1.2. Фізичні властивості алканів

Алкани з числом атомів Карбону від одного до чотирьох за нормальних умов – це безкольорові гази. Алкани з числом атомів Карбону від 5 до 16 за нормальних умов – рідини, а алкани з числом атомів Карбону від 17 і вище – тверді речовини. Усі алкани не розчинні у воді та інших полярних розчинниках, але розчинні у неполярних розчинниках (бензен, хлороформ тощо). Температури плавлення та кипіння алканів систематично зростають із збільшенням в їхніх молекулах числа атомів Карбону.

1.3. Хімічні властивості алканів

Для алканів характерна інертність у хімічному відношенні — за звичайних температур не взаємодіють із сильними кислотами (наприклад, з концентрованою сульфатною кислотою), з сильними основами (наприклад, натрій гідроксидом), з сильними окисниками (наприклад, з Калій перманганатом), із сильними відновниками (наприклад, з натрієм). Причина хімічної інертності алканів в особливості будови їхніх молекул. Усі насичені вуглеводні містять тільки ковалентні -зв’язки.

Кожна пара атомних орбіталей, що перекриваються, являє один -зв’язок.

1. Реакції заміщення.

1.1. Реакції з хлором. В особливих умовах (як правило, жорстких) алкани вступають у реакції заміщення. В цих реакціях відбувається гомолітичне розщеплення ковалентних зв’язків, що означає, що реакція здійснюється за радикальним механізмом.

За умов, які сприяють утворенню радикалів (високі температури або дія УФ-випромінювання) алкани легко атакуються галогенами. Наприклад, суміш метану з хлором на сонячному світлі вибухає, в результаті чого утворюється суміш хлорметану, дихлорметану, трихлорметану і тетрахлорметану.

Ця реакція є прикладом фотохімічної ланцюгової реакції. Вона здійснюється в три стадії: ініціювання, розвиток ланцюга і обрив ланцюга.

Ініціювання (зародження ланцюга). Ця стадія являє собою гомолітичне розщеплення молекули хлору з утворенням радикалів Хлору:

_h

CI₂ 2CI^•

Розвиток ланцюга. Ця стадія включає безліч реакцій, що приводять до утворення таких продуктів, як СН₂СІ₂, СН₃СІ, СНСІ₃, ССІ₄. Наприклад,

CН₄ + CI^•  СН₃^• + НСІ

СН₃^• + CI₂  СН₃СІ + CI^•

СН₃СІ + CI^•  СН₂СІ^• + НСІ

СН₂СІ^• + CI₂  СН₂СІ₂ + CI^•

Обрив ланцюга. Ця стадія наступає, коли два радикали з’єднуються один з одним. Енергія, що виділяється при цьому процесі, передається якому-небудь третьому тілу. Ним може бути люба молекула, що присутня в реакційній системі, або стінка реакційної посудини. Стадія обриву ланцюга включає такі реакції:

CI^· + CI^· → CI₂

CH₃^· + CI^· → CH₃CI

При галогенуванні алканів легше за все заміщуються атоми Гідрогену біля третинного атому Карбону, важче біля вторинного і ще важче біля первинного атому Карбону. Останнє місце займає метан.

1.2. Реакції нітрування. Нітрування алканів (заміщення атома Гідрогену на нітрогрупу) може здійснюватися за допомогою нітратної кислоти. Ця реакція протікає у паровій фазі за температури 300 – 400⁰С. Реакцією зародження ланцюга є гомоліз нітратної кислоти:

HONO₂  HO^· + NO^·₂ (зародження ланцюга);

R – H + HO^·  R^· + H₂O

R^· + HONO₂  RNO₂ + HO^·  ріст ланцюга

Також як при галогенуванні алканів, нітрогрупа легше за все заміщує атоми Гідрогену біля третинного атому Карбону, важче - біля вторинного і ще важче - біля первинного атому Карбону.

Вищі алкани при нітруванні утворюють суміші продуктів. Нітроалкани використовуються як розчинники.

1.3. Сульфохлорування. Сульфохлорування проводять при кімнатній температурі з використанням суміші хлору і Сульфур (IV) оксиду. В результаті утворюються алкансульфохлориди:

RH + SO₂ + CI₂ → RSO₂CI + HCI

CI₂ → 2CI· (ініціювання ланцюга)

CI· + R – H → R· + HCI

R· + SO₂ → RSO₂· стадія росту ланцюга

RSO₂· + CI₂ → RSO₂CI + CI·

Алкансульфохлориди викорисовуються як дубильні речовини і як проміжні сполуки в синтезі поверхнево-активних сполук (синтетичні мийні засоби).

1.4. Сульфоокиснення. При сульфоокисненні алканів реакція протікає за радикальним механізмом; при цьому утворюється суміш сульфокислот, що містять сульфогрупи головним чином біля вторинних атомів Карбону:

C_nH_2n+2 + SO₂ + 0,5O₂ → С_nН_2n+1SO₂ОН

Реакція супроводжується частковим окисненням алканів.

1.5. Сульфування. Сульфатна кислота за звичайних умов не взаємодіє з алканами, при нагріванні діє як окисник. Сульфуються насичені вуглеводні , що містять не менш ніж вісім атомів Карбону, при цьому атом Гідрогену в молекулі алкана заміщується на сульфогрупу SO₃H:

C₈H₁₇H + HOSO₂OH C₈H₁₇SO₂OH + H₂O

Октан Сульфооктан

Натрієві солі цих кислот називаються сульфонатами. Практичне зна­чення мають сульфонати з числом атомів Карбону С₁₆ – С₁₈ вони входять до складу синтетичних миючих засобів.

2. Окислення. За звичайних умов алкани стійкі до дії окисників, а в умовах нагрівання окисляються з розривом карбонового ланцюга і утворенням переважно кислот. Розроблено метод окислення вищих насичених вуглеводнів у м'яких умовах киснем повітря з метою добування вищих жирних кислот для миловаріння. Одержують суміш кислот. Реакція відбувається з розривом карбонового ланцюга.

Бурне окислення — горіння. Підпалені на повітрі, вуглеводні горять, перетворюючись на СО₂ і Н₂О із виділенням великої кількості тепла. Реакція широко застосовується в енергетичних, а не в хімічних цілях. Таке згоряння палива відбувається у двигунах усіх типів.