Uprkos činjenici da su alkani neaktivni, oni su sposobni osloboditi velike količine energije u interakciji sa halogenima ili drugim slobodnim radikalima. Alkani i reakcije sa njima se konstantno koriste u mnogim industrijama.
Alkanes facts
Alkani zauzimaju važno mjesto u organskoj hemiji. Formula alkana u hemiji je C H2n+2. Za razliku od aromata, koji imaju benzenski prsten, alkani se smatraju alifatskim (acikličnim).
U molekulu bilo kojeg alkana, svi elementi su povezani jednom vezom. Stoga ova grupa supstanci ima završetak "-an". Prema tome, alkeni imaju jednu dvostruku vezu, a alkini jednu trostruku vezu. Alkodieni, na primjer, imaju dvije dvostruke veze.
Alkani su zasićeni ugljovodonici. Odnosno, sadrže maksimalan broj atoma H (vodika). Svi atomi ugljenika u alkanu su u poziciji sp3 – hibridizacija. To znači da je molekula alkana izgrađena prema tetraedarskom pravilu. Molekul metana (CH4) podseća na tetraedar,a preostali alkani imaju cik-cak strukturu.
Svi C atomi u alkanima su povezani pomoću ơ - veza (sigma - veze). C–C veze su nepolarne, C–H veze su slabo polarne.
Svojstva alkana
Kao što je gore spomenuto, alkanska grupa ima malu aktivnost. Veze između dva C atoma i između C i H atoma su jake, pa ih je teško uništiti vanjskim utjecajima. Sve veze u alkanima su ơ veze, pa ako puknu, obično rezultiraju radikalima.
Halogeniranje alkana
Zbog posebnih svojstava veza atoma, alkani su svojstveni reakcijama supstitucije i raspadanja. U reakcijama supstitucije u alkanima, atomi vodika zamjenjuju druge atome ili molekule. Alkani dobro reaguju sa halogenima - supstancama koje su u grupi 17 periodnog sistema Mendeljejeva. Halogeni su fluor (F), brom (Br), hlor (Cl), jod (I), astat (At) i tenezin (Ts). Halogeni su veoma jaki oksidanti. Reaguju sa skoro svim supstancama iz tabele D. I. Mendeljejeva.
Reakcije hloriranja alkana
U praksi, brom i hlor obično učestvuju u halogenaciji alkana. Fluor je previše aktivan element - s njim će reakcija biti eksplozivna. Jod je slab, tako da reakcija zamjene neće ići s njim. A astat je vrlo rijedak u prirodi, pa je teško prikupiti ga dovoljno za eksperimente.
Halogenacijski koraci
Svi alkani prolaze kroz tri faze halogenacije:
- Porijeklo lanca ili inicijacije. Pod uticajemsunčeva svetlost, toplota ili ultraljubičasto zračenje, molekul hlora Cl2 razlaže se na dva slobodna radikala. Svaki ima po jedan nespareni elektron u vanjskom sloju.
- Razvoj ili rast lanca. Radikali stupaju u interakciju s molekulima metana.
- Završetak lanca je završni dio alkanske halogenacije. Svi radikali počinju da se spajaju jedni s drugima i na kraju potpuno nestaju.
bromiranje alkana
Kada se halogeniraju viši alkani nakon etana, teškoća je stvaranje izomera. Od jedne supstance pod dejstvom sunčeve svetlosti mogu nastati različiti izomeri. To se događa kao rezultat reakcije zamjene. Ovo je dokaz da bilo koji atom H u alkanu može biti zamijenjen slobodnim radikalom tokom halogeniranja. Kompleksni alkan se razlaže na dvije supstance, čiji procenat može znatno varirati u zavisnosti od uslova reakcije.
Bromiranje propana (2-bromopropan). U reakciji halogeniranja propana sa molekulom Br2 pod utjecajem visokih temperatura i sunčeve svjetlosti, oslobađaju se 1-bromopropan - 3% i 2-bromopropan - 97%
Bromiranje butana. Kada se butan bromuje pod dejstvom svetlosti i visokih temperatura, izlazi 2% 1-bromobutana i 98% 2-bromobutana.
Razlika između hloriranja i bromiranja alkana
Kloriranje se češće koristi u industriji. Na primjer, za proizvodnju rastvarača koji sadrže mješavinu izomera. Po prijemu haloalkanateško se odvajaju jedno od drugog, ali na tržištu je mješavina jeftinija od čistog proizvoda. U laboratorijama je bromiranje češće. Brom je slabiji od hlora. Ima nisku reaktivnost, tako da atomi broma imaju visoku selektivnost. To znači da tokom reakcije atomi "biraju" koji atom vodonika će zamijeniti.
Priroda reakcije hloriranja
Prilikom hlorisanja alkana, izomeri se formiraju u približno jednakim količinama u njihovom masenom udjelu. Na primjer, hloriranje propana katalizatorom u obliku povećanja temperature na 454 stepena daje nam 2-hloropropan i 1-hloropropan u omjeru od 25% odnosno 75%. Ako se reakcija halogeniranja odvija samo uz pomoć ultraljubičastog zračenja, dobije se 43% 1-kloropropana, a 57% 2-kloropropana. U zavisnosti od uslova reakcije, odnos dobijenih izomera može varirati.
Priroda reakcije bromiranja
Kao rezultat reakcije bromiranja alkana, lako se oslobađa skoro čista supstanca. Na primjer, 1-bromopropan - 3%, 2-bromopropan - 97% molekula n-propana. Stoga se bromiranje često koristi u laboratorijama za sintetizaciju određene supstance.
Sulfacija alkana
Alkani su takođe sulfonirani mehanizmom radikalne supstitucije. Da bi se reakcija odvijala, kiseonik i sumpor oksid SO2 (sumporni anhidrid) istovremeno deluju na alkan. Kao rezultat reakcije, alkan se pretvara u alkil sulfonsku kiselinu. Primjer sulfonacije butana:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Opća formula za sulfoksidaciju alkana:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfohlorisanje alkana
U slučaju sulfohlorisanja, umesto kiseonika, koristi se hlor kao oksidaciono sredstvo. Na ovaj način se dobijaju alkansulfonski hloridi. Reakcija sulfohloriranja je zajednička za sve ugljikovodike. Javlja se na sobnoj temperaturi i sunčevoj svjetlosti. Organski peroksidi se također koriste kao katalizatori. Takva reakcija utječe samo na sekundarne i primarne veze povezane s atomima ugljika i vodika. Materija ne dopire do tercijarnih atoma, jer se reakcijski lanac prekida.
Konovalova reakcija
Reakcija nitracije, kao i reakcija halogeniranja alkana, odvija se prema mehanizmu slobodnih radikala. Reakcija se izvodi upotrebom visoko razrijeđene (10 - 20%) dušične kiseline (HNO3). Mehanizam reakcije: kao rezultat reakcije, alkani formiraju mješavinu jedinjenja. Za katalizaciju reakcije koristi se povećanje temperature do 140⁰ i normalni ili povišeni okolni tlak. Tokom nitriranja uništavaju se C–C veze, a ne samo C–H, za razliku od prethodnih reakcija supstitucije. To znači da dolazi do pucanja. To je reakcija razdvajanja.
Reakcije oksidacije i sagorevanja
Alkani se takođe oksidiraju prema vrsti slobodnih radikala. Za parafine, postoje tri vrste prerade pomoću oksidativne reakcije.
- U gasnoj fazi. Daklenabavite aldehide i niže alkohole.
- U tečnoj fazi. Koristiti termičku oksidaciju uz dodatak borne kiseline. Ovom metodom dobijaju se viši alkoholi od S10 do S20.
- U tečnoj fazi. Alkani se oksidiraju da bi se sintetizirale karboksilne kiseline.
U procesu oksidacije, slobodni radikal O2 potpuno ili djelimično zamjenjuje vodoničnu komponentu. Potpuna oksidacija je sagorijevanje.
Alkani dobrog sagorevanja koriste se kao gorivo za termoelektrane i motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Sagorevanje alkana proizvodi mnogo toplotne energije. Kompleksni alkani se postavljaju u motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Interakcija s kisikom u jednostavnim alkanima može dovesti do eksplozije. Asf alt, parafin i razna maziva za industriju proizvode se od otpadnih proizvoda koji nastaju reakcijama sa alkanima.
