Некоторые отдельные представители

СН₄. Бесцветный газ, без запаха с Р_крит = 45,8 атм, t_крит = -82,5 °С. В
1 объеме воды растворяется 0,0556 (0 °С), 0,039 (20 °С), 0,017 (100 °С) объемов метана. В 100 мл этанола растворяется 52 мл (0 °С). Наиболее прочный и химически устойчивый углеводород. Взрывоопасен в смеси с воздухом (нижний предел – 5 об. %, верхний – 15 об. %). При неполном сгорании образуется метанол, формальдегид, ацетилен. Метан является сырьем промышленных синтезов углеводородов, спиртов, исходным продуктом получения ацетилена, сажи и др. Продукт СН₄ из угольных шахт – рудничный газ, из болот – болотный газ.

С₂Н₆. Бесцветный газ, без запаха. В 100 мл Н₂О растворяется 4,7 мл
(20 °С), в 100 мл этанола – 46 мл (4 °С). Р_крит = 48,3 атм, t_крит = 32,3 °С, пределы взрываемости с воздухом – 3,2 (нижний) – 12,5 (верхний) об. %. Обладает слабым наркотическим действием.

изо-С₅Н₁₂. Имеет два изомерных углеводорода: 2-метилбутан СН₃СН(СН₃)СН₂СН₃ и 2,2-диметилпропан – бесцветные, подвижные, легколетучие жидкости. 2-метилбутан: t_кип = 27,8 °С, t_пл = -159,9 °С; 2,2-диметил-пропан: t_кип = 9,5 °С, t_пл = -16,6 °С.

Прозрачная бесцветная жидкость с запахом бензина. Технически чистый и-октан имеет октановое число 98…100, технический – 92…97. Антидетонационные свойства и-октана приняты за 100 единиц по октановой шкале, характеризующие устойчивость топлива к детонации.

Вазелин – полужидкая смесь жидких и твердых углеводородов с
С₁₂ – С₂₅.

Парафин представляет собой смесь твердых углеводородов – продукт переработки нефти и сухой перегонки бурого угля и торфа.

Экологическая характеристика алканов

По отношению к человеку лканы оказывают сильное наркотическое действие. Однако, в силу их сравнительно малой растворимости в воде, в связи с чем для создания токсической концентрации в крови требуются очень высокие содержания их в воздухе. Низшие алканы в обычных условиях физиологически малоактивны. Но, начиная с n_C порядка 5 или 6, они способны оказывать раздражающее действие на дыхательные пути. Высшие предельные углеводороды более опасны при попадании на кожу. Нормальные алканы более легко проходят через ткани, чем разветвленные, с ростом их молярной массы проницаемость возрастает. Разветвленные алканы в организме человека не задерживаются, нормальные – окисляются с образованием соответствующих кислот.

Наркотические и смертельные концент рации паров ряда предельных углеводородов, мг/л для белых мышей приведены ниже:

ПДК_р.з. предельных углеводородов с С₁–С₁₀ порядка 300 мг/м³.

ПДК_м.р.(н–С₆Н₁₄)=60мг/м³; ПДК_м.р.(н–С₅Н₁₂)=100мг/м³;

ПДК_м.р.(н–С₄Н₁₀)=200 мг/м³.

В качестве защиты при невысоких концентрациях в воздухе предельных углеводородов пригоден фильтрующий противогаз марки А. При высоких – изолирующие шланговые противогазы ПШ-1, ПШ-2.

Приведем решение некоторых задач с участием алканов.

Задачи по теме

Задача 1. Какова масса соединений, образующихся при взаимодействии 106,5 г хлора и 16 г метана?

Процесс взаимодействия рассмотрим следующим образом. Вначале протекает реакция

CH₄ + Cl₂ ® CH₃Cl + HCl (1)

В этом и в других случаях для расчетов сообразно определить количества моль участвующих в реакции веществ. Это позволит оценить, участвуют они в эквивалентных количествах или имеется избыток одного из реагентов. Отметим, что для любой реакции, записанной в общем виде

аА + вВ ® сС,

находящееся в избытке вещество определяется из неравенства:

если в×n(A) > a×n(B), то в избытке реагент А, в обратном случае – В.

; n(CH₄) = 1 моль

; n(Cl₂) = 1,5 моль

Для записанной выше 1-й реакции требуемое соотношение участников имеет вид:

n₁(CH₄) = n₁(Cl₂) = n₁(CH₃Cl) = n₁(HCl).

Тогда n₁(HCl) = 1,0 моль, а из соотношения 1×1,5 > 1×1 следует, что хлор взят в избытке. Если бы в избытке находился CH₄, то с завершением реакции (1) процесс взаимодействия метана и хлора прекратился, так как CH₄ не взаимодействует с образующимися продуктами реакции.

В данном случае этого не происходит, так как избыток хлора далее вступает в реакцию с образующимся хлорметаном по схеме:

CH₃Cl + Cl₂ ® CH₂Cl₂ + HCl (2)

Для реакции (2)

n₂(CH₂Cl₂) = n₂(HCl) = n₂(Cl₂) = Dn(Cl₂).

Избыток хлора, оставшийся после реакции (1), равен:

Dn(Cl₂) = n₁(Cl₂) - n₁(CH₄) = 1,5 – 1,0 = 0,5 моль;

n₁(CH₃Cl) = 1,0 моль. Из неравенства 1×1 > 1×0,5, записанного для реакции (2), следует, что в избытке находится хлорметан, который реагирует не полностью. Оставшееся после завершения реакции (2) количество вещества хлорметана и его масса равны:

Dn(CH₃Cl) = n₁(CH₃Cl) – Dn(Cl₂) =1,0 – 0,5 = 0,5 моль

m(CH₃Cl) = Dn(CH₃Cl)×M(CH₃Cl) = 0,5 × 50,5 = 25,25 г.

n₂(HCl) = Dn(Cl₂) = 0,5 моль; n(HCl) = n₁(HCl) + n₂(HCl);

n(HCl) = 1,0 + 0,5 = 1,5 моль

m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 1,5 × 36,5 = 54,75 г.

Масса образовавшегося дихлорметана равна:

m(CH₂Cl₂) = n(CH₂Cl₂) × M(CH₂Cl₂); n(CH₂Cl₂) = Dn(Cl₂);

m(CH₂Cl₂) = Dn(Cl₂) × M(CH₂Cl₂) = 0,5 × 85 = 42,5 г.

В связи с избытком CH₃Cl применительно только к исходным веществам реакция (2) дальше не пойдет. Следовательно, количества вещества и массы участников реакции далее меняться не будут.

Задача 2. Каков объем сгоревшего алкана, в молекуле которого соотношение масс углерода и водорода равно 4,5, если в процессе реакции образовалось 3,36 л оксида углерода (IV)? Принять, что температура и давление в процессе протекания реакции постоянны.

Общая формула гомологического ряда алкановых углеводородов С_nH_2n+2, откуда имеем:

; 12k – 9k = 9; k = 3.

Следовательно, молекулярная формула алкана С₃Н₈. Запишем уравнение реакции

С₃Н₈ + 5О₂ ® 3СО₂ + 4Н₂О,

из которого следует, что на образование трех объемов СО₂ расходуется один объем С₃Н₈.

Тогда можно записать:

Задача 3. При нагревании метана без доступа воздуха получено 96 г сажи с выходом по реакции 80 %. Каковы объемы поданного на термическую диссоциацию и полученного в результате реакции газов в расчете на нормальные условия?

Запишем уравнение реакции:

СН₄ С + 2Н₂.

.

Исходя из уравнения реакции, имеем:

n(C) = n(CH₄) и n(H₂) = 2n(C).

Тогда:

V(H₂) = n(H₂) × V_m; V(H₂) = 2 × 8 × 22,4 = 358,4 л.

V_m – молярный объем газов при условии реакции

V(CH₄) = n(CH₄) × V_m/0,8 = n(C) × V_m/0,8;

V(CH₄) = 8 × 22,4/0,8; V(CH₄) = 224 л.

Циклоалканы

Циклоалканы – предельные углеводороды, атомы которых замкнуты в цикл, с общей формулой гомологического ряда С_nH_2n. Первый член ряда – циклопропан (С₃Н₆). Различают малые циклы (С_n – 3…4), средние (С_n – 5…7) и макроциклы (С_n ³ 8). Каждый атом углерода находится в состоянии sp³ – гибридизации и, следовательно, образует 4 одинарные s-связи.

Циклоалканы (нафтеновые углеводороды) различаются размерами цикла:

Номенклатура циклоалканов.Такие соединения называют еще алициклическими, под которыми понимают все карбоциклические соединения, включающие циклы углеродных атомов за исключением ароматических соединений (имеющих бензольное кольцо).

Циклоалканы различают по числу членов в цикле и числу циклических группировок в соединении. Соединение с одной такой группировкой называют в соответствии с общими правилами, при этом главной считается цепь, образующая цикл. Перед ее названием добавляется приставка «цикло». Нумерацию углеродных атомов проводят таким образом, чтобы сумма номеров заместителей была наименьшей. Номер одного заместителя не указывается.

Строение циклоалканов.Первоначально считалось, что все атомы цикла расположены в одной плоскости. Тогда должны быть следующими углы между связями: 3-х членный цикл – 60°, 4-х членный – 90°, 5-ти членный – 108°, 6-ти членный – 120°. Вместе с тем, для цепей предельных углеродных атомов в отсутствии их возбуждения характерны так называемые тетраэдрические углы – 109°28¢. Была высказана идея (Байер, 1885 г), что с ростом отклонения угла между С–С-связями от тетраэдрического растет напряженность и снижается устойчивость соединений, то есть повышается их химическая активность. За меру подобной напряженности цикла была предложена половина разности (109°28¢ - фактический валентный угол)/2, которую обозначим через a. Ниже показано, как величина a связана с С_n в цикле:

Таким образом, меньше всего напряжена молекула циклопентана, а наиболее – циклопропана. Действительно, кольцо С₃Н₆ очень легко размыкается под действием галогенов и галогеноводоордов, а исходное соединение интенсивно каталитически гидрируется. Таким образом, прочность циклоалканов возрастает в ряду

Более того, с n > 5 энергия всех циклоалканов примерно одинакова, что не соответствует указанному выше подходу.

Дело в том, что циклоалканы могут иметь различную пространственную структуру. Примером служит циклогексан, для которого возможны структуры: кресло и ванна (рис. 5).

Изомерия циклоалканов.Для подобных соединений возможна как структурная, так и пространственная изомерия:

1. Изомерия строения углеродного скелета может быть связана с различными причинами:

1а. С разной величиной цикла, например, для условной (эмпирической) молекулярной формулы С₅Н₁₀ имеем:

1б. Со строением боковых цепей.

1в. С различным относительным положением в цикле. Покажем это на примере дизамещенного циклобутана (3 изомера).

2. Стереоизомерия, возможная при наличии двух заместителей. Два заместителя, находящиеся в молекуле циклоалкана у различных атомов углерода, могут быть расположены:

– по одну сторону от плоскости цикла; такой дизамещённый циклоалкан называют цис-изомером;

– по разные стороны от плоскости цикла; такой дизамещённый циклоалкан называют транс-изомером.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: