Хімічні властивості метану та його гомологів

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина III. ОРГАНІЧНА ХІМІЯ

Розділ 16. ВУГЛЕВОДНІ

§ 16.3. Хімічні властивості метану та його гомологів

Члени гомологічного ряду алканів мають спільні хімічні властивості. Це малоактивні речовини. Усі реакції за їх участю можна розділити на два типи: реакції з розривом зв’язків С-Н (наприклад, реакції заміщення) та реакції з розривом зв’язків С-С, при якому відбувається розщеплення молекул на окремі уламки (крекінг).

Радикали існують протягом незначної частки

секунди і дуже активні в момент утворення. Так, вони легко взаємодіють між собою, утворюючи з неспарених електронів новий ковалентний зв’язок. Наприклад:

Вони легко реагують і з молекулами органічних речовин, приєднуючись до них або відриваючи від них атом з неспареним електроном. В результаті утворюються нові радикали, які можуть реагувати з іншими молекулами. Прикладом може бути радикальна полімеризація ненасичених сполук:

В ході такої ланцюгової реакції утворюються макромолекули (див. § 16.7), ріст яких продовжується доти, доки не обірветься

ланцюг, наприклад при сполученні двох радикалів.

Як зазначалося вище, реакціями вільних радикалів пояснюється багато важливих хімічних процесів – окиснення, вибухи, полімеризація ненасичених сполук, крекінг нафти тощо.

Хімічні властивості алканів детальніше розглядаються на прикладі метану.

Будова молекули і властивості метану. Електронну будову молекули метану розглянуто у § 3.2. Атом карбону в молекулі метану перебуває в стані sp – гібридизації. У результаті перекривання чотирьох гібридизованих орбіталей атома карбону з 5-орбіталями атомів гідрогену утворюється дуже міцна молекула метану. Електронну будову молекули метану див. рис. 3.11.

Метан – газ без кольору і запаху, легший за повітря, малорозчинний у воді. Насичені вуглеводні здатні горіти, утворюючи оксид карбону(ІV) та воду. Метан горить блідим синюватим полум’ям:

СН4 + 2O2 −> СO2 + 2Н2О.

У суміші з повітрям (або з киснем, особливо у співвідношенні за об’ємом 1 : 2, що видно з рівняння реакції) метан утворює вибухові суміші. Тому він небезпечний як у побуті (витікання газу через крани), так і в шахтах. При неповному згорянні метану утворюється сажа. Так її добувають у промислових умовах. За участю каталізаторів при окисненні метану добувають метиловий спирт і формальдегід (див. § 17.2 і 17.6). При сильному нагріванні метан розкладається за рівнянням: СН4 -> С + Н2.

У печах спеціальної конструкції розклад метану можна здійснити до проміжного продукту – ацетилену:

2СН4 -> С2Н2 + ЗН2.

Собівартість такого ацетилену майже вдвічі нижча за собівартість ацетилену, добутого з карбіду кальцію.

Конверсією метану з водяною парою добувають водень (див. § 8.2).

Для метану характерні реакції заміщення. На світлі при звичайній температурі галогени – хлор і бром – поступово (по стадіях) витісняють з молекули метану водень, утворюючи так звані галогенопохідні. Атоми хлору заміщують в ній атоми гідрогену з утворенням суміші різних сполук: СН3Сl – хлорметану (хлористого метилу), СН2Сl2 – дихлорметану (хлористого метилену), СНСl3 – трихлорметану (хлороформу), ССl4 – тетрахлорметану (чотирихлористого вуглецю). З цієї суміші кожну сполуку можна виділити. Велике значення мають хлороформ та тетрахлорметан як розчинники смол, жирів, каучуку та інших органічних речовин.

Утворення галогенопохідних метану відбувається за ланцюговим вільнорадикальним механізмом. Під дією світла молекули хлору розпадаються на неорганічні радикали:

Сl2 ⇆ 2Сl-

Неорганічний радикал Сl відриває від молекули метану атом гідрогену з одним електроном, утворюючи НСl і вільний

Радикал СН3

Вільний радикал взаємодіє з молекулою хлору Сl2, утворюючи галогенопохідне та радикал хлору:

СН3 + Cl-> СН3-Сl + Cl

Радикал хлору знову продовжує ланцюг перетворень і т. д.

Метан за звичайної температури виявляє значну стійкість до дії кислот, лугів та багатьох окисників. Проте він вступає в реакцію з нітратною кислотою:

CH4 + HNO3 -> CH3NO2 + H2O.

Нітрометан

Метан не здатний до реакцій приєднання, оскільки в його молекулі всі валентності насичені.

Наведені реакції заміщення супроводжуються розривом зв’язків С-Н. Однак відомі процеси, в яких відбувається не тільки розщеплення зв’язків С-Н, а й розрив ланцюга атомів карбону (у гомологів метану). Ці реакції відбуваються за високих температур і за наявності каталізаторів. Наприклад:

Процес (а) називається дегідрогенізацією, процес (б) – крекінгом.

Окисненням насичених вуглеводнів добувають кислоти: оцтову кислоту – з бутану (див. § 17.12) та жирні кислоти з великою молекулярною масою – з парафіну (див. § 17.15).

Добування алканін. Метан дуже поширений у природі. Він є головною складовою частиною багатьох горючих газів, як природних (90-98 %), так і штучних, що виділяються при сухій перегонці деревини, торфу, кам’яного вугілля, а також при крекінгу нафти. Природні гази, особливо попутні гази нафтових родовищ, крім метану містять етан, пропан, бутан і пентан.

Метан виділяється з дна боліт і з кам’яновугільних пластів у рудниках, де він утворюється при повільному розкладі рослинних решток без доступу повітря. Тому метан часто називають болотним, або рудниковим, газом.

У лабораторних умовах метан добувають при нагріванні суміші ацетату натрію з гідроксидом натрію:

Або при взаємодії карбіду алюмінію з водою:

Аl4С3 + 12Н2О −> 4Аl(ОН)3 + ЗСН4 ↑.

В останньому випадку метан утворюється дуже чистий. Метан можна добути з простих речовин при нагріванні і наявності каталізатора:

Nі

С + 2Н2 −> СН4,

А також синтезом на основі водяного газу:

Ni

CO + ЗН2 -> СН4 + Н2О.

Цей спосіб має промислове значення. Проте використовують звичайно метан природних газів або газів, що утворюються під час коксування кам’яного вугілля та переробки нафти.

Гомологи метану, як і метан, у лабораторних умовах добувають прожарюванням солей відповідних органічних кислот з лугами. Інший спосіб – реакція Вюрца, тобто нагрівання моногалогенопохідних з металічним натрієм, наприклад:

У техніці для добування синтетичного бензину (суміш вуглеводнів, що містять 6-10 атомів карбону) застосовують синтез із оксиду карбону(ІІ) і водню за наявності каталізатора (сполуки кобальту) і при підвищеному тиску. Процес можна виразити рівнянням:

200°С

NСО + (2n + 1)Н2 -> СnН 2n+2 + nН2О.

Застосування алканів. Знаючи властивості метану, можна скласти уявлення про його застосування. Воно дуже різноманітне. Завдяки великій теплотворній здатності метан у великих кількостях витрачається як паливо (у побуті – побутовий газ і в промисловості). Широко застосовуються речовини, які добувають з метану: водень, ацетилен, сажа. Він є вихідною сировиною для добування формальдегіду, метилового спирту, а також різних синтетичних продуктів.

Велике промислове значення має окиснення вищих насичених вуглеводнів – парафінів з числом вуглецевих атомів 20-25. Таким способом добувають синтетичні жирні кислоти з різною довжиною ланцюга, які використовуються для виробництва мил, різних мийних засобів, мастил, лаків та емалей.

Рідкі вуглеводні використовують як паливо (вони входять до складу бензину і гасу). Алкани широко застосовують в органічному синтезі.