Huolimatta siitä, että alkaanit ovat inaktiivisia, ne voivat vapauttaa suuria määriä energiaa vuorovaikutuksessa halogeenien tai muiden vapaiden radikaalien kanssa. Alkaaneja ja reaktioita niiden kanssa käytetään jatkuvasti monilla teollisuudenaloilla.
Alkanes-faktoja
Alkaaneilla on tärkeä paikka orgaanisessa kemiassa. Alkaanien kaava kemiassa on C H2n+2. Toisin kuin aromaatteja, joissa on bentseenirengas, alkaaneja pidetään alifaattisina (asyklisinä).
Minkä tahansa alkaanin molekyylissä kaikki alkuaineet ovat yhteydessä toisiinsa yhdellä sidoksella. Siksi tällä aineryhmällä on pääte "-an". Vastaavasti alkeeneilla on yksi kaksoissidos ja alkyyneillä yksi kolmoissidos. Esimerkiksi alkodieeneissa on kaksi kaksoissidosta.
Alkaanit ovat tyydyttyneitä hiilivetyjä. Eli ne sisältävät suurimman määrän H-atomeja (vety). Kaikki alkaanin hiiliatomit ovat asemassa sp3 – hybridisaatio. Tämä tarkoittaa, että alkaanimolekyyli on rakennettu tetraedrisen säännön mukaan. Metaanimolekyyli (CH4) muistuttaa tetraedria,ja muilla alkaaneilla on siksak-rakenne.
Kaikki alkaanien C-atomit on kytketty ơ - sidoksilla (sigma - sidoksilla). C–C-sidokset ovat ei-polaarisia, C–H-sidokset ovat heikosti polaarisia.
Alkaanien ominaisuudet
Kuten edellä mainittiin, alkaaniryhmällä on vähän aktiivisuutta. Kahden C-atomin sekä C- ja H-atomien väliset sidokset ovat vahvoja, joten niitä on vaikea tuhota ulkoisten vaikutusten vaikutuksesta. Kaikki alkaanien sidokset ovat ơ-sidoksia, joten jos ne katkeavat, seurauksena on yleensä radikaaleja.
Alkaanien halogenointi
Atomien sidosten erityisominaisuuksien vuoksi alkaanit ovat luontaisia substituutio- ja hajoamisreaktioihin. Alkaanien substituutioreaktioissa vetyatomit korvaavat muut atomit tai molekyylit. Alkaanit reagoivat hyvin halogeenien kanssa - aineiden, jotka kuuluvat Mendelejevin jaksollisen taulukon ryhmään 17. Halogeeneja ovat fluori (F), bromi (Br), kloori (Cl), jodi (I), astatiini (At) ja tennessiini (Ts). Halogeenit ovat erittäin voimakkaita hapettimia. Ne reagoivat lähes kaikkien D. I. Mendelejevin taulukon aineiden kanssa.
Alkaanien kloorausreaktiot
Käytännössä bromi ja kloori osallistuvat yleensä alkaanien halogenointiin. Fluori on liian aktiivinen alkuaine - sen kanssa reaktio on räjähtävä. Jodi on heikkoa, joten korvausreaktio ei mene sen mukana. Ja astatiini on luonnossa hyvin harvinainen, joten sitä on vaikea kerätä tarpeeksi kokeita varten.
Halogenointivaiheet
Kaikki alkaanit käyvät läpi kolme halogenointivaihetta:
- Ketjun tai aloituksen alkuperä. Vaikutuksen alaisenaauringonvalon, lämmön tai ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta kloorimolekyyli Cl2 hajoaa kahdeksi vapaaksi radikaaliksi. Jokaisella on yksi pariton elektroni ulkokerroksessa.
- Ketjun kehitys tai kasvu. Radikaalit ovat vuorovaikutuksessa metaanimolekyylien kanssa.
- Ketjun päättäminen on alkaanihalogenoinnin viimeinen osa. Kaikki radikaalit alkavat yhdistyä keskenään ja lopulta katoavat kokonaan.
Alkaanien bromaus
Kun korkeampia alkaaneja halogenoidaan etaanin jälkeen, vaikeus on isomeerien muodostuminen. Yhdestä aineesta voi muodostua erilaisia isomeerejä auringonvalon vaikutuksesta. Tämä tapahtuu substituutioreaktion seurauksena. Tämä on todiste siitä, että mikä tahansa alkaanin H-atomi voidaan substituoida vapaalla radikaalilla halogenoinnin aikana. Monimutkainen alkaani hajoaa kahdeksi aineeksi, joiden prosenttiosuus voi vaihdella suuresti riippuen reaktio-olosuhteista.
Propaanibromaus (2-bromipropaani). Propaanin halogenoinnissa Br2-molekyylin kanssa korkeiden lämpötilojen ja auringonvalon vaikutuksesta vapautuu 1-bromipropaania - 3 % ja 2-bromipropaania - 97 %.
Butaanin bromaus. Kun butaani bromataan valon ja korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta, ulos tulee 2 % 1-bromibutaania ja 98 % 2-bromibutaania.
Alkaanien kloorauksen ja bromauksen välinen ero
Kloorausta käytetään yleisemmin teollisuudessa. Esimerkiksi isomeerien seoksen sisältävien liuottimien valmistukseen. Vastaanotettuaan halogeenialkaaninvaikea erottaa toisistaan, mutta markkinoilla seos on halvempaa kuin puhdas tuote. Laboratorioissa bromaus on yleisempää. Bromi on heikompaa kuin kloori. Sillä on alhainen reaktiivisuus, joten bromiatomeilla on korkea selektiivisyys. Tämä tarkoittaa, että reaktion aikana atomit "valitsevat" minkä vetyatomin korvaavat.
Kloorausreaktion luonne
Alkaaneja kloorattaessa muodostuu isomeerejä suunnilleen yhtä suuria määriä niiden massaosuudessa. Esimerkiksi propaanin klooraus katalyytillä nostamalla lämpötilaa 454 asteeseen antaa meille 2-klooripropaania ja 1-klooripropaania suhteessa 25 % ja 75 %. Jos halogenointireaktio tapahtuu vain ultraviolettisäteilyn avulla, saadaan 43 % 1-klooripropaania ja 57 % 2-klooripropaania. Reaktio-olosuhteista riippuen saatujen isomeerien suhde voi vaihdella.
Bromausreaktion luonne
Alkaanien bromausreaktioiden seurauksena vapautuu helposti lähes puhdasta ainetta. Esimerkiksi 1-bromipropaani - 3%, 2-bromipropaani - 97% n-propaanimolekyylistä. Siksi bromausta käytetään usein laboratorioissa tietyn aineen syntetisoimiseen.
Alkaanien sulfatointi
Alkaanit sulfonoituvat myös radikaalisubstituutiomekanismilla. Jotta reaktio tapahtuisi, happi ja rikkioksidi SO2 (rikkianhydridi) vaikuttavat samanaikaisesti alkaaniin. Reaktion seurauksena alkaani muuttuu alkyylisulfonihapoksi. Esimerkki butaanin sulfonoinnista:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Yleinen alkaanien sulfoksidaatiokaava:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Alkaanien sulfoklooraus
Sulfokloorauksessa hapen sijasta klooria käytetään hapettavana aineena. Alkaanisulfoniklorideja saadaan tällä tavalla. Sulfokloorausreaktio on yhteinen kaikille hiilivedyille. Se tapahtuu huoneenlämmössä ja auringonvalossa. Orgaanisia peroksideja käytetään myös katalyyttinä. Tällainen reaktio vaikuttaa vain hiili- ja vetyatomeihin liittyviin toissijaisiin ja primäärisiin sidoksiin. Aine ei pääse tertiäärisiin atomeihin, koska reaktioketju katkeaa.
Konovalovin reaktio
Nitrausreaktio, kuten alkaanien halogenointireaktio, etenee vapaaradikaalimekanismin mukaisesti. Reaktio suoritetaan käyttämällä erittäin laimeaa (10 - 20 %) typpihappoa (HNO3). Reaktiomekanismi: Reaktion seurauksena alkaanit muodostavat yhdisteiden seoksen. Reaktion katalysoimiseksi käytetään lämpötilan nostamista 140 °C:seen ja normaalia tai korotettua ympäristön painetta. Nitraation aikana C–C-sidokset tuhoutuvat, eivät vain C–H, toisin kuin aikaisemmissa substituutioreaktioissa. Tämä tarkoittaa, että halkeilu tapahtuu. Se on halkeamisreaktio.
Hapetus- ja palamisreaktiot
Alkaanit hapettuvat myös vapaiden radikaalien tyypin mukaan. Parafiinien käsittelyssä on kolme tyyppiä oksidatiivista reaktiota.
- Kaasufaasissa. Niinsaada aldehydejä ja alempia alkoholeja.
- Nestefaasissa. Käytä lämpöhapetusta lisäämällä boorihappoa. Tällä menetelmällä korkeampia alkoholeja saadaan С10 - С20.
- Nestefaasissa. Alkaanit hapetetaan syntetisoimaan karboksyylihappoja.
Hapetusprosessissa vapaa radikaali O2 korvaa vetykomponentin kokonaan tai osittain. Täydellinen hapettuminen on palamista.
Hyvin palavia alkaaneja käytetään lämpövoimaloiden ja polttomoottoreiden polttoaineena. Alkaanien palaminen tuottaa paljon lämpöenergiaa. Monimutkaiset alkaanit sijoitetaan polttomoottoreihin. Vuorovaikutus hapen kanssa yksinkertaisissa alkaaneissa voi johtaa räjähdykseen. Asf alttia, parafiinia ja erilaisia voiteluaineita teollisuuteen valmistetaan jätetuotteista, jotka ovat syntyneet reaktioissa alkaanien kanssa.
