9. Struktura, vlastnosti a význam uhlovodíků

alkany, alkeny, alkiny, arény – charakteristika, použití, reakce

9. Строение, свойства и значение углеводородов


алканы, алкены, алкины, арены — характеристика, использование, реакции

1) Алканы – это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями. Состав их отражает одна общая формула: С_nН_2n+2.

Физические свойства алканов зависят от состава их молекул, т.е. от относительной молекулярной массы. С увеличением относительной молекулярной массы у алканов увеличивается температура кипения и плотность, а так же изменяется агрегатное состояние: первые четыре алкана – газообразные вещества, следующие одиннадцать – жидкости, а начиная с гексадекана – твердые вещества.

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющим использование алканов в качестве топлива, является реакция горения.

Для алканов, как для предельных углеводородов, наиболее характерны реакции замещения. Так атомы водорода в молекуле метана способны последовательно замещаться на атомы галогенов.

Нитрование

Алканы реагируют с азотной кислотой или N₂O₄ в газовой фазе с образованием нитропроизводных. Все имеющиеся данные указывают на свободно радикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Крекинг

При нагревании выше 500°C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции.

Получение

Главным источником алканов является нефть и природный газ, которые обычно встречаются совместно.

Применение

Газообразные алканы используются в качестве ценного топлива. Жидкие в свою очередь составляют значительную долю в моторных и ракетных топливах.

2) Алкены – это непредельные углеводороды содержащие в молекуле, кроме одинарных связей, одну двойную углерод-углеродную связь. Состав их отображает формула: С_nН_2n.

Физические свойства

Температуры плавления и кипения алкенов увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Химические свойства

Алкены химически активны. Их химические свойства во многом определяются наличием двойной связи. Для алкенов наиболее типичными являются реакции присоединения:

1) Водорода, 2) Воды, 3) Галогенов, 4) Галогенводородов.

Алкены легко вступают в реакции окисления, окисление алкенов может происходить в зависимости от условий и видов окислительных реагентов как с разрывом двойной связи, так и с сохранением углеродного скелета. Полимеризация алкенов может протекать как по свободнорадикальному, так и катионно-анионному механизму.

Методы получения алкенов

Основным промышленным методом получения алкенов является каталитический и высокотемпературный крекинг углеводородов нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также реакцию дегидратации соответствующих спиртов.

В лабораторной практике обычно применяют метод дегидратации спиртов в присутствии сильных минеральных кислот. В природе ациклические алкены практически не встречаются. Простейший представитель этого класса органических соединений — этилен (C₂H₄) — является гормоном для растений и в незначительном количестве в них синтезируется.

Применение

Алкены являются важнейшим химическим сырьем. Алкены применяются в качестве исходных продуктов в производстве полимерных материалов (пластмасс, пленок) и других органических веществ. Высшие алкены применяют для получения высших спиртов.

3) Алкины – это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат, помимо одинарных связей, одну тройную углерод-углеродную связь. Состав отображает формула: С_nН_2n-2.

Физические свойства

Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С₄) — газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, но лучше — в органических растворителях. Наличие тройной связи в цепи приводит к повышению температуры кипения, плотности и растворимости их в воде.

Химические свойства

Как и все непредельные соединения, алкины активно вступают в реакции присоединения: 1) галогенов, 2) водорода, 3) галогенводородов, 4) воды. Вступают в реакции окисления. Ввиду наличия тройной связи склонны к реакциям полимеризации, которые могут протекать в нескольких направлениях:

a) Под воздействием комплексных солей меди происходит димеризация и линейная

тримеризация ацетилена.

b) При нагревании ацетилена в присутствии активированного угля (реакция Зелинского) осуществляется циклическая тримеризация с образованием бензола.

Методы получения

Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана, пиролиз природного газа и карбидный метод. Алкины можно получить из дигалогенопроизводных парафинов отщеплением галогеноводорода при действии спиртового раствора щелочи.

Применение

Серьёзное промышленное значение имеет только ацетилен, который является важнейшим химическим сырьём. При горении ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150°C, поэтому ацетилен используют для резки и сварки металлов.

4) Арены - ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец.

Физические свойства

Как правило, ароматические соединения — твердые или жидкие вещества. Отличаются высокими показателями преломления и поглощения. Нерастворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических жидкостях. Огнеопасны, бензол является токсичным.

Химические свойства

Для ароматических соединений характерны реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Возможны реакции присоединения и окисления, но проходят с трудом, так как нарушают ароматичность.

Методы получения

Основными природными источниками ароматических углеродов являются

каменный уголь и нефть. Тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600 °C. Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных.

Применение - Ароматические углеводороды, в первую очередь бензол, широко применяются в промышленности: в качестве добавки к бензину, при производстве растворителей, взрывчатых веществ, красителя анилина, лекарственных средств.