АЛКАНЫ И ЦИКЛОАЛКАНЫ – углеводороды, в которых все атомы углерода соединены друг с другом и с атомами водорода одинарными) связями. Алканы (синонимы – предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) – углеводороды с общей формулой CnH2n+2, где n – число атомов углерода. Такую же формулу имеет и всем знакомый полиэтилен, только величина n у него очень велика и может достигать десятков тысяч. Кроме того, полиэтилен содержит молекулы разной длины. В циклоалканах атомы углерода образуют замкнутую цепь; если цикл один, формула циклоалкана CnH2n.
Алкан с самыми длинными молекулами был синтезирован английскими химиками в 1985. Это нонаконтатриктан С390Н782, содержащее цепочку из 390 углеродных атомов. Исследователей интересовало, как будут упаковываться такие длинные цепи при кристаллизации (гибкие углеводородные цепочки могут легко складываться).
Число изомеров алканов. Задача о теоретически возможном числе изомеров алканов впервые была решена английским математиком Артуром Кэли (1821–1895), одним из основоположников важного раздела математики – топологии (в 1879 он опубликовал первую статью по знаменитой «проблеме четырех цветов»: достаточно ли их для раскраски любой географической карты; эта проблема была решена лишь в 1976). Оказалось, что не существует формулы, по которой можно по числу атомов углерода в алкане СnH2n+2 рассчитать число его изомеров. Есть только так называемые рекуррентные формулы (от латинского recurrens – возвращающийся), которые позволяют рассчитать число изомеров n-го члена ряда, если уже известно число изомеров предыдущего члена. Поэтому расчеты для больших n были получены сравнительно недавно с компьютеров и доведены до углеводорода С400Н802; для него, с учетом изомеров, получено значение, трудно поддающееся воображению: 4,776·10199. А уже начиная с алкана С167Н336, число изомеров превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной, которое оценивается как 1080. Указанное в таблице число изомеров для большинства алканов значительно возрастет, если рассматривать также зеркально-симметричные молекулы – стереоизомеры (см. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ): для гептана – с 9 до 11, для декана – с 75 до 136, для эйкозана – с 366 319 до 3 396 844, для гектана – с 5,921·1039 до 1,373·1046 и т.д.
метан можно получить нагреванием ацетата натрия с твердой щелочью: CH3COONa + NaOH ® CH4 + Na2CO3, а также гидролизом некоторых карбидов: Al4C3 + 12H2O ® 3CH4 + 4Al(OH)3. Гомологи метана можно получить по реакции Вюрца, например: 2CH3Br + 2Na ® CH3–CH3 + 2NaBr. В случае дигалогеналканов получаются циклоалканы, например: Br–CH2–(CH2)4–CH2Br + 2Na ® цикло-C6H12 + 2NaBr. Алканы образуются также при декарбоксилировании карбоновых кислот и при электролизе их.
Применение алканов. Алканы в составе бензина, керосина, солярового масла, мазута используются в качестве топлива. Высшие алканы входят в состав смазочных масел, вазелина и парафина. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров (капрон, найлон). Циклопропан используется для наркоза. Сквалан – высококачественное смазочное масло, компонент фармацевтических и косметических препаратов, адсорбент в газожидкостной хроматографии.
Алканы служат сырьем для получения многих органических соединений, в том числе спиртов, альдегидов, кислот. Хлорпроизводные алканов используют как растворители, например, трихлорметан (хлороформ) CHCl3, тетрахлорметан CCl4. Смесь высших алканов – парафин нетоксичен и широко применяется в пищевой промышленности для пропитки тары и упаковочных материалов (например, пакетов для молока), при производстве жевательных резинок. Парафином пропитывают карандаши, верхнюю (вблизи головки) часть спичек для их лучшего горения. Разогретый парафин используют в лечебных целях (парафинолечение). Окисление парафина в контролируемых условиях в присутствии катализаторов (органические соли переходных металлов) приводит к получению кислородсодержащих продуктов, главным образом, органических кислот.
1) Диссоциация. Средние, двойные и смешанные соли диссоциируют одноступенчато. У кислых и основных солей диссоциация происходит ступенчато.
NaCl Na+ + Cl–.
КNaSO4 К+ + Na+ + SO42– .
CaClBr Ca2+ + Cl –+ Br–.
КHSO4 К+ + НSO4– HSO4– H+ + SO42–.
FeOHClFeOH+ + Cl– FeOH+Fe2+ + OH–.
[Cu(NH3)4]SO4 [Cu(NH3)4]2+ + SO42– [Cu(NH3)4]2+ Cu2+ + 4NH3.
2) Взаимодействие с индикаторами. В результате гидролиза в растворах солей накапливаются ионы Н+(кислая среда) или ионы ОН– (щелочная среда). Гидролизу подвергаются растворимые соли, образованные хотя бы одним слабым электролитом. Растворы таких солей взаимодействуют с индикаторами:
индикатор + Н+ (ОН–) окрашенное соединение.
AlCl3 + H2O AlOHCl2 + HCl Al3+ + H2O AlOH2+ + H+
3) Разложение при нагревании. При нагревании некоторых солей они разлагаются на оксид металла и кислотный оксид:
СаСO3 СаO + СО2.
Соли бескислородных кислот при нагревании могут распадаться на простые вещества:
2AgCl Ag + Cl2.
Соли, образованные кислотами-окислителями, разлагаются сложнее:
2КNO3 2КNO2 + O2.
4) Взаимодействие с кислотами: Реакция происходит, если соль образована более слабой или летучей кислотой, или если образуется осадок.
2HCl + Na2CO3 ® 2NaCl + CO2 + H2O 2H+ + CO32– ® CO2 + H2O.
СaCl2 + H2SO4 ® CaSO4¯ + 2HCl Сa2+ + SO42- ® CaSO4¯.
Основные соли при действии кислот переходят в средние:
FeOHCl + HCl ® FeCl2 + H2O.
Средние соли, образованные многоосновными кислотами, при взаимодействии с ними образуют кислые соли:
Na2SO4 + H2SO4 ® 2NaHSO4.
5) Взаимодействие со щелочами. Со щелочами реагируют соли, катионам которых соответствуют нерастворимые основания.
CuSO4 + 2NaOH ® Cu(OH)2¯ + Na2SO4 Cu2+ + 2OH– ® Cu(OH)2¯.
6) Взаимодействие друг с другом. Реакция происходит, если взаимодействуют растворимые соли и при этом образуется осадок.
AgNO3 + NaCl ® AgCl¯ + NaNO3 Ag+ + Cl– ® AgCl¯.
7) Взаимодействие с металлами. Каждый предыдущий металл в ряду напряжений вытесняет последующий за ним из раствора его соли:
Fe + CuSO4 ® Cu¯ + FeSO4 Fe + Cu2+ ® Cu¯ + Fe2+.
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au
8) Электролиз (разложение под действием постоянного электрического тока). Соли подвергаются электролизу в растворах и расплавах:
2NaCl + 2H2O H2 + 2NaOH + Cl2.
2NaClрасплав 2Na + Cl2.
9) Взаимодействие с кислотными оксидами.
СО2 + Na2SiO3 ® Na2CO3 + SiO2
Na2CO3 + SiO2 СО2 + Na2SiO3
ионная связь - связь между атомом металла и неметалла, за счет электростатического притяжения.
Al отдает 6 электронов, т.к. участв. 2 атома в образов. молекулы и так же с другими атомами
o o +3 -
2Al + 3Cl2 = 2Al Cl3
- 6 e
>
o o +2 -
Ca + Cl2 = Ca Cl2
- 2e
>
o o + -
2K + Cl2 = 2K CL
-2e
>