Углеводороды (7517 байт)

Разные реакции
План урока 
Углеводороды 
Углеродн. цепи 
Номенклатура 
Изомерия 
Свойства 
Получение 
Тест по теме 
Автор 

 

 

 Крекинг алканов

Крекинг - это расщепление углеродного скелета крупных молекул при нагревании и в присутствии катализаторов.

При температуре 450 – 700°С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) с образованием алканов и алкенов с меньшим числом углеродных атомов. Например:

C6H14 ® C2H6 + C4H8
Разрыв С–С-связи возможен в любом случайном месте молекулы. Поэтому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой.

Рис. 2.5.1.2 (2 074байт)

В общем виде этот процесс можно выразить схемой:

CnH2n+2 ® CmH2m + CpH2p+2,       где m + p = n

При более высокой температуре (свыше 1000°С) происходит разрыв не только связей С–С, но и более прочных связей С–Н. Например, термический крекинг метана используется для получения сажи (чистый углерод) и водорода:

СН4 ® C + 2H2

 Реакции изомеризации

Реакция изомеризации углеродного скелета алканов происходит с разрывом связей С–С. Алканы нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул, то есть вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.

Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при 100°С в присутствии катализатора хлорида алюминия:

Исходное вещество и продукт реакции изомеризации имеют одинаковые молекулярные формулы и являются структурными изомерами (изомерия углеродного скелета).

Алкены вступают в реакцию изомеризации при нагревании в присутствии катализаторов (Al2O3).

Изомеризация алкенов приводит или к перемещению p–связи:

(1748 байт)
или к перестройке углеродного скелета:

(2107 байт)

 Реакции окисления

Окисление органического вещества – это введение в его состав кислорода и/или отщепление водорода. Восстановление – обратный процесс: введение водорода и отщепление кислорода. Учитывая состав алканов, мы можем сделать вывод, что они неспособносты вступать в реакции восстановления, но способны участвовать в реакциях окисления.

В определенных условиях будут происходить реакции окисления алканов с участием связей С–С и С–Н. При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KMnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С–С и С–Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция):

Низшие гомологи (метан, этан, пропан, бутан) образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их использовании.

Процесс горения углеводородов широко используется для получения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых электростанциях).

Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n) в алкане увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО2. Тогда образуются продукты частичного окисления:
    угарный газ СО (степень окисления углерода +2),
    сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ (без запаха и цвета) представляет опасность для человека.

Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80-97% метана. Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–С и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С2–С3) получают уксусную кислоту:

Высшие алканы (n>25) под действием кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца превращаются в смесь карбоновых кислот со средней длиной цепи С12–С18, которые используются для получения моющих средств и поверхностно-активных веществ.

Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом – "синтез-газ":

Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.

 

Циклоалканы С5 и выше, подобно алканам, вступают в реакции окисления в присутствии катализатора:

Рис. 3.2.8 (1 769 байт)

 Реакции окисления алкенов. Строение продуктов окисления алкенов зависит от условий реакции и природы окислителя:

1. Мягкое окисление алкенов водным раствором перманганата калия приводит к образованию двухатомных спиртов (реакция Вагнера):

(1929 байт)
Полное уравнение реакции:
(1592 байт)

В ходе этой реакции происходит обесцвечивание фиолетовой окраски водного раствора KMnO4. Поэтому она используется как качественная реакция на алкены.

2. При жестком окислении алкенов кипящим раствором KMnO4 в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи:

(1913 байт)
3. Промышленное значение имеет частичное окисление алкенов с образованием циклических оксидов, которые широко используются в органическом синтезе:
 (1060 байт)

4. Полное окисление (горение):

(1680 байт)
Газообразные гомологи алкенов образуют с воздухом взрывчатые смеси.

Окисление алкинов. Ацетилен и его гомологи окисляются перманганатом калия с расщеплением тройной связи и образованием карбоновых кислот:

1460 байт

Алкины обесцвечивают раствор KMnO4, что используется для их качественного определения.

При сгорании (полном окислении) ацетилена выделяется большое количества тепла:

1460 байт

Температура ацетиленово-кислородного пламени достигает 2800- 3000°С. На этом основано применение ацетилена для сварки и резки металла. Ацетилен образует с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси. В сжатом, и особенно в сжиженном, состоянии он способен взрываться от удара. Поэтому ацетилен хранится в стальных баллонах в виде растворов в ацетоне, которым пропитывают асбест или кизельгур.

 

Реакции окисления аренов. Арены не склонны вступать в реакции окисления, которые ведут к нарушению ароматичности.

Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений.

В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко:

 
  1. При действии раствора KMnO4 и нагревании в гомологах бензола окислению подвергаются только боковые цепи:

     (931 байт)  (4381 байт)
    Окисление других гомологов (этилбензол, пропилбензол и т.д.) также приводит к образованию бензойной кислоты. Разрыв связи при этом происходит между двумя ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.

     (2923 байт)
    Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем алканы. Это объясняется влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.

  1. Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено высоким содержанием углерода в их молекулах:

     (1335 байт)

 

    Бензол и его летучие гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

  

 Реакции дегидрирования

По связям С–Н возможны реакции отщепления атома водорода (дегидрирование).

При нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле:

Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется также бутен-1.

При t = 1500°С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:

Эта реакция используется для промышленного получения ацетилена.

 

Циклоалканы, подобно алканам, вступают в реакции дегидрирования в присутствии катализатора:

Рис. 3.2.7 (3 225 байт)