alkani, alkeni, alkini, areni - karakteristike, upotreba, reakcije
1) Alkani- to su zasićeni ugljikovodici, u čijim su molekulima svi atomi povezani jednostrukim vezama. Njihov sastav se ogleda u jednoj opštoj formuli: C n H 2n+2.
Fizička svojstva alkani zavise od sastava njihovih molekula, tj. na relativnu molekulsku masu. Sa povećanjem relativne molekulske mase alkana povećava se tačka ključanja i gustoća, a mijenja se i agregacijsko stanje: prva četiri alkana su plinovite tvari, sljedećih jedanaest su tekućine, a počevši od heksadekana, čvrste tvari.
Main hemijsko svojstvo zasićeni ugljovodonici, što određuje upotrebu alkana kao goriva reakcija sagorevanja.
Za alkane, kao i za zasićene ugljovodonike, najkarakterističnije supstitucijske reakcije. Dakle, atomi vodika u molekulu metana mogu se sukcesivno zamijeniti atomima halogena.
Nitracija
Alkani reaguju sa azotnom kiselinom ili N 2 O 4 u gasnoj fazi i formiraju nitro derivate. Svi dostupni podaci ukazuju na mehanizam slobodnih radikala. Kao rezultat reakcije nastaju mješavine proizvoda.
Pucanje
Kada se zagriju iznad 500°C, alkani se podvrgavaju pirolitičkoj razgradnji i formiraju složenu smjesu proizvoda čiji sastav i omjer zavise od temperature i vremena reakcije.
Potvrda
Glavni izvor alkana su nafta i prirodni plin, koji se obično javljaju zajedno.
Aplikacija
Kao vrijedna goriva koriste se plinoviti alkani. Tečnosti, zauzvrat, čine značajan udio motornih i raketnih goriva.
2) Alkeni– to su nezasićeni ugljovodonici koji u molekulu, pored jednostrukih veza, sadrže i jednu dvostruku vezu ugljik-ugljik. Njihov sastav se ogleda u formuli: C n H 2n.
Fizička svojstva
Tačke topljenja i ključanja alkena povećavaju se s molekulskom težinom i dužinom ugljične kičme. Alkeni su nerastvorljivi u vodi, ali su dobro rastvorljivi u organskim rastvaračima.
Alkeni su hemijski aktivni. Njihova hemijska svojstva su u velikoj meri određena prisustvom dvostruke veze. Za alkene, najtipičnije reakcije adicije su:
1) Vodonik, 2) Voda, 3) Halogeni, 4) Halogenidi vodonika.
Alkeni lako ulaze u reakcije oksidacije, u zavisnosti od uslova i vrste oksidacionih reagensa, kako sa cijepanjem dvostruke veze, tako i sa očuvanjem ugljičnog skeleta slobodni radikal ili kation-anion mehanizam.
Metode pripreme alkena
Glavna industrijska metoda za proizvodnju alkena je katalitički i visokotemperaturni kreking ugljikovodika, nafte i prirodnog plina. Za proizvodnju nižih alkena također se koristi reakcija dehidracije odgovarajućih alkohola.
U laboratorijskoj praksi se obično koristi metoda dehidracije alkohola u prisustvu jakih mineralnih kiselina. Najjednostavniji predstavnik ove klase organskih jedinjenja - etilen (C 2 H 4) - je hormon za biljke i u njima se sintetiše u malim količinama.
Aplikacija
Alkeni su najvažnije hemijske sirovine. Alkeni se koriste kao polazni proizvodi u proizvodnji polimernih materijala(plastika, folije) i dr organska materija. Viši alkeni se koriste za dobijanje viših alkohola.
3) Alkini- to su nezasićeni ugljovodonici, čiji molekuli sadrže, osim jednostrukih, i jednu trostruku vezu ugljik-ugljik. Sastav se odražava formulom: C n H 2n-2.
Fizička svojstva
Alkini po svojim fizičkim svojstvima liče na odgovarajuće alkene. Niži (do C 4) su plinovi bez boje i mirisa koji imaju više tačke ključanja od njihovih analoga u alkenima. Alkini su slabo rastvorljivi u vodi, ali bolje rastvorljivi u organskim rastvaračima. Prisustvo trostruke veze u lancu dovodi do povećanja njihove tačke ključanja, gustine i rastvorljivosti u vodi.
Hemijska svojstva
Kao i sva nezasićena jedinjenja, alkini aktivno ulaze u reakcije adicije: 1) halogena, 2) vodonika, 3) vodonik halogenida, 4) vode. Ulaze u reakcije oksidacije Zbog prisustva trostruke veze, sklone su reakcijama polimerizacije, koje se mogu odvijati u nekoliko smjerova:
a) Pod uticajem kompleksnih soli bakra, dimerizacija i linearna
trimerizacija acetilena.
b) Kada se acetilen zagreva u prisustvu aktivnog uglja (Reakcija Zelinsky), dolazi do ciklične trimerizacije da bi se formirao benzen.
Metode prijema
Glavna industrijska metoda za proizvodnju acetilena je elektro- ili termički krekiranje metana, piroliza prirodnog plina i karbidna metoda.
Aplikacija
Samo acetilen, koji je najvažnija hemijska sirovina, ima ozbiljan industrijski značaj. Kada acetilen gori u kiseoniku, temperatura plamena dostiže 3150°C, pa se acetilen koristi za rezanje i zavarivanje metala.
4) Arene- aromatični ugljovodonici koji sadrže jedan ili više benzenskih prstenova.
Fizička svojstva
Tipično, aromatična jedinjenja su čvrste ili tečne supstance. Odlikuju se visokim indeksom prelamanja i apsorpcije. Nerastvorljivi su u vodi, ali su vrlo topljivi u mnogim organskim tekućinama. Zapaljiv, benzen je otrovan.
Hemijska svojstva
Aromatične spojeve karakteriziraju reakcije supstitucije za atome vodika povezane s prstenom. Reakcije adicije i oksidacije su moguće, ali se odvijaju otežano, jer narušavaju aromatičnost.
Metode prijema
Glavni prirodni izvori aromatičnih ugljika su
ugalj i ulje trimerizacije acetilena i njegovih homologa preko aktivnog uglja na 600 °C.
Aplikacija- Aromatični ugljovodonici, prvenstveno benzen, imaju široku primenu u industriji: kao dodatak benzinu, u proizvodnji rastvarača, eksploziva, anilinskih boja i lekova.
10. Struktura, vlastnosti i význam derivátů uhlovodíků
halové deriváty, nitrosloučeniny, aminosloučeniny, alkoholy i fenoly, aldehidi i ketony, karboksilové sloučeniny – karakteristike, použití, reakce
10. Struktura, svojstva i značaj derivata ugljovodonika
halogenirani alkani, nitro jedinjenja, amino jedinjenja, alkoholi i fenoli, aldehidi i ketoni, karboksilne kiseline - karakteristike, upotreba, reakcije
1) Haloalkani- organska jedinjenja koja sadrže vezu ugljik-halogen. Zbog činjenice da su atomi halogena elektronegativniji od atoma ugljika, C-X veza je polarizirana na takav način da atom halogena dobiva djelomično negativan naboj, a atom ugljika dobiva djelomično pozitivan naboj u svojoj većini halogenih alkana čisti oblik su bezbojna jedinjenja što je više atoma ugljenika, to su veće tačke topljenja i ključanja. Ako jedan atom ugljika sadrži 2 ili 3 atoma halogena, tada se tačke topljenja i ključanja takvog spoja, naprotiv, smanjuju. Haloalkani se dobijaju hlorisanjem alkana na svetlosti, hidrohlorisanjem nezasićenih ugljenika, ili se dobijaju iz alkohola. Haloalkani se koriste: kao rastvarači za masti i ulja; Teflon kao rashladna sredstva.
2) Nitro jedinjenja- organska jedinjenja koja sadrže jednu ili više nitro grupa – NO 2. Nitro spojevi obično označavaju C-nitro spojeve u kojima je nitro grupa vezana za atom ugljika. Sva nitro jedinjenja su prilično jaki otrovi za centralni nervni sistem. Polinitro spojevi su obično blago obojeni i eksplozivni pri udaru i detonaciji.
U pogledu svog hemijskog ponašanja, nitro jedinjenja pokazuju izvesnu sličnost sa azotnom kiselinom. Ova sličnost se manifestuje u redoks reakcijama: Redukcija nitro jedinjenja (Reakcija Zinin), reakcije kondenzacije, Tautomerizam (fenomen reverzne izomerije) nitro jedinjenja.
Nitro spojevi se široko koriste u organskoj sintezi za dobijanje različitih supstanci koje se koriste u proizvodnji boja i lijekovi. Neki od nitro spojeva se koriste kao antifungalni i antimikrobni agensi. Polinitro derivati - TNT, pikrinska kiselina i njene soli - koriste se kao eksplozivi.
4) Amino jedinjenja- to su organska jedinjenja koja su derivati amonijaka, u čijoj molekuli su jedan, dva ili tri atoma vodika zamijenjena ugljikovodičnim radikalom. Amini se klasifikuju prema dve strukturne karakteristike: 1) Na osnovu broja radikala povezanih sa atomom azota, razlikuju se primarni, sekundarni i tercijarni amini. 2) Na osnovu prirode ugljikovodičnih radikala, amini se dijele na alifatske, aromatične i miješane.
Metilamin, dimetilamin i trimetilamin su gasovi, srednji članovi alifatskog niza su tečnosti, a viši članovi su čvrste materije Poput amonijaka, niži amini se dobro rastvaraju u vodi, formirajući alkalne rastvore. Sa povećanjem molekularne mase, rastvorljivost amina u vodi je nalik na miris amonijaka. Tačke ključanja primarnih amina su mnogo niže.
Masni amini, poput amonijaka, mogu se kombinirati s kiselinama, čak i tako slabim ugljične kiseline, i tako daju odgovarajuće soli supstituiranih amonijum baza. Djelovanje dušične kiseline na amine je njihova karakteristična reakcija, koja omogućava razlikovanje primarnih, sekundarnih i tercijalnih amina.
Acilacija. Kada se zagrijavaju s karboksilnim kiselinama, njihovi anhidridi, hloridi ili estri, primarni i sekundarni amini se aciliraju u N-supstituisane amide medicinskih supstanci, boja i polaznih proizvoda za organsku sintezu.
5) Alkoholi- organska jedinjenja koja sadrže jednu ili više hidroksilnih grupa, alkoholi se dijele na jednovodne, dvoatomne, troatomne i višeatomne, ovisno o tome na kojem se atomu ugljika nalazi hidroksil tercijarni alkoholi se razlikuju Molekuli alkohola su slični molekulima vode, ali alkoholi imaju znatno više tačke topljenja i ključanja. Svojstva karakteristična za ovu klasu jedinjenja su posledica prisustva hidroksilne grupe. Alkoholi stupaju u interakciju sa: alkalnim i zemnoalkalnim metalima, halogenovodonicima i
sa organskim i neorganskim kiselinama za formiranje estera. Postoje i reakcije intermolekularne dehidracije alkohola, reakcije dehidrogenacije i oksidacije alkohola. Alkoholi su široko rasprostranjeni u prirodi, kako u slobodnom obliku, tako i kao dio estera. Alkoholi se mogu dobiti iz širokog spektra klasa jedinjenja, kao što su ugljovodonici, haloalkani, amini i karbonilna jedinjenja. U osnovi, sve metode se svode na reakcije oksidacije, redukcije, dodavanja i supstitucije. U industriji se alkoholi proizvode hemijskim ili biohemijskim metodama proizvodnje. Upotreba alkohola je brojna i raznolika, posebno s obzirom na širok spektar spojeva koji pripadaju ovoj klasi. Alkoholi se koriste kao rastvarači i sredstva za čišćenje, a osnova je etil alkohol alkoholnih proizvoda, također se široko koriste u industriji parfema i mnogim drugim poljima.
6) Fenoli- to su organska jedinjenja u čijim molekulima je fenilni radikal povezan sa jednom ili više hidroksilnih grupa. Na osnovu broja OH grupa razlikuju se monohidrični i poliatomski fenoli. Većina monohidričnih fenola u normalnim uslovima su bezbojne kristalne supstance niske tačke topljenja i karakterističnog mirisa. Fenoli su slabo rastvorljivi u vodi, lako rastvorljivi u organskim rastvaračima, toksični, a kada se čuvaju na vazduhu postepeno potamne kao rezultat oksidacije. Fenol ima izražena kisela svojstva. To je zbog činjenice da je slobodni elektronski par kisika u fenolu povučen prema jezgru. Kada fenol stupi u interakciju sa alkalijama, nastaju soli - fenolati. Zbog hidroksilne grupe, fenol će stupiti u interakciju sa alkalnim metalima.
Reakcije supstitucije i adicije također se javljaju uz sudjelovanje benzenskog prstena.
Fenoli se nalaze u značajnim količinama u katran uglja. Fenol se takođe dobija spajanjem natrijumove soli benzensulfonske kiseline sa natrijum hidroksidom.
Fenol se koristi u proizvodnji plastike, pikrinske kiseline, boja i sredstava za odbijanje insekata. Svi fenoli imaju baktericidno dejstvo, pa se koriste kao dezinfekciona sredstva u medicini i veterini.
Aldehidi i ketoni
Aldehidi su organski spojevi čiji molekuli sadrže karboksilnu grupu vezanu za atom vodika i ugljikovodični radikal.
Ketoni- to su organske tvari čije molekule sadrže karbonilnu grupu povezanu s dva ugljikovodična radikala.
Budući da su aldehidi i ketoni polarna jedinjenja, oni imaju više tačke ključanja od nepolarnih, ali niže od alkohola, što ukazuje na nedostatak molekularne povezanosti. Vrlo su topljivi u vodi, ali s povećanjem veličine molekula, topljivost naglo opada. Viši aldehidi i ketoni imaju prijatan miris, srednji homolozi niza aldehida imaju stabilan karakterističan miris, niži aldehidi imaju oštar, neugodan miris. Aldehidi i ketoni karakteriziraju reakcije adicije na dvostrukoj vezi. Uz reakciju adicije na karbonilnoj grupi, aldehide također karakteriziraju reakcije koje uključuju alfa atome vodika u susjedstvu karbonilne grupe. Njihova reaktivnost povezana je sa efektom povlačenja elektrona karbonilne grupe, što se manifestuje povećanim polaritetom veze. To dovodi do činjenice da se aldehidi, za razliku od ketona, lako oksidiraju. Njihova interakcija s otopinom amonijaka srebrnog oksida je kvalitativna reakcija na aldehide. Uobičajena metoda za proizvodnju aldehida i ketona je oksidacija alkohola na bakrenom katalizatoru. U industriji se aldehidi i ketoni dobivaju dehidrogenacijom alkohola. U industriji se ketoni koriste kao rastvarači, farmaceutski proizvodi i za proizvodnju raznih polimera. Od svih aldehida, formaldehid se najviše proizvodi. Uglavnom se koristi u proizvodnji smola. Takođe se sintetiše iz lijekovi koristi se kao konzervans za biološke preparate.
8) Karboksilne kiseline su organska jedinjenja čije molekule sadrže karboksilnu grupu -COOH povezanu sa ugljovodoničnim radikalom. Tačke ključanja i topljenja karboksilnih kiselina su mnogo veće, ne samo od odgovarajućih ugljovodonika, već i od alkohola. Dobra rastvorljivost u vodi, ali se pogoršava sa povećanjem ugljovodoničnih radikala. Donji članovi homolognog niza u normalnim uslovima su tečnosti sa karakterističnim oštrim mirisom. Srednji predstavnici ovog homolognog niza su viskozne tečnosti; počevši od C 10 - čvrste materije Karboksilna grupa je dizajnirana na takav način da molekula može prilično lako da apstrahuje vodonik - pokazujući svojstva kiseline. Karboksilne kiseline reagiraju s metalima i njihovim spojevima, istiskuju slabije kiseline iz njihovih soli, stupaju u interakciju s bazičnim i amfoternim oksidima i hidroksidima, a također sudjeluju u reakciji esterifikacije. Karboksilne kiseline se dobijaju oksidacijom aldehida i alkohola i hidrolizom estera. Mravlja kiselina se koristi u medicini, a sirćetna kiselina Prehrambena industrija, a koristi se i kao rastvarač.
11. Makromolekulární látky vznikající polymerací, polykondenzací a polyadicí
stavební a strukturní jednotka
moći makromolekulárních látek
polimera, poliester, poliamid, fenoplastika, aminoplastika, poliuretanija – příklady, použití
Zasićeni ugljovodonici u svojim molekulima sadrže samo niskopolarne i slabo polarizirajuće veze, koje su vrlo izdržljive, pa su u normalnim uvjetima tvari koje su malo kemijski aktivne u odnosu na polarne reagense: ne stupaju u interakciju s koncentriranim kiselinama, cjelinama, alkalnim metalima. ili oksidansi. Ovo je bio razlog njihovog imena - parafini. Parumaffinus nije srodan na latinskom. Njihove hemijske transformacije se dešavaju uglavnom na povišenim temperaturama i pod uticajem UV zračenja.
Postoje tri glavne vrste reakcija zasićenih ugljikovodika: supstitucija, oksidacija i eliminacija. Ove reakcije se mogu odvijati ili cijepanjem C-C veze (energija 83,6 kcal) ili cijepanjem C-H veze (energija 98,8 kcal/mol). Reakcije se češće javljaju kod kidanja veze C-H, jer pristupačnija je djelovanju reagensa, iako C-C veza zahtijeva manje energije za prekid. Kao rezultat takvih reakcija nastaju srednje aktivne čestice - alifatski ugljikovodični radikali.
Priprema i svojstva alifatskih radikala
1. Do stvaranja slobodnih radikala pri homolitičkom cijepanju C-C ili C-H veza dolazi na temperaturi od 300-700 o C ili pod utjecajem reagenasa slobodnih radikala.
2. Životni vijek slobodnih radikala (stabilnost) se povećava od primarnih radikala do sekundarnih i tercijalnih:
b) Interakcija sa nezasićenim jedinjenjima: adicija se javlja sa stvaranjem novog radikala:
CH3. + CH 2 =CH 2 CH 3 -CH 2 -CH 2.
c) -raspad – radikali sa dugim ugljikovim lancem raspadaju s prekidom S-S konekcije u -poziciji na ugljenik sa nesparenim elektronom.
CH 3 - CH 2: CH 2 - CH 2. CH 3 -CH 2 . +CH 2 =CH 2
d) Disproporcionalnost – preraspodjela vodonika povezana sa -raspadom duž C-H veze:
| + CH 3 -CH 2. | + CH 3 -CH 3 |
e) Rekombinacija - kombinacija slobodnih radikala jedan s drugim
CH 3. + CH 3. CH 3 -CH 3
Poznavajući karakteristike ponašanja slobodnih radikala, lakše je razumjeti osnovne obrasce specifičnih reakcija zasićenih ugljovodonika.
Tip I Reakcija supstitucije
1. Reakcije halogeniranja. Najsnažniji reagens je fluor. Direktna fluorizacija dovodi do eksplozije. Greatest praktični značaj imati reakcije hlorisanje. Mogu nastati pod uticajem molekula hlora na svetlosti već na sobnoj temperaturi. Reakcija se odvija lančanim mehanizmom slobodnih radikala i uključuje sljedeće glavne faze:
a) prva spora faza - pokretanje lanca:
Cl:ClCl. +Cl.
R:H+. Cl HCl + R .
b) razvoj lanca - formiranje produkta reakcije uz istovremeno stvaranje slobodnih radikala koji nastavljaju lančani proces:
R. + Cl: Cl RCl + Cl .
R: H + Cl. HCl + R.
c) otvoreno kolo:
Od CI. reagens je aktivan, može napasti molekulu već dobijenog derivata hlora, što rezultira stvaranjem mješavine mono- i polihalogen-supstituiranih. Na primjer:
CH 4 + Cl 2 HCl + CH 3 Cl CH 2 Cl 2 CHCl 3 CCl 4
metil hlorid –HCl -HCl -HCl
metilen hlorid hloroform tetra-
ugljični hlorid
Reakcija bromiranja teče mnogo teže, jer brom je manje aktivan od hlora i reaguje uglavnom tako da formira stabilnije tercijarne ili sekundarne radikale. U ovom slučaju, drugi atom broma obično ulazi u poziciju pored prvog, uglavnom na sekundarnom ugljiku.
Reakcije jodiranja praktično ne propuštaju, jer HI reducira nastali alkil jodid.
2. Nitracija– zamjena H atoma NO 2 grupom pod djelovanjem dušične kiseline. Nastaje pod dejstvom razblažene azotne kiseline (12%) na visokoj temperaturi od 150 o C pod pritiskom (Konovalova reakcija). Parafini izokonstrukcije lakše reaguju, jer supstitucija se lakše odvija na tercijarnom atomu ugljika:
Mehanizam reakcije nitriranja povezan je sa srednjim stvaranjem slobodnih radikala. Pokretanje je olakšano parcijalnim procesom oksidacije:
RH + HONO 2 ROH + HONO
azotna kiselina
HONO + HONO 2 HOH + 2 . NE 2
| + . NE 2 |
CH 3 -C-CH 3 + . NO 2 CH 3 -C-CH 3 + HNO 2
CH 3 -C-CH 3 + . NO 2 CH 3 -C-CH 3
one. Radikalna reakcija nitriranja ugljikovodika nema lančanu prirodu.
II tip. Reakcije oksidacije
U normalnim uslovima parafini se ne oksidiraju ni kiseonikom ni jakim oksidantima (KMnO 4, HNO 3, K 2 Cr 2 O 7 itd.).
Kada se otvoreni plamen unese u mješavinu ugljovodonika i zraka, dolazi do potpune oksidacije (sagorijevanja) ugljovodonika do CO 2 i H 2 O Zagrijavanjem zasićenih ugljovodonika u mješavini sa zrakom ili kisikom u prisustvu oksidacijskih katalizatora MnO 2. drugi do temperature od 300 o C dovodi do njihove oksidacije sa stvaranjem peroksidnih spojeva. Reakcija se odvija lančanim mehanizmom slobodnih radikala.
I: R: H R . +H. pokretanje kola
R:R. + O: :O: R-O-O .
R-O-O. + R: H R-O-O-H + R .
alkan hidroperoksid
O: R-O-O. +R. R-O-O-R otvoreni krug
alkan peroksid
Tercijarne jedinice se najlakše oksidiraju, sekundarne jedinice teže, a primarne još teže. Nastali hidroperoksidi se raspadaju.
Primarni hidroperoksidi nakon raspadanja stvaraju aldehide ili primarni alkohol, na primjer:
CH 3 -C-C-O: O-H CH 3 -C-O. + . OH CH 3 -C=O + H 2 O
etan hidroperoksid acetaldehid
CH 3 -CH 3
strana
CH 3 -CH 2 OH + CH 3 -CH 2.
Sekundarni hidroperoksidi formiraju ketone ili sekundarne alkohole tokom razgradnje, na primjer:
CH 3 -C-O:OH CH 3 -C-O. + . OH H 2 O + CH 3 -C=O
CH 3 CH 3 CH 3
propan hidroperoksid
CH 3 -CH 2 -CH 3
strana
CH 3 -CH-OH + CH 3 - . CH-CH 3
izopropil alkohol
Tercijarni hidroperoksidi formiraju ketone, kao i primarne i tercijarne alkohole, na primjer:
CH 3 CH 3 CH 3
CH 3 -C-CH 3 CH 3 -C: CH 3 +. OH CH 3 OH + CH 3 -C=O
izobutan hidroperoksid
CH 3 -CH-CH 3
Side
izobutan
CH 3 -C-CH 3 + CH 3 -C-CH 3
terc-butil alkohol
Bilo koji hidroperoksid se također može razgraditi oslobađanjem atomskog kisika: CH 3 -CH 2 -O-O-H CH 3 CH 2 -OH + [O],
koji ide na dalju oksidaciju:
CH 3 -C + [O] CH 3 -C-OH
Stoga, osim alkohola, aldehida i ketona, nastaju i karboksilne kiseline.
Odabirom uvjeta reakcije moguće je dobiti jedan određeni proizvod. Na primjer: 2 CH 4 + O 2 2 CH 3 OH.
Ugljovodonici su najjednostavnija organska jedinjenja. Sastoje se od ugljenika i vodonika. Jedinjenja ova dva elementa nazivaju se zasićeni ugljovodonici ili alkani. Njihov sastav je izražen formulom CnH2n+2, zajedničkom za alkane, gdje je n broj atoma ugljika.
U kontaktu sa
Alkani - međunarodni naziv za ova jedinjenja. Ova jedinjenja se takođe nazivaju parafini i zasićeni ugljovodonici. Veze u molekulima alkana su jednostavne (ili jednostruke). Preostale valencije su zasićene atomima vodika. Svi alkani su zasićeni vodonikom do granice, njegovi atomi su u stanju sp3 hibridizacije.
Homologni niz zasićenih ugljovodonika
Prvi u homolognom nizu zasićenih ugljovodonika je metan. Njegova formula je CH4. Završetak -an u imenu zasićenih ugljovodonika je posebna karakteristika. Dalje, u skladu sa datom formulom, etan - C2H6, propan - C3H8, butan - C4H10 nalaze se u homološkom nizu.
Od petog alkana u homolognom nizu, nazivi spojeva se formiraju na sljedeći način: grčki broj koji označava broj atoma ugljikovodika u molekuli + završetak -an. Dakle, na grčkom je broj 5 pende, pa nakon butana dolazi pentan - C5H12. Sljedeći je heksan C6H14. heptan - C7H16, oktan - C8H18, nonan - C9H20, dekan - C10H22, itd.
Fizička svojstva alkana primjetno se mijenjaju u homolognom nizu: tačke topljenja i ključanja se povećavaju, a gustoća raste. Metan, etan, propan, butan u normalnim uslovima, odnosno na temperaturi od približno 22 stepena Celzijusa, su gasovi, pentan do heksadekan uključujući tečnosti, a heptadekan čvrste materije. Počevši od butana, alkani imaju izomere.
Prikazane su tabele promjene u homolognom nizu alkana, koji jasno odražavaju njihova fizička svojstva.
Nomenklatura zasićenih ugljovodonika, njihovi derivati
Ako se atom vodika odvoji od molekule ugljikovodika, nastaju monovalentne čestice koje se nazivaju radikali (R). Naziv radikala je dat ugljikovodikom iz kojeg je taj radikal proizveden, a završetak -an mijenja se u završetak -yl. Na primjer, iz metana, kada se ukloni atom vodika, formira se metil radikal, od etana - etil, od propana - propil itd.
Radikale također formiraju neorganska jedinjenja. Na primjer, uklanjanjem hidroksilne grupe OH iz dušične kiseline, možete dobiti monovalentni radikal -NO2, koji se naziva nitro grupa.
Kada se odvoji od molekula alkan od dva atoma vodika, nastaju dvovalentni radikali, čiji se nazivi također formiraju od imena odgovarajućih ugljikovodika, ali se završetak mijenja u:
- ylen, ako se atomi vodika uklone s jednog atoma ugljika,
- ilen, u slučaju kada su dva atoma vodika otrgnuta od dva susjedna atoma ugljika.
Alkani: hemijska svojstva
Razmotrimo reakcije karakteristične za alkane. Svi alkani imaju zajednička hemijska svojstva. Ove supstance su neaktivne.
Sve poznate reakcije koje uključuju ugljikovodike podijeljene su u dvije vrste:
- cijepanje C-H veze (primjer je reakcija supstitucije);
- pucanje C-C veze (pucanje, stvaranje odvojenih dijelova).
Radikali su vrlo aktivni u vrijeme formiranja. Oni sami po sebi postoje na djelić sekunde. Radikali lako reaguju jedni na druge. Njihovi nespareni elektroni formiraju novu kovalentnu vezu. Primjer: CH3 + CH3 → C2H6
Radikali lako reaguju sa molekulima organskih supstanci. Oni se ili vežu za njih ili uklanjaju atom s nesparenim elektronom iz njih, uslijed čega se pojavljuju novi radikali, koji zauzvrat mogu reagirati s drugim molekulima. Takvom lančanom reakcijom dobijaju se makromolekule koje prestaju da rastu tek kada se lanac prekine (primjer: kombinacija dva radikala)
Reakcije slobodnih radikala objašnjavaju mnoge važne hemijske procese, kao što su:
- Eksplozije;
- Oksidacija;
- Kreking nafte;
- Polimerizacija nezasićenih jedinjenja.
Detalji hemijska svojstva se mogu uzeti u obzir zasićene ugljovodonike koristeći metan kao primjer. Gore smo već razmatrali strukturu molekula alkana. Atomi ugljika u molekuli metana su u stanju sp3 hibridizacije i formira se prilično jaka veza. Metan je gas sa mirisom i bojom. Lakši je od vazduha. Slabo rastvorljiv u vodi.
Alkani mogu gorjeti. Metan gori plavičastim blijedim plamenom. U ovom slučaju, rezultat reakcije će biti ugljični monoksid i voda. U mešanju sa vazduhom, kao i u mešavini sa kiseonikom, posebno ako je volumni odnos 1:2, ovi ugljovodonici stvaraju eksplozivne smeše, što ih čini izuzetno opasnim za upotrebu u svakodnevnom životu iu rudnicima. Ako metan ne izgori u potpunosti, nastaje čađ. U industriji se tako dobija.
Formaldehid i metil alkohol se dobijaju iz metana njegovom oksidacijom u prisustvu katalizatora. Ako se metan jako zagrije, on se raspada prema formuli CH4 → C + 2H2
Raspad metana može se izvesti do međuproizvoda u posebno opremljenim pećima. Međuproizvod će biti acetilen. Reakciona formula je 2CH4 → C2H2 + 3H2. Odvajanje acetilena od metana smanjuje troškove proizvodnje za skoro polovinu.
Vodik se također proizvodi iz metana pretvaranjem metana u vodenu paru. Reakcije supstitucije su karakteristične za metan. Dakle, na uobičajenim temperaturama, na svjetlosti, halogeni (Cl, Br) postupno istiskuju vodonik iz molekula metana. Na taj način nastaju tvari koje se nazivaju derivati halogena. Atomi hlora Zamjenjujući atome vodika u molekulu ugljikovodika, oni formiraju mješavinu različitih spojeva.
Ova mješavina sadrži hlorometan (CH3 Cl ili metil hlorid), dihlorometan (CH2Cl2 ili metilen hlorid), trihlorometan (CHCl3 ili hloroform), ugljen-tetrahlorid (CCl4 ili ugljen-tetrahlorid).
Bilo koje od ovih jedinjenja može se izolovati iz smeše. U proizvodnji su hloroform i tetrahlorid ugljika od velikog značaja, jer su rastvarači organskih jedinjenja (masti, smole, guma). Derivati halogena metana nastaju lančanim mehanizmom slobodnih radikala.
Svetlost utiče na molekule hlora kao rezultat toga se raspadaju u anorganske radikale koji oduzimaju atom vodonika jednim elektronom iz molekule metana. Ovo proizvodi HCl i metil. Metil reaguje sa molekulom hlora, što rezultira halogenim derivatom i radikalom hlora. Klorni radikal zatim nastavlja lančanu reakciju.
Na uobičajenim temperaturama, metan je dovoljno otporan na alkalije, kiseline i mnoga oksidirajuća sredstva. Izuzetak je dušična kiselina. U reakciji s njim nastaju nitrometan i voda.
Reakcije adicije nisu tipične za metan, jer su sve valencije u njegovom molekulu zasićene.
Reakcije u kojima učestvuju ugljovodonici mogu se dogoditi ne samo cijepanjem veze C-H, već i cijepanjem C-C veze. Takve transformacije nastaju u prisustvu visokih temperatura i katalizatori. Ove reakcije uključuju dehidrogenaciju i krekiranje.
Od zasićenih ugljikovodika oksidacijom se dobivaju kiseline - octena kiselina (iz butana), masne kiseline (iz parafina).
Proizvodnja metana
Metan u prirodi rasprostranjeno dosta široko. On je glavni komponenta najzapaljivijih prirodnih i umjetnih plinova. Ispušta se iz ugljenih slojeva u rudnicima, sa dna močvara. Prirodni plinovi (što je vrlo primjetno u povezanim plinovima iz naftnih polja) sadrže ne samo metan, već i druge alkane. Upotreba ovih supstanci je raznolika. Koriste se kao gorivo u raznim industrijama, medicini i tehnologiji.
U laboratorijskim uslovima ovaj gas se oslobađa zagrevanjem mešavine natrijum acetata + natrijum hidroksida, kao i reakcijom aluminijum karbida i vode. Metan se takođe dobija iz jednostavnih supstanci. Za to su preduslovi su grijanje i katalizator. Proizvodnja metana sintezom na bazi vodene pare je od industrijskog značaja.
Metan i njegovi homolozi mogu se dobiti kalcinacijom soli odgovarajućih organskih kiselina sa alkalijama. Druga metoda za proizvodnju alkana je Wurtzova reakcija, u kojoj se monohalogeni derivati zagrijavaju s metalnim natrijem. pročitajte na našoj web stranici.
Ugljovodonici u čijim su molekulima atomi povezani jednostrukim vezama i koji odgovaraju opštoj formuli C n H 2 n +2.
U molekulama alkana, svi atomi ugljika su u stanju sp 3 hibridizacije. To znači da su sve četiri hibridne orbitale atoma ugljika identične po obliku, energiji i usmjerene su na uglove jednakostranične trokutne piramide - tetraedra. Uglovi između orbitala su 109° 28′.
Gotovo slobodna rotacija je moguća oko jedne veze ugljik-ugljik, a molekule alkana mogu dobiti najviše raznih oblika sa uglovima kod atoma ugljika blizu tetraedarskog (109° 28′), na primjer, u molekuli n-pentan.
Posebno je vrijedno podsjetiti na veze u molekulima alkana. Sve veze u molekulima zasićenih ugljovodonika su jednostruke. Preklapanje se dešava duž ose,
povezuju jezgra atoma, odnosno to su σ veze. Veze ugljik-ugljik su nepolarne i slabo polarizabilne. Dužina C-C veze u alkanima je 0,154 nm (1,54 10 - 10 m). C-H veze su nešto kraće. Gustoća elektrona je blago pomjerena prema elektronegativnijem atomu ugljika, tj. C-H veza je slabo polarna.
Odsustvo polarnih veza u molekulima zasićenih ugljikovodika dovodi do činjenice da su slabo topljivi u vodi i da ne stupaju u interakciju s nabijenim česticama (ionima). Najkarakterističnije reakcije za alkane su one koje uključuju slobodne radikale.
Homologni niz metana
Homolozi- tvari koje su slične po strukturi i svojstvima i koje se razlikuju po jednoj ili više CH 2 grupa.
Izomerizam i nomenklatura
Alkane karakteriše takozvani strukturni izomerizam. Strukturni izomeri se međusobno razlikuju po strukturi ugljičnog skeleta. Najjednostavniji alkan, koji karakteriziraju strukturni izomeri, je butan. 
Osnove nomenklature
1. Izbor glavnog kola. Formiranje imena ugljikovodika počinje definicijom glavnog lanca - najdužeg lanca atoma ugljika u molekuli, koji je, takoreći, njegova osnova.
2. Numeracija atoma glavnog lanca. Atomima glavnog lanca dodijeljeni su brojevi. Numeracija atoma glavnog lanca počinje od kraja kojem je supstituent najbliži (strukture A, B). Ako se supstituenti nalaze na jednakoj udaljenosti od kraja lanca, onda numerisanje počinje od kraja na kojem ih ima više (struktura B). Ako se različiti supstituenti nalaze na jednakim udaljenostima od krajeva lanca, tada numeriranje počinje od kraja kojem je stariji najbliži (struktura D). Starost ugljikovodičnih supstituenata određuje se redoslijedom kojim se u abecedi pojavljuje slovo kojim počinje njihovo ime: metil (-CH 3), zatim etil (-CH 2 -CH 3), propil (-CH 2 -CH 2 -CH 3 ) itd.
Imajte na umu da se naziv supstituenta formira zamjenom sufiksa -an sufiksom - mulj u ime odgovarajućeg alkana.
3. Formiranje imena. Na početku naziva su naznačeni brojevi - brojevi atoma ugljika na kojima se nalaze supstituenti. Ako postoji nekoliko supstituenata na datom atomu, tada se odgovarajući broj u nazivu ponavlja dva puta odvojen zarezom (2,2-). Nakon broja, broj supstituenata je označen crticom ( di- dva, tri- tri, tetra- četiri, penta- pet) i naziv supstituenta (metil, etil, propil). Zatim, bez razmaka ili crtica, naziv glavnog lanca. Glavni lanac se naziva ugljovodonik - član homolognog niza metana ( metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, C 4 H 10, pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18, nonan S 9 H 20, dekan C 10 H 22).
Fizička svojstva alkana
Prva četiri predstavnika homolognog niza metana su gasovi. Najjednostavniji od njih je metan - plin bez boje, okusa i mirisa (miris "plina", kada ga osjetite, trebate nazvati 04, određen je mirisom merkaptana - spojeva koji sadrže sumpor koji se posebno dodaju u metan koji se koristi u kućnim i industrijskim plinskim uređajima kako bi ljudi koji se nalaze pored njih mogli prepoznati curenje po mirisu).
Ugljovodonici sastava od C 4 H 12 do C 15 H 32 su tečnosti; Teži ugljovodonici su čvrste materije. Tačke ključanja i topljenja alkana postepeno se povećavaju sa povećanjem dužine ugljičnog lanca. Svi ugljovodonici su slabo rastvorljivi u vodi tečni ugljovodonici su uobičajeni organski rastvarači.
Hemijska svojstva alkana
Reakcije supstitucije.
Najkarakterističnije reakcije za alkane su reakcije supstitucije slobodnih radikala, tokom kojih se atom vodika zamjenjuje atomom halogena ili nekom grupom. Predstavimo jednadžbe karakterističnih reakcija halogeniranje: 
U slučaju viška halogena, kloriranje može ići dalje, sve do potpune zamjene svih atoma vodika klorom: 
Dobivene supstance se široko koriste kao rastvarači i polazni materijali u organskim sintezama.
Reakcija dehidrogenacije(apstrakcija vodonika).
Kada se alkani prođu preko katalizatora (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) na visokim temperaturama (400-600 °C), eliminiše se molekul vodonika i formira se alken:
Reakcije praćene uništavanjem ugljičnog lanca.
Svi zasićeni ugljovodonici sagorevaju i formiraju ugljični dioksid i vodu. Plinoviti ugljovodonici pomiješani sa zrakom u određenim omjerima mogu eksplodirati.
1. Sagorijevanje zasićenih ugljovodonika je egzotermna reakcija slobodnih radikala, što je vrlo važno kada se alkani koriste kao gorivo:
Općenito, reakcija sagorijevanja alkana može se zapisati na sljedeći način:
2. Termičko cijepanje ugljovodonika.
Proces se odvija putem mehanizma slobodnih radikala. Povećanje temperature dovodi do homolitičkog cijepanja veze ugljik-ugljik i stvaranja slobodnih radikala.
Ovi radikali međusobno djeluju, razmjenjujući atom vodika, kako bi formirali molekulu alkana i molekulu alkena:
Reakcije termičke razgradnje su u osnovi industrijskog procesa krekiranja ugljikovodika. Ovaj proces je najvažnija faza prerade nafte.
3. Piroliza. Kada se metan zagrije na temperaturu od 1000 °C, počinje piroliza metana - razlaganje na jednostavne tvari: 
Kada se zagrije na temperaturu od 1500 °C, moguće je stvaranje acetilena:
4. Izomerizacija. Kada se linearni ugljikovodici zagrijavaju katalizatorom izomerizacije (aluminij klorid), nastaju tvari s razgranatim ugljičnim skeletom: 
5. Aromatizacija. Alkani sa šest ili više atoma ugljika u lancu cikliziraju u prisutnosti katalizatora i formiraju benzen i njegove derivate: 
Alkani ulaze u reakcije koje se odvijaju prema mehanizmu slobodnih radikala, budući da su svi atomi ugljika u molekulima alkana u stanju sp 3 hibridizacije. Molekuli ovih supstanci su izgrađeni pomoću kovalentnih nepolarnih C-C (ugljik-ugljik) veza i slabo polarnih C-H (ugljik-vodonik) veza. Ne sadrže oblasti sa povećanom ili smanjenom gustinom elektrona, lako polarizabilne veze, odnosno takve veze u kojima se elektronska gustina može pomerati pod uticajem vanjski faktori(elektrostatička polja jona). Posljedično, alkani neće reagirati s nabijenim česticama, jer veze u molekulima alkana nisu prekinute heterolitičkim mehanizmom. 
DIEN UGLJOVODONIKI (ALKADIENI)
Dienski ugljovodonici ili alkadieni su nezasićeni ugljikovodici koji sadrže dvije dvostruke veze ugljik-ugljik. Opšta formula alkadiena je C n H 2 n -2.
Ovisno o relativnom rasporedu dvostrukih veza, dieni se dijele na tri tipa:
1) ugljovodonici sa kumulirano dvostruke veze, tj. u blizini jednog atoma ugljika. Na primjer, propadien ili alen CH 2 =C=CH 2 ;
2) ugljovodonici sa izolovan dvostruke veze, odnosno razdvojene sa dvije ili više prostih veza. Na primjer, pentadien -1,4 CH 2 =CH–CH 2 –CH=CH 2;
3) ugljovodonici sa konjugirani dvostruke veze, tj. odvojeni jednom jednostavnom vezom. Na primjer, butadien -1,3 ili divinil CH 2 =CH–CH=CH 2, 2-metilbutadien -1,3 ili izopren
2) dehidrogenacija i dehidracija etil alkohola propuštanjem alkoholne pare preko zagrijanih katalizatora (metoda akademika S.V. Lebedeva)
2CH 3 CH 2 OH –– ~ 450 ° C ZnO,Al2O3 ® CH 2 =CH–CH=CH 2 + 2H 2 O + H 2;
Fizička svojstva
Hemijska svojstva
Atomi ugljika u molekuli 1,3 butadiena su u sp 2 hibridnom stanju, što znači da se ovi atomi nalaze u istoj ravni i svaki od njih ima jednu p-orbitalu, koju zauzima jedan elektron i koja se nalazi okomito na navedenu ravan .
| a) | b) |
| Šematski prikaz strukture molekula didivinila (a) i pogled odozgo na model (b). Preklapanje elektronskih oblaka između C 1 –C 2 i C 3 –C 4 je veće nego između C 2 –C 3 . |
|
p- Orbitale svih atoma ugljika se međusobno preklapaju, tj. ne samo između prvog i drugog, trećeg i četvrtog atoma, već i između drugog i trećeg. Ovo pokazuje da veza između drugog i trećeg atoma ugljika nije jednostavna s-veza, već ima određenu gustoću p-elektrona, tj. slab karakter dvostruke veze. To znači da s-elektroni ne pripadaju striktno definiranim parovima atoma ugljika. U molekulu ne postoje jednostruke i dvostruke veze u klasičnom smislu, već se uočava delokalizacija p-elektrona, tj. ujednačena distribucija gustoća p-elektrona u cijeloj molekuli sa formiranjem jednog oblaka p-elektrona.
Interakcija dvije ili više susjednih p-veza sa formiranjem jednog oblaka p-elektrona, što rezultira prijenosom međusobnog utjecaja atoma u ovom sistemu, naziva se efekat sprezanja.
Dakle, molekul -1,3 butadiena karakterizira sistem konjugiranih dvostrukih veza.
Ova osobina u strukturi dienskih ugljovodonika čini ih sposobnim da dodaju različite reagense ne samo susjednim atomima ugljika (1,2-adicija), već i na dva kraja konjugovanog sistema (1,4-adicija) uz formiranje dvostruka veza između drugog i trećeg atoma ugljika. Imajte na umu da je vrlo često proizvod sa 1,4 adicijom glavni.
Razmotrimo reakcije halogenacije i hidrohalogenacije konjugiranih diena.
Polimerizacija dienskih jedinjenja
U pojednostavljenom obliku, reakcija polimerizacije -1,3 butadiena prema šemi adicije 1,4 može se predstaviti na sljedeći način:
| ––––® | . |
Obe dvostruke veze diena učestvuju u polimerizaciji. U toku reakcije se prekidaju, razdvajaju se parovi elektrona koji formiraju s-veze, nakon čega svaki nespareni elektron sudjeluje u stvaranju novih veza: elektroni drugog i trećeg atoma ugljika, kao rezultat generalizacije, daju dvostruko vezu, a elektroni najudaljenijih atoma ugljika u lancu, kada se generaliziraju s elektronima, odgovarajući atomi drugog molekula monomera povezuju monomere u polimerni lanac.
Elementna ćelija polibutadiena predstavljena je na sljedeći način:
.Kao što se može vidjeti, rezultujući polimer je karakteriziran trans- konfiguracija ćelije elementa polimera. Međutim, najpraktičniji proizvodi se dobivaju stereoregularnom (drugim riječima, prostorno uređenom) polimerizacijom dienskih ugljovodonika prema 1,4-adicijskoj shemi s formiranjem cis- konfiguracija polimernog lanca. Na primjer, cis- polibutadien
.Prirodne i sintetičke gume
Prirodni kaučuk se dobija iz mliječnog soka (lateksa) drveta Hevea koje nosi kaučuk, koje raste u tropskim šumama Brazila.
Kada se zagrije bez pristupa zraku, guma se raspada i formira dienski ugljovodonik - 2-metilbutadien-1,3 ili izopren. Guma je stereoregularni polimer u kojem su molekule izoprena međusobno povezane prema 1,4-adicijskoj shemi sa cis- konfiguracija polimernog lanca:
Molekularna težina prirodne gume kreće se od 7 . 10 4 do 2.5 . 10 6 .
trans- Polimer izoprena se u prirodi takođe javlja kao gutaperča.
Prirodna guma ima jedinstven skup svojstava: visoku fluidnost, otpornost na habanje, prijanjanje, vodonepropusnost i plin. Kako bi guma dobila potrebna fizička i mehanička svojstva: čvrstoću, elastičnost, otpornost na rastvarače i agresivne hemijske sredine, guma se vulkanizira zagrijavanjem na 130-140°C sa sumporom. U pojednostavljenom obliku, proces vulkanizacije gume može se predstaviti na sljedeći način:
Atomi sumpora se dodaju na mjestu gdje su neke dvostruke veze prekinute, a linearni molekuli gume su "povezani" u veće trodimenzionalne molekule - rezultat je guma koja je mnogo jača od nevulkanizirane gume. Gume u obliku gume punjene aktivnom čađom koriste se za proizvodnju automobilskih guma i drugih proizvoda od gume.
Godine 1932, S.V. Lebedev je razvio metodu za sintezu sintetičkog kaučuka na bazi butadiena, dobijenog iz alkohola. I tek pedesetih godina, domaći naučnici izveli su katalitičku stereopolimerizaciju dienskih ugljovodonika i dobili stereoregularnu gumu, sličnu po svojstvima prirodnoj gumi. Trenutno se guma proizvodi u industriji,