Քիմիական միացությունների յուրաքանչյուր դաս ունակ է դրսևորել հատկություններ իրենց էլեկտրոնային կառուցվածքի շնորհիվ: Ալկանները բնութագրվում են մոլեկուլների փոխարինման, վերացման կամ օքսիդացման ռեակցիաներով։ Բոլոր քիմիական գործընթացներն ունեն հոսքի իրենց առանձնահատկությունները, որոնք կքննարկվեն հետագա:
Ինչ են ալկանները
Սրանք հագեցած ածխաջրածնային միացություններ են, որոնք կոչվում են պարաֆիններ: Նրանց մոլեկուլները բաղկացած են միայն ածխածնի և ջրածնի ատոմներից, ունեն գծային կամ ճյուղավորված ացիկլիկ շղթա, որում կան միայն առանձին միացություններ։ Հաշվի առնելով դասի բնութագրերը՝ կարելի է հաշվել, թե որ ռեակցիաներն են բնորոշ ալկաններին։ Նրանք ենթարկվում են ամբողջ դասարանի բանաձևին՝ H2n+2C.
Քիմիական կառուցվածք
Պարաֆինի մոլեկուլը ներառում է ածխածնի ատոմներ, որոնք ցույց են տալիս sp3-հիբրիդացում: Նրանք ունեն բոլոր չորս վալենտային ուղեծրերը, որոնք ունեն նույն ձևը, էներգիան և ուղղությունը տարածության մեջ: Էներգիայի մակարդակների միջև անկյան չափը 109° և 28' է։
Մոլեկուլներում առանձին կապերի առկայությունը որոշում է, թե որ ռեակցիաներըալկաններին բնորոշ. Պարունակում են σ-միացություններ։ Ածխածինների միջև կապը ոչ բևեռ է և թույլ բևեռացվող, և մի փոքր ավելի երկար է, քան C−H-ում: Կա նաև էլեկտրոնի խտության տեղաշարժ դեպի ածխածնի ատոմ, որպես առավել էլեկտրաբացասական: Արդյունքում C−H միացությունը բնութագրվում է ցածր բևեռականությամբ։
Փոխարինման ռեակցիաներ
Պարաֆինի դասի նյութերն ունեն թույլ քիմիական ակտիվություն։ Դա կարելի է բացատրել C–C-ի և C–H-ի միջև կապերի ուժով, որոնք դժվար է կոտրվել ոչ բևեռականության պատճառով։ Դրանց ոչնչացումը հիմնված է հոմոլիտիկ մեխանիզմի վրա, որին մասնակցում են ազատ տիպի ռադիկալները։ Այդ իսկ պատճառով ալկաններին բնորոշ են փոխարինման ռեակցիաները։ Նման նյութերը չեն կարողանում փոխազդել ջրի մոլեկուլների կամ լիցք կրող իոնների հետ։
Դրանք ներառում են ազատ ռադիկալների փոխարինում, որի դեպքում ջրածնի ատոմները փոխարինվում են հալոգեն տարրերով կամ այլ ակտիվ խմբերով: Այս ռեակցիաները ներառում են հալոգենացման, սուլֆոքլորացման և նիտրացման հետ կապված գործընթացներ: Դրանց արդյունքը ալկանների ածանցյալների պատրաստումն է։
Ազատ ռադիկալների փոխարինման ռեակցիաների մեխանիզմը հիմնված է հիմնական երեք փուլերի վրա՝
- Գործընթացը սկսվում է շղթայի մեկնարկից կամ միջուկից, որի արդյունքում առաջանում են ազատ ռադիկալներ։ Կատալիզատորները ուլտրամանուշակագույն լույսի և ջերմության աղբյուրներն են։
- Այնուհետև առաջանում է շղթա, որում տեղի են ունենում ակտիվ մասնիկների հաջորդական փոխազդեցություններ ոչ ակտիվ մոլեկուլների հետ։Դրանք վերածվում են համապատասխանաբար մոլեկուլների և ռադիկալների։
- Վերջին քայլը շղթան կոտրելն է: Դիտվում է ակտիվ մասնիկների վերահամակցում կամ անհետացում։ Սա դադարեցնում է շղթայական ռեակցիայի զարգացումը։
Հալոգենացման գործընթաց
Այն հիմնված է ռադիկալ տիպի մեխանիզմի վրա։ Ալկանների հալոգենացման ռեակցիան տեղի է ունենում ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման և հալոգենների և ածխաջրածինների խառնուրդի տաքացման միջոցով։
Գործընթացի բոլոր փուլերը ենթակա են Մարկովնիկովի հայտարարած կանոնին։ Այն նշում է, որ առաջին հերթին ջրածնի ատոմը, որը պատկանում է ամենաջրածինացված ածխածինին, ենթակա է փոխարինման հալոգենով։ Հալոգենացումն ընթանում է հետևյալ հաջորդականությամբ՝ երրորդական ատոմից մինչև առաջնային ածխածին։
Գործընթացը ավելի լավ է երկար հիմնական ածխածնային շղթայով ալկանային մոլեկուլների համար: Սա պայմանավորված է այս ուղղությամբ իոնացնող էներգիայի նվազմամբ, էլեկտրոնն ավելի հեշտությամբ բաժանվում է նյութից:
Օրինակ է մեթանի մոլեկուլի քլորացումը: Ուլտրամանուշակագույնի գործողությունը հանգեցնում է քլորի պառակտմանը ռադիկալ մասնիկների, որոնք հարձակվում են ալկանի վրա: Տեղի է ունենում ատոմային ջրածնի անջատում և առաջանում H3C· կամ մեթիլ ռադիկալ: Նման մասնիկն իր հերթին հարձակվում է մոլեկուլային քլորի վրա՝ հանգեցնելով նրա կառուցվածքի քայքայման և նոր քիմիական ռեագենտի ձևավորմանը։
Գործընթացի յուրաքանչյուր փուլում փոխարինվում է ջրածնի միայն մեկ ատոմ: Ալկանների հալոգենացման ռեակցիան հանգեցնում է քլորմեթանի, երկքլորմեթանի, տրիքլորմեթանի և ածխածնի քառաքլորիդի մոլեկուլների աստիճանական ձևավորմանը։
Սխեմատիկորեն գործընթացը հետևյալն է.
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Ի տարբերություն մեթանի մոլեկուլի քլորացման, այլ ալկանների հետ նման գործընթաց իրականացնելը բնութագրվում է այնպիսի նյութերի ստացմամբ, որոնցում ջրածնի փոխարինումը տեղի է ունենում ոչ թե մեկ ածխածնի, այլ մի քանի ատոմում։ Նրանց քանակական հարաբերակցությունը կապված է ջերմաստիճանի ցուցանիշների հետ։ Ցուրտ պայմաններում նկատվում է երրորդական, երկրորդական և առաջնային կառուցվածք ունեցող ածանցյալների առաջացման արագության նվազում։
Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ նման միացությունների առաջացման արագությունը նվազում է: Հալոգենացման գործընթացի վրա ազդում է ստատիկ գործոնը, որը վկայում է ածխածնի ատոմի հետ ռադիկալի բախման այլ հավանականության մասին:
Յոդով հալոգենացման գործընթացը նորմալ պայմաններում չի ընթանում։ Պետք է ստեղծել հատուկ պայմաններ։ Երբ մեթանը ենթարկվում է այս հալոգենի ազդեցությանը, առաջանում է ջրածնի յոդ։ Դրա վրա ազդում է մեթիլ յոդիդը, արդյունքում ազատվում են սկզբնական ռեակտիվները՝ մեթանը և յոդը։ Նման ռեակցիան համարվում է շրջելի։
Վուրցի ռեակցիա ալկանների համար
սիմետրիկ կառուցվածքով հագեցած ածխաջրածինների ստացման մեթոդ է։ Որպես ռեակտիվներ օգտագործվում են նատրիումի մետաղ, ալկիլ բրոմիդներ կամ ալկիլ քլորիդներ։ ժամըդրանց փոխազդեցությունից առաջանում է նատրիումի հալոգենիդ և ընդլայնված ածխաջրածնային շղթա, որը երկու ածխաջրածնային ռադիկալների գումարն է։ Սխեմատիկորեն սինթեզը հետևյալն է՝ R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl։
Վուրցի ռեակցիան ալկանների համար հնարավոր է միայն այն դեպքում, եթե նրանց մոլեկուլներում հալոգենները գտնվում են առաջնային ածխածնի ատոմում: Օրինակ՝ CH3−CH2−CH2Br.
Եթե գործընթացում ներգրավված է երկու միացությունների հալոածխածնային խառնուրդ, ապա դրանց շղթաների խտացման ժամանակ առաջանում են երեք տարբեր արգասիքներ։ Ալկանների նման ռեակցիայի օրինակ է նատրիումի փոխազդեցությունը քլորմեթանի և քլորէթանի հետ։ Արդյունքը բութան, պրոպան և էթան պարունակող խառնուրդ է։
Բացի նատրիումից, կարող են օգտագործվել նաև այլ ալկալիական մետաղներ, որոնք ներառում են լիթիում կամ կալիում:
Սուլֆոքլորացման գործընթաց
Այն նաև կոչվում է եղեգի ռեակցիա։ Այն ընթանում է ազատ ռադիկալների փոխարինման սկզբունքով։ Սա ալկանների ռեակցիայի բնորոշ տեսակ է ծծմբի երկօքսիդի և մոլեկուլային քլորի խառնուրդի ազդեցությանը ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման առկայության դեպքում:
Գործընթացը սկսվում է շղթայական մեխանիզմի գործարկումից, որի ժամանակ քլորից ստացվում է երկու ռադիկալ։ Նրանցից մեկը հարձակվում է ալկանի վրա, որի արդյունքում առաջանում է ալկիլ տեսակ և ջրածնի քլորիդի մոլեկուլ: Ծծմբի երկօքսիդը կցվում է ածխաջրածնային ռադիկալին, որպեսզի ձևավորվի բարդ մասնիկ: Կայունացման համար քլորի մեկ ատոմը բռնվում է մեկ այլ մոլեկուլից: Վերջնական նյութը ալկան սուլֆոնիլքլորիդն է, այն օգտագործվում է մակերեսային ակտիվ միացությունների սինթեզում։
Սխեմատիկորեն գործընթացը հետևյալն է.
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Նիտրացիայի հետ կապված գործընթացներ
Ալկանները փոխազդում են ազոտաթթվի հետ 10% լուծույթի, ինչպես նաև գազային վիճակում գտնվող քառավալենտ ազոտի օքսիդի հետ։ Դրա հոսքի պայմաններն են բարձր ջերմաստիճանի արժեքները (մոտ 140 ° C) և ցածր ճնշման ցուցանիշները: Նիտրոալկանները արտադրվում են ելքի վրա։
Այս ազատ ռադիկալ գործընթացն անվանվել է գիտնական Կոնովալովի անունով, ով հայտնաբերեց նիտրացիայի սինթեզը՝ CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Հատման մեխանիզմ
Ալկանները բնութագրվում են ջրազրկման և ճեղքման ռեակցիաներով: Մեթանի մոլեկուլը ենթարկվում է ամբողջական ջերմային տարրալուծման։
Վերոնշյալ ռեակցիաների հիմնական մեխանիզմը ալկաններից ատոմների վերացումն է։
ջրազրկման գործընթաց
Երբ պարաֆինների ածխածնային կմախքից անջատվում են ջրածնի ատոմները, բացառությամբ մեթանի, ստացվում են չհագեցած միացություններ։ Ալկանների նման քիմիական ռեակցիաները տեղի են ունենում բարձր ջերմաստիճաններում (400-ից 600 ° C) և արագացուցիչների ազդեցության տակ՝ պլատինի, նիկելի, քրոմի և ալյումինի օքսիդների տեսքով։
Եթե պրոպանի կամ էթանի մոլեկուլները ներգրավված են ռեակցիայի մեջ, ապա դրա արտադրանքը կլինի պրոպեն կամ էթեն մեկ կրկնակի կապով:
Չորս կամ հինգ ածխածնային կմախքը ջրազրկելիս դիենըկապեր. Բութանը ձևավորվում է բութադիեն-1, 3 և բութադիեն-1, 2-ից:
Եթե ռեակցիայի մեջ առկա են 6 և ավելի ածխածնի ատոմ ունեցող նյութեր, ապա առաջանում է բենզոլ: Այն ունի անուշաբույր միջուկ՝ երեք կրկնակի կապերով։
Քայքայման գործընթաց
Բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում ալկանների ռեակցիաները կարող են տեղի ունենալ ածխածնային կապերի խզման և ռադիկալ տիպի ակտիվ մասնիկների առաջացման հետ։ Նման պրոցեսները կոչվում են ճեղքում կամ պիրոլիզ:
Ռեակտիվ նյութերի 500 °C-ից բարձր ջերմաստիճանի տաքացումը հանգեցնում է նրանց մոլեկուլների քայքայմանը, որի ընթացքում առաջանում են ալկիլ տիպի ռադիկալների բարդ խառնուրդներ։
Ալկանների պիրոլիզի իրականացումը երկար ածխածնային շղթաներով ուժեղ տաքացման պայմաններում կապված է հագեցած և չհագեցած միացությունների ստացման հետ։ Այն կոչվում է ջերմային ճեղքվածք: Այս գործընթացը կիրառվում էր մինչև 20-րդ դարի կեսերը։
Թերությունը ցածր օկտանային թվով ածխաջրածինների արտադրությունն էր (65-ից ոչ ավելի), ուստի այն փոխարինվեց կատալիտիկ ճեղքմամբ։ Գործընթացը տեղի է ունենում 440 °C-ից ցածր ջերմաստիճանի և 15 մթնոլորտից ցածր ճնշման պայմաններում, ալյումինոսիլիկատային արագացուցիչի առկայության դեպքում՝ ճյուղավորված կառուցվածք ունեցող ալկանների արտազատմամբ։ Օրինակ՝ մեթանի պիրոլիզն է՝ 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2: Այս ռեակցիայի ընթացքում առաջանում են ացետիլեն և մոլեկուլային ջրածին։
Մեթանի մոլեկուլը կարող է փոխակերպման ենթարկվել. Այս ռեակցիան պահանջում է ջուր և նիկելի կատալիզատոր: Վրաելքը ածխածնի մոնօքսիդի և ջրածնի խառնուրդ է։
Օքսիդացման գործընթացներ
Ալկաններին բնորոշ քիմիական ռեակցիաները ներառում են էլեկտրոնների նվիրատվություն:
Կա պարաֆինների ինքնաօքսիդացում։ Այն ներառում է հագեցած ածխաջրածինների օքսիդացման ազատ ռադիկալների մեխանիզմ: Ռեակցիայի ընթացքում ալկանների հեղուկ փուլից ստացվում են հիդրոպերօքսիդներ։ Նախնական փուլում պարաֆինի մոլեկուլը փոխազդում է թթվածնի հետ, ինչի արդյունքում ակտիվ ռադիկալներ են ազատվում։ Ավելին, մեկ այլ մոլեկուլ O2 փոխազդում է ալկիլ մասնիկի հետ, որի արդյունքում առաջանում է ∙ROO: Ալկանի մոլեկուլը շփվում է ճարպաթթվի պերօքսիդի ռադիկալի հետ, որից հետո հիդրոպերօքսիդ է արտազատվում։ Օրինակ էթանի ինքնօքսիդացումն է՝
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Ալկանները բնութագրվում են այրման ռեակցիաներով, որոնք հիմնական քիմիական հատկություններից են, երբ դրանք որոշվում են վառելիքի բաղադրության մեջ: Նրանք ունեն օքսիդատիվ բնույթ ջերմության արտանետմամբ. 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Եթե գործընթացում կա փոքր քանակությամբ թթվածին, ապա վերջնական արտադրանքը կարող է լինել ածուխ կամ ածխածնի երկվալենտ օքսիդ, որը որոշվում է O2 կոնցենտրացիայով::
Երբ ալկանները օքսիդացվում են կատալիտիկ նյութերի ազդեցության տակ և տաքացվում են մինչև 200°C, ալկոհոլի, ալդեհիդի կամ մոլեկուլների.կարբոքսիլաթթու.
Էթան օրինակ՝
C2H6 + O2 → C2 H5OH (էթանոլ),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (էթանալ և ջուր), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (էթանաթթու և ջուր).
Ալկանները կարող են օքսիդանալ, երբ ենթարկվում են եռանդամ ցիկլային պերօքսիդների: Դրանք ներառում են dimethyldioxirane: Պարաֆինների օքսիդացման արդյունքը ալկոհոլի մոլեկուլ է։
Պարաֆինների ներկայացուցիչները չեն արձագանքում KMnO4 կամ կալիումի պերմանգանատին, ինչպես նաև բրոմային ջրին:
Իզոմերիացում
Ալկանների վրա ռեակցիայի տեսակը բնութագրվում է էլեկտրոֆիլ մեխանիզմով փոխարինմամբ։ Սա ներառում է ածխածնային շղթայի իզոմերիացում: Այս գործընթացը կատալիզացվում է ալյումինի քլորիդով, որը փոխազդում է հագեցած պարաֆինի հետ։ Օրինակ է բութանի մոլեկուլի իզոմերացումը, որը դառնում է 2-մեթիլպրոպան. C4H10 → C3 H 7CH3.
Օծանելիքի գործընթաց
Հագեցած ածխածնի վեց կամ ավելի ատոմներով հիմնական ածխածնային շղթայում ունակ են ջրազերծման: Նման ռեակցիան բնորոշ չէ կարճ մոլեկուլներին։ Արդյունքը միշտ վեց անդամի օղակ է ցիկլոհեքսանի և նրա ածանցյալների տեսքով:
Ռեակցիայի արագացուցիչների առկայության դեպքում տեղի է ունենում հետագա ջրազրկում ևվերածվելով ավելի կայուն բենզոլային օղակի: Ացիկլային ածխաջրածինները վերածվում են արոմատիկ միացությունների կամ արենների։ Օրինակ՝ հեքանի ջրազերծումը.
H3C−CH2− CH2− CH− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6
H 12(ցիկլոհեքսան),
C6H12 → C6H6+ 3H2 (բենզոլ).
