Получение и химические свойства алканов

Получение алканов

Рассмотрим получение и химические свойства алканов. В промышленности основным исходным сырьем для получения алканов служат такие природные источники как нефть и природный газ. Нефть – сложный природный объект, основную массу которого составляют углеводороды (УВ) трех гомологических рядов – алканы, циклоалканы и арены, однако наиболее широко представлены углеводороды смешанного гибридного строения. В составе различных фракций нефти содержатся алканы с числом углеродных атомов от 5 до 30. На 95% природный газ состоит из метана, остальные 5% —  примесью этана и пропана.

Алканы выделяют из сырья путем фракционной перегонки, основанной на разности температур кипения. Однако выделение чистых индивидуальных алканов является сложным процессом, поэтому чаще всего получают их смеси. Другим способом их получения является крекинг — термическое разложение углеводородов, в результате которого в углеводородной цепи соединений с более высокой молекулярной массой происходит разрыв углерод-углеродной связи с образованием соединений с более низкой молекулярной массой.

Различают термический крекинг и каталитический крекинг.

Термический крекинг был открыт русским инженером В.Г. Шуховым в 1891 г. Термический крекинг проводят при температуре 450–700oС. При этом происходит разрыва С–С связей высококипящих алканов с образованием более низкокипящих алканов и алкенов:

C12H26 → C6H14 + C6H12

При температуре более 1000°С происходит разрыв как С–С связей, так и более прочных С–Н связей.

Каталитический крекинг осуществляется при температуре 500°С, атмосферном давлении в присутствии катализаторов (чаще всего оксидов алюминия и кремния). В этом случае разрыв связей молекул сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования.

Синтетические методы получения алканов

1.Гидрирование ненасыщенных углеводородов.

Реакцию осуществляют в присутствии катализаторов (Ni, Pd) при нагревании:

СН3-СН=СН-СН3 + Н2 → СН3-СН2-СН2-СН3

   бутан                               бутен-2

СНз-C≡С-СН3  + 2Н2 → СН3-СН2-СН2-СН

                                                                                                                    бутин-2                            бутан

2.Дегалогенирование моногалогенпроизводных алканов.

В присутствии металлического натрия нагревание моногалогензамещенных алканов приводит к образованию алканов с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):

СН3-СН-СН-СН2-Cl + 2Na + Cl-СН2-СН-СН-СН3  → СН3-СН-СН-СН2-СН2-СН-СН-СН3 + 2NaCl.

3.Сплавление безводных солей карбоновых кислот с щелочами. При получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот (реакция Дюма):

CH3-CH2-COONa + NaOH→СН3-СН3↑ + Na2CO3

4.Получение смеси алканов из синтез-газа (СО + Н2):

nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O

5.Электролиз раствора солей карбоновых кислот (синтез Кольбе).

При электролизе солей карбоновых кислот на аноде выделятся соответствующий алкан и углекислый газ, на катоде — водород и щелочь

CH3-CH2-COONa + H2O → СН3-СН3↑ + 2СО2 + Н2 + 2NaОН

Получение метана

1. Действие на раскаленную медь смеси сероводорода и сероуглерода:

CS2 + 2H2S + 8Cu = CH4+ Cu2S

2. Нагревание до 1200 градусов смеси водорода и углерода (а в присутствии никелевого катализатора до 475 градусов):

С + 2Н2 → СН4

Та же самая реакция протекает в горящей в атмосфере водорода электрической дуге.

3. Взаимодействие карбида алюминия с водой:

Аl4С3 + 12Н2О = ЗСН4↑ + 4Аl(ОН)3.

4. Нагревание смеси щелочи и ацетата натрия:

СН3СООNa + NaOH = Na2CO3 + CH4.

5. Взаимодействие водорода и оксида углерода (II):

CO + 3H2 = CH4 + H2O

Химические свойства алканов

Алканы ввиду насыщенности связей при нормальных условиях являются инертными веществами (их еще называют «химические мертвецы»). Они не способны вступать в реакции восстановления, при комнатной температуре не окисляются даже под действием таких сильных окислителей как К2Cr2O7, KMnO4 и т.п. Однако в определенных  условиях они могут вступать в реакции окисления (горения), дегидрирования, дегидроциклизации, изомеризации, разложения (крекинг), замещения.

1.Реакция дегидрирования (протекает при повышенной температуре в присутствии катализаторов Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3, Fe2O3, ZnO):

СН3-СН2-СН3 → СН3-СН=СН2 + H2 (катализатор — Ni, 500°С)

                                                              пропан                     пропен

СН3-СН2-СН2-СН3 → СН3-СН=СН-СН3 + H2 (катализатор — Ni, 500°С)

                                                       бутан                             бутен-2

СН3-СН2-СН2-СН3 → CH2=CH-CH=CH2 + H2 (катализатор — Cr2O3/Al2O3, ~550°С)

                                               бутан                               бутадиен-1,3

2СН4 → CH≡CH+ H2 (катализатор — С, 1500°С)

                                                                           метан      ацетилен

2.Реакция дегидроциклизации (протекает при повышенной температуре в присутствии катализаторов):

реакция дегидроциклизации

3.Реакция изомеризации (протекает при повышенной температуре в присутствии катализатора):

реакция изомеризации

4.Крекинг (нагрев до высоких температур без доступа воздуха):

C6H14 → C3H8 + C3H6

5.Окисление:

Неполное окисление алканов используют для получения карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов:

СН3-СН2-СН2-СН3 + 3O2 → 2СН3-СOOH + 2H2O

                                                                                 бутан                               уксусная кислота

Действие кислорода воздуха в присутствии солей марганца на алканы с числом атомов углерода в цепи более 25 приводит к образованию смеси карбоновых кислот, среднее число атомов углерода в цепи которых составляет 12-18.

Полное окисление алканов (горение) –это экзотермическая реакция, которая сопровождается разрывом всех С-С и С-Н связей:

C6H14 + 9,5O2 6CО2 + 7H2O + Q

Низшие алканы (метан, этан, пропан, бутан) – легко воспламеняются, увеличение углеродной цепи алканов ведет к затруднению их горения, что объясняется недостатком кислорода воздуха, необходимого для полного окисления всего углерода. При этом происходит горение с образованием копоти, угарного газа.

6.Реакция образования «синтез-газа»:

СН4 + H2O → CO + 3H(катализатор — Ni, 800°С)

7. Реакция замещения (SR)

Замещение атома водорода происходит по радикальному механизму.  Вначале преимущественно замещается третичный атом углерода, затем вторичный и первичный.

  • Реакция галогенирования алканов возможна только при действии света или высокой температуры. При этом образуются галогеналканы:

Радикальное замещение

Реакция продолжается до тех пор, пока не израсходуется один из реагентов. При большом количестве галогена в результате реакции образуется смесь продуктов замещения 2-х, 3-х и т.д. атомов водорода

  • Реакция нитрования алканов (реакция Коновалова) протекает при действии разбавленной азотной кислоты:

реакция нитрования алканов

  • Реакция сульфохлорирования

CH3(CH2)10CH3 + SO2 + Cl2CH3(CH2)10CH2-SO2Cl + HCl
CH3(CH2)10CH2-SO2Cl + 2NaOHCH3(CH2)10-CH2SO3Na + NaCl

Применение алканов

Применение алканов