"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Алканы — предельные углеводороды с одинарными связями и общей формулой CₙH₂ₙ₊₂. Прочные связи C–C и C–H делают их малоактивными при обычных условиях, но алканы не являются полностью инертными веществами. Они вступают в реакции замещения с хлором и бромом при освещении или нагревании, а также горят в кислороде. Эти свойства важны для понимания получения галогенпроизводных и решения расчётных задач.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алкан — предельный углеводород, в молекулах которого атомы углерода соединены только одинарными связями. Общая формула алканов — CnH2n+2; примеры: метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8. Формула помогает определить состав вещества и составлять уравнения его реакций.
Химическая малоактивность алканов — слабая склонность вступать в реакции при обычных условиях. Это связано с прочностью связей в их молекулах и отсутствием легко реагирующих функциональных групп. Малоактивность не означает полной неспособности реагировать: алканы горят, а при свете или нагревании вступают в галогенирование.
Реакция замещения — реакция, в которой один атом в молекуле заменяется другим атомом или группой атомов. Для алканов типично замещение атома водорода, например атомом хлора. Такой тип реакции отличает поведение алканов от реакций присоединения, характерных для веществ с кратными связями.
Галогенирование алканов — замещение атомов водорода атомами галогена, например хлора или брома. Обычно для начала реакции нужны свет или нагревание. В результате образуются галогенпроизводное углеводорода и галогеноводород, например хлорметан и хлороводород.
Связи C–C и C–H в алканах достаточно прочные, поэтому их трудно разорвать. Молекулы алканов в целом неполярны и не имеют участков с выраженными зарядами, которые могли бы легко притягивать ионные реагенты. Поэтому при обычных условиях алканы обычно не реагируют с растворами кислот, щелочей и другими ионными веществами.
При освещении смеси алкана с хлором или бромом возникает цепной радикальный процесс. Энергия света или нагревания разрывает связь в молекуле галогена, и образуются радикалы — активные частицы с неспаренным электроном. Радикал отнимает атом водорода у алкана, а возникший углеводородный радикал реагирует с новой молекулой галогена, продолжая цепь.
На примере метана первая стадия замещения описывается уравнением CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl, свет. Один атом водорода в метане заменяется атомом хлора, поэтому органическим продуктом является хлорметан. Процесс продолжается потому, что активные частицы, возникающие на одной стадии, участвуют в следующих стадиях.
Если хлора много или реакция длится долго, замещение не останавливается после первой стадии. В хлорметане могут последовательно заменяться оставшиеся атомы водорода, поэтому образуются CH2Cl2, CHCl3 и CCl4. Какой продукт окажется основным, зависит от освещения, температуры, продолжительности реакции и соотношения реагентов.
При горении алканы реагируют с кислородом, потому что атомы углерода и водорода переходят в более устойчивые соединения с кислородом. При достатке O2 углерод полностью окисляется до CO2, а водород — до H2O. При недостатке кислорода окисление неполное: появляются CO или сажа C, что особенно опасно из-за ядовитости угарного газа.
| Реакция | Реагенты и условия | Что происходит | Продукты |
|---|---|---|---|
| Галогенирование | Cl2 или Br2, свет или нагревание | Атом водорода замещается атомом галогена | Галогеналкан и HX |
| Полное сгорание | Избыток O2, нагревание | Углерод и водород полностью окисляются | CO2 и H2O |
| Неполное сгорание | Недостаток O2, нагревание | Окисление углерода не завершается | CO или C и H2O |
Сначала определите тип реакции по условиям и составу реагентов. Затем проверьте, какие атомы должны войти в продукты, и расставьте коэффициенты. Для галогенирования отдельно указывайте свет или нагревание, а для горения учитывайте количество кислорода.
Задача 1. Запишите уравнение реакции метана с хлором на свету и назовите органический продукт. Это реакция замещения, поэтому в левой части берём CH4 и Cl2, а в правой заменяем один атом водорода на хлор.
Ответ: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl, свет; органический продукт — хлорметан.
Задача 2. Составьте уравнение полного сгорания пропана. При полном сгорании любого алкана образуются CO2 и H2O, поэтому сначала записываем C3H8 + O2 → CO2 + H2O.
Ответ: C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O.
Задача 3. При хлорировании метана образовался тетрахлорметан. Нужно учесть замещение всех четырёх атомов водорода, поэтому на одну молекулу метана потребуется четыре молекулы хлора. Каждый замещённый атом водорода образует одну молекулу HCl.
Ответ: на 1 моль CH4 требуется 4 моль Cl2.
Ошибка: считать алканы абсолютно инертными. Её допускают, заменяя слово «малоактивные» словом «неспособные реагировать». Проверка: вспомните горение и галогенирование при свете или нагревании.
Ошибка: записывать галогенирование как присоединение галогена по двойной связи. В алканах нет двойной связи, поэтому атом водорода замещается атомом галогена. Проверка: сравните число атомов водорода и галогена до и после реакции.
Ошибка: не указывать свет или нагревание. Без этих условий реакция с хлором обычно не начинается заметно, поэтому условие должно быть записано над стрелкой. Проверка: найдите в условии задачи слово «на свету» или указание на нагревание.
Ошибка: при любом горении записывать только CO2 и H2O. Эти продукты соответствуют достатку кислорода, а при его недостатке образуются CO или C. Проверка: определите, является ли кислород избытком или его не хватает.
Для понимания реакций алканов нужны знания об их строении, общей формуле предельных углеводородов и одинарных ковалентных связях. Галогенирование подготавливает к изучению галогенпроизводных и механизмов органических реакций. Уравнения горения применяются в стехиометрических расчётах: по ним находят количество кислорода и состав продуктов.
Почему алканы называют химически малоактивными?
В алканах есть прочные связи C–C и C–H, а сами молекулы неполярны. Поэтому при обычных условиях они редко вступают в реакции, особенно с ионными реагентами, но при подходящих условиях реагировать могут.
Почему алканы реагируют с хлором на свету?
Свет помогает разорвать молекулу хлора с образованием активных частиц — радикалов. Они запускают цепной процесс, в котором атомы водорода алкана постепенно замещаются атомами хлора.
Чем замещение отличается от присоединения?
При замещении один атом или группа атомов в молекуле заменяется другим атомом или группой. При присоединении частицы присоединяются по кратной связи, а в алканах кратных связей нет.
Может ли при хлорировании метана образоваться больше одного продукта?
Да. После образования хлорметана оставшиеся атомы водорода также могут замещаться хлором, поэтому образуются дихлорметан, трихлорметан и тетрахлорметан. Состав смеси зависит от условий и соотношения реагентов.
Какие вещества образуются при неполном сгорании алканов?
При недостатке кислорода могут образоваться угарный газ CO и вода. При ещё большем недостатке кислорода появляется сажа, то есть углерод C, также вместе с водой.
§ 14. Алканы химически малоактивны
