§ 5. Алканы: химические свойства, применение и получение

Определения и обозначения

Реакция замещения алканов — превращение, при котором атом водорода в молекуле заменяется другим атомом или группой атомов. Углеродный скелет при этом обычно сохраняется, поэтому меняется состав заместителя, а не цепь углеродных атомов. Такое определение помогает отличать замещение от реакций, где разрывается скелет или появляется двойная связь.

Галогенирование алканов — замещение атомов водорода атомами галогена, например хлора или брома. Обычно реакцию проводят на свету или при нагревании, потому что без подвода энергии молекулы реагируют слишком медленно. В результате образуются галогенопроизводное алкана и галогеноводород.

Крекинг — расщепление крупных молекул алканов на более мелкие углеводороды. Процесс идёт при нагревании, иногда в присутствии катализатора, то есть вещества, ускоряющего реакцию. Крекинг позволяет из тяжёлых фракций нефти получать более востребованные лёгкие углеводороды.

Дегидрирование алканов — отщепление водорода H₂ от молекулы алкана. Между двумя атомами углерода при этом образуется двойная связь, поэтому продуктом становится алкен. Реакция важна как способ получения веществ с более высокой химической активностью.

Как это устроено

При полном горении алкана углерод окисляется до CO₂, а водород соединяется с кислородом и образует H₂O. Для алкана CₙH₂ₙ₊₂ сначала ставят n перед CO₂ и n + 1 перед H₂O, чтобы уравнять углерод и водород. После этого подсчитывают атомы кислорода и подбирают коэффициент перед O₂: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O. При недостатке кислорода полного окисления не происходит, поэтому появляются CO или углерод.

Галогенирование начинается с образования радикалов — частиц с неспаренным электроном. Свет или нагревание разрывают молекулу Cl₂ или Br₂ на два радикала, после чего радикал отрывает водород от алкана и возникает новый радикал углеводорода. Он реагирует с молекулой галогена, образуя галогенопроизводное и новый радикал, поэтому процесс становится цепным. Завершается цепь при соединении радикалов между собой.

Строение алкана определяет, какие продукты замещения возможны. Если атомы водорода находятся в неодинаковом окружении, их замещение даёт разные изомеры, как при хлорировании пропана. При избытке галогена замещается не один, а несколько атомов водорода, поэтому образуются полигалогенопроизводные. Чем больше вариантов неравноценных атомов водорода, тем разнообразнее состав продуктов.

При крекинге разрывается связь C–C, поэтому одна длинная цепь превращается в две более короткие молекулы. При дегидрировании углеродный скелет обычно не распадается: от него отщепляются два атома водорода, а между соседними атомами углерода возникает двойная связь. Значит, крекинг уменьшает размер углеродных фрагментов, а дегидрирование меняет степень ненасыщенности. Эти процессы нельзя обозначать одной и той же схемой.

Способность алканов гореть объясняет их использование в качестве топлива: при реакции выделяется много теплоты. Крекинг превращает тяжёлые углеводороды в алкены и другие лёгкие продукты, нужные для органического синтеза. Алкены, наоборот, можно гидрировать водородом и получать алканы: CₙH₂ₙ + H₂ → CₙH₂ₙ₊₂. Так свойства алканов связаны одновременно с их применением и промышленным получением.

Химические превращения алканов и их значение

В таблице сначала определите, какая часть молекулы изменяется, а затем подберите условия и продукты. Для проверки сравните число атомов каждого элемента слева и справа. Особенно полезно сопоставлять крекинг с дегидрированием: в первом случае уменьшается углеродная цепь, во втором появляется двойная связь.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение полного сгорания метана и уравняйте его

Метан имеет формулу CH₄, поэтому при полном сгорании должны образоваться CO₂ и H₂O. Сначала ставим коэффициенты по углероду и водороду, а затем проверяем кислород. Нельзя менять индексы в формулах, поскольку они задают состав веществ.

1. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В молекуле CH₄ один атом углерода, поэтому перед CO₂ оставляем коэффициент 1. Четыре атома водорода дают 2H₂O.
3. Справа теперь четыре атома кислорода: два в CO₂ и два в 2H₂O. Слева ставим 2 перед O₂.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Проверка показывает: C — 1 и 1, H — 4 и 4, O — 4 и 4.

Задача 2. Запишите уравнение монохлорирования пропана на свету и укажите возможные продукты

Формула пропана — CH₃–CH₂–CH₃, а монохлорирование означает замещение только одного атома водорода. Концевые атомы углерода равноценны, но средний атом находится в другой позиции. Поэтому возможны два структурных изомера, а условие света указывают над стрелкой.

1. При замещении водорода у концевого атома получаем CH₃–CH₂–CH₂Cl.
2. При замещении водорода у среднего атома получаем CH₃–CHCl–CH₃.
3. Для обеих реакций добавляем HCl, потому что удалённый атом водорода соединяется с хлором.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₃ + Cl₂ → CH₃–CH₂–CH₂Cl + HCl; CH₃–CH₂–CH₃ + Cl₂ → CH₃–CHCl–CH₃ + HCl, свет. Продукты — 1-хлорпропан и 2-хлорпропан.

Задача 3. При крекинге бутана образовались этан и этен. Запишите уравнение

Бутан содержит четыре атома углерода и десять атомов водорода: C₄H₁₀. В условии уже названы продукты, поэтому составляем реакцию, сохраняя атомный баланс. Крекинг должен показать расщепление исходной цепи на две меньшие молекулы.

1. Записываем формулы веществ: C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄.
2. Слева и справа сравниваем углерод: 4 = 2 + 2.
3. Проверяем водород: 10 = 6 + 4, значит коэффициенты 1 подходят.

Ответ: C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄. Уравнение верно, потому что число атомов углерода и водорода одинаково в обеих частях.

Типичные ошибки

Алканы легко вступают в присоединение. Так считают по аналогии с алкенами, но в алканах нет двойной связи, к которой можно было бы присоединить частицы. Проверьте формулу вещества: для алкана характерны замещение, горение, крекинг и дегидрирование.

Галогенирование записывают без света или нагревания. При обычных условиях цепь радикальных превращений не запускается с нужной скоростью. При записи реакции проверьте, указано ли условие над стрелкой.

Крекинг путают с дегидрированием. Причина ошибки — оба процесса требуют нагревания, но результат разный: крекинг разрывает C–C, а дегидрирование удаляет H₂. Сравните число углеродных фрагментов и наличие двойной связи в продукте.

Индексы изменяют при уравнивании горения. Так пытаются быстро получить нужное число атомов, но тогда меняется само вещество. Сначала запишите правильные формулы продуктов, а затем подбирайте только коэффициенты перед ними.

Связь с другими темами

Для понимания реакций нужны строение алканов, общая формула CₙH₂ₙ₊₂, а также понятия гомологов и изомеров. При решении задач применяются правила составления и уравнивания химических уравнений. Тема продолжает изучение углеводородов: знания пригодятся при разборе алкенов, нефтепереработки, органического синтеза и способов получения веществ.

Что запомнить

• Для алканов характерны реакции замещения и превращения, связанные с разрывом или изменением углеродного скелета.
• При полном сгорании алкана образуются CO₂ и H₂O.
• Галогенирование алканов обычно протекает на свету или при нагревании.
• Крекинг расщепляет крупные молекулы углеводородов на более мелкие.
• Дегидрирование алкана приводит к образованию алкена и водорода.
• Алканы используют как топливо и как сырьё для получения других веществ.
• Алканы можно получать гидрированием соответствующих алкенов.