SVYAT | BIOCHEM

ОРГАНИКА: АЛКАНЫ

SVYAT | BIOCHEM
1
Общие сведения
Общая молекулярная формула алканов: CnH2n+2 (n ≥ 1)
Агрегатное состояние (н.у.)

C₁-C₄: Газы (метан, этан, пропан, бутан). Без запаха.
C₅-C₁₅: Жидкости (пентан и далее). Имеют характерный запах нефтепродуктов.
C₁₆ и выше: Твердые вещества (парафины).

Свойства и строение

Практически нерастворимы в воде (гидрофобны). Хорошо растворимы в неполярных органических растворителях. Плотность меньше 1 г/мл (плавают на поверхности воды).

Гибридизация
Только sp³
Валентный угол
109°28'
Форма
Тетраэдр (зигзаг)
2
Номенклатура

Названия алканов оканчиваются на суффикс -ан. Выбирается самая длинная углеродная цепь. Нумерация начинается с того конца, к которому ближе радикалы-заместители.

Пример 1: Длинная цепь с радикалами
CH3— CH CH3 — CH CH3 —CH2— CH CH3 —CH3
2,3,5-триметилгексан
Пример 2: Несколько радикалов у одного атома
CH3— CH3 C CH3 —CH3
2,2-диметилпропан
3
Изомерия
Изомерия углеродного скелета (начиная с C₄)
Для алканов характерна только структурная изомерия углеродного скелета. Межклассовой изомерии у них нет.
CH3—CH2—CH2—CH3
н-Бутан
↑
C4H10
↓
CH3— CH CH3 —CH3
2-метилпропан (изобутан)
4
Применение

Газообразные: Используются как ценное и экологичное топливо (природный газ, баллонный газ для плит и автомобилей). Метан — важнейшее сырье для получения синтез-газа, водорода, ацетилена и синильной кислоты.

Жидкие: Моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо). Также применяются как неполярные растворители (гексан, петролейный эфир).

Твердые: Входят в состав парафина (производство свечей, пропитка древесины), вазелина (основа для мазей в медицине и косметике) и смазочных масел.

SVYAT | BIOCHEM
1
Реакция Вюрца
Галогеналкан + Nа,K,Li(Удвоение цепи)
Взаимодействие галогеналкана и щелочного металла. Удвоение углеродной цепи происходит строго на месте отрыва галогена.

⚠️ Ограничение метода: Метод Вюрца идеально подходит только для получения симметричных алканов (с четным числом углеродов). Если взять смесь двух разных галогеналканов, получится "каша" из трех разных продуктов (перекрестное сочетание).
2 CH3— CH Cl —CH3 + 2Na t°→ CH3— CH CH₃ — CH CH₃ —CH3 + 2NaCl
2-хлорпропан → 2,3-диметилбутан
Классический пример ЕГЭ (Ловушка): При использовании 2-хлорпропана радикалы «отзеркаливают» друг друга, соединяясь вторичными атомами! Получается разветвленный 2,3-диметилбутан, а не прямой гексан.
2
Реакция Дюма (Декарбоксилирование)
Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами
Отщепление углекислого газа (уходит в карбонат). Углеродная цепь алкана становится на 1 атом короче, чем в исходной соли.

💡 Как это работает: При сплавлении (обязательно твердая щелочь, а не водный раствор!) группа -COONa отрывается вместе с NaO- от щелочи, образуя прочный Na₂CO₃. Оставшийся атом водорода "прыгает" на освободившееся место к радикалу.
CH3—CH2—COOK + KOH сплавл., t°→ CH3—CH3↑ + K2CO3
CH3—COONa + NaOH сплавл., t°→ CH4↑ + Na2CO3

Универсальна: работает не только для алканов, но и для получения аренов (бензола из бензоата).

3
Синтез Кольбе (Электролиз)
Электролиз водных растворов солей карбоновых кислот
Отсечение карбоксильной группы (улетает как CO₂) с последующим удвоением оставшегося радикала.

⚙️ Механизм процесса: Под действием электрического тока вода и соль распадаются на ионы. На аноде (+) радикалы слипаются попарно (удваиваются) и улетает углекислый газ. На катоде (-) выделяется водород, а в растворе остается щелочь.
2 CH3—CH2—COONa + 2H2O электролиз→ CH3—CH2—CH2—CH3 + 2CO2↑ + H2↑ + 2NaOH
4
Гидролиз карбида алюминия
Взаимодействие с водой или кислотой (Метод для метана)
Важно: этот лабораторный метод позволяет получить только один алкан — чистый метан (CH₄).
Al4C3 + 12H2O → 3 CH4↑ + 4Al(OH)3↓
Al4C3 + 12HCl → 3 CH4↑ + 4AlCl3
5
Прямой синтез
Из простых веществ (Углерод + Водород)
Реакция идет в жестких условиях. Применяется в основном только для получения метана.
C + 2H2 Ni, t°, p→ CH4
6
Гидрирование алкенов, алкинов, диенов
Присоединение водорода по кратным связям
π-связи (двойные и тройные) химически «слабее» одинарных σ-связей. Водород легко разрывает их и насыщает углеродный скелет до предела.
CH2═CH2 + H2 Ni/Pt, t°→ CH3—CH3
CH≡C—CH3 + 2H2 Pd, t°→ CH3—CH2—CH3
7
Из синтез-газа
Реакция угарного газа и водорода
🏭 Промышленное значение: Этот процесс носит название синтез Фишера — Тропша. Это уникальная технология получения искусственного жидкого топлива (синтетического бензина).
CO + 3H2 кат., t°→ CH4 + H2O
3CO + 7H2 кат., t°→ CH3—CH2—CH3 + 3H2O
SVYAT | BIOCHEM
Связи алканов полностью насыщены. Основной тип реакций — это радикальное замещение. Кроме этого у алканов есть реакции окисление а так-же другие реакции хоть они и не основные.
МЕХАНИЗМ РАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ (SR)

Этот механизм справедлив для реакций галогенирования и нитрования. Он протекает по цепному пути в три стадии:

1. Инициирование (Зарождение цепи) Молекула реагента (например, Cl₂) под действием кванта света (hν) или нагревания гомолитически распадается на два активных свободных радикала: Cl₂ → 2Cl•
2. Рост цепи Радикал хлора атакует алкан, отрывая от него водород и создавая новый активный алкильный радикал: CH₄ + Cl• → CH₃• + HCl
3. Обрыв цепи Свободные радикалы встречаются друг с другом, образуя связи и "гася" реакцию: CH₃• + Cl• → CH₃Cl (или даже CH₃• + CH₃• → C₂H₆).
1
Галогенирование (Замещение)
Алкан + Cl₂ / Br₂ (строго на свету или при нагревании)
Правило селективности: Галоген замещает водород преимущественно у наименее гидрированного атома углерода (Третичный > Вторичный > Первичный).

⚠️ Нюансы галогенов: С фтором реакция идет со взрывом (разрушая весь углеродный скелет на CF₄ и HF), а с йодом реакция не идет вообще!
CH3—CH2—CH3 + Cl2 hν (свет)→ CH3— Cl CH —CH3 + HCl
образуется 2-хлорпропан
2
Нитрование так-же замещение (Реакция Коновалова)
Алкан + Разбавленная HNO₃ (нагревание, давление)
Нитрогруппа (-NO₂) замещает водород с той же селективностью, что и галогены (Третичный > Вторичный).

⚙️ Нюансы: Обязательное условие для проведения реакции: азотная кислота должна быть разбавленной если будет концентрированной,это намек на нитрование аренов,которые будем проходить в будущем.
CH3— CH CH₃ —CH2—CH3 + HNO3 t°, p→ CH3— CH₃ C NO₂ —CH2—CH3 + H2O
образуется 2-метил-2-нитробутан
3
Дегидрирование (Отщепление H₂)
Отщепление водорода с образованием алкенов/диенов
При нагревании с катализатором отщепляются атомы водорода от соседних углеродов, и между ними "захлопывается" двойная (π) связь, образуя кратная связь,но с помощью этой реакции можно получать и две двойные и тройную,реакция достаточно уневерсальна и важна!.
Катализаторы: Ni, Pt, Pd или оксид хрома (Cr₂O₃).
CH3—CH3 Ni/Pt, t°→ CH2═CH2 + H2↑
4
Ароматизация (Дегидроциклизация) 🔥
Превращение в арены (строго для алканов от C₆ и выше)
Важная реакция для алкенов начиная! Под действием катализатора (Pt или Cr₂O₃ при 500°C) углеродная цепь (минимум из 6 атомов) замыкается в кольцо, и отщепляются сразу 4 молекулы водорода (8 атомов H).
Гексан → Бензол
CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3 Pt, t°→ + 4H2↑
Гептан 7 углеродов → Толуол (бензол 6 углеродов и радикал 1 углерод в сумме будет как-раз 7) (метилбензол)
CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3 Pt, t°→ CH₃ + 4H2↑
5
Крекинг
Разрыв углеродной цепи (Алкан → Алкан + Алкен) это одновременно и хим свойство алканов и их метод получения
Углеродная цепочка разрывается на две равные части,одна превращается в алкан,другая же в алкен,сумма углеродов и водородов равна изначальной молекуле благодаря этому можно легко себя перепроверить

CH3—CH2—CH2—CH3 t°→ CH2═CH2 + CH3—CH3
C8H18 t°→ C4H8 + C4H10
6
Пиролиз метана
Продукты жестко зависят от температуры
2 CH4 1500°C→ CH≡CH + 3H2↑

Важная реакция — получение ацетилена!

2 CH4 500°C→ CH2═CH2 + 2H2↑

Менее сильное нагревание приводит к получению алкена (этилена).

CH4 1000°C→ C + 2H2↑

Полное разложение на сажу и водород.

7
Изомеризация
Превращение в изомер (Маркер — катализатор AlCl₃ в следующий раз он встретится только в аренах)
В 90% случаев придется писать только изомеризацию бутана или пентана,но свойство надо знать железобетонно
CH3—CH2—CH2—CH3 AlCl₃, t°⇄ CH3— CH CH₃ —CH3
бутан ⇄ изобутан (2-метилпропан)
8
Окисление
Каталитическое окисление бутана (Промышленный синтез)
Под действием катализатора молекула бутана рвется ровно посередине с образованием двух молекул уксусной (этановой) кислоты.Это одна из самых нелюбимых реакций у детей т.к часто забывают что алканы тоже можно окислить.
2 CH3—CH2—CH2—CH3 + 5O2 кат., t°→ 4 CH3—COOH + 2H2O
СПЕЦИФИКА ЕГЭ: Каталитическое окисление метана

В зависимости от условий (катализатора) метан можно окислить до трех разных кислородсодержащих продуктов. Это часто встречается в тестах!

2 CH4 + O2 кат.→ 2 CH3OH (Метанол)
CH4 + O2 кат.→ HCHO + H2O (Формальдегид)
2 CH4 + 3O2 кат.→ 2 HCOOH + 2H2O (Муравьиная кислота)
Полное окисление (Горение)
🔥 Главное правило: Вся органика горит! При полном окислении алканов всегда образуются углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O). Реакция идет с выделением огромного количества тепла (сильно экзотермическая).
2 C2H6 + 7O2 t°→ 4 CO2 + 6H2O
9
Конверсия метана водяным паром
Получение синтез-газа
Эту реакцию часто путают с гидратацией,но алканы не реагируют с водой это специфическая реакция метана обратите на неё внимание это спасет ваш балл
CH4 + H2O Ni, t°⇄ CO + 3H2
⚠️ ЛОВУШКИ ЕГЭ: С чем алканы НЕ реагируют
❌ С бромной водой (раствор Br₂ в воде)
Алканы не обесцвечивают бромную воду! Реакция галогенирования алканов идет только с чистым галогеном (газом/жидкостью) на свету.
❌ С водным раствором KMnO₄ (Марганцовкой)
Алканы устойчивы к действию сильных окислителей. Малиновый раствор перманганата калия они НЕ обесцвечивают (в отличие от алкенов и алкинов).
❌ С кислотами и щелочами (в растворах)
Алканы не реагируют ни с соляной, ни с серной кислотой, ни с раствором гидроксида натрия.
СВЯТОСЛАВ | SVYAT-BIOCHEM.RU | ЛИЧНАЯ СВЯЗЬ В TG: @TELLARUSG