§ 73. Химические свойства алканов

Определения и обозначения

Реакция замещения — превращение, при котором атом или группа атомов в молекуле заменяется другим атомом или группой. У алканов обычно замещаются атомы водорода, а углеродная цепь при этом сохраняется. Это понятие помогает отличать такие реакции от присоединения, характерного для веществ с кратными связями.

Галогенирование алканов — замещение атома водорода в алкане атомом галогена, например хлора. Обычно для реакции нужны свет или нагревание; если атомы водорода занимают разные положения, могут получиться разные продукты. Это позволяет предсказывать состав смеси и строение продуктов.

Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие при нагревании, часто в присутствии катализатора. Так из тяжёлых углеводородов получают более лёгкие, в том числе алканы и алкены. Понятие важно при описании переработки нефти.

Дегидрирование алканов — отщепление от их молекулы водорода с образованием непредельного углеводорода. Например, из этана можно получить этен и водород. Эта реакция показывает, как из насыщенного углеводорода получают соединение с двойной связью.

Как это устроено

Алканы малоактивны, потому что связи между атомами углерода и водорода достаточно прочны: их трудно разорвать при обычных условиях. Молекулы алканов неполярны, поэтому многие реагенты, особенно полярные, не взаимодействуют с ними так, как с более реакционноспособными веществами. Следовательно, для начала реакции обычно требуется дополнительная энергия или особые условия.

При полном горении алкана кислорода хватает для окисления углерода до углекислого газа, а водорода — до воды. Если кислорода мало, окисление углерода не доходит до конца: образуется угарный газ или твёрдый углерод, то есть сажа. Поэтому состав продуктов горения зависит не только от формулы топлива, но и от подачи воздуха.

Свет или нагревание нужны для начала галогенирования, потому что они помогают разорвать связь в молекуле галогена и образовать радикалы — частицы с неспаренным электроном. Эти активные частицы запускают цепной процесс: водород алкана замещается галогеном, а реакция продолжается через новые стадии. Без такого инициирования при обычных условиях реакция идёт крайне медленно.

При крекинге нагревание сообщает крупным молекулам энергию, необходимую для разрыва связей и образования более мелких молекул. Катализатор, если он используется, меняет путь реакции и помогает проводить её эффективнее. При дегидрировании из алкана удаляются два атома водорода; между атомами углерода возникает двойная связь, поэтому появляется алкен.

Строение алкана влияет на продукты замещения, поскольку атомы водорода в разных местах молекулы могут быть неравноценны. В пропане, например, водород у крайнего атома углерода и водород у среднего атома находятся в различном окружении. Замена в разных положениях даёт разные структурные изомеры, поэтому одно уравнение галогенирования может описывать образование нескольких продуктов.

Основные химические свойства алканов

Сначала найди в таблице нужную реакцию, затем проверь, какие условия для неё указаны. Общее превращение показывает тип реакции, а последняя колонка помогает уточнить продукты. В уравнении обязательно расставляй коэффициенты и проверяй число атомов с обеих сторон.

Разбор задач

Полное сгорание метана

Условие. Составьте уравнение полного сгорания метана и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукты при достатке кислорода и уравнять количество атомов элементов.

1. При полном горении углерод переходит в CO₂, а водород — в H₂O. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В метане четыре атома водорода, значит, перед H₂O ставим коэффициент 2. Теперь справа два атома кислорода в CO₂ и ещё два в двух молекулах воды.
3. Слева для четырёх атомов кислорода нужны две молекулы O₂. Уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Ответ. CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Проверка: углерода по одному атому, водорода по четыре, кислорода по четыре с каждой стороны.

Хлорирование пропана

Условие. Запишите взаимодействие пропана с хлором на свету и назовите возможные продукты монохлорирования. В пропане водороды у крайних и среднего атомов углерода находятся в разном окружении.

1. Это замещение: один атом водорода заменяется хлором, а второй атом хлора образует HCl. Общая схема: C₃H₈ + Cl₂ → C₃H₇Cl + HCl.
2. Указываем условие над стрелкой словами: на свету. Замена водорода у крайнего атома углерода даёт 1-хлорпропан, а замена у среднего — 2-хлорпропан.
3. Проверяем баланс: слева три атома углерода, восемь водородов и два хлора; справа в сумме столько же. Коэффициенты перед веществами не требуются.

Ответ. C₃H₈ + Cl₂ → C₃H₇Cl + HCl, свет; возможны 1-хлорпропан и 2-хлорпропан.

Крекинг бутана

Условие. При крекинге бутана образовались этан и этен. Запишите уравнение и проверьте сохранение атомов; реакция идёт при нагревании, а катализатор может использоваться для её проведения.

1. Записываем формулы: бутан — C₄H₁₀, этан — C₂H₆, этен — C₂H₄. Схема превращения: C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄.
2. Сравниваем количество атомов углерода: в бутане четыре, а в продуктах два плюс два, всего четыре. Значит, углеродный баланс соблюдён.
3. Проверяем водород: слева десять атомов, справа шесть плюс четыре, тоже десять. Коэффициенты равны единице, уравнение сбалансировано.

Ответ. C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄. При записи условия можно указать нагревание и, если требуется, катализатор.

Типичные ошибки

Ошибка — считать алканы совсем неспособными к реакциям. Их низкая активность не означает полной инертности: горение, галогенирование и превращения при нагревании возможны. Проверяй себя вопросом, указаны ли подходящие условия реакции.

Иногда галогенирование записывают без света или нагревания. Условие пропускают, потому что сосредоточиваются только на формулах реагентов, хотя энергия нужна для запуска цепного процесса. Проверка простая: рядом с уравнением должно быть обозначено, что реакция идёт на свету или при нагревании.

Галогенирование алкана могут ошибочно принимать за присоединение. Присоединение характерно для кратной связи, а в алкане заменяется атом водорода и сохраняется насыщенная цепь. Чтобы проверить тип реакции, сравни формулу исходной молекулы и продукта: в продукте должен появиться галоген вместо водорода, а также галогеноводород.

Ещё одна ошибка — при любом горении указывать только CO₂ и воду. Так записывают полное горение, но при недостатке кислорода возможны CO или углерод. Перед выбором продуктов уточни, достаточно ли кислорода; затем проверь баланс атомов в уравнении.

Связь с другими темами

Для понимания реакций алканов нужны представления о строении молекул, гомологическом ряде и изомерии. Знание ковалентных связей C–C и C–H помогает объяснить низкую активность алканов и необходимость специальных условий для некоторых реакций. Изомерия нужна, чтобы предсказывать разные продукты замещения.

Крекинг и дегидрирование связывают тему алканов с получением алкенов, а горение — с использованием углеводородов как топлива. Эти реакции важны для переработки нефти и органического синтеза: из одних углеводородов получают другие вещества, нужные промышленности.

Что запомнить

• Алканы сравнительно малоактивны из-за прочных связей C–C и C–H.
• При полном горении алкана образуются CO₂ и H₂O.
• При недостатке кислорода горение может быть неполным.
• Галогенирование алканов — реакция замещения, обычно протекающая на свету или при нагревании.
• Крекинг расщепляет крупные углеводородные молекулы на более мелкие.
• Дегидрирование алкана приводит к образованию водорода и непредельного углеводорода.