотной кислотой HNO3 на катализаторе с серной кислотой H2SO4 – идет по радикальному механизму (р.Коновалова), t0 140 - 150

СH3-CH2-CH3 + HNO3 → СH3-CHNO2-CH3 (2-нитропропан) + H2O

NO2 –нитро – группа.

в) сульфирование (замещение атомов водорода сульфогруппой SO3Н с образованием алкансульфокислот RSO3Н). Сульфирующий реагент – серная кислота Н2SO4 (НО─SO3Н). Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной Н2SO4 при небольшом нагревании.

СН4+ НО─SO3Н→СН3SO3Н + H2O

3.Р. Дегидрирования: разложение с выделением водорода

при t0, с катализаторомPt, Pd, Ni

а) С2Н6↔ С2Н4 (алкен – этилен) + Н2, kt, t0C3H8 ↔Н2+ C3H6 –пропен (пропилен)

б) 2СН4 → С2Н2 (ацетиленCH≡CH) + 3Н2 , 1200 – 1500 t0 !!!!!!!!!

СН4 → C + 2Н2 – получение сажи (C) при 10000, пиролиз (без доступа воздуха)

2СН4 → С2Н4 (этилен) + 2Н2 , 6000t, kt - Ni

в) С6Н14 (гексан) → С6Н12 (циклогексан) + Н2kt, t0!!!

г)С6Н14 (гексан) →С6Н6(бензол - арен) + 4Н2– ароматизация!!!

(при дегидрировании может получиться любой углеводород с меньшим числом атомов водорода)

4. Крекинг нефти– ращепление углеводородов (при t0 или с катализатором) на алкан и алкен.

С8Н18 → С4Н10 + С4Н8 С4Н10 → С2Н6 + С2Н4

5. Р. Изомеризации – взаимное превращение изомеров друг в друга на Кат. AlCl3

СH3- CH2- CH2- CH3 (бутан) ↔ СH3-CH (СН3)-CH3 (изобутан)

6. Взаимодействие метана с водяным паром при нагревании.

СН4 + H2O ↔СО + 3Н2 – синтез – газ, kt, t0, +Q

7. Окисление кислородом воздуха на катализаторе, с образованием спиртов.

2СН4 + О2→ 2СН3ОН (метанол),

а также с образованием карбоновых кислот:

!!!!!Каталитическое окисление бутана – промышленный способ получения уксусной кислоты:

2 СH3- CH2- CH2- CH3 (бутан) + 5О2 → 4СН3СООН (уксусная кислота) + 2Н2О

Cрастворами окислителей при обычных условиях не взаимодействуют!!!

Алканы: горение О2, окисление О2(кат.), замещение (галогеныCl2, Br2, HNO3,H2SO4) дегидрирование (разложение), крекинг, изомеризация, метан с Н2О (t0)

_______________________________________________________________________

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

Cl2 → Cl⸱ +⸱Cl

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

CH4 + ⸱Cl → CH3⸱ + HCl, CH3⸱ + Cl2 → CH3Cl + Cl⸱

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

CH3⸱ + ⸱CH3 → CH3 – CH3, CH3⸱ + ⸱Cl → CH3Cl

____________________________________________________________________

Нефть и ее перегонка.

Состав нефти еще зависит от месторождения. Но все они обычно содержат три вида углеводородов:

  -парафины, в основном нормального соединения,

  -циклопарафины,

  -ароматические углеводороды. 

Основные фракции нефти следующие:

• Газолиновая фракция, собираемая от 40 до 200 °С, содержит углеводороды от С5Н12 до С11Н24. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (tкип = 40–70 °С), бензин
(tкип = 70–120 °С) – авиационный, автомобильный и т.д.
• Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина перерабатывают в бензин.
• Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения от 180 до 300 °С. Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет.
• Газойлевая фракция (tкип > 275 °С), по-другому называется дизельным топливом.
• Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода в молекуле. Мазут также разделяют на фракции перегонкой. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и др.), вазелин (технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических средств и в медицине). Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута остается гудрон.

______________________________________________________________________

Получение алканов.

1. Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь) – в промышленности

2. Используются также синтетические методы.

1) крекинг нефти (промышленный способ) – разложение на более простые углеводороды: алкан и алкен

С8Н18 → С4Н10 + С4Н8 С4Н10 → С2Н6 + С2Н4

При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами).

2) гидpиpованиенепpедельныхуглеводоpодов – реакция с водородом:

С2H4 + H2→С2Н6

3) газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):C + 2H2→CH4

4) из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:

nCO + (2n+1)H2→CnH2n+2 +nH2O

СO + H2→C3H8 + H2O (любой алкан, но чаще метан получают)

!!!!5) Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода: (реакция Вюpца !!!)

В реакцию Вюрца вступает две молекулы галогеналканов с натрием

- если взяты две одинаковые молекулы, то образуется один алкан

2CH3Cl + 2Na→ 2NaCl + C2H6

хлорметан этан

- если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе молекул одинаковых или разных равна, а реакционная способность их близка:

3C2H5I + 3CH3CH2CH2I + 6Na → С4Н10 + С5Н12 + С6Н14 + 6NaI

I II I-I I - II II-II

!!!!6) из солей карбоновых кислот:

а) сплавление со щелочью (реакцияДюма)

CH3COONa + NaOH→ CH4 + Na2CO3

ацетат натрия

б) электролиз по Кольбе

2RCOONa + 2H2O →R-R + 2CO2 + H2 + 2NaOH

на аноде на катоде

​​​​​​​ !!!!7) Разложение карбидов металлов (метанидов) водой:

Al4C3 + 12H2O→ 4Al(OH)3 + 3CH4метан - газ

карбид алюминия