Ang bawat klase ng mga kemikal na compound ay may kakayahang magpakita ng mga katangian dahil sa kanilang elektronikong istraktura. Ang mga alkane ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagpapalit, pag-aalis o mga reaksyon ng oksihenasyon ng mga molekula. Ang lahat ng proseso ng kemikal ay may sariling katangian ng daloy, na tatalakayin pa.
Ano ang alkanes
Ito ang mga saturated hydrocarbon compound na tinatawag na paraffin. Ang kanilang mga molekula ay binubuo lamang ng mga carbon at hydrogen atoms, mayroong isang linear o branched acyclic chain, kung saan mayroon lamang mga solong compound. Dahil sa mga katangian ng klase, posibleng kalkulahin kung aling mga reaksyon ang katangian ng mga alkane. Sinusunod nila ang formula sa buong klase: H2n+2C.
Kemikal na istraktura
Ang paraffin molecule ay kinabibilangan ng mga carbon atom na nagpapakita ng sp3-hybridization. Mayroon silang lahat ng apat na valence orbital na may parehong hugis, enerhiya at direksyon sa kalawakan. Ang laki ng anggulo sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ay 109° at 28'.
Ang pagkakaroon ng mga solong bono sa mga molekula ay tumutukoy kung aling mga reaksyonkatangian ng alkanes. Naglalaman ang mga ito ng σ-compounds. Ang bono sa pagitan ng mga carbon ay nonpolar at mahinang napolarize, at bahagyang mas mahaba kaysa sa C−H. Mayroon ding pagbabago sa density ng elektron sa carbon atom, bilang ang pinaka-electronegative. Bilang resulta, ang C−H compound ay nailalarawan sa mababang polarity.
Mga reaksyon sa pagpapalit
Ang mga sangkap ng klase ng paraffin ay may mahinang aktibidad ng kemikal. Ito ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng lakas ng mga bono sa pagitan ng C–C at C–H, na mahirap masira dahil sa nonpolarity. Ang kanilang pagkasira ay batay sa isang homolytic na mekanismo, kung saan ang mga libreng-uri na radical ay lumahok. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga alkanes ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga reaksyon ng pagpapalit. Ang mga naturang substance ay hindi nagagawang makipag-ugnayan sa mga molekula ng tubig o mga ion na nagdadala ng bayad.
Kabilang sa mga ito ang libreng radical substitution, kung saan ang mga hydrogen atom ay pinapalitan ng mga elemento ng halogen o iba pang aktibong grupo. Kasama sa mga reaksyong ito ang mga prosesong nauugnay sa halogenation, sulfochlorination at nitration. Ang kanilang resulta ay ang paghahanda ng mga alkane derivatives.
Ang mekanismo ng mga reaksyon ng pagpapalit ng libreng radikal ay nakabatay sa pangunahing tatlong yugto:
- Nagsisimula ang proseso sa pagsisimula o nucleation ng isang chain, bilang resulta kung saan nabuo ang mga free radical. Ang mga catalyst ay ultraviolet light sources at init.
- Pagkatapos ay bubuo ang isang kadena, kung saan nagaganap ang sunud-sunod na pakikipag-ugnayan ng mga aktibong particle na may mga di-aktibong molekula. Ang mga ito ay na-convert sa mga molekula at radical, ayon sa pagkakabanggit.
- Ang huling hakbang ay putulin ang kadena. Ang recombination o pagkawala ng mga aktibong particle ay sinusunod. Pinipigilan nito ang pagbuo ng isang chain reaction.
Proseso ng Halogenation
Ito ay nakabatay sa isang mekanismo ng radikal na uri. Ang halogenation reaction ng mga alkanes ay nagaganap sa pamamagitan ng ultraviolet irradiation at pag-init ng pinaghalong halogens at hydrocarbons.
Lahat ng mga yugto ng proseso ay napapailalim sa panuntunang sinabi ni Markovnikov. Sinasabi nito na, una sa lahat, ang hydrogen atom, na kabilang sa pinaka hydrogenated carbon, ay napapailalim sa pagpapalit ng halogen. Ang halogenation ay nagpapatuloy sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: mula sa tertiary atom hanggang sa pangunahing carbon.
Ang proseso ay mas mahusay para sa mga molekula ng alkane na may mahabang pangunahing carbon chain. Ito ay dahil sa pagbaba ng ionizing energy sa direksyong ito, ang isang electron ay mas madaling mahiwalay sa substance.
Ang isang halimbawa ay ang chlorination ng isang methane molecule. Ang pagkilos ng ultraviolet ay humahantong sa paghahati ng chlorine sa mga radikal na particle na umaatake sa alkane. Mayroong isang detatsment ng atomic hydrogen at ang pagbuo ng H3C· o isang methyl radical. Inaatake naman ng naturang particle ang molecular chlorine, na humahantong sa pagkasira ng istraktura nito at pagbuo ng bagong chemical reagent.
Isang hydrogen atom lamang ang pinapalitan sa bawat yugto ng proseso. Ang halogenation reaction ng alkanes ay humahantong sa unti-unting pagbuo ng chloromethane, dichloromethane, trichloromethane at carbon tetrachloride molecules.
Schematically, ang proseso ay ganito:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Hindi tulad ng chlorination ng isang methane molecule, ang pagsasagawa ng ganitong proseso kasama ng iba pang mga alkanes ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagkuha ng mga substance kung saan ang pagpapalit ng hydrogen ay nangyayari hindi sa isang carbon atom, ngunit sa ilang. Ang kanilang quantitative ratio ay nauugnay sa mga indicator ng temperatura. Sa ilalim ng malamig na mga kondisyon, mayroong pagbaba sa rate ng pagbuo ng mga derivatives na may tersiyaryo, pangalawa at pangunahing istraktura.
Sa pagtaas ng temperatura, bumababa ang rate ng pagbuo ng naturang mga compound. Ang proseso ng halogenation ay naiimpluwensyahan ng static na kadahilanan, na nagpapahiwatig ng ibang posibilidad ng isang radical na bumangga sa isang carbon atom.
Ang proseso ng halogenation na may iodine ay hindi nagpapatuloy sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ito ay kinakailangan upang lumikha ng mga espesyal na kondisyon. Kapag ang methane ay nalantad sa halogen na ito, ang hydrogen iodide ay nabuo. Ito ay apektado ng methyl iodide, bilang isang resulta, ang mga unang reagents ay inilabas: mitein at yodo. Ang ganoong reaksyon ay itinuturing na mababaligtad.
Wurtz reaction para sa alkanes
Ay isang paraan para sa pagkuha ng mga saturated hydrocarbon na may simetriko na istraktura. Ang sodium metal, alkyl bromides o alkyl chlorides ay ginagamit bilang mga reactant. Saang kanilang pakikipag-ugnayan ay gumagawa ng sodium halide at isang pinahabang hydrocarbon chain, na siyang kabuuan ng dalawang hydrocarbon radical. Sa eskematiko, ang synthesis ay ang mga sumusunod: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Ang reaksyon ng Wurtz para sa mga alkane ay posible lamang kung ang mga halogen sa kanilang mga molekula ay nasa pangunahing carbon atom. Halimbawa, CH3−CH2−CH2Br.
Kung ang halocarbon mixture ng dalawang compound ay kasangkot sa proseso, pagkatapos ay tatlong magkakaibang produkto ang nabuo sa panahon ng condensation ng kanilang mga chain. Ang isang halimbawa ng naturang reaksyon ng alkanes ay ang pakikipag-ugnayan ng sodium sa chloromethane at chloroethane. Ang output ay isang halo na naglalaman ng butane, propane at ethane.
Bukod sa sodium, maaaring gumamit ng iba pang alkali metal, na kinabibilangan ng lithium o potassium.
Proseso ng Sulfochlorination
Tinatawag din itong Reed reaction. Nagpapatuloy ito ayon sa prinsipyo ng pagpapalit ng libreng radikal. Ito ay isang katangiang uri ng reaksyon ng mga alkanes sa pagkilos ng pinaghalong sulfur dioxide at molecular chlorine sa pagkakaroon ng ultraviolet radiation.
Nagsisimula ang proseso sa pagsisimula ng isang mekanismo ng chain, kung saan nakuha ang dalawang radical mula sa chlorine. Ang isa sa kanila ay umaatake sa alkane, na nagreresulta sa isang alkyl species at isang hydrogen chloride molecule. Ang sulfur dioxide ay nakakabit sa hydrocarbon radical upang bumuo ng isang kumplikadong particle. Para sa pagpapapanatag, ang isang chlorine atom ay nakuha mula sa isa pang molekula. Ang huling substance ay alkane sulfonyl chloride, ginagamit ito sa synthesis ng surface-active compounds.
Schematically, ang proseso ay ganito:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Mga prosesong nauugnay sa nitration
Ang mga alkane ay tumutugon sa nitric acid sa anyo ng isang 10% na solusyon, pati na rin sa tetravalent nitrogen oxide sa isang gas na estado. Ang mga kondisyon para sa daloy nito ay ang mga halaga ng mataas na temperatura (mga 140 ° C) at mga tagapagpahiwatig ng mababang presyon. Ginagawa ang mga nitroalkane sa output.
Ang prosesong ito ng libreng radikal ay pinangalanan sa scientist na si Konovalov, na natuklasan ang synthesis ng nitration: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Cleavage mechanism
Ang
Alkanes ay nailalarawan sa pamamagitan ng dehydrogenation at cracking reactions. Ang methane molecule ay sumasailalim sa kumpletong thermal decomposition.
Ang pangunahing mekanismo ng mga reaksyon sa itaas ay ang pag-aalis ng mga atomo mula sa mga alkanes.
Dehydrogenation process
Kapag ang mga hydrogen atom ay nahiwalay sa carbon skeleton ng mga paraffin, maliban sa methane, ang mga unsaturated compound ay nakukuha. Ang ganitong mga kemikal na reaksyon ng alkanes ay nagaganap sa mataas na temperatura (mula 400 hanggang 600 ° C) at sa ilalim ng impluwensya ng mga accelerator sa anyo ng platinum, nickel, chromium at aluminum oxides.
Kung ang propane o ethane molecule ay kasangkot sa reaksyon, ang mga produkto nito ay magiging propene o ethene na may isang double bond.
Kapag nagde-dehydrogenate ng apat o limang carbon skeleton, dienemga koneksyon. Ang butane ay nabuo mula sa butadiene-1, 3 at butadiene-1, 2.
Kung ang mga sangkap na may 6 o higit pang mga carbon atom ay naroroon sa reaksyon, pagkatapos ay mabubuo ang benzene. Mayroon itong aromatic core na may tatlong double bond.
Proseso ng agnas
Sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na temperatura, ang mga reaksyon ng alkanes ay maaaring maganap sa pagkasira ng mga bono ng carbon at pagbuo ng mga aktibong particle ng radikal na uri. Ang mga ganitong proseso ay tinatawag na cracking o pyrolysis.
Ang pag-init ng mga reactant sa mga temperaturang lampas sa 500 °C ay humahantong sa pagkabulok ng kanilang mga molekula, kung saan nabubuo ang mga kumplikadong pinaghalong mga radikal na uri ng alkyl.
Ang pagsasagawa ng pyrolysis ng mga alkanes na may mahabang carbon chain sa ilalim ng malakas na pag-init ay nauugnay sa pagkuha ng mga saturated at unsaturated compound. Ito ay tinatawag na thermal cracking. Ginamit ang prosesong ito hanggang sa kalagitnaan ng ika-20 siglo.
Ang disbentaha ay ang paggawa ng mga hydrocarbon na may mababang octane number (hindi hihigit sa 65), kaya napalitan ito ng catalytic cracking. Ang proseso ay nagaganap sa ilalim ng mga kondisyon ng temperatura na mas mababa sa 440 °C at mga presyon sa ibaba ng 15 na mga atmospheres, sa pagkakaroon ng isang aluminosilicate accelerator na may paglalabas ng mga alkane na may branched na istraktura. Ang isang halimbawa ay methane pyrolysis: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Sa panahon ng reaksyong ito, nabubuo ang acetylene at molecular hydrogen.
Methane molecule ay maaaring sumailalim sa conversion. Ang reaksyong ito ay nangangailangan ng tubig at isang nickel catalyst. Saang output ay pinaghalong carbon monoxide at hydrogen.
Mga proseso ng oksihenasyon
Ang mga reaksiyong kemikal na katangian ng mga alkane ay kinabibilangan ng donasyon ng mga electron.
May auto-oxidation ng mga paraffin. Ito ay nagsasangkot ng isang free-radical na mekanismo para sa oksihenasyon ng saturated hydrocarbons. Sa panahon ng reaksyon, ang mga hydroperoxide ay nakuha mula sa likidong bahagi ng mga alkanes. Sa paunang yugto, ang molekula ng paraffin ay nakikipag-ugnayan sa oxygen, bilang isang resulta, ang mga aktibong radical ay pinakawalan. Dagdag pa, ang isa pang molekula O2 ay nakikipag-ugnayan sa alkyl particle, na nagreresulta sa ∙ROO. Ang isang molekula ng alkane ay nakikipag-ugnay sa radikal na fatty acid peroxide, pagkatapos ay inilabas ang hydroperoxide. Ang isang halimbawa ay ang autoxidation ng ethane:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Ang
Alkanes ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga reaksyon ng pagkasunog, na kabilang sa mga pangunahing katangian ng kemikal kapag tinutukoy ang mga ito sa komposisyon ng gasolina. Mayroon silang oxidative character na may heat release: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Kung may kaunting oxygen sa proseso, ang huling produkto ay maaaring coal o carbon divalent oxide, na tinutukoy ng konsentrasyon ng O2.
Kapag ang mga alkane ay na-oxidize sa ilalim ng impluwensya ng mga catalytic substance at pinainit hanggang 200 ° C, mga molekula ng alkohol, aldehyde ocarboxylic acid.
Halimbawa ng Ethane:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (ethanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (ethanol at tubig), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ethanoic acid at tubig).
Ang mga alkane ay maaaring ma-oxidize kapag nalantad sa tatlong-member na cyclic peroxide. Kabilang dito ang dimethyldioxirane. Ang resulta ng oksihenasyon ng mga paraffin ay isang molekula ng alkohol.
Ang mga kinatawan ng paraffins ay hindi tumutugon sa KMnO4 o potassium permanganate, gayundin sa bromine water.
Isomerization
Sa mga alkanes, ang uri ng reaksyon ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagpapalit sa isang electrophilic na mekanismo. Kabilang dito ang isomerization ng carbon chain. Ang prosesong ito ay na-catalyzed ng aluminum chloride, na nakikipag-ugnayan sa saturated paraffin. Ang isang halimbawa ay ang isomerization ng isang butane molecule, na nagiging 2-methylpropane: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proseso ng pabango
Ang mga saturate na may anim o higit pang carbon atoms sa pangunahing carbon chain ay may kakayahang mag-dehydrocyclization. Ang ganitong reaksyon ay hindi tipikal para sa mga maikling molekula. Ang resulta ay palaging isang singsing na may anim na miyembro sa anyo ng cyclohexane at mga derivatives nito.
Sa pagkakaroon ng mga accelerator ng reaksyon, nagaganap ang karagdagang dehydrogenation atpagbabagong-anyo sa isang mas matatag na singsing na benzene. Ang mga acyclic hydrocarbons ay na-convert sa mga aromatic compound o arene. Ang isang halimbawa ay ang dehydrocyclization ng hexane:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cyclohexane), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzene).
