ქიმიური ნაერთების თითოეულ კლასს შეუძლია გამოავლინოს თვისებები მათი ელექტრონული სტრუქტურის გამო. ალკანებს ახასიათებთ მოლეკულების ჩანაცვლების, ელიმინაციის ან დაჟანგვის რეაქციები. ყველა ქიმიურ პროცესს აქვს ნაკადის საკუთარი მახასიათებლები, რაზეც შემდგომში იქნება საუბარი.
რა არის ალკანები
ეს არის გაჯერებული ნახშირწყალბადის ნაერთები, რომლებსაც პარაფინები ეწოდება. მათი მოლეკულები შედგება მხოლოდ ნახშირბადის და წყალბადის ატომებისგან, აქვთ წრფივი ან განშტოებული აციკლური ჯაჭვი, რომელშიც მხოლოდ ცალკეული ნაერთებია. კლასის მახასიათებლების გათვალისწინებით, შესაძლებელია გამოვთვალოთ რომელი რეაქციებია დამახასიათებელი ალკანებისთვის. ისინი ემორჩილებიან კლასის ფორმულას: H2n+2C.
ქიმიური სტრუქტურა
პარფინის მოლეკულა მოიცავს ნახშირბადის ატომებს, რომლებიც აჩვენებს sp3-ჰიბრიდიზაციას. მათ აქვთ ოთხივე ვალენტური ორბიტალი, აქვთ იგივე ფორმა, ენერგია და მიმართულება სივრცეში. ენერგიის დონეებს შორის კუთხის ზომაა 109° და 28'.
მოლეკულებში ერთჯერადი ბმების არსებობა განსაზღვრავს რა რეაქციასდამახასიათებელი ალკანებისთვის. ისინი შეიცავს σ-ნაერთებს. ნახშირბადებს შორის კავშირი არაპოლარული და სუსტად პოლარიზებადია და ოდნავ გრძელია ვიდრე C−H. ასევე ხდება ელექტრონის სიმკვრივის ცვლა ნახშირბადის ატომში, როგორც ყველაზე ელექტროუარყოფითი. შედეგად, C−H ნაერთი ხასიათდება დაბალი პოლარობით.
ჩანაცვლების რეაქციები
პარაფინის კლასის ნივთიერებებს აქვთ სუსტი ქიმიური აქტივობა. ეს შეიძლება აიხსნას C–C და C–H შორის არსებული ობლიგაციების სიძლიერით, რომლებიც ძნელად იშლება არაპოლარობის გამო. მათი განადგურება ეფუძნება ჰომლიზურ მექანიზმს, რომელშიც თავისუფალი ტიპის რადიკალები მონაწილეობენ. ამიტომ ალკანებს ახასიათებთ ჩანაცვლების რეაქციები. ასეთ ნივთიერებებს არ შეუძლიათ წყლის მოლეკულებთან ან მუხტის მატარებელ იონებთან ურთიერთქმედება.
ისინი მოიცავს თავისუფალი რადიკალების ჩანაცვლებას, რომელშიც წყალბადის ატომები იცვლება ჰალოგენური ელემენტებით ან სხვა აქტიური ჯგუფებით. ეს რეაქციები მოიცავს პროცესებს, რომლებიც დაკავშირებულია ჰალოგენაციასთან, სულფოქლორირებასთან და ნიტრარებასთან. მათი შედეგია ალკანის წარმოებულების მომზადება.
თავისუფალი რადიკალების შემცვლელი რეაქციების მექანიზმი ემყარება მთავარ სამ ეტაპს:
- პროცესი იწყება ჯაჭვის დაწყებით ან ნუკლეაციით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება თავისუფალი რადიკალები. კატალიზატორები არის ულტრაიისფერი სინათლის წყაროები და სითბო.
- შემდეგ ვითარდება ჯაჭვი, რომელშიც ხდება აქტიური ნაწილაკების თანმიმდევრული ურთიერთქმედება არააქტიურ მოლეკულებთან.ისინი გარდაიქმნება მოლეკულებად და რადიკალებად, შესაბამისად.
- ბოლო ნაბიჯი არის ჯაჭვის გაწყვეტა. შეინიშნება აქტიური ნაწილაკების რეკომბინაცია ან გაქრობა. ეს აჩერებს ჯაჭვური რეაქციის განვითარებას.
ჰალოგენაციის პროცესი
ის დაფუძნებულია რადიკალური ტიპის მექანიზმზე. ალკანების ჰალოგენაციის რეაქცია მიმდინარეობს ულტრაიისფერი დასხივებით და ჰალოგენებისა და ნახშირწყალბადების ნარევის გათბობით.
პროცესის ყველა ეტაპი ექვემდებარება მარკოვნიკოვის მიერ დადგენილ წესს. მასში ნათქვამია, რომ უპირველეს ყოვლისა, წყალბადის ატომი, რომელიც მიეკუთვნება ყველაზე წყალბადის ნახშირბადს, ექვემდებარება ჩანაცვლებას ჰალოგენით. ჰალოგენაცია მიმდინარეობს შემდეგი თანმიმდევრობით: მესამეული ატომიდან პირველად ნახშირბადამდე.
პროცესი უკეთესია ალკანის მოლეკულებისთვის გრძელი ძირითადი ნახშირბადის ჯაჭვით. ეს გამოწვეულია მაიონებელი ენერგიის შემცირებით ამ მიმართულებით, ელექტრონი უფრო ადვილად იშლება ნივთიერებიდან.
მაგალითი არის მეთანის მოლეკულის ქლორირება. ულტრაიისფერი სხივების მოქმედება იწვევს ქლორის დაშლას რადიკალურ ნაწილაკებად, რომლებიც თავს ესხმიან ალკანს. ხდება ატომური წყალბადის გამოყოფა და H3C· ან მეთილის რადიკალის წარმოქმნა. ასეთი ნაწილაკი, თავის მხრივ, თავს ესხმის მოლეკულურ ქლორს, რაც იწვევს მისი სტრუქტურის განადგურებას და ახალი ქიმიური რეაგენტის წარმოქმნას.
პროცესის თითოეულ ეტაპზე მხოლოდ ერთი წყალბადის ატომი იცვლება. ალკანების ჰალოგენაციის რეაქცია იწვევს ქლორმეთანის, დიქლორმეთანის, ტრიქლორმეთანის და ნახშირბადის ტეტრაქლორიდის მოლეკულების თანდათანობით წარმოქმნას.
სქემატურად, პროცესი ასე გამოიყურება:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
მეთანის მოლეკულის ქლორირებისგან განსხვავებით, სხვა ალკანებთან ასეთი პროცესის ჩატარება ხასიათდება ნივთიერებების მიღებით, რომლებშიც წყალბადის ჩანაცვლება ხდება არა ერთ ნახშირბადის ატომში, არამედ რამდენიმეში. მათი რაოდენობრივი თანაფარდობა დაკავშირებულია ტემპერატურის მაჩვენებლებთან. ცივ პირობებში მცირდება მესამეული, მეორადი და პირველადი სტრუქტურის მქონე წარმოებულების წარმოქმნის სიჩქარე.
ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ასეთი ნაერთების წარმოქმნის სიჩქარე იკლებს. ჰალოგენაციის პროცესზე გავლენას ახდენს სტატიკური ფაქტორი, რაც მიუთითებს ნახშირბადის ატომთან რადიკალების შეჯახების განსხვავებულ ალბათობაზე.
იოდით ჰალოგენაციის პროცესი ნორმალურ პირობებში არ მიმდინარეობს. აუცილებელია სპეციალური პირობების შექმნა. როდესაც მეთანი ექვემდებარება ამ ჰალოგენს, წარმოიქმნება წყალბადის იოდიდი. მასზე გავლენას ახდენს მეთილის იოდიდი, რის შედეგადაც გამოიყოფა საწყისი რეაგენტები: მეთანი და იოდი. ასეთი რეაქცია შექცევადად ითვლება.
ვურცის რეაქცია ალკანებისთვის
არის სიმეტრიული სტრუქტურის მქონე გაჯერებული ნახშირწყალბადების მიღების მეთოდი. ნატრიუმის ლითონი, ალკილის ბრომიდები ან ალკილის ქლორიდები გამოიყენება რეაქტორებად. ზემათი ურთიერთქმედება წარმოქმნის ნატრიუმის ჰალოიდს და გაფართოებულ ნახშირწყალბადის ჯაჭვს, რომელიც არის ორი ნახშირწყალბადის რადიკალის ჯამი. სქემატურად სინთეზი ასეთია: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
ვურცის რეაქცია ალკანებისთვის შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მათ მოლეკულებში ჰალოგენები არიან პირველადი ნახშირბადის ატომში. მაგალითად, CH3−CH2−CH2ძმ.
თუ პროცესში ჩართულია ორი ნაერთის ჰალოკარბონის ნარევი, მაშინ მათი ჯაჭვების კონდენსაციის დროს წარმოიქმნება სამი განსხვავებული პროდუქტი. ალკანების ასეთი რეაქციის მაგალითია ნატრიუმის ქლორომეთანთან და ქლოროეთანთან ურთიერთქმედება. გამომავალი არის ნარევი, რომელიც შეიცავს ბუტანს, პროპანს და ეთანს.
ნატრიუმის გარდა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ტუტე ლითონები, მათ შორის ლითიუმი ან კალიუმი.
სულფოქლორირების პროცესი
მას ასევე უწოდებენ რიდის რეაქციას. იგი მიმდინარეობს თავისუფალი რადიკალების ჩანაცვლების პრინციპით. ეს არის ალკანების რეაქციის დამახასიათებელი ტიპი გოგირდის დიოქსიდის და მოლეკულური ქლორის ნარევის მოქმედებაზე ულტრაიისფერი გამოსხივების თანდასწრებით.
პროცესი იწყება ჯაჭვის მექანიზმის ინიცირებით, რომელშიც ქლორისგან მიიღება ორი რადიკალი. ერთი მათგანი თავს ესხმის ალკანს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ალკილის სახეობა და წყალბადის ქლორიდის მოლეკულა. გოგირდის დიოქსიდი მიმაგრებულია ნახშირწყალბადის რადიკალთან და ქმნის კომპლექსურ ნაწილაკს. სტაბილიზაციისთვის, ქლორის ერთი ატომი იჭერს მეორე მოლეკულას. საბოლოო ნივთიერება არის ალკანის სულფონილ ქლორიდი, იგი გამოიყენება ზედაპირულად აქტიური ნაერთების სინთეზში.
სქემატურად, პროცესი ასე გამოიყურება:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
ნიტრაციასთან დაკავშირებული პროცესები
ალკანები რეაქციაში შედის აზოტის მჟავასთან 10%-იანი ხსნარის სახით, აგრეთვე ოთხვალენტიან აზოტის ოქსიდთან აირისებრ მდგომარეობაში. მისი ნაკადის პირობებია მაღალი ტემპერატურის მნიშვნელობები (დაახლოებით 140 ° C) და დაბალი წნევის მაჩვენებლები. გამომავალზე წარმოიქმნება ნიტროალკანები.
ამ თავისუფალ რადიკალურ პროცესს ეწოდა მეცნიერი კონოვალოვის სახელი, რომელმაც აღმოაჩინა ნიტრაციის სინთეზი: CH4 + HNO3 → CH 3არა2 + H2O.
გატეხვის მექანიზმი
ალკანებს ახასიათებთ დეჰიდროგენაცია და კრეკინგის რეაქციები. მეთანის მოლეკულა სრულ თერმულ დაშლას განიცდის.
ზემოხსენებული რეაქციების ძირითადი მექანიზმი არის ატომების აღმოფხვრა ალკანებიდან.
დეჰიდროგენაციის პროცესი
პარაფინების ნახშირბადის ჩონჩხიდან წყალბადის ატომების გამოყოფისას, მეთანის გარდა, მიიღება უჯერი ნაერთები. ალკანების ასეთი ქიმიური რეაქციები მიმდინარეობს მაღალ ტემპერატურაზე (400-დან 600 °C-მდე) და ამაჩქარებლების გავლენით პლატინის, ნიკელის, ქრომის და ალუმინის ოქსიდების სახით.
თუ რეაქციაში მონაწილეობს პროპანის ან ეთანის მოლეკულები, მაშინ მისი პროდუქტები იქნება პროპენი ან ეთენი ერთი ორმაგი ბმა.
4 ან ხუთ ნახშირბადის ჩონჩხის დეჰიდროგენიზაციისას, დიენიკავშირები. ბუტანი წარმოიქმნება ბუტადიენ-1, 3 და ბუტადიენ-1, 2.
თუ რეაქციაში იმყოფება ნივთიერებები 6 ან მეტი ნახშირბადის ატომით, მაშინ წარმოიქმნება ბენზოლი. მას აქვს არომატული ბირთვი სამი ორმაგი ბმით.
დაშლის პროცესი
მაღალი ტემპერატურის პირობებში ალკანების რეაქციები შეიძლება მოხდეს ნახშირბადის ბმების გაწყვეტით და რადიკალური ტიპის აქტიური ნაწილაკების წარმოქმნით. ასეთ პროცესებს კრეკინგი ან პიროლიზი ეწოდება.
რეაგენტების გათბობა 500 °C-ზე მეტ ტემპერატურაზე იწვევს მათი მოლეკულების დაშლას, რომლის დროსაც წარმოიქმნება ალკილის ტიპის რადიკალების რთული ნარევები.
ალკანების პიროლიზის ჩატარება გრძელი ნახშირბადის ჯაჭვებით ძლიერი გაცხელების დროს დაკავშირებულია გაჯერებული და უჯერი ნაერთების მიღებასთან. მას თერმული კრეკინგი ეწოდება. ეს პროცესი გამოიყენებოდა მე-20 საუკუნის შუა ხანებამდე.
მინუსი იყო ნახშირწყალბადების წარმოება დაბალი ოქტანური რიცხვით (არაუმეტეს 65), ამიტომ იგი შეიცვალა კატალიზური კრეკინგით. პროცესი მიმდინარეობს ტემპერატურულ პირობებში, რომლებიც 440 °C-ზე დაბალია და წნევა 15 ატმოსფეროზე დაბალია, ალუმინის სილიკატური ამაჩქარებლის თანდასწრებით, განშტოებული სტრუქტურის მქონე ალკანების გამოთავისუფლებით. ამის მაგალითია მეთანის პიროლიზი: 2CH4 →t°C2t°C2 H
2+ 3H2. ამ რეაქციის დროს წარმოიქმნება აცეტილენი და მოლეკულური წყალბადი.
მეთანის მოლეკულას შეუძლია გადაიზარდოს. ამ რეაქციას სჭირდება წყალი და ნიკელის კატალიზატორი. Ზეგამომავალი ნახშირბადის მონოქსიდისა და წყალბადის ნაზავია.
ჟანგვის პროცესები
ალკანებისთვის დამახასიათებელი ქიმიური რეაქციები მოიცავს ელექტრონების დონაციას.
არის პარაფინების ავტოჟანგვა. იგი მოიცავს თავისუფალი რადიკალების მექანიზმს გაჯერებული ნახშირწყალბადების დაჟანგვისთვის. რეაქციის დროს ალკანების თხევადი ფაზიდან მიიღება ჰიდროპეროქსიდები. საწყის ეტაპზე პარაფინის მოლეკულა ურთიერთქმედებს ჟანგბადთან, რის შედეგადაც გამოიყოფა აქტიური რადიკალები. გარდა ამისა, სხვა მოლეკულა O2 ურთიერთქმედებს ალკილის ნაწილაკთან, რის შედეგადაც ∙ROO. ალკანის მოლეკულა უკავშირდება ცხიმოვანი მჟავის პეროქსიდის რადიკალს, რის შემდეგაც გამოიყოფა ჰიდროპეროქსიდი. მაგალითია ეთანის აუტოქსიდაცია:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
ალკანებს ახასიათებთ წვის რეაქციები, რომლებიც საწვავის შემადგენლობაში განსაზღვრისას წარმოადგენს ძირითად ქიმიურ თვისებებს. მათ აქვთ ჟანგვითი ხასიათი სითბოს გამოყოფით: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
თუ პროცესში არის მცირე რაოდენობით ჟანგბადი, მაშინ საბოლოო პროდუქტი შეიძლება იყოს ქვანახშირი ან ნახშირბადის ორვალენტიანი ოქსიდი, რომელიც განისაზღვრება O2 კონცენტრაციით..
როდესაც ალკანები იჟანგება კატალიზური ნივთიერებების გავლენით და თბება 200°C-მდე, ალკოჰოლის, ალდეჰიდის ან მოლეკულებისკარბოქსილის მჟავა.
ეთანის მაგალითი:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (ეთანოლი),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (ეთანალი და წყალი), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (ეთანომჟავა და წყალი).
ალკანები შეიძლება დაჟანგდეს სამწევრიანი ციკლური პეროქსიდების ზემოქმედებისას. მათ შორისაა დიმეთილდიოქსირანი. პარაფინების დაჟანგვის შედეგია ალკოჰოლის მოლეკულა.
პარაფინების წარმომადგენლები არ რეაგირებენ KMnO4 ან კალიუმის პერმანგანატზე, აგრეთვე ბრომიან წყალზე.
იზომერიზაცია
ალკანებზე რეაქციის ტიპი ხასიათდება ელექტროფილური მექანიზმით ჩანაცვლებით. ეს მოიცავს ნახშირბადის ჯაჭვის იზომერიზაციას. ეს პროცესი კატალიზებულია ალუმინის ქლორიდის მიერ, რომელიც ურთიერთქმედებს გაჯერებულ პარაფინთან. ამის მაგალითია ბუტანის მოლეკულის იზომერიზაცია, რომელიც ხდება 2-მეთილპროპანი: C4H10 → C3 H 7CH3.
სურნელოვანი პროცესი
ნახშირბადის მთავარ ჯაჭვში ექვსი ან მეტი ნახშირბადის ატომით გაჯერებულებს შეუძლიათ დეჰიდროციკლიზაცია. ასეთი რეაქცია არ არის დამახასიათებელი მოკლე მოლეკულებისთვის. შედეგი ყოველთვის არის ექვსწევრიანი რგოლი ციკლოჰექსანისა და მისი წარმოებულების სახით.
რეაქციის ამაჩქარებლების არსებობისას ხდება შემდგომი დეჰიდროგენაცია დატრანსფორმაცია უფრო სტაბილურ ბენზოლის რგოლში. აციკლური ნახშირწყალბადები გარდაიქმნება არომატულ ნაერთებად ან არენებად. მაგალითია ჰექსანის დეჰიდროციკლიზაცია:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (ციკლოჰექსანი), C6H12 → C6H6+ 3H2 (ბენზოლი).
