4.3. Химические свойства

Определения и обозначения

Реакция замещения — превращение алкана, при котором атом водорода заменяется атомом или группой атомов другого вещества. Например, в реакции с хлором место одного атома H занимает атом Cl. Это понятие помогает отличать характерные для алканов превращения от реакций присоединения.

Галогенирование алканов — замещение атомов водорода в алкане атомами хлора или брома под действием света или нагревания. Галогены — элементы, к которым относятся, например, хлор и бром. Термин указывает и на то, какие реагенты участвуют, и на условия, нужные для начала реакции.

Крекинг — расщепление молекул углеводородов с образованием более коротких молекул. При этом из длинной цепи могут получиться алкан и алкен, например: C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀. Понятие нужно, чтобы описывать превращение тяжёлых углеводородов в более лёгкие продукты.

Дегидрирование — отщепление водорода от молекулы алкана с образованием непредельного углеводорода. Непредельный углеводород содержит кратную связь, например алкен с двойной связью C=C. Дегидрирование позволяет получать такое сырьё из алканов; при нём обычно отщепляется молекула H₂.

Как это устроено

Алканы при обычных условиях малоактивны, потому что их молекулы содержат прочные неполярные связи C–C и C–H. Неполярность означает, что общая электронная пара распределена между связанными атомами сравнительно равномерно. Для начала реакции нужно затратить энергию, чтобы ослабить или разорвать связи, поэтому многие превращения идут только при нагревании или освещении.

При полном горении алкана углерод окисляется до углекислого газа, а водород — до воды. Это происходит, когда кислорода достаточно для полного окисления всех атомов топлива. Недостаток кислорода ведёт к неполному сгоранию: могут образоваться угарный газ CO или сажа, то есть углерод C. Для формулы CₙH₂ₙ₊₂ уравнение полного горения имеет вид: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O.

Галогенирование относится к замещению, потому что атом галогена занимает место атома водорода, а не присоединяется к молекуле по кратной связи. Свет или нагревание дают энергию для запуска процесса. Замещение может продолжаться: у метана оставшиеся атомы водорода также постепенно меняются на хлор, поэтому наряду с хлорметаном могут образоваться дихлорметан, трихлорметан и тетрахлорметан.

Хлорирование метана идёт по радикальному цепному механизму. На стадии зарождения свет разрывает молекулу хлора: Cl₂ → 2Cl•, где точка обозначает радикал — частицу с неспаренным электроном. При развитии цепи радикал отнимает у метана водород, а частица CH₃• реагирует с Cl₂: образуются CH₃Cl и новый Cl•, который продолжает цикл. При обрыве два радикала соединяются, и цепь прекращается.

При нагревании молекулы получают энергию, достаточную для перестройки или разрыва связей, поэтому становятся возможны крекинг, дегидрирование и изомеризация. В крекинге длинные цепи распадаются на более короткие, в том числе нужные для топлива и химического производства. Дегидрирование даёт алкены, а изомеризация перестраивает углеродный скелет, не меняя молекулярную формулу. Эти процессы важны для промышленной переработки нефти и увеличения полезности углеводородного сырья.

Основные химические свойства алканов

Сначала определите тип превращения по тому, что меняется в молекуле: замещается атом, разрывается цепь, отщепляется водород или перестраивается скелет. Затем проверьте условия и сбалансируйте число атомов каждого элемента в уравнении. Для горения отдельно выясните, полное оно или неполное: от этого зависят продукты, содержащие углерод.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение полного сгорания пропана и расставить коэффициенты. Пропан — алкан с формулой C₃H₈, поэтому при полном сгорании продуктами будут CO₂ и H₂O. Удобнее уравнивать элементы по очереди: сначала углерод, затем водород, а кислород — последним.

1. Записываем схему: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В пропане три атома углерода, значит, ставим 3 перед CO₂: C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + H₂O.
3. Восемь атомов водорода дают 4H₂O. Справа теперь 6 + 4 = 10 атомов кислорода, то есть нужно 5O₂.

Ответ: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Проверка показывает, что слева и справа по 3 атома C, 8 атомов H и 10 атомов O. Коэффициенты уже целые, поэтому дополнительно умножать уравнение не требуется.

Задача 2. Записать уравнение реакции хлорирования метана на свету и назвать органический продукт. В метане CH₄ четыре атома водорода; при первом замещении только один из них заменяется хлором. Вместе с органическим продуктом образуется хлороводород HCl, в котором оказывается вытесненный водород.

1. Определяем тип процесса: это замещение, поэтому сохраняем углеродный скелет CH₄.
2. Заменяем один H на Cl и записываем продукты CH₃Cl и HCl.
3. Ставим условие над стрелкой: свет, или hν; проверяем, что с обеих сторон по одному C, четыре H и два Cl.

Ответ: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, свет. Органический продукт — хлорметан. Если реакцию продолжать, могут замещаться и остальные атомы водорода, поэтому нельзя считать, что хлорметан обязательно будет единственным продуктом всего процесса.

Задача 3. Предложить цепочку превращений этан → этен → этан. Нужно сначала получить непредельный углеводород из алкана, а затем вернуть молекулу к алкану. Вспоминаем две противоположные по смыслу реакции: дегидрирование отщепляет водород, а присоединение водорода по двойной связи насыщает её.

1. Записываем формулы веществ: этан C₂H₆, этен C₂H₄.
2. Для первой стрелки применяем дегидрирование: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂; указываем нагревание и катализатор.
3. Для второй стрелки добавляем водород по двойной связи этена: C₂H₄ + H₂ → C₂H₆; реакция идёт в присутствии катализатора.

Ответ: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂ → C₂H₆, если записать обе стадии раздельно: C₂H₆ → C₂H₄ + H₂; C₂H₄ + H₂ → C₂H₆. В первой реакции образуется двойная связь, во второй она исчезает. Проверка атомного состава подтверждает, что каждое уравнение сбалансировано.

Типичные ошибки

Записывают для алканов присоединение вместо замещения, смешивая их свойства со свойствами алкенов. У алкана нет двойной связи, по которой обычно присоединяются атомы или группы; в характерной реакции его водород заменяется другим атомом. Проверьте строение исходного вещества и укажите, какая связь или какой атом изменились.

Забывают написать свет или нагревание над стрелкой в реакции галогенирования. Реакцию учат как простую формулу и упускают, что энергию нужно подвести для её начала. При самопроверке сопоставьте уравнение с условиями реакции и не считайте запись без них полной.

При горении записывают CO вместо CO₂, не объясняя, почему кислорода недостаточно. Так смешивают полное сгорание с неполным: при достатке кислорода углерод переходит в CO₂. Проверьте, какое условие дано в задаче, и не вводите CO, если речь идёт о полном сгорании.

Считают, что при хлорировании образуется только один продукт, и не учитывают повторное замещение. Первое уравнение показывает основную стадию, а не обязательно весь состав смеси при продолжительном процессе. Спросите себя, остались ли в органическом продукте атомы водорода, которые тоже могут быть заменены хлором.

Связь с другими темами

Для понимания химических свойств алканов нужны их строение и общая формула CₙH₂ₙ₊₂. Также пригодятся знания о типах химических связей, валентности элементов и правилах составления уравнений. Умение отличать одинарную связь от кратной помогает не путать замещение алканов с присоединением к алкенам.

Эти реакции подготавливают к изучению алкенов и механизмов органических превращений: на примере хлорирования видно, как развивается цепь радикальных реакций. Крекинг и дегидрирование показывают, как из алканов получают топливо и химическое сырьё. Поэтому химические свойства углеводородов связаны с промышленной переработкой нефти.

Уравнения горения нужны для расчётов количества топлива и выделившейся энергии, которые изучают в термохимии. Полное и неполное сгорание также связаны с экологическими последствиями использования топлива. В частности, недостаток кислорода может привести к появлению опасного для человека угарного газа.

Что запомнить

• Алканы при обычных условиях химически малоактивны.
• Для алканов характерны реакции замещения.
• Галогенирование алканов протекает на свету или при нагревании.
• При полном сгорании алкана образуются углекислый газ и вода.
• Крекинг расщепляет длинные углеродные цепи на более короткие.
• Дегидрирование алкана приводит к образованию алкена.
• Изомеризация изменяет строение углеродного скелета без изменения молекулярной формулы.