Ondanks het feit dat alkanen inactief zijn, zijn ze in staat om grote hoeveelheden energie vrij te maken bij interactie met halogenen of andere vrije radicalen. Alkanen en reacties daarmee worden constant gebruikt in veel industrieën.
Alkanen feiten
Alkanen nemen een belangrijke plaats in in de organische chemie. De formule van alkanen in de chemie is C H2n+2. In tegenstelling tot aromaten, die een benzeenring hebben, worden alkanen als alifatisch (acyclisch) beschouwd.
In het molecuul van een alkaan zijn alle elementen verbonden door een enkele binding. Daarom heeft deze groep stoffen de uitgang "-an". Dienovereenkomstig hebben alkenen één dubbele binding en alkynen één drievoudige binding. Alcodienen hebben bijvoorbeeld twee dubbele bindingen.
Alkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen. Dat wil zeggen, ze bevatten het maximale aantal H (waterstof) atomen. Alle koolstofatomen in een alkaan bevinden zich in positie sp3 – hybridisatie. Dit betekent dat het alkaanmolecuul is opgebouwd volgens de tetraëdrische regel. Het methaanmolecuul (CH4) lijkt op een tetraëder,en de overige alkanen hebben een zigzagstructuur.
Alle C-atomen in alkanen zijn verbonden met behulp van ơ - bindingen (sigma - bindingen). C–C-bindingen zijn niet-polair, C-H-bindingen zijn zwak polair.
Eigenschappen van alkanen
Zoals hierboven vermeld, heeft de alkaangroep weinig activiteit. De bindingen tussen twee C-atomen en tussen C- en H-atomen zijn sterk, dus ze zijn moeilijk te vernietigen door invloeden van buitenaf. Alle bindingen in alkanen zijn ơ-bindingen, dus als ze breken, resulteert dit meestal in radicalen.
Halogenering van alkanen
Vanwege de speciale eigenschappen van de bindingen van atomen, zijn alkanen inherent aan substitutie- en ontledingsreacties. Bij substitutiereacties in alkanen vervangen waterstofatomen andere atomen of moleculen. Alkanen reageren goed met halogenen - stoffen die in groep 17 van het periodiek systeem van Mendelejev staan. De halogenen zijn fluor (F), broom (Br), chloor (Cl), jodium (I), astatine (At) en tennessine (Ts). Halogenen zijn zeer sterke oxidatiemiddelen. Ze reageren met bijna alle stoffen uit de tabel van D. I. Mendelejev.
Chloreringsreacties van alkanen
In de praktijk nemen broom en chloor meestal deel aan de halogenering van alkanen. Fluor is een te actief element - daarmee zal de reactie explosief zijn. Jodium is zwak, dus de substitutiereactie gaat er niet mee samen. En astatine is zeer zeldzaam in de natuur, dus het is moeilijk om er genoeg van te verzamelen voor experimenten.
Halogenatiestappen
Alle alkanen doorlopen drie fasen van halogenering:
- De oorsprong van de keten of initiatie. Onder invloedzonlicht, hitte of ultraviolette straling, breekt het chloormolecuul Cl2 af in twee vrije radicalen. Elk heeft één ongepaard elektron in de buitenste laag.
- Ontwikkeling of groei van de keten. Radicalen interageren met methaanmoleculen.
- Kettingbeëindiging is het laatste onderdeel van alkaanhalogenering. Alle radicalen beginnen met elkaar te combineren en verdwijnen uiteindelijk volledig.
Alkanen bromering
Bij het halogeneren van hogere alkanen na ethaan, is de moeilijkheid de vorming van isomeren. Uit één stof kunnen onder invloed van zonlicht verschillende isomeren worden gevormd. Dit gebeurt als gevolg van een substitutiereactie. Dit is het bewijs dat elk H-atoom in het alkaan tijdens halogenering kan worden vervangen door een vrije radicaal. Een complex alkaan v alt uiteen in twee stoffen, waarvan het percentage sterk kan variëren, afhankelijk van de reactieomstandigheden.
Propaan bromering (2-broompropaan). Bij de halogenering van propaan met een Br2-molecuul onder invloed van hoge temperaturen en zonlicht komen 1-broompropaan - 3% en 2-broompropaan - 97% vrij.
Bromatie van butaan. Wanneer butaan wordt gebromeerd onder invloed van licht en hoge temperaturen, komt 2% 1-broombutaan en 98% 2-broombutaan vrij.
Het verschil tussen chlorering en bromering van alkanen
Chlorering wordt vaker gebruikt in de industrie. Bijvoorbeeld voor de productie van oplosmiddelen die een mengsel van isomeren bevatten. Na ontvangst van het haloalkaanmoeilijk van elkaar te scheiden, maar op de markt is het mengsel goedkoper dan het pure product. In laboratoria komt bromering vaker voor. Broom is zwakker dan chloor. Het heeft een lage reactiviteit, dus broomatomen hebben een hoge selectiviteit. Dit betekent dat tijdens de reactie de atomen "kiezen" welk waterstofatoom ze willen vervangen.
De aard van de chloreringsreactie
Bij het chloreren van alkanen worden isomeren gevormd in ongeveer gelijke hoeveelheden in hun massafractie. Bijvoorbeeld, chlorering van propaan met een katalysator in de vorm van een temperatuurverhoging tot 454 graden geeft ons 2-chloorpropaan en 1-chloorpropaan in een verhouding van respectievelijk 25% en 75%. Als de halogeneringsreactie alleen plaatsvindt met behulp van ultraviolette straling, wordt 43% 1-chloorpropaan en 57% 2-chloorpropaan verkregen. Afhankelijk van de reactieomstandigheden kan de verhouding van de verkregen isomeren variëren.
De aard van de bromeringsreactie
Als gevolg van bromeringsreacties van alkanen komt er gemakkelijk een bijna zuivere stof vrij. Bijvoorbeeld 1-broompropaan - 3%, 2-broompropaan - 97% van het n-propaanmolecuul. Daarom wordt bromering vaak gebruikt in laboratoria om een specifieke stof te synthetiseren.
Sulfatie van alkanen
Alkanen worden ook gesulfoneerd door het mechanisme van radicale substitutie. Om de reactie te laten plaatsvinden, werken zuurstof en zwaveloxide SO2 (zwavelzuuranhydride) gelijktijdig in op het alkaan. Als resultaat van de reactie wordt het alkaan omgezet in een alkylsulfonzuur. Voorbeeld van butaansulfonering:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Algemene formule voor sulfoxidatie van alkanen:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfochlorering van alkanen
In het geval van sulfochlorering wordt in plaats van zuurstof chloor gebruikt als oxidatiemiddel. Op deze manier worden alkaansulfonchloriden verkregen. De sulfochloreringsreactie is gemeenschappelijk voor alle koolwaterstoffen. Het komt voor bij kamertemperatuur en zonlicht. Als katalysator worden ook organische peroxiden gebruikt. Een dergelijke reactie beïnvloedt alleen secundaire en primaire bindingen die verband houden met koolstof- en waterstofatomen. De materie bereikt de tertiaire atomen niet, omdat de reactieketen breekt.
Konovalov's reactie
De nitratiereactie verloopt, net als de halogeneringsreactie van alkanen, volgens het mechanisme van vrije radicalen. De reactie wordt uitgevoerd met sterk verdund (10 - 20%) salpeterzuur (HNO3). Reactiemechanisme: als gevolg van de reactie vormen alkanen een mengsel van verbindingen. Om de reactie te katalyseren, wordt een temperatuurverhoging tot 140⁰ en normale of verhoogde omgevingsdruk gebruikt. Tijdens nitratie worden C-C-bindingen vernietigd, en niet alleen C-H, in tegenstelling tot de vorige substitutiereacties. Dit betekent dat er scheuren plaatsvinden. Dat is de splitsingsreactie.
Oxidatie- en verbrandingsreacties
Alkanen worden ook geoxideerd volgens het type vrije radicalen. Voor paraffinen zijn er drie soorten verwerking met behulp van een oxidatieve reactie.
- In de gasfase. Duskrijg aldehyden en lagere alcoholen.
- In de vloeibare fase. Gebruik thermische oxidatie met toevoeging van boorzuur. Met deze methode worden hogere alcoholen verkregen van С10 tot С20.
- In de vloeibare fase. Alkanen worden geoxideerd om carbonzuren te synthetiseren.
Tijdens het oxidatieproces vervangt de vrije radicaal O2 de waterstofcomponent geheel of gedeeltelijk. Volledige oxidatie is verbranding.
Goed brandende alkanen worden gebruikt als brandstof voor thermische krachtcentrales en verbrandingsmotoren. Brandende alkanen produceren veel warmte-energie. Complexe alkanen worden in verbrandingsmotoren geplaatst. Interactie met zuurstof in eenvoudige alkanen kan leiden tot een explosie. Asf alt, paraffine en diverse smeermiddelen voor de industrie worden gemaakt van afvalproducten die ontstaan bij reacties met alkanen.
