الألكانات هي هيدروكربونات مشبعة. تحتوي الذرات في جزيئاتها على روابط أحادية. يتم تحديد الهيكل بواسطة الصيغة CnH2n+2. دعونا نفكر في الألكانات: الخواص الكيميائية، أنواع، تطبيق.
في بنية الكربون، هناك أربعة مدارات تدور فيها الذرات. المدارات لها نفس الشكل والطاقة.
ملحوظة!الزوايا بينهما 109 درجة و 28 دقيقة، وهي موجهة إلى رؤوس رباعي الاسطح.
تسمح رابطة الكربون الواحدة لجزيئات الألكان بالدوران بحرية، مما يجعل الهياكل تتخذ أشكالًا مختلفة، وتشكل قممًا عند ذرات الكربون.
تنقسم جميع مركبات الألكان إلى مجموعتين رئيسيتين:
- الهيدروكربونات الأليفاتية. هذه الهياكل لها اتصال خطي. تبدو الصيغة العامة كما يلي: CnH2n+2. قيمة n تساوي أو أكثر من واحد، يعني عدد ذرات الكربون.
- ألكانات حلقية ذات بنية حلقية. تختلف الخواص الكيميائية للألكانات الحلقية بشكل كبير عن خواص المركبات الخطية. إن صيغة الألكانات الحلقية تجعلها تشبه إلى حد ما الهيدروكربونات التي لها رابطة ذرية ثلاثية، أي الألكينات.
أنواع الألكانات
هناك عدة أنواع من مركبات الألكان، ولكل منها صيغته الخاصة وبنيته وخصائصه الكيميائية وبديل الألكيل. يحتوي الجدول سلسلة متماثلة
اسم الألكانات
الصيغة العامة للهيدروكربونات المشبعة هي CnH2n+2. وبتغيير قيمة n، يتم الحصول على مركب ذو رابطة بين ذرية بسيطة.
فيديو مفيد: الألكانات - التركيب الجزيئي، الخصائص الفيزيائية
أنواع الألكانات، خيارات التفاعل
في الظروف الطبيعية، الألكانات هي مركبات خاملة كيميائيا. لا تتفاعل الهيدروكربونات عند التلامس مع تركيز حامض النيتريك والكبريتيك والقلويات وبرمنجنات البوتاسيوم.
تحدد الروابط الجزيئية الفردية التفاعلات المميزة للألكانات. تتميز سلاسل الألكان بروابط غير قطبية وضعيفة الاستقطاب. إنه أطول قليلاً من S-N.
الصيغة العامة للألكانات
رد فعل الاستبدال
تتميز مواد البارافين بنشاط كيميائي ضئيل. يتم تفسير ذلك من خلال زيادة قوة اتصال السلسلة، وهو أمر ليس من السهل كسره. للتدمير، يتم استخدام آلية متماثلة، والتي تشارك فيها الجذور الحرة.
بالنسبة للألكانات، تكون تفاعلات الاستبدال أكثر طبيعية. أنها لا تتفاعل مع جزيئات الماء والأيونات المشحونة. أثناء الاستبدال، يتم استبدال جزيئات الهيدروجين بالهالوجين والعناصر النشطة الأخرى. ومن بين هذه العمليات الهلجنة والنتردة والسلفوكلورة. تستخدم مثل هذه التفاعلات لتكوين مشتقات الألكان.
يحدث استبدال الجذور الحرة في ثلاث مراحل رئيسية:
- ظهور سلسلة يتم على أساسها إنشاء الجذور الحرة. وتستخدم الحرارة والأشعة فوق البنفسجية كمحفزات.
- تطوير سلسلة في هيكلها تحدث تفاعلات بين الجزيئات النشطة وغير النشطة. هذه هي الطريقة التي تتشكل بها الجزيئات والجزيئات الجذرية.
- وفي النهاية تنكسر السلسلة. تقوم العناصر النشطة بإنشاء مجموعات جديدة أو تختفي تمامًا. ينتهي التفاعل المتسلسل.
الهلجنة
تتم العملية حسب النوع الجذري. تحدث الهلجنة تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية والتسخين الحراري لخليط الهيدروكربون والهالوجين.
العملية برمتها تتبع قاعدة ماركوفنيكوف. يكمن جوهرها في حقيقة أن ذرة الهيدروجين التي تنتمي إلى الكربون المهدرج هي أول ذرة تخضع للهلجنة. تبدأ العملية بذرة ثلاثية وتنتهي بذرة كربون أولية.
الكلورة الكبريتية
اسم آخر هو رد فعل ريد. ويتم ذلك عن طريق طريقة استبدال الجذور الحرة. وهكذا تتفاعل الألكانات مع مزيج ثاني أكسيد الكبريت والكلور تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية.
يبدأ التفاعل بتفعيل آلية السلسلة. في هذا الوقت، يتم إطلاق اثنين من الجذور من الكلور. يتم توجيه عمل أحدهما نحو الألكان، مما يؤدي إلى تكوين جزيء كلوريد الهيدروجين وعنصر الألكيل. ويتحد جذري آخر مع ثاني أكسيد الكبريت، ليشكل مزيجًا معقدًا. ولتحقيق التوازن، تتم إزالة ذرة الكلور من جزيء آخر. والنتيجة هي كلوريد سلفونيل ألكان. تستخدم هذه المادة لإنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي.
الكلورة الكبريتية
نترات
تتضمن عملية النترات مزيجًا من الكربونات المشبعة مع أكسيد النيتروجين الغازي رباعي التكافؤ وحمض النيتريك، ويتم إحضارهما إلى محلول 10%. لكي يحدث رد الفعل سيكون ذلك ضروريا مستوى منخفضالضغط ودرجة الحرارة المرتفعة حوالي 104 درجة. نتيجة للنترتة يتم الحصول على النيتروألكانات.
الانقسام
تتم تفاعلات نزع الهيدروجين عن طريق فصل الذرات. يتحلل جزيء الميثان الجزيئي تمامًا تحت تأثير درجة الحرارة.
نزع الهيدروجين
إذا تم فصل ذرة الهيدروجين من شبكة الكربون من البارافين (باستثناء الميثان)، يتم تشكيل مركبات غير مشبعة. تتم هذه التفاعلات في ظل ظروف درجات الحرارة الكبيرة (400-600 درجة). كما يتم استخدام المحفزات المعدنية المختلفة.
يتم الحصول على الألكانات عن طريق الهدرجة الهيدروكربونات المشبعة.
عملية التحلل
تحت تأثير درجات الحرارة أثناء تفاعلات الألكان، يمكن كسر الروابط الجزيئية ويمكن إطلاق الجذور النشطة. وتعرف هذه العمليات باسم الانحلال الحراري والتكسير.
عندما يتم تسخين عنصر التفاعل إلى 500 درجة، تبدأ الجزيئات في التحلل، وفي مكانها يتم تشكيل مخاليط ألكيل جذرية معقدة. يتم إنتاج الألكانات والألكينات في الصناعة بهذه الطريقة.
أكسدة
هذا التفاعلات الكيميائية، على أساس التبرع بالإلكترونات. تتميز البارافينات بالأكسدة الذاتية. تستخدم العملية أكسدة الهيدروكربونات المشبعة بواسطة الجذور الحرة. يتم تحويل مركبات الألكان في الحالة السائلة إلى هيدروبيروكسيد. أولا، يتفاعل البارافين مع الأكسجين. تتشكل الجذور النشطة. ثم تتفاعل أنواع الألكيل مع جزيء أكسجين ثانٍ. يتم تشكيل جذر البيروكسيد، والذي يتفاعل لاحقًا مع جزيء الألكان. ونتيجة لهذه العملية، يتم إطلاق الهيدروبيروكسيد.
تفاعل أكسدة الألكانات
تطبيقات الألكانات
مركبات الكربون لديها تطبيق واسعفي جميع المجالات الرئيسية للحياة البشرية تقريبًا. بعض أنواع المركبات لا غنى عنها لبعض الصناعات وللوجود المريح للإنسان الحديث.
الألكانات الغازية هي أساس الوقود الثمين. المكون الرئيسي لمعظم الغازات هو الميثان.
يتمتع الميثان بالقدرة على توليد وإطلاق كميات كبيرة من الحرارة. ولذلك، يتم استخدامه بكميات كبيرة في الصناعة والاستهلاك المنزلي. وبخلط البيوتان والبروبان يتم الحصول على وقود منزلي جيد.
يستخدم الميثان في إنتاج المنتجات التالية:
- الميثانول.
- المذيبات.
- غاز الفريون؛
- حبر؛
- وقود؛
- غاز التوليف؛
- الأسيتيلين.
- الفورمالديهايد.
- حمض الفورميك
- بلاستيك.
تطبيق الميثان
تهدف الهيدروكربونات السائلة إلى إنتاج الوقود للمحركات والصواريخ والمذيبات.
وتدخل الهيدروكربونات العالية، حيث يتجاوز عدد ذرات الكربون 20 ذرة، في إنتاج مواد التشحيم والدهانات والورنيشات والصابون والمنظفات.
مزيج من الهيدروكربونات الدهنية مع أقل من 15 ذرة H هو زيت الفازلين. ويستخدم هذا السائل الشفاف عديم الطعم في مستحضرات التجميل وفي صناعة العطور وفي الأغراض الطبية.
الفازلين هو نتيجة اتحاد ألكانات صلبة ودهنية تحتوي على أقل من 25 ذرة كربون، وتدخل المادة في صناعة المراهم الطبية.
البارافين الذي يتم الحصول عليه من خلال الجمع بين الألكانات الصلبة هو كتلة صلبة لا طعم لها، أبيضوبدون رائحة. وتستخدم هذه المادة في صناعة الشموع، وهي مادة مشربة لتغليف الورق وأعواد الثقاب. يشتهر البارافين أيضًا بالإجراءات الحرارية في التجميل والطب.
ملحوظة!تُستخدم مخاليط الألكان أيضًا في صناعة الألياف الاصطناعية والبلاستيك والمنظفات والمطاط.
تعمل مركبات الألكان المهلجنة كمذيبات ومبردات وأيضًا كمادة رئيسية لمزيد من التوليف.
فيديو مفيد: الألكانات - الخواص الكيميائية
خاتمة
الألكانات عبارة عن مركبات هيدروكربونية لا حلقية ذات بنية خطية أو متفرعة. يتم إنشاء رابطة واحدة بين الذرات، والتي لا يمكن كسرها. تفاعلات الألكانات تعتمد على استبدال الجزيئات المميزة لهذا النوع من المركبات. السلسلة المتماثلة لها الصيغة البنائية العامة CnH2n+2. تنتمي الهيدروكربونات إلى الطبقة المشبعة لأنها تحتوي على الحد الأقصى المسموح به من ذرات الهيدروجين.
في تواصل مع
الألكان (الهيدروكربونات المشبعة والبارافينات)
- الألكانات عبارة عن هيدروكربونات أليفاتية (غير حلقية) مشبعة ترتبط فيها ذرات الكربون ببعضها البعض بواسطة روابط بسيطة (مفردة) في سلاسل مستقيمة أو متفرعة.
الألكانات– اسم الهيدروكربونات المشبعة حسب التسمية الدولية.
البارافينات– اسم تاريخي يعكس خصائص هذه المركبات (من اللاتيني. باروم أفينيس- قلة الألفة وقلة النشاط).
حد، أو مشبعسميت هذه الهيدروكربونات بهذا الاسم نسبة إلى التشبع الكامل لسلسلة الكربون بذرات الهيدروجين.
أبسط ممثلي الألكانات:
نماذج الجزيء:
وعند مقارنة هذه المركبات يتضح أنها تختلف عن بعضها البعض حسب المجموعة -الفصل 2 - (الميثيلين). إضافة مجموعة أخرى إلى البروبان -الفصل 2 -نحصل على البيوتان ج4ح10، ثم الألكانات ج5ح12, ج6ح14إلخ.
الآن يمكننا استخلاص الصيغة العامة للألكانات. من المفترض أن يكون عدد ذرات الكربون في سلسلة الألكانات ن
، فإن عدد ذرات الهيدروجين سيكون 2ن+2
. ولذلك، فإن تكوين الألكانات يتوافق مع الصيغة العامة ج ن ح 2ن+2.
ولذلك، غالبا ما يستخدم التعريف التالي:
الألكانات- الهيدروكربونات التي يتم التعبير عن تركيبها بالصيغة العامة ج ن ح 2ن+2، أين ن – عدد ذرات الكربون .
هيكل الألكانات
التركيب الكيميائي(ترتيب ارتباط الذرات في الجزيئات) لأبسط الألكانات - الميثان والإيثان والبروبان - موضح من خلال صيغها الهيكلية الواردة في القسم 2. ومن هذه الصيغ يتضح أن هناك نوعين من الألكانات الروابط الكيميائية:
S-Sو ش.
الرابطة C-C هي رابطة تساهمية غير قطبية. الرابطة C–H تساهمية، ضعيفة القطبية، لأنها الكربون والهيدروجين متقاربان في السالبية الكهربية (2.5 للكربون و 2.1 للهيدروجين). يمكن إثبات تكوين الروابط التساهمية في الألكانات بسبب أزواج الإلكترون المشتركة من ذرات الكربون والهيدروجين باستخدام الصيغ الإلكترونية:
تعكس الصيغ الإلكترونية والهيكلية التركيب الكيميائي، ولكن لا تعطي فكرة عن التركيب المكاني للجزيئاتمما يؤثر بشكل كبير على خصائص المادة.
البنية المكانية، أي. الترتيب المتبادلتعتمد ذرات الجزيء في الفضاء على اتجاه المدارات الذرية (AO) لهذه الذرات. في الهيدروكربونات دور أساسييلعب الاتجاه المكاني للمدارات الذرية للكربون دورًا، نظرًا لأن 1s-AO الكروية لذرة الهيدروجين تفتقر إلى اتجاه محدد.
الترتيب المكانيويعتمد AO للكربون بدوره على نوع تهجينه (الجزء الأول، القسم 4.3). ترتبط ذرة الكربون المشبعة في الألكانات بأربع ذرات أخرى. ولذلك، فإن حالتها تتوافق مع التهجين sp 3 (الجزء الأول، القسم 4.3.1). في هذه الحالة، تشارك كل من أربع ذرات كربون هجينة sp 3 في تداخل محوري (σ-) مع s-AO للهيدروجين أو مع sp 3 -AO لذرة كربون أخرى، مكونة σ اتصالات -CHأو س-س.
يتم توجيه روابط الكربون الأربعة في الفضاء بزاوية 109 حوالي 28 بوصة، وهو ما يتوافق مع أقل تنافر للإلكترونات. لذلك، فإن جزيء أبسط ممثل للألكانات - الميثان CH4 - له شكل رباعي السطوح، في وسطها ذرة كربون، وفي رؤوسها ذرات هيدروجين:
زاوية السندات N-C-H متساوي 109 o 28". يمكن إظهار البنية المكانية للميثان باستخدام نماذج الحجمي (المقياس) والكرة والعصا.
للتسجيل، من الملائم استخدام الصيغة المكانية (الكيميائية المجسمة).
في جزيء المتماثل التالي - الإيثان C 2 H 6 - اثنان من رباعي السطوح spتشكل 3 ذرات كربون بنية مكانية أكثر تعقيدًا:
تتميز جزيئات الألكان التي تحتوي على أكثر من ذرتي كربون بأشكال منحنية. يمكن إظهار ذلك بمثال ن- البيوتان (نموذج VRML) أو ن-بنتان:
ايزومرية الألكانات
- الأيزومرية هي ظاهرة وجود مركبات لها نفس التركيب (نفس الصيغة الجزيئية)، ولكن هيكل مختلف. تسمى هذه الاتصالات نظائر.
تؤدي الاختلافات في الترتيب الذي يتم به دمج الذرات في الجزيئات (أي التركيب الكيميائي) إلى الايزومرية الهيكلية. ينعكس هيكل الأيزومرات الهيكلية في الصيغ الهيكلية. في سلسلة الألكانات الايزومرية الهيكليةيتجلى عندما تحتوي السلسلة على 4 ذرات كربون أو أكثر، أي. بدءاً بالبيوتان C4H10.
إذا في الجزيئات نفس التركيبةونفس التركيب الكيميائي، من الممكن وجود مواقع نسبية مختلفة للذرات في الفضاء، ثم يتم ملاحظتها الأيزومرية المكانية (الأيزومرية الفراغية). في هذه الحالة، لا يكفي استخدام الصيغ الهيكلية ويجب استخدام النماذج الجزيئية أو الصيغ الخاصة - الكيميائية المجسمة (المكانية) أو الإسقاطية.
الألكانات، بدءًا من الإيثان H3C–CH3، توجد في أشكال مكانية مختلفة ( المطابقات) ، الناجم عن الدوران داخل الجزيئات على طول روابط C – C σ، ويظهر ما يسمى الايزومرية الدورانية (التكوينية)..
بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الجزيء يحتوي على ذرة كربون مرتبطة بأربعة بدائل مختلفة، فمن الممكن وجود نوع آخر من الأيزومرية المكانية، عندما يرتبط اثنان من الأيزومرات الفراغية ببعضهما البعض كجسم وصورته المرآة (على غرار الطريقة التي اليد اليسرىيشير إلى الصحيح). تسمى هذه الاختلافات في بنية الجزيئات الايزومرية البصرية.
الأيزومرية الهيكلية للألكانات
- الأيزومرات الهيكلية هي مركبات لها نفس التركيب وتختلف في ترتيب ترابط الذرات، أي. التركيب الكيميائيجزيئات.
إن سبب ظهور الأيزومرية الهيكلية في سلسلة الألكانات هو قدرة ذرات الكربون على تكوين سلاسل ذات هياكل مختلفة، ويسمى هذا النوع من الأيزومرية الهيكلية ايزومرية الهيكل العظمي الكربوني.
على سبيل المثال، يمكن أن يوجد ألكان تركيبه C 4 H 10 في الصورة اثنينالايزومرات الهيكلية:
والكان C 5 H 12 - في النموذج ثلاثةالايزومرات الهيكلية التي تختلف في بنية سلسلة الكربون:
مع زيادة عدد ذرات الكربون في الجزيئات، تزداد احتمالية تفرع السلسلة، أي. ويزداد عدد الايزومرات بزيادة عدد ذرات الكربون.
تختلف الايزومرات الهيكلية الخصائص الفيزيائية. الألكانات ذات البنية المتفرعة، بسبب التعبئة الأقل كثافة للجزيئات، وبالتالي التفاعلات الأصغر بين الجزيئات، تغلي عند درجة حرارة أقل من أيزومراتها غير المتفرعة.
عند استخلاص الصيغ الهيكلية للأيزومرات، يتم استخدام التقنيات التالية.
الألكانات عبارة عن هيدروكربونات مشبعة في جزيئاتها، حيث تشغل جميع ذرات الكربون من خلال روابط بسيطة بواسطة ذرات الهيدروجين. لذلك، تتميز متجانسات سلسلة الميثان بالتصاوغ البنيوي للألكانات.
الايزومرية للهيكل العظمي الكربوني
تتميز المتماثلات التي تحتوي على أربع ذرات كربون أو أكثر بالتصاوغ البنيوي بسبب التغيرات في الهيكل الكربوني. يمكن لمجموعات الميثيل -CH 2 أن تلتصق بأي كربون في السلسلة، لتشكل مواد جديدة. كلما زاد عدد ذرات الكربون في السلسلة، زاد عدد الأيزومرات المتماثلة. يتم حساب العدد النظري للمتماثلات رياضيا.
أرز. 1. العدد التقريبي لأيزومرات متجانسات الميثان.
بالإضافة إلى مجموعات الميثيل، يمكن ربط سلاسل الكربون الطويلة بذرات الكربون، مما يشكل مواد متفرعة معقدة.
أمثلة على ايزومرية الألكانات:
- البيوتان العادي أو البوتان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3) و2-ميثيل بروبان (CH 3 -CH(CH 3)-CH 3)؛
- ن-بنتان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3)، 2-ميثيل بوتان (CH 3 -CH 2 -CH(CH 3) -CH 3)، 2،2 ثنائي ميثيل بروبان (CH 3 -C) (الفصل 3) 2 -الفصل 3)؛
- ن-هكسان (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3)، 2-ميثيل بنتان (CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 2 -CH 3)، 3-ميثيل بنتان ( CH 3 -CH 2 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3)، 2،3-ثنائي ميثيل البيوتان (CH 3 -CH(CH 3)-CH(CH 3)-CH 3)، 2،2-ثنائي ميثيل بوتان ( CH 3 -C(CH 3) 2 -CH 2 -CH 3).
أرز. 2. أمثلة على الايزومرات الهيكلية.
تختلف الأيزومرات المتفرعة عن الجزيئات الخطية في الخواص الفيزيائية. تنصهر الألكانات المتفرعة وتغلي عند درجات حرارة أقل من نظيراتها الخطية.
التسميات
وضعت التسميات الدولية IUPAC قواعد لتسمية السلاسل المتفرعة. لتسمية الأيزومر الهيكلي:
- العثور على أطول سلسلة وتسميتها؛
- ترقيم ذرات الكربون بدءاً من النهاية بأكبر عدد من البدائل؛
- الإشارة إلى عدد البدائل المتطابقة باستخدام البادئات الرقمية؛
- إعطاء أسماء للبدائل.
يتكون الاسم من أربعة أجزاء يتبع كل منها الآخر:
- الأرقام التي تشير إلى ذرات السلسلة التي لها بدائل؛
- البادئات الرقمية؛
- اسم النائب؛
- اسم الدائرة الرئيسية.
على سبيل المثال، في جزيء CH 3 -CH (CH 3) -CH 2 -C (CH 3) 2 -CH 3، تحتوي السلسلة الرئيسية على خمس ذرات كربون. لذلك فهو البنتان. الطرف الأيمن لديه المزيد من الفروع، وبالتالي فإن ترقيم الذرات يبدأ من هنا. في هذه الحالة، تحتوي الذرة الثانية على بديلين متطابقين، وهو ما ينعكس أيضًا في الاسم. وتبين أن هذه المادة تسمى 2،2،4-تريميثيلبنتان.
البدائل المختلفة (ميثيل، إيثيل، بروبيل) مدرجة في الاسم أبجديًا: 4،4-ثنائي ميثيل-3-إيثيل هبتان، 3-ميثيل-3-إيثيلوكتان.
عادة، يتم استخدام بادئات الأرقام من اثنين إلى أربعة: دي- (اثنان)، ثلاثي (ثلاثة)، رباعي- (أربعة).
ماذا تعلمنا؟
تتميز الألكانات بالإيزومرية الهيكلية. تعتبر الأيزومرات الهيكلية من سمات جميع المتماثلات، بدءًا من البيوتان. في الأيزومرية الهيكلية، ترتبط البدائل بذرات الكربون في سلسلة الكربون، وتشكل سلاسل متفرعة معقدة. يتكون اسم الأيزومر من أسماء السلسلة الرئيسية والبدائل وتسمية لفظية لعدد البدائل وتسمية رقمية لذرات الكربون التي ترتبط بها البدائل.
الألكانات هي هيدروكربونات لاحلقية ذات بنية خطية أو متفرعة تحتوي فقط على اتصالات بسيطةوتشكيل سلسلة متجانسة بالصيغة العامة C n H 2n+2 (CH 4, C 2 C 6, ...). وتسمى الألكانات أيضًا بالبرافينات. تحتوي كل ذرة كربون في جزيء الألكان على الحد الأقصى لعدد الذرات الأخرى المرتبطة بها، أي أربع، ولهذا السبب تسمى هذه الهيدروكربونات مشبعة.
روابط
لا يمكن للتكوين الإلكتروني لذرة الكربون ذات العدد الذري 6، 1s 2 2s 2 2p 2، أن يشكل أربع روابط، بل اثنتين فقط، لذلك حدث تهجين sp 3 هنا، أي إعادة توزيع أربعة إلكترونات من إلكترونين مختلفين مستويات الطاقةلواحد. تشكل روابط الإلكترون بين الكربون (من المدار sp 3) والهيدروجين (من المدار s) رابطة σ قوية جدًا. بسبب قوة الرابطة، فإن الهيدروكربونات المشبعة لها تفاعل منخفض.
الهندسة
إن وجود أربعة مدارات على ذرة الكربون يخلق شكل رباعي وجوه منتظم وجميع الزوايا بين المدارات هي 109°28". طول الرابطة بين ذرات الكربون والهيدروجين هو 0.109 نانومتر، بين ذرتي الكربون - 0.154 نانومتر.
تفاعلات
ترتبط الذرات الموجودة في جزيئات الألكان برابطة قوية. في رد الفعل اتصالات CCومن المرجح أن يتحلل كل من C-H ليشكل مركبًا جديدًا، لذلك يؤدي التفاعل دائمًا إلى خليط معقد من المنتجات. في الظروف العادية، لا تتفاعل الألكانات مع الأحماض أو القواعد أو العوامل المؤكسدة القوية.
عندما يتم كسر الرابطة في الألكانات، هناك سيناريوهان محتملان: كسر الرابطة مع تكوين جذرين، A: B → A + B. ويسمى هذا الكسر متجانسًا (متماثل - متطابق). في حالة أخرى، تحدث فجوة عند تكوين الأيونات، عندما يذهب زوج مشترك من الإلكترونات إلى إحدى الذرات: A: B → A + : B، وتسمى هذه الفجوة بالتحلل المغاير. تسمى أنواع تفاعلات الألكانات وفقًا لذلك: التفاعلات المتجانسة والمغايرة.
على هذه اللحظةهناك نوعان من تفاعلات الألكانات التي لا تنكسر فيها روابط CC - الهلجنة والنتردة. فيما يلي أمثلة على تفاعلات الميثان.
الهلجنة
يحدث تفاعل الهلجنة عند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية أو تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. أثناء التفاعل، يتم تشكيل الألكانات المهلجنة. التفاعلات الأكثر شيوعًا هي مع الكروم والبروم، التفاعلات مع الفلور خطيرة بسبب احتمال الانفجار، لا تحدث تفاعلات مع اليود.
تتكون عملية الهلجنة من ثلاث مراحل: البدء، وانتشار السلسلة، وإنهاء السلسلة.
1. البدء - الانقسام المتجانس للهالوجين إلى جذرين:
Cl 2 → 2Cl (التعرض للطاقة الضوئية، hν)
2. تطوير سلسلة - تتفاعل الجذور الحرة مع الجزيئات ومن الممكن حدوث تفاعلين:
(1) الكلور + CH 4 → حمض الهيدروكلوريك + CH 3
(2) الكلور + CH 4 → CH 3 Cl + H
طاقة الهيدروجين الذري أعلى بكثير من طاقة جذر الميثيل CH 3، لذلك لا يحدث التفاعل (2).
3. إنهاء السلسلة - تتفاعل الجذور مع بعضها البعض وتشكل المنتجات:
الكلور + الكلور → الكلور 2
CH 3 + CH 3 → 2CH 3
CH 3 + Cl → CH 3 Cl
الإحتراق
الاستخدام الرئيسي للألكانات هو الوقود، لذلك يمكن تسمية تفاعل الاحتراق بأنه الأكثر شيوعًا بالنسبة للهيدروكربونات المشبعة. في تفاعل الاحتراق، تتحول الألكانات إلى ماء و ثاني أكسيد الكربون. رد فعل الاحتراق طارد للحرارة ويتطلب كمية كبيرةالطاقة، مثل الشرارة أو النار. تفاعل الاحتراق العام للألكانات:
R + O 2 → CO 2 + H 2 O + حرارة
2C n H 2n+2 + (3n+1)O 2 → 2nCO 2 + (2n+2)H2O + حرارة
تفاعل احتراق الميثان
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 212 سعرة حرارية/مول
نترات
عند درجة حرارة 140 درجة مئوية، مع زيادة الضغط، تتفاعل الألكانات مع حمض النيتريك، ويتم استبدال ذرة الهيدروجين ببقايا حمض النيتريك رقم 2، وتسمى نواتج التفاعل بمركبات النيترو:
CH 4 + H O-NO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O (140 درجة مئوية، ع)
توليف
توليف ورتز
في عام 1855، اكتشف أدولف فورتز أن تفاعل معدن الصوديوم مع الهالوكين ينتج ملح الصوديوم:
2CH 3 أنا + 2Na → 2Na + أنا - + CH 3 CH 3
تتفاعل الجذور الحرة للهالولكان مع بعضها البعض لتكوين مركبات أطول. المعادلة العامةرد الفعل له الشكل:
الحد من الهالوكيل
تتفاعل معظم الهالوكيل مع كاتيونات الزنك والهيدروجين (أو حمض برونستد-لوري) لتكوين الألكانات. في مثل هذا التفاعل، يكون الزنك عامل اختزال ويسمح باستبدال الهالوجين بالهيدروجين:
2C4H9Br (2-بروموبوتان) + H + (حمض) + Zn → 2C4H10 (بيوتان) + ZnBr2
كواشف غرينيارد
كواشف غرينيارد هي مركبات عضوية تحتوي على رابطة معدنية-كربونية. تتشكل هذه الكواشف نتيجة تفاعل هالة الألكيل مع المغنيسيوم في محلول ثنائي إيثيل الأثير:
R-X + Mg → RMgX (في محلول ثنائي إيثيل الأثير)
يحدث التفاعل أيضًا مع كلوريدات الألكيل والبروميدات واليوديدات. أثناء التحلل المائي، يتم تحويل كواشف جرينيارد إلى ألكانات:
CH 3 MgI + H 2 O → CH 4 + H O-Mg-I
C 2 H 5 MgBr + H 2 O → C 2 H 6 + H O-Mg-Br
الاستلام والاستخدام
يتم تحضير الألكانات إما عن طريق التوليف أو من مصادر طبيعية(الغاز الطبيعي، النفط، الفحم). إن استخدام الهيدروكربونات المشبعة واسع النطاق للغاية، حيث تستخدم الألكانات كوقود للغاز والبنزين والديزل ووقود الصواريخ. الفازلين والمذيبات والبارافين هي أيضًا من مزايا الألكانات.
خصائص الألكانات
التهجين sp3 يجعل الألكانات الأقل قطبية على الإطلاق مركبات العضوية، ويترتب على ذلك أنها ضعيفة الذوبان في المحاليل القطبية، وبالتالي فإن نقاط الغليان والانصهار ستعتمد بشكل أساسي على الوزن الجزيئي فقط؛ في المتوسط، تزيد نقطة غليان الهيدروكربونات المشبعة بمقدار 25-30 درجة لكل ذرة كربون بعد البنتان . الألكانات المتفرعة لديها المزيد درجة حرارة منخفضةيغلي لأن الجزيئات الأكثر تفرعًا لها مساحة سطح أقل، لذلك الروابط بين الجزيئاتأضعف ويغلي في وقت سابق.
تعتمد لزوجة المادة على حجم الجزيء، فكلما زاد عدد ذرات الكربون في الجزيء، زاد حجمه وزاد احتمال التفاعل بين الجزيئات، ونتيجة لذلك، زادت اللزوجة. الألكانات التي يتراوح عدد الكربون فيها من 20 إلى 35 هي المكونات الرئيسية لمواد التشحيم.
التسميات
يتكون اسم الألكانات من جزأين: البادئة تشير إلى عدد ذرات الكربون، وتلحق بها اللاحقة -ane والتي تعني نوع المركب، أي نوع المركب. ألكان
| عدد ذرات الكربون | اسم | الصيغة الهيكلية |
|---|---|---|
| 1 | الميثان | CH4 |
| 2 | الإيثان | الفصل 3 - الفصل 3 |
| 3 | البروبان | CH 3 -CH 2 -CH 3 |
| 4 | البيوتان | الفصل 3 -(الفصل 2) 2 -الفصل 3 |
| 5 | البنتان | الفصل 3 -(الفصل 2) 3 -الفصل 3 |
| 6 | الهكسان | الفصل 3 -(الفصل 2) 4 -الفصل 3 |
| 7 | هيبتان | الفصل 3 -(الفصل 2) 5 -الفصل 3 |
| 8 | أوكتان | الفصل 3 -(الفصل 2) 6 -الفصل 3 |
| 9 | نونان | الفصل 3 -(الفصل 2) 7 -الفصل 3 |
| 10 | عميد | الفصل 3 -(الفصل 2) 8 -الفصل 3 |
| 11 | اندكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 9 -الفصل 3 |
| 12 | دوديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 10 -الفصل 3 |
| 13 | تريديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 11 -الفصل 3 |
| 14 | تيتراديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 12 -الفصل 3 |
| 15 | بنتاديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 13 -الفصل 3 |
| 16 | هيكساديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 14 -الفصل 3 |
| 17 | هيبتاديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 15 -الفصل 3 |
| 18 | أوكتاديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 16 -الفصل 3 |
| 19 | نوناديكان | الفصل 3 -(الفصل 2) 17 -الفصل 3 |
| 20 | إيكوسان | الفصل 3 -(الفصل 2) 18 -الفصل 3 |
| الجدول 1.تسميات الألكانات | ||
الألكانات أو الهيدروكربونات الأليفاتية المشبعة هي مركبات ذات سلسلة مفتوحة (غير حلقية)، حيث ترتبط ذرات الكربون في جزيئاتها ببعضها البعض بواسطة رابطة σ. تكون ذرة الكربون في الألكانات في حالة تهجين sp3.
تشكل الألكانات سلسلة متجانسة يختلف فيها كل عضو بثابت الوحدة الهيكلية-CH2-، وهو ما يسمى بالفرق المتماثل. أبسط ممثل هو الميثان CH4.
- الصيغة العامة للألكانات: ج ن ح 2ن+2
بالنسبة للألكانات، بالإضافة إلى الأيزومرية الهيكلية، هناك ايزومرية توافقية، وبدءًا من الهيبتان، التماثلية التماثلية:
تسميات IUPACتستخدم البادئات في أسماء الألكانات ن-, ثانية-, ايزو, ثالثي-, neo:
- ن-تعني البنية العادية (غير المتآكلة) للسلسلة الهيدروكربونية؛
- ثانية-ينطبق فقط على البوتيل المعاد تدويره؛
- ثالثي-يعني ألكيل ذو بنية ثلاثية؛
- ايزوالفروع في نهاية السلسلة؛
- neoتستخدم للألكيل مع ذرة الكربون الرباعية.
تعتمد تسمية الألكانات المتفرعة على القواعد الأساسية التالية:
- ولبناء الاسم يتم اختيار سلسلة طويلة من ذرات الكربون وترقيمها بالأرقام العربية (locants)، بدءاً من النهاية الأقرب إلى المكان الذي يقع فيه البديل، على سبيل المثال:
- إذا تكررت نفس مجموعة الألكيل أكثر من مرة فتوضع أمامها بادئات الضرب في الاسم ثنائي(قبل حرف العلة ثنائي), ثلاثة-, رباعيإلخ، وتخصيص كل ألكيل على حدة برقم، على سبيل المثال:
تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للمخلفات المعقدة (المجموعات) تتضاعف البادئات مثل مكرر-, تريس-, تتراكيس-آخر.
- إذا كانت الفروع الجانبية للسلسلة الرئيسية تحتوي على بدائل ألكيل مختلفة، فسيتم إعادة ترتيبها أبجديًا (مع بادئات مضاعفة ثنائي, رباعيالخ، وكذلك البادئات ن-, ثانية-, ثالثي-لا تؤخذ في الاعتبار)، على سبيل المثال:
- إذا كان هناك خياران أو أكثر لأطول سلسلة ممكنة، فاختر الخيار الذي يحتوي على أكبر عدد من الفروع الجانبية.
- يتم إنشاء أسماء مجموعات الألكيل المعقدة وفقًا لنفس مبادئ أسماء الألكانات، لكن ترقيم سلسلة الألكيل يكون دائمًا مستقلاً ويبدأ بذرة الكربون ذات التكافؤ الحر، على سبيل المثال:
- عند استخدامها باسم هذه المجموعة، يتم وضعها بين قوسين وفي ترتيب ابجديويؤخذ في الاعتبار الحرف الأول من الاسم كاملاً:
طرق الاستخراج الصناعي 1. استخلاص غاز الألكانات.يتكون الغاز الطبيعي أساسًا من الميثان ومخلوطات صغيرة من الإيثان والبروبان والبيوتان. يتم تقسيم الغاز تحت الضغط عند درجات حرارة منخفضة إلى أجزاء مناسبة.
2. استخلاص الألكانات من الزيت.تتم تنقية النفط الخام ومعالجته (التقطير، والتجزئة، والتكسير). يتم الحصول على الخلائط أو المركبات الفردية من المنتجات المصنعة.
3. هدرجة الفحم (طريقة ف. بيرجيوس، 1925).يتم هدرجة الفحم الصلب أو البني في الأوتوكلاف عند 30 ميجا باسكال في وجود محفزات (أكاسيد وكبريتيدات Fe، Mo، W، Ni) في بيئة هيدروكربونية وتحويلها إلى ألكانات، ما يسمى بوقود المحركات:
nC + (n+1)H 2 = C n H 2n+2
4. تخليق الألكانات بالأكسجين (طريقة ف. فيشر - ج. تروبش، 1922).باستخدام طريقة فيشر تروبش، يتم الحصول على الألكانات من غاز التخليق. الغاز الاصطناعي عبارة عن خليط من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين بنسب مختلفة. يتم الحصول عليه من الميثان بواسطة أحد التفاعلات التي تحدث عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية بوجود أكسيد النيكل NiO المدعم على Al 2 O 3:
CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2
CH 4 + CO 2 ⇄ 2CO + 2H 2
2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
يتم الحصول على الألكانات عن طريق التفاعل (درجة حرارة حوالي 300 درجة مئوية، محفز Fe-Co):
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O
ويسمى الخليط الناتج من الهيدروكربونات، والذي يتكون بشكل رئيسي من ألكانات البنية (ن = 12-18)، "سينتين".
5. التقطير الجاف.يتم الحصول على الألكانات بكميات صغيرة نسبيًا عن طريق التقطير الجاف أو تسخين الفحم والصخر الزيتي والخشب والجفت دون الوصول إلى الهواء. التركيب التقريبي للخليط الناتج هو 60٪ هيدروجين و 25٪ ميثان و3-5٪ إيثيلين.
طرق الاستخراج المختبري 1. التحضير من الهالوكيل
1.1. التفاعل مع الصوديوم المعدني (Wurz, 1855).يتكون التفاعل من تفاعل فلز قلوي مع هالو ألكيل ويستخدم لتخليق الألكانات ذات التناظر الأعلى:
2CH 3 -I + 2Na ⇄ CH 3 -CH 3 + 2NaI
إذا شارك اثنان من الهالوكيلات المختلفة في التفاعل، يتكون خليط من الألكانات:
3CH 3 -I + 3CH 3 CH 2 -I + 6Na → CH 3 -CH 3 + CH 3 CH 2 CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 6NaI
1.2 التفاعل مع كبرات ثنائي الليثيوم.تتضمن الطريقة (التي تسمى أحيانًا تفاعل E. Core - H. House) تفاعل كبريتات ديالكيل الليثيوم التفاعلية R 2 CuLi مع الهالوكيل. أولاً، يتفاعل معدن الليثيوم مع الهالوكين في بيئة الأثير. بعد ذلك، يتفاعل الليثيوم الألكيل المقابل مع هاليد النحاس (I) لتكوين كبريتات ثنائي ألكيل الليثيوم القابلة للذوبان:
CH 3 Cl + 2Li → CH 3 Li + LiCl
2CH 3 Li + CuI → (CH 3 ) 2 CuLi + LiI
عندما يتفاعل كبريت ثنائي ألكيل الليثيوم مع الهالوكيل المقابل، يتكون المركب النهائي:
(CH 3 ) 2 CuLi + 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -I → 2CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 -CH 3 + LiI + CuI
تتيح هذه الطريقة تحقيق إنتاجية من الألكانات تصل إلى 100% تقريبًا عند استخدام الهالوكيلات الأولية. مع هيكلها الثانوي أو الثالث، العائد هو 30-55٪. إن طبيعة مكون الألكيل في كبريتات ثنائي ألكيل الليثيوم لها تأثير ضئيل على إنتاجية الألكان.
1.3 الحد من الهالوكيلات.من الممكن اختزال الهالوكيلات باستخدام الهيدروجين الجزيئي المثار حفزيًا، والهيدروجين الذري، واليود، وما إلى ذلك:
CH 3 I + H 2 → CH 4 + HI (محفز Pd)
CH 3 CH 2 I + 2H → CH 3 CH 3 + HI
CH 3 أنا + مرحبا → CH 4 + أنا 2
الطريقة ليس لها قيمة تحضيرية، وغالبا ما يتم استخدام عامل اختزال قوي - اليود.
2. التحضير من الأملاح الأحماض الكربوكسيلية.
2.1 التحليل الكهربائي للأملاح (كولبي، 1849).يتضمن تفاعل كولبي التحليل الكهربائي محاليل مائيةأملاح الأحماض الكربوكسيلية:
R-COONa ⇄ R-COO - + Na +
عند الأنود، يتأكسد أنيون الحمض الكربوكسيلي، مكونًا جذرًا حرًا، ويمكن نزع الكربوكسيل منه بسهولة أو التخلص منه بواسطة ثاني أكسيد الكربون. يتم تحويل جذور الألكيل إلى ألكانات بسبب إعادة التركيب:
R-COO - → R-COO . + ه -
R-COO. → ر. +ثاني أكسيد الكربون
ر. + ر. → ر-ر
تعتبر طريقة كولبي التحضيرية فعالة في وجود الأحماض الكربوكسيلية المقابلة لها واستحالة استخدام طرق تركيب أخرى.
2.2 اندماج أملاح الأحماض الكربوكسيلية مع القلويات.أملاح الفلزات القلويةعندما تتحد الأحماض الكربوكسيلية مع القلويات فإنها تشكل الألكانات:
CH 3 CH 2 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 3 CH 3
3. تقليل المركبات المحتوية على الأكسجين(الكحول، الكيتونات، الأحماض الكربوكسيلية) . عوامل الاختزال هي المركبات المذكورة أعلاه. في أغلب الأحيان، يتم استخدام ماء اليود، وهو قادر على تقليل الكيتونات: الممثلون الأربعة الأوائل للألكانات من الميثان إلى البوتان (C 1 -C 4) هم الغازات، من البنتان إلى البنتاديكان (C 5 -C 15 - السوائل، من هيكساديكان (C 16) - المواد الصلبة. زيادتهم الأوزان الجزيئيةيؤدي إلى زيادة درجات الغليان والانصهار، حيث تغلي الألكانات المتفرعة عند درجة حرارة أقل من الألكانات العادية. ويفسر ذلك تفاعل فان دير فال السفلي بين جزيئات الهيدروكربونات المتفرعة في الحالة السائلة. درجة حرارة انصهار حتى المتماثلات أعلى مقارنة بدرجة الحرارة، على التوالي، بالنسبة للمتجانسات.
الألكانات أخف بكثير من الماء، وغير قطبية ويصعب استقطابها، ولكنها قابلة للذوبان في معظم المذيبات غير القطبية، ولهذا السبب يمكن أن تكون نفسها مذيبًا للعديد من المركبات العضوية.
