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)2P+3Ca=Ca₃PO₄ Ca₃PO₄+6H₂O=3Ca(OH)₂+2PH₃ 2PH₃+4O₂=P₂O₅+3H₂O P₂O₅+H₂O=2HPO₃ HPO₃+H₂O=H₃PO₄ 2)3NaOH+H₃PO₄=Na₃PO₄+3H₂O 3Na(+)+3OH(-)+3H(+)+PO₄(3-)=3Na(+)+PO₄(3-)+3H₂O 3OH(-)+3H(+)=3H₂O,сокращаем на 3,получается: OH(-)+H(+)=H₂O 2FeCl₃+3Ca(OH)₂=2Fe(OH)₃+3CaCl₂ 2Fe(3+)+6Cl(-)+3Ca(2+)+6OH(-)=2Fe(OH)₃+3Ca(2+)+6Cl(-) 2Fe(3+)+6OH(-)=2Fe(OH)3,сокращаем на 2,получается: Fe(3+)+3OH(-)=Fe(OH)3 3)NaNO3(не подвергается гидролизу,потому что образована сильной кислотой и основанием) FeCl₃-основана слабым основанием и сильной кислотой,гидролиз идет по катиону 1 ступень FeCl3+HOH⇔FeOHCl2+HCl Fe(3+)+3Cl(-)+H2O⇔FeOH(2+)+2Cl(-)+H(+)+Cl(-) Fe(3+)+H2O⇔FeOH(2+)+H(+) 2 ступень FeOHCl2+H2O⇔Fe(OH)2Cl+HCl FeOH(2+)+2Cl(-)+H2O⇔Fe(OH)2(+)+Cl(-)+H(+)+Cl(-) FeOH(2+)+H2O⇔Fe(OH)2(+)+H(+) 3 ступень Fe(OH)2Cl+H2O⇔Fe(OH)3+HCl Fe(OH)2(+)+Cl(-)+H2O⇔Fe(OH)3+H(+)+Cl(-) Fe(OH)2(+)+H2O⇔Fe(OH)3+H(+) KNO2-сильное основание,слабая кислота,гидролиз по аниону KNO2+HOH⇔KOH+HNO2 K(+)+NO2(-)+HOH⇔K(+)+OH(-)+HNO2 NO2(-)+HOH⇔HNO2+OH(-)
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.
Ca₃PO₄+6H₂O=3Ca(OH)₂+2PH₃
2PH₃+4O₂=P₂O₅+3H₂O
P₂O₅+H₂O=2HPO₃
HPO₃+H₂O=H₃PO₄
2)3NaOH+H₃PO₄=Na₃PO₄+3H₂O
3Na(+)+3OH(-)+3H(+)+PO₄(3-)=3Na(+)+PO₄(3-)+3H₂O
3OH(-)+3H(+)=3H₂O,сокращаем на 3,получается:
OH(-)+H(+)=H₂O
2FeCl₃+3Ca(OH)₂=2Fe(OH)₃+3CaCl₂
2Fe(3+)+6Cl(-)+3Ca(2+)+6OH(-)=2Fe(OH)₃+3Ca(2+)+6Cl(-)
2Fe(3+)+6OH(-)=2Fe(OH)3,сокращаем на 2,получается:
Fe(3+)+3OH(-)=Fe(OH)3
3)NaNO3(не подвергается гидролизу,потому что образована сильной кислотой и основанием)
FeCl₃-основана слабым основанием и сильной кислотой,гидролиз идет по катиону
1 ступень
FeCl3+HOH⇔FeOHCl2+HCl
Fe(3+)+3Cl(-)+H2O⇔FeOH(2+)+2Cl(-)+H(+)+Cl(-)
Fe(3+)+H2O⇔FeOH(2+)+H(+)
2 ступень
FeOHCl2+H2O⇔Fe(OH)2Cl+HCl
FeOH(2+)+2Cl(-)+H2O⇔Fe(OH)2(+)+Cl(-)+H(+)+Cl(-)
FeOH(2+)+H2O⇔Fe(OH)2(+)+H(+)
3 ступень
Fe(OH)2Cl+H2O⇔Fe(OH)3+HCl
Fe(OH)2(+)+Cl(-)+H2O⇔Fe(OH)3+H(+)+Cl(-)
Fe(OH)2(+)+H2O⇔Fe(OH)3+H(+)
KNO2-сильное основание,слабая кислота,гидролиз по аниону
KNO2+HOH⇔KOH+HNO2
K(+)+NO2(-)+HOH⇔K(+)+OH(-)+HNO2
NO2(-)+HOH⇔HNO2+OH(-)