Получение, химические свойства и применение алканов

Определения и обозначения

Алканы — насыщенные ациклические углеводороды общей формулы CₙH₂ₙ₊₂. «Насыщенные» означает, что между атомами углерода нет двойных и тройных связей, а «ациклические» — что углеродная цепь не замкнута в кольцо. Примеры: метан CH₄, этан C₂H₆ и пропан C₃H₈; формула помогает проверить состав молекулы.

Реакция Вюрца — способ получения алканов взаимодействием галогеналканов с натрием. В общем виде: 2R–Hal + 2Na → R–R + 2NaHal, где R — углеводородный остаток, а Hal — атом галогена. Метод удобен для соединения одинаковых остатков, но при смешивании разных галогеналканов возникает смесь алканов.

Декарбоксилирование — отщепление карбоксильной группы от соли карбоновой кислоты при нагревании со щёлочью. Например, CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃. Удаляемая группа содержит один атом углерода, поэтому полученный алкан короче исходной углеродной цепи на один атом.

Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов при нагревании, иногда в присутствии катализатора. Например, C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀: образуются более лёгкий алкан и алкен. Процесс нужен, чтобы получать из тяжёлых нефтяных фракций востребованные компоненты топлива и сырьё для химического производства.

Как это устроено

Природный газ и нефть содержат смеси углеводородов, в том числе алканы, поэтому служат их главными промышленными источниками. Газ особенно богат низшими алканами, а нефтяные фракции включают молекулы разного размера. Разделение смеси позволяет выделять нужные компоненты, а переработка — менять состав и свойства сырья. Эти источники важны потому, что дают большие объёмы углеводородов для топлива и промышленности.

При декарбоксилировании соль карбоновой кислоты нагревают со щёлочью, обычно с гидроксидом натрия. Условный пример: RCOONa + NaOH → RH + Na₂CO₃. В углеводородном остатке R остаётся на один атом углерода меньше, чем в исходной кислоте: углерод карбоксильной группы переходит в карбонат. Поэтому, например, из ацетата натрия получают метан, а не этан.

В реакции Вюрца натрий помогает соединить углеводородные остатки двух молекул галогеналкана, а атомы галогена образуют соль натрия. Если остатки одинаковы, обе части соединяемой молекулы совпадают и получается один симметричный алкан: 2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl. Если взять два разных галогеналкана, возможны соединения каждого остатка с каждым. Поэтому возникает смесь продуктов, и выделить из неё один нужный алкан бывает трудно.

Алканы химически малоактивны, потому что связи C–C и C–H прочные и почти неполярные. В их строении нет функциональной группы — участка молекулы, который обычно легко реагирует. Реагентам трудно начать превращение, поэтому часто нужны свет, нагревание или катализатор. Условия зависят от реакции: например, хлорирование запускает свет, а крекинг проводят при высокой температуре.

Строение алканов определяет набор их характерных превращений. При горении углерод и водород окисляются, поэтому при достатке кислорода образуются CO₂ и H₂O; при освещении галоген может замещать водород по радикальному механизму. Нагревание расщепляет длинные цепи при крекинге, а изомеризация перестраивает углеродный скелет, не меняя молекулярную формулу. Горение даёт энергию, а крекинг и изомеризация помогают получать нужные топлива и сырьё для органического синтеза.

Получение и основные химические свойства алканов

В таблице собраны источники и превращения алканов, типичные условия и практический результат. При чтении уравнений проверяй, сохраняется ли число атомов каждого элемента и соответствует ли продукт названной реакции. Условия помогают отличить способы получения от реакций, для которых требуются свет, нагревание или кислород.

Разбор задач

Задача 1. Дополнить уравнения CH₄ + Cl₂ → … и C₃H₈ + O₂ → …, указать условия и тип каждой реакции. Сначала определяем характер превращения: метан с хлором реагирует по замещению, а взаимодействие пропана с кислородом при полном сгорании даёт углекислый газ и воду. В первом случае нужен свет, во втором — достаток кислорода и поджигание.

1. При хлорировании один атом водорода метана заменяется на хлор: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. Уравнение уравнено, условие — освещение; тип реакции — радикальное замещение.
2. Для полного горения записываем продукты CO₂ и H₂O: C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Справа 10 атомов кислорода, поэтому перед O₂ ставим коэффициент 5.
3. Проверяем атомы: слева и справа по 3 атома углерода и 8 атомов водорода, а кислорода — по 10. Тип второго превращения — горение, для него нужны кислород и источник воспламенения.

Ответ: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (свет, радикальное замещение); C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (горение).

Задача 2. Какой объём метана при н. у. получится из 16,4 г ацетата натрия при полном декарбоксилировании? Записываем реакцию: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃. По коэффициентам видно, что 1 моль ацетата натрия даёт 1 моль метана, если щёлочь взята в избытке. При нормальных условиях 1 моль газа занимает 22,4 л.

1. Вычисляем молярную массу ацетата натрия: M(CH₃COONa) = 2·12 + 3·1 + 2·16 + 23 = 82 г/моль.
2. Находим количество соли: n = m/M = 16,4/82 = 0,2 моль. По уравнению реакции n(CH₄) = 0,2 моль.
3. Переводим количество метана в объём: V = n·Vₘ = 0,2·22,4 = 4,48 л.

Ответ: при полном протекании реакции получится 4,48 л метана при н. у.

Задача 3. При хлорировании 11,2 л метана при н. у. образовался хлорметан с выходом 80%. Найти объём израсходованного хлора и массу полученного CH₃Cl. Уравнение реакции: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. Соотношение всех реагирующих веществ и продукта равно 1:1, поэтому сначала определяем количество метана, а затем учитываем, что выход продукта меньше теоретического.

1. Количество метана: n(CH₄) = 11,2/22,4 = 0,5 моль. По уравнению для реакции требуется столько же хлора, значит n(Cl₂) = 0,5 моль.
2. Объём хлора при н. у.: V(Cl₂) = 0,5·22,4 = 11,2 л. Это количество реагента для полного превращения метана; выход 80% относится к полученному продукту.
3. Теоретически образовалось бы 0,5 моль CH₃Cl, фактически — 0,5·0,80 = 0,4 моль. Молярная масса CH₃Cl равна 12 + 3 + 35,5 = 50,5 г/моль, поэтому m = 0,4·50,5 = 20,2 г.

Ответ: израсходовано 11,2 л хлора, получено 20,2 г хлорметана.

Типичные ошибки

Первая ошибка — записывать для алканов формулу CₙH₂ₙ, как для алкенов. Путаница возникает из-за того, что в формулах обоих классов есть n атомов углерода, но у алканов только одинарные связи. Проверь себя: для алкана с n = 3 формула должна быть C₃H₈, а не C₃H₆.

Вторая ошибка — называть хлорирование алкана присоединением. Так думают, перенося знакомое название реакции с алкенов, но в алкане нет кратной связи, к которой можно присоединить хлор. При хлорировании атом хлора занимает место атома водорода; проверь, что в уравнении образуется галогеналкан и HX.

Третья ошибка — оставлять при декарбоксилировании прежнее число атомов углерода. Это происходит, если не учитывать, что карбоксильная группа удаляется вместе со своим атомом углерода. Проверь число атомов в остатке: из ацетата натрия с двумя атомами углерода получается метан с одним.

Четвёртая ошибка — считать, что при горении всегда образуется только углерод или угарный газ. Такие продукты возможны при недостатке кислорода, тогда как полное горение даёт CO₂ и H₂O. Проверь условие и уравнение: если кислорода достаточно, в продуктах должны быть углекислый газ и вода, а число атомов каждого элемента должно сохраняться.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции алканов, нужно знать строение органических веществ, валентность углерода и формулу гомологического ряда; это позволяет составлять молекулярные формулы. Понадобятся также типы химических реакций, расстановка коэффициентов и расчёты по количеству вещества. Дальше эти знания связывают алканы с темами нефти и природного газа, алкенов и полимеризации. Они объясняют, как из топлива и углеводородного сырья получают продукты органического синтеза.

Что запомнить

• Алканы имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₂ и содержат только одинарные связи.
• Главные источники алканов — природный газ и нефть.
• При декарбоксилировании соли карбоновой кислоты образуется алкан с на один атом углерода меньшим.
• Реакция Вюрца соединяет углеводородные радикалы двух галогеналканов.
• Для алканов характерны горение и радикальное замещение.
• Крекинг превращает тяжёлые углеводороды в более лёгкие алканы и алкены.
• Алканы используют как топливо и сырьё для органического синтеза.