Главный источник сравнительно тяжелых предельных углеводородов – нефть, легких – природный газ. Химические (синтетические) методы получения алканов преимущественно следующие.

1. Гидрирование (взаимодействие с водородом) непредельных углеводородов, например, пропилена

Н₃С-СН=СН₂ + Н₂ Н₃С-СН₂-СН₃

Внимательный читатель, конечно, понял, что реакция гидрирования представляет собой присоединение водорода к субстрату.

2. Восстановление галогенпроизводных на примере 1-хлорпропана.

Н₃С-СН₂-СН₂Cl + H₂ Н₃С-СН₂-СН₃ + HCl

3. Гидролиз металлорганических соединений

Н₃С-СН₂-СН₂MgI + HOH ® Н₃С-СН₂-СН₃ + MgOHI

Zn(CH₃)₂ + 2HOH ® 2CH₄ + Zn(OH)₂

4. Взаимодействие щелочных металлов с галогенпроизводными

2H₃C-CH₂Cl + 2Na ® H₃C-CH₂-СН₂-СН₃ + 2NaCl

5. Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами. В этом случае образуются алканы, содержащие в молекуле на один атом углерода меньше, чем в исходной соли.

CH₃COONa + NaOH ® CH₄ + Na₂CO₃

CH₃CH₂COONa + NaOH ® C₂H₆ + Na₂CO₃

6. Электролиз солей карбоновых кислот. В частном процессе электролиза ацетата натрия суммарная реакция имеет вид

2CH₃COONa + 2НOH C₂H₆ + 2CO₂­ + Н₂ + 2NaOH

Окисление ацетат-иона происходит на аноде, восстановление воды – на катоде. При этом реализуются частные электродные реакции.

Приведем несколько частных реакций получения определенных алканов.

7. Реакция Фишера – Тропша

СО + 3Н₂ СН₄ + Н₂О_(г)

СО + 4Н₂ СН₄ + 2Н₂О_(г)

8. Гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃ + 12HOH ® 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Физические свойства алканов

Исходя из самых общих закономерностей, можно отметить следующее. При нормальных условиях (н. у.) алканы с числом углеродных атомов в молекуле С₁…С₄ – газы, С₅…С₁₅ – жидкости, С₁₆ и С_i с i > 16 при н. у. – твердые вещества. В таблице 1 приведены некоторые физические характеристики алканов.

Таблица 1

Физические характеристики некоторых нормальных углеводородов

Формула	Название	Тпл, °С	Ткип, °С	Плотность, d	a*
СН4	метан	-184,0	-161,5	0,4150 (-164 °С)	2,6
С2Н6	этан	-172,0	-88,3	0,5610 (-100 °С)	2,6
С3Н8	пропан	-189,9	-42,17	0,5853 (-44,5 °С)	6,3
С4Н10	бутан	-135,0	-0,6…-0,3	0,60 (0 °С)	8,2
С5Н12	пентан	-131,6	36,2	0,6260	1,9
С6Н14	гексан	-94,3	69,0	0,6603	13,7
С7Н16	гептан	-90,5	98,4	0,6838	15,6
С8Н18	октан	-56,5	125,8	0,7036	—
С9Н20	нонан	-53,7	150,8	0,7176	—
С10Н22	декан	-30…-32	174,0	0,7301	—
С15Н32	пентадекан		270,5	0,7689	—

a* - поляризуемость молекул

Легко видеть, что наблюдается тенденция возрастания Т_пл и Т_кип алканов с ростом их молекулярной массы или увеличение числа атомов углерода в молекуле. Это объясняется существенной зависимостью дисперсионного типа межмолекулярного взаимодействия (взаимодействия Ван-дер-Ваальса) от массы молекул. Ранее (Ч I настоящего пособия) приведена известная зависимость, характеризующая энергию дисперсионного взаимодействия, которая имеет вид (Ф. Лондон, 1930 г):

,

где h – постоянная М. Планка, n - частота колебаний, соответствующая энергии частиц (атомов) при абсолютном нуле (Т = 0 К), a - поляризуемость частиц, r – расстояние между молекулами. Ориентационным и индукционным взаимодействиями применительно к молекулам алканов можно пренебречь, так как их дипольный момент равен нулю. Таким образом, опосредованно молярная масса алканов учтена в величине их поляризуемости. Более подробно зависимость температуры плавления нормальных парафиновых углеводородов показана на рис. 10 (данные А.Н. Несмеянова и Н.А. Несмеянова).

Рис. 10. Зависимость температуры плавления нормальных парафиновых углеводородов от числа атомов углерода в молекуле.

Интересно было выяснить, как влияет разветвление алканов на физические характеристики соединений. Соответствующие данные представлены в таблице 2.

Таким образом, разветвленные алканы кипят и плавятся при более низких температурах, чем вещества нормального строения. В ряде случаев это связывается с большим размером расстояний между отдельными взаимодействующими молекулами в конденсированном (твердом и жидком) состоянии, что выражается в снижении константы дисперсионного взаимодействия. На научном языке это связывается со стерическим (упаковочным) фактором. Чем меньше степень разветвления, тем плотнее упаковка молекул, например, в твёрдом состоянии, тем сильнее силы взаимного притяжения между ними и тем больше энергии (в том числе тепловой) требуется для перевода вещества в жидкое состояние.

Таблица 2

Влияние разветвления молекул алканов на их физические характеристики

Формула	Название	Тпл, °С	Ткип, °С	Плотность, d
Н3С-СН2-СН2-СН3	н-бутан	-135,0	-0,6…-0,3	0,60 (0 °С)
(СН3)2СН-СН3	изобутан	-145,0	-10,2	0,6030 (19 °С)
Н3С-СН2-СН2-СН2-СН3	н-пентан	-131,6	36,2	0,6260
(СН3)2СН-СН2-СН3	изопентан	-160,5	28,0	0,6197
Н3С-(СН2)4-СН3	н-гексан	-94,3	69,0	0,6603
	2-метилпентан	-	60,0	0,6540
	3-метилпентан	-	64,0	0,6760 (15 °С)
	2,2-диметил-бутан	-98,2	49,7	0,6487
	2,3-диметил-бутан	-135,1	58,1	0,6680 (17 °С)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: