§ 74. Получение и применение алканов

Определения и обозначения

Реакция Вюрца — получение алкана взаимодействием галогеналкана с натрием. Два углеводородных остатка соединяются новой связью C–C: 2R–X + 2Na → R–R + 2NaX. Если взять разные галогеналканы, получится смесь нескольких алканов.

Декарбоксилирование — отщепление карбоксильной группы –COOH в виде углекислого газа или карбоната. При нагревании соли кислоты с натронной известью образуется алкан с цепью на один атом углерода короче. Это удобный способ укоротить углеродную цепь.

Крекинг — расщепление крупных углеводородных молекул на более мелкие при нагревании. Процесс часто проводят в присутствии катализатора, ускоряющего реакцию. Наряду с алканами могут образоваться алкены.

Риформинг — каталитическое превращение углеводородов нефти с изменением их строения. При этом возникают разветвлённые и циклические соединения. Такие продукты улучшают свойства моторного топлива.

Как это устроено

Промышленность получает алканы прежде всего из природного газа и нефти, потому что эти природные смеси уже содержат углеводороды с разной длиной цепи. Из газа выделяют, например, метан, этан, пропан и бутан. Нефть разделяют на фракции, а затем перерабатывают, поэтому состав исходного сырья определяет набор возможных продуктов.

При крекинге нагрев разрывает связи в длинных углеродных цепях. Из одной крупной молекулы образуются две или более меньших, причём для выравнивания валентностей часто возникает двойная связь. Поэтому среди продуктов появляются и алканы, и алкены, а точный состав зависит от температуры, катализатора и исходной фракции.

Риформинг не направлен на простое уменьшение размера молекул. Катализатор помогает атомам углерода и водорода перестроиться: прямые цепи превращаются в разветвлённые, а иногда замыкаются в циклы. Такие изменения повышают октановое число бензина, поэтому из менее ценных компонентов получают топливо с нужными характеристиками.

В лаборатории алкан можно получить реакцией Вюрца, если нужно соединить два одинаковых углеводородных остатка. Натрий удаляет атомы галогена, а освободившиеся остатки соединяются между собой новой связью C–C. Метод особенно удобен для симметричных алканов, но смесь разных галогеналканов снижает его избирательность.

При декарбоксилировании соль нагревают с натронной известью, состоящей главным образом из гидроксида натрия и оксида кальция. Карбоксильная группа удаляется, а оставшийся углеводородный остаток получает атом водорода. Так как в группе –COO⁻ был один атом углерода, продукт имеет цепь на один атом короче.

Способы получения алканов и их применение

В таблице сначала определяют исходное сырьё, затем связывают его с условиями процесса. Последний столбец показывает, ради какого продукта или свойства проводят превращение. Для выбора лабораторного способа особенно важно сравнить строение исходного вещества и требуемого алкана.

Разбор задач

Получение бутана реакцией Вюрца

Условие: запишите уравнение реакции Вюрца для получения бутана из бромэтана и натрия.

1. В бромэтане C₂H₅Br углеводородный остаток — C₂H₅.
2. Для получения бутана нужно соединить два одинаковых остатка: C₂H₅–C₂H₅.
3. Два атома брома замещаются двумя атомами натрия, поэтому перед бромэтаном и бромидом натрия ставим коэффициент 2.

Ответ: 2C₂H₅Br + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaBr.

Декарбоксилирование пропионата натрия

Условие: какой алкан образуется при нагревании пропионата натрия с натронной известью?

1. Пропионовая кислота имеет формулу CH₃CH₂COOH, а её соль — CH₃CH₂COONa.
2. Удаляем карбоксильную часть –COO⁻, поэтому от цепи остаётся CH₃CH₂–.
3. Остаток получает атом водорода и превращается в этан C₂H₆. Уравнение: CH₃CH₂COONa + NaOH → C₂H₆ + Na₂CO₃, t°.

Ответ: образуется этан, потому что углерод карбоксильной группы не входит в состав алкана.

Получение пропана из пропена

Условие: предложите способ получения пропана из пропена и запишите уравнение реакции.

1. Пропен содержит двойную связь, поэтому к нему можно присоединить водород.
2. При разрыве π-связи один атом водорода присоединяется к каждому атому углерода двойной связи.
3. Нужно проводить реакцию при нагревании в присутствии катализатора, например никеля.

Ответ: CH₃–CH=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃, Ni, t°. Это гидрирование алкена.

Типичные ошибки

Считать, что реакция Вюрца всегда даёт один продукт, неверно. При смешении разных галогеналканов возможны три сочетания остатков, поэтому образуется смесь. Проверяйте, одинаковы ли исходные галогеналканы.

При декарбоксилировании иногда оставляют прежнее число атомов углерода. Ошибка возникает из-за невнимания к группе –COO⁻, которая удаляется. Пересчитайте углерод после вычёркивания карбоксильной группы.

Крекинг и риформинг нельзя считать одинаковыми процессами. Крекинг расщепляет цепи, а риформинг в основном перестраивает их, не сводясь к простому дроблению. Спросите себя, уменьшился ли размер молекулы или изменилось её строение.

Природный газ и нефть не являются чистыми веществами. Это смеси, состав которых зависит от месторождения и фракции. Проверяйте, говорите ли вы о конкретном алкане или о промышленном сырье.

Связь с другими темами

Для понимания способов получения алканов нужны знания об их строении, гомологическом ряде, номенклатуре и составлении уравнений органических реакций. Особенно полезно уметь выделять углеводородный остаток в формуле.

Тема связана с изучением нефти и природного газа. Эти смеси служат исходным сырьём для крекинга, риформинга, получения топлива и многих органических веществ.

Полученные представления пригодятся при изучении химических свойств алканов, алкенов и других классов органических соединений. Сравнение реакций помогает связывать строение вещества с его превращениями.

Что запомнить

• Природный газ и нефть — важнейшие промышленные источники алканов.
• Крекинг расщепляет крупные углеводородные молекулы.
• Риформинг изменяет строение углеводородов.
• В реакции Вюрца соединяются углеводородные остатки галогеналканов.
• При декарбоксилировании образуется алкан с цепью на один атом углерода короче исходной кислоты.
• Алканы используют как топливо и как сырьё для химической промышленности.