Физические свойства алканов

Первые четыре представителя ряда алканов - это газы, начиная с пентана - жидкости, а углеводороды с числом атомов углерода выше 16 при обычной температуре представляют собой твердые вещества. Углеводороды с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем соответствующие им соединения нормального строения, а температура плавления, наоборот, выше у изомеров с разветвленной цепью.

Предельные углеводороды - соединения неполярные. Они легче воды и практически нерастворимы в ней, однако, они способны растворяться в большинстве органических растворителей, в том числе и друг в друге. Жидкие алканы сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Газообразные и твердые алканы не имеют запаха, жидкие алканы обладают характерным "бензиновым" запахом.

Химические свойства алканов

В молекулах предельных углеводородов все атомы связаны друг с другом прочными - связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому предельные углеводороды не могут вступать в реакции присоединения. В обычных условиях алканы химически инертны. На них не действуют щелочи, кислоты, сильные окислители, щелочные металлы. По этой причине одно из названий алканов - парафины ( от лат. parum affinis - малое сродство).

В химические реакции алканы вступают только при сообщении им достаточно большого количества энергии. Это может происходить при нагревании или УФ - облучении. Характер разрыва связей может быть различным в зависимости от условий протекания реакции. Может произойти разрыв С-Н связи и последующая замена атома водорода на другой атом или группу атомов или же разрыв С-С связи. Эти связи обладают незначительной полярностью, поэтому при их разрыве образуются не ионы, а радикалы, т.е. идет разрыв связей по гомолитическому механизму.

Реакции замещения алканов, протекающие с разрывом С-Н связей:

1. Галогенирование (действие галогенов). Является важнейшей реакцией характерной для галогенов. Эта реакция протекает на свету или при нагревании. Как было доказано академиком Н.Н.Семеновым, эта реакция носит радикально-цепной характер, то есть идет через образование свободных радикалов.

Известно, что сущность химической реакции заключается в разрыве старых химических связей и образовании новых связей. В первую очередь будут разрываться менее прочные связи. В случае, например, хлорирования в первую очередь будет происходить разрыв связи в молекуле хлора (Cl-Cl). Для разрыва ее связи достаточна энергия кванта света, поглощаемого молекулой.

Cl : Cl ^hv Cl ^. + Cl ^.

Образовавшиеся атомы хлора имеют на внешнем электронном слое по одному неспаренному электрону, т.е. являются свободными радикалами, которые обладают очень высокой химической активностью. При сближении такого радикала с молекулой метана, он вырывает из нее атом водорода с одним электроном, образуя хлороводород, а молекула метана превращается в свободный радикал. Этот новый радикал существует в свободном состоянии очень короткое время, за которое он взаимодействует с другой молекулой хлора, образуя молекулу хлорметана:

Н H

Н С + Cl Cl Н С Сl + Cl

Н H

Вновь образовавшийся атом хлора взаимодействует со следующей молекулой метана, образуя еще раз хлороводород и радикал метил. Данный процесс может продолжаться до тех пор, пока не будут израсходованы реагенты или не исчезнут свободные радикалы, что может наступить, например, при их соединении друг с другом.

Подобные реакции, которые представляют собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. Они протекают по свободнорадикальному механизму

hv

1 ) СН₃ СН₃ + Сl₂ CH₂Cl CH₃ + HCl

hv

2) CH₃ CH CH₃ + Br₂ CH₃ CBr CH₃ + HBr

CH₃ CH₃

Реакция замещения атома водорода в молекулах алканов подчиняется определенным закономерностям. В первую очередь замещения протекает у наименее гидрированного атома углерода (см. пример №2).

2. Нитрование (Реакция Коновалова). При обычной температуре предельные углеводороды устойчивы к действию концентрированной азотной кислоты и практически с ней не взаимодействуют. При нагревании эта кислота действует как окислитель. Эта реакция была впервые осуществлена в 1888 году М.И.Коноваловым при действии на алканы разбавленной азотной кислотой при нагревании = 140^о С. Реакция нитрования приводит к образованию нитросоединений и ее протекание идет согласно "правила замещения".

NO₂

CH₃ CH CH₃ + HNO₃ CH₃ C CH₃ + H₂O

CH₃ CH₃