Химия

Чем объясняется пассивность алканов

 

Химические свойства алканов

 

Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:

1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.
2. Из-за прочных связей С-С и С-Н (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO₄ и т. п.)
3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.

Основной тип реакций – радикальное замещение (radical substitution) S_R.

Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.

 

Реакция галогенирования

 

 

Взаимодействие алканов с галогенами (элементы VII-A группы) носит общее название –реакция галогенирования. Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.

 

Фтор химически слишком активен, и реакции алканов с его участием сопровождаютсявзрывом и окислением до CF₄.

Взаимодействие алканов с йодом практически не протекает.

Реакции хлорирования и бромирования проводят при 300–400 ^оC или при облучении УФ-лампой.

Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана

При хлорировании атом Н в молекуле метана замещается на атом Cl. В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl;

CH₃Cl + Сl₂ CH₂Cl₂ + HCl;

CH₂Cl₂ + Сl₂ CHCl₃ + HCl;

CHCl₃ + Сl₂ CCl₄ + HCl.

 

Механизм радикального замещения

 

 

Механизм реакции – последовательность стадий, через которые проходит химическая реакция.

 

 

---

Для химиков

Стадия 1 – зарождение цепи (инициация)

Когда молекулу хлора нагревают или облучают, слабая связь между атомами хлора рвется, при этом каждому из атомов при разрыве связи достается по одному электрону.

В результате образуются незаряженные частицы с неспаренным электроном – радикалы. Атомы в радикалах содержат на внешнем уровне нечетное число электронов. Поэтому радикалы – очень неустойчивые и реакционноспособные частицы.

Cl:Сl  2 Сl^·

Стадия 2 – развитие (рост) цепи

Атом хлора при столкновении с молекулой алкана отрывает от нее атом Н, и образуется молекула HCl. Возникает новый свободный радикал ^·СН₃. Он далее реагирует с другой молекулой хлора. Такие взаимодействия могут повторяться много раз, образуя длинную цепь.

Сl^· + CH₄ → HCl + ^·СН₃

^·СН₃ + Сl₂ → Сl^· + CH₃Сl

Стадия 3 – обрыв цепи (рекомбинация)

Два радикала могут встретиться, и цепь прервется:

^·СН₃ + Сl^· → CH₃Сl

2Сl^· → Сl₂

2^·СН₃ → CH₃–CH₃

Обратите внимание: в последнем случае возникает вещество, в молекуле которого больше атомов углерода, чем в исходном алкане. Поэтому в смеси продуктов радикальных реакций алканов всегда присутствуют небольшие количества веществ с более длинной углеродной цепью.

---

 

Особенности радикального замещения

В реакцию радикального замещения легче всего вступают атомы водорода при третичном атоме С, затем при вторичном, а сложнее всего разорвать связь С-Н при первичном атоме углерода. Поэтому при бромировании 2-метилбутана преимущественно образуется 2-бром-2-метилбутан:

Реакция нитрования

По механизму радикального замещения протекает реакция нитрования алканов в газовой фазе (реакция Коновалова). Условия – повышенные температура и давление.

В парообразном состоянии азотная кислота разлагается:

2HNO₃ 2NO₂ + ½O₂ + H₂O

Оксид азота (IV) является радикалом ^·NO₂. Он атакует молекулу алкана.

Итоговая реакция:

СH₄ + HNO₃ = СН₃NO₂ + H₂O

Горение алканов

Рис. 1. Горение метана

Горение алканов (рис. 1) также является радикальной цепной реакцией, но, кроме того – разветвленной. На стадии развития цепи встречаются процессы, приводящие к размножению радикалов (разветвление). Фрагмент механизма горения метана:

• Инициирование:

RH + O₂ = R^· + ^·HO₂ (и др.)

• Развитие цепи:

R^· + O₂ = ^·RO₂

^·RO₂ + RH = ROOH + R^·

• Разветвление:

ROOH = RO^· + ^·OH

ROOH + RH = RO^· + R^· + H₂O

2ROOH = ^·RO₂ + RO^· + H₂O

Смесь метана с кислородом (в объёмном соотношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Поэтому смеси метана, пропана, этана, бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в шахтах, в мастерских, в жилых помещениях. С этими газами нужно проявлять осторожность при применении. 

 

Подведение итога урока

 

 

На уроке была рассмотрена тема: «Алканы. Химические свойства. Радикальное замещение на примере реакции галогенирования». Вы узнали много нового о химических свойствах алканов, в частности, что представляет собой радикальное замещение, используя для примера реакцию галогенирования.

 

 

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.
4. Хомченко Г. П., Хомченко И. Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Химик» (Источник)

 

Домашнее задание

1. №№ 13, 18 (с. 22) Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Напишите уравнения реакций последовательного хлорирования пропана?
3. Какой из углеводородов легче вступит в реакцию радикального замещения: бутан или 2-метилпропан? Почему? Напишите уравнения реакций.