Главная >> Химия 10 класс. Базовый уровень. Кузнецова

Глава 5. Углеводороды

§ 9. Физические и химические свойства алканов и их применение

Какие углеводороды называются предельными, или насыщенными, и почему они так называются? В каком валентном состоянии находится каждый атом углерода в предельных углеводородах?
Какие химические свойства можно ожидать у алканов, исходя из их строения?

Явление гомологии в химии имеет важное значение. Оно позволяет изучить свойства целого класса соединений на примере нескольких представителей гомологического ряда и установить закономерности изменения физических свойств гомологов, чтобы сделать выводы о свойствах других гомологов.

Задание. Задание. Изучив таблицу 2 на с. 60, установите закономерности изменения физических свойств алканов.

Рассмотрим свойства предельных углеводородов. Предельные углеводороды являются малоактивными и имеют ещё одно название — парафины (от лат. рагит — «мало» и affinis — «родство»).

Проблема. Объясните причину невысокой химической активности алканов, рассмотрев их строение (см. § 2).

Химические свойства алканов

Химические свойства алканов проявляются в реакциях.

1. Реакция горения. При горении алканов выделяется большое количество теплоты (экзотермическая реакция), поэтому некоторые углеводороды используются в качестве топлива. Однако они горят по-разному, например, метан, этан, пропан, бутан сгорают полностью и горят бесцветным пламенем, а при горении гексана и гептана образуется много копоти. Почему?

СН₄ + 2O₂ → СO₂ + 2Н₂O + 890 кДж

Помните: смесь метана с воздухом или кислородом взрывоопасна!

Наиболее сильный взрыв происходит при смешивании метана с кислородом в соотношении 1:2 или с десятью объёмами воздуха (1:10). Такая смесь может образовываться в каменноугольных шахтах, в котельных, в жилых помещениях.

Какие реакции называются реакциями замещения и в чём их сущность?

2. Реакции замещения. Для алканов характерны реакции радикального замещения, в ходе которых атом водорода замещается на атом галогена или какую-нибудь группу атомов.

Атом углерода в предельных углеводородах находится в состоянии sр³-гибридизации. Это значит, что химические реакции, в которые они вступают, связаны с разрывом весьма прочных σ-связей (С—С и С—Н).

А. Галогенирование. Примером может служить реакция с хлором, при которой происходит последовательное замещение атомов водорода на атомы хлора под действием света или нагревания.

Механизм этой реакции рассмотрен в § 6.

В разработку цепных реакций большой вклад внесли отечественный физик, академик Н.Н. Семёнов и английский учёный С. Хиншелвуд, удостоенные Нобелевской премии.

Проблема. Как объяснить, что в реакциях радикального замещения (гало- генирования) алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных, а затем у вторичных и первичных атомов углерода?

Решение этой проблемы связано с энергией связей С—Н в простейших алканах. В этане она составляет 417 кДж/моль, для звена СН₂ в пропане — 396 кДж/моль, в изобутане для звена СН — 376 кДж/моль.

В реакции галогенирования алканов образуются вещества, которые называются галогеноуглеводородами. Они являются одними из важнейших соединений в органическом синтезе. Реакционная способность галогеноалка- нов определяется характером связи «углерод — галоген» и структурой молекулы. В случае хлорирования метана в хлорметане образуется связь С—Сl, в результате чего молекула принимает форму неправильного тетраэдра (рис. 22). То же происходит и с этаном.

В итоге электронная плотность в молекуле хлорэтана по сравнению с молекулой этана смещена в сторону атома хлора. Связь «углерод — углерод» становится полярной.

Полярность одной ковалентной связи является причиной смещения электронной плотности соседних σ-связей в сторону атома более электроотрицательного элемента. В случае введения в углеродную цепь более электроотрицательных или более электроположительных заместителей проявляется индуктивный эффект.

Смещение электронной плотности σ-связей за счёт различия электроотрицательностей связанных атомов называется индуктивным эффектом (I).

Смещение электронной плотности обозначают прямыми стрелками.

Атом углерода метильной группы, на котором создаётся дефицит электронной плотности, стремится компенсировать свой заряд, оттягивая электронную плотность от соседних атомов водорода. Связи С—Н в хлорметане становятся менее прочными, атомы водорода легче замещаются на атомы хлора, чем первый атом водорода в молекуле метана. Так же и в молекуле этана.

Однако, влияние атома хлора в молекуле 1-хлорпропана на третий атом углерода практически не сказывается:

При увеличении углеводородного радикала индуктивный эффект в цепочке атомов быстро затухает.

Влияние атомов в молекуле взаимно. Радикал (метил), в свою очередь, влияет на атом хлора: метан не взаимодействует с водой, а хлорметан вступает в реакцию гидролиза:

Галогеналканы широко используются в хозяйстве страны. Например, хлорметан СН₃Сl используется в качестве хладагента в холодильных установках. Хлорэтан С₂Н₅Сl — легкоиспаряющаяся жидкость, применяется в медицине для местной анестезии.

Трихлорметаи (хлороформ) СНСl₃ — бесцветная тяжёлая жидкость со сладковатым запахом. Негорюч, почти не растворяется в воде, хорошо растворяет жиры, смолы, каучуки. Хлороформ обладает сильным наркотическим действием. В настоящее время его использование для наркоза ограничено из-за сравнительно высокой токсичности.

Трииодметан (йодоформ) СНI₃ — твёрдое вещество желтоватого цвета с резким характерным запахом. Применяется наружно как антисептическое средство в виде мазей и присыпок.

Тетрахлорметан ССl₄ — тяжёлая бесцветная жидкость с характерным запахом. Плохо растворим в спирте, эфире, практически нерастворим в воде. Негорюч, при соприкосновении с огнём испаряется. Тяжёлые пары тетра- хлорметана ограничивают доступ кислорода. На этом основано его использование в огнетушителях.

Окончание параграфа >>>