Alkanas: обща информация. Физични и химични свойства на алканите
Ограничените въглеводороди са такива съединения, които са молекули, състоящи се от въглеродни атоми в състояние на sp3 хибридизация. Те са свързани изключително с ковалентни сигма връзки. Наименованието "маргинални" или "наситени" въглеводороди идва от факта, че тези съединения нямат способността да прикрепят всички атоми. Те са маргинални, напълно наситени. Изключение правят циклоалканите.
Какво представляват алканите?
Алканите са ограничаващи въглеводороди и тяхната въглеродна верига е незатворена и се състои от въглеродни атоми, които са свързани помежду си чрез единични връзки. Тя не съдържа други (т.е. двойни, както в алкени, или тройни, както в алкили) връзки. Алкани също се наричат парафини. Те са получили това име, тъй като добре известните парафини са смес от тези наситени въглеводороди С18 -С35 с особена инертност.
Обща информация за алканите и техните радикали
Тяхната формула: С n Р 2 n +2 , тук n е по-голяма или равна на 1. Моларна маса изчислява се по формулата: M = 14n + 2. Характерна особеност: краищата в техните имена са "-an". Останките от техните молекули, които се образуват в резултат на заместването на водородните атоми за други атоми, се наричат алифатни радикали или алкили. Те са обозначени с буквата R. Общата формула на едновалентните алифатни радикали: C n P 2 n +1 , тук n е по-голяма или равна на 1. Моларната маса на алифатните радикали се изчислява по формулата: M = 14n + 1. Характерна особеност на алифатните радикали: окончания в имената “- тиня. " Молекулите на алканите имат свои собствени структурни характеристики:
- С-С връзката се характеризира с дължина от 0.154 nm;
- С-Н връзката се характеризира с дължина от 0.109 nm;
- ъгълът на валентност (ъгълът между въглерод-въглеродните връзки) е 109 градуса и 28 минути.
Започват хомоложни серии алкани: метан, етан, пропан, бутан и т.н.
Физични свойства на алканите
Алканите са вещества, които са безцветни и неразтворими във вода. Температурата, при която алканите започват да се топят, и температурата, при която те се вари, се увеличават в съответствие с увеличаването на молекулната маса и дължината на въглеводородната верига. От по-малко разклонени до по-разклонени алкани, точките на кипене и топене намаляват. Газообразните алкани могат да изгарят бледосин или безцветен пламък, при което се отделя много топлина. СН4-С4Н10 са газове, които също са без мирис. C5H12- C15H32 са течности, които имат специфичен мирис. C15H32 и така нататък са твърди вещества, които също са без мирис.
Химични свойства на алканите
Тези химични съединения са химически неактивни, което може да се обясни със силата на трудно разбиващите се сигма връзки - C - C и C - H. Струва си също така да се има предвид, че С-С връзките са неполярни и С - Н са нискополярни. Това са ниско поляризиращи типове връзки, свързани с сигма-формата и съответно най-вероятно те ще бъдат разбити от хомолитичния механизъм, в резултат на което ще се образуват радикали. По този начин, химичните свойства на алканите са ограничени главно до реакции на радикално заместване. 
Реакции на нитрация
Алканите взаимодействат само с азотна киселина с концентрация 10% или с оксид с четиривалентен азот в газообразна среда при температура 140 ° С. Реакцията на нитриране на алкани се нарича реакция Коновалов. В резултат се образуват нитросъединения и вода: CH 4 + азотна киселина (разреден) = CH3-NO2 (нитрометан) + вода.
Горещи реакции
Много често като гориво се използват гранични въглеводороди, което е оправдано от тяхната способност за изгаряне: С n Р 2n + 2 + ((3n + 1) / 2) O 2 = (n + 1) H 2 O + n СО 2 .
Реакции на окисляване
Химичните свойства на алканите включват и тяхната способност да окисляват. В зависимост от това какви условия съпътстват реакцията и как се променят, е възможно да се получат различни крайни продукти от същото вещество. Лекото окисление на метана с кислород в присъствието на катализатор, което ускорява реакцията, и температура от около 200 ° C може да доведе до следните вещества:
1) 2СН 4 (окисление с кислород) = 2СН 3 ОН (алкохол - метанол).
2) СН4 (окисление с кислород) = СН20 (алдехид - метанол или формалдехид) + Н20.
3) 2СН 4 (окисление с кислород) = 2СООН (карбоксилна киселина - метан или мравчена) + 2Н20.
Също така, окислението на алкани може да се извърши в газообразна или течна среда чрез въздух. Такива реакции водят до образуването на висши мастни алкохоли и съответните киселини.
Отношение към топлина
При температури, които не надвишават + 150-250 ° C, задължително в присъствието на катализатор, има структурна реорганизация на органични вещества, която се състои в промяна на реда на атомните съединения. Този процес се нарича изомеризация и веществата, получени в резултат на реакцията, са изомери. Така от нормалния бутан се получава неговия изомер - изобутан. При температури от 300-600 ° С и наличието на катализатор, С-Н връзките се счупват, за да образуват водородни молекули (реакция на дехидрогениране), водородни молекули със затваряне на въглеродна верига в цикъл (реакции на циклизиране или ароматизиране на алкани):
1) 2СН4 = С2Н4 (етен) + 2Н2 .
2) 2СН4 = С2Н2 (етин) + ЗН2 .
3) С7Н16 (нормален хептан) = С6Н5-СНЗ (толуен) + 4Н2.
Реакции на халогениране
Такива реакции се състоят в въвеждането в молекулата органична материя халогени (техните атоми), водещи до връзка С-халоген. Когато алканите взаимодействат с халогени, се образуват халогенни производни. Тази реакция има специфични характеристики. Той преминава през радикален механизъм и за да го инициира, е необходимо да се действа върху смес от халогени и алкани с ултравиолетова радиация или просто да се нагрява. Свойствата на алканите позволяват реакцията на халогениране да продължи, докато се постигне пълно заместване с халогенни атоми. Това означава, че хлорирането на метан няма да завърши в един етап и производството на метил хлорид. Реакцията протича по-нататък, като всички възможни заместващи продукти ще се образуват, започвайки с хлорометан и завършващи с въглероден тетрахлорид. Излагането на хлор при тези условия на други алкани ще доведе до образуването на различни продукти, получени в резултат на заместването на водород при различни въглеродни атоми. Съотношението на крайните продукти и скоростта на тяхното образуване ще зависят от температурата, при която протича реакцията. Колкото по-дълга е веригата на алкановите въглеводороди, толкова по-лесно ще бъде тази реакция. По време на халогенирането въглеродният атом, който е най-малко хидрогениран (третичен), първо ще бъде заменен. Първичната ще реагира след всички останали. Реакцията на халогениране ще се осъществява на етапи. На първия етап се заменя само един водороден атом. С разтворите на халогени (хлор и бром вода) алкани не взаимодействат.
Реакции на сулфохлориране
Химичните свойства на алканите се допълват и от реакцията на сулфохлориране (наричана реакция на Reed). Когато са изложени ултравиолетова радиация алканите могат да реагират със смес от хлор и серен диоксид. Резултатът е хлороводород, както и алкилов радикал, който се свързва със себе си серен диоксид. Резултатът е комплексно съединение, което става стабилно поради улавянето на хлорния атом и унищожаването на следващата му молекула: R - H + SO 2 + Cl 2 + ултравиолетова радиация = R-SO2Cl + HCl. Сулфонилхлоридите, образувани в резултат на реакцията, се използват широко в производството на повърхностно активни вещества.