Kimyəvi birləşmələrin hər bir sinfi elektron quruluşuna görə xassələri nümayiş etdirməyə qadirdir. Alkanlar molekulların dəyişdirilməsi, aradan qaldırılması və ya oksidləşmə reaksiyaları ilə xarakterizə olunur. Bütün kimyəvi proseslərin axının öz xüsusiyyətləri var, bunlar daha sonra müzakirə olunacaq.
Alkanlar nədir
Bunlar parafin adlanan doymuş karbohidrogen birləşmələridir. Onların molekulları yalnız karbon və hidrogen atomlarından ibarətdir, yalnız tək birləşmələrin olduğu xətti və ya budaqlanmış asiklik zəncirinə malikdir. Sinfin xüsusiyyətlərini nəzərə alaraq, alkanlar üçün hansı reaksiyaların xarakterik olduğunu hesablamaq olar. Onlar bütün sinif düsturuna əməl edirlər: H2n+2C.
Kimyəvi quruluş
Parafin molekuluna sp3-hibridləşməni göstərən karbon atomları daxildir. Onların dörd valent orbitalının hamısı kosmosda eyni forma, enerji və istiqamətə malikdir. Enerji səviyyələri arasındakı bucağın ölçüsü 109° və 28'dir.
Molekullarda tək bağların olması hansı reaksiyaları təyin ediralkanlar üçün xarakterikdir. Onların tərkibində σ-birlikləri var. Karbonlar arasındakı bağ qütbsüzdür və zəif qütbləşə bilir və C−H-dən bir qədər uzundur. Elektron sıxlığında da ən elektronmənfi olan karbon atomuna keçid var. Nəticədə, C−H birləşməsi aşağı polarite ilə xarakterizə olunur.
Əvəzetmə reaksiyaları
Parafin sinfinə aid maddələr zəif kimyəvi aktivliyə malikdir. Bu, C–C və C–H arasındakı bağların möhkəmliyi ilə izah oluna bilər, qeyri-qütblülük səbəbindən onları qırmaq çətindir. Onların məhv edilməsi sərbəst tipli radikalların iştirak etdiyi homolitik mexanizmə əsaslanır. Buna görə alkanlar əvəzetmə reaksiyaları ilə xarakterizə olunur. Belə maddələr su molekulları və ya yükdaşıyan ionlarla qarşılıqlı əlaqədə ola bilməz.
Bunlara hidrogen atomlarının halogen elementləri və ya digər aktiv qruplarla əvəz olunduğu sərbəst radikal əvəzetmə daxildir. Bu reaksiyalara halogenləşmə, sulfoxlorlama və nitrasiya ilə bağlı proseslər daxildir. Onların nəticəsi alkan törəmələrinin hazırlanmasıdır.
Sərbəst radikal əvəzetmə reaksiyalarının mexanizmi əsas üç mərhələyə əsaslanır:
- Proses zəncirin başlaması və ya nüvələşməsi ilə başlayır, bunun nəticəsində sərbəst radikallar əmələ gəlir. Katalizatorlar ultrabənövşəyi işıq mənbələri və istilikdir.
- Sonra aktiv hissəciklərin qeyri-aktiv molekullarla ardıcıl qarşılıqlı təsirinin baş verdiyi zəncir inkişaf edir. Onlar müvafiq olaraq molekullara və radikallara çevrilir.
- Son addım zənciri qırmaqdır. Aktiv hissəciklərin rekombinasiyası və ya yox olması müşahidə edilir. Bu, zəncirvari reaksiyanın inkişafını dayandırır.
Halogenləşmə prosesi
O, radikal tipli mexanizmə əsaslanır. Alkanların halogenləşmə reaksiyası ultrabənövşəyi şüalanma və halogenlər və karbohidrogenlərin qarışığının qızdırılması ilə baş verir.
Prosesin bütün mərhələləri Markovnikovun bəyan etdiyi qaydaya tabedir. Burada bildirilir ki, ilk növbədə, ən çox hidrogenləşdirilmiş karbona aid olan hidrogen atomu halogenlə əvəzlənməyə məruz qalır. Halogenləşmə aşağıdakı ardıcıllıqla davam edir: üçüncü atomdan ilkin karbona.
Proses uzun əsas karbon zəncirinə malik alkan molekulları üçün daha yaxşıdır. Bu, bu istiqamətdə ionlaşdırıcı enerjinin azalması ilə əlaqədardır, elektron maddədən daha asanlıqla ayrılır.
Bir misal metan molekulunun xlorlanmasıdır. Ultrabənövşəyi şüaların təsiri xlorun alkanlara hücum edən radikal hissəciklərə parçalanmasına gətirib çıxarır. Atom hidrogeninin ayrılması və H3C· və ya metil radikalının əmələ gəlməsi var. Belə bir hissəcik, öz növbəsində, molekulyar xlorun üzərinə hücum edərək, onun strukturunun məhvinə və yeni kimyəvi reagentin əmələ gəlməsinə səbəb olur.
Prosesin hər mərhələsində yalnız bir hidrogen atomu əvəz olunur. Alkanların halogenləşmə reaksiyası tədricən xlorometan, diklorometan, trixlorometan və karbon tetraxlorid molekullarının əmələ gəlməsinə səbəb olur.
Sxematik olaraq proses belə görünür:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Metan molekulunun xlorlanmasından fərqli olaraq, digər alkanlarla belə bir prosesin aparılması, hidrogenin dəyişdirilməsinin bir karbon atomunda deyil, bir neçə atomda baş verdiyi maddələrin alınması ilə xarakterizə olunur. Onların kəmiyyət nisbəti temperatur göstəriciləri ilə əlaqələndirilir. Soyuq şəraitdə üçüncü, ikincili və birincili struktura malik törəmələrin əmələ gəlmə sürətində azalma müşahidə olunur.
Temperaturun artması ilə belə birləşmələrin əmələ gəlmə sürəti azalır. Halojenləşmə prosesinə statik amil təsir edir, bu, radikalın karbon atomu ilə toqquşmasının fərqli ehtimalını göstərir.
Yodla halogenləşmə prosesi normal şəraitdə getmir. Xüsusi şərait yaratmaq lazımdır. Metan bu halogenə məruz qaldıqda hidrogen yodid əmələ gəlir. Metil yodiddən təsirlənir, nəticədə ilkin reagentlər buraxılır: metan və yod. Belə reaksiya geri dönən hesab olunur.
Alkanlar üçün Vürts reaksiyası
Simmetrik quruluşa malik doymuş karbohidrogenlərin alınması üsuludur. Reaktivlər kimi natrium metal, alkil bromidlər və ya alkil xloridlər istifadə olunur. Atonların qarşılıqlı təsiri natrium halidi və iki karbohidrogen radikalının cəmi olan uzadılmış karbohidrogen zəncirini əmələ gətirir. Sxematik olaraq sintez aşağıdakı kimidir: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Alkanlar üçün Wurtz reaksiyası yalnız molekullarındakı halogenlər ilkin karbon atomunda olduqda mümkündür. Məsələn, CH3−CH2−CH2Br.
Prosesdə iki birləşmənin halokarbon qarışığı iştirak edirsə, onların zəncirlərinin kondensasiyası zamanı üç müxtəlif məhsul əmələ gəlir. Alkanların belə reaksiyasına misal olaraq natriumun xlorometan və xloroetanla qarşılıqlı təsirini göstərmək olar. Çıxış butan, propan və etandan ibarət qarışıqdır.
Natriuma əlavə olaraq, litium və ya kalium da daxil olmaqla digər qələvi metallar istifadə edilə bilər.
Sulfoklorlama prosesi
Buna Reed reaksiyası da deyilir. Sərbəst radikal əvəzetmə prinsipinə uyğun olaraq davam edir. Bu, ultrabənövşəyi şüalanmanın mövcudluğunda kükürd dioksid və molekulyar xlor qarışığının təsirinə alkanların xarakterik reaksiya növüdür.
Proses xlordan iki radikalın alındığı zəncir mexanizminin işə salınması ilə başlayır. Onlardan biri alkana hücum edir, nəticədə alkil növü və hidrogen xlorid molekulu yaranır. Kükürd dioksidi karbohidrogen radikalına birləşərək mürəkkəb hissəcik əmələ gətirir. Stabilləşmə üçün bir xlor atomu digər molekuldan tutulur. Son maddə alkan sulfonilxloriddir, səthi aktiv birləşmələrin sintezində istifadə olunur.
Sxematik olaraq proses belə görünür:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Nitrasiya ilə bağlı proseslər
Alkanlar 10%-li məhlul şəklində azot turşusu ilə, həmçinin qaz halında dördvalentli azot oksidi ilə reaksiya verir. Onun axını üçün şərtlər yüksək temperatur dəyərləri (təxminən 140 ° C) və aşağı təzyiq göstəriciləridir. Nitroalkanlar çıxışda istehsal olunur.
Bu sərbəst radikal proses nitrləşmənin sintezini kəşf edən alim Konovalovun şərəfinə adlandırılmışdır: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Bölünmə mexanizmi
Alkanlar dehidrogenləşmə və krekinq reaksiyaları ilə xarakterizə olunur. Metan molekulu tam termal parçalanmaya məruz qalır.
Yuxarıda göstərilən reaksiyaların əsas mexanizmi alkanlardan atomların çıxarılmasıdır.
Dehidrogenləşmə prosesi
Hidrogen atomları parafinlərin karbon skeletindən ayrıldıqda, metan istisna olmaqla, doymamış birləşmələr alınır. Alkanların belə kimyəvi reaksiyaları yüksək temperaturda (400-dən 600 ° C-ə qədər) və platin, nikel, xrom və alüminium oksidləri şəklində sürətləndiricilərin təsiri altında baş verir.
Reaksiyada propan və ya etan molekulları iştirak edərsə, onun məhsulları bir qoşa bağ ilə propen və ya eten olacaqdır.
Dörd və ya beş karbonlu skeleti hidrogenləşdirərkən, dienəlaqələri. Butan butadien-1, 3 və butadien-1, 2-dən əmələ gəlir.
Əgər reaksiyada 6 və daha çox karbon atomu olan maddələr varsa, o zaman benzol əmələ gəlir. Onun üç qoşa bağı olan aromatik nüvəsi var.
Ayrılma prosesi
Yüksək temperatur şəraitində karbon bağlarının qırılması və radikal tipli aktiv hissəciklərin əmələ gəlməsi ilə alkanların reaksiyaları baş verə bilər. Belə proseslər krekinq və ya piroliz adlanır.
Reaksiyaya girən maddələrin 500 °C-dən yuxarı temperaturda qızdırılması onların molekullarının parçalanmasına gətirib çıxarır və bu zaman alkil tipli radikalların mürəkkəb qarışıqları əmələ gəlir.
Güclü istilik altında uzun karbon zəncirli alkanların pirolizinin aparılması doymuş və doymamış birləşmələrin alınması ilə əlaqədardır. Buna termal krekinq deyilir. Bu proses 20-ci əsrin ortalarına qədər istifadə edilmişdir.
Dezavantaj aşağı oktanlı (65-dən çox olmayan) karbohidrogenlərin istehsalı idi, ona görə də onu katalitik krekinqlə əvəz etdi. Proses 440 °C-dən aşağı olan temperatur şəraitində və 15 atmosferdən aşağı təzyiqlərdə, budaqlanmış struktura malik alkanların buraxılması ilə aluminosilikat sürətləndiricinin iştirakı ilə baş verir. Buna misal olaraq metan pirolizini göstərmək olar: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Bu reaksiya zamanı asetilen və molekulyar hidrogen əmələ gəlir.
Metan molekulu çevrilməyə məruz qala bilər. Bu reaksiya üçün su və nikel katalizatoru lazımdır. Üstündəçıxış karbon monoksit və hidrogen qarışığıdır.
Oksidləşmə prosesləri
Alkanlara xas olan kimyəvi reaksiyalar elektronların verilməsini nəzərdə tutur.
Parafinlərin avtomatik oksidləşməsi var. Bu, doymuş karbohidrogenlərin oksidləşməsi üçün sərbəst radikal mexanizmi ehtiva edir. Reaksiya zamanı alkanların maye fazasından hidroperoksidlər alınır. İlkin mərhələdə parafin molekulu oksigenlə qarşılıqlı əlaqədə olur, nəticədə aktiv radikallar ayrılır. Bundan əlavə, başqa bir molekul O2 alkil hissəciyi ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və nəticədə ∙ROO olur. Alkan molekulu yağ turşusu peroksid radikalı ilə təmasda olur, bundan sonra hidroperoksid buraxılır. Buna misal etanın autoksidləşməsidir:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkanlar yanacağın tərkibində təyin olunduqda əsas kimyəvi xassələrdən olan yanma reaksiyaları ilə xarakterizə olunur. İstilik buraxan oksidləşdirici xarakterə malikdirlər: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Prosesdə az miqdarda oksigen varsa, son məhsul O2 konsentrasiyası ilə müəyyən edilən kömür və ya karbon ikivalent oksid ola bilər.
Alkanlar katalitik maddələrin təsiri altında oksidləşdikdə və 200°C-ə qədər qızdırıldıqda spirt molekulları, aldehid və yakarboksilik turşu.
Etan nümunəsi:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal və su), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etanik turşu və su).
Alkanlar üç üzvlü siklik peroksidlərə məruz qaldıqda oksidləşə bilər. Bunlara dimetildioksiran daxildir. Parafinlərin oksidləşməsinin nəticəsi spirt molekuludur.
Parafinlərin nümayəndələri KMnO4 və ya kalium permanqanata, həmçinin bromlu suya reaksiya vermir.
İzomerləşdirmə
Alkanlarda reaksiya növü elektrofilik mexanizmlə əvəzlənmə ilə xarakterizə olunur. Bura karbon zəncirinin izomerləşməsi daxildir. Bu proses doymuş parafinlə qarşılıqlı əlaqədə olan alüminium xlorid tərəfindən kataliz edilir. Buna misal olaraq 2-metilpropana çevrilən butan molekulunun izomerləşməsini göstərmək olar: C4H10 → C3 H 7CH3.
Ətir prosesi
Əsas karbon zəncirində altı və ya daha çox karbon atomu ilə doymuş maddələr dehidrosiklləşmə qabiliyyətinə malikdir. Belə reaksiya qısa molekullar üçün xarakterik deyil. Nəticə həmişə sikloheksan və onun törəmələri şəklində altı üzvlü halqadır.
Reaksiya sürətləndiricilərinin iştirakı ilə sonrakı dehidrogenləşmə baş verir vədaha stabil benzol halqasına çevrilir. Asiklik karbohidrogenlər aromatik birləşmələrə və ya arenlərə çevrilir. Nümunə olaraq heksanın dehidrosiklləşməsi göstərilir:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (sikloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzol).
