Çdo klasë e përbërjeve kimike është në gjendje të shfaqë veti për shkak të strukturës së tyre elektronike. Alkanet karakterizohen nga reaksionet e zëvendësimit, eliminimit ose oksidimit të molekulave. Të gjitha proceset kimike kanë karakteristikat e tyre të rrjedhës, të cilat do të diskutohen më tej.
Çfarë janë alkanet
Këto janë përbërje hidrokarbure të ngopura të quajtura parafina. Molekulat e tyre përbëhen vetëm nga atomet e karbonit dhe hidrogjenit, kanë një zinxhir aciklik linear ose të degëzuar, në të cilin ka vetëm komponime të vetme. Duke pasur parasysh karakteristikat e klasës, është e mundur të llogaritet se cilat reaksione janë karakteristike për alkanet. Ata i binden formulës për të gjithë klasën: H2n+2C.
Struktura kimike
Molekula e parafinës përfshin atome karboni që tregojnë sp3-hibridizim. Ata kanë të katër orbitalet e valencës kanë të njëjtën formë, energji dhe drejtim në hapësirë. Madhësia e këndit ndërmjet niveleve të energjisë është 109° dhe 28'.
Prania e lidhjeve të vetme në molekula përcakton se cilat reaksionekarakteristikë e alkaneve. Ato përmbajnë σ-komponime. Lidhja midis karboneve është jopolare dhe e polarizueshme dobët dhe është pak më e gjatë se në C−H. Ekziston gjithashtu një zhvendosje në densitetin e elektronit në atomin e karbonit, si më elektronegativi. Si rezultat, përbërja C−H karakterizohet nga polaritet i ulët.
Reaksionet e zëvendësimit
Substancat e klasës së parafinës kanë aktivitet të dobët kimik. Kjo mund të shpjegohet me forcën e lidhjeve midis C-C dhe C-H, të cilat janë të vështira për t'u thyer për shkak të jopolaritetit. Shkatërrimi i tyre bazohet në një mekanizëm homolitik, në të cilin marrin pjesë radikalet e tipit të lirë. Kjo është arsyeja pse alkanet karakterizohen nga reaksionet e zëvendësimit. Substanca të tilla nuk janë në gjendje të ndërveprojnë me molekulat e ujit ose me jonet që mbartin ngarkesë.
Ato përfshijnë zëvendësimin e radikalëve të lirë, në të cilin atomet e hidrogjenit zëvendësohen nga elementë halogjenë ose grupe të tjera aktive. Këto reaksione përfshijnë procese të lidhura me halogjenimin, sulfoklorinimin dhe nitrimin. Rezultati i tyre është përgatitja e derivateve të alkaneve.
Mekanizmi i reaksioneve të zëvendësimit të radikaleve të lira bazohet në tre fazat kryesore:
- Procesi fillon me fillimin ose bërthamimin e një zinxhiri, si rezultat i të cilit formohen radikalet e lira. Katalizatorët janë burime të dritës ultravjollcë dhe nxehtësie.
- Më pas zhvillohet një zinxhir, në të cilin ndodhin ndërveprime të njëpasnjëshme të grimcave aktive me molekulat joaktive. Ato shndërrohen në molekula dhe radikale, përkatësisht.
- Hapi i fundit është të thyesh zinxhirin. Vërehet rikombinimi ose zhdukja e grimcave aktive. Kjo ndalon zhvillimin e një reaksioni zinxhir.
Procesi i halogjenimit
Ai bazohet në një mekanizëm të tipit radikal. Reaksioni i halogjenimit të alkaneve ndodh nga rrezatimi ultravjollcë dhe ngrohja e një përzierje halogjenesh dhe hidrokarburesh.
Të gjitha fazat e procesit i nënshtrohen rregullit të deklaruar nga Markovnikov. Ai thotë se, para së gjithash, atomi i hidrogjenit, i cili i përket karbonit më të hidrogjenizuar, i nënshtrohet zëvendësimit nga një halogjen. Halogjenimi vazhdon në sekuencën vijuese: nga atomi terciar në karbonin primar.
Procesi është më i mirë për molekulat alkane me një zinxhir të gjatë karboni kryesor. Kjo është për shkak të një rënie të energjisë jonizuese në këtë drejtim, një elektron ndahet më lehtë nga substanca.
Një shembull është klorifikimi i një molekule metani. Veprimi i ultravjollcës çon në ndarjen e klorit në grimca radikale që sulmojnë alkanin. Ka një shkëputje të hidrogjenit atomik dhe formimin e H3C· ose një radikal metil. Një grimcë e tillë, nga ana tjetër, sulmon klorin molekular, duke çuar në shkatërrimin e strukturës së tij dhe në formimin e një reagjenti të ri kimik.
Vetëm një atom hidrogjeni zëvendësohet në çdo fazë të procesit. Reaksioni i halogjenimit të alkaneve çon në formimin gradual të molekulave të klorometanit, diklorometanit, triklormetanit dhe tetraklorurit të karbonit.
Skematikisht, procesi duket kështu:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Ndryshe nga klorifikimi i një molekule metani, kryerja e një procesi të tillë me alkane të tjera karakterizohet nga marrja e substancave në të cilat zëvendësimi i hidrogjenit nuk ndodh në një atom karboni, por në disa. Raporti sasior i tyre lidhet me treguesit e temperaturës. Në kushte të ftohta, vërehet një ulje e shkallës së formimit të derivateve me strukturë terciare, dytësore dhe parësore.
Me një rritje të temperaturës, shkalla e formimit të komponimeve të tilla ulet. Procesi i halogjenimit ndikohet nga faktori statik, i cili tregon një probabilitet të ndryshëm të përplasjes së radikalit me një atom karboni.
Procesi i halogjenizimit me jod nuk vazhdon në kushte normale. Është e nevojshme të krijohen kushte të veçanta. Kur metani ekspozohet ndaj këtij halogjeni, formohet jodidi i hidrogjenit. Ai ndikohet nga metil jodidi, si rezultat, lëshohen reagentët fillestarë: metani dhe jodi. Një reagim i tillë konsiderohet i kthyeshëm.
Reaksioni Wurtz për alkanet
Është një metodë për marrjen e hidrokarbureve të ngopura me strukturë simetrike. Metalet e natriumit, bromidet alkil ose kloruret alkil përdoren si reaktantë. Nëndërveprimi i tyre prodhon halid natriumi dhe një zinxhir të zgjeruar hidrokarbur, i cili është shuma e dy radikaleve hidrokarbure. Skematikisht, sinteza është si më poshtë: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Reaksioni Wurtz për alkanet është i mundur vetëm nëse halogjenet në molekulat e tyre janë në atomin primar të karbonit. Për shembull, CH3−CH2−CH2Br.
Nëse një përzierje halokarbonike e dy përbërjeve përfshihet në proces, atëherë tre produkte të ndryshme formohen gjatë kondensimit të zinxhirëve të tyre. Një shembull i një reagimi të tillë të alkaneve është ndërveprimi i natriumit me klorometanin dhe kloroetanin. Rezultati është një përzierje që përmban butan, propan dhe etan.
Përveç natriumit, mund të përdoren edhe metale të tjera alkaline, të cilat përfshijnë litiumin ose kaliumin.
Procesi i sulfoklorinimit
Quhet ndryshe edhe reaksioni Reed. Ai vazhdon sipas parimit të zëvendësimit të radikaleve të lira. Ky është një lloj reaksioni karakteristik i alkaneve ndaj veprimit të një përzierjeje të dioksidit të squfurit dhe klorit molekular në prani të rrezatimit ultravjollcë.
Procesi fillon me fillimin e një mekanizmi zinxhir, në të cilin dy radikale merren nga klori. Njëri prej tyre sulmon alkanin, duke rezultuar në një specie alkil dhe një molekulë klorur hidrogjeni. Dioksidi i squfurit është i lidhur me radikalin hidrokarbur për të formuar një grimcë komplekse. Për stabilizim, një atom klori kapet nga një molekulë tjetër. Substanca përfundimtare është alkan sulfonil klorur, përdoret në sintezën e përbërjeve aktive sipërfaqësore.
Skematikisht, procesi duket kështu:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Proceset që lidhen me nitrimin
Alkanet reagojnë me acidin nitrik në formën e një tretësire 10%, si dhe me oksidin tetravalent të azotit në gjendje të gaztë. Kushtet për rrjedhjen e tij janë vlera të larta të temperaturës (rreth 140 ° C) dhe tregues të presionit të ulët. Nitroalkanet prodhohen në dalje.
Ky proces radikal i lirë u emërua sipas shkencëtarit Konovalov, i cili zbuloi sintezën e nitrimit: CH4 + HNO3 → CH 3JO2 + H2O.
Mekanizmi i ndarjes
Alkanet karakterizohen nga reaksionet e dehidrogjenizimit dhe plasaritjes. Molekula e metanit i nënshtrohet dekompozimit të plotë termik.
Mekanizmi kryesor i reaksioneve të mësipërme është eliminimi i atomeve nga alkanet.
Procesi i dehidrogjenizimit
Kur atomet e hidrogjenit ndahen nga skeleti i karbonit i parafinave, me përjashtim të metanit, përftohen komponime të pangopura. Reaksione të tilla kimike të alkaneve ndodhin në temperatura të larta (nga 400 në 600 ° C) dhe nën ndikimin e përshpejtuesve në formën e oksideve të platinit, nikelit, kromit dhe aluminit.
Nëse molekulat e propanit ose etanit përfshihen në reaksion, atëherë produktet e tij do të jenë propen ose eteni me një lidhje të dyfishtë.
Kur dehidrogjenoni një skelet me katër ose pesë karbon, dienelidhjet. Butani formohet nga butadiene-1, 3 dhe butadiene-1, 2.
Nëse në reaksion janë të pranishme substanca me 6 ose më shumë atome karboni, atëherë formohet benzeni. Ka një bërthamë aromatike me tre lidhje të dyfishta.
Procesi i zbërthimit
Në kushtet e temperaturës së lartë, reaksionet e alkaneve mund të ndodhin me thyerjen e lidhjeve të karbonit dhe formimin e grimcave aktive të tipit radikal. Procese të tilla quhen plasaritje ose pirolizë.
Ngrohja e reaktantëve në temperatura mbi 500 °C çon në dekompozimin e molekulave të tyre, gjatë së cilës formohen përzierje komplekse të radikalëve të tipit alkil.
Kryerja e pirolizës së alkaneve me zinxhirë të gjatë karboni nën ngrohje të fortë shoqërohet me marrjen e përbërjeve të ngopura dhe të pangopura. Quhet plasaritje termike. Ky proces u përdor deri në mesin e shekullit të 20-të.
Disavantazhi ishte prodhimi i hidrokarbureve me një numër oktan të ulët (jo më shumë se 65), kështu që u zëvendësua nga plasaritja katalitike. Procesi zhvillohet në kushte temperaturash nën 440 °C dhe presione nën 15 atmosfera, në prani të një përshpejtuesi aluminosilikat me çlirimin e alkaneve që kanë një strukturë të degëzuar. Një shembull është piroliza e metanit: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Gjatë këtij reaksioni, formohen acetilen dhe hidrogjen molekular.
Molekula e metanit mund t'i nënshtrohet shndërrimit. Ky reagim kërkon ujë dhe një katalizator nikeli. Nëprodhimi është një përzierje e monoksidit të karbonit dhe hidrogjenit.
Proceset e oksidimit
Reaksionet kimike karakteristike të alkaneve përfshijnë dhurimin e elektroneve.
Ka autooksidim të parafinave. Ai përfshin një mekanizëm të radikalëve të lirë për oksidimin e hidrokarbureve të ngopura. Gjatë reaksionit, hidroperoksidet fitohen nga faza e lëngshme e alkaneve. Në fazën fillestare, molekula e parafinës ndërvepron me oksigjenin, si rezultat, lëshohen radikale aktive. Më tej, një tjetër molekulë O2 ndërvepron me grimcën alkil, duke rezultuar në ∙ROO. Një molekulë alkani kontakton radikalin e peroksidit të acidit yndyror, pas së cilës lirohet hidroperoksidi. Një shembull është autooksidimi i etanit:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkanet karakterizohen nga reaksionet e djegies, të cilat janë ndër vetitë kryesore kimike kur ato përcaktohen në përbërjen e lëndës djegëse. Ato kanë karakter oksidativ me çlirim nxehtësie: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Nëse ka një sasi të vogël oksigjeni në proces, atëherë produkti përfundimtar mund të jetë qymyri ose oksidi dyvalent i karbonit, i cili përcaktohet nga përqendrimi i O2.
Kur alkanet oksidohen nën ndikimin e substancave katalitike dhe nxehen në 200 ° C, molekulat e alkoolit, aldehidit oseacid karboksilik.
Shembull etani:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal dhe ujë), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (acid etanoik dhe ujë).
Alkanet mund të oksidohen kur ekspozohen ndaj peroksideve ciklike me tre anëtarë. Këto përfshijnë dimetildioxiranin. Rezultati i oksidimit të parafinave është një molekulë alkooli.
Përfaqësuesit e parafinave nuk reagojnë ndaj KMnO4 ose permanganat kaliumi, si dhe ndaj ujit me brom.
Izomerizim
Në alkanet, lloji i reaksionit karakterizohet nga zëvendësimi me një mekanizëm elektrofilik. Kjo përfshin izomerizimin e zinxhirit të karbonit. Ky proces katalizohet nga kloruri i aluminit, i cili ndërvepron me parafinën e ngopur. Një shembull është izomerizimi i një molekule butani, e cila bëhet 2-metilpropan: C4H10 → C3 H 7CH3.
Procesi i aromës
Ngopjet me gjashtë ose më shumë atome karboni në zinxhirin kryesor të karbonit janë të afta për dehidrociklizim. Një reagim i tillë nuk është tipik për molekulat e shkurtra. Rezultati është gjithmonë një unazë me gjashtë anëtarë në formën e cikloheksanit dhe derivateve të tij.
Në prani të përshpejtuesve të reaksionit, ndodh dehidrogjenimi i mëtejshëm dheshndërrimi në një unazë benzeni më të qëndrueshme. Hidrokarburet aciklike shndërrohen në komponime aromatike ose arene. Një shembull është dehidrociklizimi i heksanit:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (cikloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
