Sotieji angliavandeniliai (alkanai)

Šioje temoje aptariami sotieji angliavandeniai (alkanai), kurių bendroji formulė yra CnH₂n+₂. Apžvelgiamos alkanų savybės, pavadinimai, izomerija, paplitimas gamtoje, gavimo būdai ir cheminės reakcijos, įskaitant halogeninimą ir oksidaciją.

Alkanai: Apibrėžimas, Struktūra, Nomenklatūra ir Fizikinės Savybės
Alkanai yra sotieji angliavandeniai, kurių bendroji formulė yra \(C_nH_{2n+2}\). Jų molekulėse visi anglies atomai yra susijungę tik viengubaisiais kovalentiniais sigma (σ) ryšiais (C-C ir C-H), todėl jie negali prisijungti kitų atomų. Alkanai sudaro homologinę eilę, kurios nariai skiriasi \(CH_2\) grupe ir turi panašias chemines savybes. Pavadinimai sudaromi pagal anglies atomų skaičių su priesaga „-anas“. Alkanams būdinga struktūrinė (grandinės) izomerija – ta pati molekulinė formulė, bet skirtinga anglies atomų grandinės struktūra.
Alkanai: Cheminės Savybės ir Gavimas
Alkanai yra chemiškai neaktyvūs dėl stiprių, nepolinių C-C ir C-H σ-ryšių. Jiems nebūdingos prijungimo reakcijos. Pagrindinės alkanų cheminės reakcijos yra pakaitų (substitucijos) ir oksidacijos. Svarbiausia pakaitų reakcija yra halogeninimas (su \(Cl_2\), \(Br_2\)), vykstantis veikiant UV šviesai arba aukštoje temperatūroje pagal laisvųjų radikalų mechanizmą (Sr), kurio metu vandenilio atomai pakeičiami halogenų atomais. Alkanai dega ore (oksidacija), sudarydami \(CO_2\) ir \(H_2O\). Laboratorijoje alkanai gaunami Viurco sintezės būdu arba kaitinant karboksirūgščių natrio druskas su natrio šarmu (dekarboksilinimas).
Alkanų bendroji charakteristika ir struktūra
Alkanai yra sotieji angliavandeniliai, kurių bendroji formulė yra \(C_nH_{2n+2}\), kur n yra anglies atomų skaičius molekulėje. Dėl viengubųjų C-C ir C-H jungčių (sigma, σ, tipo), alkanai negali prisijungti daugiau atomų. Jų pavadinimai sudaromi su priesaga „-anas“. Pirmieji keturi nariai (metanas \(CH_4\), etanas \(C_2H_6\), propanas \(C_3H_8\), butanas \(C_4H_{10}\)) turi istoriškai susiklosčiusius pavadinimus, o kiti vadinami pagal anglies atomų skaičių.
Alkanų cheminės reakcijos
Nors alkanai pasižymi santykiniu cheminiu inertiškumu, jiems yra būdingos tam tikros reakcijos, įskaitant eliminavimo ir pakaitų reakcijas. Viena iš svarbiausių pakaitų reakcijų grupių yra halogeninimo reakcijos. Jų metu alkanų molekulėje esantys vandenilio atomai yra pakeičiami halogenų atomais. Šios reakcijos gali vykti, kai reaguojanti medžiaga yra veikiama aukštos (\(300\) - \(400 ^\circ \text{C}\)) temperatūros arba kambario temperatūroje, jei yra pakankamai šviesos. Reakcijos su chloru gali būti labai intensyvios, netgi sprogstamos. Halogeninimo reakcijos priskiriamos radikalinėms grandininėms pakaitų reakcijoms (\(S_r\)). Alkanai taip pat gali dalyvauti oksidacijos reakcijose. Pavyzdžiui, degdami ore, jie sudaro anglies dioksidą ir vandenį. Be to, naudojant katalizatorius, alkanų oksidacijos metu galima gauti įvairius produktus, tokius kaip metanolis, metanalis ar acto rūgštis.
Alkanų cheminės savybės: Oksidacija
Alkanai lengvai oksiduojasi deguonimi. Visiška oksidacija (degimas) ore arba deguonyje yra egzoterminė reakcija, kurios metu susidaro anglies dioksidas (\(CO_2\)) ir vanduo (\(H_2O\)). Pavyzdžiui, metano degimas: $$CH_4 + 2O_2 ightarrow CO_2 + 2H_2O$$. Alkanų ir oro mišiniai tam tikromis koncentracijomis yra sprogūs. Dalinė arba katalizinė oksidacija, vykstanti kontroliuojamomis sąlygomis (naudojant katalizatorius, parenkant temperatūrą ir slėgį), leidžia gauti deguonies turinčius organinius junginius: alkoholius, aldehidus, karboksirūgštis. Pavyzdžiui, katalizinės butano oksidacijos metu galima gauti acto rūgštį: $$2C_4H_{10} + 5O_2 ightarrow 4CH_3COOH + 2H_2O$$.
Alkanų cheminės savybės: Pakaitalų reakcijos
Alkanams būdingiausios yra pakaitalų (substitucijos) reakcijos, ypač halogeninimas. Šios reakcijos vyksta veikiant ultravioletinei (UV) šviesai arba aukštai temperatūrai. Tai radikalinės grandininės reakcijos (\(S_R\)), kurių metu vandenilio atomai nuosekliai pakeičiami halogenų atomais. Reakcijos mechanizmas apima tris stadijas: iniciaciją (halogeno molekulės skilimas į radikalus), grandinės augimą (radikalų reakcijos su alkano molekulėmis ir naujų radikalų susidarymas) ir grandinės nutrūkimą (radikalų rekombinacija). Halogenų reaktyvumas mažėja eilėje: \(F_2 > Cl_2 > Br_2\) (\(I_2\) praktiškai nereaguoja).
Alkanų gavimas
Pagrindinis pramoninis alkanų šaltinis yra gamtinės dujos ir nafta, iš kurių alkanai išskiriami frakcinio distiliavimo būdu. Laboratorijoje alkanus galima gauti keliais metodais. Vienas jų – bevandenių karboksirūgščių natrio ar kalio druskų kaitinimas su natrio šarmu (dekarboksilinimas), pvz., metano gavimas iš natrio acetato: $$CH_3COONa + NaOH ightarrow CH_4 + Na_2CO_3$$ (reakcija vyksta kaitinant, dažnai naudojant CaO kaip priedą). Kitas metodas yra Viurco (Wurtz) sintezė, kai halogenalkanai reaguoja su metaliniu natriu, sudarydami ilgesnės grandinės alkaną, pvz., etano gavimas iš brommetano: $$2CH_3Br + 2Na ightarrow C_2H_6 + 2NaBr$$.
Alkanų izomerija ir fizikinės savybės
Alkanams būdinga struktūrinė izomerija, konkrečiai – anglies atomų grandinės izomerija. Tai reiškia, kad junginiai, turintys tą pačią molekulinę formulę, gali skirtis anglies atomų išsidėstymu grandinėje. Izomerų skaičius sparčiai auga didėjant anglies atomų skaičiui. Alkanų fizikinės savybės priklauso nuo molekulės dydžio: C1-C4 yra dujos, C5-~C16 yra skysčiai, o ilgesnes grandines turintys alkanai yra kietosios medžiagos. Virimo temperatūra didėja ilgėjant anglies grandinei dėl stiprėjančių tarpmolekulinių (van der Valso) jėgų. Alkanai praktiškai netirpsta vandenyje.
Alkanų savybės ir gavimas
Alkanai, turintys daugiau nei 15 anglies atomų savo molekulėje, yra kietos būsenos medžiagos. Tuo tarpu propanas ir butanas, esant padidintam slėgiui, net ir kambario temperatūroje gali būti suskystinami. Pramoniniu mastu alkanai dažniausiai išgaunami iš gamtinių išteklių, tokių kaip nafta ir gamtinės dujos. Laboratorinėmis sąlygomis metanas gali būti gaunamas kaitinant natrio acetatą kartu su natrio hidroksidu. Metano homologai, turintys ilgesnes anglies grandines, gali būti sintetinami naudojant Viurco sintezės metodą, kurio metu monohalogeninti angliavandeniliai reaguoja su natriu.
Sotieji angliavandeniai: alkanai
Sotieji angliavandeniai, dar vadinami alkanais, pasižymi bendra formule \(C_nH_{2n+2}\). Tai reiškia, kad jie yra prisotinti vandenilio atomais ir negali prisijungti kitų elementų. Simbolis '\(n\)' šioje formulėje nurodo anglies atomų skaičių molekulėje. Alkanų pavadinimai yra sudaromi su priesaga '-an-'. Pats paprasčiausias alkanas yra metanas, kurio cheminė formulė yra \(CH_4\). Alkanų molekulėse tarp anglies (\(C\)) ir anglies (\(C\)) bei anglies (\(C\)) ir vandenilio (\(H\)) atomų susidaro stiprūs viengubieji ryšiai, vadinami \(\sigma\) ryšiais. Pirmieji keturi alkanai – metanas, etanas, propanas ir butanas – turi tradiciškai nusistovėjusius pavadinimus. Daugelis angliavandenių, turinčių panašias chemines savybes kaip metanas, yra vadinami metano homologais, sudarydami homologų eilę.

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com