Алканы. Химические свойства и получение

Алканы – органические ациклические соединения, состоящие из атомов
химических элементов углерода и водорода и имеющие в молекулах только
одинарные углерод-углеродные сигма-связи.

Получение метана

  1. Термокаталитическое восстановление оксидов углерода

Реакции протекают при нагревании и катализаторе (Ni, t℃).

CO+3H2→CH4+H2O↑(образуется смесь алканов)

CO2+4H2→CH4+2H2O

Пояснение: водород выталкивает кислород, который соединяется с водородом (вода). Углерод соединяется с водородом (метан). 

  • Существует такой процесс, как конверсия метана – получение синтез-газа. Из него получают многие органические вещества. Смешиваем метан и пары воды, нагреваем до 800℃ и используем катализатор Ni.

CH4+H2O↔CO+3H2

2. Гидролиз карбида алюминия (метанида)

Карбид алюминия получается нагреванием алюминия и углерода. 

Al4C3+12H2O→3CH4↑+4Al(OH)3

Также карбид алюминия можно обработать кислотой.

Al4C3+12HCl→3CH4↑+4AlCl3

3. Синтез из простых веществ

Реакция идет в атмосфере водорода при нагревании углерода до 400℃ и повышенном давлении в присутствии катализатора (Ni, p, t℃). 

C+2H2↔CH4

Пояснение: реакция обратима, так как идет в газовой сфере. 

Получение гомологов метана

  1. Каталитическое гидрирование непредельных углеводородов

Алкены, алкины, алкадиены, циклоалканы с малыми циклами.

Реакции протекают при нагревании и катализаторе – никеле (Ni, t℃).

CH2=CH2+H2→CH3-CH3

CH≡ CH+2H2→CH3-CH3

2. Синтез Вюрца

Реакция протекает при нагревании (t℃).

Если используются галогеналканы разной длины, получается смесь продуктов.

Также галогены могут находиться у вторичных и третичных атомов углерода.

Пояснение: в элементарном акте реакции участвуют две молекулы галогеналкана и два атома натрия. Атомы натрия отрывают атомы галогенов от галогеналканов, образующиеся при этом углеводородные радикалы соединяются друг с другом, образуя алкан с удвоенным по сравнению с исходным галогеналканом числом атомов углерода. Где был галоген, оттуда и идет присоединение. 

2CH3-CH2-Br+2Na→2NaBr+CH3-CH2-CH2-CH3

3. Реакция Дюма

Или, другими словами, декарбоксилирование солей карбоновых кислот. Соль и щелочь твердые, происходит сплавление (t℃).

R-CH2-COONa (тв)+NaOHтв→R-CH3+Na2CO3

4. Реакция Кольбе

Оно же электролиз растворов солей карбоновых кислот.

При электролизе натриевой соли карбоновой кислоты (R-COONa) на аноде выделяется удвоенный радикал кислоты (R-R) и углекислый газ. Над стрелкой пишем «электролиз».

2CH3COONa +2H2O→CH3-CH3↑+2CO2↑+H2↑+2NaOH

Химические свойства

Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена прочностью и очень малой полярностью связей C-C и H-H в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Для алканов наиболее характерны реакции замещения. В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление ковалентных связей, т.е. они осуществляются по свободнорадикальному (цепному) механизму:

I  Реакции замещения (разрыв связей C-H)

  1. Галогенирование (замещение атома водорода атомом галогена – F, Cl, Br с образованием галогеналкана RHal).

Фтор слишком активный, а йод слишком слабый. Поэтому в ЕГЭ говорят про хлор и бром. Алканы очень активно реагируют с фтором. Хлорирование протекает под действием света и является фотохимической реакцией. Низшие алканы (CH4,C2H6,C3H8) можно прохлорировать полностью. В молекуле метана атомы хлора могут заместить от одного до четырех атомов водорода. 

CH4+Cl2→CH3-Cl+HCl

Если бы в реакцию вступил этан, то хлор, присоединившись к одному из двух атомов, продолжил бы присоединяться именно к этому атому: CH3-CH-Cl2

Реакция галогенирования алканов проходит по правилу Марковникова: при взаимодействии галогеноводородов и родственных им соединений с алкенами атом водорода присоединяется по месту двойной связи к более гидрированному атому углерода (содержащему большее число атомов углерода).

Реакция идет только с молекулярным бромом.

Алканы не обесцвечивают бромную воду!

2. Реакция Коновалова (нитрование алканов).

Реакция идет при нагревании до 140℃ с разбавленной 10% азотной кислотой (t℃).

По радикальному механизму, по правилу Марковникова.

CH4+HNO3(разб.)→CH3NO2+H2O

3. Сульфирование алканов

Происходит при действии очень концентрированной H2SO4 при небольшом нагревании.

CH4+H2SO4(конц.)→CH3SO3H+H2O

 II  Реакции окисления

При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (KMnO4,K2Cr2O7).

  1. Полное окисление, избыток O2 (горение, t):

Все горят до углекислого газа и воды.

2CH3-CH2-CH2-CH3+13O2→8CO2+10H2O

2. Неполное окисление, недостаток O2(t):

2CH4+3O22CO+2H2O

CH4+O2C+2H2O

3. Неполное каталитическое окисление:

Могут образоваться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. 

Например, окисляем бутан кислородом при нагревании в присутствии катализатора (MnO2,t℃).

CH3-CH2-CH2-CH3→2CH3-COOH+H2O

III Термические превращения алканов

1. Крекинг алканов

Крекинг — нагревание алканов до их превращения в меньший алкан и алкен. Связь рвется в любом месте

CH3-CH2-CH2-CH3→CH3-CH3+CH2=CH2

2. Пиролиз метана

Пиролиз — темическое разложение.

Длительное нагревание до 1000℃

CH4→C+2H2

Мгновенное нагревание до 1500℃ с быстрым охлаждением

2CH4→CH≡CH+3H2

3. Дегидрирование

Отщепление водорода. Образуются алкены.

Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (Cr2O3,t℃).

CH3-CH3→CH2=CH2+H2

4. Дегидроциклизация

Из гексана — бензол. Из гептана — толуол.

Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (Pt, t℃).


   CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 →  CH6 + 4H2

5. Изомеризация

Из алкана получаем более разветвленный алкан.

Это важно в производстве нефти. Реакция протекает при нагревании.

Катализаторы: либо Al2O3, либо AlCl3.