Setiap kelas sebatian kimia mampu mempamerkan sifat kerana struktur elektroniknya. Alkana dicirikan oleh tindak balas penggantian, penyingkiran atau pengoksidaan molekul. Semua proses kimia mempunyai ciri alirannya sendiri, yang akan dibincangkan lebih lanjut.
Apakah itu alkana
Ini adalah sebatian hidrokarbon tepu yang dipanggil parafin. Molekul mereka hanya terdiri daripada atom karbon dan hidrogen, mempunyai rantai asiklik linear atau bercabang, di mana terdapat hanya sebatian tunggal. Memandangkan ciri-ciri kelas, adalah mungkin untuk mengira tindak balas mana yang merupakan ciri alkana. Mereka mematuhi formula seluruh kelas: H2n+2C.
Struktur kimia
Molekul parafin termasuk atom karbon yang menunjukkan sp3-hibridisasi. Mereka mempunyai keempat-empat orbital valens mempunyai bentuk, tenaga dan arah yang sama di angkasa. Saiz sudut antara aras tenaga ialah 109° dan 28'.
Kehadiran ikatan tunggal dalam molekul menentukan tindak balas yang manaciri alkana. Ia mengandungi sebatian-σ. Ikatan antara karbon adalah nonpolar dan boleh terpolarisasi lemah, dan lebih panjang sedikit daripada dalam C−H. Terdapat juga peralihan ketumpatan elektron kepada atom karbon, sebagai yang paling elektronegatif. Akibatnya, sebatian C−H dicirikan oleh kekutuban yang rendah.
Reaksi penggantian
Bahan kelas parafin mempunyai aktiviti kimia yang lemah. Ini boleh dijelaskan oleh kekuatan ikatan antara C–C dan C–H, yang sukar diputuskan kerana nonpolarity. Pemusnahan mereka adalah berdasarkan mekanisme homolitik, di mana radikal jenis bebas mengambil bahagian. Itulah sebabnya alkana dicirikan oleh tindak balas penggantian. Bahan sedemikian tidak dapat berinteraksi dengan molekul air atau ion pembawa cas.
Ia termasuk penggantian radikal bebas, di mana atom hidrogen digantikan oleh unsur halogen atau kumpulan aktif lain. Tindak balas ini termasuk proses yang berkaitan dengan halogenasi, sulfoklorinasi dan penitratan. Hasilnya ialah penyediaan derivatif alkana.
Mekanisme tindak balas penggantian radikal bebas adalah berdasarkan tiga peringkat utama:
- Proses bermula dengan permulaan atau nukleasi rantai, akibatnya radikal bebas terbentuk. Pemangkin ialah sumber cahaya ultraviolet dan haba.
- Kemudian rantai terbentuk, di mana interaksi berturut-turut zarah aktif dengan molekul tidak aktif berlaku. Mereka ditukar kepada molekul dan radikal, masing-masing.
- Langkah terakhir ialah memutuskan rantai. Penggabungan semula atau kehilangan zarah aktif diperhatikan. Ini menghentikan perkembangan tindak balas berantai.
Proses Halogenasi
Ia berdasarkan mekanisme jenis radikal. Tindak balas halogenasi alkana berlaku melalui penyinaran ultraungu dan pemanasan campuran halogen dan hidrokarbon.
Semua peringkat proses tertakluk kepada peraturan yang dinyatakan oleh Markovnikov. Ia menyatakan bahawa, pertama sekali, atom hidrogen, yang tergolong dalam karbon terhidrogenasi, tertakluk kepada penggantian oleh halogen. Halogenasi berlangsung dalam urutan berikut: dari atom tertier ke karbon primer.
Proses ini lebih baik untuk molekul alkana dengan rantai karbon utama yang panjang. Ini disebabkan oleh pengurangan tenaga mengion ke arah ini, elektron lebih mudah terpecah daripada bahan.
Contohnya ialah pengklorinan molekul metana. Tindakan ultraviolet membawa kepada pemisahan klorin kepada zarah radikal yang menyerang alkana. Terdapat detasmen hidrogen atom dan pembentukan H3C· atau radikal metil. Zarah sedemikian, seterusnya, menyerang molekul klorin, yang membawa kepada kemusnahan strukturnya dan pembentukan reagen kimia baharu.
Hanya satu atom hidrogen diganti pada setiap peringkat proses. Tindak balas halogenasi alkana membawa kepada pembentukan molekul klorometana, diklorometana, triklorometana dan karbon tetraklorida secara beransur-ansur.
Secara skematik, prosesnya kelihatan seperti ini:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Berbeza dengan pengklorinan molekul metana, menjalankan proses sedemikian dengan alkana lain dicirikan dengan mendapatkan bahan di mana penggantian hidrogen berlaku bukan pada satu atom karbon, tetapi pada beberapa atom. Nisbah kuantitatif mereka dikaitkan dengan penunjuk suhu. Dalam keadaan sejuk, terdapat penurunan dalam kadar pembentukan derivatif dengan struktur tertier, sekunder dan primer.
Dengan peningkatan suhu, kadar pembentukan sebatian tersebut berkurangan. Proses halogenasi dipengaruhi oleh faktor statik, yang menunjukkan kebarangkalian berbeza untuk radikal berlanggar dengan atom karbon.
Proses halogenasi dengan iodin tidak berjalan dalam keadaan biasa. Ia adalah perlu untuk mewujudkan keadaan khas. Apabila metana terdedah kepada halogen ini, hidrogen iodida terbentuk. Ia dipengaruhi oleh metil iodida, akibatnya, reagen awal dibebaskan: metana dan iodin. Tindak balas sedemikian dianggap boleh diterbalikkan.
Tindak balas Wurtz untuk alkana
Merupakan kaedah untuk mendapatkan hidrokarbon tepu dengan struktur simetri. Logam natrium, alkil bromida atau alkil klorida digunakan sebagai bahan tindak balas. Padainteraksi mereka menghasilkan natrium halida dan rantai hidrokarbon lanjutan, yang merupakan jumlah dua radikal hidrokarbon. Secara skematik, sintesis adalah seperti berikut: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Tindak balas Wurtz untuk alkana hanya mungkin jika halogen dalam molekulnya berada pada atom karbon primer. Contohnya, CH3−CH2−CH2Br.
Jika campuran halokarbon dua sebatian terlibat dalam proses, maka tiga produk berbeza terbentuk semasa pemeluwapan rantainya. Contoh tindak balas alkana sedemikian ialah interaksi natrium dengan klorometana dan klooetana. Keluaran ialah campuran yang mengandungi butana, propana dan etana.
Selain natrium, logam alkali lain boleh digunakan, termasuk litium atau kalium.
Proses sulfoklorinasi
Ia juga dipanggil reaksi Reed. Ia berjalan mengikut prinsip penggantian radikal bebas. Ini ialah sejenis ciri tindak balas alkana terhadap tindakan campuran sulfur dioksida dan klorin molekul dengan kehadiran sinaran ultraungu.
Proses bermula dengan permulaan mekanisme rantai, di mana dua radikal diperoleh daripada klorin. Salah satu daripadanya menyerang alkana, menghasilkan spesies alkil dan molekul hidrogen klorida. Sulfur dioksida melekat pada radikal hidrokarbon untuk membentuk zarah kompleks. Untuk penstabilan, satu atom klorin ditangkap daripada molekul lain. Bahan terakhir ialah alkana sulfonil klorida, ia digunakan dalam sintesis sebatian aktif permukaan.
Secara skematik, prosesnya kelihatan seperti ini:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Proses berkaitan penitratan
Alkana bertindak balas dengan asid nitrik dalam bentuk larutan 10%, serta dengan nitrogen oksida tetravalen dalam keadaan gas. Syarat untuk alirannya ialah nilai suhu tinggi (kira-kira 140 ° C) dan penunjuk tekanan rendah. Nitroalkana dihasilkan pada output.
Proses radikal bebas ini dinamakan sempena ahli sains Konovalov, yang menemui sintesis penitratan: CH4 + HNO3 → CH 3NO2 + H2O.
Mekanisme belahan
Alkana dicirikan oleh dehidrogenasi dan tindak balas retak. Molekul metana mengalami penguraian haba sepenuhnya.
Mekanisme utama tindak balas di atas ialah penyingkiran atom daripada alkana.
Proses penyahhidrogenan
Apabila atom hidrogen diasingkan daripada rangka karbon parafin, kecuali metana, sebatian tak tepu diperoleh. Tindak balas kimia alkana sedemikian berlaku pada suhu tinggi (dari 400 hingga 600 ° C) dan di bawah pengaruh pemecut dalam bentuk platinum, nikel, kromium dan aluminium oksida.
Jika molekul propana atau etana terlibat dalam tindak balas, maka produknya akan menjadi propena atau etena dengan satu ikatan berganda.
Apabila menyahhidrogenkan empat atau lima rangka karbon, dienasambungan. Butana terbentuk daripada butadiena-1, 3 dan butadiena-1, 2.
Jika bahan dengan 6 atau lebih atom karbon terdapat dalam tindak balas, maka benzena terbentuk. Ia mempunyai teras aromatik dengan tiga ikatan berganda.
Proses penguraian
Dalam keadaan suhu tinggi, tindak balas alkana boleh berlaku dengan pemecahan ikatan karbon dan pembentukan zarah aktif jenis radikal. Proses sedemikian dipanggil retak atau pirolisis.
Memanaskan bahan tindak balas kepada suhu melebihi 500 °C membawa kepada penguraian molekulnya, di mana campuran kompleks radikal jenis alkil terbentuk.
Menjalankan pirolisis alkana dengan rantai karbon panjang di bawah pemanasan kuat dikaitkan dengan mendapatkan sebatian tepu dan tak tepu. Ia dipanggil retak haba. Proses ini digunakan sehingga pertengahan abad ke-20.
Kelemahannya ialah penghasilan hidrokarbon dengan nombor oktana rendah (tidak lebih daripada 65), jadi ia digantikan dengan keretakan bermangkin. Proses ini berlaku di bawah keadaan suhu di bawah 440 °C dan tekanan di bawah 15 atmosfera, dengan kehadiran pemecut aluminosilikat dengan pembebasan alkana yang mempunyai struktur bercabang. Contohnya ialah pirolisis metana: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Semasa tindak balas ini, asetilena dan hidrogen molekul terbentuk.
Molekul metana boleh mengalami penukaran. Tindak balas ini memerlukan air dan mangkin nikel. Padakeluarannya ialah campuran karbon monoksida dan hidrogen.
Proses pengoksidaan
Ciri tindak balas kimia alkana melibatkan pendermaan elektron.
Terdapat auto-pengoksidaan parafin. Ia melibatkan mekanisme radikal bebas untuk pengoksidaan hidrokarbon tepu. Semasa tindak balas, hidroperoksida diperoleh daripada fasa cecair alkana. Pada peringkat awal, molekul parafin berinteraksi dengan oksigen, akibatnya, radikal aktif dilepaskan. Selanjutnya, molekul lain O2 berinteraksi dengan zarah alkil, menghasilkan ∙ROO. Molekul alkana menyentuh radikal asid lemak peroksida, selepas itu hidroperoksida dibebaskan. Contohnya ialah pengautoksidaan etana:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkana dicirikan oleh tindak balas pembakaran, yang merupakan antara sifat kimia utama apabila ia ditentukan dalam komposisi bahan api. Mereka mempunyai watak oksidatif dengan pembebasan haba: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6J2O.
Jika terdapat sedikit oksigen dalam proses, maka hasil akhir mungkin arang batu atau karbon divalen oksida, yang ditentukan oleh kepekatan O2.
Apabila alkana dioksidakan di bawah pengaruh bahan pemangkin dan dipanaskan hingga 200 ° C, molekul alkohol, aldehid atauasid karboksilik.
Contoh etana:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal dan air), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (asid etanoik dan air).
Alkana boleh teroksida apabila terdedah kepada peroksida kitaran tiga anggota. Ini termasuk dimethyldioxirane. Hasil pengoksidaan parafin ialah molekul alkohol.
Wakil parafin tidak bertindak balas terhadap KMnO4 atau kalium permanganat, serta air bromin.
Pengisomeran
Pada alkana, jenis tindak balas dicirikan oleh penggantian dengan mekanisme elektrofilik. Ini termasuk pengisomeran rantai karbon. Proses ini dimangkinkan oleh aluminium klorida, yang berinteraksi dengan parafin tepu. Contohnya ialah pengisomeran molekul butana, yang menjadi 2-metilpropana: C4H10 → C3 H 7CH3.
Proses pewangi
Tepu dengan enam atau lebih atom karbon dalam rantai karbon utama mampu penyahhidrocyclization. Tindak balas sedemikian bukan tipikal untuk molekul pendek. Hasilnya sentiasa cincin enam anggota dalam bentuk sikloheksana dan terbitannya.
Dengan adanya pemecut tindak balas, penyahhidrogenan selanjutnya berlaku danberubah menjadi cincin benzena yang lebih stabil. Hidrokarbon asiklik ditukar kepada sebatian aromatik atau arene. Contohnya ialah penyahhidrocyclisasian heksana:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (sikloheksana), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzena).
