Контрольная работа: Алифатические предельные углеводороды и их строение
H H H H
Названия подобных радикалов образуются от названий соответствующих углеводородов путем изменения суффикса - ан на - ил: метил CH3 -, этил C2 H5 -, пропил C3 H7 - и т.д.
Зная строение углеводородов, можно понять зависимость их физических свойств от молекулярной массы. С ростом углеводородной цепи возрастают силы притяжения между молекулами, и поэтому требуется все более высокая температура для преодоления этих сил, чтобы могло произойти плавление или кипение веществ. Физические свойства зависят и от пространственного строения молекул. Например, углеводороды с разветвленной цепью атомов кипят при более низкой температуре, чем их изомеры неразветвленного строения. Такому явлению можно дать следующее объяснение. Молекулы неразветвленного строения плотнее примыкают друг к другу и сильнее взаимодействуют между собой, чем молекулы разветвленного строения, поэтому для преодоления межмолекулярных сил в первом случае требуется более сильное нагревание; чем больше разветвлены молекулы вещества, тем меньше межмолекулярное взаимодействие и тем ниже его температура кипения.
Номенклатура углеводородов. Когда мы встречаемся с явлением изомерии, то названия углеводородов, которыми пользовались до сих пор, оказываются недостаточными. Возникает необходимость дать изомерным веществам индивидуальные названия с учетом строения их углеродного скелета.
Существуют различные системы номенклатуры органических соединений.
На международных совещаниях химиков была выработана международная систематическая номенклатура. В основу ее положено название углеводородов нормального (неразветвленного) строения: метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д.
Чтобы составить название углеводорода с разветвленной цепью, его рассматривают как продукт замещения атомов водорода в нормальном углеводороде углеводородными радикалами. Порядок действий здесь может быть такой:
а) выделяют в структурной формуле наиболее длинную цепь атомов углерода и нумеруют эти атомы, начиная с того конца, к которому ближе разветвление;
б) в названии вещества цифрой указывают, при каком атоме углерода находится замещающая группа (радикал);
в) если замещающих групп несколько, цифрами отмечают каждую из них;
г) когда разветвление начинается при атомах углерода, равноудаленных от концов главной цепи, нумерацию ведут с того конца, к которому ближе расположен радикал, имеющий более простое строение[2] .
3. Химические свойства предельных углеводородов
Наиболее характерными реакциями предельных углеводородов являются реакции замещения. Так, например, при освещении метан реагирует с хлором (при сильном освещении может произойти взрыв). Фактически реакции предельных углеводородов с галогенами происходят более сложно. При поглощении световой энергии молекулы хлора распадаются на атомы. Атомы хлора с одним неспаренным электроном химически очень активны. При их столкновении с молекулой метана происходит реакция, в результате которой образуется свободный химически очень активный радикал метил. Его активность тоже объясняется наличием неспаренного электрона (неиспользованной валентности).
Частицы, имеющие неспаренные электроны и обладающие в связи с этим неиспользованными валентностями, называются свободными радикалами.
Из вышесказанного видно, что реакция метана с хлором протекает по свободнорадикалъному механизму. Радикал метил (который обладает очень высокой реакционной способностью) реагирует с другой молекулой хлора, разрывает в ней связи между атомами и отщепляет свободные атомы хлора с неспаренными электронами. Таким образом, рождаются новые химически активные частицы, которые вызывают дальнейшие превращения.
Реакции, в результате которых происходит цепь последовательных превращений, называются цепными реакциями.
Аналогично реагируют с хлором этан, пропан и другие предельные углеводороды. Образовавшиеся вещества называются хлорпроизводными (в общем случае - галогенопроизводными). Многие из них используются в качестве растворителей. Так как предельные углеводороды реагируют с галогенами только при повышенной температуре или под воздействием света, бромную воду при обычной температуре они не обесцвечивают.
Все предельные углеводороды горят с образованием оксида углерода (IV) и воды. Метан горит бесцветным пламенем, с выделением теплоты:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2 О + 880 кДж
Смесь метана с воздухом (при содержании метана от 5 до 15% по объему) при поджигании сгорает со взрывом. Взрыв может происходить и в смесях других предельных углеводородов с воздухом. Поэтому смеси метана, этана, пропана и бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в каменноугольных шахтах, в заводских котельных, в мастерских и в жилых помещениях.
При сильном нагревании (выше 1000 °С) без доступа воздуха предельные углеводороды разлагаются:
Если метан нагреть до более высокой температуры (1500 °С), то реакция происходит так:
2СН4 →Н - С=С - Н + ЗН2
Эта реакция дегидрирования (отщепления водорода) имеет большое промышленное значение, так же как и дегидрирование других предельных углеводородов, в том числе этана С2 Н6 :
Углеводороды нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании подвергаются реакциям изомеризации и превращаются в углеводороды разветвленного строения:
пентан 2-метилбутан
Применение метана очень разнообразно. В виде природного газа метан широко используется в качестве топлива.
Большое практическое значение имеют и хлорпроизводные метана. Дихлорметан СН2 С12 , трихлорметан (хлороформ) СНС13 , тетрахлорметан (тетра-хлорид углерода) СС14 , 1,2-дихлорэтан С1 СН2 СН2 С1 , - жидкости, которые используются в качестве растворителей. Трихлорметан (хлороформ) и три-иодметан (йодоформ) применяются в медицине. Так как тетрахлорметан при испарении образует тяжелые пары, которые изолируют горящий предмет от доступа кислорода воздуха, то его применяют для тушения пожаров[3] .
4. Применение и получение предельных углеводородов
Применение углеводородов. Высокая теплота сгорания углеводородов обусловливает использование их в качестве топлива. Метан в составе природного газа находит все более широкое применение в быту и на производстве. Получило распространение применение пропана и бутана в виде "сжиженного газа", особенно в тех местностях, где нет подводки природного газа. Жидкие углеводороды используются как горючее для двигателей внутреннего сгорания в автомашинах, самолетах и т.д.
Как весьма доступный углеводород, метан все в большей степени используется в качестве химического сырья.