Napriek skutočnosti, že alkány sú neaktívne, sú schopné pri interakcii s halogénmi alebo inými voľnými radikálmi uvoľňovať veľké množstvo energie. Alkány a reakcie s nimi sa neustále používajú v mnohých priemyselných odvetviach.
Fakty o alkáne
Alkány zaujímajú dôležité miesto v organickej chémii. Vzorec alkánov v chémii je C H2n+2. Na rozdiel od aromátov, ktoré majú benzénový kruh, sa alkány považujú za alifatické (acyklické).
V molekule akéhokoľvek alkánu sú všetky prvky spojené jednoduchou väzbou. Preto má táto skupina látok koncovku „-an“. V súlade s tým majú alkény jednu dvojitú väzbu a alkíny majú jednu trojitú väzbu. Alkodiény majú napríklad dve dvojité väzby.
Alkány sú nasýtené uhľovodíky. To znamená, že obsahujú maximálny počet atómov H (vodíka). Všetky atómy uhlíka v alkáne sú v polohe sp3 – hybridizácia. To znamená, že molekula alkánu je postavená podľa štvorstenného pravidla. Molekula metánu (CH4) pripomína štvorsten,a zvyšné alkány majú cik-cak štruktúru.
Všetky atómy C v alkánoch sú spojené pomocou ơ - väzieb (sigma - väzby). C–C väzby sú nepolárne, C–H väzby sú slabo polárne.
Vlastnosti alkánov
Ako už bolo spomenuté vyššie, skupina alkánov má malú aktivitu. Väzby medzi dvoma atómami C a medzi atómami C a H sú pevné, preto sa ťažko ničia vonkajšími vplyvmi. Všetky väzby v alkánoch sú ơ väzby, takže ak sa rozbijú, zvyčajne to vedie k radikálom.
Halogenácia alkánov
Vďaka špeciálnym vlastnostiam väzieb atómov sú alkány súčasťou substitučných a rozkladných reakcií. Pri substitučných reakciách v alkánoch atómy vodíka nahrádzajú iné atómy alebo molekuly. Alkány dobre reagujú s halogénmi - látkami, ktoré sú v skupine 17 periodickej tabuľky Mendelejeva. Halogény sú fluór (F), bróm (Br), chlór (Cl), jód (I), astatín (At) a tennessín (Ts). Halogény sú veľmi silné oxidačné činidlá. Reagujú takmer so všetkými látkami z tabuľky D. I. Mendelejeva.
Chloračné reakcie alkánov
V praxi sa na halogenácii alkánov zvyčajne podieľa bróm a chlór. Fluór je príliš aktívny prvok - s ním bude reakcia výbušná. Jód je slabý, takže substitučná reakcia s ním nepôjde. Astatín je v prírode veľmi vzácny, takže je ťažké nazbierať ho dostatok na experimenty.
Kroky halogenácie
Všetky alkány prechádzajú tromi fázami halogenácie:
- Pôvod reťazca alebo zasvätenia. Pod vplyvomslnečné svetlo, teplo alebo ultrafialové žiarenie sa molekula chlóru Cl2 rozkladá na dva voľné radikály. Každý má jeden nespárovaný elektrón vo vonkajšej vrstve.
- Vývoj alebo rast reťazca. Radikály interagujú s molekulami metánu.
- Ukončenie reťazca je posledná časť halogenácie alkánov. Všetky radikály sa začnú navzájom spájať a nakoniec úplne zmiznú.
Brómácia alkánov
Pri halogenácii vyšších alkánov po etáne je problém s tvorbou izomérov. Pôsobením slnečného žiarenia môžu z jednej látky vzniknúť rôzne izoméry. K tomu dochádza v dôsledku substitučnej reakcie. To je dôkaz, že ktorýkoľvek atóm H v alkáne môže byť počas halogenácie substituovaný voľným radikálom. Komplexný alkán sa rozkladá na dve látky, ktorých percento sa môže značne líšiť v závislosti od reakčných podmienok.
Brómácia propánu (2-brómpropán). Pri reakcii halogenácie propánu s molekulou Br2 vplyvom vysokých teplôt a slnečného žiarenia sa uvoľňuje 1-brómpropán - 3% a 2-brómpropán - 97%
Brómovanie butánu. Keď sa bután brómuje pôsobením svetla a vysokých teplôt, uvoľní sa 2 % 1-brómbutánu a 98 % 2-brómbutánu.
Rozdiel medzi chloráciou a bromáciou alkánov
V priemysle sa častejšie používa chlórovanie. Napríklad na výrobu rozpúšťadiel obsahujúcich zmes izomérov. Po prijatí halogénalkánuťažko od seba oddeliť, ale na trhu je zmes lacnejšia ako čistý produkt. V laboratóriách je bromácia bežnejšia. Bróm je slabší ako chlór. Má nízku reaktivitu, takže atómy brómu majú vysokú selektivitu. To znamená, že počas reakcie si atómy "vyberú", ktorý atóm vodíka nahradiť.
Povaha chloračnej reakcie
Pri chlorácii alkánov vznikajú izoméry v približne rovnakých množstvách v ich hmotnostnom zlomku. Napríklad chloráciou propánu s katalyzátorom vo forme zvýšenia teploty na 454 stupňov získame 2-chlórpropán a 1-chlórpropán v pomere 25%, respektíve 75%. Ak halogenačná reakcia prebieha len pomocou ultrafialového žiarenia, získa sa 43 % 1-chlórpropánu a 57 % 2-chlórpropánu. V závislosti od reakčných podmienok sa pomer získaných izomérov môže meniť.
Povaha bromačnej reakcie
V dôsledku bromačných reakcií alkánov sa ľahko uvoľňuje takmer čistá látka. Napríklad 1-brómpropán - 3%, 2-brómpropán - 97% molekuly n-propánu. Preto sa bromácia často používa v laboratóriách na syntézu špecifickej látky.
Sulfácia alkánov
Alkány sú tiež sulfonované mechanizmom radikálovej substitúcie. Aby reakcia prebehla, kyslík a oxid síry SO2 (anhydrid síry) súčasne pôsobia na alkán. V dôsledku reakcie sa alkán premení na kyselinu alkylsulfónovú. Príklad butánovej sulfonácie:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Všeobecný vzorec na sulfoxidáciu alkánov:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfochlórácia alkánov
V prípade sulfochlorácie sa namiesto kyslíka používa ako oxidačné činidlo chlór. Týmto spôsobom sa získajú alkánsulfónové chloridy. Reakcia sulfochlorácie je spoločná pre všetky uhľovodíky. Vyskytuje sa pri izbovej teplote a slnečnom svetle. Organické peroxidy sa tiež používajú ako katalyzátor. Takáto reakcia ovplyvňuje iba sekundárne a primárne väzby súvisiace s atómami uhlíka a vodíka. Hmota sa nedostane k terciárnym atómom, pretože reakčný reťazec sa preruší.
Konovalovova reakcia
Nitračná reakcia, podobne ako halogenačná reakcia alkánov, prebieha podľa mechanizmu voľných radikálov. Reakcia sa uskutočňuje s použitím vysoko zriedenej (10 - 20 %) kyseliny dusičnej (HNO3). Mechanizmus reakcie: v dôsledku reakcie alkány tvoria zmes zlúčenín. Na katalýzu reakcie sa používa zvýšenie teploty až na 140 °C a normálny alebo zvýšený tlak okolia. Počas nitrácie sa na rozdiel od predchádzajúcich substitučných reakcií ničia väzby C–C, a nielen C–H. To znamená, že dochádza k praskaniu. To je reakcia rozdelenia.
Oxidačné a spaľovacie reakcie
Alkány sa tiež oxidujú podľa typu voľných radikálov. V prípade parafínov existujú tri typy spracovania pomocou oxidačnej reakcie.
- V plynnej fáze. Takžezískajte aldehydy a nižšie alkoholy.
- V kvapalnej fáze. Použite tepelnú oxidáciu s prídavkom kyseliny boritej. Touto metódou sa vyššie alkoholy získavajú od С10 do С20.
- V kvapalnej fáze. Alkány sa oxidujú, aby sa syntetizovali karboxylové kyseliny.
V procese oxidácie voľný radikál O2 úplne alebo čiastočne nahrádza vodíkovú zložku. Úplná oxidácia je spaľovanie.
Dobre horiace alkány sa používajú ako palivo pre tepelné elektrárne a spaľovacie motory. Horiace alkány produkujú veľa tepelnej energie. Komplexné alkány sú umiestnené v spaľovacích motoroch. Interakcia s kyslíkom v jednoduchých alkánoch môže viesť k výbuchu. Asf alt, parafín a rôzne mazivá pre priemysel sa vyrábajú z odpadových produktov vznikajúcich pri reakciách s alkánmi.
