Главная Энциклопедия Реакции Блоги Вопросы Ещё
Авторизация:

Редактировать статью Алканы и циклоалканы

• написать лс
• профиль
5.0
Оценка статьи
Всего голосов: 1
Репутация автора
• повысить репутацию
• история репутации
Алканы и циклоалканы
 
Традиционно курс органической химии начинают с изучения алканов - соединений, содержащий только атомы углерода и водорода (они называются углеводородами - не путать с углеводами!) и не содержащих двойных связей. Пользуясь правилом, что углерод четырёхвалентен, а водород образует только одну связь, мы можем нарисовать следующие молекулы в порядке возрастания количества атомов в них:

 
Метан, этан, пропан
 
Дальше дело становится интереснее. Следующее соединение должно иметь в себе четыре атома углерода, но выстроить их можно двумя способами:
 
Бутан и изобутан
 
Два этих соединения являются изомерами, поскольку брутто-формула у них одна и та же: C4H10. Но можно предположить, что свойства их будут различаться. Так и есть: изобутан имеет температуру кипения ниже нуля, а бутан - выше, поэтому сжижается немного легче, чем изобутан (при нормальных условиях оба вещества находятся в форме газа). Если рассматривать соединение с пятью атомами углерода, то таких изомеров будет уже три (попробуйте нарисовать их!). Общая формула у всех будет C5H12.
 
Собственно, как нетрудно проверить, у всех алканов формула выглядит как CnH2n+2. Первые восемь - это метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан и октан. Для того, чтобы выделить те изомеры, которые имеют линейное строение, их называют "нормальными", но для простоты пишут, например: н-гексан, н-гептан.
 
Теперь о свойствах. Как правило, чем "тяжелее" соединение, тем выше его температуры плавления и кипения. И это наблюдается в ряду алканов: метан - самый лёгкий из алканов -это газ, сжижающийся только при очень низкой температуре (Крит. температура - -83°C). Поэтому его хранят в баллонах под большим давлением, такие баллоны можно увидеть на некоторых автобусах, ездящих на природном газе, то есть - метане. В качестве примеси в природном газе (порядка 1%) присутствует этан, следующий алкан, также трудно сжижающийся.
 
Пропан уже более удобен в использовании: при нормальных условиях это газ, но под давлением в 25атм он сжижается, превращаясь в лёгкую прозрачную подвижную жидкость (занимающую гораздо меньший объём, чем газ при тех же условиях). В таком виде он находится в красных пропановых баллонах.
 
Бутан требует ещё меньшего давления - около 4атм, и это он плещется в небольших туристических баллонах с газом. При достаточно низкой температуре (-10°C, например) он может вообще отказаться вытекать из баллона, поэтому т.н. "зимнюю смесь" получают, добавляя небольшое количество пропана и изобутана.
 
Следующие члены ряда алканов ещё больше похожи друг на друга - это прозрачные жидкости разной степени летучести (н-пентан кипит при 30°C, а н-октан - при 125°). Но различные изомеры имеют довольно сильно отличающиеся физические характеристики, поэтому говорить, например, об октане, не уточняя, какой из 18 его изомеров имеется в виду, чаще всего бессмысленно.
 
Собственно, чистые алканы встречаются довольно редко. Например, бензин - это смесь алканов, получающаяся при перегонке нефти. Её сложно и бесмысленно разделять на отдельные вещества. Более тяжёлые фракции (с числом атомов углерода от 12 до 20) составляют основу дизельного топлива. Самые тяжёлые алканы называются парафинами. Хотя по правде говоря, полиэтилен - это тоже алкан (причём линейный!), но содержащий в себе тысячи и десятки тысяч атомов углерода. Его физические свойства вы, надеюсь, неплохо себе представляете.
 
Все алканы горят на воздухе, окисляясь до диоксида углерода и водяного пара. Метан можно каталитически окислить в метанол, формальдегид или муравьиную кислоту. Хлор с метаном реагируют, давая смесь метилхлорида, дихлорметана и хлороформа (трихлорметана).
 


Аналогично реагируют и все другие алканы, давая обычно сложную смесь продуктов. Реакции с бромом и иодом встречаются редко, а фтор обычно разрывает все связи, давая в итоге тетрафторметан и фтороводород. В целом химия алканов довольно бедна, но это и есть одна из причин, почему начинают обычно именно с них.
 
В отдельную категорию выделяются циклоалканы - алканы, имеющие циклическую структуру. Начиная с циклопропана, их ряд также бесконечен, и разнообразия в них видится больше. Существуют моноциклические, бициклические, трициклические циклоалканы, а также химические извращения развлечения вроде кубана, призмана и адамантана. Последний, кстати, содержится в нефти, своим строением напоминает кристаллическую решётку алмаза (отсюда и название) и встречается в молекулах некоторых лекарств (например, римантадина). Гораздо чаще, правда, в природных соединениях встречается циклопентановый и циклогексановые фрагменты.


Простейшие циклоалканы. Правая формула - адамантан.

По химическим и физическим свойствам циклоалканы мало отличаются от линейных алканов. Исключение составляет циклопропан и, в меньшей степени, циклобутан, из-за эффекта, известного, как "напряжение цикла". Поскольку в обычных условиях угол между C-C связями составляет около 120 град., то для того, чтобы "зажать" связи в циклопропан или циклобутан, требуется затратить дополнительную энергию (аналогично пружине или автомобильной рессоре). Поэтому в некоторых реакциях цикл может раскрываться. А поскольку запасённая энергия при этом высвобождается, то производные циклопропана исследовались как высокоэнергетичное ракетное топливо взамен керосина. Ещё одна особенность циклопропана - он удостоился чести использоваться как препарат для ингаляционного наркоза, однако был впоследствии заменён негорючими и менее токсичными аналогами.
 
 

1. Свойста многих алканов можно найти в любом приличном справочнике, например "Физические Величины", а также в Wikipedia.
2. Адамантаны: Морозов И.С., Петров В.И., Фармакология адамантанов
3. Синтин https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BD
 

Опубликовано: 12.09.2016 | 02:12

Комментарии:

Для комментирования необходима авторизация:


ChemiDay не навязывает вам свое мнение. Все что вы делаете - делаете на свой страх и риск.
О сайте | Отзывы и предложения | Обратная связь | Страница в ВК
ChemiDay.com © 2016