Алкандардың белсенді еместігіне қарамастан, олар галогендермен немесе басқа бос радикалдармен әрекеттескен кезде көп мөлшерде энергия бөлуге қабілетті. Алкандар және олармен реакциялар көптеген салаларда үнемі қолданылады.
Алкан фактілері
Алкандар органикалық химияда маңызды орын алады. Химиядағы алкандардың формуласы C H2n+2. Бензол сақинасы бар хош иісті заттардан айырмашылығы, алкандар алифатты (ациклды) болып саналады.
Кез келген алканның молекуласында барлық элементтер бір байланыс арқылы байланысқан. Сондықтан бұл заттар тобында «-an» аяқталуы бар. Сәйкесінше, алкендерде бір қос байланыс, алкиндерде бір үштік байланыс болады. Мысалы, алкодиендерде екі қос байланыс бар.
Алкандар қаныққан көмірсутектер. Яғни, олардың құрамында H (сутегі) атомдарының максималды саны бар. Алкандағы барлық көміртек атомдары sp3 – гибридизация күйінде. Бұл алкан молекуласы тетраэдрлік ереже бойынша салынғанын білдіреді. Метан молекуласы (CH4) тетраэдрге ұқсайды,ал қалған алкандар зигзагты құрылымға ие.
Алкандардағы барлық С атомдары ơ - байланыстар (сигма - байланыс) арқылы қосылады. C–C байланыстары полюссіз, C–H байланыстары әлсіз полярлы.
Алкандардың қасиеттері
Жоғарыда айтылғандай, алкандар тобының белсенділігі аз. Екі С атомының арасындағы және С және Н атомдарының арасындағы байланыс күшті, сондықтан оларды сыртқы әсерлерден бұзу қиын. Алкандардағы барлық байланыстар ơ байланыс болып табылады, сондықтан олар үзілсе, әдетте радикалдар пайда болады.
Алкандардың галогенденуі
Атомдардың байланыстарының ерекше қасиеттеріне байланысты алкандар орын басу және ыдырау реакцияларына тән. Алкандардағы орын басу реакцияларында сутегі атомдары басқа атомдарды немесе молекулаларды ауыстырады. Алкандар галогендермен - Менделеевтің периодтық жүйесінің 17-тобындағы заттармен жақсы әрекеттеседі. Галогендер фтор (F), бром (Br), хлор (Cl), йод (I), астатин (At) және теннесин (Ts) болып табылады. Галогендер өте күшті тотықтырғыштар. Олар Д. И. Менделеев кестесіндегі барлық дерлік заттармен әрекеттеседі.
Алкандардың хлорлау реакциялары
Іс жүзінде бром және хлор әдетте алкандардың галогендеуіне қатысады. Фтор тым белсенді элемент - онымен реакция жарылғыш болады. Йод әлсіз, сондықтан алмастыру реакциясы онымен бірге жүрмейді. Ал астатин табиғатта өте сирек кездеседі, сондықтан эксперименттер үшін оны жеткілікті мөлшерде жинау қиын.
Галогендеу қадамдары
Барлық алкандар галогендеудің үш сатысынан өтеді:
- Тізбектің немесе бастаманың шығу тегі. Ықпалдакүн сәулесі, жылу немесе ультракүлгін сәулелену жағдайында хлор молекуласы Cl2 екі бос радикалға ыдырайды. Әрқайсысының сыртқы қабатында жұпталмаған бір электрон бар.
- Тізбектің дамуы немесе өсуі. Радикалдар метан молекулаларымен әрекеттеседі.
- Тізбектің аяқталуы - алканды галогендеудің соңғы бөлігі. Барлық радикалдар бір-бірімен қосыла бастайды және ақырында толығымен жойылады.
Алкандардың бромдалуы
Этаннан кейін жоғары алкандарды галогендегенде қиындығы изомерлердің түзілуі болып табылады. Күн сәулесінің әсерінен бір заттан әртүрлі изомерлер түзілуі мүмкін. Бұл алмастыру реакциясының нәтижесінде болады. Бұл галогендеу кезінде алкандағы кез келген Н атомын бос радикалмен алмастыруға болатындығын дәлелдейді. Күрделі алкан екі затқа ыдырайды, олардың пайызы реакция жағдайларына байланысты айтарлықтай өзгеруі мүмкін.
Пропанды бромдау (2-бромопропан). Жоғары температура мен күн сәулесінің әсерінен пропанды Br2 молекуласымен галогендеу реакциясында 1-бромопропан – 3% және 2-бромопропан – 97% бөлінеді.
Бутанның бромдалуы. Жарық және жоғары температура әсерінен бутанды бромдағанда 2% 1-бромобутан және 98% 2-бромобутан шығады.
Алкандарды хлорлау мен бромдау арасындағы айырмашылық
Хлорлау өнеркәсіпте көбірек қолданылады. Мысалы, изомерлер қоспасы бар еріткіштерді алу үшін. Галоалканды алғаннан кейінбір-бірінен ажырату қиын, бірақ нарықта қоспасы таза өнімге қарағанда арзанырақ. Зертханаларда бромдау жиі кездеседі. Бром хлорға қарағанда әлсіз. Оның реактивтілігі төмен, сондықтан бром атомдары жоғары селективтілікке ие. Бұл реакция кезінде атомдар алмастыратын сутегі атомын «таңдайтынын» білдіреді.
Хлорлау реакциясының табиғаты
Алкандарды хлорлау кезінде олардың массалық үлесінде шамамен бірдей мөлшерде изомерлер түзіледі. Мысалы, пропанды катализатормен температураны 454 градусқа дейін көтеру түрінде хлорлау бізге сәйкесінше 25% және 75% қатынасында 2-хлоропропан және 1-хлоропропан береді. Егер галогендеу реакциясы тек ультракүлгін сәулеленудің көмегімен жүрсе, 1-хлоропропанның 43%, 2-хлоропропанның 57% алынады. Реакция жағдайларына байланысты алынған изомерлердің қатынасы әртүрлі болуы мүмкін.
Бромдау реакциясының табиғаты
Алкандардың бромдау реакциялары нәтижесінде таза дерлік зат оңай бөлінеді. Мысалы, n-пропан молекуласының 1-бромопропан – 3%, 2-бромопропан – 97%. Сондықтан бромдау зертханаларда белгілі бір затты синтездеу үшін жиі қолданылады.
Алкандардың сульфатталуы
Алкандар да радикалды алмастыру механизмі бойынша сульфонданады. Реакцияның жүруі үшін оттегі мен күкірт оксиді SO2 (күкіртті ангидрид) алканға бір мезгілде әсер етеді. Реакция нәтижесінде алкан алкилсульфон қышқылына айналады. Бутан сульфонизациясының мысалы:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Алкандардың сульфоксидануының жалпы формуласы:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Алкандарды сульфохлорлау
Сульфохлорлау кезінде тотықтырғыш ретінде оттегінің орнына хлор қолданылады. Алкансульфохлоридтер осылайша алынады. Сульфохлорлау реакциясы барлық көмірсутектерге тән. Бұл бөлме температурасында және күн сәулесінде пайда болады. Катализатор ретінде органикалық пероксидтер де қолданылады. Мұндай реакция тек көміртегі мен сутегі атомдарына жататын екіншілік және біріншілік байланыстарға әсер етеді. Реакция тізбегі үзілетіндіктен зат үшінші атомдарға жетпейді.
Коноваловтың реакциясы
Нитрлеу реакциясы, алкандардың галогендеу реакциясы сияқты, бос радикал механизмі бойынша жүреді. Реакция жоғары сұйылтылған (10 - 20%) азот қышқылын (HNO3) қолдану арқылы жүзеге асырылады. Реакция механизмі: реакция нәтижесінде алкандар қосылыстар қоспасын түзеді. Реакцияны катализдеу үшін температураның 140⁰ дейін жоғарылауы және қалыпты немесе жоғары қоршаған орта қысымы қолданылады. Нитрлеу кезінде бұрынғы алмастыру реакцияларынан айырмашылығы тек С-Н ғана емес, С-С байланыстары жойылады. Бұл крекинг жүріп жатқанын білдіреді. Бұл бөлу реакциясы.
Тотығу және жану реакциялары
Алкандар да бос радикал түріне қарай тотығады. Парафиндер үшін тотығу реакциясы арқылы өңдеудің үш түрі бар.
- Газ фазасында. Соныменальдегидтер мен төменгі спирттер алыңыз.
- Сұйық фазада. Бор қышқылын қосу арқылы термиялық тотығуды қолданыңыз. Бұл әдіспен С10 - С20 дейін жоғарырақ спирттер алынады.
- Сұйық фазада. Алкандар карбон қышқылдарын синтездеу үшін тотығады.
Тотығу процесінде бос радикал O2 сутегі компонентін толығымен немесе ішінара ауыстырады. Толық тотығу – жану.
Жақсы жанатын алкандар жылу электр станциялары мен іштен жанатын қозғалтқыштар үшін отын ретінде пайдаланылады. Алкандардың жануы көп жылу энергиясын береді. Күрделі алкандар іштен жанатын қозғалтқыштарға орналастырылады. Жай алкандардағы оттегімен әрекеттесу жарылысқа әкелуі мүмкін. Асфальт, парафин және өнеркәсіпке арналған әртүрлі майлау материалдары алкандармен реакция нәтижесінде пайда болған қалдықтардан жасалған.
