1. Alkánok átalakítása

A reformálás során az alkánok izomerizáción, dehidrociklizáláson és hidrokrakkoláson mennek keresztül.

Az alkánok izomerizációja a karbokációs mechanizmuson keresztül megy végbe, enyhén elágazó izomerek képződésével, amelyek termodinamikailag a legstabilabbak reformálási körülmények között. Az izomerizáció sebessége az alkán molekulatömegének növekedésével nő.

A dehidrociklizálás az egyik legfontosabb reformáló reakció, amely az alkánok arénné alakításából áll:

A dehidrociklizáció a hő (kb. 250 kJ/mol) elnyelésével megy végbe, ezért a reakció egyensúlyi állandója a hőmérséklet emelkedésével nő. A nyomás a reakció egyensúlyát balra tolja el, vagyis az arének hidrogénezése felé. A gyakorlatban azonban a katalizátoron lévő kokszlerakódások csökkentése érdekében az eljárást megnövelt hidrogénnyomás mellett hajtják végre. 500 °C hőmérsékleten 1,5-1,7 MPa hidrogénnyomás mellett az n-heptán toluollá való átalakulásának egyensúlyi foka 95%.

Az alkánok aromatizálásának mechanizmusa nem teljesen világos. A következő utak lehetségesek:

1) Alkánok dehidrogénezése platinán triénné, majd ciklizálás platinán vagy alumínium-oxidon:

2) C5 ciklizálás platinán ciklikus átmeneti komplexen keresztül

3) Alkánok dehidrogénezése alkénekké platinán és alkének ciklizálása alumínium-oxidon, szintén öttagú gyűrű kialakításával. A reakció egy összehangolt mechanizmussal megy végbe, amely magában foglalja a kettős kötés protonálódását a sav helyén, és egyidejűleg egy proton absztrakcióját a lánc szénatomjából:

A keletkező öttagú gyűrűket savas helyeken hattagúvá izomerizálják, majd a fémen arénokká dehidrogénezik.

A kísérleti adatok azt mutatják, hogy az aromatizáció minden tekintetben megtörténik.

Ha az eredeti alkán hatnál kevesebb szénatomot tartalmaz a főláncban, akkor az aromatizálást az alkán izomerizációja előzi meg a főlánc kiterjesztésével. Az aromatizáció sebessége az alkánlánc hosszának növekedésével növekszik. A tíz vagy több szénatomot tartalmazó alkánok kondenzált gyűrűs arénokat képeznek. A kellően hosszú oldalláncokkal rendelkező arénák további ciklusokat hajthatnak végre:

Az alkánok dehidrociklizálása következtében a benzol és a naftalin homológjai képződnek a magban a maximális metilszubsztituens-tartalommal, amit az eredeti alkán szerkezete lehetővé tesz.

Az alkánok hidrokrakkolása alacsony molekulatömegű vegyületek képződéséhez vezet:

A hidrokrakkolás szerepe a reformálási folyamatban nem világos. Egyrészt az alkánok molekulatömegének csökkenése az oktánszám növekedéséhez vezet, másrészt a hidrokrakkolás következtében jelentős mennyiségű gáznemű termék képződik, ami csökkenti a benzin hozamát. Így a hidrokrakkolás szerepét korlátozni kell. Az alábbiakban közöljük az n-hexán reformálásának eredményeit a 0,7 MPa hőmérséklettől és a 2 h-1 térfogati betáplálási sebességtől függően:

A hidrokrakkolás szerepének csökkentése érdekében célszerű az eljárást a lehető legalacsonyabb nyomáson végrehajtani, ami egyidejűleg az arének egyensúlyi hozamának növekedéséhez vezet. Az n-nonán reformálásának eredményei 510 °C hőmérsékleten, 1,5 h-1 térsebességgel és különböző nyomásokkal (az eredeti nonán %-ában):



Nem aromás C5 és magasabb

Szénhidrogének, amelyek molekuláiban az atomok egyes kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, és amelyek megfelelnek a C n H 2 n +2 általános képletnek.
Az alkánmolekulákban minden szénatom sp 3 hibridizációs állapotban van. Ez azt jelenti, hogy a szénatom mind a négy hibrid pályája azonos alakú, energiájú, és egy egyenlő oldalú háromszög alakú piramis - egy tetraéder - sarkaira irányul. A pályák közötti szögek 109° 28′.

Szinte szabad forgás lehetséges egyetlen szén-szén kötés körül, és az alkánmolekulák sokféle formát ölthetnek, és a szénatomok szögei közel vannak a tetraéderhez (109° 28′), például a molekulában. n-pentán.

Különösen érdemes felidézni az alkánmolekulák kötéseit. A telített szénhidrogének molekuláiban minden kötés egyszeres. Az átfedés a tengely mentén történik,
az atommagokat összekötő, azaz ezek σ kötések. A szén-szén kötések nem polárisak és rosszul polarizálhatók. A C-C kötés hossza alkánokban 0,154 nm (1,54 ± 10-10 m). A C-H kötések valamivel rövidebbek. Az elektronsűrűség kissé eltolódik az elektronegatívabb szénatom felé, vagyis a CH kötés gyengén poláris.

A poláris kötések hiánya a telített szénhidrogének molekuláiban ahhoz a tényhez vezet, hogy rosszul oldódnak vízben, és nem lépnek kölcsönhatásba töltött részecskékkel (ionokkal). Az alkánokra a legjellemzőbb reakciók azok, amelyekben a szabad gyökök is részt vesznek.

A metán homológ sorozata

Homológok- olyan anyagok, amelyek szerkezetükben és tulajdonságaiban hasonlóak, és egy vagy több CH 2 csoportban különböznek egymástól.

Izomerizmus és nómenklatúra

Az alkánokat az úgynevezett szerkezeti izoméria jellemzi. A szerkezeti izomerek a szénváz szerkezetében különböznek egymástól. A legegyszerűbb alkán, amelyet szerkezeti izomerek jellemeznek, a bután.

A nómenklatúra alapjai

1. A fő áramkör kiválasztása. A szénhidrogén nevének kialakulása a főlánc meghatározásával kezdődik - a molekula szénatomjainak leghosszabb lánca, amely mintegy az alapja.
2. A főlánc atomjainak számozása. A főlánc atomjai számokkal vannak rendelve. A főlánc atomjainak számozása attól a végtől kezdődik, amelyikhez a szubsztituens legközelebb van (A, B szerkezetek). Ha a szubsztituensek a lánc végétől egyenlő távolságra helyezkednek el, akkor a számozás attól a végtől kezdődik, ahol több van (B szerkezet). Ha a különböző szubsztituensek egyenlő távolságra helyezkednek el a lánc végeitől, akkor a számozás attól a végtől kezdődik, amelyikhez az idősebb a legközelebb van (D szerkezet). A szénhidrogén szubsztituensek rangját az határozza meg, hogy a nevük kezdőbetűje milyen sorrendben jelenik meg az ábécében: metil (-CH 3), majd etil (-CH 2 -CH 3), propil (-CH 2 -CH 2 -CH3) stb.
Felhívjuk figyelmét, hogy a szubsztituens neve az -an utótag utótaggal való helyettesítésével jön létre. iszap a megfelelő alkán nevében.
3. A név kialakulása. A név elején számok vannak feltüntetve - azoknak a szénatomoknak a száma, amelyeknél a szubsztituensek találhatók. Ha egy adott atomon több szubsztituens van, akkor a névben szereplő megfelelő szám kétszer megismétlődik, vesszővel elválasztva (2,2-). A szám után a szubsztituensek számát kötőjel jelzi ( di- kettő, három- három, tetra- négy, penta- öt) és a szubsztituens neve (metil, etil, propil). Ezután szóközök és kötőjelek nélkül a főlánc neve. A fő láncot szénhidrogénnek nevezik, amely a metán homológ sorozatának tagja ( metán CH 4, etán C 2 H 6, propán C 3 H 8, C 4 H 10, pentán C5H12, hexán C 6 H 14, heptán C 7 H 16, oktán C 8 H 18, nonan S 9 H 20, dékán C10H22).

Az alkánok fizikai tulajdonságai

A metán homológ sorozatának első négy képviselője gáz. A legegyszerűbb közülük a metán - színtelen, íztelen és szagtalan gáz (a „gáz szagát”, ha szagolja, hívnia kell a 04-et, a merkaptánok szaga határozza meg - speciálisan a metánhoz hozzáadott kéntartalmú vegyületek háztartási és ipari gázkészülékekben, hogy a mellettük lévő emberek szaglás útján észlelhessék a szivárgást).
A C4H12-C15H32 összetételű szénhidrogének folyadékok; a nehezebb szénhidrogének szilárd anyagok. Az alkánok forrás- és olvadáspontja a szénlánc hosszának növekedésével fokozatosan növekszik. Minden szénhidrogén rosszul oldódik vízben. A folyékony szénhidrogének gyakori szerves oldószerek.

Az alkánok kémiai tulajdonságai

Szubsztitúciós reakciók.
Az alkánokra a legjellemzőbb reakciók a szabad gyökös szubsztitúciós reakciók, amelyek során egy hidrogénatomot halogénatommal vagy valamilyen csoporttal helyettesítenek. Mutassuk be a karakterisztikus reakciók egyenleteit! halogénezés:

Halogénfelesleg esetén a klórozás tovább mehet, egészen az összes hidrogénatom klórral való teljes helyettesítéséig:

A kapott anyagokat széles körben használják oldószerként és kiindulási anyagként szerves szintézisekben.
Dehidrogénezési reakció(hidrogén absztrakció).
Amikor az alkánokat katalizátoron (Pt, Ni, Al 2 0 3, Cr 2 0 3) vezetjük át magas hőmérsékleten (400-600 °C), egy hidrogénmolekula távozik, és alkén képződik:

A szénlánc lebomlásával járó reakciók.
Minden telített szénhidrogén eléget, szén-dioxidot és vizet képezve. A levegővel bizonyos arányban kevert gáznemű szénhidrogének felrobbanhatnak.
1. Telített szénhidrogének elégetése szabad gyökös exoterm reakció, ami nagyon fontos alkánok tüzelőanyagként való felhasználása esetén:

Általában az alkánok égési reakciója a következőképpen írható le:

2. Szénhidrogének termikus hasítása.

A folyamat szabad gyökös mechanizmuson keresztül megy végbe. A hőmérséklet emelkedése a szén-szén kötés homolitikus felhasadásához és szabad gyökök képződéséhez vezet.

Ezek a gyökök kölcsönhatásba lépnek egymással, hidrogénatomot cserélve alkánmolekulát és alkénmolekulát képezve:

A szénhidrogén-krakkolás ipari folyamatának hátterében termikus bomlási reakciók állnak. Ez a folyamat az olajfinomítás legfontosabb szakasza.

3. Pirolízis. Amikor a metánt 1000 °C-ra melegítjük, megkezdődik a metán pirolízise - egyszerű anyagokra bomlik:

1500 °C-ra melegítve acetilén képződése lehetséges:

4. Izomerizáció. Ha a lineáris szénhidrogéneket izomerizációs katalizátorral (alumínium-klorid) hevítjük, elágazó szénvázú anyagok képződnek:

5. Aromatizálás. A láncban hat vagy több szénatomot tartalmazó alkánok katalizátor jelenlétében ciklizálnak, és benzolt és származékait képezik:

Az alkánok olyan reakciókba lépnek, amelyek a szabad gyökös mechanizmus szerint mennek végbe, mivel az alkánmolekulák összes szénatomja sp 3 hibridizációs állapotban van. Ezen anyagok molekulái kovalens nempoláris C-C (szén-szén) kötések és gyengén poláris C-H (szén-hidrogén) kötések felhasználásával épülnek fel. Nem tartalmaznak megnövelt vagy csökkent elektronsűrűségű területeket, illetve könnyen polarizálható kötéseket, azaz olyan kötéseket, amelyekben az elektronsűrűség külső tényezők hatására (az ionok elektrosztatikus mezői) elmozdulhat. Következésképpen az alkánok nem lépnek reakcióba töltött részecskékkel, mivel az alkánmolekulák kötéseit a heterolitikus mechanizmus nem szakítja meg.

Az ecetsav nátriumsójának (nátrium-acetát) feleslegben lévő lúggal való melegítése a karboxilcsoport eltávolításához és metán képződéséhez vezet:

CH3CONa + NaOH CH4 + Na2C03

Ha nátrium-acetát helyett nátrium-propionátot vesz, akkor etán képződik, nátrium-butanoátból - propánból stb.

RCH2CONa + NaOH -> RCH3 + Na2C03

5. Wurtz szintézis. Amikor a halogén-alkánok kölcsönhatásba lépnek az alkálifém-nátriummal, telített szénhidrogének és alkálifém-halogenidek keletkeznek, például:

Ha egy alkálifém halogénezett szénhidrogének keverékére (pl. bróm-etán és bróm-metán) hat, alkánok (etán, propán és bután) keveréke képződik.

A Wurtz-szintézis alapjául szolgáló reakció csak olyan halogén-alkánokkal megy végbe jól, amelyek molekuláiban egy halogénatom kapcsolódik egy primer szénatomhoz.

6. Karbidok hidrolízise. Amikor néhány -4 oxidációs állapotú szenet tartalmazó karbidot (például alumínium-karbidot) vízzel kezelünk, metán képződik:

Al4C3 + 12H20 = 3CH4 + 4Al(OH)3 Fizikai tulajdonságok

A metán homológ sorozatának első négy képviselője gáz. A legegyszerűbb közülük a metán - szín, íz és szag nélküli gáz (a „gáz szagát”, amelyet a 04-es számon kell hívni, a merkaptánok - kéntartalmú vegyületek - szaga határozza meg, amelyet speciálisan a háztartásban használt metánhoz adnak. és ipari gázkészülékek, hogy a közelben lévők szaglás alapján észleljék a szivárgást).

A C5H12-C15H32 összetételű szénhidrogének folyékonyak, a nehezebb szénhidrogének szilárd anyagok.

Az alkánok forrás- és olvadáspontja a szénlánc hosszának növekedésével fokozatosan növekszik. Minden szénhidrogén rosszul oldódik vízben. A folyékony szénhidrogének gyakori szerves oldószerek.

Kémiai tulajdonságok

1. Szubsztitúciós reakciók. Az alkánokra a legjellemzőbb reakciók a szabad gyökös szubsztitúciós reakciók, amelyek során egy hidrogénatomot halogénatommal vagy valamilyen csoporttal helyettesítenek.

Mutassuk be a legjellemzőbb reakciók egyenleteit!

Halogénezés:

СН4 + С12 -> СН3Сl + HCl

Halogénfelesleg esetén a klórozás tovább mehet, egészen az összes hidrogénatom klórral való teljes helyettesítéséig:

СН3Сl + С12 -> HCl + СН2Сl2
diklór-metán metilén-klorid

СН2Сl2 + Сl2 -> HCl + CHCl3
triklór-metán kloroform

СНСl3 + Сl2 -> HCl + СCl4
szén-tetraklorid szén-tetraklorid

A kapott anyagokat széles körben használják oldószerként és kiindulási anyagként szerves szintézisekben.

2. Dehidrogénezés (a hidrogén eltávolítása). Ha az alkánokat egy katalizátoron (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) magas hőmérsékleten (400-600 °C) vezetjük át, egy hidrogénmolekula távozik és alkén képződik:

CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2

3. A szénlánc lebomlásával járó reakciók. Minden telített szénhidrogén eléget, szén-dioxidot és vizet képezve. A levegővel bizonyos arányban kevert gáznemű szénhidrogének felrobbanhatnak. A telített szénhidrogének elégetése egy szabad gyökös exoterm reakció, ami nagyon fontos alkánok tüzelőanyagként való felhasználása esetén.

CH4 + 2O2 -> C02 + 2H2O + 880 kJ

Általában az alkánok égési reakciója a következőképpen írható le:

A szénhidrogén-krakkolás ipari folyamatának hátterében termikus bomlási reakciók állnak. Ez a folyamat az olajfinomítás legfontosabb szakasza.

Amikor a metánt 1000 ° C-ra melegítjük, megkezdődik a metán pirolízise - egyszerű anyagokra bomlik. 1500 °C-ra hevítve acetilén képződése lehetséges.

4. Izomerizáció. Ha a lineáris szénhidrogéneket izomerizációs katalizátorral (alumínium-klorid) hevítjük, elágazó szénvázú anyagok képződnek:

5. Ízesítés. A láncban hat vagy több szénatomot tartalmazó alkánok katalizátor jelenlétében ciklizálnak, és benzolt és származékait képezik:

Mi az oka annak, hogy az alkánok szabad gyökös reakciókon mennek keresztül? Az alkánmolekulák összes szénatomja sp 3 hibridizációs állapotban van. Ezen anyagok molekulái kovalens nempoláris C-C (szén-szén) kötések és gyengén poláris C-H (szén-hidrogén) kötések felhasználásával épülnek fel. Nem tartalmaznak megnövelt vagy csökkent elektronsűrűségű területeket, vagy könnyen polarizálható kötéseket, azaz olyan kötéseket, amelyekben az elektronsűrűség külső hatások hatására elmozdulhat (ionok elektrosztatikus mezője). Következésképpen az alkánok nem lépnek reakcióba töltött részecskékkel, mivel az alkánmolekulák kötései nem szakadnak meg heterolitikus mechanizmussal.

Az alkánok legjellemzőbb reakciói a szabad gyökös szubsztitúciós reakciók. E reakciók során egy hidrogénatomot halogénatommal vagy valamilyen csoporttal helyettesítenek.

A szabad gyökös láncreakciók, azaz a szabad gyökök – párosítatlan elektronokkal rendelkező részecskék – hatása alatt végbemenő reakciók kinetikáját és mechanizmusát a figyelemre méltó orosz kémikus, N. N. Semenov tanulmányozta. Ezekért a tanulmányokért kapta a kémiai Nobel-díjat.

A szabad gyökös szubsztitúciós reakciók mechanizmusát jellemzően három fő szakasz képviseli:

1. Kezdeményezés (lánc nukleációja, szabad gyökök képződése energiaforrás - ultraibolya fény, melegítés) hatására.

2. Láncfejlődés (szabad gyökök és inaktív molekulák egymás utáni kölcsönhatásainak láncolata, melynek eredményeként új gyökök és új molekulák jönnek létre).

3. Lánclezárás (a szabad gyökök inaktív molekulákká való egyesülése (rekombináció), a gyökök „elhalása”, a reakciólánc kialakulásának leállása).

Tudományos kutatás N.N. Semenov

Szemenov Nyikolaj Nyikolajevics

(1896 - 1986)

Szovjet fizikus és fizikai kémikus, akadémikus. Nobel-díjas (1956). A tudományos kutatás a kémiai folyamatok, a katalízis, a láncreakciók, a hőrobbanás és a gázelegyek égésének elméletéhez kapcsolódik.

Tekintsük ezt a mechanizmust a metán klórozási reakció példáján:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

A lánckezdemény annak eredményeként következik be, hogy ultraibolya besugárzás vagy melegítés hatására a Cl-Cl kötés homolitikus hasadása következik be, és a klórmolekula atomokra bomlik:

Сl: Сl -> Сl· + Сl·

A keletkező szabad gyökök megtámadják a metánmolekulákat, és leszakítják hidrogénatomjukat:

CH4 + Cl· -> CH3· + HCl

és CH3· gyökökké alakulva, amelyek viszont a klórmolekulákkal ütközve elpusztítják azokat új gyökök képződésével:

CH3 + Cl2 -> CH3Cl + Cl stb.

A lánc fejlődik.

A gyökök képződésével együtt „haláluk” a rekombinációs folyamat eredményeként következik be - inaktív molekula képződése két gyökből:

СН3+ Сl -> СН3Сl

Сl· + Сl· -> Сl2

CH3 + CH3 -> CH3-CH3

Érdekes megjegyezni, hogy a rekombináció során csak annyi energia szabadul fel, amennyi az újonnan kialakult kötés megszakításához szükséges. Ebből a szempontból a rekombináció csak akkor lehetséges, ha egy harmadik részecske (egy másik molekula, a reakcióedény fala) részt vesz két gyök ütközésében, ami elnyeli a felesleges energiát. Ez lehetővé teszi a szabad gyökös láncreakciók szabályozását, sőt megállítását.

Vegye figyelembe a rekombinációs reakció utolsó példáját - egy etánmolekula képződését. Ez a példa azt mutatja, hogy a szerves vegyületeket érintő reakció meglehetősen összetett folyamat, amelynek eredményeként a fő reakciótermék mellett nagyon gyakran melléktermékek is keletkeznek, ami bonyolult és költséges tisztítási módszerek kidolgozását teszi szükségessé. és a célanyagok izolálása.

A metán klórozásából nyert reakcióelegy klór-metánnal (CH3Cl) és hidrogén-kloriddal együtt a következőket tartalmazza: diklór-metán (CH2Cl2), triklór-metán (CHCl3), szén-tetraklorid (CCl4), etán és klórozási termékei.

Most próbáljuk meg figyelembe venni egy összetettebb szerves vegyület - propán - halogénezési reakcióját (például brómozását).

Ha metánklórozás esetén csak egy monoklór-származék lehetséges, akkor ebben a reakcióban két monobróm-származék keletkezhet:

Látható, hogy az első esetben a hidrogénatom az elsődleges szénatomon, a második esetben a szekunder szénatomon cserélődik. Ezeknek a reakcióknak a sebessége azonos? Kiderült, hogy a végső elegyben a szekunder szénnél található hidrogénatom szubsztitúciós terméke dominál, azaz a 2-bróm-propán (CH3-CHBg-CH3). Próbáljuk meg ezt elmagyarázni.

Ennek érdekében a köztes részecskék stabilitásának gondolatát kell használnunk. Észrevetted, hogy a metánklórozási reakció mechanizmusának leírásakor megemlítettük a metil-gyököt - CH3·? Ez a gyök egy közbenső részecske a metán CH4 és a klór-metán CH3Cl között. A propán és az 1-bróm-propán közötti köztes részecske egy olyan gyök, amelynek az elsődleges szénnél párosítatlan elektronja van, a szekunder szénnél pedig a propán és a 2-bróm-propán között van.

A szekunder szénatomon (b) párosítatlan elektront tartalmazó gyök stabilabb, mint egy párosítatlan elektront tartalmazó szabad gyök az elsődleges szénatomnál (a). Nagyobb mennyiségben képződik. Emiatt a propán-brómozási reakció fő terméke a 2-bróm-propán, egy olyan vegyület, amelynek képződése egy stabilabb köztiterméken keresztül megy végbe.

Íme néhány példa a szabad gyökös reakciókra:

Nitrálási reakció (Konovalov-reakció)

A reakciót nitrovegyületek előállítására használják - oldószerek, számos szintézis kiindulási anyaga.

Alkánok katalitikus oxidációja oxigénnel

Ezek a reakciók az aldehidek, ketonok és alkoholok közvetlenül telített szénhidrogénekből történő előállítására szolgáló legfontosabb ipari eljárások alapját, például:

CH4 + [O] -> CH3OH

Alkalmazás

A telített szénhidrogéneket, különösen a metánt széles körben használják az iparban (2. ábra). Egyszerű és meglehetősen olcsó tüzelőanyag, nyersanyag számos fontos vegyület előállításához.

A metánból, a legolcsóbb szénhidrogén nyersanyagból nyert vegyületeket számos más anyag és anyag előállítására használják fel. A metánt hidrogénforrásként használják az ammónia szintézisében, valamint szintézisgáz (CO és H2 keveréke) előállítására, amelyet szénhidrogének, alkoholok, aldehidek és más szerves vegyületek ipari szintézisére használnak.

A magasabb forráspontú olajfrakciók szénhidrogéneit dízel- és turbóhajtóművek üzemanyagaként, kenőolajok alapjaként, szintetikus zsírok előállításához nyersanyagként stb.

Íme néhány iparilag jelentős reakció, amely metán részvételével megy végbe. A metánból kloroformot, nitrometánt és oxigéntartalmú származékokat állítanak elő. Alkánok oxigénnel való közvetlen kölcsönhatásával alkoholok, aldehidek, karbonsavak keletkezhetnek, a reakciókörülményektől (katalizátor, hőmérséklet, nyomás) függően:

Mint már tudja, a C5H12-C11H24 összetételű szénhidrogének az olaj benzinfrakciójában szerepelnek, és főként belső égésű motorok üzemanyagaként használják. Ismeretes, hogy a benzin legértékesebb komponensei az izomer szénhidrogének, mivel ezek maximális robbanásállósággal rendelkeznek.

Amikor a szénhidrogének érintkezésbe kerülnek a légköri oxigénnel, lassan vegyületeket képeznek vele - peroxidokat. Ez egy lassan lezajló szabad gyökös reakció, amelyet egy oxigénmolekula indít el:

Kérjük, vegye figyelembe, hogy a hidroperoxid-csoport a szekunder szénatomokon képződik, amelyek legnagyobb mennyiségben a lineáris vagy normál szénhidrogénekben fordulnak elő.

A kompressziós löket végén bekövetkező meredek nyomás- és hőmérséklet-növekedéssel ezeknek a peroxidvegyületeknek a bomlása nagyszámú szabad gyök kialakulásával kezdődik, amelyek a szükségesnél korábban „indítják” a szabad gyökök égési láncreakcióját. A dugattyú továbbra is felfelé megy, és a benzin égéstermékei, amelyek már a keverék idő előtti gyulladása következtében keletkeztek, lenyomják. Ez a motor teljesítményének és kopásának éles csökkenéséhez vezet.

Így a detonáció fő oka a peroxidvegyületek jelenléte, amelyek képződési képessége a lineáris szénhidrogénekben maximális.

A benzinfrakció szénhidrogénei közül (C5H14 - C11H24) a C-heptán rendelkezik a legkisebb robbanásállósággal. A legstabilabb (azaz peroxidokat képez a legkevesebb mértékben) az úgynevezett izooktán (2,2,4-trimetil-pentán).

A benzin kopogásállóságának általánosan elfogadott jellemzője az oktánszám. A 92-es oktánszám (például A-92 benzin) azt jelenti, hogy ez a benzin ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a 92% izooktánból és 8% heptánból álló keverék.

Összegzésként hozzátehetjük, hogy a magas oktánszámú benzin használata lehetővé teszi a sűrítési arány (nyomás a sűrítési ütem végén) növelését, ami a belső égésű motor teljesítményének és hatékonyságának növekedéséhez vezet.

A természetben lenni és fogadni

A mai órán megismerkedtél az alkánok fogalmával, valamint megismerted kémiai összetételét és az elkészítési módokat is. Ezért most részletesebben foglalkozzunk az alkánok természetben való jelenlétével, és megtudjuk, hogyan és hol találtak alkalmazást az alkánok.

Az alkánok előállításának fő forrásai a földgáz és az olaj. Ezek alkotják az olajfinomító termékek nagy részét. Az üledékes kőzetlerakódásokban gyakori metán szintén az alkánok gázhidrátja.

A földgáz fő alkotóeleme a metán, de kis arányban etánt, propánt és butánt is tartalmaz. A metán megtalálható a széntelepekből, mocsarakból és a kapcsolódó kőolajgázokból származó kibocsátásokban.

Ankanok szén kokszosításával is előállíthatók. A természetben vannak úgynevezett szilárd alkánok - ozokeritek is, amelyek hegyi viasz lerakódások formájában jelennek meg. Az ozokerit megtalálható a növények vagy magvaik viaszos bevonatában, valamint a méhviaszban.

Az alkánok ipari izolálása természetes forrásokból származik, amelyek szerencsére még mindig kimeríthetetlenek. Ezeket szén-oxidok katalitikus hidrogénezésével állítják elő. A metán laboratóriumban is előállítható nátrium-acetát szilárd lúggal történő hevítésével vagy bizonyos karbidok hidrolízisével. De alkánok előállíthatók karbonsavak dekarboxilezésével és elektrolízisével is.

Alkánok alkalmazásai

Az alkánokat háztartási szinten széles körben használják az emberi tevékenység számos területén. Hiszen nagyon nehéz elképzelni az életünket földgáz nélkül. Az pedig senki előtt nem lesz titok, hogy a földgáz alapja a metán, ebből állítják elő a kormot, amelyet topográfiai festékek és gumiabroncsok gyártásához használnak fel. A hűtő, amely mindenki otthonában van, a hűtőközegként használt alkánvegyületeknek köszönhetően is működik. A metánból nyert acetilént fémek hegesztésére és vágására használják.

Most már tudja, hogy az alkánokat üzemanyagként használják. Benzinben, kerozinban, gázolajban és fűtőolajban vannak jelen. Ezenkívül a kenőolajokban, a vazelinben és a paraffinban is megtalálhatók.

A ciklohexánt széles körben alkalmazzák oldószerként és különféle polimerek szintézisére. A ciklopropánt érzéstelenítésben használják. A szkvalán, mint kiváló minőségű kenőolaj, számos gyógyszerészeti és kozmetikai készítmény összetevője. Az alkánok szerves vegyületek, például alkohol, aldehidek és savak előállításához használt nyersanyagok.

A paraffin magasabb szénatomszámú alkánok keveréke, és mivel nem mérgező, széles körben használják az élelmiszeriparban. Használják tejtermékek, gyümölcslevek, gabonafélék stb. csomagolásának impregnálására, de rágógumi gyártásánál is. A melegített paraffint pedig a gyógyászatban paraffinos kezelésre használják.

A fentieken kívül a gyufafejeket a jobb égés érdekében paraffinnal impregnálják, ceruzákat, gyertyákat készítenek belőle.

A paraffin oxidálásával oxigéntartalmú termékeket, főként szerves savakat kapnak. Ha bizonyos számú szénatomot tartalmazó folyékony szénhidrogéneket keverünk össze, akkor vazelint kapunk, amelyet széles körben használnak az illatszerekben és a kozmetológiában, valamint az orvostudományban. Különféle kenőcsök, krémek és gélek készítésére szolgál. Az orvostudományban termikus eljárásokhoz is használják.

Gyakorlati feladatok

1. Írja fel az alkánok homológ sorozatába tartozó szénhidrogének általános képletét!

2. Írja fel a hexán lehetséges izomereinek képleteit, és nevezze meg azokat a szisztematikus nómenklatúra szerint!

3. Mi a repedés? Milyen típusú repedéseket ismer?

4. Írja fel a hexános repedés lehetséges termékeinek képleteit!

5. Fejtse meg a következő transzformációs láncot! Nevezze meg az A, B és C vegyületeket!

6. Adja meg a C5H12 szénhidrogén szerkezeti képletét, amely brómozással csak egy monobromszármazékot képez!

7. 0,1 mol ismeretlen szerkezetű alkán teljes elégetéséhez 11,2 liter oxigént használtak fel (környezeti körülmények között). Mi az alkán szerkezeti képlete?

8. Mi a szerkezeti képlete egy gáznemű telített szénhidrogénnek, ha ebből a gázból 11 g 5,6 liter térfogatot foglal el (normál körülmények között)?

9. Idézze fel, mit tud a metán használatáról, és magyarázza el, hogy a háztartási gázszivárgás miért észlelhető szaggal, noha összetevői szagtalanok.

10*. Milyen vegyületek állíthatók elő metán katalitikus oxidációjával különböző körülmények között? Írja fel a megfelelő reakciók egyenleteit!

tizenegy*. Teljes égés termékei (oxigénfeleslegben) 10,08 liter (N.S.) etán és propán keveréket engedtünk át feleslegben lévő mészvízen. Ebben az esetben 120 g üledék keletkezett. Határozza meg a kezdeti keverék térfogati összetételét.

12*. Két alkán keverékének etánsűrűsége 1,808. Ennek a keveréknek a brómozásakor csak két pár izomer monobróm-alkán izolált. A reakciótermékekben lévő könnyebb izomerek össztömege megegyezik a nehezebb izomerek össztömegével. Határozza meg a nehezebb alkán térfogatrészét a kezdeti keverékben.

A reformálás során az alkánok izomerizáción, dehidrociklizáláson és hidrokrakkoláson mennek keresztül.

A dehidrociklizálás az egyik legfontosabb reformáló reakció, amely az alkánok arénné alakításából áll:

Az alkánok aromatizálásának mechanizmusa nem teljesen világos. A következő utak lehetségesek:

Alkánok dehidrogénezése platinán triénné, majd ciklizálás platinán vagy alumínium-oxidon:

C5 ciklizálás platinán ciklikus átmeneti komplexen keresztül

Alkánok dehidrogénezése alkénekké platinán és alkének ciklizálása alumínium-oxidon szintén öttagú gyűrű kialakításával. A reakció egy összehangolt mechanizmussal megy végbe, amely magában foglalja a kettős kötés protonálódását a sav helyén, és egyidejűleg egy proton absztrakcióját a lánc szénatomjából:

A keletkező öttagú gyűrűket savas helyeken hattagúvá izomerizálják, majd a fémen arénokká dehidrogénezik.

A kísérleti adatok azt mutatják, hogy az aromatizáció minden tekintetben megtörténik.

Az alkánok hidrokrakkolása alacsony molekulatömegű vegyületek képződéséhez vezet:

4740С5000С5250С átalakítási fok, %80,286,690,4 Hozam/konvertált alkán, % (mol.) Arének (benzol) 16,624,127,4 Izomerizációs termékek 58,036,923,4 Hidrokrakkoló termékek 8,04,9,03

0,7 MPa2,1 MPaC1-C410,521,5 Nem aromás C5 és több 19 020,0 Arénák: C6 C7 C8 C9 1,6 3,1 6,2 54,6 2,0 5,8 10,1 36,4

Cikloalkánok átalakítása

Reformálási körülmények között a cikloalkánok izomerizáción, arénné dehidrogénezésen és hidrokrakkoláson is átmennek.

A hattagú cikloalkánok karbokációs mechanizmussal izomerizálódnak öttagúvá:

A ciklohexán metilciklopentánná és benzollá történő átalakulásának szelektivitását végső soron a reakciósebesség aránya határozza meg, és a katalizátorkomponensek aktivitásától függ. Az izomerizáció a savas helyeken a karbokation mechanizmus szerint megy végbe, ezért a katalizátor magas savassága mellett a metilciklopentán hozama nő. A dehidrogénezés a katalizátor fémkomponensén megy végbe, és a fém aktivitásának növekedésével a benzolképződés sebessége nő. Egy hattagú cikloalkán fémen történő adszorpciója vagy hat C-H kötés egyidejű disszociációjával vagy a hidrogénatomok egymás utáni gyors eliminációjával járhat együtt:

A reakció endoterm, ezért a hőmérséklet emelkedésével az arének egyensúlyi hozama nő.

A biciklusos hattagú cikloalkánok ugyanolyan könnyen dehidrogenizálódnak, mint a monociklusosak, így naftalinszármazékok keletkeznek.

A hattagú cikloalkánok hidrokrakkolása kis mértékben megy végbe az alkánoknál leírt séma szerint. Reforming körülmények között a hattagú cikloalkánok arénekké történő dehidrogénezési sebessége lényegesen nagyobb, mint a többi reakció (5 tagúvá izomerizáció és hidrokrakkolás) sebessége. Ezért a cikloalkánok arénekké történő átalakulásának szelektivitása közel 100%.

Az öttagú szubsztituált cikloalkánok a következő reakciókon mennek keresztül reformálási körülmények között:

Izomerizáció a szubsztituensek helyzete alapján (köztes karbokationokon keresztül):

Dehidroizomerizáció:

Az első reakció a katalizátor savas helyein történik, a második - a fém helyeken. A benzol hozama nő a hőmérséklet emelkedésével és a nyomás csökkenésével. 500 °C hőmérsékleten a nyomás 3,6 MPa-ról 1,5 MPa-ra történő csökkenése a benzol hozamának 45-ről 90 tömeg%-ra történő növekedéséhez vezet. A ciklopentán dehidrogénezése ciklopenténné és ciklopentadiénné gyakorlatilag nem történik meg, mivel ennek a reakciónak a sebessége sokkal kisebb, mint a dehidroizomerizáció sebessége. A ciklopentadién erősen adszorbeálódik a fémen, és megmérgezi a katalizátort.

Gyűrűnyílás (hidrokrakkolás):

A különböző C-C kötések hidrogenolízisének relatív sebessége a kiindulási szénhidrogén szerkezetétől, a katalizátor tulajdonságaitól és a reakciókörülményektől függ. Friss alumínium-oxid-platina katalizátoron a hidrogenolízis a platinán megy végbe, és az (1), (2) és (3) reakciók termékeinek aránya 2,4:2,1:1. A folyamat körülményei között a platina részleges dezaktiválódása következik be, és a hidrogenolízis tovább megy végbe a savas helyeken a karbokációs mechanizmus szerint:

A reakció fő terméke az n-hexán.

A metilciklopentánok dehidroizomerizációjának reakciósebessége nagyobb, mint az izomerizációé és a hidrokrakkolásé, így a metilciklopentán reformálása során a benzol hozama eléri a 60-70%-ot.