Химиялық қосылыстардың әрбір класы электрондық құрылымына байланысты қасиеттерді көрсетуге қабілетті. Алкандар молекулалардың орын басу, жою немесе тотығу реакцияларымен сипатталады. Барлық химиялық процестердің ағынның өзіндік сипаттамалары бар, олар әрі қарай талқыланады.
Алкандар дегеніміз не
Бұл парафиндер деп аталатын қаныққан көмірсутекті қосылыстар. Олардың молекулалары тек көміртегі мен сутегі атомдарынан тұрады, сызықты немесе тармақталған ациклді тізбекке ие, онда тек дара қосылыстар болады. Класстың сипаттамаларын ескере отырып, алкандарға қандай реакциялар тән екенін есептеуге болады. Олар жалпы сынып формуласына бағынады: H2n+2C.
Химиялық құрылымы
Парафин молекуласында sp3-гибридтенуді көрсететін көміртек атомдары бар. Олардың барлық төрт валентті орбитальдары кеңістікте пішіні, энергиясы және бағыты бірдей. Энергия деңгейлері арасындағы бұрыштың өлшемі 109° және 28'.
Молекулаларда жалғыз байланыстың болуы қандай реакциялардың жүретінін анықтайдыалкандарға тән. Олардың құрамында σ-қосылыстар бар. Көміртектер арасындағы байланыс полярлы емес және әлсіз поляризацияланатын және C-H-ге қарағанда сәл ұзағырақ. Сондай-ақ электрон тығыздығының ең электртеріс атом ретінде көміртегі атомына ауысуы байқалады. Нәтижесінде C−H қосылысы төмен полярлықпен сипатталады.
Ауыстыру реакциялары
Парафин класындағы заттардың химиялық белсенділігі әлсіз. Мұны полярсыздығына байланысты үзу қиын болатын C–C және C–H арасындағы байланыстардың күшімен түсіндіруге болады. Олардың жойылуы бос типті радикалдар қатысатын гомолитикалық механизмге негізделген. Сондықтан алкандар орын басу реакцияларымен сипатталады. Мұндай заттар су молекулаларымен немесе заряд тасымалдаушы иондармен әрекеттесе алмайды.
Олар сутегі атомдары галоген элементтерімен немесе басқа белсенді топтармен ауыстырылатын бос радикалды алмастыруды қамтиды. Бұл реакцияларға галогендеу, сульфохлорлау және нитрлеумен байланысты процестер жатады. Олардың нәтижесі алкан туындыларын алу болып табылады.
Еркін радикалдарды алмастыру реакцияларының механизмі негізгі үш кезеңге негізделген:
- Процесс тізбектің басталуынан немесе ядролануынан басталады, нәтижесінде бос радикалдар түзіледі. Катализаторлар ультракүлгін жарық көздері және жылу болып табылады.
- Содан кейін тізбек дамиды, онда белсенді бөлшектердің белсенді емес молекулалармен бірізді әрекеттесуі жүреді. Олар сәйкесінше молекулалар мен радикалдарға айналады.
- Соңғы қадам - тізбекті бұзу. Белсенді бөлшектердің рекомбинациялануы немесе жойылуы байқалады. Бұл тізбекті реакцияның дамуын тоқтатады.
Галогендеу процесі
Ол радикалды типті механизмге негізделген. Алкандардың галогендеу реакциясы ультракүлгін сәулелену және галогендер мен көмірсутектер қоспасын қыздыру арқылы жүреді.
Процесстің барлық кезеңдері Марковников айтқан ережеге бағынады. Онда, ең алдымен, ең гидрленген көміртегіге жататын сутегі атомы галогенмен алмастырылатыны айтылады. Галогендеу келесі ретпен жүреді: үшінші реттік атомнан бастапқы көміртегіге дейін.
Процесс негізгі көміртегі тізбегі ұзын алкан молекулалары үшін жақсырақ. Бұл иондаушы энергияның осы бағытта азаюына байланысты, электрон заттан оңай бөлінеді.
Мысал ретінде метан молекуласын хлорлауды келтіруге болады. Ультракүлгіннің әрекеті хлордың алканға әсер ететін радикалды бөлшектерге бөлінуіне әкеледі. Атом сутегінің бөлінуі және H3C· немесе метил радикалының түзілуі бар. Мұндай бөлшек, өз кезегінде, молекулалық хлорға шабуыл жасап, оның құрылымының бұзылуына және жаңа химиялық реагенттің пайда болуына әкеледі.
Процесстің әр кезеңінде тек бір сутегі атомы ауыстырылады. Алкандардың галогендеу реакциясы хлорметан, дихлорметан, трихлорметан және төрт хлорлы көміртек молекулаларының біртіндеп түзілуіне әкеледі.
Схемалық түрде процесс келесідей көрінеді:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Метан молекуласын хлорлаудан айырмашылығы, мұндай процесті басқа алкандармен жүргізу сутегінің алмасуы бір көміртек атомында емес, бірнеше атомдарда болатын заттарды алумен сипатталады. Олардың сандық қатынасы температуралық көрсеткіштермен байланысты. Суық жағдайда үшіншілік, екіншілік және біріншілік құрылымы бар туындылардың түзілу жылдамдығының төмендеуі байқалады.
Температураның жоғарылауымен мұндай қосылыстардың түзілу жылдамдығы төмендейді. Галогендеу процесіне көміртегі атомымен радикалдың соқтығысудың басқа ықтималдығын көрсететін статикалық фактор әсер етеді.
Йодпен галогендеу процесі қалыпты жағдайда жүрмейді. Арнайы жағдай жасау керек. Метанға осы галоген әсер еткенде йодид сутегі түзіледі. Оған метил йодид әсер етеді, нәтижесінде бастапқы реагенттер: метан және йод бөлінеді. Мұндай реакция қайтымды болып саналады.
Алкандар үшін Вюрц реакциясы
Құрылымы симметриялы қаныққан көмірсутектерді алу әдісі. Әрекеттесуші заттар ретінде натрий металы, алкилбромидтер немесе алкилхлоридтер қолданылады. Сағатолардың әрекеттесуінен натрий галогенді және екі көмірсутек радикалының қосындысы болатын ұзартылған көмірсутек тізбегі түзіледі. Схемалық түрде синтез келесідей: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Алкандар үшін Вюрц реакциясы олардың молекулаларындағы галогендер бастапқы көміртегі атомында болған жағдайда ғана мүмкін болады. Мысалы, CH3−CH2−CH2Br.
Егер процеске екі қосылыстың галокөміртекті қоспасы қатысса, олардың тізбектерінің конденсациялануы кезінде үш түрлі өнім түзіледі. Алкандардың мұндай реакциясының мысалы ретінде натрийдің хлорметанмен және хлорэтанмен әрекеттесуін келтіруге болады. Шығару құрамында бутан, пропан және этан бар қоспа.
Натрийден басқа литий немесе калий бар басқа сілтілі металдарды пайдалануға болады.
Сульфохлорлау процесі
Оны Рид реакциясы деп те атайды. Ол бос радикалдарды алмастыру принципі бойынша жүреді. Бұл ультракүлгін сәулелену кезінде күкірт диоксиді мен молекулалық хлор қоспасының әрекетіне алкандардың реакциясының тән түрі.
Процесс хлордан екі радикал алынатын тізбекті механизмнің іске қосылуынан басталады. Олардың бірі алканға шабуыл жасайды, нәтижесінде алкил түрі мен хлорсутек молекуласы пайда болады. Күкірт диоксиді көмірсутек радикалына қосылып, күрделі бөлшек түзеді. Тұрақтандыру үшін бір хлор атомы басқа молекуладан алынады. Соңғы зат - алкан сульфонилхлорид, ол беттік-белсенді қосылыстардың синтезінде қолданылады.
Схемалық түрде процесс келесідей көрінеді:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Нитрлеуге қатысты процестер
Алкандар 10% ерітінді түріндегі азот қышқылымен, сонымен қатар газ тәрізді төрт валентті азот оксидімен әрекеттеседі. Оның ағынының шарттары жоғары температура мәндері (шамамен 140 ° C) және төмен қысым көрсеткіштері болып табылады. Нитроалкандар шығыста өндіріледі.
Бұл бос радикалды процесс нитрлену синтезін ашқан ғалым Коноваловтың атымен аталды: CH4 + HNO3 → CH 3ЖОҚ2 + H2O.
Ажырату механизмі
Алкандар дегидрлеу және крекинг реакцияларымен сипатталады. Метан молекуласы толық термиялық ыдырауға ұшырайды.
Жоғарыда аталған реакциялардың негізгі механизмі алкандардан атомдарды жою болып табылады.
Гидрогенизация процесі
Парафиндердің көміртек қаңқасынан сутегі атомдарын бөлгенде, метанды қоспағанда, қанықпаған қосылыстар алынады. Алкандардың мұндай химиялық реакциялары жоғары температурада (400-ден 600 ° C-қа дейін) және платина, никель, хром және алюминий оксидтері түріндегі үдеткіштердің әсерінен өтеді.
Егер реакцияға пропан немесе этан молекулалары қатысса, онда оның өнімдері бір қос байланысы бар пропен немесе этилен болады.
Төрт немесе бес көміртекті қаңқаны сусыздандыру кезінде диенбайланыстар. Бутан бутадиен-1, 3 және бутадиен-1, 2-ден түзіледі.
Егер реакцияда 6 немесе одан да көп көміртегі атомдары бар заттар болса, онда бензол түзіледі. Оның үш қос байланысы бар хош иісті өзегі бар.
Ыдырау процесі
Жоғары температура жағдайында алкандардың реакциялары көміртегі байланыстарының үзілуімен және радикалды типтегі белсенді бөлшектердің түзілуімен жүруі мүмкін. Мұндай процестер крекинг немесе пиролиз деп аталады.
Әрекеттесуші заттарды 500 °C асатын температураға дейін қыздыру олардың молекулаларының ыдырауына әкеледі, бұл кезде алкил типті радикалдардың күрделі қоспалары түзіледі.
Күшті қыздыру кезінде ұзын көміртекті тізбекті алкандардың пиролизін жүргізу қаныққан және қанықпаған қосылыстарды алумен байланысты. Оны термиялық крекинг деп атайды. Бұл процесс 20 ғасырдың ортасына дейін қолданылды.
Кемшілігі октан саны төмен (65-тен көп емес) көмірсутектерді өндіру болды, сондықтан оны каталитикалық крекингпен алмастырды. Процесс 440 °C төмен температура жағдайында және 15 атмосферадан төмен қысымда, тармақталған құрылымы бар алкандардың бөлінуімен алюмосиликатты үдеткіштің қатысуымен өтеді. Мысал ретінде метан пиролизін келтіруге болады: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Бұл реакция кезінде ацетилен және молекулалық сутегі түзіледі.
Метан молекуласы конверсияға ұшырауы мүмкін. Бұл реакция су мен никель катализаторын қажет етеді. Үстіндешығыс көміртегі тотығы мен сутегі қоспасы.
Тотығу процестері
Алкандарға тән химиялық реакциялар электрондардың берілуін қамтиды.
Парафиндердің автототығуы жүреді. Ол қаныққан көмірсутектердің тотығуының бос радикалды механизмін қамтиды. Реакция кезінде алкандардың сұйық фазасынан гидропероксидтер алынады. Бастапқы кезеңде парафин молекуласы оттегімен әрекеттеседі, нәтижесінде белсенді радикалдар бөлінеді. Одан әрі басқа молекула O2 алкилді бөлшекпен әрекеттеседі, нәтижесінде ∙ROO пайда болады. Алкан молекуласы май қышқылының асқын тотығы радикалымен байланысады, содан кейін гидропероксид бөлінеді. Мысал этанның аутототықсыздануы:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Алкандар жану реакцияларымен сипатталады, олар отынның құрамында анықталған кезде негізгі химиялық қасиеттердің қатарына жатады. Олар жылу бөлетін тотығу сипатына ие: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Егер процесте оттегінің аз мөлшері болса, онда соңғы өнім O2 концентрациясымен анықталатын көмір немесе екі валентті көміртегі оксиді болуы мүмкін.
Алкандарды каталитикалық заттардың әсерінен тотықтырғанда және 200°С-қа дейін қыздырғанда, спирт молекулалары, альдегид немесекарбон қышқылы.
Этан мысалы:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (этанол),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (этанал және су), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (этан қышқылы және су).
Алкандар үш мүшелі циклдік пероксидтермен әсер еткенде тотығуға болады. Оларға диметилдиоксиран жатады. Парафиндердің тотығуының нәтижесі спирт молекуласы болып табылады.
Парафиндердің өкілдері KMnO4 немесе калий перманганатына, сондай-ақ бром суына әсер етпейді.
Изомерлеу
Алкандарда реакция түрі электрофильді механизммен алмастырумен сипатталады. Бұған көміртегі тізбегінің изомерленуі жатады. Бұл процесті қаныққан парафинмен әрекеттесетін алюминий хлориді катализдейді. Мысал ретінде 2-метилпропанға айналатын бутан молекуласының изомерленуін келтіруге болады: C4H10 → C3 H 7CH3.
Хош иіс процесі
Негізгі көміртегі тізбегіндегі алты немесе одан да көп көміртегі атомдары бар қаныққандар дегидроциклденуге қабілетті. Мұндай реакция қысқа молекулаларға тән емес. Нәтиже әрқашан циклогексан және оның туындылары түріндегі алты мүшелі сақина болады.
Реакция үдеткіштерінің қатысуымен ары қарай дегидрлеу жүреді жәнетұрақты бензол сақинасына айналуы. Ациклді көмірсутектер ароматты қосылыстарға немесе арендерге айналады. Мысал ретінде гексанның дегидроциклизациясын келтіруге болады:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (циклогексан), C6H12 → C6H6+ 3H2 (бензол).
