Способы получения.

Промышленные методы:

1. Получение из нефти. Алканы С₁ – С₄₀ является основной составляющей нефти, где наряду с предельными углеводородами содержатся циклоалканы, ароматические углеводороды, сернистые соединения и другие компоненты. В зависимости от числа атомов углерода алканы, содержащиеся в нефти, подразделяются на следующие группы:

· газообразные алканы состава С₁ – С₄ содержатся в газовой фракции нефти;

· жидкие алканы от С₅ до С₁₀ входят в состав бензиновых фракций, выделены в чистом виде все 5 изомеров гексана, 7 из 9 изомерных гептанов, 16 из 18 изомеров октана и 24 из 35 теоретически возможных изомеров нонана;

· углеводороды состава С₁₁ – С₂₀ содержатся в средних фракциях нефти (180–350 ^оС), причем содержание нормальных алканов снижается с увеличением молекулярной массы;

· твердые алканы С₁₆ и выше находятся в высококипящих фракциях (350 – 500 ^оС), их называют в зависимости от состава и температуры плавления парафинами (в основном алканы с Т_пл= 45–65 ^оС) и церезинами (разветвленные алканы).

2. Природный газ. Природный газ состоит на 75% из СН₄, 15% СН₃–СН₃, 5% СН₃–СН₂–СН₃, остальное составляют высшие алканы и другие соединения. Природный газ используют как топливо и сырье для химической промышленности.

3. Гидрогенизация угля. (400–500 ^оС, 30 МПа, Ф. Бергиус, 1925 г.). катализатор – оксиды и сульфиды молибдена, никеля, кобальта:

 

С+Н₂ СН₄

 

4. Метод Фишера – Тропша. Каталитическое гидрирование СО и СО₂ обычно дает метан. В качестве катализатора используют никель (П. Сабатье, И. Сандеран, 1902 г.):

 

СO+3Н₂ СН₄+H₂O

СO₂+4Н₂ СН₄+2H₂O

 

Процесс каталитического гидрирования СО протекает в зависимости от применяемого катализатора и температуры. В основном образуются низкомолекулярные неразветвленные алканы (Ф. Фишер, Х. Тропш 1913 – 1926 г.):

 

СO+3Н₂ СН₄+H₂O

 

В последующие годы метод был усовершенствован: изменен катализатор, давление и температура реакции (Ф. Фишер, Х. Пихлер 1936 – 1941 г.). В настоящее время методом Фишера – Тропша могут быть получены моторные топлива и отдельные углеводороды (алканы, циклоалканы, арены). В основе реакции лежит сорбция СО поверхностью катализатора в результате чего образуются карбонилы кобальта. Водород присоединяется к сорбированному оксиду углерода, образуя карбены и метильные радикалы. Карбен может внедрятся по связи Со – СН₃, что приводит к росту углеродной цепи:

 

 

 

В качестве побочных продуктов могут образовываться кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды).

5. Воздействие анаэробных бактерий на растительные остатки:

 

(С₆Н₁₀О₅)_n + H₂O 3n СO₂ + 3n СН₄

 

Лабораторные методы:

6. Реакция металлорганических соединений с водой.Соединения, содержащие связь металл – углерод, в большинстве случаев легко реагируют с водой, образуя углеводороды.

6.1 Гидролиз карбидов:

 

Al₄C₃+12 H₂O3 СН₄ + 4 Al(OH)₃

 

CaC₂, SrC₂ и BaC₂ в реакции с водой образуют ацетилен, а Fe₃C и Ni₃C в реакции с кислотами образуют смеси углеводородов.

6.2 Гидролиз алкилмагнийгалогенидов(реактивов Гриньяра):

 

R–MgHal + H₂OR–H + Mg(OH)Hal

 

R–Hal + R^δ––^δ++MgHal^– R–H + Mg(OH)Hal

 

7. Гидрирование ненасыщенных углеводородов. Реакция присоединения водорода по кратным связям происходит при обычных температурах и давлении на катализаторе, в качестве которого используют металлы с недостроенным d-подуровнем, чаще всего это металлы VIII группы (никель, платина, палладий). Гидрирование осуществляют молекулярным водородом, который активируется катализатором и присоединяется к непредельному соединению:

7.1 гидрирование алкенов:

 

R–CH=CH–R + Н₂ R–CH₂–CH₂–R

 

7.2 гидрирование алкадиенов:

 

R–CH=CH–CH₂–CH=CH–R + 2Н₂ R–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–R

 

7.3 гидрирование алкинов:

 

R–C≡C–R + 2Н₂ R–CH₂–CH₂–R

 

8. Восстановление галогенпроизводных алканов. Восстановление проводят амальгамой натрия, гидридами металлов, водородом на палладии, а также йодистым водородом:

 

R–Hal + H₂ R–H + HHal

 

R–I + HIR–H + I₂

 

9. Реакция Вюрца (Ш. Вюрц, 1855 г.):

 

2R–Hal + 2NaR–R + 2NaHal

 

3R–Hal + 3R¹–Hal + 6Na2R–R + 2R¹–R¹ + 2R–R¹ + 6NaHal

 

Механизм реакции осуществляется с образованием ион – радикалов и алкильных радикалов:

 

2R^δ+–Hal^δ– + 22[RHal]^•–Na⁺2R^• +2Hal^– + 2Na⁺R–R + 2NaHal

R^• +RNaR–R + 2NaHal

 

10. Реакция Вюрца – Гриньяра, катализатор – соли кобальта:

 

R–Hal + R¹–MgHalR–R¹ + MgHal₂

11. Реакция Кори – Хауса:

 

R–I + 2LiR–Li +LiI

 

2 R–Li +CuI R₂CuLi + LiI

 

R¹–I + R₂CuLi 2R¹– R + CuI + LiI

 

12. Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе, 1849 г.):

 

13. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (синтез Дюма):

 

 

14. Сплавление гидразонов альдегидов и кетонов со щелочью (реакция Киннера):

 

R–CH=N–NH₂R–CH– H₂ + N₂

 

15. Восстановление карбонильных соединений (метод Клемменсена):

 

 

Физические свойства. Алканы представляют собой бесцветные вещества, в обычных условиях газообразные или жидкие, алканы с большим числом углеродных атомов являются твердыми веществами.

Газообразные и твердые алканы не имеют запаха, жидкие имеют характерный бензино-керосиновый запах.

Температура плавления нормальных углеводородов в гомологическом ряду увеличивается медленно. Главным фактором, влияющим на температуру плавления вещества, является плотность упаковки молекулы в кристаллической решетке. Чем симметричнее молекула, тем плотнее ее упаковка в кристалле и тем выше температура плавления (у н-пентана –132°С, у неопентана –20 °С).

Связи С–С и С– Н в молекулах алканов практически неполярны, и, следовательно, единственными силами, участвующими в притяжении молекул друг к другу, являются ван-дер-ваальсовы взаимодействия. В связи с этим алканы имеют низкие температуры кипения по сравнению со многими соединениями с близкой молекулярной массой.

Температура кипения у всех разветвленных алканов ниже, чем у нормальных алканов, и притом тем ниже, чем более разветвлена углеродная цепь молекулы (табл. 19).

Температура плавления оказывается самой высокой у изомеров с максимально разветвленной углеродной цепью. Эти закономерности объясняются следующими причинами:

· превращению жидкости в газ препятствуют ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия между атомами отдельных молекул. Поэтому чем больше атомов в молекуле, тем выше температура кипения вещества, следовательно, в гомологическом ряду температура кипения должна равномерно расти. Если сравнить силы взаимодействия молекул н-пентана и неопентана, то ясно, что эти силы больше для молекулы с нормальной цепью углеродных атомов, чем для разветвленных, так как в молекуле неопентана центральный атом вообще выключен из взаимодействия;

· форма разветвленной молекулы стремится к сферической, при этом площадь поверхности соприкосновения уменьшается, что приводит к уменьшению взаимодействия и, следовательно, для преодоления слабых сил взаимодействия требуется меньшая энергия;

· каждая дополнительная группа СН₂ вносит довольно постоянный вклад в температуру кипения и плотность и несколько меньший вклад в температуру плавления (рис. 21).

 

Рисунок 21 – Зависимость температур плавления, кипения и плотности, от числа атомов углерода (n) для алканов с неразветвленной цепью

 

Таблица 19 – Физические свойства алканов

 

Соединение		Формула	Температура, °С	Плотность,
плавления	кипения
метан		СН4	–182,5	–161,5	0,415*
этан		СН3-СН3	–183,3	–88,6	0,546*
пропан		СН3СН2СН3	–187,7	–42,1	0,501*
бутан		СН3(СН2)2СН3	–138,3	–0,5	0,579*
изобутан		СН3СН(СН3)СН3	–159,6	–11,7	0,557*
пентан		СН3(СН2)3СН3	–129,7	36,1	0,626
изопентан		СН3СН(СН3)СН2СН3	–159,9	27,9	0,620
гексан		СН3(СН2)4СН3	–95,3	68,7	0,660
гептан		СН3(СН2)5СН3	–90,6	96,4	0,684
октан		СН3(СН2)6СН3	–56,8	125,1	0,702
изооктан		СН3С(СН3)2СН2СН(СН3)2	–107,4	99,2	0,692
нонан		СН3(СН2)7СН3	–53,5	150,8	0,718
декан		СН3(СН2)8СН3	–29,7	174,1	0,730
пентадекан		СН3(СН2)13СН3	9,9	270,6	0,768
эйкозан		СН3(СН2)18СН3	36,8	342,7	0,789**
триконтан		СН3(СН2)28СН3	65,8	446,4	0,810**
гектан		СН3(СН2)98 СН3	115,2	–	–
полиэтилен (ПЭВД)	30 – 800 тыс.	–(СН2)n–	–	–	0,918-0,930
полиэтилен (ПЭНД)	30 – 800 тыс.	–(СН2)n–	–	–	0,955-0,968

*– При температуре кипения. **Для переохлажденной жидкости.

 

Алканы практически нерастворимы в воде, так как их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Алканы намного легче воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан (четыреххлористый углерод), диэтиловый эфир и др.