Презентация, доклад к уроку химии в 10 классе Алканы

в молеклах которых все атомы связаны σ-связями
CH4 метан
C2H6 этан СН3 – СН3
C3H8 пропан СН3 – СН2 – СН3
C4H10 бутан СН3 – СН2 – СН2 – СН3
C5H12 пентан СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3
C6H14 гексан СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3
C7H16 гептан и так далее
C8H18 октан
C9H20 нонан
C10H22 декан

с однотипной структурой, в котором каждый последующий член отличается
от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH2-). Такая последовательность
соединений называется гомологическим рядом (от греч. homolog – сходный), отдельные
члены этого ряда – гомологами, а группа атомов, на которую различаются соседние
гомологи, – гомологической разностью.
Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей
цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х атомами
водорода. Другой вариант – добавление в цепь группы -СН2-:
CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом
углерода);
CH3−CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);
CH3−CH2−CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-Н – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);
CH3−CH2−CH2−CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – бутан (4 атома С)
Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Начиная с пятого
гомолога, название алкана образуется из греческого числительного, указывающего число
атомов углерода в молекуле, и суффикса –ан: пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16,
октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.
Гомологи отличаются молекулярной массой и, следовательно, физическими
характеристиками. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана (с ростом
молекулярной массы) в гомологическом ряду наблюдается закономерное изменение
физических свойств гомологов (переход количества в качество): повышаются температуры
кипения и плавления, увеличивается плотность. Алканы от СН4 до С4Н10 – газы, от С5Н12
до С17Н36 – жидкости, далее – твердые вещества.
Гомологи, имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи,
обладают сходными химическими свойствами. Поэтому, зная химические свойства одного
из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое поведение и других
членов этого ряда. Для получения гомологов используются общие методы синтеза.

С–С и С–Н. Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н – ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - углерод и 2.1 – водород).
Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.
Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы
в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.
Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации . Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp³-гибридизации. В этом случае каждая из четырех sp³-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp³-АО другого атома углерода, образуя σ-связь С-Н или С-С. Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под тетраэдрическим углом 109°28′.
Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода. Валентный угол Н-С-Н равен 109°28’.
Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей. Для записи удобнее использовать пространственную (стереохимическую) формулу.
В молекуле следующего гомолога – этана С2Н6 – два тетраэдрических sp³-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию. Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы .

в
состоянии sp³-гибридизации,
т.е. образуют 4 σ-связи,
валентный угол между
которыми составляет 109°28'

изомерия (изомерия углеродного скелета). Номенклатура алканов строится по правилам ИЮПАК:
2
СН3-СН2-СН2-СН3 СН3-СН-СН3

СН3
бутан 2-метилпропан
СН3
2 2
СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 СН3-СН-СН2-СН3 СН3-С-СН3

СН3 СН3
пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан


Межклассовые изомеры у алканов отсутствуют.

одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами. Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т. е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т. е. начиная с бутана С4Н10.
Если в молекулах одинакового состава и одинакового химического строения возможно различное взаимное расположение атомов в пространстве, то наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае использование структурных формул недостаточно и следует применять модели молекул или пространственные (стереохимические) формулы. Алканы, начиная с этана С2Н6, существуют в различных пространственных формах, обусловленных внутримолекулярным вращением по σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную изомерию. Кроме того, при наличии в молекуле 7-ми и более углеродных атомов, возможен еще один вид пространственной изомерии, когда два изомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия в строении молекул называют зеркальной или оптической изомерией.
Структурная изомерия алканов
Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами. Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т. е. в химическом строении) приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т. е. начиная с бутана С4Н10.
Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов является способность атомов углерода образовывать цепи различного строения. Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета. Например, алкан состава C4H10 может существовать в виде двух, а алкан С5Н12 – в виде трех структурных изомеров, отличающихся строением углеродной цепи.
Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и,соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.

С6Н14.
1. Сначала изображаем молекулу линейного изомера (ее углеродный скелет)
С−С−С−С−С−С (1)
2. Затем цепь сокращаем на 1 атом углерода и этот атом присоединяем к какому-либо атому углерода цепи как ответвление от нее, исключая крайние положения:
С−С−С−С−С (2) или С−С−С−С−С (3)
⏐ ⏐
С С
Если присоединить углеродный атом к одному из крайних положений, то химическое строение цепи не изменится: С−С−С−С−С
⏐
С
Кроме того, нужно следить, чтобы не было повторов. Так, структура С−С−С−С−С идентична структуре (2).
⏐
С
3. Когда все положения основной цепи исчерпаны, сокращаем цепь еще на 1 атом углерода: С−С−С−С
Теперь в боковых ответвлениях разместятся 2 атома углерода. Здесь возможны следующие сочетания атомов:
С С
⏐ ⏐
С−С−С−С (4) и С−С−С−С (5)
⏐ ⏐
С С
Боковой заместитель может состоять из 2-х или более последовательно соединенных атомов углерода, но для гексана изомеров с такими боковыми ответвлениями не существует, и структура
С−С−С−С
⏐ идентична структуре (3).
С−С
Боковой заместитель −С−С можно размещать только в цепи, содержащей не меньше 5-ти углеродных атомов и присоединять его можно только к 3-му и далее атому от конца цепи.
4. После построения углеродного скелета изомера необходимо дополнить все углеродные атомы в молекуле связями с водородом, учитывая, что углерод четырехвалентен.
Итак, составу С6Н14 соответствует 5 изомеров: СН3
1) CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CH3 (н-гексан) l
2) CH3−CH−CH2−CH2−CH3 3) CH3−CH2−CH−CH2−CH3 4) СН3-СН -СН-СН3 5) CH3 −C−CH2−CH3
⏐ ⏐ l l l
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3

номенклатура)

Названия первых четырёх алканов сложились исторически: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого
название строят сочетанием греческого числительного (1 – моно, 2 – ди, 3 – три, 4 - тетра, 5 – пента, 6 – гекса, 7 –
гепта, 8 – окта, 9 – нона, 10 – дека) и суффикса -ан : пентан, гексан, октан, нонан, декан и т.д.
Если от алкана «отнять» один атом водогода, то образуется одновалентный «остаток» - угле-
водородный радикал (R)













Общее название таких радикалов – алкилы (название образовано заменой суффикса –ан на –ил).
Алгоритм составления названия разветвлённых алканов:
1. В структурной формуле выбирают самую длинную углеродную цепь.
2. Выбранную цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположено ответвление цепи (радикал).
3. Название алкана производят в следующем порядке: перечисляют в цепи номера углеродных атомов (цифрой), при
которых имеются ответвления (радикалы). Если при одном и том же углеродном атоме находятся два радикала, то
одну и ту же цифру повторяют дважды. Затем называют радикалы в порядке старшинства : метил, этил и т.д. Если
одинаковых радикалов несколько, то их число указывается греческими числительными. Наконец, называют главную
цепь по углеводороду с соответствующим числом углеродных атомов в молекуле.

Разветвлённые алканы кипят при более низких температурах, чем прямые.

строением, т.е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними. Исходя из этого положения и справочных данных о связях С–С и С-Н, попробуем предсказать, какие реакции характерны для алканов. Во-первых, предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения.
Во-вторых, симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы. Следовательно, для реакций алканов характерен радикальный механизм. Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают. Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот, щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4, К2Сr2O7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.
Итак, алканы проявляют свою реакционную способность в основном в радикальных реакциях. Условия проведения таких реакций: повышенная температура (часто реакцию проводят в газовой фазе), действие света или радиоактивного излучения, присутствие соединений - источников свободных радикалов (инициаторов), неполярные растворители.
В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь, реакции алканов подразделяются на следующие типы.
С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и изомеризации углеродного скелета.
По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его
отщепления (дегидрирование алканов). Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.) и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

выделяя большое количество
теплоты:
СН4 + 2О2 ⭢ СО2 + 2Н2О + 880 кДж
С2Н6 + 3,5О2 ⭢ 2СО2 + 3Н2О + Q
С3Н8 + 5О2 ⭢ 3СО2 + 4Н2О + Q
Газообразные алканы хорошо смешиваются с воздухом и
поэтому сгорают полностью. При горении твёрдых алканов
(парафинов) для сгорания всего углерода кислорода не хватает
и углерод выделяется в свободном виде (копоть). Образование
при горении углекислого газа определяют по помутнению
известковой воды.

Пиролиз – полное термическое разложение
При сильном нагревании алканы разлагаются на простые
вещества – углерод и водород:
СН4 ⭢ С + 2Н2 – Q
С2Н6 ⭢ 2С + 3Н2 - Q

углеродной цепью на более короткие под действием высокой температуры от 470°С до 550°С. В результате этого образуются алканы и алкены, которые в свою очередь также могут снова подвергаться крекингу, образуя углеводороды с ещё более короткой углеродной цепью:
СН4 ⭢ СНΞСН + 3Н2
ацетилен
С16Н34 ⭢ С8Н18 + С8Н16
С8Н18 ⭢ С4Н10 + С4Н8
СН3-СН2-СН2-СН3 ⭢ СН3-СН3 + СН2=СН2

⮛ Каталитический крекинг (изомеризация) протекает в присутствии катализаторов, в качестве которых используют природные алюмосиликаты состава nAl2O3▪mSiO2, а также Cr2O3, AlCl3. осуществление крекинга протекает при температуре 470°С до 550°С и приводит в основном к образованию углеводородов, имеющих разветвлённое или циклическое строение углеродной цепи:
СН3-СН2-СН2-СН3 ⭢ СН3-СН-СН3
|
СН3
бутан изо-бутан

Н
| |
Н—С—Н + Сl2 → Н—С—Сl + НСl
| |
Н Н
хлорметан
(хлористый метил)

В молекуле алкана при определённых условиях атомы водорода замещаются на другие атомы или
группы атомов. Например, на свету (при поглощении световой энергии) или при нагревании (с бромом)
алканы реагируют с хлором:




















В результате такой реакции образуется смесь галогенпроизводных:
+Cl2 +Cl2 +Cl2 +Cl2
СН4 → CH3Cl → CH2Cl2 → CHCl3 → CCl4
-HCl -HCl -HCl -HCl
Аналогично протекает реакция хлорирования этана:
СН3—СН3 + Cl2 → CH3—CH2Cl + HCl ; CH3—CH2Cl + Cl2 → CH3—CHCl2 + HCl и т.д.
хлорэтан 1,1-дихлорэтан
Такие реакции называют реакциями галогенирования (с хлором – хлорирования, с бромом – бромирования и т.д.).

Н Н
| |
Н—С—Cl + Сl2 → Н—С—Сl + НСl
| |
Н Cl
дихлорметан
(хлористый метилен)

Н Н
| |
Н—С—Cl + Сl2 → Сl—С—Сl + НСl
| |
Cl Cl
трихлорметан
(хлороформ)

Н Cl
| |
Cl—С—Cl + Сl2 → Сl—С—Сl + НСl
| |
Cl Cl
тетрахлорметан
(четырёххлористый углерод)

т.к. атом хлора поляризует связи С-Н и делает их
δ+ δ-
более реакционноспособными: Н3С→Cl.
Легче всего замещение идёт у третичного атома углерода, сложнее – у вторичного, первичного атомов:
Сl
|
CH3-CH2-CH3 + Cl2 → CH3-CH-CH3 + HCl
2-хлорпропан
Механизм реакции замещения – свободнорадикальный, состоит из трёх стадий:
зарождение цепи Cl-Cl → 2Cl·
развитие цепи СН4 + Cl· → ·CH3 + HCl
·CH3 + Cl2 → CH3Cl + Cl· и т.д.
- обрыв цепи 2·CH3 → C2H6

Замещение может происходить с азотной кислотой при t=140ºС (реакция Коновалова), при этом получаются
нитросоединения: t
CH4 + HO-NO2→ CH3-NO2 + H2O
нитрометан
Такие реакции называются реакциями нитрования.

К свободнорадикальному замещению относятся реакции каталитического окисления алканов:
СН3ОН метанол

Н-C=О метаналь
СН4 + [О] |
Н

Н-С=О метановая кислота
|
ОН

алканы вступают в реакции дегидрирования (отщепления водорода):
СН3-СН3 → СН2=СН2 + Н2
СН3-СН2-СН2-СН3 → СН3-СН=СН-СН3 + Н2
бутен-2
СН3-СН-СН2-СН2-СН3 → СН3-С=СН-СН2-СН3 + Н2
| |
СН3 СН3
2-метилбутен-2

Алканы с шестью и более атомами углерода вступают в реакции дегидрирования с образованием циклоалканов и аренов:

С6Н14 → + Н2
циклогексан

С6Н14 → + 4H2

бензол

попутный газы, нефть, каменный уголь).
Используются также синтетические методы.
1. Крекинг нефти (промышленный способ)
CnH2n+2 ⎯→ CmH2m+2 + Cn-mH2(n-m)
алкан алкен
При крекинге алканы получаются вместе с непредельными соединениями (алкенами). Этот способ
важен тем, что при разрыве молекул высших алканов получается очень ценное сырье для органического
синтеза: пропан, бутан, изобутан, изопентан и др.
2. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов:
+H2 +2H2
CnH2n ⎯⎯→ CnH2n+2 ←⎯⎯ CnH2n-2
алкены алканы алкины
3. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni):
С + 2Н2 → СН4
4. Из синтез-газа (СО + Н2) получают смесь алканов:
nCO + (2n+1)H2 ⎯→ CnH2n+2 + nH2O
5. Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода:
2CH3Cl + 2Na ⎯→ CH3−CH3 + 2NaCl (синтез Вюpца)
хлорметан этан
6. Из солей карбоновых кислот (декарбоксилирование):
а) сплавление со щелочью (реакция Дюма)
t°
CH3COONa + NaOH ⎯→ CH4 + Na2CO3
ацетат натрия
б) электролиз по Кольбе
электролиз
2RCOONa + 2H2O ⎯⎯⎯→ R−R + 2CO2 + H2 + 2NaOH
на аноде на катоде
7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой (гидролиз):
Al4C3 + 12H2O ⎯→ 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑

заданным строением молекул. Для этого используется реакция
взаимодействия их с активными металлами (реакция Вюрца):

C2H5I + 2Na + IC2H5 ⎯→ C4H10 + 2NaI

Если в реакции использовать разные галоидные алкилы, то получается
смесь трех продуктов. Например:

C2H5Br + 2Na + BrCH3 ⎯→ C3H8 + 2NaBr
пропан
Кроме пропана образуются бутан C4H10 (из 2-х молекул C2H5Br) и этан
C2H6 (из 2-х молекул CH3Br).
Для получения алканов несимметричного строения или с нечетным
числом атомов углерода в цепи применяется реакция Вюрца-Гриньяра,
которая позволяет избежать образования смеси углеводородов:
эфир
CH3Br + Mg ⎯⎯→ CH3–MgBr (реактив Гриньяра)

CH3–MgBr + Br–CH2–CH3 ⎯→ CH3-CH2-CH3 + MgBr2

синтеза многих соединений. Замена атомов водорода на галоген делает соединение
химически активным, т.к. связь углерода с более лектроотрицательным атомом галогена
является полярной и довольно реакционноспособной в реакциях ионного типа.
Полярность ковалентной связи, например С-Cl, приводит к смещению электронной
плотности соседних связей в молекуле (индуктивный_эффект).
Галогенопроизводные алканов широко применяются для синтеза алканов с заданным
строением молекул. Для этого используется реакция взаимодействия их с активными
металлами (реакция Вюрца):
C2H5I + 2Na + IC2H5 ⎯→ C4H10 + 2NaI
Если в реакции использовать разные галоидные алкилы, то получается смесь трех
продуктов. Например:
C2H5Br + 2Na + BrCH3 ⎯→ C3H8 + 2NaBr
пропан
Кроме пропана образуются бутан C4H10 (из 2-х молекул C2H5Br) и этан C2H6 (из 2-х
молекул CH3Br).
Для галогенпроизводных характерно замещение галогена на другие группы атомов
при действии воды, оснований и солей. Эти реакции протекают по механизму
нуклеофильного замещения, т.к. положительно заряженный углеродный атом, связанный
с галогеном, является центром атаки нуклеофильными частицами (OH−, Cl−, CN−)
H3Cδ+–Clδ− + Na+OH− → CH3OH + Na+Cl− (нуклеофил - OH−).
Механизм нуклеофильного замещения обозначается символом SN (по первым буквам
английских терминов: S – substitution [замещение], N – nucleophile [нуклеофил]).

разнообразных
сферах жизни и деятельности человека.
Газообразные алканы (метан и пpопан-бутановая смесь) используется в качестве
ценного топлива. Жидкие углеводоpоды составляют значительную долю в моторных и
ракетных топливах и используются в качестве растворителей. Вазелиновое масло (смесь
жидких углеводоpодов с числом атомов углерода до 15) - пpозpачная жидкость без запаха
и вкуса, используется в медицине, паpфюмеpии и косметике. Вазелин (смесь жидких и
твеpдых пpедельных углеводоpодов с числом углеpодных атомов до 25) пpименяется для
пpиготовления мазей, используемых в медицине.
Паpафин (смесь твеpдых углеводоpодов С19 – С35) – белая твеpдая масса без запаха
и вкуса (т.пл.=50-70°C). Пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и
упаковочной бумаги, для тепловых пpоцедуp в медицине и т.д.
В современной нефтехимической промышленности
предельные улеводороды являются базой для
получения разнообразных органических соединений,
важным сырьем в процессах получения полупродуктов
для производства пластмасс, каучуков,
синтетических волокон, моющих средств и многих
других продуктов. Нормальные предельные
углеводороды средней молекулярной массы
используются как питательный субстрат
в микробиологическом синтезе белка из нефти.
Большое значение имеют галогенопроизводные
алканов, которые используются как растворители,
хладоагенты и сырье для дальнейших синтезов.

входить нечётное количество атомов водорода?

Как на основе электронной теории объяснить зигзагообразное строение углеродной цепи?

Что берётся за основу номенклатуры алканов?

Почему алканы не растворяются в воде?

Как опытным путём можно отличить метан от водорода?

Какой тип реакций наиболее характерен для алканов?

Объясните смысл названия «дегидрирование»?

Укажите именные реакции, характеризующие свойства и способы получения алканов.

Назовите природные источники алканов.

б) CnH2n+2 в) CnH2n-2 г) CnH2n-6
2. Какие соединения относятся к гомологическому ряду метана:
а) С2Н4 б) С3Н8 в) С4Н10 г) С5Н12 д) С7Н14 ?
3. Какое из соединений, получится при нагревании метана без доступа воздуха при температуре 1500°С
а) этилен б) ацетилен в) углекислый газ г) сажа
4. Укажите названия углеводородных радикалов, соответствующих алканам: метан, пропан, пентан
а) метил, пропил, пентил; б) изопропил, пропил, бутил;
в) пентил, н-пропил, метил
С
|
5. Назовите по систематической номенклатуре "изооктан" С-С-С- С-С
| | С С
а) тетраметилбутан б) 2,2,4-метилпентан
в) 2,4,4-триметилпентан г) триметилпентан

t°; в) H2SO4 (25 °С);
г) HNO3 (разб), t°; д) KMnO4 (25 °С); е) NaOH ?

7. Какой галогеналкан нужен для получения 2,5-диметилгексана
по реакции Вюрца без побочных продуктов?
а) 2-бром-2-метилпропан б) 2-бромпропан + 1-бром-3-метилбутан
в) 1-бром-2-метилпропан г) бромэтан + 1-бромбутан

8. Укажите наиболее вероятный продукт взаимодействия 1 моль
2,2,3-триметилбутана и 1 моль Br2 (на свету).
а) 2-бром-2,3,3-триметилбутан б) 1-бром-2,2,3-триметилбутан
в) 1-бром-2,3,3-триметилбутан г) 3-бром-2,2,3-триметилбутан

9. К какому типу относится реакция взаимодействия хлора с метаном (на свету)
а) окисления б) изомеризации в) замещения г) соединения

10. Механизм реакции хлорирования метана:
а) ионный б) радикальный

– а
5 – г
6 – бг
7 – б
8 – г
9 – в
10 - б