Չնայած այն փաստին, որ ալկանները ոչ ակտիվ են, նրանք ունակ են մեծ քանակությամբ էներգիա ազատել հալոգենների կամ այլ ազատ ռադիկալների հետ փոխազդեցության ժամանակ: Ալկանները և դրանց հետ ռեակցիաները մշտապես օգտագործվում են բազմաթիվ արդյունաբերություններում:
Ալկանների փաստեր
Ալկանները կարևոր տեղ են զբաղեցնում օրգանական քիմիայում։ Ալկանների բանաձևը քիմիայում C H2n+2 է: Ի տարբերություն արոմատիկ նյութերի, որոնք ունեն բենզոլային օղակ, ալկանները համարվում են ալիֆատիկ (ացիկլիկ):
Ցանկացած ալկանի մոլեկուլում բոլոր տարրերը կապված են մեկ կապով: Ուստի նյութերի այս խումբն ունի «–ան» վերջավորությունը։ Համապատասխանաբար, ալկեններն ունեն մեկ կրկնակի կապ, իսկ ալկինները՝ մեկ եռակի կապ։ Օրինակ՝ ալկոդիեններն ունեն երկու կրկնակի կապ։
Ալկանները հագեցած ածխաջրածիններ են։ Այսինքն՝ պարունակում են H (ջրածնի) ատոմների առավելագույն քանակ։ Ալկանի բոլոր ածխածնի ատոմները գտնվում են sp3 դիրքում՝ հիբրիդացում: Սա նշանակում է, որ ալկանի մոլեկուլը կառուցված է քառանիստ կանոնի համաձայն։ Մեթանի մոլեկուլը (CH4) նման է քառաեդրոնի,իսկ մնացած ալկաններն ունեն զիգզագաձեւ կառուցվածք։
Ալկաններում C-ի բոլոր ատոմները միացված են ơ - կապերի միջոցով (սիգմա - կապեր): C–C կապերը ոչ բևեռային են, C–H կապերը թույլ բևեռային են։
Ալկանների հատկությունները
Ինչպես նշվեց վերևում, ալկանների խումբը քիչ ակտիվություն ունի: Երկու C ատոմների և C և H ատոմների միջև կապերը ամուր են, ուստի դրանք դժվար է ոչնչացնել արտաքին ազդեցություններից: Ալկանների բոլոր կապերը ơ կապեր են, ուստի, եթե դրանք կոտրվում են, դա սովորաբար հանգեցնում է ռադիկալների:
Ալկանների հալոգենացում
Ատոմների կապերի հատուկ հատկությունների շնորհիվ ալկանները բնորոշ են փոխարինման և տարրալուծման ռեակցիաներին: Ալկաններում փոխարինման ռեակցիաներում ջրածնի ատոմները փոխարինում են այլ ատոմների կամ մոլեկուլների։ Ալկանները լավ են արձագանքում հալոգենների հետ՝ նյութեր, որոնք գտնվում են Մենդելեևի պարբերական աղյուսակի 17-րդ խմբում: Հալոգեններն են՝ ֆտորը (F), բրոմը (Br), քլորը (Cl), յոդը (I), աստատինը (At) և տենեսինը (Ts)։ Հալոգենները շատ ուժեղ օքսիդացնող նյութեր են: Նրանք փոխազդում են Դ. Ի. Մենդելեևի աղյուսակի գրեթե բոլոր նյութերի հետ։
Ալկանների քլորացման ռեակցիաներ
Գործնականում բրոմը և քլորը սովորաբար մասնակցում են ալկանների հալոգենացմանը։ Ֆտորը չափազանց ակտիվ տարր է. դրա հետ ռեակցիան պայթյունավտանգ կլինի: Յոդը թույլ է, ուստի փոխարինման ռեակցիան դրա հետ չի գնա: Իսկ աստատինը բնության մեջ շատ հազվադեպ է, ուստի դժվար է այն բավականաչափ հավաքել փորձերի համար:
Հալոգենացման քայլեր
Բոլոր ալկաններն անցնում են հալոգենացման երեք փուլով.
- Շղթայի կամ սկզբնավորման ծագումը. Ազդեցության տակարևի լույսը, ջերմությունը կամ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումը, քլորի մոլեկուլը Cl2 բաժանվում է երկու ազատ ռադիկալների: Յուրաքանչյուրն ունի մեկ չզույգված էլեկտրոն արտաքին շերտում:
- Շղթայի զարգացում կամ աճ. Ռադիկալները փոխազդում են մեթանի մոլեկուլների հետ։
- Շղթայի ավարտը ալկանային հալոգենացման վերջնական մասն է: Բոլոր ռադիկալները սկսում են միավորվել միմյանց հետ և, ի վերջո, ամբողջությամբ անհետանալ:
Ալկանների բրոմացում
Էթանից հետո ավելի բարձր ալկաններ հալոգենացնելիս դժվարությունը իզոմերների առաջացումն է: Արեգակի լույսի ազդեցության տակ մեկ նյութից կարող են առաջանալ տարբեր իզոմերներ։ Դա տեղի է ունենում փոխարինման ռեակցիայի արդյունքում։ Սա ապացույց է, որ ալկանում H-ի ցանկացած ատոմ հալոգենացման ժամանակ կարող է փոխարինվել ազատ ռադիկալով։ Բարդ ալկանը քայքայվում է երկու նյութի, որոնց տոկոսը կարող է մեծապես տարբերվել՝ կախված ռեակցիայի պայմաններից։
Պրոպանի բրոմացում (2-բրոմպրոպան). Բարձր ջերմաստիճանի և արևի լույսի ազդեցության տակ Br2 մոլեկուլով պրոպանի հալոգենացման ռեակցիայում արտազատվում է 1-բրոմպրոպան՝ 3% և 2-բրոմպրոպան՝ 97%։
Բութանի բրոմացիա. Լույսի և բարձր ջերմաստիճանի ազդեցության տակ բութանը բրոմացվում է, դուրս է գալիս 2% 1-բրոմբութան և 98% 2-բրոմբութան:
Ալկանների քլորացման և բրոմացման միջև տարբերությունը
Քլորացումը ավելի հաճախ օգտագործվում է արդյունաբերության մեջ: Օրինակ՝ իզոմերների խառնուրդ պարունակող լուծիչների արտադրության համար։ Հալոալկանը ստանալուց հետոդժվար է առանձնանալ միմյանցից, բայց շուկայում խառնուրդն ավելի էժան է, քան մաքուր արտադրանքը: Լաբորատորիաներում բրոմացումը ավելի տարածված է: Բրոմն ավելի թույլ է, քան քլորը։ Այն ունի ցածր ռեակտիվություն, ուստի բրոմի ատոմներն ունեն բարձր ընտրողականություն։ Սա նշանակում է, որ ռեակցիայի ընթացքում ատոմները «ընտրում են», թե որ ջրածնի ատոմը փոխարինեն։
Քլորացման ռեակցիայի բնույթը
Ալկանները քլորացնելիս իզոմերները ձևավորվում են մոտավորապես հավասար քանակությամբ իրենց զանգվածային մասում: Օրինակ, պրոպանի քլորացումը կատալիզատորով ջերմաստիճանի բարձրացման տեսքով մինչև 454 աստիճան մեզ տալիս է 2-քլորոպրոպան և 1-քլորոպրոպան՝ համապատասխանաբար 25% և 75% հարաբերակցությամբ։ Եթե հալոգենացման ռեակցիան տեղի է ունենում միայն ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման օգնությամբ, ապա ստացվում է 1-քլորոպրոպանի 43%-ը, իսկ 2-քլորոպրոպանի 57%-ը։ Կախված ռեակցիայի պայմաններից՝ ստացված իզոմերների հարաբերակցությունը կարող է տարբեր լինել։
Բրոմացման ռեակցիայի բնույթը
Ալկանների բրոմացման ռեակցիաների արդյունքում հեշտությամբ ազատվում է գրեթե մաքուր նյութ։ Օրինակ՝ 1-բրոմպրոպան՝ 3%, 2-բրոմպրոպան՝ n-պրոպանի մոլեկուլի 97%-ը։ Հետևաբար, բրոմացումը հաճախ օգտագործվում է լաբորատորիաներում որոշակի նյութ սինթեզելու համար:
Ալկանների սուլֆացում
Ալկանները նույնպես սուլֆոնացվում են ռադիկալների փոխարինման մեխանիզմով։ Որպեսզի ռեակցիան տեղի ունենա, թթվածինը և ծծմբի օքսիդը SO2 (ծծմբային անհիդրիդ) միաժամանակ գործում են ալկանի վրա: Ռեակցիայի արդյունքում ալկանը վերածվում է ալկիլսուլֆոնաթթվի։ Բութանի սուլֆոնացման օրինակ՝
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Ալկանների սուլֆօքսիդացման ընդհանուր բանաձև՝
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Ալկանների սուլֆոքլորացում
Սուլֆոքլորացման դեպքում թթվածնի փոխարեն որպես օքսիդացնող նյութ օգտագործվում է քլորը։ Այս կերպ են ստացվում ալկանասուլֆոնային քլորիդներ։ Սուլֆոքլորացման ռեակցիան ընդհանուր է բոլոր ածխաջրածինների համար։ Այն տեղի է ունենում սենյակային ջերմաստիճանում և արևի լույսի ներքո: Օրգանական պերօքսիդները նույնպես օգտագործվում են որպես կատալիզատոր։ Նման ռեակցիան ազդում է միայն ածխածնի և ջրածնի ատոմների հետ կապված երկրորդական և առաջնային կապերի վրա։ Նյութը չի հասնում երրորդական ատոմներին, քանի որ ռեակցիայի շղթան ընդհատվում է։
Կոնովալովի արձագանքը
Նիտրացիոն ռեակցիան, ինչպես ալկանների հալոգենացման ռեակցիան, ընթանում է ազատ ռադիկալների մեխանիզմով։ Ռեակցիան իրականացվում է բարձր նոսր (10 - 20%) ազոտաթթվի (HNO3) օգտագործմամբ: Ռեակցիայի մեխանիզմ. ռեակցիայի արդյունքում ալկանները միացությունների խառնուրդ են առաջացնում։ Ռեակցիան կատալիզացնելու համար օգտագործվում է ջերմաստիճանի բարձրացում մինչև 140⁰ և շրջակա միջավայրի նորմալ կամ բարձր ճնշման բարձրացում։ Նիտրացիայի ժամանակ քայքայվում են C–C կապերը, և ոչ միայն C–H, ի տարբերություն նախորդ փոխարինման ռեակցիաների։ Սա նշանակում է, որ ճեղքվածք է տեղի ունենում։ Դա պառակտման ռեակցիան է:
Օքսիդացման և այրման ռեակցիաներ
Ալկանները նույնպես օքսիդացվում են ըստ ազատ ռադիկալների տեսակի։ Պարաֆինների համար կա երեք տեսակի մշակում՝ օգտագործելով օքսիդատիվ ռեակցիա:
- Գազային փուլում. Այսպիսովստացեք ալդեհիդներ և ցածր սպիրտներ։
- Հեղուկ փուլում. Օգտագործեք ջերմային օքսիդացում բորաթթվի ավելացմամբ: Այս մեթոդով ավելի բարձր սպիրտներ են ստացվում С10-ից մինչև С20:
- Հեղուկ փուլում. Ալկանները օքսիդացվում են կարբոքսիլաթթուների սինթեզման համար:
Օքսիդացման գործընթացում ազատ ռադիկալը O2 ամբողջությամբ կամ մասամբ փոխարինում է ջրածնի բաղադրիչին: Ամբողջական օքսիդացումն այրումն է։
Լավ այրվող ալկանները օգտագործվում են որպես վառելիք ջերմային էլեկտրակայանների և ներքին այրման շարժիչների համար: Այրվող ալկանները մեծ քանակությամբ ջերմային էներգիա են արտադրում։ Ներքին այրման շարժիչներում տեղադրվում են բարդ ալկաններ։ Պարզ ալկաններում թթվածնի հետ փոխազդեցությունը կարող է հանգեցնել պայթյունի: Ասֆալտը, պարաֆինը և արդյունաբերության համար տարբեր քսանյութեր պատրաստվում են ալկանների հետ ռեակցիաների արդյունքում առաջացող թափոններից։
