Реферат по органической химии тема: получение алканов,алкенов,алкинов. Получение алканов из нефти


Способы получения алканов | Химия онлайн

Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газ, нефть, каменный уголь).

Метан широко распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов как природных (90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Природные газы, особенно попутные газы нефтяных месторождений, помимо метана содержат этан, пропан, бутан и пентан.

Метан выделяется со дня болот и из каменноугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто называют болотным или рудничным газом.

В промышленности

1. Получение алканов из природных источников (нефть, природный газ):

2. Синтезом на основе водяного газа из оксида углерода (II) и водорода можно получить метан:

3. Синтезом из водяного газа (СО+Н2) получают смесь алканов:

В лаборатории

1. Метан можно получить синтезом из простых веществ при нагревании, повышенном давлении в присутствии катализатора:

2. Гидролизом карбида алюминия (получение метана):

3. Сплавлением солей уксусной кислоты со щелочами (реакция Дюма):

Видеоопыт "Получение метана"

4. Каталитическим гидрированием (+Н2) непредельных углеводородов:

5. Взаимодействием галогеналканов с натрием (реакция Вюрца):

Происходит димеризация углеродной цепи исходного галогеналкана, образуется алкан с четным числом атомов углерода в цепи:

Если в реакции участвуют разные галогеналканы, то образуется смесь алканов:

6. Электролизом растворов солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):

Алканы (предельные углеводороды)

himija-online.ru

Полу­че­ние ал­ка­нов, ал­ке­нов, ал­ки­нов. Важ­ней­шие предс­та­ви­те­ли. При­ме­не­ние в про­мыш­лен­нос­ти

 

План.

АЛКАНЫ (предельные углеводороды).

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.

ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКАНОВ.

АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды).

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКЕНОВ.

ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКЕНОВ.

АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды).

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИНОВ.

ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКИНОВ.

ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АЛКИНОВ.

1.1 ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (алканы).

Предельными углеводородами (алканами) называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только Q-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3.

1.2 Методы получения алканов.

Главным природным источником предельных углеводородов является нефть, а для первых членов гомологического ряда — природный газ. Однако выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга- весьма трудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам получения.

1. Алканы образуются при действии металлического натрия на моногалогенпроизводные — реакция Вюрца:

НзС-СН2—Вг + Вг-СН2-Сh4 СНз-СН2—СН2—СНз + 2NaBr

Если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе молекул одинаковых или разных равна, а реакционная способность их близка:

3C2H5I + 3Ch4Ch3Ch3IС4Н10 + С5Н12 + С6Н14 + 6NaI

2. Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов :

НзС-СН=СН-СНз НзС-СН2-СН2-СНз

3. Самые разнообразные производные алканов могут быть восстановлены при высокой температуре иодистоводородной кислотой:

h4C h4C

CHBr +2HI Ch3 + HBr + I2

h4C h4C

Однако в этих случаях иногда наблюдается частичная изомеризация углеродного скелета — образуются более разветвленные алканы.

4. Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота:

O

СНз—С +NaOH Ch5+Na2C03

ONa

1.3 Представители алканов

Согласно теории строения А. М. Бутлерова, физические свойства веществ зависят от их состава и строения. Рассмотрим на примере предельных углеводородов изменение физических свойств в гомологическом ряду .

Четыре первых члена гомологического ряда, начиная с метана, газообразные вещества. Начиная с пентана и выше, нормальные углеводороды представляют собой жидкости. Метан сгущается в жидкость лишь при —162 °С. У последующих членов ряда температура кипения возрастает, причем при переходе к следующему гомологу она возрастает приблизительно на 25°.

Плотность углеводородов при температуре кипения для нижних членов ряда увеличивается сначала быстро, а затем все медленнее: от 0,416 у метана до величины, несколько большей 0,78 .Температура плавления нормальных углеводородов в гомологическом ряду увеличивается медленно. Начиная с углеводорода С16Н34, высшие гомологи при обычной температуре — вещества твердые.

Температура кипения у всех разветвленных алканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чем более разветвлена углеродная цепь молекулы. Это видно, например, из сравнения температур кипения трех изомерных пентанов. Наоборот, температура плавления оказывается самой высокой у изомеров с максимально разветвленной углеродной цепью. Так, из всех изомерных октанов лишь гекса-метилэтап (СН3)3С—С (СНз)3 является твердым веществом уже при обычной температуре (т. пл. 104° С). Эти закономерности объясняются следующими причинами.

Превращению жидкости в газ препятствуют ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия между атомами отдельных молекул. Поэтому чем больше атомов в молекуле, тем выше температура кипения вещества, следовательно, в гомологическом ряду температура кипения должна равномерно расти. Если сравнить силы взаимодействия молекул н-пентана и неопентана, то ясно, что эти силы больше для молекулы с нормальной цепью углеродных атомов, чем для разветвленных, так как в молекуле неопентана центральный атом вообще выключен из взаимодействия.

Главным фактором, влияющим на температуру плавления вещества, является плотность упаковки молекулы в кристаллической решетке. Чем симметричнее молекула, тем плотнее ее упаковка в кристалле и тем выше температура плавления (у н-пентана —132° C, у неопентана —20° С)

2.1 АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды, олефины)

Углеводороды, в молекуле которых помимо простых Q-связей углерод — углерод и углерод — водород имеются углерод-углеродные

-связи, называются непредельными. Так как образование -связи формально эквивалентно потере молекулой двух атомов водорода, то непредельные углеводороды содержат на 2п атомов иодорода меньше, чем предельные, где n число - связей

С6h24 C6h22C6h20C6H8C6H6

Ряд, члены которого отличаются друг от друга на (2Н)n, называется изологическим рядом. Так, в приведенной выше схеме изологами являются гексан, гексены, гексадиены, гексины, гексатриены и бензол.

Углеводороды, содержащие одну - связь (т. е. двойную связь), называваются алкенами (олефинами) или, по первому члену ряда - этилену, этиленовыми углеводородами. Общая формула их гомологического ряда — Cnh3n

2.2 Методы получения алкенов

При действии спиртовых растворов едких щелочей на галогенпроизводные:

отщепляется галогенводород и образуется двойная связь:

h4C-Ch3-Ch3Brh4C-CH=Ch3+NaBr+h3O

Бромистый пропил Пропилен

Если в α-положении к атому углерода, связанному с галогеном, находится третичный, вторичный и первичный атомы водорода, то преимущественно отщепляется третичный атом водорода, в меньшей степени вторичный и тем более первичный (правило Зайцева):

Ch4 Ch4

Ch3 Ch3

h4C-C-CI h4C-C + KCL + h3O

CH C

h4C Ch4 h4C Ch4

2,3-Диметил-3-хлорпентан 2,3-Диметелпентен-2

Это связано с термодинамической устойчивостью образующихся алке-нoв. Чем больше заместителей имеет алкен у винильных атомов углерода, тем выше его устойчивость.

2. Действием на спирты водоотнимающих средств:

а) при пропускании спиртов над окисью алюминия при 300—400° С.

НзС-СН-СН2.-СНзНзС-СН=СН-СНз

OH Бутен-2

Втор

-Бутиловый спирт

б) при действии на спирты серной кислоты в мягких условиях реакция идет через промежуточное образование эфиров серной кислоты:

НзС-СН-СНз НзС-СН-СН3 h4C-CH=Ch3

OH O-SO3H

изопропнлопып спирт

При дегидратации спиртов в жестких условиях в кислых средах наблюдается та же закономерность в отщеплении водородных атомов разного типа, как и при отщеплении галогенводорода.

Первой стадией этого процесса является протонирование спирта, после чего отщепляется молекула воды и образуется карбкатион:

СНз-СН2-СН-СНз + H Ch4-Ch3-CH-Ch4 Ch4-CH-CH-

OH O H

H H

Ch4Ch4-CH-CH-Ch4Ch4-CH=CH-Ch4

Образовавшийся карбкатион стабилизируется выбросом протона из соседнего положения с образованием двойной связи (β-элиминирование). В этом случае тоже образуется наиболее разветвленный алкен (термодинамически более устойчивыи). При этом процессе часто наблюдаются перегруппировки карбкатионов связанные с изомеризацией углеродного скелета:

Ch4 Ch4

Ch4 C-CH – Ch4 Ch4 C-CH-Ch4

Ch4 OH Ch4

Ch4 Ch4 Ch4 Ch4

C-CH C=C

Ch4 Ch4 Ch4 Ch4

3. При действии Zn или Mg на дигалогенпроизводные с двумя

атомами галогена у соседних атомов углерода:

CI

h4C – C Ch3CIh4C - C - Ch3+MgCI2

Ch4 Ch4

1,2-дихлор-2-метал- изобутилен

пропан

4. Гидрированием ацетиленовых углеводородов над катализаторами

с пониженной активностью (Fe или “отравленные”, т. е. обработанные серусодержащнми соединениями для понижения каталитической активности, Pt и Pd):

НСС-СН(СНз)2Н2С=СН-СН(СНз)2

2.3 Представители алкенов.

Как и алкаиы, низшие гомологи ряда простейших алкенов при обычных условиях — газы, а начиная с С5 — низкокипящие жидкости (см. табл. ).

 
   

т.пл.,

Т.

d4

Формула

Название

°с

Кип.,°С

Ch3=Ch3

Этилен

-169

-104

0,5660 (при —102° С)

СН3СН=СН3

Пропилен

-185

-47

0,6090 (при —47" С)

СНзСНзСН=СН2 СНз-СН=СН-СНз

(цис)Бутен-1

-130

-5

0,6696 (при —5° С) 0,6352 (приО°С)

-139

+4

(цис)

       

СНз-СН=СН-СНз

(транс)-Бутеп-2

-105

+1

0,6361 (при 0°С)

(транс)

       

(СНз)зС=СН2

Иэобутилен

-140

-7

0,6407 (при 0°С)

Все алкены, как и алканы, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворителях, за исключением метилового спирта; все они имеют меньшую плотность, чем вода.

3.1 АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды)

Алкинами называются углеводороды, содержащие кроме Q-связей две

-связи (тройную связь) у одной пары углеродных атомов. Общая формула гомологического ряда ацетиленовых углеводородов СnН2n-2образование одной-связи формально эквивалентно потере двух атомов водорода.

Различными физическими методами доказано, что ацетилен C2h3 — I простейший представитель гомологического ряда алкинов — имеет линейную молекулу, в которой длина углерод-углеродной тройной связи равна 1,20 А, а длина связей углерод—водород 1,06 A.

Связи С—Н в ацетилене относятся к числу Q-связей, образованных путем перекрывапия s-орбитали водорода с гибридизованной sp- орбиталью углерода; в молекуле имеется одна углерод-углеродная а-связь (образованная перекрыванием двух гибридизованных sp-орби-талей углерода) и две углерод-углеродные -связи — результат перекрывания двух взаимно перпендикулярных пар “чистых” p-орбиталей (риР) соседних атомов углерода. Валентные углы в ацетилене на основании этой модели равны 180° и молекула имеет линейную конформацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию при тройной связи.

3.2Методы получения алкинов.

Наиболее общим способом получения ацетиленовых углеводородов является действие спиртового раствора щелочей на дигалогенпроиз-водные предельных углеводородов с вицинальным (а) или геминаль-ным (б) расположением атомов галогена

  1. Ch3Br –Ch3Br -> СН

СН + 2НВг

б) СНз—СН2—СНСl2 ->СHз-ССН+2ИСl

Ch4-Ch3-CCl2-Ch4 -> СНз-С С-СНз + 2НС1

Так как вицинальные дигалогенпроизводные обычно получают присоединением галогенов к этиленовым углеводородам, то реакцию (а) можно рассматривать как реакцию превращения этиленовых углеводородов в ацетиленовые.

Геминальные дигалогенпроизводные (оба атома галогена у одного атома углерода) являются производными кетонов или альдегидов и, следовательно, с помощью реакций (б) можно осуществить переход от карбонильных соединений к алкинам. При отщеплении галогенводородов действует уже известное правило Зайцева, что водород отщепляется от углеродного атома, содержащего меньшее количество атомов водорода.

Ацетилен можно получать непосредственно при высокотемпературном крекинге (термическом или электротермическом) метана или более , сложных углеводородов:

2СН4Н-СС-Н + ЗН2

3.3 Представители алкинов.

Как у алканов и алкенов, низшие члены гомологического ряда алкинов в обычных условиях—газообразные вещества. Данные табл. 22 показывают, что основные физико-химические характеристики углеводородов рассмотренных классов мало отличаются друг от друга (см. таблицу).

 

Формула

Название

Т. пл., °С

Т кип., °С

D4

HCCH

Ch4CCH

HCC- Ch3Ch4 СНзСCСНз

Ацетилен Пропин

Бутин-1

Бутин-2

-82

-105

-137

-33

-84

(возг,-23) 9

27

0,6200 (при-84° С) 0,6785 (при -27° С) 0;669б (при -10° С) 0,6880 (при 25° С)

4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКИНОВ, АЛКЕНОВ

Алкены вместе с алканами, ацетиленом и ароматическими углеводородами являются одним из главных сырьевых источников промышленности тяжелого (многотоннажного) органического синтеза.

Этилен в громадных количествах используется для переработки в полиэтилен и этиловый спирт, он идет на переработку в этилен-гликоль и употребляется в теплицах для ускорения вызревания плодов.

Пропилен перерабатывается в полипропилен, ацетон, изопропиловый спирт.

Ацетилен играет исключительно важную роль в промышленности. Его мировое производство достигает нескольких миллионов тонн. Громадное количество ацетилена используется для сварки металлов, при его горении

в кислороде температура достигает 2800° С. Это значительно более высокая температура, чем при сгорании водорода в кислороде, не говоря уже о сгорании метана. Причина этого в значительно меньшей теплоемкости СО2 по сравнению с Н2О, которой образуется больше при сгорании алканов, чем алкинов:

2СзН6 + 7O2 -> 4СО2 + 6Н2О

2С2 Н2 + 5O2 -> 4СО2 + ЗН2О

Неприятный запах ацетилена, получаемого из карбида, обусловлен примесями Ph4 и Ash4, чистый ацетилен пахнет, как и все низшие углеводороды (бензин). Ацетилен и его смеси с воздухом крайне взрывчаты; ацетилен хранят и транспортируют в баллонах в виде ацетоновых растворов, пропитывающих пористые материалы.

НЕФТЬ И ЕЕ ПЕРЕРАБОТКА

Состав нефти.

Главным природным источником предельных углеводородов является нефть. Состав нефтей различается в зависимости от месторождения, однако все нефти при простой перегонке обычно разделяются на следующие фракции: газовая фракция, бензин, реактивное топливо, керосин, дизельное топливо, парафин, нефтяной гудрон.

Газовая фракция

(т. кип. до40◦C) содержит нормальные и разветвленные алканы до С,, в основном пропан и бутаны. Природный газ из газовых месторождений состоит в основном из метана и этана.

Бензин авиационный

(т. кип. 40—180 °С) содержит углеводороды С6 — С10 В бензине обнаружено более 100 индивидуальных соединений, в число которых входят нормальные и разветвленные алканы, циклоалканы и алкилбензолы (арены).

Реактивное топливо

(т. кип. 150—280°С).

Керосин тракторный

(т, кип. 110—300 °С) содержит углеводороды С7—С14.

Дизельное топливо

(т. кип. 200—330 °С), в состав которого входят углеводороды C13 — C18, в больших масштабах подвергается крекингу, превращаясь в алканы (и алкены) с меньшей молекулярной массой (см. ниже).

Смазочные масла

(т. кип. 340—400°С) содержат углеводороды C18 — C25.

Парафин нефтяной

(т. кип. 320—500 °С), в его состав входят углеводороды С26—С38, из которых выделяют вазелин. Остаток после перегонки обычно называют асфальтом или гудроном.

Помимо углеводородов самых различных классов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотсодержащие вещества; иногда их суммарное содержание доходит до нескольких процентов.

В настоящее время наиболее признанной является теория органического происхождения нефти как продукта превращения растительных и животных остатков. Это подтверждается тем, что в образцах нефтей были найдены остатки порфиринов, стероиды растительного и животного происхождения и так называемый “хемофоссилий” — самые разнообразные фрагменты, содержащиеся в планктоне.

Хотя общепризнанно, что нефть является наиболее ценным природным источником химического сырья, до сих пор основное количество нефти и нефтепродуктов сгорает в двигателях внутреннего сгорания (бензин), дизелях и реактивных двигателях (керосин).

Моторное топливо. Октановое число.

Бензины различного происхождения по-разному ведут себя в двигателях внутреннего сгорания.

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и массе, стараются увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда происходит преждевременное воспламенение смеси — детонация. Это снижает мощность мотора и ускоряет его износ. Это явление связано с составом жидкого топлива, так как углеводороды разного строения при использовании их в качестве моторного топлива ведут себя различно. Наихудшие показатели — у парафинов нормального строения.

За стандарт горючего вещества с большой способностью к детонации принят нормальный гептан. Чем больше разветвлена углеродная цепь парафинового углеводорода, тем лучше протекает сгорание его в цилиндре и тем большей степени сжатия горючей смеси можно достичь. В качестве стандарта моторного топлива принят 2, 2, 4-триметилпентан (который обычно называют изооктаном) с хорошими антидетонационными свойствами. Составляя в различных пропорциях смеси этого октана с я-гептапом, сравнивают их поведение в моторе с поведением испытуемого бензина. Если смесь, содержащая 70% изооктана, ведет себя так же, как исследуемый бензин, то говорят, что последний имеет октановое число 70 (октановое число изооктана принято за 100; октановое число н-гептана принято равным нулю).

Одним из путей повышения детонационной стойкости топлив для двигателей с зажиганием от искры является применение антидетонаторов.

Антидетонаторы — это вещества, которые добавляют к бензинам (не более 0,5%) для улучшения аптидетопацнонных свойств. Достаточно эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ (C2H5)4

Однако бензин с ТЭС и продукты его сгорания очень токсичны. В настоящее время найдены новые антидетонаторы на основе марганец-органических соединений типа циклопентадиеиклпснтакарбонилмарганца С5Н5Мn (СО)5: они менее токсичны и обладают лучшими антидетонационными свойствами. Добавление этих антидетонаторов к хорошим сортам бензина позволяет получать топливо с октановым числом до 135.

Для ракетных и дизельных двигателей, наоборот, наиболее ценны топлива с нормальной цепью углеродных атомов, обладающие наиболее низкой температурой воспламенения. Эту характеристику принято

оценивать в цетановых числах. Цетановое число 100 имеет углеводород н-Сц,Нд4, а цетаповое число 0 — 1-метилнафталин.

Синтез углеводородов

из CO+h3.Пропуская над мелко раздробленнымникелем смесь окиси углерода (II) и водорода при 250° С, можно получитьметан:

СО+ЗН2СН4+Н2О

Если эту реакцию проводить при давлении 100—200 атм и температуре до 400°С, получается смесь, состоящая главным образом из кислородсодержащих продуктов, среди которых преобладают спирты; смесь эта была названа счшполом.

При применении железо-кобальтовых катализаторов и температуре 200° С образуется смесь алканов — синтин.

nСО + (2n + 1) Н2 СnН2n + 2 + h3О

Синтин и синтол являются продуктами многотоннажного органического синтеза и широко используются в качестве сырья для многих химических производств.

Клатраты.

Синтин и бензиновые фракции нефти состоят из смесей углеводородовнормального строения и с разветвленными цепями. Недавно был найден эффективный метод разделения органических соединений с нормальными цепями и разветвленных, получивший в общем случае название метода клатратного разделения. Для разделения углеводородовбыла использована мочевина. Кристаллы мочевины построены таким образом, что внутри кристаллов имеются узкие шестигранные каналы. Диаметр этих каналов таков, что внутрь их может пройти и задержаться за счет адсорбционных сил только углеводород нормального строения. Поэтому при обработке смеси органических соединений мочевиной (или некоторыми другими соединениями) вещества с нормальной цепью углеродных атомов кристаллизуются вместе с ней в виде комплексов. Этот метод имеет, безусловно, очень большое будущее — когда будет найдено большее число эффективных клатратообразователей.

studyport.ru

Получение алканов,алкенов,алкинов

РЕФЕРАТ ПО

Органической химии

ТЕМА:

ПОЛУЧЕНИЕ АЛКАНОВ,АЛКЕНОВ,АЛКИНОВ.

ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ.

ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

План.

    1. АЛКАНЫ (предельные углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКАНОВ.
    1. АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКЕНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКЕНОВ.
    1. АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКИНОВ.

4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АЛКИНОВ.

1.1 ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (алканы).

Предельными углеводородами (алканами) называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только Q-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3.

1.2 Методы получения алканов.

Главным природным источником предельных углеводородов яв­ляется нефть, а для первых членов гомологического ряда — природный газ. Однако выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга- весьма трудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам полу­чения.

1. Алканы образуются при действии металлического натрия на моногалогенпроизводные — реакция Вюрца:

НзС-СН2—Вг + Вг-СН2-Сh4 СНз-СН2—СН2—СНз + 2NaBr

Если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе молекул одинаковых или разных равна, а реакционная способность их близка:

3C2H5I + 3Ch4Ch3Ch3IС4Н10 + С5Н12 + С6Н14 + 6NaI

2. Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов :

НзС-СН=СН-СНз НзС-СН2-СН2-СНз

3. Самые разнообразные производные алканов могут быть восста­новлены при высокой температуре иодистоводородной кислотой:

H3C h4C

CHBr +2HI Ch3 + HBr + I2

h4C h4C Однако в этих случаях иногда наблюдается частичная изомеризация углеродного скелета — образуются более разветвленные алканы.

4. Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота: O

СНз—С +NaOH Ch5+Na2C03

ONa

1.3 Представители алканов

Согласно теории строения А. М. Бутлерова, физические свойства веществ зависят от их состава и строения. Рассмотрим на примере предельных углеводородов изменение физических свойств в гомоло­гическом ряду .

Четыре первых члена гомологического ряда, начиная с метана, газообразные вещества. Начиная с пентана и выше, нормальные угле­водороды представляют собой жидкости. Метан сгущается в жидкость лишь при —162 °С. У последующих членов ряда температура кипения возрастает, причем при переходе к следующему гомологу она воз­растает приблизительно на 25°.

Плотность углеводородов при температуре кипения для нижних членов ряда увеличивается сначала быстро, а затем все медленнее: от 0,416 у метана до величины, несколько большей 0,78 .Температура плавления нормальных углеводородов в гомологичес­ком ряду увеличивается медленно. Начиная с углеводорода С16Н34, высшие гомологи при обычной температуре — вещества твердые.

Температура кипения у всех разветвленных алканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чем более разветвлена углеродная цепь молекулы. Это видно, например, из сравнения температур кипения трех изомерных пентанов. Наоборот, температура плавления оказывается самой высокой у изомеров с макси­мально разветвленной углеродной цепью. Так, из всех изомерных октанов лишь гекса-метилэтап (СН3)3С—С (СНз)3 является твердым веществом уже при обычной темпе­ратуре (т. пл. 104° С). Эти закономерности объясняются следующими причинами.

Превращению жидкости в газ препятствуют ван-дер-ваальсовы силы взаимодей­ствия между атомами отдельных молекул. Поэтому чем больше атомов в молекуле, тем выше температура кипения вещества, следовательно, в гомологическом ряду тем­пература кипения должна равномерно расти. Если сравнить силы взаимодействия молекул н-пентана и неопентана, то ясно, что эти силы больше для молекулы с нор­мальной цепью углеродных атомов, чем для разветвленных, так как в молекуле неопентана центральный атом вообще выключен из взаимодействия.

Главным фактором, влияющим на температуру плавления вещества, является плотность упаковки молекулы в кристаллической решетке. Чем симметричнее моле­кула, тем плотнее ее упаковка в кристалле и тем выше температура плавления (у н-пентана —132° C, у неопентана —20° С)

2.1 АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды, олефины)

Углеводороды, в молекуле которых помимо простых Q-связей углерод — углерод и углерод — водород имеются углерод-углеродные

-связи, называются непредельными. Так как образование -связи формально эквивалентно потере молекулой двух атомсв годорода, то непредельные углеводороды содержат на 2п атомов иодорода меньше, чем предельные, где n число - связей С6h24 C6h22C6h20C6H8C6H6 Ряд, члены которого отличаются друг от друга на (2Н)n, называется изологическим рядом. Так, в приведенной выше схеме изологами являются гексан, гексены, гексадиены, гексины, гексатриены и бензол.

Углеводороды, содержащие одну - связь (т. е. двойную связь), называваются алкенами (олефинами) или, по первому члену ряда - этилену, этиленовыми углеводородами. Общая формула их гомологического ряда — Cnh3n

2.2 Методы получения алкенов

При действии спиртовых растворов едких щелочей на галогенпроизводные:отщепляется галогенводород и образуется двойная связь:

h4C-Ch3-Ch3Brh4C-CH=Ch3+NaBr+h3O

Бромистый пропил Пропилен

Если в α-положении к атому углерода, связанному с галогеном, находится третичный, вторичный и первичный атомы водорода, то преимущественно отщепляется третичный атом водорода, в меньшей степени вторичный и тем более первичный (правило Зайцева):

Ch4 Ch4

Ch3 Ch3

h4C-C-CI h4C-C + KCL + h3O

CH C

h4C Ch4 h4C Ch4

2,3-Диметил-3-хлорпентан 2,3-Диметелпентен-2

Это связано с термодинамической устойчивостью образующихся алке-нoв. Чем больше заместителей имеет алкен у винильных атомов углерода, тем выше его устойчивость.

2. Действием на спирты водоотнимающих средств: а) при про­пускании спиртов над окисью алюминия при 300—400° С.

НзС-СН-СН2.-СНзНзС-СН=СН-СНз

OH Бутен-2

Втор-Бутиловый спирт

б) при действии на спирты серной кислоты в мягких условиях реакция идет через промежуточное образование эфиров серной кислоты:

НзС-СН-СНз НзС-СН-СН3 h4C-CH=Ch3

OH O-SO3H

изопропнлопып спирт

При дегидратации спиртов в жестких условиях в кислых средах наблюдается та же закономерность в отщеплении водородных атомов разного типа, как и при отщеплении галогенводорода.

Первой стадией этого процесса является протонирование спирта, после чего от­щепляется молекула воды и образуется карбкатион: СНз-СН2-СН-СНз + H Ch4-Ch3-CH-Ch4 Ch4-CH-CH-

OH O H

H H

Ch4Ch4-CH-CH-Ch4Ch4-CH=CH-Ch4 Образовавшийся карбкатион стабилизируется выбросом протона из соседнего поло­жения с образованием двойной связи (β-элиминирование). В этом слу­чае тоже образуется наиболее разветвленный алкен (термодинамически более устойчивыи). При этом процессе часто наблюдаются перегруппировки карбкатионов связанные с изомеризацией углеродного скелета:

Ch4 Ch4

Ch4 C-CH – Ch4 Ch4 C-CH-Ch4

Ch4 OH Ch4 Ch4 Ch4 Ch4 Ch4

C-CH C=C

Ch4 Ch4 Ch4 Ch4

3. При действии Zn или Mg на дигалогенпроизводные с двумя

атомами галогена у соседних атомов углерода:

CI h4C – C Ch3CIh4C - C - Ch3+MgCI2

Ch4 Ch4

1,2-дихлор-2-метал- изобутилен

пропан

4. Гидрированием ацетиленовых углеводородов над катализато­рами с пониженной активностью (Fe или «отравленные», т. е. обрабо­танные серусодержащнми соединениями для понижения каталити­ческой активности, Pt и Pd):

НСС-СН(СНз)2Н2С=СН-СН(СНз)2

2.3 Представители алкенов.

Как и алкаиы, низшие гомологи ряда простейших алкенов при обычных условиях — газы, а начиная с С5 — низкокипящие жидкости (см. табл. ).

т.пл., Т. d4
Формула Название °с Кип.,°С
Ch3=Ch3 Этилен -169 -104 0,5660 (при —102° С)
СН3СН=СН3 Пропилен -185 -47 0,6090 (при —47" С)
СНзСНзСН=СН2 СНз-СН=СН-СНз (цис)Бутен-1 -130 -5 0,6696 (при —5° С) 0,6352 (приО°С)
-139 +4
(цис)
СНз-СН=СН-СНз (транс)-Бутеп-2 -105 +1 0,6361 (при 0°С)
(транс)
(СНз)зС=СН2 Иэобутилен -140 -7 0,6407 (при 0°С)

Все алкены, как и алканы, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворителях, за исключением метилового спирта; все они имеют меньшую плотность, чем вода.

3.1 АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды)

Алкинами называются углеводороды, содержащие кроме Q-связей две

-связи (тройную связь) у одной пары углеродных атомов. Общая формула гомологического ряда ацетиленовых углеводородов СnН2n-2 образование одной-связи формально эквивалентно потере двух атомов водорода.

Различными физическими методами доказано, что ацетилен C2h3 — I простейший представитель гомологического ряда алкинов — имеет линейную молекулу, в которой длина углерод-углеродной тройной связи равна 1,20 А, а длина связей углерод—водород 1,06 A.

Связи С—Н в ацетилене относятся к числу Q-связей, образованных путем перекрывапия s-орбитали водорода с гибридизованной sp- орбиталью углерода; в молекуле имеется одна углерод-углеродная а-связь (образованная перекрыванием двух гибридизованных sp-орби-талей углерода) и две углерод-углеродные -связи — результат перекрывания двух взаимно перпендикулярных пар «чистых» p-орбиталей (р иР) соседних атомов углерода. Валентные углы в ацетилене на основании этой модели равны 180° и молекула имеет линейную конформацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию при тройной связи. 3.2Методы получения алкинов.

Наиболее общим способом получения ацетиленовых углеводородов является действие спиртового раствора щелочей на дигалогенпроиз-водные предельных углеводородов с вицинальным (а) или геминаль-ным (б) расположением атомов галогена

  1. Ch3Br –Ch3Br -> СНСН + 2НВг
б) СНз—СН2—СНСl2 ->СHз-ССН+2ИСl

Ch4-Ch3-CCl2-Ch4 -> СНз-С С-СНз + 2НС1

Так как вицинальные дигалогенпроизводные обычно получают присоединением галогенов к этиленовым углеводородам, то реакцию (а) можно рассматривать как реакцию превращения этиленовых угле­водородов в ацетиленовые.

Геминальные дигалогенпроизводные (оба атома галогена у одного атома углерода) являются производными кетонов или альдегидов и, следовательно, с помощью реакций (б) можно осуществить переход от карбонильных соединений к алкинам. При отщеплении галогенводородов действует уже известное правило Зайцева, что водород отщеп­ляется от углеродного атома, содержащего меньшее количество атомов водорода.

Ацетилен можно получать непосредственно при высокотемператур­ном крекинге (термическом или электротермическом) метана или более , сложных углеводородов:

2СН4Н-СС-Н + ЗН2

3.3 Представители алкинов. Как у алканов и алкенов, низшие члены гомологического ряда алкинов в обычных условиях—газообразные вещества. Данные табл. 22 показывают, что основные физико-химические характеристики углеводородов рассмотренных классов мало отличаются друг от друга (см. таблицу).

Формула Название Т. пл., °С Т кип., °С D4
HCCH

Ch4CCH

HCC- Ch3Ch4 СНзСCСНз

Ацетилен Пропин

Бутин-1

Бутин-2
-82

-105

-137

-33

-84

(возг,-23) 9

27

0,6200 (при-84° С) 0,6785 (при -27° С) 0;669б (при -10° С) 0,6880 (при 25° С)
4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКИНОВ, АЛКЕНОВ

Алкены вместе с алканами, ацетиленом и ароматическими уг­леводородами являются одним из главных сырьевых источников промышленности тяжелого (многотоннажного) органического син­теза.

Этилен в громадных количествах используется для переработки в полиэтилен и этиловый спирт, он идет на переработку в этилен-гликоль и употребляется в теплицах для ускорения вызревания плодов.

Пропилен перерабатывается в полипропилен, ацетон, изопропиловый спирт.

Ацетилен играет исключи­тельно важную роль в про­мышленности. Его мировое производство достигает не­скольких миллионов тонн. Громадное количество ацети­лена используется для свар­ки металлов, при его горении

в кислороде температура достигает 2800° С. Это значительно более высокая температура, чем при сгорании водорода в кислороде, не говоря уже о сгорании метана. Причина этого в значительно меньшей теплоемкости СО2 по сравнению с Н2О, которой образуется больше при сгорании алканов, чем алкинов:

2СзН6 + 7O2 -> 4СО2 + 6Н2О

2С2 Н2 + 5O2 -> 4СО2 + ЗН2О

Неприятный запах ацетилена, получаемого из карбида, обусловлен примесями Ph4 и Ash4, чистый ацетилен пахнет, как и все низшие углеводороды (бензин). Ацетилен и его смеси с воздухом крайне взрывчаты; ацетилен хранят и транспортируют в баллонах в виде ацетоновых растворов, пропитывающих пористые материалы.

НЕФТЬ И ЕЕ ПЕРЕРАБОТКА

Состав нефти. Главным природным источником предельных углеводородов является нефть. Состав нефтей различается в зависимости от месторождения, однако все нефти при простой перегонке обычно разделяются на следующие фракции: газовая фракция, бензин, реак­тивное топливо, керосин, дизельное топливо, парафин, нефтяной гудрон.

Газовая фракция (т. кип. до40◦C) содержит нормальные и развет­вленные алканы до С,, в основном пропан и бутаны. Природный газ из газовых месторождений состоит в основном из метана и этана.

Бензин авиационный (т. кип. 40—180 °С) содержит углеводороды С6 — С10 В бензине обнаружено более 100 индивидуальных соедине­ний, в число которых входят нормальные и разветвленные алканы, циклоалканы и алкилбензолы (арены).

Реактивное топливо (т. кип. 150—280°С).

Керосин тракторный (т, кип. 110—300 °С) содержит углеводороды С7—С14.

Дизельное топливо (т. кип. 200—330 °С), в состав которого входят углеводороды C13 — C18, в больших масштабах подвергается крекингу, превращаясь в алканы (и алкены) с меньшей молекулярной массой (см. ниже).

Смазочные масла (т. кип. 340—400°С) содержат углеводороды C18 — C25.

Парафин нефтяной (т. кип. 320—500 °С), в его состав входят угле­водороды С26—С38, из которых выделяют вазелин. Остаток после перегонки обычно называют асфальтом или гудроном.

Помимо углеводородов самых различных классов в нефти содер­жатся кислородные, сернистые и азотсодержащие вещества; иногда их суммарное содержание доходит до нескольких процентов.

В настоящее время наиболее признанной является теория органического происхождения нефти как продукта превращения растительных и животных остатков. Это подтверждается тем, что в образцах нефтей были найдены остатки порфиринов, стероиды растительного и животного происхождения и так называемый «хемофоссилий» — самые разнообразные фрагменты, содержащиеся в планк­тоне.

Хотя общепризнанно, что нефть является наиболее ценным природ­ным источником химического сырья, до сих пор основное количество нефти и нефтепродуктов сгорает в двигателях внутреннего сгорания (бензин), дизелях и реактивных двигателях (керосин).

Моторное топливо. Октановое число. Бензины различного проис­хождения по-разному ведут себя в двигателях внутреннего сгорания.

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и массе, стараются увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда происхо­дит преждевременное воспламенение смеси — детонация. Это снижает мощность мотора и ускоряет его износ. Это явление связано с составом жидкого топлива, так как углеводороды разного строения при исполь­зовании их в качестве моторного топлива ведут себя различно. Наихуд­шие показатели — у парафинов нормального строения.

За стандарт горючего вещества с большой способностью к детона­ции принят нормальный гептан. Чем больше разветвлена углеродная цепь парафинового углеводорода, тем лучше протекает сгорание его в цилиндре и тем большей степени сжатия горючей смеси можно достичь. В качестве стандарта моторного топлива принят 2, 2, 4-триметилпентан (который обычно называют изооктаном) с хорошими антидетонационными свойствами. Составляя в различных пропорциях смеси этого октана с я-гептапом, сравнивают их поведение в моторе с поведением испытуемого бензина. Если смесь, содержащая 70% изооктана, ведет себя так же, как исследуемый бензин, то говорят, что последний имеет октановое число 70 (октановое число изооктана принято за 100; октановое число н-гептана принято равным нулю).

Одним из путей повышения детонационной стойкости топлив для двигателей с зажиганием от искры является применение антидетона­торов.

Антидетонаторы — это вещества, которые добавляют к бензинам (не более 0,5%) для улучшения аптидетопацнонных свойств. Доста­точно эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ (C2H5)4

Однако бензин с ТЭС и продукты его сгорания очень токсичны. В настоящее время найдены новые антидетонаторы на основе марганец-органических соединений типа циклопентадиеиклпснтакарбонилмарганца С5Н5Мn (СО)5: они менее токсичны и обладают лучшими анти­детонационными свойствами. Добавление этих антидетонаторов к хоро­шим сортам бензина позволяет получать топливо с октановым числом до 135.

Для ракетных и дизельных двигателей, наоборот, наиболее ценны топлива с нормальной цепью углеродных атомов, обладающие наиболее низкой температурой воспламенения. Эту характеристику принято

оценивать в цетановых числах. Цетановое число 100 имеет углеводород н-Сц,Нд4, а цетаповое число 0 — 1-метилнафталин.

Синтез углеводородов из CO+h3. Пропуская над мелко раздробленным нике­лем смесь окиси углерода (II) и водорода при 250° С, можно получить метан:

СО+ЗН2СН4+Н2О

Если эту реакцию проводить при давлении 100—200 атм и температуре до 400°С, получается смесь, состоящая главным образом из кислородсодержащих продуктов, среди которых преобладают спирты; смесь эта была названа счшполом.

При применении железо-кобальтовых катализаторов и температуре 200° С образуется смесь алканов — синтин.

nСО + (2n + 1) Н2 СnН2n + 2 + h3О

Синтин и синтол являются продуктами многотоннажного органического синтеза и широко используются в качестве сырья для многих химических производств.

Клатраты. Синтин и бензиновые фракции нефти состоят из смесей углеводо­родов нормального строения и с разветвленными цепями. Недавно был найден эффек­тивный метод разделения органических соединений с нормальными цепями и развет­вленных, получивший в общем случае название метода клатратного разделения. Для разделения углеводородов была использована мочевина. Кристаллы мочевины построены таким образом, что внутри кристаллов имеются узкие шестигранные ка­налы. Диаметр этих каналов таков, что внутрь их может пройти и задержаться за счет адсорбционных сил только углеводород нормального строения. Поэтому при обработке смеси органических соединений мочевиной (или некоторыми другими соеди­нениями) вещества с нормальной цепью углеродных атомов кристаллизуются вместе с ней в виде комплексов. Этот метод имеет, безусловно, очень большое будущее — когда будет найдено большее число эффективных клатратообразователей.

mognovse.ru

Тема урока: "Получение алканов"

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Оборудование: спиртовка, стеклянная трубочка, стеклянная палочка, пипетка, стеклянная пластина, держатель для пробирок, ступка с пестиком, оборудование для проведения электролиза.

Реактивы: Ацетат натрия, натронная известь, раствор соляной кислоты.

Технологии: Личностно-ориентированные технологии, ИКТ.

Демонстрационный опыт: электролиз раствора ацетата натрия.

Лабораторный опыт: получение метана методом Дюма.

Дополнительно: презентация в PowerPoint «Получение алканов», презентация Interwrite.

 Ход урока

 

Содержание презентаций

Презентация Power Point

Доска Interwrite

1. Вступительное слово учителя

В последние годы термин «углеводороды» популярен не только среди химиков. Политики, экономисты, просто думающие люди понимают, какую роль эти вещества играют в судьбе нашей страны. «Нефть повсюду. Она влияет даже на те решения, о которых мы не подозреваем… История двадцать первого века будет пахнуть нефтью!» - можно прочитать на страницах всемирной паутины или услышать из уст героев телеэкрана.

Сегодня мы не будем искать ответ на «почему такое значение имеет добыча нефти?», сегодня нас будет интересовать вопрос «как можно получить одну из главных составляющих нефти - алканы в промышленных масштабах и условиях лаборатории?» А в конце урока даже сами попытаемся получить в нашей лаборатории самый легкий из всего гомологического ряда – метан. И еще: нам сегодня особо пригодится одно важное качество: а именно – внимательность! Эта способность замечать мелочи, концентрироваться позволит многим из вас украсить свой дневник заслуженной отличной оценкой. А сейчас откройте, пожалуйста, тетради, запишите тему урока. Изучать получения алканов начнем с промышленных способов.

 

Страница 1

2. Промышленные способы получения алканов позволяют обеспечивать потребности страны в топливе, а промышленности в сырье.

 

Слайд 3,4

 

Главный источник алканов – нефть. Её можно разделить на несколько фракций с помощью фракционной перегонки.

Бензин: С5-С11

Лигроин: С8-С14

Керосин: С12-С14

Газойль (дизельное топливо): С13 –С19

Мазут: С18-С50

Слайд 5

 

К сожалению, на данном слайде все фракции перепутаны. Расставьте их в нужном порядке. Поиск ошибки в схеме.

 

 

Страница 2

Проверка

 

 

Страница 3

 Углеводороды с высокой температурой кипения, состоящие из больших молекул, находят ограниченное применение. В процессе высокотемпературной обработки большие молекулы расщепляются на более мелкие и соответственно более ценные. Крекинг нефтепродуктов. Как вы можете прокомментировать данный способ?

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2- СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 → СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 + СН2=СН-СН2-СН2-СН3

 

Слайд 6

 

Закончите уравнение крекинга.

С16Н34 =

 

 С18Н38 =

 

 

Синтетические способы позволяют получать жидкие алканы из угля.

n CO + (2n+1)h3 = Cnh3n+2 + nh3O

Слайд 7

 

Реакция Фишера – Тропша. Историческая справка. (Курсивом выделено заранее подготовленное выступление ученика продолжительностью не более 1 минуты)

В 1926 году была опубликована работа Ф. Фишера и Г. Тропша "О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении", в которой сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствии различных катализаторов (железо - оксид цинка или кобальт - оксид хрома) при 270 °С получаются жидкие и даже твердые гомологи метана.

Слайд 8

 

3. Лабораторные способы получения

 

Слайд 9

 

Реакция Вюрца

RHal + 2Na + R'Hal → RR' + 2NaHal

 

Страница 4

Вюрц – немецкий химик.

 

Биографическая справка

Анимация реакции

 

Слайды 10-12

 

Какие вещества образуются?

C2H5Br + Na =

C3H7I +Na =

 

Страница 4

Реакция Дюма

Ch4COONa + NaOH = Ch5 + Na2CO3

 

Страница 5

Дюма-французский химик

 

Биографическая справка

Кадры фильма «Получение метана декарбоксилированием ацетата натрия по методу Дюма».

 

Слайд 13

Приложение №2

 

Анимация реакции

 

Слайды 14-15

 

Сопоставь исходные вещества с продуктами

C2H5COOK + KOH =

C3H7COOK + KOH =

C4H9COOK + KOH =

C6h23COOK + KOH =

 

Страница 5

Способ Кольбе - электролиз расплавов или растворов солей карбоновых кислот

2RCOONa → R-R + 2CO2 + 2Na

2RCOONa + 2h3O = R-R + 2CO2 + h3 + 2 NaOH

 

Страница 6

Кольбе – французский химик

 

Биографическая справка

Демонстрация. Электролиз раствора ацетата натрия

Объясните, почему при добавлении фенолфталеинового индикатора в район катода, цвет раствора постепенно становится малиновым.

 

Анимация реакции.

 

Слайд 16-17

 

Гидролиз реактива Гриньяра.

RHal + Mg → RMgHal

RMgHal + HCl → RH + MgClHal

Слайд 18

 

Гриньяр – французский химик

 

Биографическая справка

Восстановление галогеналканов и непредельных углеводородов.

RHal + h3 → RH + HHal

RI + HI → RH + I2

R-CH=CH-R + h3 → R-Ch3-Ch3-R

R-C≡C-R + 2h3 → R-Ch3-Ch3-R

Слайд 19

 

4. Получение метана

 

Слайд 20.

 

Метан в космосе

Метан — газ, обычно связанный с живыми организмами. Когда в атмосферах Марса и Титана обнаружился метан, у ученых появилась надежда на то, что на этих планетах существует жизнь. На Красной планете метана немного, а вот Титан буквально «залит» им..

Слайд 21-22

 

Метан на Земле.

 

Основной компонент природных (77—99%), попутных нефтяных (31—90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). Содержание метана в атмосфере нашей планеты — всего 1750 частей на миллиард по объему. На 90-95% он имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Метан – в 20 с лишним раз сильнее, чем углекислый газ влияет на климат!

Слайд 23-25

 

Первый синтез метана

Впервые метан был получен из сероуглерода, при пропускании его вместе с сероводородом через трубки с накаленной медью (Бертло, 1856): CS2+2h3S + 8Cu = Ch5 + 4Cu2S

Слайд 26

 

Реакция Сабатье

На МКС запущено новое оборудование, которое будет поддерживать систему восстановления воды на МКС. СO2 + 4h3 → Ch5 + 2h3O Система на основе реакции Сабатье может производить до 2 тыс. л. воды в год из побочных продуктов систем производства кислорода и удаления углекислого газа на станции. Процесс назван в честь Поля Сабатье, нобелевского лауреата по химии 1912 года.

Слайд 27,28

 

Сабатье – французский химик

 

Биографическая справка

Напишите уравнения реакций, позволяющие получить метан в промышленности и лаборатории.

 

 

Страница 7

Записывают на доске реакции.

 

 

Страница 8

Проверка

C+2h3=Ch5

Ch4COONa +NaOH=Na2CO3 + Ch5

Ch4Hal + Mg = Ch4MgHal

Ch4MgHal + HCl = Ch5 + MgClHal

Al4C3 +12h3O = 4Al(OH)3 +3Ch5

Слайд 29

Страница 9

5. Лабораторный опыт

Получение метана по реакции Дюма. Правила техники безопасности. Осторожное обращение с едкими веществами – натронной известью и раствором соляной кислоты. Безопасное использование спиртовки.

 

1.Нагрейте на спиртовке белый порошок, находящийся в трубке (смесь гидроксида натрия и ацетата натрия), поднесите короткий кончик трубки к пламени спиртовки и наблюдайте горение образующегося метана.

2. Погасите спиртовку. Осторожно высыпьте на предметное стекло крошку порошка из трубки.

3. На предметное стекло нанесите каплю раствора соляной кислоты и соедините её с помощью стеклянной палочки с крошкой порошка из трубки. Что наблюдаете? Запишите уравнения наблюдаемых реакций.

Слайд 30

Страница 10

Обсуждение результатов.

Какой вывод о физических и химических свойствах метана можно сделать по результатам опыта? Можно ли метан получить по реакции Вюрца?

Метан в лаборатории получается при взаимодействии ацетата натрия (калия) с твердым гидроксидом натрия при нагревании.

СН3СООNa + NaOH = Ch5 + Na2СО3,

Ch5 + 2O2 = CO2 + 2h3О

Na2CO3 + 2HCl = 2 NaCl + h3O + CO2

Гидроксид кальция (гашеная известь) Са(ОН)2 в реакцию не вступает и применяется здесь как водопоглощающее средство. Метан – газ, бесцветный, легче воздуха, горит слабым светящимся пламенем

Слайд 31

6. Рефлексия

 Работа парами. Заполнение ответного листа.

Приложение №1.

 

Слайд 32.

Страница 11

Обсуждение результатов, самооценка.

 

 

 

7. И все же, как быть с проблемой дефицита энергоносителей?

Актуален ли сегодня метод Фишера – Тропша? Есть ли альтернатива углероду? (Беседа с учащимися)

8. Домашнее задание: учебник «Химия» О.С.Габриелян, Ф.Н.Маскаев, С.Ю.Пономарев, В.И.Теренин 10 класс профильный уровень, стр.72-74.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Алканы: свойства, получение и применение

Предельные углеводороды – алканы, при обычных условиях достаточно инертны. Для них свойственны реакции замещения атомов водорода и реакции расщепления. Эти реакции требуют жёстких условий: нагревания, действия света, наличия катализаторов. Поэтому алканы ещё называют парафинами, что означает мало сродства.

Для алканов характерны реакции окисления. При полном окислении, например, метана образуется углекислый газ, вода и выделяется большое количество теплоты.

По этой причине метан в составе природного газа используют в качестве топлива в домах, на электростанциях, горючего для машин.

Смеси метана с кислородом (1 : 2 по объёму или воздухом 1 : 10) опасны и приводят к взрывам.

При частичном окислении, например, при недостатке кислорода, образуется оксид углерода (II) и вода.

При частичном окислении бутана в присутствии катализаторов образуется уксусная кислота.

Для алканов свойственны реакции замещения (галогенирования). Большой вклад в разработку цепных реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов.

С фтором реакция идёт со взрывом, с йодом алканы не взаимодействуют, а с хлором и бромом в присутствии инициаторов.

В реакции метана с хлором на свету на первой стадии образуется хлорметан. Хлорметан представляет собой газ, легко сжижается, он применяется в холодильных установках.

На второй стадии образуется дихлорметан. Это растворитель, его используют для склеивания пластика.

На третьей стадии хлорирования метана образуется трихлорметан. Трихлорметан – бесцветная летучая жидкость с эфирным запахом, используется при производстве фреонового хладагента, в качестве растворителя в фармакологии, для производства красителей и пестицидов.

На четвёртой стадии образуется тетрахлорметан, который применяют как растворитель, а также для получения фреонов, как экстрагент в медицине, тетрахлорметан применялся как наполнитель для переносных огнетушителей в советской бронетехнике.

При нагревании алканов до 140 0C с разбавленной (10 %) HNO3 под давлением идёт реакция нитрирования, то есть замещения атома водорода нитрогруппой. Эту реакцию называют ещё реакцией М. Н. Коновалова. В результате реакции метана с азотной кислотой образуется нитрометан.

При температуре более 500 0C в присутствии катализаторов алканы подвергаются расщеплению, то есть крекингу. Это приводит к образованию смеси алкенов и алканов.

При температуре 1000  осуществляется пиролиз, при этом разрываются все связи.

Таким образом, получают технический углерод – пигмент для изготовления типографической краски и наполнителя резины для автомобильных шин.

При повышенных температурах алканы образуют, главным образом, непредельные углеводороды. Например, в реакции дегидрирования метана при температуре 1500 0C образуется ацетилен и водород, в реакции дегидрирования этана образуется этен и водород.

Под влиянием катализаторов и при температуре углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации с образование углеводородов разветвлённого строения. Так, в присутствии катализатора хлорида алюминия происходит изомеризация бутана с образованием изобутана.

При конверсии метана образуется синтез-газ, который представляет собой смесь угарного газа с водородом.

Рассмотрим получение алканов.

В промышленности насыщенные углеводороды – алканы получают при переработке нефти.

В лаборатории алканы можно получить различными способами. Например, из солей карбоновых кислот при нагревании с твёрдыми щелочами.

Реакция Вюрца используется для увеличения углеводородной цепи.

Алканы также можно получить гидрированием ненасыщенных углеводородов.

Алканы имеют широкое применение. Бутан используется для получения бутадиена-1,3, необходимого в производстве синтетического каучука. Метан используется для получения синтез-газа, метанола, ацетилена, как топливо, горючее для двигателей внутреннего сгорания, для получения растворителей.

Таким образом, при облучении светом или при высоких температурах алканы вступают в реакции окисления и замещения. Алканы в промышленности получают из нефти, а в лаборатории реакциями гидрирования ненасыщенных углеводородов, нагреванием солей карбоновых кислот со щелочами, реакцией Вюрца.

videouroki.net

Реферат по органической химии тема: получение алканов,алкенов,алкинов

РЕФЕРАТ ПО

Органической химии

ТЕМА:

ПОЛУЧЕНИЕ АЛКАНОВ,АЛКЕНОВ,АЛКИНОВ.

ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ.

ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

План.

    1. АЛКАНЫ (предельные углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКАНОВ.
    1. АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКЕНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКЕНОВ.
    1. АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды).
    1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИНОВ.
    1. ПРЕДСТАВИТЕЛИ АЛКИНОВ.

4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АЛКИНОВ.

1.1 ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (алканы).

Предельными углеводородами (алканами) называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только Q-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3.

1.2 Методы получения алканов.

Главным природным источником предельных углеводородов яв­ляется нефть, а для первых членов гомологического ряда — природный газ. Однако выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга- весьма трудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам полу­чения.

1. Алканы образуются при действии металлического натрия на моногалогенпроизводные — реакция Вюрца:

НзС-СН2—Вг + Вг-СН2-Сh4 СНз-СН2—СН2—СНз + 2NaBr

Если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе молекул одинаковых или разных равна, а реакционная способность их близка:

3C2H5I + 3Ch4Ch3Ch3IС4Н10 + С5Н12 + С6Н14 + 6NaI

2. Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов :

НзС-СН=СН-СНз НзС-СН2-СН2-СНз3. Самые разнообразные производные алканов могут быть восста­новлены при высокой температуре иодистоводородной кислотой:

H3C h4C

CHBr +2HI Ch3 + HBr + I2

h4C h4CОднако в этих случаях иногда наблюдается частичная изомеризация углеродного скелета — образуются более разветвленные алканы.4. Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота: O

СНз—С +NaOH Ch5+Na2C03

ONa

1.3 Представители алканов

Согласно теории строения А. М. Бутлерова, физические свойства веществ зависят от их состава и строения. Рассмотрим на примере предельных углеводородов изменение физических свойств в гомоло­гическом ряду .

Четыре первых члена гомологического ряда, начиная с метана, газообразные вещества. Начиная с пентана и выше, нормальные угле­водороды представляют собой жидкости. Метан сгущается в жидкость лишь при —162 °С. У последующих членов ряда температура кипения возрастает, причем при переходе к следующему гомологу она воз­растает приблизительно на 25°.

Плотность углеводородов при температуре кипения для нижних членов ряда увеличивается сначала быстро, а затем все медленнее: от 0,416 у метана до величины, несколько большей 0,78 .Температура плавления нормальных углеводородов в гомологичес­ком ряду увеличивается медленно. Начиная с углеводорода С16Н34, высшие гомологи при обычной температуре — вещества твердые.

Температура кипения у всех разветвленных алканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чем более разветвлена углеродная цепь молекулы. Это видно, например, из сравнения температур кипения трех изомерных пентанов. Наоборот, температура плавления оказывается самой высокой у изомеров с макси­мально разветвленной углеродной цепью. Так, из всех изомерных октанов лишь гекса-метилэтап (СН3)3С—С (СНз)3 является твердым веществом уже при обычной темпе­ратуре (т. пл. 104° С). Эти закономерности объясняются следующими причинами.

Превращению жидкости в газ препятствуют ван-дер-ваальсовы силы взаимодей­ствия между атомами отдельных молекул. Поэтому чем больше атомов в молекуле, тем выше температура кипения вещества, следовательно, в гомологическом ряду тем­пература кипения должна равномерно расти. Если сравнить силы взаимодействия молекул н-пентана и неопентана, то ясно, что эти силы больше для молекулы с нор­мальной цепью углеродных атомов, чем для разветвленных, так как в молекуле неопентана центральный атом вообще выключен из взаимодействия.

Главным фактором, влияющим на температуру плавления вещества, является плотность упаковки молекулы в кристаллической решетке. Чем симметричнее моле­кула, тем плотнее ее упаковка в кристалле и тем выше температура плавления (у н-пентана —132° C, у неопентана —20° С)

2.1 АЛКЕНЫ (этиленовые углеводороды, олефины)

Углеводороды, в молекуле которых помимо простых Q-связей углерод — углерод и углерод — водород имеются углерод-углеродные

-связи, называются непредельными. Так как образование -связи формально эквивалентно потере молекулой двух атомсв годорода, то непредельные углеводороды содержат на 2п атомов иодорода меньше, чем предельные, где n число - связейС6h24 C6h22C6h20C6H8C6H6 Ряд, члены которого отличаются друг от друга на (2Н)n, называется изологическим рядом. Так, в приведенной выше схеме изологами являются гексан, гексены, гексадиены, гексины, гексатриены и бензол.

Углеводороды, содержащие одну - связь (т. е. двойную связь), называваются алкенами (олефинами) или, по первому члену ряда - этилену, этиленовыми углеводородами. Общая формула их гомологического ряда — Cnh3n2.2 Методы получения алкенов

При действии спиртовых растворов едких щелочей на галогенпроизводные:отщепляется галогенводород и образуется двойная связь:

h4C-Ch3-Ch3Brh4C-CH=Ch3+NaBr+h3O

Бромистый пропил Пропилен

Если в α-положении к атому углерода, связанному с галогеном, находится третичный, вторичный и первичный атомы водорода, то преимущественно отщепляется третичный атом водорода, в меньшей степени вторичный и тем более первичный (правило Зайцева):

Ch4 Ch4

Ch3 Ch3

h4C-C-CI h4C-C + KCL + h3O

CH C

h4C Ch4 h4C Ch4

2,3-Диметил-3-хлорпентан 2,3-Диметелпентен-2

Это связано с термодинамической устойчивостью образующихся алке-нoв. Чем больше заместителей имеет алкен у винильных атомов углерода, тем выше его устойчивость.

2. Действием на спирты водоотнимающих средств: а) при про­пускании спиртов над окисью алюминия при 300—400° С.

НзС-СН-СН2.-СНзНзС-СН=СН-СНз

OH Бутен-2

Втор-Бутиловый спирт

б) при действии на спирты серной кислоты в мягких условиях реакция идет через промежуточное образование эфиров серной кислоты:

НзС-СН-СНз НзС-СН-СН3 h4C-CH=Ch3

OH O-SO3H

изопропнлопып спирт

При дегидратации спиртов в жестких условиях в кислых средах наблюдается та же закономерность в отщеплении водородных атомов разного типа, как и при отщеплении галогенводорода.

Первой стадией этого процесса является протонирование спирта, после чего от­щепляется молекула воды и образуется карбкатион:СНз-СН2-СН-СНз + H Ch4-Ch3-CH-Ch4 Ch4-CH-CH-

OH O H

H H

Ch4Ch4-CH-CH-Ch4Ch4-CH=CH-Ch4Образовавшийся карбкатион стабилизируется выбросом протона из соседнего поло­жения с образованием двойной связи (β-элиминирование). В этом слу­чае тоже образуется наиболее разветвленный алкен (термодинамически более устойчивыи). При этом процессе часто наблюдаются перегруппировки карбкатионов связанные с изомеризацией углеродного скелета:

Ch4 Ch4

Ch4 C-CH – Ch4 Ch4 C-CH-Ch4

Ch4 OH Ch4 Ch4 Ch4 Ch4 Ch4

C-CH C=C

Ch4 Ch4 Ch4 Ch43. При действии Zn или Mg на дигалогенпроизводные с двумя

атомами галогена у соседних атомов углерода: CI h4C – C Ch3CIh4C - C - Ch3+MgCI2

Ch4 Ch4

1,2-дихлор-2-метал- изобутилен

пропан

4. Гидрированием ацетиленовых углеводородов над катализато­рами с пониженной активностью (Fe или «отравленные», т. е. обрабо­танные серусодержащнми соединениями для понижения каталити­ческой активности, Pt и Pd):

НСС-СН(СНз)2Н2С=СН-СН(СНз)2

2.3 Представители алкенов.

Как и алкаиы, низшие гомологи ряда простейших алкенов при обычных условиях — газы, а начиная с С5 — низкокипящие жидкости (см. табл. ).

т.пл., Т. d4
Формула Название °с Кип.,°С
Ch3=Ch3 Этилен -169 -104 0,5660 (при —102° С)
СН3СН=СН3 Пропилен -185 -47 0,6090 (при —47" С)
СНзСНзСН=СН2 СНз-СН=СН-СНз (цис)Бутен-1 -130 -5 0,6696 (при —5° С) 0,6352 (приО°С)
-139 +4
(цис)
СНз-СН=СН-СНз (транс)-Бутеп-2 -105 +1 0,6361 (при 0°С)
(транс)
(СНз)зС=СН2 Иэобутилен -140 -7 0,6407 (при 0°С)

Все алкены, как и алканы, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворителях, за исключением метилового спирта; все они имеют меньшую плотность, чем вода.

3.1 АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды)

Алкинами называются углеводороды, содержащие кроме Q-связей две

-связи (тройную связь) у одной пары углеродных атомов. Общая формула гомологического ряда ацетиленовых углеводородов СnН2n-2 образование одной-связи формально эквивалентно потере двух атомов водорода.

Различными физическими методами доказано, что ацетилен C2h3 — I простейший представитель гомологического ряда алкинов — имеет линейную молекулу, в которой длина углерод-углеродной тройной связи равна 1,20 А, а длина связей углерод—водород 1,06 A.

Связи С—Н в ацетилене относятся к числу Q-связей, образованных путем перекрывапия s-орбитали водорода с гибридизованной sp- орбиталью углерода; в молекуле имеется одна углерод-углеродная а-связь (образованная перекрыванием двух гибридизованных sp-орби-талей углерода) и две углерод-углеродные -связи — результат перекрывания двух взаимно перпендикулярных пар «чистых» p-орбиталей (р иР) соседних атомов углерода. Валентные углы в ацетилене на основании этой модели равны 180° и молекула имеет линейную конформацию, что делает невозможной цис-транс-изомерию при тройной связи. 3.2Методы получения алкинов.

Наиболее общим способом получения ацетиленовых углеводородов является действие спиртового раствора щелочей на дигалогенпроиз-водные предельных углеводородов с вицинальным (а) или геминаль-ным (б) расположением атомов галогена

  1. Ch3Br –Ch3Br -> СНСН + 2НВг
б) СНз—СН2—СНСl2 ->СHз-ССН+2ИСl

Ch4-Ch3-CCl2-Ch4 -> СНз-С С-СНз + 2НС1

Так как вицинальные дигалогенпроизводные обычно получают присоединением галогенов к этиленовым углеводородам, то реакцию (а) можно рассматривать как реакцию превращения этиленовых угле­водородов в ацетиленовые.

Геминальные дигалогенпроизводные (оба атома галогена у одного атома углерода) являются производными кетонов или альдегидов и, следовательно, с помощью реакций (б) можно осуществить переход от карбонильных соединений к алкинам. При отщеплении галогенводородов действует уже известное правило Зайцева, что водород отщеп­ляется от углеродного атома, содержащего меньшее количество атомов водорода.

Ацетилен можно получать непосредственно при высокотемператур­ном крекинге (термическом или электротермическом) метана или более , сложных углеводородов:

2СН4Н-СС-Н + ЗН2

3.3 Представители алкинов.Как у алканов и алкенов, низшие члены гомологического ряда алкинов в обычных условиях—газообразные вещества. Данные табл. 22 показывают, что основные физико-химические характеристики углеводородов рассмотренных классов мало отличаются друг от друга (см. таблицу).

Формула Название Т. пл., °С Т кип., °С D4
HCCH

Ch4CCH

HCC- Ch3Ch4 СНзСCСНз

Ацетилен Пропин

Бутин-1

Бутин-2

-82

-105

-137

-33

-84

(возг,-23) 9

27

0,6200 (при-84° С) 0,6785 (при -27° С) 0;669б (при -10° С) 0,6880 (при 25° С)
4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛКАНОВ, АЛКИНОВ, АЛКЕНОВ

Алкены вместе с алканами, ацетиленом и ароматическими уг­леводородами являются одним из главных сырьевых источников промышленности тяжелого (многотоннажного) органического син­теза.

Этилен в громадных количествах используется для переработки в полиэтилен и этиловый спирт, он идет на переработку в этилен-гликоль и употребляется в теплицах для ускорения вызревания плодов.

Пропилен перерабатывается в полипропилен, ацетон, изопропиловый спирт.

Ацетилен играет исключи­тельно важную роль в про­мышленности. Его мировое производство достигает не­скольких миллионов тонн. Громадное количество ацети­лена используется для свар­ки металлов, при его горении

в кислороде температура достигает 2800° С. Это значительно более высокая температура, чем при сгорании водорода в кислороде, не говоря уже о сгорании метана. Причина этого в значительно меньшей теплоемкости СО2 по сравнению с Н2О, которой образуется больше при сгорании алканов, чем алкинов:

2СзН6 + 7O2 -> 4СО2 + 6Н2О

2С2 Н2 + 5O2 -> 4СО2 + ЗН2О

Неприятный запах ацетилена, получаемого из карбида, обусловлен примесями Ph4 и Ash4, чистый ацетилен пахнет, как и все низшие углеводороды (бензин). Ацетилен и его смеси с воздухом крайне взрывчаты; ацетилен хранят и транспортируют в баллонах в виде ацетоновых растворов, пропитывающих пористые материалы.

НЕФТЬ И ЕЕ ПЕРЕРАБОТКА

Состав нефти. Главным природным источником предельных углеводородов является нефть. Состав нефтей различается в зависимости от месторождения, однако все нефти при простой перегонке обычно разделяются на следующие фракции: газовая фракция, бензин, реак­тивное топливо, керосин, дизельное топливо, парафин, нефтяной гудрон.

Газовая фракция (т. кип. до40◦C) содержит нормальные и развет­вленные алканы до С,, в основном пропан и бутаны. Природный газ из газовых месторождений состоит в основном из метана и этана.

Бензин авиационный (т. кип. 40—180 °С) содержит углеводороды С6 — С10 В бензине обнаружено более 100 индивидуальных соедине­ний, в число которых входят нормальные и разветвленные алканы, циклоалканы и алкилбензолы (арены).

Реактивное топливо (т. кип. 150—280°С).

Керосин тракторный (т, кип. 110—300 °С) содержит углеводороды С7—С14.

Дизельное топливо (т. кип. 200—330 °С), в состав которого входят углеводороды C13 — C18, в больших масштабах подвергается крекингу, превращаясь в алканы (и алкены) с меньшей молекулярной массой (см. ниже).

Смазочные масла (т. кип. 340—400°С) содержат углеводороды C18 — C25.

Парафин нефтяной (т. кип. 320—500 °С), в его состав входят угле­водороды С26—С38, из которых выделяют вазелин. Остаток после перегонки обычно называют асфальтом или гудроном.

Помимо углеводородов самых различных классов в нефти содер­жатся кислородные, сернистые и азотсодержащие вещества; иногда их суммарное содержание доходит до нескольких процентов.

В настоящее время наиболее признанной является теория органического происхождения нефти как продукта превращения растительных и животных остатков. Это подтверждается тем, что в образцах нефтей были найдены остатки порфиринов, стероиды растительного и животного происхождения и так называемый «хемофоссилий» — самые разнообразные фрагменты, содержащиеся в планк­тоне.

Хотя общепризнанно, что нефть является наиболее ценным природ­ным источником химического сырья, до сих пор основное количество нефти и нефтепродуктов сгорает в двигателях внутреннего сгорания (бензин), дизелях и реактивных двигателях (керосин).

Моторное топливо. Октановое число. Бензины различного проис­хождения по-разному ведут себя в двигателях внутреннего сгорания.

Стремясь к максимальному повышению мощности двигателя при малых габаритах и массе, стараются увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в быстроходных четырехтактных двигателях, работающих с принудительным зажиганием, при этом иногда происхо­дит преждевременное воспламенение смеси — детонация. Это снижает мощность мотора и ускоряет его износ. Это явление связано с составом жидкого топлива, так как углеводороды разного строения при исполь­зовании их в качестве моторного топлива ведут себя различно. Наихуд­шие показатели — у парафинов нормального строения.

За стандарт горючего вещества с большой способностью к детона­ции принят нормальный гептан. Чем больше разветвлена углеродная цепь парафинового углеводорода, тем лучше протекает сгорание его в цилиндре и тем большей степени сжатия горючей смеси можно достичь. В качестве стандарта моторного топлива принят 2, 2, 4-триметилпентан (который обычно называют изооктаном) с хорошими антидетонационными свойствами. Составляя в различных пропорциях смеси этого октана с я-гептапом, сравнивают их поведение в моторе с поведением испытуемого бензина. Если смесь, содержащая 70% изооктана, ведет себя так же, как исследуемый бензин, то говорят, что последний имеет октановое число 70 (октановое число изооктана принято за 100; октановое число н-гептана принято равным нулю).

Одним из путей повышения детонационной стойкости топлив для двигателей с зажиганием от искры является применение антидетона­торов.

Антидетонаторы — это вещества, которые добавляют к бензинам (не более 0,5%) для улучшения аптидетопацнонных свойств. Доста­точно эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ (C2H5)4

Однако бензин с ТЭС и продукты его сгорания очень токсичны. В настоящее время найдены новые антидетонаторы на основе марганец-органических соединений типа циклопентадиеиклпснтакарбонилмарганца С5Н5Мn (СО)5: они менее токсичны и обладают лучшими анти­детонационными свойствами. Добавление этих антидетонаторов к хоро­шим сортам бензина позволяет получать топливо с октановым числом до 135.

Для ракетных и дизельных двигателей, наоборот, наиболее ценны топлива с нормальной цепью углеродных атомов, обладающие наиболее низкой температурой воспламенения. Эту характеристику принято

оценивать в цетановых числах. Цетановое число 100 имеет углеводород н-Сц,Нд4, а цетаповое число 0 — 1-метилнафталин.

Синтез углеводородов из CO+h3. Пропуская над мелко раздробленным нике­лем смесь окиси углерода (II) и водорода при 250° С, можно получить метан:

СО+ЗН2СН4+Н2О

Если эту реакцию проводить при давлении 100—200 атм и температуре до 400°С, получается смесь, состоящая главным образом из кислородсодержащих продуктов, среди которых преобладают спирты; смесь эта была названа счшполом.

При применении железо-кобальтовых катализаторов и температуре 200° С образуется смесь алканов — синтин.

nСО + (2n + 1) Н2 СnН2n + 2 + h3О

Синтин и синтол являются продуктами многотоннажного органического синтеза и широко используются в качестве сырья для многих химических производств.

Клатраты. Синтин и бензиновые фракции нефти состоят из смесей углеводо­родов нормального строения и с разветвленными цепями. Недавно был найден эффек­тивный метод разделения органических соединений с нормальными цепями и развет­вленных, получивший в общем случае название метода клатратного разделения. Для разделения углеводородов была использована мочевина. Кристаллы мочевины построены таким образом, что внутри кристаллов имеются узкие шестигранные ка­налы. Диаметр этих каналов таков, что внутрь их может пройти и задержаться за счет адсорбционных сил только углеводород нормального строения. Поэтому при обработке смеси органических соединений мочевиной (или некоторыми другими соеди­нениями) вещества с нормальной цепью углеродных атомов кристаллизуются вместе с ней в виде комплексов. Этот метод имеет, безусловно, очень большое будущее — когда будет найдено большее число эффективных клатратообразователей.

100-bal.ru

Получение алканов. Лабораторные и промышленные методы синтеза

Количество просмотров публикации Получение алканов. Лабораторные и промышленные методы синтеза - 663

Фракционный состав нефти

Природные источники и методы получения алканов

Углеводороды

Лекция № 7

· Основные методы получения алканов: гидрирование алкенов и алкинов, восстановление кислород- и галогенсодержащих соединœений, реакция Вюрца, декарбоксилирование и электролиз солей карбоновых кислот. Природные источники алканов.

Основные природные источники предельных углеводородов - нефтяные и газовые месторождения. Природный газ содержит в основном низшие алканы, находящиеся при н.у. в газообразном состоянии (метан, этан, пропан и бутан).

Сырая нефть состоит из сотен химических соединœений. Для получения веществ, которые можно использовать в качестве горючего и сырья для химической промышленности, сырую нефть подвергаю фракционной перегонке. Получаемые фракции представляют из себясмеси органических соединœений различных классов, кипящих в соответствующем интервале температур.

Фракция Т. кип. (оС) Число атомов углерода Применение
Газ < 20 C1 – C4 Топливо
Петролейный эфир 20 – 100 С5 – С7 Растворитель
Природный бензин 40 – 205 С5 – С10 и циклоалканы Двигатели внутреннего сгорания
Керосин 175 – 325 С12 – С18 и ароматические углеводороды Реактивные двигатели
Газойль (соляровое масло) 200 – 400 С12 и выше Дизельные двигатели
Смазочные масла Нелœетучие жидкие Высшие алканы, содержащие циклические фрагменты Смазочные масла
Асфальт (битум) Нелœетучие твердые Полициклические Покрытие дорог

Выделяемые из нефтяных фракций индивидуальные химические соединœения являются ценнейшим сырьем для получения массы необходимых продуктов (лекарства, полимеры и т.д.).

Все методы получения органических соединœений бывают разделœены на две большие группы: промышленные и лабораторные.

В промышленности обычно получают вещество в больших количествах, стремясь к максимальной рентабельности. Часто можно использовать не чистое органическое соединœение, а смесь. В ряде случаев экономически выгодно проводить разделœение даже сложных смесей, в особенности, в случае если одновременно удается выделить и другие полезные вещества. Известно много случаев, когда оказывается прибыльна выработка уникального метода синтеза и построение специального предприятия для выпуска высокорентабельного вещества.

В лаборатории обычно крайне важно синтезировать небольшие количества вещества (граммы и доли грамма). В исследованиях химикам почти всœегда необходимы индивидуальные вещества, а не смеси. В отличие от промышленности время имеет большую ценность, чем цена. Вместе с тем, лабораторные синтезы всœегда гибкие, потому что исследователь не заинтересован в многократном повторении изученного процесса. По этой причине используются методы, позволяющие быстро, с высоким выходом получить целœевой продукт с минимальным содержанием примесей.

Важно, что лабораторные (но не промышленные) методы, как правило, бывают распространены на весь класс синтезируемых соединœений.

В ходе изучения курса органической химии основное внимание направлено на лабораторные методы получения. При решении задач не следует использовать промышленные методы, даже в том случае, в случае если они используются для получения именно того вещества, синтез которого крайне важно спланировать. К примеру, в случае если в ходе синтеза крайне важно синтезировать этилен, его следует получать, используя общие методы синтеза алкенов, хотя это соединœение в огромных количествах получают крекингом.

Алкены и алкины в присутствии гетерогенных катализаторов, таких как Pt, Pd, Ni, легко присоединяют один или два моль водорода при незначительном нагревании и невысоком давлении. При этом количественно образуются алканы с тем же углеродным скелœетом.

Галогенопроизводные насыщенных углеводородов бывают восстановлены до алканов металлом в кислой среде:

Алканы бывают получены гидролизом реактивов Гриньяра:

Приведенные выше методы позволяют синтезировать алканы, имеющие такой же углеродный скелœет, как в исходной молекуле.

Важно заметить, что для синтеза парафинов, строение углеродной цепи которых отличается от исходных веществ, известно несколько методов. Моногалогенопроизводные алканов при взаимодействии с металлическим натрием превращаются в предельные углеводороды по реакции Вюрца. В ходе реакции образуется углерод-углеродная связь между атомами углерода, связанными в исходном соединœении с галогенами.

Реакция Вюрца должна быть использована исключительно для синтеза симметричных алканов (R-R) с четным числом углеродных атомов. Во избежание образования смесей алканов в эту реакцию нужно вводить только одно галогенопроизводное.

Ограничения реакции Вюрца понятны из следующего примера.

В реакции образуется смесь пропана, этана и н-бутана. Поскольку скорости реакций близки, невозможно предложить условия, в которых образование пропана будет преобладающим процессом. Следовательно, две трети исходных веществ будут израсходованы впустую. Вместе с тем, возникает сложная проблема разделœения продуктов реакции.

При распространении реакции Вюрца на более сложные галогенопроизводные следует соблюдать осторожность. Щелочные металлы обладают очень высокой реакционной способностью. В случае если в молекуле, кроме атома галогена, есть функциональные группы, в большинстве случаев реакция натрия или калия с ними пойдет быстрее, чем с галогеном. Не имеет смысла даже пытаться проводить реакцию Вюрца, в случае если в молекуле наряду с галогеном есть гидрокси- (OH), карбокси- (СOOH), сульфо- (SO3H) и многие другие группировки.

Одним из способов получения алканов является реакция декарбоксилирования (отщепления СО2) солей карбоновых кислот. В некоторых случаях данный процесс происходит очень легко уже при незначительном нагревании. Hасыщенные карбоновые кислоты алифатического ряда отщепляют карбоксильную группу только при прокаливании их солей со щелочью.

В результате декарбоксилирования образуется алкан, содержащий на один атом углерода меньше, чем было в исходной кислоте.

В случае если соль карбоновой кислоты алифатического ряда подвергнуть электролизу (анодный синтез Кольбе), то на аноде карбоксилат-анион отдает электроду один электрон, превращаясь в нестабильный радикал. Выброс СО2 приводит к алкильному радикалу. При рекомбинации двух алкильных радикалов образуется симметричный алкан с четным числом атомов углерода.

referatwork.ru


Смотрите также