МХ-22 (ХТІ) органічна хімія 25.10.22

 

25.10.2022

Комбіноване заняття (2 год.)

Тема 2.2. Хімічні властивості алканів.

 Опрацювати: Хімія 10 клас профільний рівень (за посиланням «Підручники»), §9, с.41-47.

Виконати (письмово):

1. Напишіть рівняння реакцій, що відбуваються при бромуванні етану.

2. Напишіть хімічні рівняння:

а) ...СН₄ + ...О₂ → ...СО₂ + ...H₂O;

б) C₃H₈ → CH₄ + ... .

3. У балоні міститься 20 кг суміші пропану і бутану. Масова частка пропану в суміші становить 22 %. Обчисліть середню молярну масу суміші цих газів.

 Хімічні властивості. Усі алкани є хімічно пасивними сполуками. За певних умов вони вступають у реакції заміщення, розкладаються, перетворюються на ізомери. Алкани — горючі речовини.

 

Реакції заміщення.

1. Галогенування. Реакційна здатність галогенів зменшується в ряду F > Cl > Br > I.  Реакція з F₂ проходить з вибухом, тому потрібно розбавлення інертним газом, наприклад, аргоном. Реакція з Cl₂ та Br₂ вже потребує високої температури (~300°С) або ініціювання світлом. Реакція з I₂ практично не відбувається.

Взаємодію органічної сполуки з галогеном називають реакцією галогенування.

У реакції метану з хлором спочатку утворюється хлорометан

                   hν або t

СН₄ + Сl₂ ⎯⎯⎯→ CH₃Cl + НCl ,

потім — дихлорометан

                       hν або t

СН₃Сl + Сl₂ ⎯⎯⎯→ CH₂Cl₂ + НCl.

Процес може відбуватися до повного заміщення атомів Гідрогену. Тому хлорування метану часто ілюструють схемою

         +Cl₂             +Cl₂               +Cl₂             +Cl₂

CH₄ ⎯⎯→ CH₃Cl ⎯⎯→ CH₂Cl₂ ⎯⎯→ CHCl₃ ⎯⎯→ CCl₄.

       –HCl             –HCl             –HCl             –HCl

метан     хлорометан   дихлоро-    трихлоро-       тетрахлорометан

                                       метан           метан

У цій схемі над кожною стрілкою вказано формулу реагенту (зі знаком «плюс»), а під стрілкою — формулу «другорядного» продукту реакції — хлороводню (зі знаком «мінус»).

 

Механізм реакції – радикальне заміщення (S_R) відбувається в 3 стадії:

1)	Ініціювання ланцюга – утворення вільних радикалів  Cl-Cl → 2Cl∙
2)	Розвиток ланцюга – перенос радикального центру з однієї молекули (атома) на іншу молекулу (атом) CH4 + Cl∙ → CH3∙ + HCl CH3∙ + Cl2 → CH3Cl + Cl∙
3)	Обрив ланцюга – об’єднання вільних радикалів CH3∙ + CH3∙  → CH3-CH3 Cl∙ + Cl∙ → Cl2 CH3∙ + Cl∙ → CH3Cl

Слід пам’ятати, що відносні швидкості хлорування за зв’язкуми С–Н первинного атома Карбону: вторинного атома Карбону: третинного атома Карбону відносяться як 1: 3,25: 4,3.

2. Нітрування розведеною нітратною кислотою за Коноваловим або парофазне нітрування при 250-500°С:

СН3-СН3 + НNO3 → СН3-СН2-NO2 + H2O

Механізм реакції – радикальне заміщення (S_R).

Термічний розклад. При сильному нагріванні за відсутності повітря (кисню) алкани розкладаються. Реакцію розщеплення С-С звʼязків називають крекінгом. Під час таких реакцій утворюються насичені й ненасичені вуглеводні, а також водень:

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃ → СН₃–СН₃ + СН₂=СН₂;

          1500 °С

2СН₄ ⎯⎯⎯→ НС≡СН + 3Н₂.

Ізомеризація. За певних умов алкани нерозгалуженої будови перетворюються на ізомери з розгалуженим карбоновим ланцюгом у молекулах:

н-бутан → ізобутан.

Реакції, під час яких утворюються ізомери вихідних сполук унаслідок перегрупування атомів у молекулах, називають реакціями ізомеризації.

Реакції окиснення. 

Повне окиснення. Алкани при підпалюванні горять з утворенням вуглекислого газу і водяної пари; при цьому виділяється велика кількість теплоти:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О; ΔН = –803 кДж.

Якщо повітря (кисню) не вистачає, то серед продуктів реакції з’являються чадний газ і вуглець.

Суміші метану, інших газуватих алканів, а також пари рідких алканів із повітрям є вибухонебезпечними. Користуючись природним газом, слід бути дуже обережними. Вибух може статися вже за об’ємної частки метану в повітрі 5 %. Потрібно також пам’ятати, що газ, витікаючи через пошкоджений вентиль побутової плити, може спричинити отруєння.

Часткове окиснення. Ця реакція складна і приводить до утворення суміші продуктів:

СН₄ + О2 → суміш продуктів.

 

З метану при неповному окисленні повітрям можна отримати метиловий спирт (СН3ОН), формальдегід (НСНО), мурашину кислоту (НСООН). А при окисленні бутану в промисловості виробляється оцтова кислота. У промисловості суміші, які утворюються при частковому окисленні метану, використовуються для виготовлення синтетичних алканів.

НОВКИУсі алкани хімічно пасивні. За певних умов вони вступають у реакції заміщення, при нагріванні без доступу повітря розкладаються чи перетворюються на ізомери. Алкани — горючі речовини.