Химия · Органическая химия · 10 класс

Алканы и циклоалканы

Метан в газовой плите и пропан в баллоне — одно семейство: почему один газ, а другой жидкость?

Ситуация

Газовая плита на кухне горит природным газом, который приходит по жёлтой трубе, — в основном метаном CH₄; а в частных домах на окраине города используют красный баллон с пропаном. В зажигалке — бутан, в автомобильном бензине — октан и его изомеры, а в парафине свечи — молекулы с двадцатью–тридцатью атомами углерода. Все это члены одного семейства — алканов. Почему в начале семейства газы, в середине жидкости, а в конце твёрдые вещества, в какие реакции они вступают и как получить метан в лаборатории?

Тема

Алканы и циклоалканы. Газовая плита (метан) и пропановый баллон: гомологический ряд алканов, горение и реакция с хлором

Ключевые понятия

Гомологический ряд CₙH₂ₙ₊₂
Горение и хлорирование
Напряжение цикла

Формулы

C_{n} H_{2 n + 2}, M = 14 n + 2 г/моль

Гомологический ряд алканов: каждый следующий член отличается от предыдущего группой CH₂ (14 г/моль).

CH_{4} + 2 O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 H_{2} O Δ H = - 890 кДж/моль

Горение метана: 1 л (н. у.) метана выделяет ≈ 39,8 кДж теплоты.

CH_{3} COONa + NaOH \overset{\overset{}{t}}{\to} CH_{4} ↑ + Na_{2} CO_{3}

Получение метана в лаборатории: ацетат натрия нагревают с натронной известью.

CH_{4} + Cl_{2} \overset{\overset{}{hν}}{\to} CH_{3} Cl + HCl

Радикальное хлорирование (на свету): может идти вплоть до CH₃Cl → CH₂Cl₂ → CHCl₃ → CCl₄.

2 CH_{3} Cl + 2 Na \overset{}{\to} C_{2} H_{6} + 2 NaCl

Реакция Вюрца: из галогеналканов получается алкан с более длинной углеродной цепью.

Теория

Алканы: строение и гомологический ряд (2.1)

Алканы (предельные углеводороды, парафины) — углеводороды, в молекулах которых только простые связи C–C и C–H; общая формула CₙH₂ₙ₊₂. Атомы углерода находятся в sp³-гибридизации: четыре связи направлены к вершинам тетраэдра (109,5°), C–C — 154 пм, C–H — 109 пм; поэтому цепь имеет форму «зигзага», а вокруг связи C–C возможно свободное вращение. Ряд веществ, сходных по строению и свойствам и отличающихся по составу на одну или несколько групп CH₂ (гомологическая разность, 14 г/моль), — гомологический ряд: метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан. Изомерия алканов (начиная с C₄) и их названия — в эксперименте «Изомеры и номенклатура».

Получение и физические свойства (2.3)

В промышленности алканы выделяют из природного газа (в основном метан), попутных нефтяных газов и перегонкой нефти; в Узбекистане перерабатывают газ месторождений Шуртан, Мубарек и Устюрт. В лаборатории: нагревание ацетата натрия с натронной известью (NaOH + CaO) — $CH_{3} COONa + NaOH \overset{}{\to} CH_{4} + Na_{2} CO_{3}$ ; гидролиз карбида алюминия — $Al_{4} C_{3} + 12 H_{2} O \overset{}{\to} 3 CH_{4} + 4 Al (OH)_{3}$ ; реакция Вюрца — $2 CH_{3} Cl + 2 Na \overset{}{\to} C_{2} H_{6} + 2 NaCl$ (цепь удваивается). Физические свойства: C₁–C₄ — газы, C₅–C₁₅ — жидкости, далее — твёрдые вещества (парафин). С удлинением молекулы притяжение Ван-дер-Ваальса усиливается и температура кипения растёт: метан −161,5 °C, бутан −0,5 °C, пентан 36,1 °C, октан 125,6 °C, декан 174,1 °C. Алканы бесцветны, в воде практически не растворяются, легче воды (пентан 0,626, декан 0,730 г/мл). Метан без запаха и легче воздуха (M = 16 г/моль, воздух — 29).

Практическая работа: получение метана и изучение его свойств

В сухую пробирку помещают смесь ацетата натрия и натронной извести (≈ 1 : 2), закрепляют её отверстием слегка вниз и нагревают. Газ собирают под водой в перевёрнутый цилиндр (метан в воде практически не растворяется). Расчёт: $n (C H_{4}) = n (C H_{3} C O O N a) = m / M$ , при н. у. $V_{0} = 22,4 \cdot n$ л; при комнатной температуре (20 °C) объём немного больше: $V = n R T / p$ . Свойства: метан не обесцвечивает бромную воду и раствор KMnO₄ — алканы предельные, в обычных условиях не окисляются и не присоединяют; на воздухе горит бледно-голубым пламенем. Безопасность: смесь метана с воздухом (5–15 %) взрывоопасна — перед поджиганием проверьте чистоту газа и поджигайте в небольшом сосуде; натронная известь едкая, наденьте очки; перед прекращением нагревания выньте газоотводную трубку из воды.

Химические свойства и применение (2.4)

Связи C–C и C–H прочные и малополярные, поэтому алканы в обычных условиях инертны («парафин» — «малое сродство»). Горение: $CH_{4} + 2 O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 H_{2} O$ , ΔH = −890 кДж/моль; при недостатке воздуха горение неполное — образуются ядовитый угарный газ CO и сажа (жёлтое, коптящее пламя): $2 CH_{4} + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 CO + 4 H_{2} O$ . Радикальное замещение (галогенирование) идёт на свету или при нагревании: Cl₂ → 2Cl• (инициирование цепи), Cl• + CH₄ → HCl + CH₃•, CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl• (продолжение цепи), при встрече радикалов цепь обрывается. При достатке хлора реакция доходит до CH₂Cl₂, CHCl₃ (хлороформ), CCl₄; чтобы получить больше CH₃Cl, метан берут в избытке. Крекинг (450–550 °C): крупная молекула распадается на меньшие алкан и алкен — $C_{10} H_{22} \overset{}{\to} C_{5} H_{12} + C_{5} H_{10}$ . Дегидрирование: $C_{2} H_{6} \overset{}{\to} C_{2} H_{4} + H_{2}$ — один из основных способов получения этилена. Изомеризация (AlCl₃) повышает качество бензина. Применение: топливо (бытовой газ, пропан-бутан, бензин, дизельное топливо), получение водорода и синтез-газа, растворители, парафин, этилен для полиэтилена.

Циклоалканы (2.5–2.6)

Циклоалканы — предельные углеводороды с замкнутой цепью, CₙH₂ₙ (межклассовые изомеры алкенов: циклобутан и бутен-1). Название: «цикло-» + название алкана: циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан; заместители в кольце нумеруют (метилциклопропан, 1,2-диметилциклогексан). Напряжение Байера: идеальный угол для sp³-углерода 109,5°, в циклопропане угол C–C–C равен 60° — связи «изогнуты», кольцо напряжено (≈ 115 кДж/моль, по теплоте сгорания), в циклобутане ≈ 110 кДж/моль. Циклопентан («конверт», ≈ 26 кДж/моль) мало напряжён, а циклогексан («кресло», ≈ 111°) практически не напряжён. В форме кресла у каждого атома углерода по одному аксиальному (параллельному оси кольца) и одному экваториальному атому водорода; при переходе «кресло–кресло» они меняются местами. Получение: $C_{6} H_{6} + 3 H_{2} \overset{\overset{}{Ni, t}}{\to} C_{6} H_{12}$ ; циклопропан — действием цинка на 1,3-дибромпропан. Свойства: малые циклы (C₃, C₄) вступают в реакции присоединения с раскрытием кольца ( $C_{3} H_{6} + Br_{2} \overset{}{\to} C_{3} H_{6} Br_{2}$ , 1,3-дибромпропан), а циклогексан вступает в реакции замещения, как алканы. Циклогексан используют для получения сырья для нейлона (капрона).

О модели

Температуры кипения и плавления — при 101,3 кПа (CRC Handbook); состояние в ампулах определяется по этим температурам. Получение метана: натронная известь в избытке, реакция идёт до конца; газ в цилиндре при 20 °C и 101,3 кПа, пары воды в нём и воздух в пробирке не учитываются; время нагрева сокращено. Газовая плита: мощность конфорки 2 кВт, в воду переходит ≈ 40 % теплоты, в режиме чайника время ускорено в 10 раз; при недостатке воздуха часть углерода превращается в CO (по балансу кислорода). Хлорирование схематично: каждая связь C–H принята одинаково активной (статистическая модель) — на деле хлорметаны реагируют с несколько иной скоростью. Энергия напряжения — избыток в теплоте сгорания (относительно 658,6 кДж/моль на CH₂); анимация «кресло–кресло» схематична (промежуточные формы «ванны» не показаны).

Знаете ли вы?

Природный газ сам по себе не имеет запаха. Чтобы заметить утечку, к нему добавляют очень малое количество органического вещества с резким запахом, содержащего серу (одорант, например этилмеркаптан) — это и есть тот самый «запах газа».
По шкале октанового числа бензина 2,2,4-триметилпентан принят за 100, а нормальный гептан — за 0: разветвлённые алканы горят в двигателе без детонации.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Химия в нашем теле — 7 класс
Органическая химия: строение — 10 класс
Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс