كل فئة من المركبات الكيميائية قادرة على إظهار الخصائص بسبب هيكلها الإلكتروني. تتميز الألكانات بإحلال الجزيئات أو إزالتها أو تفاعلات الأكسدة. جميع العمليات الكيميائية لها خصائصها الخاصة للتدفق ، والتي ستتم مناقشتها بمزيد من التفصيل.
ما هي الألكانات
هذه مركبات هيدروكربونية مشبعة تسمى البارافينات. تتكون جزيئاتها فقط من ذرات الكربون والهيدروجين ، ولها سلسلة حلقية خطية أو متفرعة ، وفيها توجد مركبات مفردة فقط. بالنظر إلى خصائص الفصل ، من الممكن حساب التفاعلات المميزة للألكانات. يلتزمون بالصيغة الشاملة للفئة: H2n + 2C.
التركيب الكيميائي
يحتوي جزيء البارافين على ذرات كربون تظهر sp3- التهجين. كل مدارات التكافؤ الأربعة لها نفس الشكل والطاقة والاتجاه في الفضاء. حجم الزاوية بين مستويات الطاقة 109 ° و 28
وجود روابط مفردة في الجزيئات يحدد التفاعلاتخاصية الألكانات. تحتوي على مركبات بيتا. الرابطة بين الكربون غير قطبية وقابلة للاستقطاب بشكل ضعيف ، وهي أطول قليلاً من C − H. هناك أيضًا تحول في كثافة الإلكترون إلى ذرة الكربون ، باعتبارها الأكثر كهرسلبية. نتيجة لذلك ، يتميز مركب C − H بقطبية منخفضة.
تفاعلات الاستبدال
مواد صنف البارافين لها نشاط كيميائي ضعيف. يمكن تفسير ذلك من خلال قوة الروابط بين C-C و C-H ، والتي يصعب كسرها بسبب عدم القطبية. يعتمد تدميرها على آلية تماثل ، يشارك فيها الراديكاليون من النوع الحر. هذا هو السبب في أن الألكانات تتميز بتفاعلات الاستبدال. هذه المواد غير قادرة على التفاعل مع جزيئات الماء أو الأيونات الحاملة.
وهي تشمل استبدال الجذور الحرة ، حيث يتم استبدال ذرات الهيدروجين بعناصر هالوجين أو مجموعات نشطة أخرى. تتضمن هذه التفاعلات العمليات المرتبطة بالهالوجين والكلورة الكبريتية والنترة. نتيجتهم تحضير مشتقات الألكان
تعتمد آلية تفاعلات استبدال الجذور الحرة على المراحل الثلاث الرئيسية:
- تبدأ العملية ببدء أو تنوي سلسلة ، ونتيجة لذلك تتشكل الجذور الحرة. المحفزات هي مصادر الضوء فوق البنفسجي والحرارة.
- ثم تتطور سلسلة ، حيث تحدث تفاعلات متتالية للجزيئات النشطة مع الجزيئات غير النشطة.يتم تحويلها إلى جزيئات وجذور ، على التوالي.
- الخطوة الأخيرة هي كسر السلسلة. لوحظ إعادة التركيب أو اختفاء الجسيمات النشطة. هذا يوقف تطور سلسلة من ردود الفعل.
عملية الهالوجين
يعتمد على آلية النوع الراديكالي. يحدث تفاعل الهالوجين للألكانات عن طريق الإشعاع فوق البنفسجي وتسخين خليط من الهالوجينات والهيدروكربونات.
تخضع جميع مراحل العملية للقاعدة المنصوص عليها من قبل ماركوفنيكوف. تنص على أنه ، أولاً وقبل كل شيء ، ذرة الهيدروجين ، التي تنتمي إلى أكثر الكربون المهدرج ، تخضع للاستبدال بهالوجين. تتم عملية الهالوجين بالتسلسل التالي: من الذرة الثلاثية إلى الكربون الأولي.
العملية أفضل لجزيئات الألكان ذات سلسلة الكربون الرئيسية الطويلة. ويرجع ذلك إلى انخفاض الطاقة المؤينة في هذا الاتجاه ، حيث يسهل فصل الإلكترون عن المادة.
مثال على ذلك هو كلورة جزيء الميثان. يؤدي عمل الأشعة فوق البنفسجية إلى انقسام الكلور إلى جزيئات جذرية تهاجم الألكان. هناك انفصال عن الهيدروجين الذري وتكوين H3C أو جذر الميثيل. مثل هذا الجسيم ، بدوره ، يهاجم الكلور الجزيئي ، مما يؤدي إلى تدمير بنيته وتشكيل كاشف كيميائي جديد.
يتم استبدال ذرة هيدروجين واحدة فقط في كل مرحلة من مراحل العملية. يؤدي تفاعل الهالوجين للألكانات إلى التكوين التدريجي لكلور ميثان وثاني كلورو ميثان وثلاثي كلورو الميثان ورابع كلوريد الكربون.
من الناحية التخطيطية ، تبدو العملية كما يلي:
H4C + Cl: Cl → H3CCl + HCl ،
H3CCl + Cl: Cl → H2CCl2+ HCl ،
H2CCl2+ Cl: Cl → HCCl3+ HCl ،
HCCl3+ Cl: Cl → CCl4+ HCl.
على عكس كلورة جزيء الميثان ، فإن إجراء مثل هذه العملية مع الألكانات الأخرى يتميز بالحصول على المواد التي يحدث فيها استبدال الهيدروجين ليس عند ذرة كربون واحدة ، ولكن في عدة ذرات. نسبتها الكمية مرتبطة بمؤشرات درجة الحرارة. في ظل الظروف الباردة ، هناك انخفاض في معدل تكوين المشتقات ذات البنية الثلاثية والثانوية والأولية.
مع زيادة درجة الحرارة ، فإن معدل تكوين هذه المركبات ينخفض. تتأثر عملية الهالوجين بالعامل الساكن ، مما يشير إلى احتمال مختلف لتصادم جذري مع ذرة كربون.
لا تتم عملية الهالوجين مع اليود في ظل الظروف العادية. من الضروري خلق ظروف خاصة. عندما يتعرض الميثان لهذا الهالوجين ، يتشكل يوديد الهيدروجين. يتأثر يوديد الميثيل ، ونتيجة لذلك ، يتم إطلاق الكواشف الأولية: الميثان واليود. يعتبر رد الفعل هذا قابلاً للعكس.
تفاعل Wurtz للألكانات
طريقة للحصول على الهيدروكربونات المشبعة ذات البنية المتماثلة. يتم استخدام فلز الصوديوم أو بروميدات الألكيل أو كلوريد الألكيل كمواد متفاعلة. فيينتج تفاعلهم هاليد الصوديوم وسلسلة هيدروكربونية ممتدة ، وهو مجموع شقين هيدروكربونيين. من الناحية التخطيطية ، يكون التركيب كما يلي: R − Cl + Cl − R + 2Na → R − R + 2NaCl.
تفاعل Wurtz للألكانات ممكن فقط إذا كانت الهالوجينات في جزيئاتها في ذرة الكربون الأولية. على سبيل المثال ، CH3−CH2−CH2Br.
في حالة مشاركة خليط هالوكربون من مركبين في العملية ، يتم تكوين ثلاثة منتجات مختلفة أثناء تكثيف سلاسلها. مثال على تفاعل الألكانات هذا هو تفاعل الصوديوم مع كلورو ميثان وكلورو إيثان. الناتج عبارة عن خليط يحتوي على البيوتان والبروبان والإيثان.
بالإضافة إلى الصوديوم ، يمكن استخدام معادن قلوية أخرى ، والتي تشمل الليثيوم أو البوتاسيوم.
عملية الكلورة الكبريتية
يطلق عليه أيضًا رد فعل ريد. يستمر وفقًا لمبدأ استبدال الجذور الحرة. هذا نوع مميز من تفاعل الألكانات لعمل خليط من ثاني أكسيد الكبريت والكلور الجزيئي في وجود الأشعة فوق البنفسجية.
تبدأ العملية ببدء آلية السلسلة ، حيث يتم الحصول على جذرين من الكلور. يهاجم أحدهم الألكان ، مما ينتج عنه نوع ألكيل وجزيء كلوريد الهيدروجين. يرتبط ثاني أكسيد الكبريت بجذر الهيدروكربون لتشكيل جسيم معقد. لتحقيق الاستقرار ، يتم التقاط ذرة كلور من جزيء آخر. المادة النهائية هي ألكان كلوريد السلفونيل ، وهي تستخدم في تخليق المركبات النشطة على السطح.
من الناحية التخطيطية ، تبدو العملية كما يلي:
ClCl → hv∙ Cl + ∙ Cl ،
HR + ∙ Cl → R ∙ + HCl ،
R ∙ + OSO → ∙ RSO2 ،
∙ RSO2+ ClCl → RSO2Cl + ∙ Cl.
العمليات المتعلقة بالنترات
تتفاعل الألكانات مع حمض النيتريك في شكل محلول 10٪ ، وكذلك مع أكسيد النيتروجين رباعي التكافؤ في حالة غازية. شروط تدفقه هي قيم درجات حرارة عالية (حوالي 140 درجة مئوية) ومؤشرات ضغط منخفض. يتم إنتاج Nitroalkanes عند الإخراج.
تمت تسمية عملية الجذور الحرة هذه على اسم العالم كونوفالوف ، الذي اكتشف تركيب النترات: CH4+ HNO3→ CH3NO2+ H2O.
آلية الانقسام
تتميز الألكانات بتفاعلات نزع الهيدروجين والتصدع. جزيء الميثان يخضع لتحلل حراري كامل.
الآلية الرئيسية للتفاعلات المذكورة أعلاه هي إزالة الذرات من الألكانات.
عملية نزع الهيدروجين
عندما يتم فصل ذرات الهيدروجين عن الهيكل الكربوني للبارافينات ، باستثناء الميثان ، يتم الحصول على المركبات غير المشبعة. تحدث مثل هذه التفاعلات الكيميائية للألكانات في درجات حرارة عالية (من 400 إلى 600 درجة مئوية) وتحت تأثير مسرعات على شكل أكاسيد البلاتين والنيكل والكروم والألمنيوم.
إذا كانت جزيئات البروبان أو الإيثان متورطة في التفاعل ، فستكون منتجاتها من البروبين أو الإيثين برابطة مزدوجة واحدة.
عند إزالة الهيدروجين من أربعة أو خمسة هيكل عظمي من الكربون ، ديينروابط. يتكون البيوتان من بوتادين -1 ، 3 ، بوتادين -1 ، 2.
في حالة وجود مواد بها 6 ذرات كربون أو أكثر في التفاعل ، يتم تكوين البنزين. لها نواة عطرية بثلاث روابط مزدوجة.
عملية التحلل
في ظل ظروف درجة الحرارة المرتفعة ، يمكن أن تحدث تفاعلات الألكانات مع تكسير روابط الكربون وتشكيل جسيمات نشطة من النوع الجذري. تسمى هذه العمليات التكسير أو الانحلال الحراري.
تسخين المواد المتفاعلة إلى درجات حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية يؤدي إلى تحلل جزيئاتها ، حيث تتشكل خلائط معقدة من الجذور من نوع الألكيل.
يرتبط إجراء الانحلال الحراري للألكانات ذات السلاسل الكربونية الطويلة تحت تسخين قوي بالحصول على مركبات مشبعة وغير مشبعة. يطلق عليه التكسير الحراري. تم استخدام هذه العملية حتى منتصف القرن العشرين.
العيب هو إنتاج الهيدروكربونات ذات رقم أوكتان منخفض (لا يزيد عن 65) ، لذلك تم استبدالها بالتكسير التحفيزي. تتم العملية في ظروف درجة حرارة أقل من 440 درجة مئوية وضغوط أقل من 15 جوًا ، في وجود معجل ألومينوسيليكات مع إطلاق الألكانات ذات البنية المتفرعة. مثال على ذلك هو الانحلال الحراري للميثان: 2CH4→t°C2 H2+ 3H2. خلال هذا التفاعل ، يتم تكوين الأسيتيلين والهيدروجين الجزيئي.
يمكن أن يخضع جزيء الميثان للتحويل. يتطلب هذا التفاعل الماء ومحفزًا من النيكل. على الالناتج عبارة عن خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
عمليات الأكسدة
التفاعلات الكيميائية المميزة للألكانات تتضمن التبرع بالإلكترونات.
هناك أكسدة تلقائية للبارافينات. يتضمن آلية الجذور الحرة لأكسدة الهيدروكربونات المشبعة. أثناء التفاعل ، يتم الحصول على هيدروبيروكسيدات من المرحلة السائلة للألكانات. في المرحلة الأولية ، يتفاعل جزيء البارافين مع الأكسجين ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الجذور النشطة. علاوة على ذلك ، جزيء آخر O2يتفاعل مع جسيم الألكيل ، مما يؤدي إلى ∙ ROO. يتلامس جزيء الألكان مع جذور بيروكسيد الأحماض الدهنية ، وبعد ذلك يتم إطلاق هيدروبيروكسيد. مثال على ذلك هو الأكسدة التلقائية للإيثان:
C2H6+ O2→ ∙ C2H5+ HOO ∙ ،
∙ C2H5+ O2→ ∙ OOC2H5،
∙ OOC2H5+ C2H6→ HOOC2H5+ ∙ C2H5.
تتميز الألكانات بتفاعلات الاحتراق ، وهي من أهم الخواص الكيميائية عند تحديدها في تكوين الوقود. لديهم شخصية مؤكسدة مع إطلاق الحرارة: 2C2H6+ 7O2→ 4CO 2+ 6H2O.
إذا كانت هناك كمية صغيرة من الأكسجين في العملية ، فقد يكون المنتج النهائي هو الفحم أو أكسيد الكربون ثنائي التكافؤ ، والذي يتم تحديده من خلال تركيز O2.
عندما تتأكسد الألكانات تحت تأثير المواد الحفازة وتسخن إلى 200 درجة مئوية ، فإن جزيئات الكحول أو الألدهيد أوحمض الكربوكسيل
مثال الإيثان:
C2H6+ O2→ C2 H5OH (إيثانول) ،
C2H6+ O2→ CH3CHO + H2O (ethanal and water) ،
2C2H6+ 3O2→ 2CH3COOH + 2H2O (حمض الإيثانويك والماء).
يمكن أن تتأكسد الألكانات عند تعريضها لثلاث ذرات من البيروكسيدات الحلقية. وتشمل هذه ثنائي ميثيل ديوكسيرين. نتيجة أكسدة البارافينات جزيء كحول.
ممثلو البارافينات لا يتفاعلون مع KMnO4أو برمنجنات البوتاسيوم ، وكذلك مع الماء البروم.
الأزمرة
على الألكانات ، يتميز نوع التفاعل بالاستبدال بآلية محبة للكهرباء. وهذا يشمل أزمرة سلسلة الكربون. يتم تحفيز هذه العملية بواسطة كلوريد الألومنيوم الذي يتفاعل مع البارافين المشبع. مثال على ذلك هو أزمرة جزيء البوتان ، والذي يصبح 2-methylpropane: C4H10→ C3 H 7CH3.
عملية العطر
المشبعة التي تحتوي على ست ذرات كربون أو أكثر في سلسلة الكربون الرئيسية قادرة على نزع الماء. مثل هذا التفاعل ليس نموذجيًا للجزيئات القصيرة. تكون النتيجة دائمًا حلقة من ستة أعضاء على شكل هكسان حلقي ومشتقاته.
في وجود مسرعات التفاعل ، يحدث المزيد من نزع الهيدروجين والتحول إلى حلقة بنزين أكثر استقرارًا. يتم تحويل الهيدروكربونات غير الحلقية إلى مركبات عطرية أو أرينات. مثال على ذلك هو نزع الماء من الهكسان:
H3C − CH2- CH2- CH2- CH2−CH3→ C6H12(سيكلوهكسان) ،
C6H12→ C6H6 + 3H2(بنزين).
