Kljub dejstvu, da so alkani neaktivni, lahko pri interakciji s halogeni ali drugimi prostimi radikali sprostijo velike količine energije. Alkani in reakcije z njimi se nenehno uporabljajo v številnih panogah.
dejstva o alkanih
Alkani zavzemajo pomembno mesto v organski kemiji. Formula alkanov v kemiji je C H2n+2. Za razliko od aromatov, ki imajo benzenski obroč, se alkani štejejo za alifatske (aciklične).
V molekuli katerega koli alkana so vsi elementi povezani z eno samo vezjo. Zato ima ta skupina snovi končnico "-an". V skladu s tem imajo alkeni eno dvojno vez, alkini pa eno trojno vez. Alkodieni imajo na primer dve dvojni vezi.
Alkani so nasičeni ogljikovodiki. To pomeni, da vsebujejo največje število H (vodikovih) atomov. Vsi atomi ogljika v alkanu so v položaju sp3 – hibridizacija. To pomeni, da je molekula alkana zgrajena po tetraedrskem pravilu. Molekula metana (CH4) je podobna tetraedru,in preostali alkani imajo cikcak strukturo.
Vsi atomi C v alkanih so povezani z uporabo ơ - vezi (sigma - vezi). C–C vezi so nepolarne, C–H vezi so šibko polarne.
Lastnosti alkanov
Kot je navedeno zgoraj, ima alkanska skupina malo aktivnosti. Vezi med dvema atomoma C ter med atomoma C in H so močne, zato jih zunanji vplivi težko uničijo. Vse vezi v alkanih so ơ vezi, tako da če se zlomijo, običajno povzročijo radikale.
Halogeniranje alkanov
Zaradi posebnih lastnosti vezi atomov so alkani neločljivi v reakcijah substitucije in razgradnje. V substitucijskih reakcijah v alkanih atomi vodika nadomestijo druge atome ali molekule. Alkani dobro reagirajo s halogeni - snovmi, ki so v skupini 17 periodnega sistema Mendelejeva. Halogeni so fluor (F), brom (Br), klor (Cl), jod (I), astat (At) in tenesin (Ts). Halogeni so zelo močni oksidanti. Reagirajo s skoraj vsemi snovmi iz tabele D. I. Mendelejeva.
Reakcije kloriranja alkanov
V praksi pri halogeniranju alkanov običajno sodelujeta brom in klor. Fluor je preveč aktiven element - z njim bo reakcija eksplozivna. Jod je šibek, zato nadomestna reakcija ne bo šla z njim. In astatin je v naravi zelo redek, zato ga je težko zbrati dovolj za poskuse.
koraki halogeniranja
Vsi alkani gredo skozi tri stopnje halogeniranja:
- Izvor verige ali iniciacija. Pod vplivomsončna svetloba, toplota ali ultravijolično sevanje, se molekula klora Cl2 razpade na dva prosta radikala. Vsak ima en neparen elektron v zunanji plasti.
- Razvoj ali rast verige. Radikali sodelujejo z molekulami metana.
- Prekinitev verige je zadnji del alkanske halogenacije. Vsi radikali se začnejo združevati med seboj in sčasoma popolnoma izginejo.
bromiranje alkanov
Pri halogeniranju višjih alkanov po etanu je težava tvorba izomerov. Pod vplivom sončne svetlobe iz ene snovi lahko nastanejo različni izomeri. To se zgodi kot posledica nadomestne reakcije. To je dokaz, da se lahko kateri koli atom H v alkanu med halogeniranjem nadomesti s prostim radikalom. Kompleksni alkan se razgradi na dve snovi, katerih odstotek se lahko močno razlikuje glede na reakcijske pogoje.
bromiranje propana (2-bromopropan). V reakciji halogeniranja propana z molekulo Br2 pod vplivom visokih temperatur in sončne svetlobe se sprostita 1-bromopropan - 3% in 2-bromopropan - 97%.
Bromiranje butana. Ko se butan bromira pod vplivom svetlobe in visokih temperatur, nastane 2 % 1-bromobutana in 98 % 2-bromobutana.
Razlika med kloriranjem in bromiranjem alkanov
Kloriranje se pogosteje uporablja v industriji. Na primer za proizvodnjo topil, ki vsebujejo mešanico izomerov. Po prejemu haloalkanatežko ločiti drug od drugega, vendar je na trgu mešanica cenejša od čistega izdelka. V laboratorijih je bromiranje pogostejše. Brom je šibkejši od klora. Ima nizko reaktivnost, zato imajo atomi broma visoko selektivnost. To pomeni, da med reakcijo atomi »izberejo«, kateri atom vodika naj zamenjajo.
Narava reakcije kloriranja
Pri kloriranju alkanov nastanejo izomeri v približno enakih količinah v njihovem masnem deležu. Na primer, kloriranje propana s katalizatorjem v obliki zvišanja temperature na 454 stopinj nam daje 2-kloropropan in 1-kloropropan v razmerju 25% oziroma 75%. Če reakcija halogeniranja poteka samo s pomočjo ultravijoličnega sevanja, dobimo 43 % 1-kloropropana in 57 % 2-kloropropana. Glede na reakcijske pogoje se lahko razmerje dobljenih izomerov razlikuje.
Narava reakcije bromiranja
Zaradi reakcij bromiranja alkanov se zlahka sprosti skoraj čista snov. Na primer, 1-bromopropan - 3%, 2-bromopropan - 97% molekule n-propana. Zato se bromiranje pogosto uporablja v laboratorijih za sintezo določene snovi.
Sulfacija alkanov
Alkani so tudi sulfonirani po mehanizmu radikalne substitucije. Da pride do reakcije, na alkan hkrati delujeta kisik in žveplov oksid SO2 (žveplov anhidrid). Kot rezultat reakcije se alkan pretvori v alkilsulfonsko kislino. Primer sulfoniranja butana:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Splošna formula za sulfoksidacijo alkanov:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfokloriranje alkanov
Pri sulfokloriranju se namesto kisika kot oksidacijsko sredstvo uporablja klor. Na ta način pridobivamo alkansulfonske kloride. Reakcija sulfokloriranja je skupna za vse ogljikovodike. Pojavlja se pri sobni temperaturi in sončni svetlobi. Kot katalizator se uporabljajo tudi organski peroksidi. Takšna reakcija vpliva le na sekundarne in primarne vezi, povezane z atomi ogljika in vodika. Zadeva ne doseže terciarnih atomov, saj se reakcijska veriga prekine.
Konovalova reakcija
Reakcija nitriranja, tako kot reakcija halogeniranja alkanov, poteka po mehanizmu prostih radikalov. Reakcija poteka z uporabo zelo razredčene (10 - 20 %) dušikove kisline (HNO3). Reakcijski mehanizem: kot posledica reakcije alkani tvorijo mešanico spojin. Za katalizacijo reakcije se uporablja zvišanje temperature do 140⁰ in normalen ali povišan tlak okolice. Med nitriranjem se uničijo vezi C–C in ne samo C–H, v nasprotju s prejšnjimi substitucijskimi reakcijami. To pomeni, da poteka pokanje. To je cepitvena reakcija.
Reakcije oksidacije in zgorevanja
Alkani se oksidirajo tudi glede na vrsto prostih radikalov. Za parafine obstajajo tri vrste obdelave z oksidativno reakcijo.
- V plinski fazi. Torejdobite aldehide in nižje alkohole.
- V tekoči fazi. Uporabite toplotno oksidacijo z dodatkom borove kisline. S to metodo dobimo višje alkohole od С10 do С20.
- V tekoči fazi. Alkani se oksidirajo, da sintetizirajo karboksilne kisline.
V procesu oksidacije prosti radikal O2 v celoti ali delno nadomesti vodikovo komponento. Popolna oksidacija je zgorevanje.
Alkani dobrega gorenja se uporabljajo kot gorivo za termoelektrarne in motorje z notranjim zgorevanjem. Zgorevanje alkanov proizvaja veliko toplotne energije. Kompleksni alkani so nameščeni v motorjih z notranjim zgorevanjem. Interakcija s kisikom v enostavnih alkanih lahko povzroči eksplozijo. Asf alt, parafin in različna maziva za industrijo so narejeni iz odpadnih produktov, ki nastanejo pri reakcijah z alkani.
