To'yingan uglevodorodlar sp 3 gibridlanish holatidagi uglerod atomlaridan tashkil topgan molekulalar bo'lgan birikmalardir. Ular bir-biri bilan faqat kovalent sigma aloqalari orqali bog'langan. "To'yingan" yoki "to'yingan" uglevodorodlar nomi bu birikmalarning hech qanday atomlarni biriktirish qobiliyatiga ega emasligidan kelib chiqqan. Ular ekstremal, butunlay to'yingan. Istisno - sikloalkanlar.
Alkanlar nima?
Alkanlar to'yingan uglevodorodlar bo'lib, ularning uglerod zanjiri ochiq bo'lib, bir-biri bilan bir-biriga bog'langan uglerod atomlaridan iborat. U boshqa (ya'ni, alkenlar kabi ikki tomonlama yoki alkillar kabi uchlik) bog'larni o'z ichiga olmaydi. Alkanlar parafinlar deb ham ataladi. Ular bu nomni oldilar, chunki taniqli kerosinlar asosan ushbu to'yingan uglevodorodlar C 18 -C 35 ning o'ziga xos inertligi bilan aralashmasidir.
Alkanlar va ularning radikallari haqida umumiy ma'lumot
Ularning formulasi: C n P 2 n +2, bu erda n 1 dan katta yoki teng. Molyar massa quyidagi formula bo'yicha hisoblanadi: M = 14n + 2. Xususiyat: Ularning nomlaridagi oxirlar “-an”. Vodorod atomlarini boshqa atomlar bilan almashtirish natijasida hosil bo'lgan molekulalarining qoldiqlari alifatik radikallar yoki alkillar deb ataladi. Ular R harfi bilan belgilanadi. Bir valentli alifatik radikallarning umumiy formulasi: C n P 2 n +1, bu yerda n 1 dan katta yoki teng. Alifatik radikallarning molyar massasi quyidagi formula bilan hisoblanadi: M = 14n + 1. Alifatik radikallarning o'ziga xos xususiyati: "- silt" nomlaridagi oxirlar. Alkan molekulalari o'ziga xos tuzilish xususiyatlariga ega:
- C-C aloqasi 0,154 nm uzunlik bilan tavsiflanadi;
- C-H aloqasi 0,109 nm uzunlik bilan tavsiflanadi;
- bog'lanish burchagi (uglerod-uglerod aloqalari orasidagi burchak) 109 daraja va 28 minut.
Alkanlar gomologik qatorni boshlaydi: metan, etan, propan, butan va boshqalar.
Alkanlarning fizik xossalari
Alkanlar rangsiz va suvda erimaydigan moddalardir. Molekulyar massa va uglevodorod zanjiri uzunligining ortishiga mos ravishda alkanlarning eriy boshlagan harorati va qaynash harorati ortadi. Kam tarvaqaylab ketgan alkanlardan ko'proq shoxlangan alkanlarga o'tib, qaynash va erish nuqtalari pasayadi. Gazsimon alkanlar och ko'k yoki rangsiz alanga bilan yonishi va juda ko'p issiqlik hosil qilishi mumkin. CH 4 -C 4 H 10 gazlardir, ularning ham hidi yo'q. C 5 H 12 -C 15 H 32 - o'ziga xos hidga ega suyuqliklar. C 15 H 32 va boshqalar qattiq moddalar bo'lib, ular ham hidsizdir.
Alkanlarning kimyoviy xossalari
Bu birikmalar kimyoviy jihatdan faol emas, buni uzilishi qiyin bo'lgan sigma bog'lari - C-C va C-H kuchi bilan izohlash mumkin. Shuni ham hisobga olish kerakki, C-C aloqalari qutbsiz, C-H aloqalari esa past qutbli. Bular sigma turiga mansub past polarizatsiyalangan bog'lanish turlari bo'lib, shunga ko'ra ular gomolitik mexanizm bilan uzilishi mumkin, buning natijasida radikallar hosil bo'ladi. Shunday qilib, Kimyoviy xossalari alkanlar asosan radikal almashtirish reaksiyalari bilan chegaralanadi.
Nitrlash reaksiyalari
Alkanlar faqat 10% konsentratsiyali nitrat kislota bilan yoki gazsimon muhitda 140°S haroratda tetravalent azot oksidi bilan reaksiyaga kirishadi. Alkanlarning nitrlanish reaksiyasi Konovalov reaksiyasi deyiladi. Natijada nitro birikmalar va suv hosil bo'ladi: CH 4 + nitrat kislota (suyultirilgan) = CH 3 - NO 2 (nitrometan) + suv.
Yonish reaksiyalari
To'yingan uglevodorodlar yoqilg'i sifatida juda tez-tez ishlatiladi, bu ularning yonish qobiliyati bilan oqlanadi: C n P 2n+2 + ((3n+1)/2) O 2 = (n+1) H 2 O + n CO 2.
Oksidlanish reaksiyalari
Alkanlarning kimyoviy xossalariga ularning oksidlanish qobiliyati ham kiradi. Reaksiya qanday sharoitlar bilan kechishi va ular qanday o'zgarishiga qarab, bir moddadan turli xil yakuniy mahsulotlarni olish mumkin. Reaksiyani tezlashtiradigan katalizator ishtirokida va taxminan 200 ° C haroratda metanning kislorod bilan engil oksidlanishi quyidagi moddalarga olib kelishi mumkin:
1) 2CH 4 (kislorod bilan oksidlanish) = 2CH 3 OH (spirt - metanol).
2) CH 4 (kislorod bilan oksidlanish) = CH 2 O (aldegid - metanal yoki formaldegid) + H 2 O.
3) 2CH 4 (kislorod bilan oksidlanish) = 2HCOOH (karboksilik kislota - metan yoki chumoli) + 2H 2 O.
Shuningdek, alkanlarning oksidlanishi gazsimon yoki suyuq muhitda havo bilan amalga oshirilishi mumkin. Bunday reaktsiyalar yuqori yog'li spirtlar va tegishli kislotalarning paydo bo'lishiga olib keladi.
Issiqlikka munosabat
+150-250 ° C dan yuqori bo'lmagan haroratlarda, har doim katalizator ishtirokida, strukturani qayta qurish sodir bo'ladi. organik moddalar, bu atomlarning ulanish tartibini o'zgartirishdan iborat. Bu jarayon izomerlanish, reaksiya natijasida hosil bo'lgan moddalar esa izomerlanish deyiladi. Shunday qilib, oddiy butandan uning izomeri - izobutan olinadi. 300-600 ° S haroratda va katalizator mavjud bo'lganda, vodorod molekulalarining (degidrogenatsiya reaktsiyalari), vodorod molekulalarining uglerod zanjirining tsiklga yopilishi bilan (alkanlarning siklizatsiya yoki aromatizatsiya reaktsiyalari) hosil bo'lishi bilan C-H aloqalari buziladi. :
1) 2CH 4 = C 2 H 4 (eten) + 2H 2.
2) 2CH 4 = C 2 H 2 (etin) + 3H 2.
3) C 7 H 16 (normal geptan) = C 6 H 5 - CH 3 (toluol) + 4 H 2.
Galogenlanish reaksiyalari
Bunday reaksiyalar organik moddaning molekulasiga galogenlarni (ularning atomlarini) kiritishni o'z ichiga oladi, natijada C-galogen aloqasi hosil bo'ladi. Alkanlar galogenlar bilan reaksiyaga kirishganda, galogen hosilalari hosil bo'ladi. Bu reaktsiya o'ziga xos xususiyatlarga ega. U radikal mexanizm bo'yicha davom etadi va uni boshlash uchun galogenlar va alkanlar aralashmasini ultrabinafsha nurlanishiga ta'sir qilish yoki shunchaki qizdirish kerak. Alkanlarning xossalari galogenlanish reaksiyasini halogen atomlari bilan toʻliq almashtirilgunga qadar davom ettirish imkonini beradi. Ya'ni, metanning xlorlanishi bir bosqichda va metilxlorid ishlab chiqarishda tugamaydi. Reaksiya yanada davom etadi, xlorometandan boshlab, uglerod tetraklorid bilan tugaydigan barcha mumkin bo'lgan almashtirish mahsulotlari hosil bo'ladi. Bunday sharoitda boshqa alkanlarning xlorga ta'siri turli xil uglerod atomlarida vodorodning almashinishi natijasida turli xil mahsulotlar hosil bo'lishiga olib keladi. Reaksiya sodir bo'ladigan harorat yakuniy mahsulotlarning nisbati va ularning hosil bo'lish tezligini aniqlaydi. Alkanning uglevodorod zanjiri qanchalik uzun bo'lsa, uning borishi shunchalik oson bo'ladi bu reaktsiya. Galogenlash jarayonida birinchi navbatda eng kam vodorodlangan (uchlamchi) uglerod atomi almashtiriladi. Asosiysi qolganlardan keyin javob beradi. Galogenlanish reaktsiyasi bosqichma-bosqich sodir bo'ladi. Birinchi bosqichda faqat bitta vodorod atomi almashtiriladi. Alkanlar galogen eritmalar (xlor va bromli suv) bilan o'zaro ta'sir qilmaydi.
Sulfoxlorlanish reaksiyalari
Alkanlarning kimyoviy xossalari sulfoxlorlanish reaksiyasi (Reed reaksiyasi deb ataladi) bilan ham to‘ldiriladi. Ultraviyole nurlanish ta'sirida alkanlar xlor va oltingugurt dioksidi aralashmasi bilan reaksiyaga kirisha oladi. Natijada, vodorod xlorid, shuningdek, oltingugurt dioksidini qo'shadigan alkil radikali hosil bo'ladi. Natijada xlor atomining tutilishi va uning keyingi molekulasining yo'q qilinishi tufayli barqaror bo'lgan murakkab birikma hosil bo'ladi: R-H + SO 2 + Cl 2 + ultrabinafsha nurlanish= R-SO 2 Cl + HCl. Reaksiya natijasida hosil bo'lgan sulfonilxloridlar sirt faol moddalar ishlab chiqarishda keng qo'llaniladi.
Ta'rif 1
Alkanlar Bular uglevodorodlar, molekulalari bir-biri bilan oddiy (yagona) $\sigma $- bog'lari bilan bog'langan uglerod atomlari. Ushbu birikmalardagi uglerod atomlarining boshqa barcha valentlik birliklari vodorod atomlari bilan ishg'ol qilingan (to'yingan).
Toʻyingan uglevodorodlar molekulasidagi uglerod atomlari birinchi valentlik holatida, yaʼni $sp3$ gibridlanish holatida boʻladi. Bunday to'yingan uglevodorodlar ham deyiladi parafinlar.
Ushbu organik birikmalar parafinlar deb ataladi, chunki ular uzoq vaqt davomida past reaktiv deb hisoblangan (lotin tilidan. parum- oz va affinis- yaqinlik bor).
To'yingan uglevodorodlarning eski nomi - alifatik yoki yog'li uglevodorodlar (lot. alifatik- yog '). Bu nom bir vaqtlar ushbu moddalar - yog'lar deb tasniflangan birinchi o'rganilgan birikmalar nomidan kelib chiqqan.
Toʻyingan uglevodorodlar umumiy formulasi $C_nH_((2_n+2))$ $(n - 1, 2, 3, 4, ...)$ boʻlgan bir qator birikmalar hosil qiladi. Ushbu seriyadagi oddiy birikma metan $CH_4$ hisoblanadi. Shuning uchun bu birikmalarning bir qatori metan uglevodorodlar soni deb ham ataladi.
Gomologik seriyalar
Metan qatorining birikmalari o'xshash tuzilish va xususiyatlarga ega. Vakillari o'xshash kimyoviy xossalarga ega bo'lgan va fizik xossalarining muntazam o'zgarishi bilan xarakterlanadigan, bir xil tuzilishga ega bo'lgan va bir-biridan bir yoki bir necha $-CH_2$-guruhlari bilan farq qiluvchi bunday birikmalar qatori gomologik qator deyiladi. (yunon tilidan " gomos" - o'xshashlik). Har bir keyingi uglevodorod bu seriya$-CH_2$ guruhi bilan avvalgisidan farq qiladi. Bu guruh gomologik farq deb ataladi va bu qatorning alohida a'zolari gomologlar deb ataladi.
Alkanlar nomlarining kelib chiqishi
Dastlabki to'rtta to'yingan uglevodorodlarning (metan, etan, propan, butan) nomlari tasodifan paydo bo'lgan. Masalan, "etan" so'zining ildizi kelib chiqadi Lotin so'zi efir- efir, chunki etanning qolgan qismi $-C_2H_5$ tibbiy efirning bir qismidir. $C_5H_(12)$ dan boshlab alkanlarning nomlari yunon yoki lotin raqamlaridan olingan boʻlib, berilgan toʻyingan uglevodorod molekulasidagi uglerod atomlari sonini koʻrsatadi va bu nomlarga -an qoʻshimchasi qoʻshiladi. Shunday qilib, $C_5H_(12)$ uglevodorod pentan deb ataladi (yunonchadan " penta"- besh), $C_6H_(14)$ - geksan (yunonchadan " hexa"- olti), $C_7H_(10)$ - geptan (yunonchadan " hepta"- etti) va boshqalar.
Tizimli nomenklatura qoidalari
Organik moddalarni nomlash uchun Xalqaro toza va amaliy kimyo ittifoqi (IUPAC) komissiyasi tizimli (ilmiy) nomenklatura qoidalarini ishlab chiqdi. Ushbu qoidalarga muvofiq uglevodorodlar quyidagicha nomlanadi:
Uglevodorod molekulasida asosiysi tanlanadi - uzoq va murakkab (u bor eng katta raqam filiallari) - uglerod zanjiri.
Asosiy zanjirning uglerod atomlari raqamlangan. Raqamlash zanjirning oxiridan ketma-ket amalga oshiriladi, bu radikalga eng past raqamni beradi. Agar bir nechta alkil radikallari mavjud bo'lsa, unda ikkita mumkin bo'lgan ketma-ket raqamlashning raqamlari hajmini solishtiring. Birinchi raqam ikkinchi ketma-ket raqamlashdan kamroq bo'lgan raqamlash "kamroq" hisoblanadi va uglevodorod nomini yaratish uchun ishlatiladi.
O'ngdan chapga raqamlash chapdan o'ngga raqamlashdan "kichikroq" bo'ladi.
Yon zanjirlar hosil qiluvchi uglevodorod radikallari deyiladi. Har bir radikal nomidan oldin, berilgan radikal joylashgan asosiy zanjirning uglerod atomining sonini ko'rsatadigan raqam qo'yiladi. Raqam ismdan chiziqcha bilan ajratiladi. Alkil radikallarining nomlari alifbo tartibida keltirilgan. Agar uglevodorodda bir nechta bir xil radikallar bo'lsa, u holda bu radikallarni o'z ichiga olgan uglerod atomlarining soni o'sish tartibida yoziladi. Raqamlar bir-biridan vergul bilan ajratiladi. Raqamlardan keyin prefikslar yoziladi: di- (agar ikkita bir xil radikal bo'lsa), tri- (uchta bir xil radikal mavjud bo'lganda), tetra-, penta- va boshqalar (agar to'rtta, beshta va boshqalar bo'lsa, bir xil. mos ravishda radikallar). Prefikslar berilgan uglevodorodda qancha bir xil radikallar mavjudligini ko'rsatadi. Prefiksdan keyin radikalning nomi qo'yiladi. Agar ikkita bir xil radikal bir xil uglerod atomida joylashgan bo'lsa, bu uglerod atomining soni nomga ikki marta qo'yiladi.
Asosiy raqamlangan uglerod zanjirining uglevodorodini nomlang, barcha to'yingan uglevodorodlarning nomlarida -an qo'shimchasi borligini unutmang.
Quyidagi misol ushbu qoidalarni tushuntirishga yordam beradi:
1-rasm.
Yon zanjirlarning alkil radikallari
Ba'zan yon zanjirlarning alkil radikallari shoxlanadi. Bunday holda, ular mos keladigan to'yingan uglevodorodlar bilan bir xil deb ataladi, faqat -an qo'shimchasi o'rniga -il qo'shimchasi ishlatiladi.
Tarmoqlangan radikalning uglerod zanjiri raqamlangan. Ushbu radikalning asosiy zanjirga ulangan uglerod atomiga $1$ raqami berilgan. Qulaylik uchun, tarvaqaylab ketgan radikalning uglerod zanjiri tub sonli raqamlar bilan raqamlangan va bunday radikalning to'liq nomi qavs ichiga joylashtirilgan:
2-rasm.
Ratsional nomenklatura
To'yingan uglevodorodlarni nomlash uchun tizimli nomenklaturadan tashqari ratsional nomenklatura ham qo'llaniladi. Ushbu nomenklaturaga ko'ra, to'yingan uglevodorodlar metanning hosilalari hisoblanadi, ularning molekulasida bir yoki bir nechta vodorod atomlari radikallar bilan almashtiriladi. Ratsional nomenklaturaga ko'ra, to'yingan uglevodorodning nomi shu tarzda hosil bo'ladi: uglerod atomida joylashgan barcha radikallar bilan. eng katta raqam o'rnini bosuvchi moddalar (agar ular bir xil bo'lsa, ularning soniga e'tibor bering), so'ngra ushbu nomenklatura bo'yicha uglevodorod nomining asosini - "metan" so'zini qo'shing. Masalan:
3-rasm.
Nisbatan oddiy uglevodorodlarni nomlash uchun ratsional nomenklaturadan foydalaniladi. Ushbu nomenklatura unchalik ilg'or emas va tizimli nomenklaturaga nisbatan foydalanish uchun ancha qulay emas. Ratsional nomenklaturaga ko'ra, bir xil modda turli nomlarga ega bo'lishi mumkin, bu juda noqulay. Bundan tashqari, barcha to'yingan uglevodorodlarni ushbu nomenklatura bo'yicha nomlash mumkin emas.
Alkanlar (parafinlar yoki to'yingan uglevodorodlar)- elementar tarkibi bo'yicha organik birikmalarning eng oddiy sinfi. Ular uglerod va vodoroddan iborat. Bu sinfning ajdodi metan CH 4 hisoblanadi. Alkanlar deb tasniflangan barcha boshqa uglevodorodlar gomologik metan qatoriga kiradi. Alkanlarning umumiy formulasi C n H 2 n +2
Uglerod tashqi qobig'ida to'rtta valent elektronga ega, shuning uchun u vodorod atomlari bilan to'rtta ikki elektronli kovalent bog'lanish hosil qilishi mumkin:
Yuqori gomologlarga o'tishda izomerlar soni keskin ortadi (yuqoriga qarang).
Bitta qo'shni uglerod atomiga bog'langan uglerod atomi deyiladi asosiy, ikkita bilan - ikkinchi darajali, uchtasi bilan - uchinchi darajali va to'rtta bilan - to'rtlamchi:
Alkanlarni nomlash uchun bir qancha nomenklaturalardan foydalanish mumkin: tarixiy yoki ahamiyatsiz nomenklatura - Bu keng tarqalgan ishlatiladigan organik birikmalar uchun tarixan o'rnatilgan nomlarning qisqacha mazmuni. - ratsional nomenklatura. Ushbu nomenklatura bo'yicha nom tuzishda birikma tarkibidagi vodorod atomlarini alkil radikallari bilan almashtirish natijasida seriyaning eng oddiy vakilidan olingan deb hisoblanadi.
– IUPAC nomenklaturasi
Gomologik seriyalar, bir xil funktsional guruhlar va bir xil tuzilishga ega bo'lgan organik birikmalar ketma-ketligi, ularning har bir a'zosi o'z qo'shnisidan doimiy tarkibiy birlik (homolog farq), ko'pincha metilen guruhi -CH 2 - bilan farqlanadi. Gomologik qator a'zolari gomologlar deyiladi. Gomologik qatorlarda ko'pgina jismoniy xususiyatlar tabiiy ravishda o'zgaradi. Misol uchun, bir qator to'g'ri zanjirli birikmalar (C 5 -C 14) o'rtasida qaynash nuqtalari qo'shni gomologlar o'rtasida 20-30 ° S ga farq qiladi; gomologik farq -CH 2 - natriy D-chiziq uchun yonish issiqligining 630-640 kJ / mol va molekulyar sinishi 4,6 ga oshishiga to'g'ri keladi. Gomologik qatorning yuqori a'zolarida bu farqlar asta-sekin tekislanadi.
Alkanlarning fizik va kimyoviy xossalari. Alkanlarni olish va aniqlash usullari. Shaxsiy vakillar.
Jismoniy xususiyatlar alkanlar.
Seriyaning birinchi to'rt a'zosi - metan, etan, propan va butan - at xona sharoitlari gazlar. C 5 - C 15 alkanlari suyuq, C 16 va undan keyingilari esa qattiqdir.
Alkanlarning kimyoviy xossalari
Metan qatoridagi uglevodorodlar oddiy haroratlarda kimyoviy jihatdan juda inertdir. Ular vodorod qo'shmaydi (shuning uchun - cheklovchi), Cl 2 va Br 2 bilan boshlanmasdan reaksiyaga kirishmaydi, sovuqda kaliy permanganat va xrom kislotasi kabi kuchli oksidlovchi moddalar bilan oksidlanmaydi radikallar hosil bo'lishi bilan gomolitik bo'linishga osonlik bilan duchor bo'ladi. Shunung uchun alkanlar uchun radikal almashtirish reaksiyalari ko'proq uchraydi.
- Galogenlash
Yorug'likda alkanlar ketma-ket vodorod atomlarini halogen atomlari bilan almashtirishi mumkin, masalan:
Da harorat » 500 °C Metan azot kislotasi va azot dioksidi ta'sirida nitratlanadi:
- sulfonatsiya
Sulfat kislota (oleum) qizdirilganda alkanlarni sekin sulfonlaydi uchinchi darajali bilan uglerod atomi:
- Sulfoxlorlash
Ultrabinafsha yorug'lik ta'sirida alkanlar SO 2 + Cl 2 aralashmasi bilan almashtirish reaktsiyasiga uchraydi:
- Oksidlanish
Izoalkanlarda uchinchi darajali CH guruhi nisbatan oson oksidlanadi. Yuqori to'yingan uglevodorodlar C 8 - C 18 aralashmasining katalitik oksidlanishi sanoatda qiziqish uyg'otadi:
- dehidrogenatsiya
t = 300 °C...400 °C da katalizator ustidan oʻtgan alkanlar ikkita vodorod atomini yoʻqotadi va alkenlarga aylanadi:
- Izomerizatsiya
Kislota katalizatorlari (masalan, AlCl 3, H 2 SO 4 va boshqalar) ta'sirida alkanlar uglerod skeletini qayta qurishga qodir:
Alkanlarni olish usullari
– To‘yinmagan uglevodorodlarni gidrogenlash
– alkil galogenidlardan ( Vurts reaktsiyasi, 1870)
- Karboksilik kislotalardan
– neft alkanlarining yorilishi va pirolizlanishi:
5. Alkenlar. umumiy xususiyatlar: tuzilishi, izomeriyasi, nomenklaturasi.
Alkenlarning gomologik qatori etilendan boshlanadi. Alkenlar(olefinlar, etilen uglevodorodlari) - molekulasida bitta qo'sh bog'ni o'z ichiga olgan uglevodorodlar. Umumiy formula C n H 2n.
Izomerizm. Nomenklatura
Toʻyingan uglevodorodlar qatoridagi kabi alkenlarning struktur izomeriyasi qatorning toʻrtinchi aʼzosidan boshlanadi. Biroq, izomerlar soni ancha katta. Olefinlarning izomeriyasi uglerod zanjirining tuzilishi bilan, ikkinchidan, zanjirdagi qo‘sh bog‘ning joylashuvi bilan, uchinchidan, qo‘sh bog‘li uglerodlardagi atomlar yoki guruhlarning fazoviy joylashuvi bilan belgilanadi.
Alkenlar turli nomenklaturalar bilan ataladi. Arzimas nomenklaturada mos keladigan toʻyingan uglevodorod radikali nomiga –ene qoʻshimchasi qoʻshiladi: etilen, propilen, butilen, izobutilen, amilin va boshqalar. Ratsional nomenklaturaga ko'ra, olefinlar etilenning hosilalari deb ataladi. IUPAC nomenklaturasidan foydalangan holda birikmani nomlashda birikmaning asosi sifatida qo'sh bog'lanishni o'z ichiga olgan eng uzun uglerod zanjiri tanlanadi. Ism alkan nomidan kelib chiqqan holda -an bilan almashtirilgan
-en. Raqam uglerod atomining sonini, undan keyin qo'sh bog'lanishni ko'rsatadi. Asosiy zanjirning uglerod atomlari qo'sh bog'lanish eng yaqin bo'lgan uchidan boshlab raqamlanishi kerak.
Alkanlarning tuzilishi
Eng oddiy alkanlar - metan, etan va propanning kimyoviy tuzilishi (molekulalardagi atomlarning bog'lanish tartibi) ularning 2-bo'limda keltirilgan tuzilish formulalari orqali ko'rsatilgan.Bu formulalardan ko'rinib turibdiki, kimyoviy bog'lanishning ikki turi mavjud. alkanlar:
S–S va S–N.
C-C aloqasi kovalent qutbsizdir. C-H aloqasi kovalent, zaif qutbli, chunki uglerod va vodorod elektromanfiyligi jihatidan yaqin (uglerod uchun 2,5 va vodorod uchun 2,1). Uglerod va vodorod atomlarining umumiy elektron juftlari tufayli alkanlarda kovalent bog'lanishlar hosil bo'lishini elektron formulalar yordamida ko'rsatish mumkin:
Elektron va strukturaviy formulalar kimyoviy tuzilmani aks ettiradi, ammo molekulalarning fazoviy tuzilishi haqida tasavvurga ega emas, bu moddaning xususiyatlariga sezilarli ta'sir qiladi.
Fazoviy tuzilma, ya'ni. molekula atomlarining fazoda nisbiy joylashishi bu atomlarning atom orbitallari (AO) yo'nalishiga bog'liq. Uglevodorodlarda asosiy rolni uglerodning atom orbitallarining fazoviy yo'nalishi o'ynaydi, chunki vodorod atomining sferik 1s-AO o'ziga xos yo'nalishga ega emas.
Uglerod AO ning fazoviy joylashuvi, o'z navbatida, uning gibridlanish turiga bog'liq (I qism, 4.3-bo'lim). Alkanlardagi to'yingan uglerod atomi to'rtta boshqa atom bilan bog'langan. Shuning uchun uning holati sp3 gibridlanishiga mos keladi (I qism, 4.3.1-bo'lim). Bunday holda, to'rtta sp3-gibrid uglerod AO ning har biri vodorodning s-AO bilan yoki boshqa uglerod atomining sp3-AO bilan eksenel (s-) qoplanishida ishtirok etib, s ni hosil qiladi. -CH ulanishlari yoki S-S.
Uglerodning to'rtta s-bog'lari fazoda 109°28" burchak ostida yo'naltirilgan bo'lib, bu elektronlarning eng kam itarilishiga to'g'ri keladi. Shuning uchun alkanlarning eng oddiy vakili - metan CH4 molekulasi tetraedr shakliga ega. uning markazida uglerod atomi va uchlarida vodorod atomlari joylashgan:
Bog'lanish burchagi N-C-H teng 109o28". Metanning fazoviy tuzilishini hajmli (masshtabli) va sharli modellar yordamida ko'rsatish mumkin.
Yozish uchun fazoviy (stereokimyoviy) formuladan foydalanish qulay.
Keyingi gomolog, etan C2H6 molekulasida ikkita tetraedral sp3 uglerod atomi yanada murakkab fazoviy tuzilmani hosil qiladi:
2 dan ortiq uglerod atomlarini o'z ichiga olgan alkan molekulalari egri shakllar bilan tavsiflanadi, buni n-butan (VRML modeli) yoki n-pentan misolida ko'rsatish mumkin:
Alkanlarning izomeriyasi
Izomeriya - bir xil tarkibga (bir xil molekulyar formulaga), ammo tuzilishi har xil bo'lgan birikmalarning mavjudligi hodisasi. Bunday ulanishlar deyiladi izomerlar.
Atomlarning molekulalarda birikish tartibidagi farqlar (ya'ni kimyoviy tuzilish) strukturaviy izomeriya. Strukturaviy izomerlarning tuzilishi strukturaviy formulalar orqali aks ettiriladi. Alkanlar qatorida strukturaviy izomerizm zanjirda 4 yoki undan ortiq uglerod atomi bo'lganda o'zini namoyon qiladi, ya'ni. butan C 4 H 10 bilan boshlanadi. Agar bir xil tarkibli va bir xil kimyoviy tuzilishdagi molekulalarda atomlarning kosmosdagi har xil nisbiy pozitsiyalari mumkin bo'lsa, biz buni kuzatamiz fazoviy izomeriya (stereoizomerizm). Bunday holda, strukturaviy formulalardan foydalanish etarli emas va molekulyar modellar yoki maxsus formulalar - stereokimyoviy (fazoviy) yoki proyeksiyadan foydalanish kerak.
Etan H 3 C–CH 3 dan boshlangan alkanlar turli fazoviy shakllarda mavjud ( konformatsiyalar), C-C s bog'lari bo'ylab molekula ichidagi aylanish natijasida hosil bo'ladi va shunday deyiladi. aylanish (konformatsion) izomeriya.
Bundan tashqari, agar molekulada 4 xil o'rinbosar bilan bog'langan uglerod atomi bo'lsa, ikkita stereoizomerlar ob'ekt va uning oyna tasviri sifatida bir-biriga bog'langanida, fazoviy izomeriyaning boshqa turi ham mumkin. chap qo'l to'g'riga ishora qiladi). Molekulalarning tuzilishidagi bunday farqlar deyiladi optik izomerizm.
. Alkanlarning tuzilish izomeriyasi
Strukturaviy izomerlar bir xil tarkibdagi birikmalar bo'lib, ular atomlarning bog'lanish tartibida farqlanadi, ya'ni. kimyoviy tuzilishi molekulalar.
Strukturaviy izomeriyaning alkanlar qatorida namoyon boʻlishining sababi uglerod atomlarining turli tuzilishdagi zanjirlar hosil qilish qobiliyatidir uglerod skeleti izomeriyasi.
Masalan, C 4 H 10 tarkibidagi alkan shaklda mavjud bo'lishi mumkin ikki Strukturaviy izomerlar:
va alkan C 5 H 12 - shaklida uch uglerod zanjiri tuzilishida farq qiluvchi strukturaviy izomerlar:
Molekulalardagi uglerod atomlari sonining ko'payishi bilan zanjirning dallanishi imkoniyatlari ortadi, ya'ni. izomerlar soni uglerod atomlari soni ortib boradi.
Strukturaviy izomerlar fizik xossalari bilan farqlanadi. Tarmoqlangan tuzilishga ega bo'lgan alkanlar molekulalarning kamroq zich o'rashi va shunga mos ravishda molekulalararo o'zaro ta'sirlarning kichikligi tufayli ularning tarmoqlanmagan izomerlariga qaraganda pastroq haroratda qaynatiladi.
Izomerlarning struktura formulalarini tuzish texnikasi
Keling, alkan misolini ko'rib chiqaylik BILAN 6 N 14 .
1. Birinchidan, biz chiziqli izomer molekulasini (uning uglerod skeleti) tasvirlaymiz.
2. Keyin biz zanjirni 1 uglerod atomiga qisqartiramiz va bu atomni zanjirning istalgan uglerod atomiga uning shoxchasi sifatida biriktiramiz, ekstremal pozitsiyalar bundan mustasno:
(2) yoki (3)
Agar siz uglerod atomini ekstremal pozitsiyalardan biriga biriktirsangiz, zanjirning kimyoviy tuzilishi o'zgarmaydi.
TA'RIF
Alkanlar– tarkibi C n H 2 n +2 formula bilan ifodalangan to‘yingan (alifatik) uglevodorodlar.
Alkanlar gomologik qator hosil qiladi, ularning har bir kimyoviy birikmasi tarkibi jihatidan keyingi va oldingilaridan bir xil miqdordagi uglerod va vodorod atomlari - CH 2 bilan farqlanadi va gomologik qatorga kiritilgan moddalar gomologlar deyiladi. Alkanlarning gomologik qatori 1-jadvalda keltirilgan.
Jadval 1. Alkanlarning gomologik qatori.
Alkan molekulalarida birlamchi (ya'ni bir bog' bilan bog'langan), ikkilamchi (ya'ni, ikkita bog' bilan bog'langan), uchinchi (ya'ni, uchta bog' bilan bog'langan) va to'rtlamchi (ya'ni to'rt bog' bilan bog'langan) uglerod atomlari farqlanadi.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H 3 (1 – birlamchi, 2 – ikkilamchi uglerod atomlari)
CH 3 –C 3 H(CH 3) – CH 3 (3-uchlamchi uglerod atomi)
CH 3 – C 4 (CH 3) 3 – CH 3 (4-to‘rtlamchi uglerod atomi)
Alkanlar strukturaviy izomeriya (uglerod skeleti izomeriyasi) bilan tavsiflanadi. Shunday qilib, pentan quyidagi izomerlarga ega:
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 (pentan)
CH 3 – CH (CH 3) - CH 2 - CH 3 (2-metilbutan)
CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 3 (2,2 - dimetilpropan)
Geptandan boshlangan alkanlar optik izomeriya bilan tavsiflanadi.
To'yingan uglevodorodlardagi uglerod atomlari sp 3 gibridlanishida bo'ladi. Alkan molekulalaridagi bog'lar orasidagi burchaklar 109,5 ga teng.
Alkanlarning kimyoviy xossalari
Oddiy sharoitlarda alkanlar kimyoviy jihatdan inertdir - ular kislotalar yoki ishqorlar bilan reaksiyaga kirishmaydi. Bu yuqori quvvatga bog'liq - C-C ulanishlari va S-N. Polar bo'lmagan C-C va C-H bog'lari faqat faol erkin radikallar ta'sirida gomolitik tarzda ajralishi mumkin. Shuning uchun, alkanlar radikal almashtirish mexanizmi bilan davom etadigan reaktsiyalarga kirishadi. Radikal reaksiyalarda vodorod atomlari birinchi navbatda uchinchi darajali uglerod atomlarida, keyin ikkilamchi va birlamchi uglerod atomlarida almashtiriladi.
Radikal almashtirish reaksiyalari zanjirli xarakterga ega. Asosiy bosqichlar: zanjirning yadrolanishi (boshlanishi) (1) - ultrabinafsha nurlanish ta'sirida sodir bo'ladi va erkin radikallar hosil bo'lishiga olib keladi, zanjir o'sishi (2) - alkan molekulasidan vodorod atomining ajralishi tufayli sodir bo'ladi. ; zanjirning tugashi (3) - ikkita bir xil yoki turli radikallar to'qnashganda sodir bo'ladi.
X:X → 2X . (1)
R: H+X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . +X . → R:X (3)
X . +X . → X:X (3)
Galogenlash. Alkanlar ultrabinafsha nurlanishi yoki yuqori harorat ta'sirida xlor va brom bilan o'zaro ta'sirlashganda, mono-poligalogen o'rnini bosuvchi alkanlardan hosil bo'lgan mahsulotlar aralashmasi hosil bo'ladi:
CH 3 Cl +Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (diklorometan)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl (triklorometan)
CHCl 3 +Cl 2 = CCl 4 + HCl (uglerod tetraklorid)
Nitrlash (Konovalov reaktsiyasi). Suyultirilgan nitrat kislota 140C va past bosimda alkanlarga ta'sir qilganda radikal reaksiya sodir bo'ladi:
CH 3 -CH 3 +HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (nitroetan) + H 2 O
Sulfoxlorlanish va sulfoksidlanish. Alkanlarning to'g'ridan-to'g'ri sulfonlanishi qiyin va ko'pincha oksidlanish bilan birga keladi, natijada alkansulfonilxloridlar hosil bo'ladi:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfonik oksidlanish reaktsiyasi xuddi shunday davom etadi, faqat bu holda alkansulfonik kislotalar hosil bo'ladi:
R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H
Yoriq- C-C aloqalarining radikal ajralishi. Qizdirilganda va katalizatorlar ishtirokida paydo bo'ladi. Yuqori alkanlar yorilsa, metan va etan yorilsa, alkenlar hosil bo'ladi, asetilen hosil bo'ladi;
C 8 H 18 = C 4 H 10 (butan) + C 3 H 8 (propan)
2CH 4 = C 2 H 2 (atsetilen) + 3H 2
Oksidlanish. Metanning atmosfera kislorodi bilan engil oksidlanishi metanol, formik aldegid yoki formik kislota hosil qilishi mumkin. Havoda alkanlar karbonat angidrid va suvga yonadi:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1)H 2 O
Alkanlarning fizik xossalari
Oddiy sharoitlarda C 1 -C 4 gazlar, C 5 -C 17 suyuqliklar va C 18 dan boshlab qattiq moddalardir. Alkanlar suvda amalda erimaydi, lekin benzol kabi qutbsiz erituvchilarda yaxshi eriydi. Shunday qilib, metan CH 4 (botqoq, shaxta gazi) rangsiz va hidsiz gaz, etanol, efir, uglevodorodlarda yaxshi eriydi, lekin suvda yomon eriydi. Metan tabiiy gazda yuqori kaloriyali yoqilg'i sifatida, sanoat miqyosida vodorod, asetilen, xloroform va boshqa organik moddalar olish uchun xom ashyo sifatida ishlatiladi.
Propan C 3 H 8 va butan C 4 H 10 oson suyultirilganligi sababli kundalik hayotda shisha gazlar sifatida ishlatiladigan gazlardir. Propan avtomobil yoqilg'isi sifatida ishlatiladi, chunki u benzinga qaraganda ekologik jihatdan qulayroqdir. Butan sintetik kauchuk ishlab chiqarishda qo'llaniladigan 1,3-butadien ishlab chiqarish uchun xom ashyo hisoblanadi.
Alkanlarni tayyorlash
Alkanlar tabiiy manbalardan - tabiiy gazdan (80-90% - metan, 2-3% - etan va boshqa to'yingan uglevodorodlar), ko'mir, torf, yog'och, neft va tosh mumidan olinadi.
Alkanlarni olishning laboratoriya va sanoat usullari mavjud. Sanoatda alkanlar bitumli ko'mirdan (1) yoki Fisher-Tropsh reaktsiyasi (2) orqali olinadi:
nC + (n+1)H 2 = C n H 2 n +2 (1)
nCO + (2n+1)H 2 = C n H 2 n +2 + H 2 O (2)
Alkanlarni olishning laboratoriya usullariga quyidagilar kiradi: to'yinmagan uglevodorodlarni qizdirish va katalizatorlar (Ni, Pt, Pd) ishtirokida gidrogenlash (1), suvning metallorganik birikmalar bilan o'zaro ta'siri (2), karboksilik kislotalarni elektroliz qilish (3), dekarboksillanish reaksiyalari (4) va Vurts (5) va boshqa usullar bilan.
R 1 -C≡C-R 2 (alkin) → R 1 -CH = CH-R 2 (alken) → R 1 -CH 2 – CH 2 -R 2 (alkan) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (alkan) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO - → 2CO 2 + C 2 H 6 (etan) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R 1 -Cl +2Na +Cl-R 2 →2NaCl + R 1 -R 2 (5)
Muammoni hal qilishga misollar
MISOL 1
| Mashq qilish | 11,2 litr metanni birinchi bosqichda xlorlash uchun zarur bo'lgan xlor massasini aniqlang. |
| Yechim | Metanni xlorlashning birinchi bosqichi uchun reaksiya tenglamasini yozamiz (ya'ni, galogenlash reaksiyasida faqat bitta vodorod atomi almashtiriladi, natijada monoxlor hosilasi hosil bo'ladi): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (metan xlorid) Metan moddasining miqdorini topamiz: v (CH 4) = V (CH 4) / V m v (CH 4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Reaktsiya tenglamasiga ko'ra, xlor mollari soni va metan mollari soni 1 molga teng, shuning uchun xlor va metan mollarining amaliy soni ham bir xil bo'ladi va quyidagilarga teng bo'ladi: v (Cl 2) = v (CH 4) = 0,5 mol Xlor moddasining miqdorini bilib, siz uning massasini topishingiz mumkin (bu muammo savolida berilgan). Xlorning massasi xlor moddasi miqdori va uning molyar massasining mahsuloti sifatida hisoblanadi (1 mol xlorning molekulyar massasi; molekulyar massa jadval yordamida hisoblanadi). kimyoviy elementlar DI. Mendeleev). Xlorning massasi quyidagilarga teng bo'ladi: m(Cl 2) = v(Cl 2)×M(Cl 2) m (Cl 2) = 0,5 × 71 = 35,5 g |
| Javob | Xlorning massasi 35,5 g |