РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ

тема : УГЛЕВОДОРОДЫ

Сделала уч-ца10 кл.(э)

Гимназии АЛЬМА МАТЕР

Филимонова Юля

11.11.2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Определение

2. Классификация

3. Строение ,свойства,получение на примере алканов.

4. Природные источники углеводородов

5. Применение углеводородов

6. Список лит-ры

(1)

определение

Углеводороды – органические вещества, алифатические, алициклические и ароматические соединения, в состав молекул которых входят только атомы углерода и водорода.  В. образуют гомологические ряды. В природе углеводороды встречаются в жидком, твердом и газообразном состоянии. В рассеянном виде присутствуют в атмосфере, воде, (кероген), в концентрированном – в залежах угля, нефти, газа, газогидратов.  В зависимости от строения различают ациклические (алифатические углеводороды, в молекулах которых атомы образуют линейные или разветвленные цепи, и изоциклические, (карбоциклических) В., молекулы которых представляют собой циклы (кольца) трех и более атомов С.  Углеводороды делят на две большие группы: на углеводороды с открытой цепью углеродных атомов, которые называют алифатические, и на углеводороды с замкнутым цепью, которые называют циклическими.  Ациклические углеводороды делятся на насыщенные (алифатические), имеющих только простые связи(метан и его гомологи), и ненасыщенные, в молекулах которых есть кратные связи – двойные и тройные. Наличие кратных связей обусловливает способность В. этих гомологич. рядов к реакциям присоединения и полимеризации. Насыщенные В. метанового ряда (алканы, парафины) является осн. составной частью нефтей и газов природных горючих.  Изоциклические углеводороды делятся на алициклические и ароматические с кольцеобразной структурой с 6 углеродных атомов (бензольное кольцо).  Алифатические углеводороды, в свою очередь, делят на две подгруппы: на насыщенные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой только простыми одинарными связями, и на ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых между атомами углерода имеются двойные и тройные свя связки.  Циклические углеводороды тоже делят на две подгруппы: на циклопарафины и ароматические углеводороды. Последние отличаются наличием в молекулах так называемого бензольного кольца, или ядра, состоящего из шести атомов углерода, связанных между собой в перемижку одинарными и двойными связями. Ароматические полициклические структуры свойственные гумусовым отмена вещества органической и кол-во их растет по мере метаморфизма, с приближением структуры органич. вещества в структуру графита. Всегда присутствуют в нефтях, но редко преобладают в их составе над других углеводородов. 

(2)

классификация

Классификацию углеводородов проводят по следующимструктурным признакам, определяющим свойства этих соединений:

1) строение углеродной цепи (углеродного скелета);  2) наличие в цепи кратных связей С=С и С≡C (степень насыщенности).

1. В зависимости от строения углеродной цепи углеводороды подразделяютна две группы:

Ациклические или алифатические, т.е. "жирные" (от греческого слова "алейфар" – "жир", т.к. впервые структуры с длинными углеродными цепями были обнаружены в составе жиров):

Ациклические соединения — органические соединения, в молекулах которых отсутствуют циклы и все атомы углерода соединены между собой в прямые или разветвленные (открытые) цепи. Различают две основные группы ациклических соединений —насыщенные (предельные) углеводороды, у которых все атомы углерода связаны между собой только простыми связями (напр., гомологический ряд метана), и ненасыщенные (непредельные) углеводороды, у которых между атомами углерода имеются, кроме простых (одинарных) связей, также двойные, тройные связи (напр., ряды этилена, ацетилена).

• Циклические:

ЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Обычно циклические углеводороды делят на алициклические углеводороды (циклоалканы, циклоалкены и т.д.) и ароматические углеводороды.Кроме того, циклические структуры могут классифицироваться в зависимости от особенностей структуры на моноциклические, мостиковые (конденсированные циклы: бициклы, трициклы и т.д.) и спиро-циклы. В мостиковых структурах как минимум два атома принадлежат двум циклам, а у спиросоединений только один атом является общим для двух циклов.

Открытая (незамкнутая) цепь алифатических углеводородов может бытьнеразветвленной или разветвленной. Углеводороды с неразветвленнойуглеродной цепью называют нормальными (н-) углеводородами.

Среди циклических углеводородов выделяют:

• алициклические (т.е. алифатические циклические);

• ароматические (арены).

В этом случае классификационным признаком служит строение цикла.

К ароматическим углеводородам относят соединения, содержащие один или несколько бензольных циклов (формула бензолаС₆Н₆).

2. По степени насыщенности различают:

• насыщенные (предельные) углеводороды (алканы и циклоалканы), в которых имеются только простые связи С-С и отсутствуют кратные связи;

• ненасыщенные (непредельные), содержащие наряду с одинарными связями С-С двойные и/или тройные связи (алкены,алкадиены, алкины, циклоалкены, циклоалкины).

Иллюстрация с примерами

Следует заметить, что хотя по составу бензол С₆Н₆ формально соответствует ненасыщенным циклическим углеводородам (его молекулу часто изображаюткак шестичленный цикл с тремя двойными связями): 

по свойствам это соединение резко отличается от ненасыщенных веществ из-за делокализации кратных связей .Поэтому соединения ряда бензола относят к самостоятельной группе ароматическихуглеводородов (аренов).

(3)

Строение,свойства,получение на примере алканов.

Строение:

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, приведенные в разделе 2. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей: 

С–С и С–Н.

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, раздел 4.3). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp³-гибридизации (часть I, раздел 4.3.1). В этом случае каждая из четырех sp³-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp³-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С-Н или С-С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109^о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН₄ – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109^о28'. Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

В молекуле следующего гомолога – этана С₂Н₆ – два тетраэдрических sp³-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана (VRML-модель) или н-пентана:

свойства:

Физические свойства

• Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи

• При нормальных условиях неразветвлённые алканы с CH₄ до C₄H₁₀ — газы; с C₅H₁₂ до C₁₃H₂₈ — жидкости; после C₁₄H₃₀ — твёрдые тела.

• Температуры плавления и кипения понижаются от менее разветвленных к более разветвленным. Так, например, при 20 °C н-пентан — жидкость, а неопентан — газ.

• газообразные алканы горят бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением большого количества тепла.

Химические свойства

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.

Реакции радикального замещения

Галогенирование: Галогенирование алканов протекает по радикальному механизму. Для инициирования реакции необходимо смесь алкана и галогена облучить УФ-светом или нагреть.

Хлорирование метана не останавливается на стадии получения метилхлорида (если взяты эквимолярные количества хлора и метана), а приводит к образованию всех возможных продуктов замещения, от хлорметана до тетрахлорметана. Хлорирование других алканов приводит к смеси продуктов замещения водорода у разных атомов углерода. Соотношение продуктов хлорирования зависит от температуры. Скорость хлорирования первичных, вторичных и третичных атомов зависит от температуры, при низкой температуре скорость убывает в ряду: третичный, вторичный, первичный. При повышении температуры разница между скоростями уменьшается до тех пор, пока не становится одинаковой. Кроме кинетического фактора на распределение продуктов хлорирования оказывает влияние статистический фактор: вероятность атаки хлором третичного атома углерода в 3 раза меньше, чем первичного, и в 2 раза меньше, чем вторичного. Таким образом, хлорирование алканов является нестереоселективной реакцией, исключая случаи, когда возможен только один продукт монохлорирования.

Стоит отметить, что галогенирование происходит тем легче, чем длиннее углеродная цепь н-алкана. В этом же направлении уменьшается энергия ионизации молекулы вещества, то есть, алкан легче становится донором электрона.

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование алканов проходит поэтапно — за один этап замещается не более одного атома водорода:

1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (хлорметан)

2. CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl (дихлорметан)

3. CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl (трихлорметан)

4. CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl (тетрахлорметан).

Под действием света молекула хлора распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы алкана, забирая у них атом водорода, в результате этого образуются метильные радикалы ·СН₃, которые сталкиваются с молекулами хлора, разрушая их и образуя новые радикалы.

Сульфохлорирование (реакция Рида): При облучении УФ-светом алканы реагируют со смесью SO₂ и Cl₂, После того, как с уходом хлороводорода образуется алкильный радикал, присоединяется диоксид серы. Образовавшийся сложный радикал стабилизируется захватом атома хлора с разрушением очередной молекулы последнего.

Инициирование цепного процесса:

Развитие цепного процесса:

Образовавшиеся сульфонилхлориды широко применяются в производстве ПАВ.

Нитрование:

Основная статья: Реакция Коновалова

Алканы реагируют с 10 % раствором азотной кислоты или оксидом азота NO₂ в газовой фазе при температуре 140 °C и небольшом давлении с образованием нитропроизводных.

RH + HNO₃ → RNO₂ + H₂O.

Все имеющиеся данные указывают на свободнорадикальный механизм. В результате реакции образуются смеси продуктов.

Реакции окисления:

• Горение

Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q.

Значение Q достигает 46 000 — 50 000 кДж/кг.

В случае нехватки кислорода вместо углекислого газа получается угарный газ или уголь (в зависимости от концентрации кислорода).

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

С_nН_2n+2 +(1,5n+0,5)O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O.

Каталитическое окисление

Могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

При мягком окислении СН₄ в присутствии катализатора кислородом при 200 °C) могут образоваться:

• метиловый спирт: 2СН₄ + О₂ → 2СН₃ОН;

• формальдегид: СН₄ + О₂ → СН₂О + Н₂O;

• муравьиная кислота: 2СН₄ + 3О₂ → 2НСООН + 2Н₂O.

Окисление также может осуществляться воздухом. Процесс проводится в жидкой или газообразной фазе. В промышленности так получают высшие жирные спирты и соответствующие кислоты.

Ниже представлена реакция окисления алканов диметилдиоксираном:

Механизм реакций получения кислот путём каталитического окисления и расщепления алканов показан ниже на примере получения из бутана уксусной кислоты:

Термические превращения алканов:

• Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Примеры:

CH₄ → C + 2H₂ (t > 1000 °C).

C₂H₆ → 2C + 3H₂.

Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10—15 атомов углерода в углеродном скелете) и фракции солярового масла (12—20 атомов углерода). Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время термический крекинг полностью вытеснен в промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — 400—450 °C и низком давлении — 10—15 атм на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Для метана:

CH₄ → С + 2H₂ — при 1000 °C.

Частичный крекинг:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ — при 1500 °C.

Дегидрирование

Образование:

1)В углеродном скелете 2 (этан) или 3 (пропан) атома углерода — получение (терминальных) алкенов, так как других в данном случае не может получиться; выделение водорода:

Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃.

а)CH₃-CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂ (этан → этен);

б)CH₃-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₃ + H₂ (пропан → пропен).

2)В углеродном скелете 4 (бутан, изобутан) или 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентан) атомов углерода — получение алкадиенов; выделение водорода:

в)CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂ (бутан → бутадиен-1,3).

в')CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₂=C=CH-CH₃ + 2H₂ (бутан → бутадиен-1,2) (ЭТО — ОДНА РЕАКЦИЯ!)

3) В углеродном скелете 6 (гексан) и более атомов углерода — получение бензола и его производных:

г) CH₃-CH₂-CH₂-CH₂CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ (октан) → П.-ксилол, параллельно М.-ксилол, параллельно этилбензол + 3H₂.

Конверсия метана

В присутствии никелевого катализатора протекает реакция:

CH₄ + H₂O → CO + H₂.

Продукт этой реакции (смесь CO и H₂) называется «синтез-газом».