علیرغم این واقعیت که آلکان ها غیرفعال هستند، آنها می توانند در هنگام تعامل با هالوژن ها یا سایر رادیکال های آزاد، مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند. آلکان ها و واکنش با آنها به طور مداوم در بسیاری از صنایع استفاده می شود.
حقایق آلکان
آلکان ها جایگاه مهمی در شیمی آلی دارند. فرمول آلکان ها در شیمی C H2n+2 است. بر خلاف آروماتیک ها که دارای حلقه بنزن هستند، آلکان ها آلیفاتیک (بی حلقوی) در نظر گرفته می شوند.
در مولکول هر آلکان، همه عناصر با یک پیوند به هم متصل هستند. بنابراین، این دسته از مواد دارای پایان «-an» هستند. بر این اساس، آلکن ها دارای یک پیوند دوگانه و آلکین ها دارای یک پیوند سه گانه هستند. به عنوان مثال، الکودین ها دارای دو پیوند دوگانه هستند.
آلکان ها هیدروکربن های اشباع شده هستند. یعنی دارای حداکثر تعداد اتم H (هیدروژن) هستند. همه اتم های کربن در یک آلکان در موقعیت sp3 - هیبریداسیون هستند. این بدان معنی است که مولکول آلکان بر اساس قانون چهار وجهی ساخته شده است. مولکول متان (CH4) شبیه یک چهار وجهی است،و آلکان های باقی مانده ساختار زیگزاگی دارند.
همه اتم های C موجود در آلکان ها با استفاده از پیوندهای ơ - (پیوندهای سیگما) به هم متصل می شوند. پیوندهای C-C غیرقطبی هستند، پیوندهای C-H قطبی ضعیف هستند.
خواص آلکان
همانطور که در بالا ذکر شد، گروه آلکان فعالیت کمی دارد. پیوندهای بین دو اتم C و بین اتم های C و H قوی هستند، بنابراین از بین بردن آنها توسط تأثیرات خارجی دشوار است. همه پیوندهای موجود در آلکان ها پیوندهای ơ هستند، بنابراین اگر شکسته شوند، معمولاً باعث ایجاد رادیکال می شود.
هالوژناسیون آلکانها
به دلیل خواص ویژه پیوندهای اتم ها، آلکان ها در واکنش های جانشینی و تجزیه ذاتی هستند. در واکنش های جانشینی در آلکان ها، اتم های هیدروژن جایگزین اتم ها یا مولکول های دیگر می شوند. آلکان ها به خوبی با هالوژن ها واکنش نشان می دهند - موادی که در گروه 17 جدول تناوبی مندلیف قرار دارند. هالوژن ها فلوئور (F)، برم (Br)، کلر (Cl)، ید (I)، استاتین (At) و تنسین (Ts) هستند. هالوژن ها عوامل اکسید کننده بسیار قوی هستند. آنها تقریباً با تمام مواد جدول D. I. Mendeleev واکنش نشان می دهند.
واکنش های کلرزنی آلکان ها
در عمل، برم و کلر معمولاً در هالوژناسیون آلکان ها شرکت می کنند. فلوئور یک عنصر بسیار فعال است - با آن واکنش انفجاری خواهد بود. ید ضعیف است، بنابراین واکنش جایگزینی با آن همراه نخواهد بود. و استاتین در طبیعت بسیار نادر است، بنابراین جمع آوری مقدار کافی از آن برای آزمایش دشوار است.
مراحل هالوژناسیون
همه آلکان ها از سه مرحله هالوژناسیون عبور می کنند:
- منشاء زنجیره یا آغاز. تحت تاثیرنور خورشید، گرما یا تابش فرابنفش، مولکول کلر Cl2 به دو رادیکال آزاد تجزیه می شود. هر کدام یک الکترون جفت نشده در لایه بیرونی دارند.
- توسعه یا رشد زنجیره. رادیکال‌ها با مولکول‌های متان تعامل دارند.
- خاتمه زنجیره بخش نهایی هالوژناسیون آلکان است. همه رادیکال ها شروع به ترکیب با یکدیگر می کنند و در نهایت به طور کامل ناپدید می شوند.
برماسیون آلکان
هنگام هالوژن کردن آلکان های بالاتر پس از اتان، مشکل در تشکیل ایزومرها است. از یک ماده تحت تأثیر نور خورشید می توان ایزومرهای مختلفی تشکیل داد. این در نتیجه یک واکنش جایگزینی اتفاق می افتد. این مدرکی است که نشان می دهد هر اتم H در آلکان می تواند با یک رادیکال آزاد در طول هالوژناسیون جایگزین شود. یک آلکان پیچیده به دو ماده تجزیه می شود که درصد آنها بسته به شرایط واکنش می تواند بسیار متفاوت باشد.
برماسیون پروپان (۲-برومپروپان). در واکنش هالوژنه شدن پروپان با مولکول Br2 تحت تأثیر دماهای بالا و نور خورشید، 1-بروموپروپان - 3٪ و 2-بروموپروپان - 97٪ آزاد می شود.
بروماسیون بوتان. هنگامی که بوتان تحت تأثیر نور و دمای بالا برم می شود، 2٪ 1-بروموبوتان و 98٪ 2-بروموبوتان خارج می شود.
تفاوت بین کلرزنی و برم زایی آلکان ها
کلرزنی بیشتر در صنعت استفاده می شود. به عنوان مثال، برای تولید حلال های حاوی مخلوط ایزومرها. پس از دریافت هالوآلکانجدا شدن از یکدیگر دشوار است، اما در بازار این مخلوط ارزان تر از محصول خالص است. در آزمایشگاه ها، برماسیون بیشتر است. برم ضعیف تر از کلر است. واکنش پذیری پایینی دارد، بنابراین اتم های برم گزینش پذیری بالایی دارند. این بدان معناست که در طول واکنش، اتم‌ها انتخاب می‌کنند که کدام اتم هیدروژن را جایگزین کنند.
ماهیت واکنش کلرزنی
هنگام کلرزنی آلکان ها، ایزومرها به مقدار تقریباً مساوی در کسر جرمی آنها تشکیل می شوند. مثلاً کلرزنی پروپان با کاتالیزور به صورت افزایش دما تا 454 درجه به ترتیب 2-کلروپروپان و 1-کلروپروپان به نسبت 25 و 75 درصد به ما می دهد. اگر واکنش هالوژناسیون فقط با کمک پرتو فرابنفش انجام شود، 43 درصد 1-کلروپروپان و 57 درصد 2-کلروپروپان به دست می آید. بسته به شرایط واکنش، نسبت ایزومرهای به‌دست‌آمده ممکن است متفاوت باشد.
ماهیت واکنش برماسیون
در نتیجه واکنش های برم زایی آلکان ها، یک ماده تقریباً خالص به راحتی آزاد می شود. به عنوان مثال، 1-بروموپروپان - 3٪، 2-بروموپروپان - 97٪ از مولکول n-پروپان. بنابراین، برماسیون اغلب در آزمایشگاه ها برای سنتز یک ماده خاص استفاده می شود.
سولفاته کردن آلکانها
آلکان ها نیز با مکانیسم جایگزینی رادیکال سولفونه می شوند. برای انجام واکنش، اکسیژن و اکسید گوگرد SO2 (انیدرید گوگرد) به طور همزمان روی آلکان اثر می‌گذارند. در نتیجه واکنش، آلکان به یک اسید آلکیل سولفونیک تبدیل می شود. نمونه ای از سولفوناسیون بوتان:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
فرمول کلی سولفوکسیداسیون آلکانها:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
سولفوکلرینه کردن آلکانها
در مورد سولفوکلرینه کردن، به جای اکسیژن، از کلر به عنوان عامل اکسید کننده استفاده می شود. کلریدهای آلکان سولفونیک از این طریق به دست می آیند. واکنش سولفوکلرینه برای همه هیدروکربن ها مشترک است. در دمای اتاق و نور خورشید رخ می دهد. از پراکسیدهای آلی نیز به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. چنین واکنشی تنها بر پیوندهای ثانویه و اولیه مربوط به اتم های کربن و هیدروژن تأثیر می گذارد. با گسستن زنجیره واکنش، ماده به اتم های درجه سوم نمی رسد.
واکنش کونوالوف
واکنش نیتراسیون، مانند واکنش هالوژناسیون آلکان ها، بر اساس مکانیسم رادیکال آزاد پیش می رود. واکنش با استفاده از اسید نیتریک بسیار رقیق (10 تا 20%) (HNO3) انجام می شود. مکانیسم واکنش: در نتیجه واکنش، آلکان ها مخلوطی از ترکیبات را تشکیل می دهند. برای کاتالیز واکنش، از افزایش دما تا 140 درجه و فشار محیط طبیعی یا بالا استفاده می شود. در طی نیتراسیون، پیوندهای C-C، و نه تنها C-H، برخلاف واکنش های جایگزینی قبلی، از بین می روند. این بدان معنی است که ترک خوردگی در حال وقوع است. این واکنش تقسیم است.
واکنش های اکسیداسیون و احتراق
آلکان ها نیز بر اساس نوع رادیکال آزاد اکسید می شوند. برای پارافین ها، سه نوع پردازش با استفاده از واکنش اکسیداتیو وجود دارد.
- در فاز گاز. بنابراینآلدئیدها و الکل های کمتری دریافت کنید.
- در فاز مایع. از اکسیداسیون حرارتی با افزودن اسید بوریک استفاده کنید. با این روش، الکل های بالاتر از 10 تا С20 به دست می آید.
- در فاز مایع. آلکان ها برای سنتز اسیدهای کربوکسیلیک اکسید می شوند.
در فرآیند اکسیداسیون، رادیکال آزاد O2 به طور کامل یا جزئی جایگزین جزء هیدروژن می شود. اکسیداسیون کامل احتراق است.
آلکان های خوب سوز به عنوان سوخت نیروگاه های حرارتی و موتورهای احتراق داخلی استفاده می شوند. سوزاندن آلکان ها انرژی گرمایی زیادی تولید می کند. آلکان های پیچیده در موتورهای احتراق داخلی قرار می گیرند. برهمکنش با اکسیژن در آلکان های ساده می تواند منجر به انفجار شود. آسفالت، پارافین و روان کننده های مختلف برای صنعت از ضایعات ناشی از واکنش با آلکان ها ساخته می شوند.
