Классификация углеводородов

	Углеводороды CXHY
Алифатические (ациклические)		Циклические
Предельные (алканы) CH4; CH3–CH–CH3 | CH3			Ароматические (арены)   CH3 ; CH3
Непредельные	Алициклические
Алкены CH2=CH2; CH3–C=CH2 ½ СН3	Алкины HCºCH; CH3–CH-CºCH | CH3	Циклоалканы CH2 / \ H2C –– CH2; H2C–CH–CH3 | | H2C–CH2	Циклоалкены
Алкадиены   CH2=C=CH2; CH2=C–CH=CH2 | CH3

Предельные (насыщенные) углеводороды.

Алканы (парафины)

 

Определение	Алканы — это УВ нециклического строения, в молекулах которых все атомы углерода находятся в состоянии sp3 — гибридизации и связаны друг с другом только σ-связями
Общая формула	CnH2n+2 (n ³ 1)
Гомологический ряд	Алканы	Алкилы (алкильные радикалы)
	CH4 CH3–CH3 CH3–CH2–CH3 CH3–(CH2)2–CH3 CH3–(CH2)3–CH3 CH3–(CH2)4–CH3 CH3–(CH2)5–CH3 CH3–(CH2)6–CH3 CH3–(CH2)7–CH3 CH3–(CH2)8–CH3 CH3–(CH2)9–CH3 CH3–(CH2)10–CH3	метан этан пропан бутан пентан гексан гептан октан нонан декан ундекан додекан	–CH3 –CH2–CH3 –CH2–CH2–CH3 –CH2–(CH2)2–CH3 –CH2–(CH2)3–CH3 –CH2–(CH2)4–CH3 –CH2–(CH2)5–CH3 –CH2–(CH2)6–CH3 –CH2–(CH2)7–CH3 –CH2–(CH2)8–CH3 –CH2–(CH2)9–CH3 –CH2–(CH2)10–CH3	метил этил пропил бутил пентил гексил гептил октил нонил децил ундецил додецил
Пространственное строение	Метан СН4 — тетраэдр Алканы с n ≥ 4 — зигзагообразное строение
Длина свя­зи С-С	0,154 нм (1 нанометр = 10-9 м)
Изомерия и номенклатура	Алканы	Алкилы
Изомерия цепи (начиная с n=4) C4H10:   CH3–CH2–CH2–CH3 н. бутан   CH3–CH–CH3 метилпропан | CH3 (изобутан)   C5H12:   CH3–CH2–CH2–CH2–CH3 н. пентан   CH3–CH–CH2–CH3 метилбутан | CH3 (изобутан)   CH3 | CH3–C–CH3 диметил-пропан | CH3 Один из изомеров декана C10H22: 1 2 3 4 5 6 CH3–CH–CH–CH2–CH–CH3 | | | CH3 C2H5 CH3 2,5-диметил-3-этилгексан	Изомерия цепи (начиная c n=3) C3H7: –CH2–CH2–CH3 пропил   –CH–CH3 изопропил | CH3 C4H9:   –CH2–CH2–CH2–CH3 бутил   –CH2–CH–CH3 изобутил | CH3   CH3–CH–CH2–CH3 втор-бутил |   CH3 | –C–CH3 трет-бутил | CH3 Один из изомеров амила –C5H11   –CH2–CH2–CH–CH3 | CH3 Изоамил

 

Физические свойства

 

CH₄ … C₄H₁₀ C₅H₁₂ … C₁₅H₃₂ С₁₆H₃₄ …

Газы Жидкости Твердые вещества

(без запаха) (имеют запах) (без запаха)

T_кип. и T_пл. увеличиваются.

В воде мало растворимы.

Химические свойства

 

Химически алканы малоактивны. Наиболее характерны для них реакции замещения:

RH + XY ® RX + HY

алкан реагент производное алкана

 

Тип, название реакции	Примеры реакций
I. Реакции за­мещения 1. Галогенирование (образуются гало-геналканы). Фотохимические свободноради-кальные цепные реакции	Hv CH4+Cl2 ® CH3Cl хлорметан - HCl   hv CH4+2Cl2 ® CH2Cl2 дихлорметан - 2HCl   hv CH4+3Cl2 ® CHCl3 трихлорметан (хлороформ) - 3HCl hv CH4+4Cl2 ® CCl4 тетрахлорметан (четыреххлористый - 4HCl углерод)
2. Нитрование (об­разуются нитроалканы). Реакция Коно­валова	CH3 CH3 | -140C | CH3–CH–CH2–CH3 + HO–NO2 ® CH3–C–CH2–CH3 (разб.) -H2O | NO2 2-метил-2-нитробутан (Наиболее легко замещается атом водорода у третичного атома углерода.)
3. Сульфирование (образуются алкансульфокислоты)	CH3 T | CH3–CH2–CH2–CH3+HO–SO3H ® CH3–CH2–CH–SO3H (конц.) - H2O 2-сульфобутан (бутан-2-сульфокислота)
II. Реакции окисле­ния 1. Полное окис­ление (горение)	T CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O T 2C4H10 + 13O2 ® 8CO2 + 10H2O
2. Неполное ка­талитическое окис­ление (образуются различные О-содержащие органи­ческие соединения)	Т, кат. C2H6 + O2 ® CH3CHO + H2O ацетальдегид Т, кат. 2CH3–CH2–CH2–CH3 + 5O2 ® 4CH3COOH + 2H2O уксусная кислота
3. Окисление под действием KMnО4	Не происходит
III. Реакции дегидрирования (из гомологов мета­на образуются ал-кены)	Метан: ~ 1000° С 2CH4 ® 3H2 + HCºCH ацетилен ~ 1200° С CH4 ® C + 2H2 Гомологи метана: Cr2O3, ~600° С CH3–CH2–CH3 ® H2 + CH3–CH=CH2 пропен
IV. Крекинг (образуется смесь алканов и алкенов)	~800° С CH3–CH2–CH3 ® CH4 + CH2=CH2 Т C6H14 ® C2H6 + CH3–CH2–CH=CH2 н. гексан этан бутен-1
V. Реакции дегидроциклизации	Pt, 300° С CH3–(СH2)4–CH3 ® C6H6 + 4H2 н. гексан бензол
VI. Изомеризация	Т, кат. CH3–(CH2)3–CH3 ® CH3–CH–CH2–CH3 н. пентан | CH3 изопентан

 

Способы получения

 

Название способа	Уравнения реакций
1. Из природного газа	Метан В природном газе СН4 составляет от 80 до 98 объемных процентов.
2. Гидролиз карби­да алюминия	Al4C3 + 12H2O ® 3CH4­ + 4Al(OH)3
1. Гидрирование алкенов и алкинов	Гомологи метана Т, кат. CnH2n + H2 ® CnH2n+2 алкен алкан   Т, кат. CnH2n-2 + 2H2 ® CnH2n+2 алкин алкан
2. Конденсация галогеналканов —реакция Вюрца	Т 2CnH2n+1Hal + 2Na ® CmH2m+2 (m = 2n) - 2NaHal Т Например: 2CH3Br + 2Na ® C2H6 + 2NaBr бромметан этан     +Na CH3Cl +C2H5Cl ® C2H6 + C3H8 + C4H10 -NaCl смесь алканов
1. Сплавление со­лей монокарбоно-вых кислот со ще­лочами	Общие способы для СН4 и его гомологов Т CnH2n+1COONa + NaOH ® CnH2n+2 + Na2CO3 (тв.) (тв.)   Например: T CH3COONa + NaOH ® CH4­ + Na2CO3 ацетат натрия метан
2. Синтез с ис­пользованием во­дяного газа (смесь СО + Н2)	Т, кат. nCO + (2n + 1)H2 ® CnH2n+2 + nH2O

 

Парафины и церезины

Твердые метановые углеводороды (от С₁₆Н₃₄ и выше) встречаются иногда в продуктах животного и растительного происхождения (пчелиный воск, некоторые эфирные масла и т. п.). Они были впервые обнаружены в древесном дегте и получили название парафинов. Это название укрепилось за всеми твердыми углеводородами метанового ряда, независимо от способа их получения.

Парафины содержатся, по-видимому, практически во всех нефтях, но в разных количествах. Так, например, грозненские нефти делятся по содержанию парафинов на парафиновые (количество твердых парафинов более 6%), малопарафиновые (1,5–6,0%) и беспарафиновые (до 1,5%).

Парафины в нефтях находятся либо в растворенном, либо во взвешенном кристаллическом состоянии.

Очищенный технический продукт — парафин представляет собой бесцветную или белую кристаллическую массу без запаха и вкуса, на ощупь слегка жирную. Цвет парафина зависит от степени его очистки и содержания масел. Недостаточно очищенный парафин имеет желтый и даже буро-желтый цвет, причем под действием света интенсивность окраски увеличивается.

В соответствии с температурами кипения твердых метановых углеводородов при перегонке нефти основная масса их остается в мазуте, небольшая часть попадает в керосиновый дистиллят и может быть обнаружена при его сильном охлаждении — при этом твердые парафины выкристаллизовываются. При разгонке мазута парафины С₁₇ – Н₃₅ попадают в масляные дистилляты (соляровый, веретенный и т. д.). Более высококипящие парафины (С₃₆ – С₅₃) остаются в гудроне.

По химическим свойствам твердые углеводороды имеют ярко выраженный насыщенный характер. Они устойчивы к действию самых разнообразных реагентов (кислот, щелочей, щелочных металлов), на холоде не поддаются действию окислителей.

Состояние твердых парафинов в нефти определяется прежде всего температурой. Они растворяются в нефти неограниченно только при повышенных температурах (около 40°С). При более низких температурах парафин выделяется из нефти в виде микрокристаллов. Так как температура нефти в недрах земли обычно близка к 40°С или несколько выше, можно считать, что она представляет собой однородный раствор всех компонентов.

По химическому составу парафин является сложной смесью углеводородов. Полное разделение его на компоненты и индентификация их окончательно не завершены.

Исследования твердых углеводородов, выделенных из масляных фракций, показали, что наряду с парафином, имеющем ярко выраженную кристаллическую структуру, существует другой твердый продукт, более мягкий, внешне аморфный. Исследование его под микроскопом показало, что он имеет мелкокристаллическое строение. Эта разновидность получается, если не подвергать нефть перегонке, а выделять из нее твердые углеводороды осаждением. Такой продукт назвали церезином.

Нефтяные парафины (дистиллятные — от С₁₉Н₄₀ до С₃₅Н₇₂) имеют сравнительно небольшой молекулярный вес и соответственно невысокие температуры кипения. Нефтяные церезины характеризуются большим молекулярным весом (например, в сураханский церезин входят углеводороды от С₃₅Н₇₂ до С₅₃Н₁₀₈), и поэтому они концентрируются главным образом в гудроне.

Сопоставление свойств парафинов и церезинов, имеющих одинаковые температуры плавления, показало, что для церезинов характерны большие величины плотности, вязкости и молекулярного веса.

Парафины и церезины различаются и по химическим свойствам. Например, церезины легко поддаются действию окислителей, с которыми парафины на холоде не вступают в реакцию (азотная кислота, хлорсульфоновая кислота).

Многочисленными работами исследователей (С. С. Наметкина, Л. Г. Гурвича и др.) было показано, что парафины и церезины образуют два разных гомологических ряда, которые отвечают составу С_nH_2n+2. Однако в молекулы парафинов входят углеводородные радикалы нормального строения, а в молекулы церезинов — в основном изостроения, вместе с радикалами циклического строения (нафтеновыми и ароматическими).

Сырьем для получения парафинов служит обычно нефть, а церезин может быть выделен из остаточных нефтепродуктов, а также из озокерита. Озокерит, или горный воск, состоит главным образом из церезина с большим или меньшим содержанием других веществ (песчаник, нефтеобразные масла, смолы). После отделения сопровождающих минеральных пород и удаления из озокерита масел (при перегонке с водяным паром, с последующей отгонкой в вакууме) получают различные сорта товарного церезина.

Парафины и церезины имеют самое разнообразное применение. Огромная масса парафина расходуется в производстве свечей, в спичечной, бумажной, кожевенной, текстильной отраслях промышленности. Парафин применяется как загуститель в производстве пластичных смазок, является важной составной частью вазелина (и технического, и медицинского). Особенно большое значение приобрело производство из парафина синтетических жирных кислот и спиртов путем окисления кислородом воздуха.